全套课件·《模拟电子技术》1

1、模拟电子技术第1章 半导体二极管及其电路分析第1章 半导体二极管及其电路分析1.1 本征半导体1.2 杂质半导体1.3 PN结1.4 半导体二极管1.5 稳压管 导体的导电能力最强，金、银、铜等金属均为导体；绝缘体的导电能力最弱，塑料、橡胶等均为绝缘体；半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间，常用的半导体材料为硅(Si)、锗(Ge)，化合物半导体为砷化镓（GaAs）。半导体具有光敏、热敏和掺杂特性：即半导体在受到光照、加热或掺入微量杂质时，其导电性能会大大提高。1.1 本征半导体 纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。现以硅原子为例：每个硅原子最外层的4个价电子分别和周围4个硅原子的价电子形

2、成共用电子对，构成共价键结构，如图1-1所示。图1-1 本征半导体的共价键结构本征半导体中有两种载流子：自由电子载流子和空穴载流子。本征半导体中的共价键具有很强的结合力，常温时仅有极少数价电子由于热运动获得足够的能量，挣脱共价键的束缚成为自由电子；同时在共价键相应位置处留下一个空位，称为空穴。如图1-2所示。图1-2 本征半导体的两种载流子本征激发：半导体由于热激发产生自由电子空穴对的现象。本征激发产生的自由电子和空穴总是成对出现的，二者数量相等。本征半导体中的电流等于自由电子电流和空穴电流之和。复合：自由电子在运动过程中，如果与空穴相遇，就会填补空穴，使自由电子和空穴成对消失。在一定温度下，

3、自由电子、空穴的产生与复合会达到动态平衡。 1.2 杂质半导体杂质半导体：在本征半导体中掺入微量的杂质元素，其导电性能会得到改善。按照掺入元素的不同可分为：N型半导体和P型半导体。N型半导体：在本征半导体中掺入+5价元素，如磷（P）等P型半导体：在本征半导体中掺入+3价元素，如硼（B）等1.2.1 N型半导体在本征半导体中掺入+5价元素，如磷（P）等所得到的杂质半导体为N型半导体，如图1-3所示。图1-3 N型半导体N型半导体仍然有两种载流子：自由电子和空穴。空穴载流子是本征激发产生的。自由电子载流子除了本征激发产生以外，还有一部分是由杂质提供的，N型半导体的多子：自由电子N型半导体的少子：空

4、穴1.2.2 P型半导体在本征半导体中掺入+3价元素，如磷（B）等所得到的杂质半导体为P型半导体，如图1-4所示。图1-4 P型半导体P型半导体仍然有两种载流子：自由电子和空穴。自由电子载流子是本征激发产生的。空穴载流子除了本征激发产生以外，还有一部分是由杂质提供的，P型半导体的多子：空穴P型半导体的少子：自由电子1.3 PN结1.3.1 PN结的形成利用不同的掺杂工艺，将P型半导体和N型半导体制作在同一个半导体硅片上，在P型半导体和N型半导体的交界面就形成了PN结。PN结的形成过程如图1-5：(a)多子扩散运动 (b)动态平衡时的PN结图1-5 PN结的形成1.3.2 PN结的单向导电性 P

5、N结的单向导电性是指当PN结外加正向电压时导通，有较大的正向电流流过；当PN结外加反向电压时截止，仅有较小的反向电流流过。所谓PN结外加正向电压是指PN结的P区接电源的正极，N区接电源的负极，通常称作PN结正向偏置，如图1-6所示。 图1-6 PN结外加正向电压的情况1.3.3 PN结的伏安特性所谓PN结外加反向电压是指PN结的N区接电源的正极，P区接电源的负极，通常称作PN结反向偏置，如图1-7所示。 图1-7 PN结外加反向电压的情况PN结两端所加电压与流过该PN结的电流之间的关系为： PN结的伏安特性曲线如图1-8所示。 图1-8 PN结的伏安特性曲线PN结的伏安特性曲线分为3部分：（1

6、）正向特性。（2）反向截止特性。（3）反向击穿特性。当PN结两端外加的反向电压增加至一定值后，流过PN结的反向电流急剧增加，此现象称为PN结的反向击穿。PN结的反向击穿按照其击穿机理的不同，可分为雪崩击穿和齐纳击穿两种。1.3.4 PN结的电容效应PN结的电容效应根据产生机理不同可分为：势垒电容和扩散电容。PN结的结电容为势垒电容和扩散电容之和。1.4 半导体二极管半导体二极管是由PN结的P区和N区分别引出两根电极引线，并加上管壳封装而成，简称为二极管。二极管的外形、结构、符号如图1-9所示。图1-9 二极管的外形、结构及符号按构成二极管的材料划分：硅二极管、锗二极管和砷化镓二极管等。按照结构

7、划分：点接触型二极管、面接触型二极管和平面型二极管。按照用途划分：整流二极管、稳压二极管、发光二极管等。按照功率划分：大功率二极管、中功率二极管和小功率二极管。 1.4.1 二极管的伏安特性及主要参数1二极管的伏安特性图1-10 二极管的伏安特性曲线 二极管的伏安特性曲线分为3部分：（1）正向特性。（2）反向截止特性。（3）反向击穿特性。随着环境温度的增加，二极管的正向特性曲线将左移，反向特性曲线将下移。温度升高时，二极管的反向电流将增大，温度每增加10，反向电流增加一倍；温度升高时，二极管的正向压降将减小，温度每增加1，正向压降将减小22.5mV。 2二极管的主要参数（1）最大整流电流：指二

8、极管长期工作时允许通过的最大正向平均电流，该值与PN结面积和散热条件有关。使用时正向平均电流不能超过此值，否则会烧坏二极管。（2）最大反向工作电压：指二极管正常工作时所能承受的最大反向电压，超过此值时，二极管有可能因反向击穿而被损坏。通常规定最大反向工作电压为击穿电压的一半。（3）反向电流：指二极管未发生击穿时的反向电流。其值越小，说明二极管的单向导电性越好。（4）最高工作频率：指二极管正常工作时的上限频率值，它的大小与二极管的结电容有关，若超过此值，二极管的单向导电性会受到影响。1.4.2 二极管电路的分析1二极管的等效电路（1）理想模型：其伏安特性曲线和等效电路分别如图1-11(a)、(b

