硬件电路设计基础知识

可编辑版/硬件电子电路基础关于本课程第一章半导体器件§1-1半导体基础知识§1-2PN结§1-3二极管§1-4晶体三极管§1-5场效应管第二章基本放大电路2-1晶体三极管基本放大电路2-2反馈放大器的基本概念§3－1恒流源电路§3－2差动放大电路§3－3集成运算放大电路§3－4集成运放的应用§3－5

限幅器〔二极管接于运放输入电路中的限幅器§3－6

模拟乘法器第四章功率放大电路5－2LC正弦波振荡电路5－3LC振荡器的频率稳定度7－1概述

7－2调角信号分析

7－3调频及调相信号的产生

7－4频率解调的基本原理和方法第八章

反馈控制电路§8－1自动增益控制〔AGC§8－2自动频率控制〔AFC§1-1半导体基础知识§1-2PN结§1-3二极管§1-4晶体三极管§1-5场效应管§1-1半导体基础知识一、什么是半导体半导体就是导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。〔导电能力即电导率〔如：硅Si锗Ge等＋4价元素以及化合物二、半导体的导电特性本征半导体――纯净、晶体结构完整的半导体称为本征半导体。硅和锗的共价键结构。〔略1、半导体的导电率会在外界因素作用下发生变化掺杂──管子温度──热敏元件光照──光敏元件等2、

半导体中的两种载流子──自由电子和空穴自由电子──受束缚的电子〔－空穴

──电子跳走以后留下的坑〔＋三、杂质半导体──N型、P型〔前讲掺杂可以显著地改变半导体的导电特性,从而制造出杂质半导体。N型半导体〔自由电子多掺杂为＋5价元素。如：磷；砷P──＋5价使自由电子大大增加原理：Si──＋4价P与Si形成共价键后多余了一个电子。载流子组成：本征激发的空穴和自由电子──数量少。掺杂后由P提供的自由电子──数量多。空穴──少子自由电子──多子P型半导体

〔空穴多掺杂为＋3价元素。如：硼；铝使空穴大大增加原理：Si──＋4价B与Si形成共价键后多余了一个空穴。B──＋3价载流子组成：本征激发的空穴和自由电子──数量少。掺杂后由B提供的空穴──数量多。空穴──多子自由电子──少子结论：N型半导体中的多数载流子为自由电子；P型半导体中的多数载流子为空穴。§1-2PN结一、PN结的基本原理1、什么是PN结将一块P型半导体和一块N型半导体紧密第结合在一起时,交界面两侧的那部分区域。2、PN结的结构分界面上的情况：P区：空穴多N区：自由电子多扩散运动：多的往少的那去,并被复合掉。留下了正、负离子。〔正、负离子不能移动留下了一个正、负离子区──耗尽区。由正、负离子区形成了一个内建电场〔即势垒高度。方向：N-->P大小：与材料和温度有关。〔很小,约零点几伏漂移运动：由于内建电场的吸引,个别少数载流子受电场力的作用与多子运动方向相反作运动。结论：在没有外加电压的情况下,扩散电流和漂移电流的大小相等,方向相反。总电流为零。二、PN结的单向导电特性1、外加正向电压时：〔正偏结论：势垒高度PN结宽度〔耗尽区宽度扩散电流2、

外加反向电压时：〔反偏结论：势垒高度PN结宽度〔耗尽区宽度扩散电流〔趋近于0此时总电流＝反向饱和电流〔漂移电流：I5注：反向饱和电流I5只与温度有关,与外加电压无关。[PN结的反向击穿]：齐纳击穿：势垒区窄,较高的反向电压形成的内建电场将价电子拉出共价键,导致反向电流剧增。<4V雪崩击穿：势垒区宽,载流子穿过PN结时间长,速度高,将价电子从共价键中撞出来,撞出来的电子再去撞别的价电子,导致反向电流剧增。>7V当反向电压在4V和7V之间的时候,两种击穿均有。[PN结的电容效应]：势垒电容：外加电压变化引起势垒区宽窄的变化引起。它与平行板电热器在外加电压作用下,电容极板上积累电荷情况相似。对外等效为非线性微变电容。〔反偏减小,正偏增大扩散电容：当PN结外加正向电压时,由于扩散作用,从另一方向本方注入少子,少子注入后,将破坏半导体的电中性。为了维持电中性,将会有相同数量的异性载流子从外电路进入半导体,在半导体中形成空穴－电子对储存。外电压增量引起空穴－电子对存储就象电容充电一样。PN结等效为：两个扩散电容＋一个势垒电容。〔对外等效为三个容性电流相加。等效对外不对内反偏：扩散电流＝0,以势垒电容为主。正偏：扩散电流很大,以扩散电容为主。§1-3二极管一、构成与符号二、伏安特性曲线1.正向特性：正向电压较小时,正向电流几乎为0──死区。当正向电压超过某一门限电压时,二极管导通,电流随电压的增加成指数率的关系迅速增大。门限电压〔导通电压──UD2．反向特性：当外加电压小于反向击穿电压时,反向电流几乎不随电压变化。当外加电压大于反向击穿电压UB时,反向电流随电压急剧增大〔击穿。3．伏安特性解析式在理想条件下,PN结的伏安〔电流与结电压关系式：──呈指数关系式中：q──电子电荷量K──波尔兹曼常数T──绝对温度0K<-273C>令：〔室温下UT=26mV伏安关系式简化为：

