数字射频收发模块原理与设计-有源电子元器件

数字射频收发通信模块原理与设计

----有源电子元器件2有源电子元器件的名称、分类、形状、用途一、有源（active）电子元器件的定义如果电子元器件工作时，其内部有电源存在，则这种器件叫做有源器件。从电路性质上看，有源器件有两个基本特点： （1）

自身消耗电能。 （2）

除了输入信号外，还必须要有外加电源才可以正常工作。3有源电子元器件的名称、分类、形状、用途二、有源（active）电子元器件的分类有源器件是电子电路的主要器件，从物理结构、电路功能和工程参数上，有源器件可以分为分立器件和集成电路两大类。分立器件：电子管、晶体管集成电路：模拟集成电路、数字集成电路4分立器件：电子管：电子管又名真空管，所以又称为电真空器件。晶体管：属于半导体器件，导电能力介于导体与绝缘体之间。可分为二极管、三极管和场效应管等等。5晶体二极管一、半导体的导电特性1.概念⑴半导体导电能力介乎于导体和绝缘体之间。如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。⑵影响半导体导电能力的因素光照↑→导电能力↑如：光敏元件温度↑→导电能力↑如：热敏元件掺杂——纯净的半导体中掺入微量的某些杂质，会使半导体的导电能力明显改变。掺杂↑→导电能力如：P型、N型半导体。6⑶常用的半导体材料锗

Ge硅

Si硅和锗为四价元素，最外层有四个价电子32142-8-18-42-8-42.本征半导体纯净的、具有晶体结构的半导体sisisisi最外层八个电子的稳定结构共价键内的价电子对⑴共价键共价键结构稳定导电能力很弱SiGe价电子7⑵本征激发（热激发）sisisisi空穴自由电子自由电子本征激发成对产生空穴⑶两种载流子半导体中有自由电子和空穴两种载流子本征半导体两端外加电压时，将出现两部分电流，电子流和空穴流。⑷复合复合使自由电子和空穴成对减少

在一定温度下，热激发和复合处于动平衡状态。半导体中的载流子数目一定。温度升高、光照增强使价电子摆脱原子核的束缚自由电子与空穴相遇8多余电子3.杂质半导体⑴N型半导体（电子半导体）本征半导体中掺入微量的五价元素磷特点：多数载流子——自由电子少数载流子——空穴N型半导体++++++++示意图P+sisisi硅晶体中掺磷出现自由电子磷

P152-8-5p9P型半导体－－－－－－－－示意图空穴⑵P型半导体（空穴半导体）特点：多数载流子——空穴少数载流子——自由电子本征半导体中掺入微量的三价元素硼B-sisisi硅晶体中掺硼出现空穴多数载流子数目由掺杂浓度确定少数载流子数目与温度有关.温度↑→少子↑结论：52-3硼

BB10二、PN结

同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，在它们的交界面处形成的特殊区域。1.PN结2.PN结的形成PNPN结P区和N区的载流子浓度不同由载流子的浓度差→多子扩散－－－－－－－－P++++++++NN区P区P区N区电子空穴正负离子显电性→建立空间电荷区→形成内电场－－－－－－－－P++++++++N+-自建电场11内电场反对多子扩散有利少子漂移扩散=漂移动平衡→空间电荷区宽度确定→PN结形成PN结——空间电荷区PN结也称为高阻区、耗尽层－－P++NPN结+-自建电场123.PN结的单向导电性⑴PN结正向导通现象：灯亮、电流大（mA级）原因：，使PN结变窄，由多数载流子形成较大的正向电流。结论：PN结正向导通，正向电流大、正向电阻小。PN结变窄-PNEmA+-+-+I13⑵PN结反向截止现象：灯不亮、