9、)所示。(a)伏安特性曲线 (b)等效电路图1-11 理想模型（2）恒压降模型：伏安特性曲线和等效电路分别如图1-12(a)、(b)所示。(a)伏安特性曲线 (b)等效电路图1-12恒压降模型（3）折线模型：伏安特性曲线和等效电路分别如图1-13(a)、(b)所示。(a)伏安特性曲线 (b)等效电路图1-13折线模型（4）小信号模型二极管小信号模型的伏安特性曲线和等效电路分别如图1-14(a)、(b)所示。(a)伏安特性曲线 (b)等效电路图1-14小信号模型2二极管电路分析举例【例1-1】电路如图1-15所示，假设图中的二极管是理想的，试判断二极管是否导通，并求出相应的输出电压。（a） (b

10、)图1-15 例1-1的电路图解：二极管D导通，输出电压 。 二极管D截止，输出电压 。【例1-2】电路如图1-16所示，二极管的正向导通压降为0.7V，试分析电路的工作原理，并画出 和 的波形。图1-16 例1-2的电路图解：【例1-3】电路如图1-18所示， ， 。试分别用理想模型和恒压降模型，求解电路的 和 的值。图1-18 例1-3的电路图解： 理想模型： ，加在二极管阳极的电位高于加在二极管阴极的电位，二极管导通。解：恒压降模型： ，加在二极管阳极的电位高于加在二极管阴极的电位，二极管导通。1.5 稳压管1.5.1 稳压管的伏安特性稳压管又称齐纳二极管，是一种工作在反向击穿状态下的面

11、接触型硅半导体二极管。稳压管的伏安特性、符号及等效电路如图1-19(a)，(b)，(c)所示。(a)伏安特性 (b)符号 (c)等效电路图1-19 稳压管的伏安特性、符号及等效电路1.5.2 稳压管的主要参数（1）稳定电压：指在规定电流下，稳压管的反向击穿电压。（2）稳定电流：指稳压管工作在稳压状态时的参考电流，通常也记作。稳压管工作时，电流低于此值时，稳压效果将变坏，甚至不能稳压。在保证不超过稳压管的额定功率前提下，电流越大，稳压管稳压效果越好。（3）额定功耗：为稳压管的稳定电压与最大稳定电流之积。（4）动态电阻：指当稳压管工作在稳压状态时，稳压管两端电压的变化量与流过稳压管电流的变化量之比

12、。越小，稳压管稳压效果越好。（5）温度系数：用于反映温度变化对稳定电压的影响，是指温度每变化1所引起的稳定电压的变化量。1.5.3 稳压电路图1-20所示为稳压管稳压电路，其中为稳压管，电阻为负载电阻，电阻为限流电阻。当电网电压波动或者负载电阻变化时，都能够引起输出电压变化。 图1-20 稳压管稳压电路模拟电子技术第2章 晶体管及其放大电路分析第2章 晶体管及其放大电路分析2.1 晶体管的基本概念2.2 晶体管放大电路的分析2.3 多级放大电路的分析2.4 放大电路的频率特性 利用不同的掺杂方式在同一块硅片上，制造出能够形成两个PN结的三个掺杂区，就构成了半导体三极管，又称为双极型晶体管（BJ

13、T，Bipolar Junction Transistor的缩写）、晶体三极管，通常简称为晶体管。晶体管按照频率可分为：高频管和低频管；按照功率可分为大功率管、中功率管和小功率管；按照材料可分为硅管和锗管；按照构成晶体管的三个掺杂区的不同，可分为NPN型和PNP型。2.1 晶体管的基本概念2.1.1 晶体管的结构及分类结构示意图和符号分别如图2-1和2-2所示。(a)结构示意图 (b)符号图2-1 NPN型晶体管的结构示意图及符号 (a)结构示意图 (b)符号图2-2 PNP型晶体管的结构示意图及符号 晶体管的几种常见外形如图2-3所示。 (a)、(b)小功率管 (c)中功率管 (d)大功率管

14、图2-3 晶体管的常见外形2.1.2晶体管的电流放大作用1放大的基本概念放大作用是一种能量控制作用，放大的对象是变化量，能够将微小的变化量不失真的放大输出。放大作用是通过放大电路来实现的，放大电路的核心元件是晶体管。晶体管具有放大作用所需具备的内部条件：在制造晶体管时需保证其发射区掺杂浓度高；基区很薄且掺杂浓度低；集电结面积大。晶体管具有放大作用所需具备的外部条件：发射结正偏，集电结反偏。基本共射放大电路如图2-4所示。 图2-4 基本共射放大电路 2晶体管内部载流子的运动（1）发射区向基区大量注入电子（2）电子在基区复合和进一步扩散（3）集电区大量收集电子图2-5 晶体管内部载流子运动示意图

15、 2.1.3 晶体管的输入输出特性曲线图2-6 基本共射放大电路晶体管的输入特性曲线是指当晶体管集-射之间电压一定的情况下，输入回路的基极电流与基-射电压之间的关系曲线，可以表示为：晶体管的输出特性曲线是指当晶体管基极电流一定的情况下，输出回路的集电极电流与集-射电压之间的关系曲线，可以表示为： (a)输入特性曲线 (b)输出特性曲线图2-7 晶体管的输入输出特性曲线晶体管的输出特性曲线，分为三个工作区：截止区、放大区和饱和区。（1）截止区：晶体管的发射结处于反偏或者零偏，集电结处于反偏时，该晶体管工作在截止区。（2）放大区：晶体管的发射结处于正偏，集电结处于反偏时，该晶体管工作在放大区。（3

