集成运算放大电路基础课件

1、模拟电子技术桂林电子科技大学信息科技学院2010-8-15目 录 第0章 绪论第1章 半导体二极管及其应用第2章 双极型晶体三极管及其基本放大电路第3章 场效应管（FET）及其基本放大电路第4章 集成运算放大电路基础第5章 反馈放大电路第6章 集成运算放大器的基本应用第7章 低频功率放大电路 第8章 直流稳压电源 目 录 绪 论0.1 电子系统概述0.2 模拟信号与数字信号0.3 电路仿真软件简介 0.1 电子系统概述 当今世界已进入电子信息化时代，各式各样的电子系统已经被用于电力、通信、控制、计算机、自动化等工业领域，并广泛应用于社会的其它各个领域，给人们的工作、学习和生活带来了巨大的变化。

2、电子系统在我们的日常生活中是很常见的。 凡是可以完成一个特定功能的完整的电子装置都可以称为是电子系统。一个复杂的电子系统是由子系统或一些功能块所组成。它主要由信号的发射端、信号的传输信道和信号的接收端所组成。 信息源是指需要传送的原始信息，一般是非电物理量。如语言、音乐、图像、文字、数据等。因此，这些原始信息需经过输入换能器转换成携带欲传送信息的电信号（称为基带信号）后，方可送入发送设备，将其变成适合于信道传输的电信号。若需传送的信息本身已是电信号时，则可直接送入发送设备。发送设备的作用是将基带信号变换（调制）成适合信道传输特性的频带信号（称为调制信号）并放大到信号发射所需要的功率。信道又称为

3、传输媒介，是连接发、收两端的信号通道。通信系统中的信道分为两大类：一类是有线信道，如架空明线、电缆、光纤等；另一类就是无线信道，如自由空间、地球表面等。信号的接收端由接收设备、输出换能器和受信者组成。接收设备的作用是接收信道传送过来的已调波信号并进行处理（解调），以恢复出与发射端相一致的基带信号，然后经由输出换能器变换成原来形式的信息，如声音、图像等，供受信者使用。0.2 模拟信号与数字信号模拟信号，是指“模拟”物理量的变化（如声音、温湿度等的变化）所得出的电压或电流信号。模拟信号的特点是，在时间和幅值上均是连续的，在一定动态范围内取任意值。 数字信号是离散的、不连续的信号。数字信号的幅值是有

4、限的，通常用二进制（例如只有两种可能的幅值）来表示。电脑键盘的输出属于典型的数字信号。 根据电子系统工作时所处理的信号形式的不同，通常将电路分为模拟电路和数字电路两大类。处理模拟信号的电路称为模拟电路，而处理数字信号的电路则称为数字电路。 0.3 电路仿真软件简介 随着计算机技术的飞速发展，电子电路的分析与设计手段发生了重大变革，电路设计可以通过计算机辅助设计（Computer Aided Design，简称CAD）和仿真技术来完成。计算机仿真技术在教学中的应用，可以代替大包大揽的试验电路，大大减轻验证阶段的工作量；其强大的实时交互性、信息的集成性和生动的直观性，为电子专业教学创设了良好的平台

5、，极大地激发了学生的学习兴趣；能够突出教学重点、突破教学难点；并能保存仿真中产生的各种数据，为整机检测提供参考数据，还可保存大量的单元电路、元器件的模型参数。采用仿真软件能满足电子电路整个设计及验证过程的自动化。 常见的电路仿真软件有EWB，Protel，ORCAD，PSPIC，Multisim等等。目前比较流行的电路仿真软件是multisim和Pspice。Multisim是一个专门用于电子线路仿真与设计的 EDA 工具软件。它的前身为加拿大Interactive Image Technologies 公司（简称IIT公司）于20世纪80年代推出的EWB（Electronics Workbe

6、nch）软件。它以其界面形象直观、操作方便、分析功能强大、易学易用等突出优点，早在20世纪90年代就在我国得到迅速推广，并作为电子类专业课程教学和实验的一种辅助手段。作为Windows 下运行的个人桌面电子设计工具，Multisim 是一个完整的集成化设计环境。而且Multisim计算机仿真与虚拟仪器技术可以很好的解决理论教学与实际动手实验相脱节的这一老大难问题。学员可以很好地、很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来。并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表。极大地提高了学员的学习热情和积极性。真正的做到了变被动学习为主动学习。第1章 半导体二极管及其应用学习目标了解半导

7、体的基础知识掌握PN结的单向导电性了解半导体二极管的结构及类型，掌握二极管的伏安特性及主要参数掌握二极管的分析方法和基本应用了解常用特殊二极管及其应用1.1 半导体的基本知识1.2 半导体二极管1.3 半导体二极管电路的分析方法及其应用1.4 特殊二极管*1.5 电路仿真实例1.1 半导体基础知识1.1.1 半导体的概念及特性 自然界中所有的物质根据其导电性能的不同划分为：导体、半导体、绝缘体。导体一般为低价元素，如金、银、铜、铝等；绝缘体一般为高价元素，如橡胶、塑料、木材等；顾名思义，半导体的导电性能介于导体与绝缘体之间。 半导体材料之所以可制成各种电子器件，是因为其具有以下独特性质：光敏性

8、：在光照条件下，其导电性能将显著增加。利用光敏性可制成光敏元件。热敏性：在热辐射条件下，其导电性能也将显著增加。利用热敏性可制成热敏元件。掺杂性：掺入特定的杂质元素时，其导电性能显著增加，并具有可控性。1. 本征半导体及其特性（1）本征半导体本征半导体纯净的具有晶体结构的半导体。本征半导体结构示意图（2） 本征半导体的特性载流子可移动的电荷。空穴共价键吸附引起的载流子。在一定温度下，本征半导体中载流子的产生和复合两种运动将达到动态平衡。 硅和锗的本征载流子浓度与温度的关系为：显然，本征载流子的浓度对温度十分敏感，随温度的上升而迅速增大，这正是半导体的重要特性热（或光）敏性。但在室温时，本征半导