电流很小（μA级）原因：、方向一致，使PN结变宽，由少数载流子形成很小的反向电流。结论：PN结反向截止，反向电流小、反向电阻大。PN结变宽-+PNEμ-++-A14三、半导体二极管1.基本结构及符号点接触型：结面小、结电容小，适用高频小电流场合。如：检波电路、数字开关电路面接触型：结面大、结电容大，用在低频电路如：整流电路D阴极阴极阴极阴极阳极阳极阳极阳极点接触型面接触型外形符号15半导体二极管图片16半导体二极管图片172.伏安特性UBR——

反向击穿电压⑴正向特性死区电压=0.1V（锗管）0.5V（硅管）UD=0.2~0.3V

（锗管）0.6~0.7V

（硅管）导通后管压降：⑵反向特性UIo死区+--+UBRUD18UIoUBRUDID⑶温度对二极管的影响①温度升高二极管正向压降减小温度↑→载流子↑→→导电能力↑→等效电阻↓→→正向压降UD↓②温度升高二极管反向电流增大温度↑→少数载流子↑→反向电流↑温度每升高10°C。反向电流增大一倍。193.主要参数（1）最大整流电流IDM二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。（点接触型<几十mA，面接触型较大）（2）反向工作峰值电压URM二极管不被反向击穿时允许承受的最大反向电压。一般URM是UBR的一半（或三分之二）。（3）反向峰值电流IRM在URM下对应的反向电流。IRM愈小愈好。20四、二极管的应用理想二极管的开关特性正向导通反向截止+-开关闭合+-开关断开21四、二极管的应用1.限幅电路

限幅器的功能就是限制输出电压的幅度

例电路如图。已知ui

=10sinωt（V），且E=5V，试分析工作原理，并作出输出电压uo的波形。5V10Voωtui（b）o5Vωtuo解：图(a)⑴ui

＜E，D

截止，uR=0，∴输出uo~

ui

Eui

RD（a）uo电路为正限幅电路⑵ui

＞E，D

导通，uD=0，∴输出uo=E22例2.二极管整流作用ui

RD（a）uoui

RD（b）uo图示两个电路。已知ui

=10sinωt（V），试画出输出电压uo的波形。解：⑴图(a)ui

＞0，D

导通，uo=0，

ui

＜0，D

截止，uo

~ui

⑵图(b)ui

＞0，D导通，uo

=ui

，

ui

＜0，D截止，uo=010Voωtui-10Voωtui10Voωtui23UA>UB，DA先导通，

DA起钳位作用，使UF=3V。FAB-12V0V+3VDARDBUB＜UF

，DB截止，

将UB与UF隔离DA、DB，为理想二极管

3.二极管的钳位和隔离应用例电路中，输入端UA=+3V，UB=0V，试求输出端F的电位UF。解：244.二极管门电路F=A•B

⑴二极管与门①分析规定高电平3V→逻辑“1”低电平0V→逻辑“0”②真值表③逻辑表达式④逻辑符号FAB＆FD1D2AB+12VR25FD1D2AB-12VRF=A+B

⑵二极管或门①分析规定高电平3V→逻辑“1”低电平0V→逻辑“0”②真值表③逻辑表达式④逻辑符号FAB≥1

26五、特殊二极管（1）结构和符号1、稳压二极管UIUZminIZminIZmaxUZIZoaUZmaxb-+DZ符号面接触型硅二极管（2）伏安特性正向特性与普通硅二极管相同①未击穿区（oa段）I≈0，反向截止②击穿区（稳压区

ab段）特性陡直，电压基本不变，具有稳定电压作用动态电阻：动态电阻愈小稳压效果愈好③热击穿区（b点以下线段）过热烧坏PN结27③电压温度系数U①稳定电压UZ稳压管的稳压值②动态电阻

越小，稳压越好温度变化1°C，稳压值变化的百分数。④稳定电流IZ、最大稳定电流Izmax使用时稳压管的电流要大于IZ，小于最大稳定电流Izmax⑤最大允许功耗PZM稳压管不发生热击穿的最大功率损耗（3）稳压二极管的参数硅稳压管：28（1）符号和特性符号特性uiO暗电流E=200lxE=400lx工作条件：