16、）饱和区：晶体管的发射结处于正偏，集电结也处于正偏时，该晶体管工作在饱和区；当晶体管的发射结处于正偏，集电结处于零偏时，该晶体管工作在临界饱和状态。【例2-1】测得三只晶体管的直流电位如图2-8(a)、(b)、(c)所示，试判断它们的工作状态。图2-8 例2-1图 解：图2-8(a)中发射结正偏，集电结也正偏，所以该管工作在饱和状态。图2-8(b)中发射结正偏集电结反偏，所以该管工作在放大状态。图2-8(c)中晶体管发射结反偏，集电结也反偏，所以该管工作在截止状态。2.1.4 晶体管的主要参数1晶体管的主要参数（1）电流放大系数 共射直流电流放大系数共射交流电流放大系数： 共基直流电流放大系数

17、：共基交流电流放大系数： （2）反向电流集-基反向饱和电流 是指发射极e开路时，集电结在反向电压作用下，集-基之间由少子漂移运动形成的反向饱和电流。集-射反向饱和电流 是指基极b开路时，集电极和发射极之间的穿透电流。（3）极限参数集电极最大允许电流集电极最大耗散功率极间反向击穿电压 ：为基极开路时，加在集-射之间的反向击穿电压。 ：为射极开路时，加在集-基之间的反向击穿电压。 ：为集电极开路时，加在射-基之间的反向击穿电压。2温度对晶体管参数的影响（1）温度对反向饱和电流的影响：反向饱和电流随着温度的升高而增大。（2）温度对的影响：随着温度的升高，晶体管的输入特性曲线将左移。（3）温度对共射电

18、流放大系数的影响：共射电流放大系数随温度的升高而增大，在输出特性曲线上表现为各曲线间的间隔增大。温度对晶体管上述三个参数的影响，集中体现在使晶体管的集电极电流的增加上。【例2-2】已知某单管放大电路中，电源电压为25V，现有三只管子 、 、 ，它们的分别为0.01、0.1、0.05； 分别为50V、50V、20V； 分别为15、100、100，试问选择哪只管子比较合适。解：选择 管比较合适。 2.2 晶体管放大电路的分析 2.2.1 晶体管放大电路的性能指标基本共射放大电路如图2-12所示。图2-12 基本共射放大电路共集放大电路如图2-13所示 图2-13 基本共集放大电路 共基放大电路如图

19、2-14所示。图2-14 基本共基放大电路晶体管放大电路的主要性能指标有：放大倍数、输入电阻、输出电阻、非线性失真系数和通频带。（1）放大倍数是用于衡量放大电路放大能力的主要指标。通常将输出量与输入量的比值定义为放大倍数，用 表示，又称为增益。按照输入量和输出量的不同，放大倍数可分为：电压放大倍数 电流放大倍数互阻放大倍数互导放大倍数（2）输入电阻输入电阻是用于衡量一个放大电路从信号源获取信号能力大小的指标。通常将输入电阻定义为输入电压与输入电流之比，即从放大电路输入端看进去的等效电阻，记作，即：可以根据输入电阻的大小来判断一个放大电路从信号源获取信号的能力。输入电阻越大越好。 （3）输出电阻

20、输出电阻是用于衡量一个放大电路带负载能力大小的指标。输出电阻是从放大电路输出端看进去的等效电阻。可以根据输出电阻的大小来判断一个放大电路带负载电阻的能力。输出电阻越小，带负载能力越强。所以通常希望一个放大电路的输出电阻越小越好。（4）通频带通频带是用于衡量一个放大电路对不同频率信号的放大能力的指标。中频时放大倍数最大，低频或高频时放大倍数都会下降并产生相移。放大电路的放大倍数随频率变化的关系曲线如图2-16所示。图2-16 放大倍数随频率变化的曲线（5）非线性失真系数非线性失真系数可定义为：（6）最大不失真输出电压最大不失真输出电压是指输出波形不失真情况下，输出电压的最大值，记作 。（7）最大

21、输出功率和效率最大输出功率是指输出波形不失真情况下，负载上所获得的最大功率，记作 。效率 是指最大输出功率与直流电源提供功率之比。效率越高，说明在交流输入信号的控制下，能量转换能力就越强。2.2.2 晶体管放大电路的图解分析法如图2-17所示的放大电路中， 图2-17 基本共射放大电路 图2-17所示电路的直流通路如图2-18所示。图2-18 图2-17所示电路的直流通路图2-17所示电路的交流通路如图2-19所示。图2-19图2-17所示电路的交流通路晶体管放大电路的分析方法有图解法和微变等效电路法两种。所谓图解法是利用晶体管的输入特性曲线、输出特性曲线及放大电路中其它元件的参数，通过作图对

22、放大电路进行分析的方法。 (a)输入回路 (b)输出回路图2-20图2-17所示电路的图解法分析图解法的特点是比较直观，通常适用于输入信号幅度较大、工作频率较低情况电路的分析或进行放大电路的失真情况分析。静态工作点过高出现饱和失真。消除饱和失真的办法是降低静态工作点，可以采取增大或者减小等办法来降低静态工作点。静态工作点过低出现截止失真。消除截止失真的办法是提高静态工作点，可以采取减小或者增大等办法来提高静态工作点。2.2.3 晶体管放大电路的等效电路分析法1晶体管的低频小信号h参数等效电路现将晶体管看成一个二端口网络，如图所示：端电压和电流之间关系可分别表示为： 简化后的晶体管h参数等效电路

23、如图所示 ：2晶体管的低频小信号h参数等效电路分析法利用晶体管的低频小信号h参数等效电路对放大电路进行分析，通常也称为晶体管的微变等效电路法，分析步骤如下：（1）求静态工作点画直流通路；求静态工作点。（2）求交流性能画交流通路；画交流等效电路；求交流性能。下面用微变等效电路法分析下图所示电路： （1）求静态工作点画直流通路。求静态工作点。（2）求交流性能画交流通路。 画交流等效电路。 求交流性能。电压放大倍数为：输入电阻为：输出电阻为：例：阻容耦合放大电路如图示，已知 ， ， ， ，试求：（1）静态工作点；（2）交流性能 、 和 。解：（1）求静态工作点画直流通路 求静态工作点。（2）求交流性

