哈工程核学院核电子学模电基础

模电基础1.二极管2.三极管3.场效应管4.单管放大电路5.多级放大电路和运算放大器6.反馈模电基础——（二极管）1.1PN结形成模电基础——（二极管）1.2PN结单向导电性模电基础——（二极管）1.3二极管的结构和类型半导体二极管（简称二极管）是由PN结加上电极引线和管壳组成的。模电基础——（二极管）1.4伏安特性模电基础——（二极管）1.5温度对伏安特性的影响模电基础——（二极管）1.6二极管的电容效应势垒电容CB空间电荷区的宽度及其里面存储的空间电荷量扩散电容CD图1-8结电容CJPN结上外加电压的极性和大小变化模电基础——（二极管）1.7二极管应用

二极管在电路中有广泛的应用：利用它的单向导电性，可组成整流、限幅、检波电路，还可以用于元件保护以及数字电路中作为开关元件等。特殊二级管：稳压二极管发光二极管光电二极管变容二极管模电基础——（三极管）2.1三极管（晶体管BJT）的结构及其类型为实现电流控制和放大作用，晶体管的三个区在制作时结构、尺寸和掺杂浓度要保证三点：基区很薄，厚度只有几微米，掺杂浓度很低发射区和集电区掺杂类型相同，但发射区掺杂浓度远大于集电区集电结面积大于发射结面积模电基础——（三极管）2.2晶体管的三种连接方式（a）以基极作为输入端，集电极作为输出端；（b）以基极作为输入端，发射极作为输出端；（c）以发射极作为输入端，集电极作为输出端。模电基础———（三极极管）2.3晶体体管的工作作状态———放大（以NPN共发发射极极为例例）(1)(2)(4)(3)发射结正偏，集电结反偏UC﹥UB﹥UE模电基基础———（（三极极管））2.3晶体体管的的工作作状态态———放大大状态态共基直直流电电流放放大系系数：：共射直直流电电流放放大系系数忽略ICBO由上页页(2)(3)式可可得电电流关关系：：忽略ICBO两放大大系数数关系系：模电基基础———（（三极极管））2.3晶体体管的的工作作状态态———放大大状态态总结：：电流关关系电流控控制器器件交流电电流放放大系系数模电基基础———（（三极极管））2.3晶体体管的的工作作状态态———饱和和、截截止发射结结正偏偏，集集电结结正偏偏IC不再随随IB的增大大而增增大，，基极极电流流失去去对集集电极极电流流的控控制作作用，，IC主要受受UCE控制发射结结反偏偏或零零偏，，集电电结反反偏IE几乎为为零，，IC=ICBO，IB=-ICBO很小可可忽略略不计计，晶晶体管管截止止模电基基础———（（三极极管））2.4晶体体管的的伏安安特性性（NPN共共射极极为例例）2.4.1输入入特性性非线性性，UBE小于UBE（（th）时晶体体管截截止。。硅管管UBE（（th）约0.5V，锗锗管UBE（（th）约0.1V。当UBE大于UBE（（th）时，随随着增增大，，开始始指数数增加加，后后近似似直线线上升升。模电基基础———（（三极极管））2.4.2输出出特性性截止区区：IB≤0的的区，，IC=ICEO近似为为零。。锗：：几十十至几几百微微安；；硅：：小于于1微微安。。相当当于一一个断断开的的开关关。放大区区：IC基本不不随UCE的变化化而变变化，，主要要取决决于IB，微小小的△IB可以产产生较较大的的△IC，二者者关系系为△IC=ββ△IB饱和区区：当当IB固定时时，UCE对IC有强烈烈的控控制作作用；；当UCE固定时时，IB增大IC增大不不多，，出现现““饱和和”现现象，，IB继续增增大，，IC几乎不不变，，不同同的输输出特特性起起始部部分几几乎重重叠在在一起起，IB对IC失去控控制作作用，，IC≤βIB。击穿区区：UCE增大到到某一一值时时，IC会急剧剧上升升，集集电结结发生生雪崩崩击穿穿。模电基基础———（（三极极管））2.5温温度对对晶体体管参参数的的影响响对ICBO的影响响对UBE的影响响对β的的影响响温度升升高，，特性性曲线线左移移(IB一定时时，随随温度度升高高，UBE将减小小)。。2～～2.5mV/℃。。与PN结结正向向伏安安特性性相似似。