当电压超过100mV时,公式可以简化为：

加正向电压时：加反向电压时：I=-IS4．二极管的等效电阻从二极管的伏安特性曲线上可以看出：二极管是非线性元件,等效电阻的大小与Q点有关。直流电阻〔静态电阻──交流电阻──例：用万用表测电阻和二极管换不同档测量电阻,结果一样吗？特殊二极管：稳压二极管；变容二极管；发光二极管；二极管应用：1．整流：略2．稳压：稳压管稳压电路。P22Fig1-3-163．限幅器：二极管限幅器。P24-26串联、并联、双向。

例：P521－2§1-4晶体三极管一、结构及符号b区极薄

C结面积>e结

e区搀杂浓度最大,b区搀杂浓度最低。

〔不能将两个二极管兑成一个三极管来用二、晶体管的四种工作状态状态发射结电压集电结电压放大正反截止反反饱和正正倒置反正三、放大状态下晶体管中的电流注：交流有效值──大写小写；交流值──小写小写；瞬时值──小写大写；静态值──大写大写；*注意：实际电流的流向是与电子流的方向相反的。用很少量的IB来控制IC。即三极管实际上是一个电流控制电流源-CCCS。三个电极电流满足：IE=IB+IC工作在放大状态下的NPN管一定为：IB、IC流入,IE流出。工作在放大区的条件：NPN──UC>UB>UE；

PNP──UC<UB<UE；发射结正偏,集电结反偏。例：集成电路中没有三极管,是用三极管的一个结来代替,用哪个结？e结。〔C结漏电流大四、晶体管工作的三种组态[共射]对电压、电流都有放大倍数。

[共基]无电流放大倍数,有电压放大倍数。<ICIE>[共集]无电压放大倍数,有电流放大倍数。<UBEV五、晶体三极管特性曲线共射组态放大电路的特性曲线：输入特性曲线<IB--UBE>UCEUBE为一个正偏的PN结,所以特性曲线和二极管的正向特性曲线相同。有：输出特性曲线<IC--UCE>IB因为三极管有三个电极,要想在二维坐标系上表示出三个变量之间的关系。特性曲线就得是一族。有：特点：截止区：iB=0；iC=0;UCE=UCC；放大区：iC受iB控制。各条曲线近似水平,iC和UCE的变化基本无关,呈近似恒流特性。饱和区：iC不受iB控制。UCE＝0.3V六、晶体三极管的主要参数

1.电流放大系数直流电流放大系数交流短路电流放大系数共基极接法电流放大系数；；

2.极限参数集电极最大允许电流ICOM：下降至正常值时候的0.707倍所对应的IC值。反向击穿电压BUCEO：当基极开路时集电极和发射极之间的反向击穿电压。集电极最大允许功耗PCM。

3.三极管的输入电阻共射电路的输入电阻：BE结电阻：共基极输入电阻：§1-5场效应管场效应管的特点：场效应管只靠多子来导电。它是单极型晶体管。它只依靠一种载流子导电。三极管是靠多子、少子一起来导电的,又叫双极型晶体管。它靠两种载流子导电。场效应管的导电途径：沟道──利用外加电场改变半导体体电阻来进行工作。〔电场效应来工作。输入阻抗十分高。场效应管分类：结型场效应管、绝缘栅型场效应管。一、结型场效应管

1．结构：N区为载流子的主要通道──N沟道。

2.符号：N沟道P沟道

3.工作原理：靠UDG和USG使两个PN结全部反偏,使耗尽层加宽。依靠反偏电压的强弱来控制耗尽层的宽窄,〔即改变半导体的体电阻达到控制电流的作用。VCCS并且应有UD>US,才能收集电子。漏极D和源极S,可以互换着使用。要求栅极G一定要反偏。工作在放大状态时要求有：