24、能画交流通路 画交流等效电路 求交流性能 2.2.4 静态工作点稳定放大电路 （1）求静态工作点画直流通路 求静态工作点。（2）求交流性能画交流通路 画交流等效电路 求交流性能。电压放大倍数为：输入电阻为：输出电阻为： 2.2.5 基本共集放大电路的分析（1）求静态工作点画直流通路 求静态工作点。（2）求交流性能画交流通路 画交流等效电路 求交流性能。电压放大倍数为：输入电阻为：输出电阻为： 2.2.6 基本共基放大电路的分析（1）求静态工作点画直流通路 求静态工作点。（2）求交流性能画交流通路 画交流等效电路 求交流性能。电压放大倍数为：输入电阻为：输出电阻为： 2.3 多级放大电路的分析多

25、级放大电路中，每个单级放大电路称为一级，各个单级放大电路之间的连接方式，称为耦合方式。常见的耦合方式有：直接耦合、阻容耦合和变压器耦合等。直接耦合方式是将前一级放大电路的输出端直接送到后一级放大电路的输入端的连接方式，如图示 ：直接耦合放大电路的特点是：（1）各级的静态工作点不独立，使得各级的静态工作点相互影响，不便于进行电路的分析、设计和调试；（2）直接耦合多级放大电路中，由于信号的传送不经过电抗元件，所以频率特性好，可以放大低频信号或直流信号，且容易集成。集成运放中各级放大电路之间都是直接耦合方式；（3）直接耦合放大电路存在着零点漂移现象。 阻容耦合方式是将前一级放大电路的输出端通过电容接

26、到后一级放大电路的输入端的连接方式。这个电容称为耦合电容，如图示。 阻容耦合放大电路的特点是：（1）阻容耦合多级放大电路中，各级直流通路之间是不连通的，因此各级的静态工作点独立。（2）阻容耦合多级放大电路的低频特性差，不能放大变化缓慢的信号。（3）由于大电容不容易制作，所以阻容耦合方式不便于集成。变压器耦合方式是将前一级放大电路的输出端通过变压器接到后一级放大电路的输入端或直接接负载电阻的连接方式，如图所示。 变压器耦合放大电路的特点是：（1）变压器耦合多级放大电路中，各级直流通路之间是不连通的，因此各级的静态工作点独立，便于分析、设计和调试；（2）变压器耦合多级放大电路的低频特性差，不能放大

27、变化缓慢的信号；（3）由于变压器具有阻抗变换作用，能够实现阻抗匹配、获得最大输出功率。（4）由于变压器的体积和重量都很大，所以变压器耦合多级放大电路不便于集成。多级放大电路的动态性能 ：2.4 放大电路的频率特性放大电路的电压放大倍数与输入信号频率之间的函数关系称为频率特性，或称为频率响应。 电压放大倍数的幅值随频率变化的关系，称为幅频特性；电压放大倍数的相位随频率变化的关系，称为相频特性。幅频特性和相频特性统称为频率特性。 晶体管的简化混合 模型单管放大电路的频率特性曲线：晶体管放大电路对不同频率信号的放大能力不同，只有在中频某段频率范围内，电压放大倍数最大且恒定不变，此时的电压放大倍数称为

28、中频电压放大倍数。随着输入信号频率的减小，电压放大倍数下降到中频电压放大倍数的0.707倍时所对应的频率称为下限截止频率，随着输入信号频率的增加，电压放大倍数下降到中频电压放大倍数的0.707倍时所对应的频率称为上限截止频率。 低频段：频率低于下限截止频率的部分；高频段：频率高于上限截止频率的部分；通频带：位于下限截止频率与上限截止频率之间的部分。通频带是用于衡量一个放大电路对不同频率信号放大能力的指标。通频带越宽，表示放大电路所能放大的信号频率的范围越宽。 对于多级放大电路的频率特性来说，有如下结论：（1）多级放大电路的下限截止频率高于构成它的各级放大电路的下限截止频率；（2）多级放大电路的

29、上限截止频率低于构成它的各级放大电路的上限截止频率；（3）多级放大电路的通频带比构成它的各级放大电路的通频带都窄。模拟电子技术第3章 场效应管及其放大电路分析第3章 场效应管及其放大电路分析3.1 场效应管的基本概念3.2 场效应管放大电路的分析场效应管按照结构不同，可分为结型场效应管和绝缘栅型场效应管两大类；结型场效应管（Junction Field Effect Transistor，简称JFET）按照制造工艺和材料不同，可分为N沟道结型场效应管和P沟道结型场效应管两种。现以N沟道结型场效应管为例，介绍结型场效应管的结构、工作原理、特性曲线及主要参数。 3.1 场效应管的基本概念 3.1.

30、1结型场效应管1结构N沟道结型场效应管的结构示意图及符号如图所示： N沟道结型场效应管是在一块掺杂浓度较低的N型半导体上，制作两个高浓度的P型区（称为 型区），从而形成两个PN结。将两个 型区连接在一起，引出一个电极，称为栅极（用g表示）；在N型半导体的两端各引出一个电极，分别称为漏极（用d表示）和源极（用s表示）。两个PN结中间的N型区是漏极和源极之间的电流沟道，称为导电沟道。由于导电沟道是N型区，其多子是自由电子，故称为N沟道结型场效应管；其符号箭头方向是从栅极指向沟道，即从P区指向N区。 P沟道结型场效应管的结构示意图及符号如图所示： 2工作原理（1） ， 情况当N沟道JFET的栅-源和

