模拟电子技术第五版第一章

考勤（5分），作业（10分），期中考试（15分）参考书：

《模拟电子技术基础解题指南》，唐竞新，清华

《线性电子线路》戴蓓蒨，科大第0章导言一、模电的地位二、模拟信号与模拟电路三、电子信息系统的组成四、课程的目的模拟信号与模拟电路2.模拟电路模拟电路是对模拟信号进行处理的电路。最基本的处理是对信号的放大，有功能和性能各异的放大电路。其它模拟电路多以放大电路为基础。电子信息系统的组成模拟电路的基本功能放大电路：电压/电流、功率滤波电路：低通、高通、带通、陷波运算电路：加减乘除、积分微分、选通信号转换电路：直流-交流、电压/电流-频率/占空比、频率-占空比信号发生电路：正弦波、矩形波、三角波、锯齿波直流电源：DC-DC、AC-DC电路设计的四个原则可靠性可测性电磁兼容性低功耗课程目的第1章常用半导体器件PN结二极管三极管场效应管本征半导体导体－－铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。绝缘体－－惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。半导体－－硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。本征半导体的结构掺杂半导体几个常用公式PN结的形成PN结的单向导电性PN结加正向电压导通：耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，PN结处于导通状态。PN结加反向电压截止：耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成漂移电流。由于电流很小，故可近似认为其截止。PN结的电容效应1.势垒电容 PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容Cb。2.扩散电容 PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容Cd。二极管的伏安特性二极管伏安特性曲线反映的特征T（℃）↑→在电流不变情况下管压降u↓→反向饱和电流IS↑，U(BR)↓T（℃）↑→正向特性左移，反向特性下移二极管的等效电路二极管微变等效电路Q越高，rd越小。图解二极管模型V与uD可比，则需图解：二极管应用举例一二极管应用举例一稳压管若稳压管的电流太小则不稳压，若稳压管的电流太大则会因功耗过大而损坏，因而稳压管电路中必需有限制稳压管电流的限流电阻！稳压管稳压原理§1.3晶体三极管一、晶体管的结构和符号二、晶体管的放大原理三、晶体管的共射输入特性和输出特性四、温度对晶体管特性的影响五、主要参数六、光电三极管七、晶阀管一、晶体管的结构和符号NPN型晶体管ecb符号集电区集电结基区发射结发射区集电极c基极b发射极eNNPPNP型晶体管集电区集电结基区发射结发射区集电极c发射极e基极b

cbe符号NNPPN图1.3.2©三极管结构示意图和符号(b)PNP型二、晶体管的放大原理三极管内部结构要求：NNPebcNNNPPP1.发射区高掺杂。2.基区做得很薄。通常只有几微米到几十微米，而且掺杂较少。

三极管放大的外部条件：外加电源的极性应使发射结处于正向偏置状态，而集电结处于反向偏置状态。3.集电结面积大。扩散运动形成发射极电流IE，复合运动形成基极电流IB，漂移运动形成集电极电流IC。

becRcRb晶体管内部载流子的运动IEIB发射结加正向电压，扩散运动形成发射极电流发射区的电子越过发射结扩散到基区，基区的空穴扩散到发射区—形成发射极电流

IE

(基区多子数目较少，空穴电流可忽略)。2.扩散到基区的自由电子与空穴的复合运动形成基极电流

电子到达基区，少数与空穴复合形成基极电流Ibn，复合掉的空穴由VBB补充。多数电子在基区继续扩散，到达集电结的一侧。晶体管内部载流子的运动becIEIBRcRb3.集电结加反向电压，漂移运动形成集电极电流Ic

集电结反偏，有利于收集基区扩散过来的电子而形成集电极电流

Icn。其能量来自外接电源VCC。IC另外，集电区和基区的少子在外电场的作用下将进行漂移运动而形成反向饱和电流，用ICBO表示。ICBO晶体管内部载流子的运动beceRcRb二、晶体管的电流分配关系IEpICBOIEICIBIEnIBnICn图1.3.4晶体管内部载流子的运动与外部电流IE－扩散运动形成的电流IB－复合运动形成的电流IC－漂移运动形成的电流三、晶体管的共射电流放大系数整理可得：ICBO称反向饱和电流ICEO称穿透电流1、共射直流电流放大系数VCCRb+VBBC1TICIBC2Rc+共发射极接法直流参数与交流参数、的含义是不同的，但是，对于大多数三极管来说，直流和交流的数值却差别不大，计算中，可不将它们严格区分。2、共射交流电流放大系数3、共基直流电流放大系数或4、共基交流电流放大系数5.的关系ICIE+C2+C1VEEReVCCRc共基极接法三、晶体管的共射输入特性和输出特性uCE=0VuBE