4.输入特性：栅极电流就是PN结的反向饱和电流。它几乎不随电压变化。

5.输出特性曲线：──以UGS为参变量,描述ID和UDS之间的关系。二、绝缘栅型场效应管1.结构：〔以N沟道为例2.符号：

增强型耗尽型N沟道

P沟道

场效应管特性比较P47Tab1-23.原理：增强型：原始没有导电沟道,靠外加电压后形成反型层导电沟道。要求必须给栅极G加正向偏压。有：UD>UG>US耗尽型：原来已经有导电沟道存在〔掺杂造成的,靠外加电压使沟道中的载流子耗尽。所加栅极电压可正、可负。正：同增强型；负：同结型；第二章基本放大电路2-1晶体三极管基本放大电路2-2反馈放大器的基本概念§3－1恒流源电路§3－2差动放大电路§3－3集成运算放大电路§3－4集成运放的应用§3－5

限幅器〔二极管接于运放输入电路中的限幅器§3－6

模拟乘法器§3－1恒流源电路用途：供给放大级作为偏流源或作为有源负载。在振荡器中作为充、放电电流源。一、镜像电流源电路1、电路介绍：T1管、T2管具有完全相同的参数,并且发射结电压相同。2、工作原理：IC2的稳定过程：3、输出电流的计算〔由于>>2,IB忽略不计〔称为镜像电流二、比例电流源1、电路介绍：2、工作原理：和镜像电流源相同。3、输出电流的计算§3－2差动放大电路一、零点漂移零点漂移：多级直流耦合放大器中输入端对地短路时,输出电压依然会出现缓慢变化的飘动电压。简称：零漂或温漂。为了克服零漂——采用差动放大器。二、基本差动放大器1、电路介绍：两个管子具有相同的参数,并且对称元件的数值相等。〔电路具有对称性,在集成电路中,由于两个管子靠得非常近,所以可以作得非常相近。有两个输入端和两个输出端,输入信号加这两个管子的基极,输出信号取自两个管子的集电极之间。2、静态工作状态分析：将交流信号短路掉。用"半电路法"进行简化：将RE分别画在电路两边,使分开后的电路还保持原电路的伏安关系。

3、动态特性分析：差模信号：大小相等,极性相反的一对信号。共模信号：大小相等,极性相同的一对信号。差动放大器只对差模信号有放大作用,对共模信号没有放大作用。三、双入双出差动放大电路电路完全对称,差模信号放大倍数：共模信号放大倍数：共模抑制比：四、共模信号和差模信号的分离差模信号：共模信号：五、具有镜像电流源偏置和负载的差动放大电路T3、T4：有源负载；T5、T6：有源偏置；T1、T2；差动放大器。利用镜像电流源作为有源负载,将双入双出变为双入单出,且增益和共模抑制比保持不变。§3－3集成运算放大电路一、集成运算放大器的特点〔集成电路的特点不适合制造大电容,所以采用直接耦合电路；管子、电阻等元件在同一条件下制造,所以器件参数的对称性好；二极管全部用三极管的发射结来代替；不容易制作较大电阻,常用恒流源来代替,或外接电阻。二、集成运放的组成

1、框图：

2、符号：习惯画法国标画法－：反相输入端,表示输入信号与输出信号反相；＋：同相输入端,表示输入信号与输出信号同相。三、运放的简化分析方法1、运放的理想化条件〔参数开环电压增益开环输入电阻开环输出电阻开环带宽共模抑制比失调、漂移、内部噪声＝02、运放输入端的两个重要概念运放工作在深度负反馈条件下,且工作在线性区时,有：虚短路：虚开路：§3－4集成运放的应用运放在应用时,在对内阻没有特殊要求时,为了方便负载和信号源有公共的接地端,一般总是采用电压负反馈。一、基本放大电路

1、反相输入式放大电路电路接有电压并联负反馈。为了克服温漂,在两个输入端偏流电阻上产生的压降相等,有：工作原理：＝0

2、同相输入式放大电路电路接有电压串联负反馈。为了克服温漂,在两个输入端偏流电阻上产生的压降相等,有：工作原理：

3、压跟随器二、线性运算电路

1、反相输入式加法电路：电路为并联电压负反馈＝0

2、同相输入式加法电路：电路为串联电压负反馈

3、减法运算电路：

4、积分运算电路：＝05、微分运算电路：＝0三、非线性运算电路

1、对数运算电路：＝02、指数运算电路：＝0§3－5限幅器〔二极管接于运放输入电路中的限幅器一、串联限幅器1、限限幅器＝0工作原理：当Ui很小时,二极管截止；当Ui增大时,二极管临界导通；当Ui继续增大时,二极管导通；输出信号随输入信号进行变化。结论：当时,二极管截止,限幅区。当时,二极管导通,传输区。传输特性曲线：输入输出波形：