31、漏-源之间均未加电压时，耗尽层很窄，导电沟道很宽，沟道电阻很小。当栅-源之间加反向电压，漏-源之间不加电压时，由于栅-源之间加反向电压，耗尽层加宽，导电沟道变窄，沟道电阻增大，且随着外加反向电压的增大，耗尽层进一步加宽，导电沟道随之变窄，沟道电阻随之增大。当外加反向电压增大至某一数值时，两侧的耗尽层相遇，整个沟道被夹断，沟道电阻趋于无穷大。此时所对应的栅-源电压称为夹断电压。（2） ， 情况当栅-源之间加反向电压，漏-源之间加正向电压时，由于栅-源之间加反向电压，耗尽层加宽，导电沟道变窄，沟道电阻增大；设栅-源之间所加反向电压为范围内的某一固定值。此时由于漏-源之间加正向电压，就有从漏极到源极

32、的漏极电流产生。由于漏极电流在流经导电沟道时会产生电压降，使得沟道上各点与栅极之间的电压不再相等，从而导致沟道中耗尽层的宽度进一步变得不等宽。由于漏极电流在流经导电沟道时产生的电压降从漏极到源极逐渐增大，沟道上各点的电位从漏极到源极逐渐减小，即漏极处的电位最大；源极处的电位最小为零，所以沟道上各点与栅极之间的电压从漏极到源极逐渐减小，使得漏极处的耗尽层最宽，从漏极到源极耗尽层宽度逐渐减小，从而沟道宽度从漏极到源极逐渐增大，沟道电阻从漏极到源极逐渐减小。随着的进一步增大，沟道在漏极处发生预夹断，即漏极处两侧的耗尽层相遇，如图示。此后继续增大，只是夹断区沿沟道进一步加长，漏极电流不再增加，达到饱和

33、。 3特性曲线 转移特性曲线是用于描述漏-源电压一定情况下，漏极电流与栅-源电压之间关系的曲线，即 。 N沟道JFET的转移特性曲线如图所示。输出特性曲线是用于描述栅-源电压一定情况下，漏极电流与漏-源电压之间关系的曲线，即 。N沟道JFET的输出特性曲线如图所示。4主要参数（1）直流参数夹断电压：是指漏-源电压为某定值时，使漏极电流为0或某一微小数值（如10）时的栅-源电压值。饱和漏电流：是指栅-源电压 时，管子发生预夹断时所对应的漏极电流值。直流输入电阻：是指在漏-源之间短路时，栅-源电压与栅极电流的比值。一般 。（2）交流参数低频跨导：是指漏-源电压为某定值时，漏极电流的变化量与对应栅-

34、源电压的变化量的比值，单位为S。极间电容：场效应管的三个电极间存在着极间电容，即栅源电容、栅漏电容和漏源电容。输出电阻：是指在恒流区内，当栅-源电压为某定值时，漏-源电压的变化量与漏极电流的变化量的比值。是用于反映漏-源电压对漏极电流的影响的参数，体现在输出特性曲线上，即是曲线上某点切线斜率的倒数。（3）极限参数最大漏电流：是指管子正常工作时所允许通过的漏极电流的最大值。最大耗散功率：是决定管子温升的参数，超过此值时，管子会因过热而被烧坏。漏源击穿电压：是指随着漏-源电压的增加，使得漏极电流急剧增加是的漏-源电压值。正常工作时，若超过此值，管子将会被击穿。栅源击穿电压：是指栅源间所能承受的最大

35、电压。正常工作时，若超过此值，栅极和沟道间的PN结将会被击穿。3.1.2 绝缘栅型场效应管MOS管按照制造工艺和材料不同，可分为N沟道和P沟道；MOS管按照工作方式不同，又可分为增强型和耗尽型；因此MOS管可分为N沟道增强型、P沟道增强型、 N沟道耗尽型和P沟道耗尽型四种。增强型MOS管与耗尽型MOS管的区别是：增强型MOS管在栅-源之间未加电压时，无导电沟道；只有当栅-源之间加上电压后，才能产生导电沟道。而耗尽型MOS管在栅-源之间未加电压时，已经存在导电沟道。以N沟道增强型MOS管为例，介绍MOS管的结构、工作原理及特性曲线。1结构增强型NMOS管的结构示意图如图所示。增强型NMOS、 P

36、MOS管的符号如图所示。 耗尽型NMOS、 PMOS管的符号如图所示。 2工作原理（1） 情况当栅-源之间未加电压时，漏-源之间是一对背靠背的PN结，所以无论漏-源之间加正向电压还是反向电压，总有一个PN结是截止的，漏-源之间没有导电沟道，也没有漏极电流产生，如图示。（2） ， 情况当漏-源之间不加电压，栅-源之间加正向电压时，由于栅极和衬底之间相当于以绝缘层为介质的平板电容器，在栅-源正向电压的作用下，栅极表面会积累正电荷，该正电荷能够吸引衬底中的少子自由电子，排斥衬底中的多子空穴，使得栅极附近的P型衬底中留下不能移动的负离子，形成耗尽层。随着外加栅-源电压的增加，耗尽层将继续加宽，当增加至

37、一定值时，自由电子将被吸引到绝缘层与耗尽层之间，形成一个N型薄层，称为反型层，这个反型层即是漏-源之间的导电沟道。开始形成反型层时的栅-源电压，称为开启电压。形成反型层后，继续增加，反型层将加宽，沟道电阻将减小。如图示。（3） ，且为定值， 情况设栅-源之间所加电压为的某一固定值，漏-源之间加正向电压。由于 ，所以漏-源之间的导电沟道已经形成，又由于漏-源电压 ，所以有从漏极到源极的漏极电流产生。由于漏极电流在流经导电沟道时会产生电压降，使得沟道上各点与栅极之间的电压不再相等，从而导致沟道宽度进一步变得不等宽。如图示。由于漏极电流在流经导电沟道时产生的电压降从漏极到源极逐渐增大，沟道上各点的电