/V

iB=f(uBE)

UCE=const(2)当uCE≥1V时，uCB=uCE

-uBE>0，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，基区复合减少，在同样的uBE下IB减小，特性曲线右移。(1)当uCE=0V时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。1.输入特性曲线uCE=0VuCE

1VuBE

/V+-bce共射极放大电路UBBUCCuBEiCiB+-uCEiC=f(uCE)

IB=const2、输出特性曲线+-bce共射极放大电路UBBUCCuBEiCiB+-uCE输出特性曲线的三个区域:放大区：条件：发射结正偏，集电结反偏

特点：iC的大小不受uCE的影响，只受IB的控制。

如何根据曲线获得

值输出特性曲线的三个区域:截止区：条件：发射结反偏（不导通），集电结反偏

特点：iC

电流趋近于0。

等效模型：相当于开关断开输出特性曲线的三个区域:饱和区：条件：发射结正偏，集电结正偏

特点：iB、iC大到一定数值后三极管进入该区域，UCE电压的数值较小。

等效模型讨论为什么UCE增大曲线右移？为什么UCE增大到一定值曲线右移就不明显了？为什么uCE较小时iC随uCE变化很大？为什么进入放大状态曲线几乎是横轴的平行线？五温度对晶体管特性及参数的影响1、温度对ICBO的影响温度每升高100C，ICBO增加约一倍。反之，当温度降低时ICBO减少。硅管的ICBO比锗管的小得多。2、温度对输入特性的影响温度升高时正向特性左移，反之右移60402000.40.8I/mAU/V温度对输入特性的影响2006003、温度对输出特性的影响温度升高将导致IC增大iCuCEOiB200600温度对输出特性的影响[例1]某放大电路中BJT三个电极的电流如图所示。

IA＝-2mA,IB＝-0.04mA,IC＝+2.04mA,试判断管脚、管型。解：电流判断法。电流的正方向和KCL。IE=IB+ICABC

IAIBICC为发射极B为基极A为集电极。管型为NPN管。例[2]：测得工作在放大电路中几个晶体管三个电极的电位U1、U2、U3分别为：

（1）U1=3.5V、U2=2.8V、U3=12V（2）U1=3V、U2=2.8V、U3=12V（3）U1=6V、U2=11.3V、U3=12V（4）U1=6V、U2=11.8V、U3=12V判断它们是NPN型还是PNP型？是硅管还是锗管？并确定e、b、c。（1）U1b、U2e、U3cNPN硅（2）U1b、U2e、U3cNPN锗（3）U1c、U2b、U3ePNP硅（4）U1c、U2b、U3ePNP锗原则：先求UBE，若等于0.6-0.7V，为硅管；若等于0.2-0.3V，为锗管。发射结正偏，集电结反偏。NPN管UBE＞0，UBC＜0，即UC＞UB＞UE

。PNP管UBE＜0，UBC＜0，即UC＜UB＜UE

。解：复习1.BJT放大电路三个电流关系？IE=IC+IB2.BJT的输入、输出特性曲线？uCE=0VuCE

1VuBE

/V3.BJT工作状态如何判断？1.4场效应三极管场效应管：一种载流子参与导电，利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的三极管，又称单极型三极管。场效应管分类结型场效应管绝缘栅场效应管特点单极型器件(一种载流子导电)；电压控制型器件；重量轻、体积小、寿命长等优点。

输入电阻高；噪声较大较小温度特性受温度影响较大较小，可有零温度系数点输入电阻几十到几千欧姆几兆欧姆以上静电影响不受静电影响易受静电影响晶体管场效应管N沟道P沟道增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道P沟道（耗尽型）FET场效应管JFET结型MOSFET绝缘栅型(IGFET)场效应管分类：DSGN符号1.4.1结型场效应管JunctionFieldEffectTransistor结构图1.4.1N沟道结型场效应管结构图N型沟道N型硅棒栅极源极漏极P+P+P型区耗尽层(PN结)在漏极和源极之间加上一个正向电压，N型半导体中多数载流子电子可以导电。导电沟道是N型的，称N沟道结型场效应管。P沟道场效应管P沟道结型场效应管结构图N+N+P型沟道GSDP沟道场效应管是在P型硅棒的两侧做成高掺杂的N型区(N+)，导电沟道为P型，多数载流子为空穴。符号GDS一、结型场效应管工作原理