反向偏置（2）主要参数电学参数：暗电流，光电流，最高反向工作电压光学参数：光谱范围，灵敏度，峰值波长实物照片2、光电二极管293、发光二极管

当管子接正向电压,有电流通过时,会发出光线。不同半导体材料的二极管发出的光线的颜色不同。发光二极管用于信号指示、数码管显示器。

发光二极管是一种将电能转换成光能的显示器件。发光二极管的伏安特性和普通二极管相似，死区电压为0.9~1.1V，其正向工作电压为1.5~2.5V,工作电流为5~15mA。反向击穿电压较低，一般小于10V。符号+-磷砷化镓（GaAsP）材料发红光或黄光，磷化镓（GaP）材料发红光或绿光，氮化镓（GaN）材料发蓝光，碳化硅（SiC）材料发黄光，砷化镓（GaAs）材料发不可见的红外线。3031半导体（晶体）三极管（双极型晶体管）一、

三极管结构及其放大作用B基极E发射极C集电极NPN型PNP型1.结构及类型NNP发射结集电结BECIBIEICTBECIBIEICTB基极E发射极C集电极PPN32半导体三极管图片33BECNNP基极发射极集电极基区：掺杂浓度最低并且很薄集电区：掺杂浓度较低发射区：掺杂浓度最高2.晶体管的放大原理（1）晶体管的电流放大条件

①内部条件

三个区掺杂浓度不同，厚薄不同。34②外部条件发射结加上正向电压，集电结加上反向电压NNPBEC++－－BECT++－－UBE

UBC即：NPN型或PPNBEC－－++BECT－－++UBE

UBC

PNP型为：或35（2）放大原理（NPN型）

扩散运动形成发射极电流IE，复合运动（主要部分）形成基极电流IB，漂移运动形成集电极电流IC。少数载流子的运动因发射区多子浓度高使大量电子从发射区扩散到基区因基区薄且多子浓度低，使极少数扩散到基区的电子与空穴复合因集电区面积大，在外电场作用下大部分扩散到基区的电子漂移到集电区基区空穴的扩散36mAAmAIETRBIBECEBICRC+－－+共发射极放大实验电路IB(mA)

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1IC(mA)0.005

0.99

2.08

3.17

4.26

5.40IE(mA)0.005

1.01

2.12

3.23

4.34

5.50晶体管电流测试数据

3.晶体管的电流分配关系37②IC、IE>>IB

，IC与IB之比称为直流(静态)电流放大系数①IE=IC+IB（KCL定律）结论：③ΔIC、ΔIE>>ΔIB

，ΔIC与ΔIB之比称为

交流(动态)电流放大倍数38二

、

晶体三极管特性曲线及主要参数ICmAAV1V2UCEUBERBIBECEB

实验线路输入回路→输入特性IB=f（UBE）|UCE输出回路→输出特性IC=f（UCE）|IB39死区电压，硅管0.5V，锗管0.2V。令UCE=常数IB=f（UBE）1.输入特性工作压降：UBE0.6~0.7V,硅管UBE0.2~0.3V锗管IB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE1V0402.输出特性1234IC(mA)UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A0⑴放大区当UCE大于一定的数值时，IC只与IB有关，IC=IB。此区域满足IC=IB称为线性区（放大区）。41此区域中:IB=0,IC=ICEO,UBE<死区电压，称为截止区。IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A0⑵截止区ICEO42IC(mA)1234UCE(V)

36

9

12IB=020A40A60A80A100A此区域中UCE＜UBE,集电结正偏，IC不受IB影响，UCE0,称为饱和区。0⑶饱和区UCES433.主要参数前述电路中，三极管的发射极是输入输出的公共点，称为共射接法，相应地还有共基、共集接法。共射直流电流放大系数：⑴电流放大系数共射交流电流放大系数：常用的小功率晶体管，β值一般为20～200。44①集-基极反向电流ICBO（发射极开路）ICBO是集电结反偏由少子的漂移形成的反向电流，受温度的变化影响。⑵两个极间反向电流AICBO温度↑→少子↑→ICBO↑ICBO越小越好45②集-射极穿透电流ICEO（基极开路）AICEOICEO=(1+)ICBO，温度↑→ICBO↑