9、体的导电能力很弱，且不受控制，故不能直接用于制作半导体器件。2.杂质半导体及其特性（1）N型半导体（电子型半导体）制作扩散工艺少量特定杂质（2）P型半导体（空穴型半导体）（3） 杂质半导体的特性载流子的浓度 多子浓度取决于杂质的浓度 杂质半导体的电中性 在无外加电场条件下，杂质半导体是呈现电中性的。转型 1.1.2 PN结的形成及其特性1PN结的形成扩散运动由浓度高向浓度低运动漂移运动电场驱动的载流子运动扩散运动（多子）与漂移运动（少子）的平衡形成PN结2PN结的特性（1）PN结的单向导电性外加正向电压（或正向偏置电压，简称正偏） 扩散运动加剧,漂移运动减弱,多子扩散形成电流，处于正向导通状态

10、。 外加反向电压（或反向偏置电压，简称反偏 ) 空间电荷区变宽，多子扩散电流为零，PN结呈现很高的电阻，处于反向截止状态。 少子的漂移运动增强 ，形成电流。3.PN结的电容效应（1） 势垒电容（2） 扩散电容 PN结正向偏置，扩散电容较大；PN结反向偏置时，扩散电容很小，可以忽略不计。1.2 半导体二极管1.2.1 二极管的结构、类型及特点 1.二极管的结构2.二极管的类型及特点（1）点接触型 （2）面接触型 （3）平面型 1.2.2 二极管的伏安特性及主要参数1.二极管的伏安特性（1）二极管的伏安特性方程 i为流过PN结的电流 ，IS为流过PN结的反向饱和电流 （2）二极管的伏安特性曲线 正

11、向特性在AB段，,电流近似为0，称为死区。在BC段 ，电流按平方律上升；在CD段，电流近似线性规律迅速上升。 反向特性: 这时只有少数载流子在反向电压作用下的漂移运动形成微弱的反向电流IS，且几乎不随反向电压的增大而增大 。但反向电流IS随温度的变化。反向击穿特性: 当反向电压大于UBR(反向击穿电压)时，反向电流急剧增大，这种现象称为二极管的击穿。（3） 温度对二极管伏安特性的影响 温度上升，二极管的正向特性曲线左移（正向压降减小），反向特性曲线下移（反向电流增大）。 2.二极管的主要参数（1）最大整流电流IFM（2）最高反向工作电压URM（3）反向击穿电压UBR（4）反向电流IR（5）最高

12、工作频率fM1.2.3 半导体分立器件型号命名方法1.3 半导体二极管电路的分析方法及其应用1.3.1 二极管电路的分析方法 二极管是一种非线性器件，含有二极管的电路是非线性电路。分析设计方便，将二极管的伏安特性进行线性化处理，并建立相应的“线性模型” 。1.理想模型2.恒压源模型3.折线模型4.小信号模型（微变等效电路） 1.3.2 半导体二极管的基本应用电路1.整流与检波电路 整流与检波电路的工作原理相同，都是利用二极管的单向导电特性，将交变的双向信号转变成单向脉动的信号。2.钳位电路【例1.1】如图所示为一钳位电路，设二极管的正向压降为0.7V。试分析电路的输入与输出之间的关系。3.限幅

13、电路【例1.2】如图所示为一双向限幅电路。设直流电压源 U1=-U2。输入信号ui为正弦信号，ui =Umsinwt，且Um U1 ，试分析工作原理，并作出输出电压uo的波形。 1.4 特殊二极管1.4.1 稳压二极管及其应用1.稳压管的伏安特性和电路符号2.稳压管的工作原理 在反向击穿时，在一定的电流范围内，端电压几乎不变，即能够起到稳压的作用。 3.稳压管的主要参数（1）稳定电压UZ（2）稳定电流IZ（3）动态电阻rZ： rZ越小，稳压越好。（4）最大允许耗散功率PZM 4.使用稳压管的注意事项（1）稳压管应工作在反向击穿状态。（2）稳压管的工作电流范围为 IZmin IZmax（3）稳压

14、管工作时必须串联限流电阻。（4）稳压管可以串联使用，但不可并联使用。5.典型应用 （1）并联式稳压电路 负载电阻不变，输入电压Ui变化时：输入电压Ui不变，负载电阻变化时： （2）限幅电路1.4.2 其它常用二极管简介1.变容二极管【例题1.3】分析变容二极管典型应用电路。2.发光二极管 发光二极管以其功耗低、体积小、色彩艳丽、响应速度快、抗震动、寿命长等优点，广泛用作电子设备的显示器件（如音响设备中的电平指示器、电源指示器），可单个使用，也可制作成7段式显示器或矩阵式显示器。【例题1.4】分析发光二极管用作电源指示器的电路。 3. 光电二极管【例题1.5】分析采用光电二极管设计的光控节能路灯

15、电路。1.4.3二极管的选用原则1.选用二极管的一般原则(1)要求正向压降小时，应选择锗管；要求反向电流 小时，应选择硅管。(2)要求工作电流大时，应选择面接触型二极管；要 求工作频率高时，应选择点接触型二极管。(3)要求反向击穿电压高时，应选择硅管。(4)要求耐高温时，应选择硅管。2. 使用二极管的注意事项 （1）在电路中应按注明的极性进行连接。 （2）同一型号的整流二极管方可串联、并联使用。在串联或并联使用时，应视实际情况决定是否需要加入均衡（串联均压、并联均流）电阻。 （3）引出线的焊接或弯曲处，离管壳距离不得小于10mm。为防止因焊接时过热而损坏，应使用小功率的电烙铁，焊接时间不应超过