38、位从漏极到源极逐渐减小，所以沟道上各点与栅极之间的电压从漏极到源极逐渐增大，从而沟道宽度从漏极到源极逐渐增大，沟道电阻从漏极到源极逐渐减小。随着的进一步增大，增至使 时，沟道在漏极处发生预夹断。此后 继续增大，只是夹断区沿沟道进一步加长，漏极电流不再增加，达到饱和。3特性曲线增强型NMOS的转移和输出特性曲线如图所示。 耗尽型NMOS管的结构示意图如图所示。其转移特性曲线及输出特性曲线如图所示。4主要参数MOS管的主要参数与JFET的参数基本相同，所不同的是：夹断电压是JFET和耗尽型MOS管的参数；对于增强型MOS管来说，由于在未加栅源电压时，无导电沟道，只有当栅源之间加上正向电压时，才会产

39、生导电沟道，所以其参数应该是开启电压。开启电压：是指漏-源电压为某定值时，使漏极电流产生的所需的的最小值。例：转移特性曲线如图所示。试判断：（1）该管为何种类型？（2）从该曲线可以求出该管的夹断电压还是开启电压？值是多少？解：该管为N沟道结型场效应管，从该曲线上可以求出该管的夹断电压，其值是-4V。【例3-2】输出特性曲线如图所示。试判断该管为何种类型？解：该管为N沟道增强型MOS管。3.2 场效应管放大电路的分析按照输入输出回路公共端的不同，场效应管放大电路也分为共源、共漏和共栅三种组态。分析步骤为：（1）求静态工作点画直流通路；求静态工作点。（2）求交流性能画交流通路；画交流等效电路；求交

40、流性能。3.2.1 共源放大电路的分析1自偏压电路直流通路：NMOS管的低频小信号简化等效电路如图所示。 画交流通路 画交流等效电路 求交流性能。2分压式自偏压电路分压式自偏压共源放大电路如图示。（1）求静态工作点画直流通路 （2）求交流性能画交流通路 画交流等效电路 求交流性能。3.2.2 共漏放大电路的分析基本共漏放大电路 如图示：（1）求静态工作点画直流通路 （2）求交流性能画交流通路 画交流等效电路 求交流性能 例：电路如图所示，已知 ， ，管子的 ， 。试求：（1）静态工作点；（2）交流性能。解：（1）求静态工作点画直流通路（2）求交流性能画交流通路 画交流等效电路 求交流性能。 模

41、拟电子技术第4章集成运算放大电路4.1集成电路的特点4.2 集成运放的基本单元电路4.3 互补功率放大电路4.4 其他功率放大电路4.5 实际的功率放大电路4.6 集成运放的性能指标及低频等效电路4.7 集成运放的使用注意事项 集成电路是在半导体制造工艺的基础上，把整个电路中的元器件制作在一块硅基片上，构成具有特定功能的电子电路。特点:体积小、高可靠性和灵活性等。 分类：模拟集成电路又可分为集成运算放大器，集成宽频带放大器、集成功率放大器、集成乘法器、集成比较器、集成锁相环、集成稳压电源、集成模数和数模转换器等。在模拟集成电路中，集成运算放大器（简称集成运放）是应用极为广泛的一种。4.1集成电

42、路的特点模拟集成电路有以下几方面的特点： （1）电路结构与元件参数对称性好（2）用有源器件代替无源器件（3）尽量采用单一类型的管子（4）级间采用直接耦合方式（5）电路中使用的二极管，多用作温度补偿元件或电位移动电路，大都采用晶体管的发射结构成。4.2 集成运放的基本单元电路 集成运放是一种高电压增益、高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大电路。它由四部分组成，即输入级、中间级、输出级和偏置电路。集成运放组成框图如图4.1所示。 图4.1集成运放组成框图4.2 集成运放的基本单元电路1、输入级输入级又称前置级，它的好坏直接影响集成运放的大多数性能参数，如增大输入电阻，减小零漂，提高共模抑制比等

43、。所以，输入级一般是一个双端输入的高性能差分放大电路，它的两个输入端构成整个电路的反相输入端和同相输入端。2、中间级中间级的主要作用是提高电压增益，它可由一级或多级放大电路组成。而且为了提高电压放大倍数，增大输出电压，经常采用复合管做放大管，以恒流源做有源负载的共射放大电路。4.2 集成运放的基本单元电路3、输出级集成运放的输出级一般要求输出电压幅度要大，输出功率大，效率高，输出电阻较小，提高带负载能力。因此，一般采用互补对称的电压跟随器。4、偏置电路偏置电路的作用是为输入级、中间级和输出级提供静态偏置电流，建立合适的静态工作点。一般采用电流源电路形式。4.2.1差动放大电路 由于在集成电路中

44、制造大电容及电感较困难，所以采用直接耦合放大电路。但是直接耦合放大电路存在一个缺点，就是存在零点漂移现象。 所谓零点漂移（简称零漂），就是当放大电路的输入端短路时，输出端还有缓慢变化的电压产生，即输出电压偏离原来的起始点而上下漂动。 克服零漂可以采用在电路中引入直流负反馈的方法；也可以采用温度补偿的方法，即：利用热敏元件来抵消放大管的变化；而最常用的方法是采用特性相同的管子，使它们的温漂相互抵消，这就是差动放大电路。1、基本差动放大电路（1）电路结构 基本差动放大电路如图4.2（a）所示。它是将两个特性相同的基本放大电路组合在一起而形成的差动放大电路。 （2）工作原理 对于图4.2（a）所示电

45、路，当uI1和uI2所加信号为大小相等极性相同的输入信号（称为共模信号）时，iB1iB2，iC1=iC2；因此uC1=uC2。所以输出电压uo=uC1uC2=0。 说明差分放大电路对共模信号具有很强的抑制作用，在参数完全对称的情况下，共模输出为零。1、基本差动放大电路 当uI1和uI2所加信号为大小相等极性相反的差模信号时，由于uI1=uI2，iB1iB2，iC1=iC2；因此uC1=uC2 ，这样输出电压uo=uC1uC2= 2uC1，从而可以实现电压放大。 以上分析说明了差动放大电路的一个特点，即：输入有差别，输出就变动；输入无差别，输出就不动。1、基本差动放大电路（3）抑制零点漂移的原理