→ICEO↑↑→IC↑ICEO不受IB控制,IB=0时,IC=ICEO;IB≠0时,IC=IB+ICEO,电流ICEO，受温度变化的影响较大。所以集电极电流应为：IC=

IB+ICEO当温度上升时，ICEO增加，IC也相应增加。所以三极管的温度特性较差。ICEO越小越好，不宜超过10046①集电极最大允许耗散功率PCM⑶极限参数③集-射极反向击穿电压U(BR)CEO基极开路时集---射极之间的击穿电压U(BR)CEO晶体管允许结温下的最大热损耗使用晶体管时：IC≤ICM、UCE≤

U(BR)CEO、UCEIC≤

PCM②集电极最大允许电流ICMIC↑

→↓→当值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM。47ICUCEPCM=

UCEICICMU(BR)CEO安全工作区o48⑷频率参数①共射截止频率f

晶体管的值随频率而发生变化。频率较低时，值基本不变，频率较高时，开始下降，降到0.707倍时的频率,称为截止频率f

。01100100.707β0fTβ0104105fB106107108

f(Hz)β②特征频率fT值降到1时所对应的频率。49图示电路中，晶体管均为硅管,β=30，试分析各晶体管的工作状态。例+10V1kΩIC+6V5kΩIB(a)解：（1）因为基极偏置电源+6V大于管子的导通电压，故管子的发射结正偏，管子导通，电流：因为IC>ICS，所以管子工作在饱和区。50+10V1kΩIC-2V5kΩIB+10V1kΩIC+2V5kΩIB(c)

(b)作业51场效晶体管(FET)（单极型晶体管）场效晶体管与双极型晶体管不同，它是利用电场效应来控制电流的一种半导体器件，输出电流取决于输入电压，不需要信号源提供电流；输入电阻高（可达109Ω—1015Ω

），温度稳定性好。耗尽型增强型（PMOS管）（NMOS管）P沟道N沟道绝缘栅型MOS管结型JFET管P沟道N沟道（PMOS管）（NMOS管）分类:（六种类型）P沟道N沟道52场效应管有三个极：源极（s）、栅极（g）、漏极（d），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。一、

结型场效应管场效晶体管(FET)（单极型晶体管）导电沟道源极栅极漏极符号结构示意图通过Ugs控制导电沟道的宽度53二、

绝缘栅场效应管⑴结构和符号P型衬底绝缘栅场效应管是一种金属(M)-氧化物(O)-半导体(S)结构的场效应管，简称为MOS（MetalOxideSemiconductor）管金属铝电极两个N+区PN+

N+G(栅极)S(源极)D(漏极)1.Ｎ沟道增强型MOS管SiO2绝缘层Ｎ沟道GSD增强型NMOS管栅极漏极源极

b衬底

栅极和其它电极及硅片之间是绝缘的，称绝缘栅型场效应管。54P沟道增强型MOS管结构图GSD增强型PMOS管栅极漏极源极

b衬底NP+

P+GSD55⑵工作原理

uGS增大，反型层（导电沟道）将变厚变长。当反型层将两个N区相接时，形成导电沟道。增强型管SiO2绝缘层衬底耗尽层空穴高掺杂反型层大到一定值才开启56增强型MOS管uDS对iD的影响

iD随uDS的增大而增大，可变电阻区

uGD＝UT,预夹断

iD几乎仅仅受控于uGS，恒流区刚出现夹断uDS的增大几乎全部用来克服夹断区的电阻57⑶输出特性I

D(mA)Ⅰ区Ⅱ区Ⅲ区UGS=5V4.5V4V3.5V3V2.5V(UT)02468UDS(V)25413②恒流区（Ⅱ区）：UGS＞UT，UDS较大时，UGS一定，则ID不变（恒流）。用跨导gm来表示UGS对ID的控制作用。①可变电阻区（Ⅰ区）：UGS＞UT，UDS很小场效应管相当于一个压控电阻