16、23s。 （4）工作在高频或脉冲电路中的二极管，引线要尽量短。 （5）切勿超过手册中规定的最大允许电流值和电压值。 （6）二极管的替换：硅管和锗管不能互相代用；所替换的二极管的主要参数要高于被替换的二极管；根据工作特点，还应考虑其他特性，如最高工作频率及开关速度等。 *1.5电路仿真实例【例题1.6】 分析二极管钳位电路解：利用Multisim 分析【例1.1】中图1.14所示的钳位电路。首先打开Multisim10.0软件开发环境，然后按图1.14绘出电路，如图1.25所示，最后进行仿真，得到如图1.26的分析结果。【仿真图】【例题1.7】 分析二极管单向限幅电路 解：利用Multisim

17、分析如图1.27所示的二极管组成的单向限幅电路。首先打开Multisim10.0软件开发环境，然后按图1.27绘画电路，最后进行仿真得到如图1.28的分析结果。【仿真图】图1.27图1.28 本章内容主线：半导体基本知识PN结及其特性半导体二极管二极管电路的分析方法及应用常用特殊二极管简介。1、半导体材料具有热敏性、光敏性和掺杂性。在本征半导体中掺入不同杂质便形成N型半导体和P型半导体，通过控制掺入杂质的多少就可以有效地改变其导电性。半导体中有自由电子和空穴两种载流子，这是不同于金属导电的重要特点。2、将N型和P型两种杂质半导体制作在同一个硅片（或锗片）上，在其交接面处会形成PN结，PN结是构

18、成半导体器件的重要环节。PN结具有单向导电性、反向击穿特性、温度特性和电容效应。小结3、将一个PN结封装并引出电极后便构成半导体二极管，主要有点接触型、面接触型和平面型。半导体二极管具有跟PN结一样的特性。常用伏安特性（ ）来描述半导体二极管的性能，其数学表达式为 。二极管的主要参数有最大整流电流 和反向击穿电压 等，这些参数是实际工作中合理选用和正确使用器件的主要依据。4、二极管电路的分析方法，主要采用模型分析法。在分析电路的静态情况时，若精度要求不高时，一般选择理想模型；若精度要求较高时且外加电压远远大于管压降（一般为10倍以上）时 ，应选择恒压源模型，否则应选择折线模型。而小信号模型则用

19、在电路中既有直流成分，又有交流小信号的情况。5、利用二极管可实现整流、检波、限幅、钳位等电路功能。6、常用的特殊二极管有稳压管、变容二极管、发光二极管、光电二极管等。特殊二极管与普通二极管一样，具有单向导电性。利用PN结击穿时的特性可制成稳压二极管，利用发光材料可制成发光二极管，利用PN结的光敏性可制成光敏二极管。 第2章 双极型晶体管及基本放大电路学习目标晶体三极管的结构和传输特性放大电路的工作原理和组成原则图解法与微变等效电路法工作点稳定放大电路的原理及分析方法三种基本放大电路的组成、特点及分析方法耦合方式及其的特点，多级放大电路的分析方法复合管的结构及复合管放大电路频率响应和上、下限截止

20、频率的概念，放大电路频率特性的分析方法2.1 双极型晶体管基本知识 2.2 基本共射放大电路 2.3 分压偏置式共射放大电路 2.4 放大电路的三种基本组态2.5 多级放大电路和组合放大电路 2.6 放大电路的频率特性*2.7 电路仿真实例 2.1 双极型晶体三极管的基本知识2.1.1 三极管的结构与类型2.1.2 双极型晶体三极管的放大原理2.1.3 双极型晶体管的特性曲线2.1.4 双极型晶体三极管的主要参数及温度的影响 2.1.1 三极管的结构与类型 双极型晶体三极管是通过一定的工艺，将两个PN结结合在一起的器件，由于PN结之间的相互影响，使三极管表现出不同于单个PN结的特性而具有电流放

21、大的功能。 1、类型 按频率分：高频管；低频管 按功率分：小功率管；中功率管；大功率管 按材料分：硅管；锗管 按结构分：NPN；PNP2、结构三极管有三个区：发射区发射极e；基区基极b；集电区集电极c。 发射区掺杂浓度远高于基区掺杂浓度，基区很薄且掺杂的浓度低；而集电结面积比发射结面积大得多，符号中的箭头方向是三极管的实际电流方向ecbecb3. 特点 三极管的特点为发射区很厚，掺杂浓度很高；基区很薄，掺杂浓度很低；集电区面积最大，掺杂浓度比较高。正是由于三极管的这种结构特点，当各电极加上合适的电压时，三极管才具有电流放大的能力。 2.1.2 双极型晶体三极管的放大原理1.内部载流子的传输过程

22、（1）发射极注入电子 发射区的电子不断通过发射结扩散到基区，形成发射极电流。2.电流分配关系（2）电子在基区中的扩散与复合 发射区的电子注入基区后，变成了少数载流子。少部分遇到的空穴复合掉，形成基极电流IB。大部分到达了集电区的边缘。（3）集电区收集电子 因为集电结反偏，收集扩散到集电区边缘的电子，形成电流ICN。另外，集电结区的少子形成漂移电流ICBO。 发射极电流IE在基区分为基区内的复合电流IB和继续向集电极扩散的电流IC两个部分,即2.1.3 双极型晶体三极管的特性曲线1、输入特性曲线（1）uCE=0V时，相当于两个PN结并联。（2）当uCE=1V时， 集电结已进入反偏状态，开始收集电

23、子，所以基区复合减少， 在同一uBE 电压下，iB 减小。特性曲线将向右稍微移动一些。（3）uCE 1V再增加时，曲线右移很不明显。（4）死区电压硅管0.5V，锗管0.1V2、输出特性曲线（1）当uCE=0 V时，集电极无收集作用，iC=0。（2） uCE Ic 。（3） 当uCE 1V后，这时，发射到基区的电子都被集电极收集，形成iC。所以uCE再增加，iC基本保持不变。输出特性曲线分为以下三个工作区： （1）截止区：发射结反偏 此时管子电流全为0。（2）放大区：发射结正偏，集电结反偏 （3）饱和区：发射结正偏，集电结正偏 失去放大能力 晶体管T1T2T3T4工作状态放大饱和放大截止晶体管T