室温下下集电电极反反向饱饱和电电流ICBO很小；；当温温度升升高时时，少少子浓浓度增增加，，ICBO急剧增增大，，约1倍/10℃。。β随温温度升升高而而增大大，0.5％～～1％，，在输输出特特性曲曲线图图上，，曲线线间距距随温温度升升高而而增大大。温度对ICBOUBEβ的影响都将使IC随温度上升而增加，严重影响晶体管的工作状态模电基基础———（（场效效应管管）3.1场场效应应管概概述（FieldEffectTransistor,FET）场效应管(FET)结型场效应管(JFET)绝缘栅型场效应管(IGFET，MOSFET)耗尽型N沟道P沟道增强型N沟道N沟道P沟道P沟道利用输输入电电压产产生的的电场场效应应来控控制输输出电电流，，属电电压控控制型型器件件。起起主要要导电电作用用的只只有一一种载载流子子（多多子））故又又称单单极型型晶体体管。。具有有很高高的输输入电电阻，，还具具有热热稳定定性好好、功功耗小小、噪噪声低低、制制造工工艺简简单便便于集集成等等优点点。模电基础———（场效效应管）3.2.1JFET的结构构及类型3.2结结型场效应应管JFET模电基础———（场效效应管）3.2.2JFET的工作作原理模电基础———（场效效应管）3.2.2JFET的工作作原理栅源电压UGS的变化将有效地控制漏极电流iD的变化，体现了栅源电压UGS对漏电流iD的控制作用模电基础———（场效效应管）3.2.3JFET的伏安安特性输出特性可变电阻区区：场效应应管可以看看成一个受受uGS控制的可变变电阻，即即压控电阻阻。恒流区（饱饱和区）：：场效应管管相当于一一个电压控控制的电流流源。作为为放大器使使用时工作作在该区，，又称放大大区。夹断区（截截止区）：：导电沟道道被全部夹夹断，iD≈0。击穿区：随随uDS增大，靠近近漏区的P+N结反偏电电压也随之之增大产生生雪崩击穿穿，iD会急剧增加加，甚至烧烧坏管子。。模电基础———（场效效应管）转移特性对N沟道JFET，，在管子工工作在恒流流区时转移移特性可近近似表示为为：注意：PN结要反偏偏N沟JFET:uGS﹤0P沟JFET:uGS﹥0模电基础———（场效效应管）3.2.4JFET的主要要参数直流参数交流参数夹断电压UGS(off)饱和漏极电电流IDSS直流输入电电阻RGS(DC)低频跨导极间电容CGSCGD极限参数最大漏极电电流IDM最大漏源电电压U(BR)DS最大栅源电电压U(BR)GS最大耗散功功率PDM模电基础———（场效效应管）3.3绝绝缘栅场效效应管（MOSFET）3.3.1结构及类类型模电基础———（场效效应管）3.3.2增强型MOS管导电沟道的的形成栅源电压对对漏极电流流的控制漏源电压对对漏极电流流的影响工作原理模电基础———（场效效应管）可变电阻区区恒流区截止区击穿区3.3.2增强型MOS管伏安特性模电基础———（场效效应管）3.3.3耗尽型MOS管3.3.4主要参数数耗尽型：同同JFET增强型：没没有夹断电电压和漏极极饱和电流流，增加开开启电压模电基础———（场效效应管）3.4场场效应管与与晶体管的的比较模电基础———（单管管放大电路路）4.1晶体体管放大电电路(a)放大大电路的主主要性能指指标(b)共射射极放大电电路(c)共集集电极放大大电路(d)共基基极放大电电路4.2场场效应管放放大电路(a)共源源放大电路路(b)共漏漏放大电路路4.单管放放大电路模电基础———（放大大电路）（a）放大大电路的主主要性能指指标4.1晶体体管放大电电路电压放大倍数（电压增益）电流放大倍数（电流增益）模电基础———（放大大电路）（a）放大大电路的主主要性能指指标4.1晶体体管放大电电路输入电阻输出电阻低内阻电压压源输入电电阻越大越越好高内阻电流流源输入电电阻越小越越好输出电电阻越越小电电压增增益越越接近近空载载时电电压增增益，，带负负载能能力越越强模电基基础———（（放大大电路路）（a））放大大电路路的主主要性性能指指标输入信信号的的频率率往往往是在在一定定范围围内变变化的的，要要使放放大后后的输输出信信号不不失真真，就就要使使放大大电路路对不不同频频率的的输入入信号号具有有相同同的放放大能能力。。