N沟道结型场效应管用改变UGS大小来控制漏极电流ID的。(VCCS)GDSNN型沟道栅极源极漏极P+P+耗尽层*在栅极和源极之间加反向电压，耗尽层会变宽，导电沟道宽度减小，使沟道本身的电阻值增大，漏极电流ID减小，反之，漏极ID电流将增加。

*耗尽层的宽度改变主要在沟道区。1.当UDS=0时，uGS对导电沟道的控制作用ID=0GDSN型沟道P+P+

(a)

UGS=0UGS=0时，耗尽层比较窄，导电沟比较宽UGS由零逐渐减小，耗尽层逐渐加宽，导电沟相应变窄。当UGS=UGS（Off)，耗尽层合拢，导电沟被夹断.ID=0GDSP+P+N型沟道(b)

UGS(off)<UGS<0VGGID=0GDSP+P+

(c)

UGS＜UGS(off)VGGUGS(off)为夹断电压,为负值。UGS(off)也可用UP表示2.当uGS为UGS（Off)~0中一固定值时,uDS对漏极电流iD的影响。uGS=0，uGD>UGS（Off)，iD较大。GDSP+NiSiDP+P+VDDVGG

uGS<0，uGD>UGS（Off)，iD更小。GDSNiSiDP+P+VDD注意：当uDS>0时，耗尽层呈现楔形。(a)(b)uGD＝uGS－uDS

GDSP+NiSiDP+P+VDDVGGuGS<0,uGD=UGS(off),,沟道变窄预夹断uGS<0,uGD<uGS(off),夹断，iD几乎不变(1)改变uGS，改变了PN结中电场，控制了iD，故称场效应管；(2)结型场效应管栅源之间加反向偏置电压，使PN反偏，栅极基本不取电流，因此，场效应管输入电阻很高。(c)(d)NGSD

+VGGP+P+VDD+-A3.当uGD<uGS(off),时，,uGS对漏极电流iD的控制作用场效应管用低频跨导gm的大小描述栅源电压对漏极电流的控制作用。场效应管为电压控制元件(VCCS)。uGD＝uGS－uDS<uGS(off),即：出现了预夹断之后uDS为一常量时，对应于确定的uGS，就有确定的iD。gm=iD/uGS(单位mS)小结(1)在uGD＝uGS－uDS>uGS(off)情况下,即当uDS<uGS-uGS(off)对应于不同的uGS，d-s间等效成不同阻值的电阻。(2)当uDS使uGD＝uGS(off)时，d-s之间预夹断(3)当uDS使uGD<uGS(off)时，iD几乎仅仅决定于uGS，而与uDS无关。此时，可以把iD近似看成uGS控制的电流源。二、结型场效应管的特性曲线1.输出特性曲线当栅源之间的电压UGS不变时，漏极电流iD与漏源之间电压uDS的关系，即IDSS/ViD/mAuDS/VOUGS=0V-1-2-3-4-5-6-7预夹断轨迹恒流区可变电阻区漏极特性也有三个区：可变电阻区、恒流区和夹断区。图1.4.5(b)漏极特性输出特性（漏极特性）曲线夹断区UDSiDVDDVGGDSGV+V+uGS图1.4.5(a)特性曲线测试电路+mA击穿区2.转移特性(N沟道结型场效应管为例)O

uGSiDIDSSUGS(off)图1.4.6转移特性uGS=0，iD最大；uGS愈负，iD愈小；uGS=UGS(off)

，iD0。两个重要参数饱和漏极电流IDSS(UGS=0时的ID)夹断电压UGS(off)