24、1T2T3T4基极直流电位UB(V)0.71-10发射极直流电位UE(V)00.3-1.70集电极直流电位UC(V)50.7015工作状态各晶体管电极直流电位【例2.1】现已测得某电路中几只晶体管的直流电位如表所示，各晶体管b-e间的开启电压 均为0.5V。试分别说明各管子的工作状态。 解：以NPN管为例2.1.4 双极型晶体三极管的主要参数及温度的影响1晶体三级管的电流放大系数（1）共发射极电流放大系数 近似分析中，对两者不加区分，即 （2）共基极电流放大系数 近似分析中，对两者不加区分， 共基电流放大系数和共发射极电流放大系数的关系： 2. 极间反向电流（1）集电极基极反向饱和电流ICBO

25、 ICBO是集电结反偏时，由少子的漂移形成的反向电流，受温度的变化影响。（2）集电极-发射极反向饱和电流（穿透电流） 3.极限参数（1）集电极最大允许电流ICM ic增加时， 要下降。当值下降到线性放大区值的70时，所对应的集电极电流称为集电极最大允许电流ICM。（2）集电极最大允许功率损耗PCM 集电极电流通过集电结时所产生的功耗 PC= ICUCE 0时），栅源电压UGS对导电沟道有控制作用： 当UGS0V时纵向电场将靠近栅极下方的空穴向下排斥耗尽层。 再增加UGS纵向电场将P区少子电子聚集到P区表面形成导电沟道，如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流id。 定义： 开启电压（ UGS(

26、th)）刚刚产生沟道所需的栅源电压UGS。 N沟道增强型MOS管的基本特性： UGS UGS(th) ，管子截止， UGS UGS(th) ，管子导通。 UGS 越大，沟道越宽，在相同的漏源电压UDS作用下，漏极电流iD越大。漏源电压UDS对沟道导电能力的影响当UGS UGS（th）且固定为某值的情况下（1） UDS iD ； 同时沟道靠漏区变窄,沟道呈锥形分布.（2）当UDS增加到使UGD= UGS(th)时，沟道靠漏区夹断，称为预夹断。（3） UDS再增加，预夹断区加长， UDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上， iD基本不变。（3）特性曲线输出特性曲线（a）夹断区（截止区）（b）

27、可变电阻区（预夹断前） （c）恒流区也称饱和区（预夹 断后）（d）击穿区转移特性曲线 转移特性能更好的体现栅极电压对漏极电流的控制作用。 研究表明， iD与UGS的近似关系为： 【例3.1】电路和场效应管的传输特性如图3.1.6所示，试分析uI为0V、8V和10V时，uO分别为多少？解(1)uGSuI0V，管子处于夹断状态，iD0，uOuDSVDDiDRD=15V。(2)uGSuI8V,管子处于恒流区状态， iD1mA， uOuDSVDDiDRD=10V；可以看到（ uGS ， uDS ）（8，10）仍在恒流区 。（需要反向复核，即恒流和可变电阻区是由uGS和 uDS共同确定，需先假设一种状态

28、，再验证）(3)uGSuI10V,假设工作在恒流区， iD2.2mA 。则uOuDSVDDiDRD=4V .而 uGS10V时的预夹断电压uDS uGSUGS(off)=10-4=6V， （ uGS ， uDS ）（10，6）说明应在可变电阻区。则RdsuDS/iD=3/(110-3)=3000（1）结构和符号 耗尽型MOS场效应管与增强型MOS场效应管的结构基本相同。区别在于，耗尽型MOS管在SiO2绝缘层中掺有大量正离子。因此，在uGS0时，这些正离子已经感应出反型层，有了导电沟道。这种无外加电压时已有导电沟道的场效应管称为耗尽型场效应管。2.N沟道耗尽型MOS场效管（2）工作原理 当uG

29、S为负值，抵消掉部分正离子的影响，沟道变窄，在相同的uDS作用下，iD减小。之所以称为耗尽型,是因为当uGS为负,将使沟道中感应电荷减少(即耗尽的意思)。随着uGS的减小， iD逐渐减小，直至iD =0。此时的uGS值称为夹断电压 UGS（off）。 当uGS为正值，沟道变宽，在相同的uDS作用下，iD增加。所以耗尽型MOS管可以在负栅压、零栅压和正栅压下工作。 结论：栅极电压对导电沟道有控制作用。同样，电压uGS固定时，电压uDS对导电沟道的影响类似增强型MOS管。 （3）特性曲线研究表明，uGS与iD的近似关系为：3.P沟道MOS场效应管 左图为P沟道增强型MOS场效应管的符号。 由于和N

30、沟道增强型MOS场效应管是对偶结构，所以使用时所加栅源电压的极性与N沟道增强型MOS管相反，同时漏极电流的参考方向仍选取流入漏极，所以漏极电流为负。除此之外，这两者特性均相同。P沟道增强型MOS场效应管的特性曲线 P沟道耗尽型MOS场效管的符号及特性曲线 3.1.2 结型场效应管（JFET）1结构和符号 N型导电沟道 2工作原理uGS= 0V时，沟道最宽，沟道电阻最小 。 uGSuGS uGS(off)且为某个固定值时，在源极与漏极之间存在导电沟道。当有uDS电压，就会有沟道电流。当uDS电压为某个固定值时，改变uGS的大小，可以控制iD的大小。 uGS反压增加，耗尽层变宽，沟道变窄，则iD减