UGD=UGS－VDS＞UT时③截止区：UGS≤UT电流ID=0管子处于截止状态。④击穿区（Ⅲ区）:当UDS太大时，PN结反向击穿，使ID急剧增加，会造成管子损坏。5812ID(mA)

4UT02468UGS(V)826UDS=常数⑷转移特性其中IDO是UGS=2UT时的ID值2.Ｎ沟道耗尽型MOS管GSD耗尽型NMOS管栅极

漏极

源极

b衬底GSPN+

N+D预埋了导电沟道

59I

D(mA)3V2V1VUGS=0V-1V-2V0481214UDS(V)410826Ⅰ区Ⅲ区Ⅱ区-4-2024UGS(V)ID(mA)

4UP826UDS=常数耗尽型NMOS管输出特性耗尽型NMOS管转移特性UP(UGS(off))——夹断电压

UGS=UP(UGS(off))时，导电沟道消失，ID≈0

UGS↑→沟道加宽→ID↑，UGS↓→沟道变窄→ID↓601.场效应管的特点（1）在场效应管中，沟道是唯一的导电通道，导电过程只有一种极性的多数载流子，为单极型管；（2）场效应管是通过栅源UGS电压来控制电流ID，为压控元件；（3）场效应管输入电阻大；（4）漏源极可互换使用；（5）利用多数载流子导电，因此它的温度稳定性较好。二、

场效应管的特点和主要参数612.场效应管的主要参数⑴直流参数①输入电阻RGS②耗尽型MOS管的夹断电压UP(UGS(off))，③增强型MOS管的开启电压UT(UGS(th))，

④漏极饱和电流IDSS。62⑶极限参数

最大漏极电流IDM、最大耗散功率PDM、漏源击穿电压U（BR）DS。栅、源击穿电压U（BR）GS。②极间电容：Cgs和Cgd为1~3pF，Cds约为0.1~1pF。极间电容的存在决定了管子的最高工作频率和工作速度单位：S，或mS⑵交流参数①低频跨导gm：当UDS=常数，63

场效应管与晶体管的比较电流控制电压控制控制方式电子和空穴两种载流子同时参与导电载流子电子或空穴中一种载流子参与导电类型

NPN和PNPN沟道和P沟道放大参数

rce很高

rds很高

输出电阻输入电阻较低较高

双极型三极管

单极型场效应管热稳定性差好制造工艺较复杂简单，成本低对应电极

B—E—C

G—S—D64三、

场效应管的应用（开关作用）+EDUIRDTUOUI+EDRDTUO输入UI=0

时：+EDRDTUOUGS≤UT，处于截止状态。输出UO=EDUO+EDRDRON输入UI=ED

时：UGS≥UT，处于导通状态。导通电阻为RON，且RD＞＞RON65总结分立元件：二极管三极管场效应管66模拟集成电路分类：运算放大器模拟乘法器锁相环电源管理芯片主要构成电路：放大器、滤波器、反馈电路、基准源电路、开关电容电路等。67一、

集成运算放大电路（1）直接耦合方式，充分利用管子性能良好的一致性采用差分放大电路和电流源电路。（2）用复杂电路实现高性能的放大电路，因为电路复杂并不增加制作工序。（3）用有源元件替代无源元件，如用晶体管取代难于制作的大电阻。（4）采用复合管。

1.