(ID=0时的UGS)UDSiDVDDVGGDSGV+V+uGS特性曲线测试电路+mA转移特性OuGS/VID/mAIDSSUP图1.4.6转移特性结型场效应管转移特性曲线的近似公式：≤≤＊结型P沟道的特性曲线SGD转移特性曲线iDUGS（Off）IDSSOuGS输出特性曲线iDUGS=0V+uDS++o栅源加正偏电压，(PN结反偏)漏源加反偏电压。1.4.2绝缘栅型场效应管MOSFETMetal-OxideSemiconductorFieldEffectTransistor由金属、氧化物和半导体制成。称为金属-氧化物-半导体场效应管，或简称MOS场效应管。特点：输入电阻可达1010以上。类型N沟道P沟道增强型耗尽型增强型耗尽型UGS=0时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管；UGS=0时漏源间不存在导电沟道称增强型场效应管。一、N沟道增强型MOS场效应管结构P型衬底N+N+BGSDSiO2源极S漏极D衬底引线B栅极G图1.4.7N沟道增强型MOS场效应管的结构示意图SGDB1.工作原理绝缘栅场效应管利用UGS来控制“感应电荷”的多少，改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道的状况，以控制漏极电流ID。2.工作原理分析(1)UGS=0漏源之间相当于两个背靠背的PN结，无论漏源之间加何种极性电压，总是不导电。SBD(2)

UDS=0，0<UGS<UGS(th)P型衬底N+N+BGSD栅极金属层将聚集正电荷，它们排斥P型衬底靠近SiO2一侧的空穴，形成由负离子组成的耗尽层。增大UGS耗尽层变宽。VGG---------(3)

UDS=0，UGS≥UGS(th)由于吸引了足够多P型衬底的电子，会在耗尽层和SiO2之间形成可移动的表面电荷层——---N型沟道反型层、N型导电沟道。UGS升高，N沟道变宽。因为UDS=0，所以ID=0。UGS(th)或UT为开始形成反型层所需的UGS，称开启电压。(4)

UDS对导电沟道的影响(UGS>UT)导电沟道呈现一个楔形。漏极形成电流ID。b.UDS=UGS–UT，

UGD=UT靠近漏极沟道达到临界开启程度，出现预夹断。c.UDS>UGS–UT，

UGD<UT由于夹断区的沟道电阻很大，UDS逐渐增大时，导电沟道两端电压基本不变，iD因而基本不变。a.UDS<UGS–UT，即UGD=UGS–UDS>UTP型衬底N+N+BGSDVGGVDDP型衬底N+N+BGSDVGGVDDP型衬底N+N+BGSDVGGVDD夹断区DP型衬底N+N+BGSVGGVDDP型衬底N+N+BGSDVGGVDDP型衬底N+N+BGSDVGGVDD夹断区图1.4.9UDS对导电沟道的影响(a)

UGD>UT(b)

UGD=UT(c)

UGD<UT在UDS>UGS–UT时，对应于不同的uGS就有一个确定的iD。此时，可以把iD近似看成是uGS控制的电流源。3.特性曲线与电流方程(a)转移特性(b)输出特性UGS<UT，iD=0；UGS

≥

UT，形成导电沟道，随着UGS的增加，ID

逐渐增大。(当UGS>UT时)三个区：可变电阻区、恒流区(或饱和区)、夹断区。UT2UTIDOuGS/ViD/mAO图1.4.10(a)图1.4.10(b)iD/mAuDS/VO预夹断轨迹恒流区可变电阻区夹断区。UGS增加二、N沟道耗尽型MOS场效应管P型衬底N+N+BGSD++++++制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子，这些正离子电场在P型衬底中“感应”负电荷，形成“反型层”。即使UGS=0也会形成N型导电沟道。++++++++++++UGS=0，UDS>0，产生较大的漏极电流；UGS<0，绝缘层中正离子感应的负电荷减少，导电沟道变窄，iD减小；UGS=

UP,感应电荷被“耗尽”，iD

0。UP或UGS(off)称为夹断电压图1.4.11N沟道耗尽型MOS管特性工作条件：UDS>0；UGS正、负、零均可。iD/mAuGS/VOUP(a)转移特性IDSS耗尽型MOS管的符号SGDB(b)输出特性iD/mAuDS/VO+1VUGS=0-3V-1V-2V43215101520N沟道耗尽型MOSFET三、P沟道MOS管1.P沟道增强型MOS管的开启电压UGS(th)<0当UGS<UGS(th)，漏-源之间应加负电源电压管子才导通,空穴导电。2.P沟道耗尽型MOS管的夹断电压UGS(off)＞0UGS可在正、负值的一定范围内实现对iD的控制，漏-源之间应加负电源电压。SGDBP沟道SGDBP沟道四、VMOS管VMOS管漏区散热面积大，可制成大功率管。种类符号转移特性曲线输出特性曲线