31、少，反之则耗尽层变窄，沟道变宽，则iD增加。因此，栅极电压uGS对沟道电流iD的控制作用类似MOS管。当栅源之间的电压为满足0 uGS uGS（off）的某个固定值时，有uDS电压就产生沟道电流iD 。此时在uDS电压的作用下，耗尽层是上宽下窄，导电沟道呈现为倒楔形 。 当uDS增加到使uDS = uGS - uDS = uGS（off）时，在紧靠漏极处出现预夹断点。 当uDS继续增加时，预夹断点向源极方向伸长为预夹断区。此时沟道电流iD基本维持不变。即漏源电压uDS对iD的影响和MOSFET类似。JFET也有四个工作区 夹断区（截止区） 可变电阻区（预夹断前） 恒流区也称饱和区（预夹断后）

32、击穿区 3特性曲线（1）输出特性曲线 N沟道JFET输出特性曲线（2）转移特性在恒流区，JFET的转移特性方程与耗尽型MOSFET相似，仍可近似表示为： 上式必须满足条件0 uGS uGS（off） 。IDSS为uGS = 0时的饱和漏极电流。4. P沟道结型场效应管P沟道结型场效应管的结构和N沟道结型场效应管对称。由于和N沟道结型场效应管是对偶结构，所以输出特性曲线除了电压和电流极性不同，其它均相同。相同的道理，转移特性曲线也类似，只是相对纵轴对称。 P沟道结型场效应管的特性曲线 【例3.2】场效应管的夹断电压UGS(off)=-4V，饱和漏极电流IDSS4mA。试问：为保证负载电阻RL上的

33、电流为恒流， RL的取值范围应为多少？解：UGS0，因而iDIDSS4mA，则预夹断点（即恒流区最小的uDS ）uDSuGSUGS(off) =0(4)4VuDS VDDuo =VDDiDR L，UomaxVDD48V，输出电压范围为08V，则RLuo/IDSS=02 K3.1.3各种场效应管特性比较1、MOS管与JFET的电流控制原理不同。JFET利用耗尽层的宽度改变导电沟道的宽度来控制沟道电流，MOSFET则是利用半导体表面的电场效应， 由感应电荷改变沟道来控制电流。2、对结型FET而言，其输入电阻是是PN结的反向电阻，结型FET的输入电阻远比MOSFET低。3、由于场效应管的类型较多，现

34、将各种FET管工作时的偏置电压的极性总结如下：4、各种场效应管的符号和对应的转移特性和输出特性见下表3.2 场效应管的主要参数3.2.1 直流参数开启电压UGS(th):是uDS当一定时（如uDS =10V）, 漏极电流ID达到某一数值(如10A)时，所需加的栅源电压uGS值。 夹断电压 UGS(off):当uDS一定时（如uDS =10V）,使漏极电流ID减小到某一个微小电流(如1A)时,所需的栅源电压uGS值。饱和漏极电流 IDSS: 栅源之间的电压uGS等于零, 而漏、源之间的电压大于夹断电压UGS(off)时对应的漏极电流。 直流输入电阻 RGS: 在漏极和源极短路时，栅源之间的电阻就

35、是RGS 。由于栅极几乎不索取电流, 因此输入电阻很高。结型为107 左右，MOS管可达1015以上。3.2.2 交流参数低频跨导gm:gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。 在转移特性曲线上， gm为的曲线的斜率。在输出特性曲线上也可求出gm。输出电阻rd 反映漏源电压uDS对漏极电流iD的控制能力。场效应管的输出电阻很大，一般为几十到几百千欧。 极间电容 场效应管三个电极之间也有电容效应，极间电容包括CGS、CGD和CDS等。极间电容的大小一般为几个pF，在低频小信号时可以忽略其影响。3.2.3 极限参数漏极最大允许耗散功率PDM 该功率转化为热能, 使管子的温度升高，PDM决定于

36、场效应管允许的最高温度限制。该参数相当于晶体管的PCM 。漏源击穿电压 U(BR)DS 当uDS过大使漏极产生雪崩击穿，从而使电流iD急剧上升时的uDS ，称为漏源击穿电压。 栅源击穿电压 U(BR)GS 当栅源极间的反向电压过高时，将使PN结反向击穿，使栅极电流急剧上升，此时的uGS值称为栅源击穿电压。 3.2.4 场效应管使用时的注意事项1.不要使栅极悬空2.结型场效应管栅压不能接反3.绝缘栅管不能用万用表直接去测三个电极,应该用接地良好的专门仪器才能测试管子的好坏。4.场效应管S和D极可以互换使用，但有些产品出厂时，已把S极和衬底连在一起，这时D、S就不能互换。3.3 场效应管放大电路组

37、成原理 场效应管也能够实现对信号的控制，因此能够组成放大电路。场效应管放大电路也有三种组态：共源极放大电路 (CS)，共漏极放大电路 (CD)，共栅极放大电路 (CG)。共源放大电路共漏放大电路共栅放大电路3.3.1 场效应管的小信号等效模型输入回路:开路 输出回路:电流源gmuGS3.3.2 场效应管放大电路的组成原理及分析1 、静态工作点与偏置电路(1)自给偏压电路静态分析 联立解出UGSQ，IDQ。注意只有满足(0 UGSQ UGS(off)的根才是方程的解。(2)分压式偏置电路联立解出UGSQ，IDQ。静态分析2、共源放大电路的交流分析 画出自给偏压放大电路的微变等效电路如图，并求出交

38、流参数： 画出分压偏置共源放大电路的微变等效电路如图，并求出交流参数： 可见，这两个共源放大电路除输入电阻不同，其余交流参数均相同。 与共射放大电路类似，共源放大电路有电压放大能力（较小）；输出电压与输入电压反相；输入电阻较大。3、共漏放大电路（源极输出器） 上式表明共漏极放大电路的电压放大倍数小于1，无电压放大能力。若 ，则共漏极放大电路放大倍数约为1。（1）电压放大倍数 （2）输入电阻（3）输出电阻 可见共漏极放大电路输出电阻较小。结论：共漏极放大电路的特点与共集放大电路相同，即电压放大倍数近似等于1、输入电阻高、输出电阻低。式中 3.3.3 场效应管的其它应用举例1、阻抗变换电路 利用场