46、 在差动放大电路中，无论是温度变化，还是电源电压的波动都会引起两管集电极电流以及相应的集电极电压相同的变化，其效果相当于在两个输入端加入了共模信号，由于电路的对称性，在理想情况下，可使输出电压不变，从而抑制了零点漂移。 当然，在实际情况下，要做到两管电路完全对称是比较困难的，但是输出漂移电压将大为减小。由于这个缘故，所以差分式放大电路特别适用于作多级直接耦合放大电路的输入级。2、长尾式差动放大电路（1）电路结构 图4.2（a）所示电路虽然可以使输出端的漂移比较小，但是每个管子的集电极对地的漂移却丝毫没有改变。因此如果以这种方式引出输出信号的话，差动式放大电路的优点就不复存在了。解决的方案就是在

47、每个管子的射极加上一个射极电阻，并且这两个电阻的阻值也要完全相等，电路如图4.2（b）所示。2、长尾式差动放大电路 在研究差模输入信号作用时，不难发现，iE1-iE2。若将T1管和T2管发射极连在一起，将Re1和Re2合二为一，成为一个电阻Re如图4.2（c）所示，则在差模信号作用下Re中的电流变化为零，即Re对差模信号无反馈作用，因此大大提高了对差模信号的放大能力。 为了简化电路，便于调节Q点，也为了使电源与信号源能够“共地”，就产生了图4.2（d）所示的差动放大电路。由于射极电阻Re接负电源VEE，象拖一个长尾巴，故称为长尾式差动放大电路。由于是双电源供电，图4.2（c）所示电路中的基极偏

48、流电阻Rb3、Rb4可以去掉，IBQ由VEE提供。2、长尾式差动放大电路（2）对共模信号的抑制作用当电路输入共模信号时，如图4.3所示。图4.3长尾式差动放大电路输入共模信号2、长尾式差动放大电路 从图4.3中可以看出，当正的共模信号作用于电路时，两只管子集电极电位增加，同时发射极电流也增加，其变化量相等，即iE1iE2=iE ，使得Re上电流的变化量为2iE，因而发射极电位升高，变化量为uE=2iERe，使UBE1和UBE2降低，从而抑制了集电极电流的增加。可见，Re对共模输入信号起负反馈作用； 而且，对于每边晶体管而言，发射极等效电阻为2Re。Re阻值愈大，负反馈作用愈强，集电极电流变化愈

49、小，因而集电极电位的变化也就愈小。2、长尾式差动放大电路 为了描述差动放大电路对共模信号的抑制能力，引入一个新的参数共模放大倍数AC，定义为 （4-1） 式中uIc为共模输入电压，uOc是uIc作用下的输出电压。在图4.3所示长尾式差动放大电路中，在电路参数理想对称的情况下，AC=0。2、长尾式差动放大电路（3）对差模信号的放大作用 图4.2（d）所示电路中，Rb1=Rb2=Rb，Rc1=Rc2=Rc，T1管与T2管的特性相同，1=2=，rbe1=rbe2=rbe，Re为公共的发射极电阻。 静态分析： 当uI1=uI2=0时，IRe=IEQ1IEQ22IEQ根据基极回路方程 IBQRb十UBE

50、Q2IEQRe=VEE （4-2）可以求出基极电流IBQ或发射极电流IEQ，从而解出静态工作点。2、长尾式差动放大电路 在通常情况下，Rb阻值很小,而且IBQ也很小，所以Rb上的电压可忽略不计，发射极电位UEQ-UBEQ，因而发射极的静态电流 IEQ （4-3） IBQ= （4-4） UCEQUCQUEQVcc一ICQRCUBEQ （4-5）由于UCQ1UCQ2，所以uoUCQ1一UCQ2=0。2、长尾式差动放大电路动态分析： 当输入一个差模信号uId时，由于电路参数的对称性，uId经分压后，加在T1管一边的为+，加在T2一边的为-，如图4.4（a）所示。则输入差模信号时流过Re的电流不变，则

51、E点电位不变，相当于接“地”，又由于负载电阻的中点电位在差模信号作用下也不变，也相当于接“地”，因而RL被分成相等的两部分，分别接在T1管和T2管的c一e之间；所以，图4.4（a）所示电路在差模信号作用下的等效电路如图4.4（b）所示。2、长尾式差动放大电路 输入差模信号时的放大倍数称为差模放大倍数，记作Ad，定义为 （4-6）从图4.4（b）中可知， ， ，所以 （4-7） 由此可见，差动放大电路的放大倍数和单管放大电路的放大倍数相同，因而可以认为，差动式放大电路的特点是多用一个放大管来换取对零漂的抑制。2、长尾式差动放大电路输入电阻为 Ri=2（Rb+rbe） （4-8） 它是单管放大电路

52、输入电阻的2倍。输出电阻为 RO=2RC （4-9） 它也是单管放大电路输出电阻的2倍。放大电路的另一个性能指标共模抑制比，记作KCMR，定义为 KCMR= （4-10）其值越大，说明电路性能越好。若电路参数完全对称，则KCMR=。2、长尾式差动放大电路（4）电压传输特性 差动放大电路的电压传输特性就是输出差模电压信号与输入差模电压信号之间的关系曲线，即 uOd=f（uId） （4-11） 将差模输入电压uId按图4.4（a）接到输入端，并令其幅值由零逐渐增加时，输出端的uOd也将出现相应的变化，画出二者的关系，如图4.5中的实线所示。 若改变uId的极性，则可得到另一条如图中虚线所示的曲线，