通频带中频段电压放大倍数几乎不变的频率范围电压放大倍数下降到时，上下限截止频率之间形成的频带宽度通频带带越宽宽表明明放大大电路路对不不同频频率信信号的的适应应能力力越强强。模电基基础———（（放大大电路路）（b））共射射极放放大电电路模电基基础———（（放大大电路路）（b））共射射极放放大电电路输入电电阻输出电电阻电压增增益有比较较高的的电压压和电电流放放大倍倍数，，输出出电压压与输输入电电压反反相，，输入入电阻阻较小小。多多用于于多级级放大大电路路的中中间级级Ro模电基基础———（（放大大电路路）（c））共集集电极极放大大电路路（射射极跟跟随器器）电压增增益输入电电阻输出电电阻电压增增益小小于1，接接近1，输输出电电压与与输入入电压压同相相；有有电流流和功功率放放大能能力；；有高高输入入电阻阻和低低输出出电阻阻。多多级放放大电电路中中作为为输入入级和和输出出级。。模电基基础———（（放大大电路路）（d））共基基极放放大电电路电压增增益输入电电阻输出电电阻没有电电流放放大能能力，，有电电压放放大能能力；；输出出电压压与输输入电电压同同相；；输入入电阻阻小，，输出出电阻阻大。。通常常用在在高频频放大大电路路。模电基基础———（（放大大电路路）模电基基础———（（放大大电路路）（a））共源源放大大电路路4.2场场效应应管放放大电电路类似晶晶体管管与共共射放放大电电路，，有电电压放放大能能力；；输出出与输输入电电压反反相；；但输输入电电阻较较高而而电压压放大大倍数数较小小。模电基基础———（（放大大电路路）（b））共漏漏放大大电路路电压放放大倍倍数小小于1，约约等1；输输出与与输入入电压压同相相，又又称漏漏极跟跟随器器；输输出电电阻很很小。。模电基基础———（（多级级放大大电路路）5.1多多级放放大电电路不是独立的各级的电压益，而是必须考虑前后级对它的影响一般情况下有（输入输出为射极跟随器除外）模电基基础———（（多级级放大大电路路）5.2集集成运运算放放大器器输入级级：输输入级级对整整个运运算放放大器器的性性能指指标影影响较较大，，是提提高集集成运运放质质量的的关键键部分分，要要求有有高输输入电电阻，，能减减小零零点漂漂移和和抑制制干扰扰。一一般采采用差差动放放大电电路。。中间级级：主主要完完成电电压放放大任任务，，要求求有高高的电电压增增益。。一般般采用用带有有源负负载（（恒流流源））的共共发射射极电电压放放大电电路。。输出级级：主主要任任务是是功率率放大大，以以驱动动负载载工作作，要要求其其输出出电阻阻低、、带负负载能能力强强、能能输出出足够够大的的电压压和电电流、、波形形失真真小、、电源源转换换效率率高。。一般般采用用互补补对称称的功功率放放大电电路。。偏置电电路：：主要要为各各级放放大电电路提提供合合适的的静态态工作作电流流，以以确定定各级级的静静态工工作点点。辅助电电路：：内电电源稳稳压电电路、、温控控电路路、温温度补补偿电电路、、输入入过压压和输输出过过流过过热保保护电电路。。提高高运放放的稳稳定性性和承承受过过载能能力。。模电基基础———（（多级级放大大电路路）5.3集集成运运放的的主要要参数数1.开开环差差模电电压增增益2.共共模抑抑制比比3.差差模输输入电电阻rid4.输输入失失调电电压UIO5.输输入失失调电电压的的温漂漂6.输输入失失调电电流IIO7.输输入失失调电电流的的温漂漂8.输输入偏偏置电电流IIB9.最最大共共模输输入电电压UICM10.最大大差模模输入入电压压UIDM11.-3dB带宽宽fH12.单位增增益带宽fo13.转换速速率SR模电基础———（多级放大大电路）5.4理想想运放参数开环差模电压增益共模抑制比差模输入电阻输入失调电压的温漂输入失调电流的温漂开环带宽转换速率输出电阻模电基础———（多级放大大电路）5.5运算算电路比例运算电路反相输入运算电路同相输入运算电路差分比例运算电路