39、效应管组成的源极输出器的输入阻抗为1M，而其输出阻抗仅有十几千欧，它完全起到了阻抗变换电路的隔离作用。2、感应试电笔 用这种感应试电笔可准确测出绝缘导线内部的断线位置。3.4 场效应管与晶体管的比较*3.5 电路仿真实例【例3.4】分析共源极放大电路解：利用Multisim软件仿真如图3.30所示电路。 首先进入Multisim10.0软件开发界面，然后按图3.30画出电路，接着调整函数信号发生器，使其输出频率为1KHz，幅度为15mV的正弦信号，最后进行仿真得到如图3.31的分析结果。【仿真图】 图3.30图 3.31小结 本章内容主线：MOS管的结构、原理及特性曲线结型场效应管的结构、原理

40、及特性曲线场效应管的小信号模型场效应管放大电路的分析方法及应用。1、场效应管按结构可分为绝缘栅型场效应管和结型场效应管。按照导电沟道又分为N沟道和和P沟道两种。而同一种沟道的MOSFET又分别有增强型和耗尽型两种。场效应管具有输入阻抗高的特点，同时受温度和辐射影响较小，体积小、便与集成化，广泛应用于各种电子电路。2、场效应管和三极管都是放大电路的核心器件，其结构也类似。场效应管有三个极：源极（s）、栅极（g）、漏极（d），分别对应于晶体管的e、b、c；有三个工作区域：截止区、恒流区、可变电阻区，对应于晶体管的截止区、放大区、饱和区。 当场效应管工作在恒流区时，栅源电压 产生的电场控制导电沟道的

41、宽窄，从而控制沟道电阻，进而控制沟道电流。可以将沟道电流 看成栅源电压 控制的电流源，转移特性曲线描述了这种控制关系。输出特性曲线则描述了 、 和 之间的关系。 3、场效应管的主要参数为IDSS、UGS(0ff) 、U GS(th) 和gm。需要注意的是场效应管类型不同，其电流方程不同，故静态工作点的计算以及gm的计算方法也略有不同。4、与晶体管类似，场效应管放大电路也有三种组态：共源极放大电路、共漏极放大电路 、共栅极放大电路，常用的是共源极放大电路和共漏极放大电路。 场效应管放大电路的分析方法仍需遵循先直流、后交流的原则；根据选用的场效应管不同，其直流偏置电路有自给偏压式（适用于耗尽型FE

42、T）和分压式偏置电路（适用于增强型和耗尽型FET）两种；根据场效应管的微变等效电路模型，作出场效应管放大电路的交流等效电路，则可方便的计算出动态性能指标 、 和 。 共源和共漏放大电路分别对应于晶体管共射和共集放大电路，但与晶体管相比，具有输入电阻高、噪声系数低、电压放大倍数低的特点，适合用于做电压放大电路的输入级。第4章 集成运算放大电路基础学习目标了解集成运算放大器的基本组成结构了解集成运放中的电流源的工作原理理解并掌握差分放大电路的组成原理 及分析方法了解集成运放的主要参数4.1 集成运算放大器概述4.2 集成电路中的电流源4.3 差动放大电路4.4 集成运算放大器*4.5 电路仿真实例

43、4.1 集成运算放大器概述 在半导体制造工艺的基础上，把整个电路中的三极管，二极管，电阻和电容及它们之间的连线制作在一块硅基片上，构成特定功能的电子电路，被称为集成电路（Integrated Circuit，IC）。 集成电路的种类很多，通常是根据其功能结构、制作工艺、集成度、导电类型、用途等进行分类（可参阅其他文献）。如按其功能、结构的不同，可以分为模拟集成电路和数字集成电路两大类：模拟集成电路用来产生、放大和处理各种模拟信号；而数字集成电路用来产生、放大和处理各种数字信号。 集成运算放大器属于模拟集成电路，由于最初主要用于模拟信号的运算（比如求和，求差，微分，积分，比例）中，故而得名。但实

44、际上，目前集成运算放大器的应用早已远远超出了模拟运算的范围，但仍沿用了运算放大器的名称。4.1.1 集成运放电路的组成特点与分立元件电路相比，模拟集成电路具有如下特点：1.电路结构与元器件参数具有对称性2.采用有源器件3.采用直接耦合作为级间耦合方式4.采用多管复合或组合电路5.二极管用BJT制成4.1.2 集成运放电路的组成结构及作用1.输入级 输入级又称前置级，主要由双端输入的差分放大电路构成，输入级应该具有高输入电阻，较大的差模电压放大倍数，很强的共模信号抑制能力，很小的静态电流和失调偏差。输入级性能的优劣直接影响着运放的很多性能参数。因此，在运放的更新换代中，输入级的变化最大。2、中间

45、级 中间级的主要作用是获得高的电压增益，多采用共射（或共源）放大电路，并且经常采用复合管作为放大管，以恒流源作为集电极负载，以获得高增益。3、输出级 输出级应具有输出功率高，非线性失真小，输出电阻低（即带负载能力强）等特点，多采用互补对称输出电路。4、偏置电路 偏置电路的作用是为各级提供合适的静态工作点。与分立元件不同，集成电路由于工艺上的特殊性，一般采用电流源电路为各级提供合适的静态电流，同时电流源电路也常作为放大电路的有源负载。4.2 集成电路中的电流源 在模拟集成电路中，广泛使用了一种单元电路电流源，它不仅可以为放大电路提供稳定的偏置电流，还可以作为有源负载取代高阻值的电阻，从而大大提高