53、它与实线完全对称。3、差动放大电路的几种接法（1）双端输入、单端输出如图4.6所示。 图4.6双端输入、单端输出差动放大电路3、差动放大电路的几种接法 差模放大倍数： （4-12）输入电阻为 Ri=2（Rb+rbe） （4-13）输出电阻为 RO=RC （4-14）3、差动放大电路的几种接法 当输入共模信号时，由于两边电路的输入信号大小相等极性相同。所以发射极电阻Re上的电流变化量为2iE，发射极电位的变化量uE=2iERe；对于每只管子而言，可以认为是iE流过阻值为2Re的射极电阻，如图4.7（a）所示。因此，与输出电压相关的T1管一边电路对共模信号的等效电路如图4.7（b）所示。从图上可以

54、求出（4-15）3、差动放大电路的几种接法共模抑制比 （4-16） 由式（4-15）和（4-16）可以看出，Re越大，Ac的值越小，KCMR越大，电路的性能也就越好。因此Re是改善共模抑制比的基本措施。 这种接法常用来将差动信号转换为单端输出的信号，以便与后面的放大级均处于共地状态。 3、差动放大电路的几种接法（2）单端输入、双端输出 电路如图4.8（a）所示。似乎两管不是工作在差动状态，但将电路作等效变换，如图4.8（b）所示。不难看出，同双端输入时一样，左、右两边分别获得的差模信号为、 、 ；但是与此同时，两边输入了 的共模信号。可见，单端输入电路与双端输入电路的区别在于：在差模信号输入的

55、同时，伴随着共模信号输入。3、差动放大电路的几种接法因此，输出电压为 uO=AduI+AC （4-17）其中， （4-18）若电路参数完全对称，则AC=0，此时KCMR为无穷大。输入电阻为 Ri=2（Rb+rbe） （4-19）输出电阻为 RO=2RC （4-20） 这种接法的特点是把单端输入的信号转换成双端输出，作为下一级的差动输入，以便更好地利用差动放大的特点。还常用于负载是两端悬浮，任何一端不能接地，而且输出正负对称性好的情况。 3、差动放大电路的几种接法（3）单端输入、单端输出单端输入、单端输出差动放大电路如图4.9所示。 图4.9单端输入、单端输出差动放大电路 3、差动放大电路的几种

56、接法差动放大倍数为 （4-21）输入电阻为 Ri=2（Rb+rbe） （4-22）输出电阻为 RO=RC （4-23） 这种接法的特点是在单端输入和单端输出的情况下，比单管基本放大电路具有较强的抑制零漂能力，而且通过输出端的不同接法，可以得到同相关系或反相关系。3、差动放大电路的几种接法 总起来说，不管信号是单端输入还是双端输入，只要是单端输出，它的差模放大倍数就是基本放大电路的放大倍数的一半，输出电阻Ro=Rc；如为双端输出，则与基本放大电路相同，输出电阻Ro=2Rc。输入电阻均为2（Rb+rbe）。例4.2.1 电路如图4.4（a）所示，已知Rb=1k，RC10k，RL=5.1 k，VCC

57、12V，VEE6V；晶体管的=100，rbe=2k。（1）为使T1管和T2管的发射极静态电流均为0.5mA，Re的取值应为多少？T1管和T2管的管压降UCEQ等于多少？（2）计算Au、Ri和RO的数值； 例4.2.1解：（1）由IEQ 得则（2）这里的Au指的是Ad，电路放大的对象是差模信号uId=uI。Ri=2（Rb+rbe）=2(1+2)K=6KRO=2RC=210 K=20 K4、具有恒流源的差动放大电路 在长尾式差动放大电路中，发射极电阻Re对共模信号起到负反馈作用，能够有效地抑制每一边电路的温漂，提高共模抑制比，而且Re越大，抑制零漂的效果越好。但是Re越大，维持同样的工作电流所需要

58、的负电压VEE也越高。为了既能采用较低的电源电压，又能有很大的等效电阻Re，可采用恒流源电路来取代Re。 工作点稳定电路中集电极电流就是一个恒定电流。利用它来取代Re就得到了如图4.10所示的具有恒流源的差动放大电路。4、具有恒流源的差动放大电路图4.10具有恒流源的差动放大电路4、具有恒流源的差动放大电路 图4.10中R1、R2、R3和T3组成工作点稳定电路，电路参数应满足I1IB3。这样，I1I2，所以R1上的电压为（4-24） T3管的集电极电流（4-25）T1管和T2管的发射极静态电流为（4-26） 4、具有恒流源的差动放大电路 若UBE3的变化可忽略不计，则T3管集电极电流IC3就基

59、本不受温度影响，因此可以认为IC3为一恒定电流，IC1和IC2就不能同时增加或同时减小，从而较好地抑制了共模信号的变化。 另外，恒流源电路的内阻为无穷大，即相当于T1管和T2管的发射极接了一个阻值为无穷大的电阻，对共模信号的负反馈作用无穷大，因此使电路的AC=0，KCMR=。4、具有恒流源的差动放大电路 恒流源电路可用一个恒流源取代，如图4.11所示。RW为调零电位器。图4.11带有恒流源的差动放大电路的表示法例4.2.2 在图4.9中，设VCC=VEE=12V，1=2=50，RC1=RC2=100K，RW=200，R3=33 K，R2=6.8K，R1=2.2K，Rb=10 K，求静态工作点和

60、差模放大倍数。图4.9单端输入、单端输出差动放大电路 例4.2.2解： 静态工作点： 设UBE3=0.6V，则UR3=5.870.6=5.27VUC1=UC2=121000.08=4V UB1=UB2=IB1Rb=1.610=16mV例4.2.2有差模输入信号时，放大倍数为其中 所以 4.2.2 电流源电路 电流源电路为放大电路提供稳定的静态电流，或作为放大电路的有源负载取代高阻值的电阻。下面讨论几种常见的电流源。1镜像电流源电路如图4.12所示。 图4.12镜像电流源1镜像电流源 设T1和T2的参数完全相同，即1=2，ICEO1=ICEO2，UBE1UBE2，IE1=IE2，IC1=IC2，