集成运放的特点集成运算放大电路，简称集成运放，是一个高性能的直接耦合多级放大电路。因首先用于信号的运算，故而得名。682.集成运放电路的组成两个输入端一个输出端

若将集成运放看成为一个“黑盒子”，则可等效为一个双端输入、单端输出的差分放大电路。69集成运放电路四个组成部分的作用输入级：前置级，多采用差分放大电路。要求Ri大，输入端耐压高。中间级：主放大级，多采用共射放大电路。要求有足够的放大能力。输出级：功率级，多采用准互补输出级。要求Ro小，最大不失真输出电压尽可能大。偏置电路：为各级放大电路设置合适的静态工作点。采用电流源电路。703.集成运放的符号和电压传输特性

uO=f(uP-uN)

由于Aod高达几十万倍，所以集成运放工作在线性区时的最大输入电压(uP－uN)的数值仅为几十～一百多微伏。在线性区：uO＝Aod(uP－uN)

Aod是开环差模放大倍数。非线性区

(uP－uN)的数值大于一定值时，集成运放的输出不是＋UOM

,

就是－UOM，即集成运放工作在非线性区。714.负反馈电路基本放大电路的放大倍数反馈系数反馈放大电路的放大倍数72净输入量可忽略不计5.深度负反馈的实质73

电压串联负反馈电路6.深度负反馈条件下电压放大倍数的估算74因为uO为有限值，Aod＝∞，所以uN－uP＝0，即因为rid＝∞，所以

理想运放参数特点：Aod＝∞，rid＝∞，ro＝0。电路特征：反馈网络为无源网络，如图。uN＝uP－－虚短路iN＝iP＝0－－虚断路求解放大倍数的基本出发点7.理想运放情况下负反馈放大电路的估算75二、

集成运放电路分析1.读图方法已知电路图，分析其原理和功能、性能。（1）了解用途：了解要分析的电路的应用场合、用途和技术指标。（2）化整为零：将整个电路图分为各自具有一定功能的基本电路。（3）分析功能：定性分析每一部分电路的基本功能和性能。（4）统观整体：电路相互连接关系以及连接后电路实现的功能和性能。（5）定量计算：必要时可估算或利用计算机计算电路的主要参数。762.举例：型号为F007的通用型集成运放对于集成运放电路，应首先找出偏置电路，然后根据信号流通顺序，将其分为输入级、中间级和输出级电路。77

若在集成运放电路中能够估算出某一支路的电流，则这个电流往往是偏置电路中的基准电流。找出偏置电路78双端输入、单端输出差分放大电路以复合管为放大管、恒流源作负载的共射放大电路用UBE倍增电路消除交越失真的准互补输出级三级放大电路简化电路

分解电路79输入级的分析

T3、T4为横向PNP型管，输入端耐压高。共集形式，输入电阻大，允许的共模输入电压幅值大。共基形式频带宽。共集-共基形式Q点的稳定：T（℃）↑→IC1↑IC2↑→IC8↑IC9与IC8为镜像关系→IC9↑因为IC10不变→IB3↓IB4↓→IC3↓IC4↓→IC1↓IC2↓T1和T2从基极输入、射极输出T3和T4从射极输入、集电极输出80输入级的分析T7的作用：抑制共模信号

T5、T6分别是T3、T4的有源负载，而T4又是T6的有源负载。作用？+++++++_放大差模信号+___特点：输入电阻大、差模放大倍数大、共模放大倍数小、输入端耐压高，并完成电平转换（即对“地”输出）。81中间级的分析中间级是主放大器，它所采取的一切措施都是为了增大放大倍数。

F007的中间级是以复合管为放大管、采用有源负载的共射放大电路。由于等效的集电极电阻趋于无穷大，故动态电流几乎全部流入输出级。中间级输出级82输出级的分析D1和D2起过流保护作用，未过流时，两只二极管均截止。

iO增大到一定程度，D1导通，为T14基极分流，从而保护了T14。准互补输出级，UBE倍增电路消除交越失真。中间级输出级电流采样电阻特点：输出电阻小最大不失真输出电压高83判断同相输入端和反相输入端84F007所具有的高性能Ad较大：放大差模信号的能力较强Ac较小：抑制共模信号的