46、电路的增益。本章介绍的基本电流源电路有镜像电流源、比例电流源和微电流源。4.2.1 镜像电流源 VT0和VT1是两只特性完全相同的管子。由于VT0和VT1的 间电压相等，所以保证了VT1管处于放大状态，它们的基极电流 ,集电极电流 可见，由于电路的特殊结构，使 和 呈镜像关系，故取名镜像电流源。 当时，输出电流 镜像电流源不仅电路结构简单，而且具有一定的温度补偿作用，简述如下：4.2.2 比例电流源当BJT的较大时，有：其中 4.2.3 微电流源由于的数值很小，所以用就可以获得微小的阻值不大的工作电流。4.2.4 多路电流源 图中VT1与VT2，VT2与VT3分别构成微电流源，VT2与VT4构

47、成基本镜像电流源。多路电流源通常用于集成电路中作偏置电路，同时给多个放大器提供偏置电流。 4.2.5 作为有源负载的电流源电路在第2章我们求各种放大电路的电压放大倍数时，得出电压放大倍数正比于负载电阻提高负载有利于放大倍数的提高。而，可通过提高来实现，但是 增大，影响静态工作点，使放大电路的动态范围减小。而电流源具有交流电阻大，直流电阻小的特点，故用电流源代替，将有效地提高该级的电压放大倍数。4.3 差分放大电路 由于制造工艺的限制，很难在集成电路中制造大电容和电感，因此集成运放内部必须采用直接耦合放大电路。直接耦合放大电路具有良好的频率特性，可以放大缓慢变化的信号，但容易产生零漂现象。所谓零

48、漂是指当电路输入信号为零时，输出信号不为零的现象。电路参数例如电源电压的波动，元件的老化及半导体器件参数随温度的变化等都将使电路工作点随之变化，即产生零漂。由于温度变化所引起的半导体元件参数变化是产生零点漂移现象的最主要的原因，所以零漂又称温漂。 在直接耦合放大电路中，前级的零漂随有用信号一起送入后面各级放大电路进行放大，严重影响有用信号的放大和传输，甚至完全将有用信号淹没，导致放大电路不能正确区分什么是有用信号，什么是漂移电压，进而不能正常工作，所以必须对零漂加以解决。 抑制温漂有以下几种方法：1）在电路中引入直流负反馈以稳定静态工作点；2）利用热敏元件进行温度补偿；3)采用差分放大电路，使

49、温漂通过特性相同的管子进行抵消。下面介绍差分放大电路的基本原理及分析方法。4.3.1差分放大电路的组成原理及分析1、输入共模信号时的分析由于电路的对称性，输出电压 也就是说零漂被抑制了，这就是差分放大电路抑制零漂的原理。因此在电路参数完全对称的情况下，差分放大电路对共模信号有很强的抑制作用，共模输出为零。2、输入差模信号时的分析当输入差模信号变化时，由于 又因为电路参数的对称性，所以 所以因此在电路参数完全对称的情况下，差分放大电路能够对差模输入信号进行放大。 实际上，由于外界引入的噪声信号、电源电压产生的波动及温度变化引起的三极管参数的变化等带来的影响主要表现为共模信号，所以共模信号是有害的

50、，应该尽可能的对其抑制，因此共模电压放大倍数 应越小越好，理想时应为0。 差分放大电路放大的是有用的差模信号，抑制了有害的共模信号，这就是差分放大电路抑制共模信号的特性，可用共模抑制比 越大，电路抑制共模干扰（零漂）的能力越强。 4.3.2 长尾式差分放大电路的分析 为共模反馈电阻，以引入负反馈来抑制零漂。 1. 静态分析由于电路完全对称，所以只需分析其中的一半电路即可。2. 动态分析 差分放大电路有两个输入端和两个输出端，根据其输入、输出端的连接方式分为双端输入-双端输出、双端输入-单端输出、单端输入-双端输出和单端输入-单端输出四种形式。下面分别从差模和共模特性的角度来对长尾式差分放大电路

51、进行动态分析，动态指标的分析主要包括电压放大倍数、输入电阻和输出电阻。（1）双端输入-双端输出差模特性分析长尾电阻上流过的电流为在差模信号的作用下，和大小相等，的差模交流电流相当于交流短路。负载电阻的中点电位在差模信号的作用下相当于极性相反，导致流过为0，所以接地，即相当于每管各带适合于某些输入信号和负载不需要接地的场合。 共模特性分析由于双端输出时电路对称，共模输出信号相当于交流开路。上的电流为且，相当于每个管子的发射极的电阻 始终为0，负载电阻流过长尾电阻接了一个（2）双端输入-单端输出差模特性分析双端输入-单端输出差分放大电路常用于将差模信号转换为单端信号，以便于与后面的电路实现“共地”

52、。共模特性分析由于不再是双端输出，共模放大倍数不再为0。长尾电阻 仍等效为每个管子的发射极接了一个的电阻。 （3）单端输入-双端输出单端输入可以转化为双端输入。 可以看出单端输入电路相当于在两个输入端引入了 的差模信号和 的共模信号。因此，差模信号的分析和双端输入-双端输出电路相同。 此时 这种电路适用于输入信号需要接地而负载不接地的场合。 （4）单端输入-单端输出 同样，单端输入可以转化为双端输入，因此单端输入-单端输出电路的分析方法和双端输入-单端输出电路基本一致。综上所述，由于差模输入与共模输入的特点不同，以及差分放大电路的对称性，使得它具有较高的差模电压放大倍数和极小的共模电压放大倍数

53、，具有很高的共模抑制比，抑制零漂的能力较强。这种电路适用于输入信号和负载均需接地的场合。4.3.3 恒流源式差分放大电路静态分析 VT3集电极对地交流电阻 同样可视输入、输出的四种组合方式来分析恒流源式差分放大电路，方法与长尾式差分放大电路的分析方法一致。只要在分析共模特性时，将恒流源的交流电阻 代替 即可。显然，恒流源式差分放大电路的共模抑制比很高。动态分析*4.3.4 差分放大电路BJT组成的差分放大电路具有很强的抑制共模干扰的能力，但是它的差模输入阻抗很低。所以在集成运放的输入级中，常采用FET-BJT混合型的差分放大电路，其优点是输入电阻高，输入偏置电流小。FET差分放大电路的工作原理