结型N沟道耗尽型

结型P沟道耗尽型

绝缘栅型N沟道增强型SGDSGDiDUGS=0V+uDS++oSGDBuGSiDOUT各类场效应管的符号和特性曲线+UGS=UTuDSiD+++OiDUGS=0V---uDSOuGSiDUPIDSSOuGSiD/mAUPIDSSO种类符号转移特性曲线输出特性曲线绝缘栅型N沟道耗尽型绝缘栅型P沟道增强型耗尽型IDSGDBUDSID_UGS=0+__OIDUGSUPIDSSOSGDBIDSGDBIDIDUGSUTOIDUGSUPIDSSO_IDUGS=UTUDS_o_UGS=0V+_IDUDSo+例1.4.2电路如图1.4.14所示，其中管子T的输出特性曲线如图1.4.15所示。试分析ui为0V、8V和10V三种情况下uo分别为多少伏？图1.4.14图1.4.15分析：N沟道增强型MOS管，开启电压UGS(th)＝4V解(1)ui为0V，即uGS＝ui＝0，管子处于夹断状态

所以u0＝VDD＝15V(2)uGS＝ui＝8V时，从输出特性曲线可知，管子工作在恒流区，iD＝1mA，u0＝uDS＝VDD-iD

RD＝10V(3)uGS＝ui＝10V时，若工作在恒流区，iD＝2.2mA。因而u0＝15-2.2*5＝4V但是，uGS＝10V时的预夹断电压为uDS=uGS–UT=(10-4)V=6V可见，此时管子工作在可变电阻区从输出特性曲线可得uGS＝10V时d-s之间的等效电阻(D在可变电阻区，任选一点，如图)所以输出电压为[例1.4.3]晶体管场效应管结构NPN型、PNP型结型耗尽型N沟道P沟道绝缘栅增强型N沟道P沟道绝缘栅耗尽型N沟道P沟道C与E一般不可倒置使用D与S有的型号可倒置使用载流子多子扩散少子漂移多子运动输入量电流输入电压输入控制电流控制电流源CCCS(β)电压控制电流源VCCS(gm)1.4.4场效应管与晶体管的比较小结第1章一、两种半导体和两种载流子两种载流子的运动电子空穴两种半导体N型(多电子)P型(多空穴)二、二极管1.特性—单向导电正向电阻小(理想为0)，反向电阻大()。2.主要参数正向—最大平均电流IF反向—最大反向工作电压U(BR)(超过则击穿)反向饱和电流IR(IS)(受温度影响)ISiDO

uDU(BR)IFURM3.二极管的等效模型理想模型(大信号状态采用)uDiD正偏导通电压降为零相当于理想开关闭合反偏截止电流为零相当于理想开关断开恒压降模型UD(on)正偏电压UD(on)时导通等效为恒压源UD(on)否则截止，相当于二极管支路断开UD(on)=(0.60.8)V估算时取0.7V硅管：锗管：(0.10.3)V0.2V折线近似模型相当于有内阻的恒压源UD(on)三、两种半导体放大器件双极型半导体三极管(晶体三极管

BJT)单极型半导体三极管(场效应管

FET)两种载流子导电多数载流子导电晶体三极管1.形式与结构NPNPNP三区、三极、两结2.特点基极电流控制集电极电流并实现放大放大条件内因：发射区载流子浓度高、

基区薄、集电区面积大外因：发射结正偏、集电结反偏3.电流关系IE=IC+IBIC=

IB+ICEO

IE=(1+)

IB+ICEOIE=IC+IBIC=

IB

IE=(1+)

IB

4.特性iC

/mAuCE

/V100µA80µA60µA40µA20µAIB=0O369124321O0.40.8iB

/AuBE/V60402080死区电压(Uth)：0.5V(硅管)0.1V(锗管)工作电压(UBE(on))

：0.60.8V取0.7V

(硅管)0.20.3V取0.3V

(锗管)饱和区截止区iC

/mAuCE

/V100µA80µA60µA40µA20µAIB=0O369124321放大区饱和区截止区放大区特点：1)iB决定