54、和分析方法与BJT差分放大电路基本相同。 4.4 集成运算放大器4.4.1 集成运放典型产品简介F007为第二代通用型集成运放，它由输入级、中间级、输出级和偏置电路等构成。 4.4.2 集成运放的主要技术指标开环差模电压增益最大差模输入电压最大共模输入电压最大输出电压 输入失调电压 输入失调电压温漂 输入失调电流 输入失调电流温漂 输入偏置电流 -3 dB带宽 单位增益带宽 转换速率 4.4.3 理想集成运算放大器理想集成运放的指标开环差模电压增益差模输入电阻输出电阻共模抑制比开环-3 dB带宽输入失调电压，输入失调电压温漂，输入失调电流，输入失调电流温漂，输入偏置电流都为0。理想集成运放符号

55、 集成运放的电压传输特性 2. 理想集成运放的工作区1）线性区为了使不超出线性范围，需引入深度负反馈。 所以可以通过判断运放是否引入了负反馈判断其是否工作在线性区。“虚短”= 此式表明集成运放的同相输入端和反相输入端接近于短路，但又不是真正的短路，这一状态称为“虚短”。“虚断” 此式表明运放的同相输入端和反相输入端的电流为0，但又没有真正断路，这种状态称为“虚断”。 “虚短”和“虚断”是理想运放的两个重要概念，是分析工作在线性区的运放的重要依据。2）非线性区一般集成运放工作在非线性区时，差模电压 会很大，因此“虚短”不再成立。而理想运放工作在非线性区时，因为 所以电路仍有 “虚断”的概念。 *

56、4.5 电路仿真实例【例4.1】 分析差分放大电路解：利用Multisim软件仿真如图4.25所示电路，分析该电路的共模特性和差模特性。图4.25 测量共模特性：将输入端b1、b2 短接，接到信号源，如图4.26（a）所示。然后调节信号发生器使其产生峰峰值为1000mV，频率为1KHz 的正弦信号。用示波器观察输出(UC1pp)波形，如图4.26（b）所示。【仿真图】 电路调零： 首先进入Multisim10.0软件开发界面，然后按图4.25画出电路，接着进行仿真，并调节电位器R1值，使万用表读数为零。【仿真图】 4.26（a）图4.26（b） 测量差模特性：将两个大小相等（100mV），方向

57、相反的信号分别输入到b1、b2 端， 如图4.27（a）所示。然后调节函数信号发生器使其产生频率为1KHz 的正弦信号。用示 波器观察输出(UC1pp)波形，如图4.27（b）所示。【仿真图】图4.27（a）图4.27（b）小结 本章内容主线：集成运放基本知识集成运放中的电流源电路集成运放输入级差分放大电路集成运放的技术指标。1、近几十年来，集成电路（Integrated Circuit，IC）得到了惊人的发展。它一般由输入级、中间级、输出级和偏置电路四部分组成。由于制造工艺的限制，集成运放内部都采用直接耦合方式。2、电流源电路，作为模拟集成电路中广泛使用的一种单元电路，不仅可以为放大电路提供

58、稳定的偏置电流，还可以作为有源负载。基本的电流源电路有镜像电流源、比例电流源和微电流源。3、为了抑制温漂，同时提高共模抑制比，常采用差分放大电路作为集成运放的输入级。差分放大电路对差模信号具有很强的放大能力，对共模信号却具有很强的抑制能力。差分放大电路的分析主要以长尾式差分放大电路为主，包括静态分析和动态分析。根据输入、输出端的连接方式又分为双端输入-双端输出、双端输入-单端输出、单端输入-双端输出和单端输入-单端输出四种形式。4、通过集成运放手册查阅技术指标，根据系统要求合理选择集成运放。 第5章 反馈放大电路学习目标理解并掌握反馈的类型与判别方法掌握深度负反馈条件下放大电路的估算了解负反馈

59、对放大电路性能的影响了解正弦波振荡电路的组成原理5.1 反馈的类型与判别方法5.2 负反馈放大电路的四种组态5.3 深度负反馈放大电路的估算5.4 负反馈对放大电路性能的改善5.5 负反馈放大电路的稳定性问题*5.6 正反馈电路正弦信号产生电路*5.7 电路仿真实例5.1 反馈的类型与判别方法其中 为放大电路的环路增益， 为放大电路的反馈深度。5.1.1 反馈的基本概念反馈将一个系统的输出量（电压或电流）的全部或一部分，通过反馈网络引回到系统的输入端，与原输入信号共同控制该系统的过程。工厂用户销售员信息员实际问题举例 反馈深度反映了反馈对放大电路影响的程度。分为下列三种情况：当 时， ，为负反

60、馈；当 时， ，为正反馈；当 时， ，此时，会出现即使没有输入信号，也会有输出的情形，这种情况称之为“自激”。5.1.2 反馈的组态及判别方法1.判断有无反馈 首先要看电路的输出端和输入端之间有无起连接作用的元件。若有反馈元件则有反馈，若无反馈元件则无反馈。2. 反馈组态及判别方法 反馈放大电路按反馈信号是交流信号还是直流信号分为直流反馈和交流反馈；按反馈的效果分为正反馈和负反馈。负反馈中按反馈信号和输入信号的连接关系分为串联反馈和并联反馈；按反馈信号取自输出电压还是输出电流分为电压反馈和电流反馈。1）直流反馈和交流反馈 若反馈信号只有直流成分时为直流反馈；若反馈信号只有交流成分时为交流反馈；