2、上限限幅器＝0工作原理：当Ui很大时,二极管截止；当Ui减小时,二极管临界导通；当Ui继续减小时,二极管导通；输出信号随输入信号进行变化。结论：当时,二极管截止,限幅区。当时,二极管导通,传输区。传输特性曲线：输入输出波形：§3－6模拟乘法器模拟乘法器的基本工作原理模拟乘法器：能够实现两个互不相关的连续性信号〔电压或电流相乘作用的电路。变跨导式乘法器构成原理：电路元件工作于线性区,但因为跨导为非线性,所以电路对外表现出非线性特性。电路利用了指数函数和双曲正切函数的关系,利用恒流源差动放大电路实现相乘。符号：习惯画法国标画法1、相乘运算：2、乘方运算：3、除法运算：＝04、开方运算：＝0第四章功率放大电路4－1功率放大电路的主要特点4－3丙类功率放大电路5－1反馈型正弦波振荡器的工作原理

5－2LC正弦波振荡电路

5－3LC振荡器的频率稳定度

5－4石英晶体振荡器

5－5RC正弦波振荡器§5－1反馈型正弦波振荡器的工作原理分类：反馈型；负阻型。〔不讲一、电路的组成及自激条件"自激振荡"是指在没有外加信号的作用下,电路能自动产生交变信号的一种现象。产生自激振荡的电路称为"自激振荡器"。反馈型正弦波振荡器结构框图：A为放大器的开环增益；

B为反馈网络的反馈系数；[四个组成部分]：1、放大器：因为振荡器不仅要对外输出功率,而且还要通过反馈网络提供自身的输入信号功率。所以它必须要有功率增益。其能量的来源仍然与放大器一样来源于直流电源。2、反馈网络：使其构成正反馈环路。3、选频网络：正弦波振荡器必须工作在某一特定的频率上。选频网络应保证只有在这一特定的频率时,通过输出网络和反馈网络才有闭环2π相移的正反馈,其他频率不满足正反馈的条件。并且利用选频网络中的储能元件作为振荡回路。4、稳幅机构：自激振荡器由自行起振的暂态过渡到最后的稳态,并保持一定的输出幅度和波形,这个过程要求有一个自稳幅的机构。这个机构既可以单独存在,又可以加在前三个部分中的任意一个里面。按照选频网络的构成的不同又可以分为：LC正弦波自激振荡器；RC振荡器和石英晶体振荡器；其中LC正弦波自激振荡器又可以更加细致地分为：互感耦合式振荡器；LC三点式振荡器；自激条件：A为放大器的开环增益：B为反馈网络的反馈系数：振幅条件：相位条件：〔n=0,1,2,3二、振荡的建立和稳定过程振荡的建立：假设电路处于静止状态,当外界出现了一个非常小的扰动时,这种扰动往往含有很宽的频谱,经过LC选频网络选出使得电路满足正反馈相位条件的频率分量。在电路的输出端将会得到由选频网络选出的某一频率的微小振荡,它立刻通过反馈网络回送到了放大器的输入端进行放大,在正反馈地情况下,电路的输出端会得到比原来大一些的振荡,这个信号又通过正反馈网络送到放大器的输入端,经过这样反复多次放大,选频,反馈……电路中就产生了增幅电振荡。振荡的稳幅：当振幅增长到一定程度以后,由于电路中的电容CE储存能量会引起非线性导电的现象〔即,由于电容的储能使得三极管发射极电位提高,造成管子进入截止区。该电路在RE、、RB1、RB2产生了自生反偏压。管子进入非线性区。幅度不会继续增长,这样管子的导通角将会减小,从而导致增益减小,直至达到平衡,于是振幅便稳定于某一个恒定的值了。三、稳定条件

1、振幅稳定条件：如果干扰和噪声使反馈电压增大时,放大器的增益自动下降,使AB下降,振幅保持稳定。反之,若反馈电压下降,A增大,同样会使振幅稳定。绝对值越大,振幅的稳定性就越好。上式还可以展开为下面所示的形式：这就要求：2、频率稳定正弦波频率发生变化,相位肯定也发生变化。当频率提高,相位会超前。负值表明：频率提高,相位滞后,维持频率稳定。反之,频率降低,相位超前,维持频率稳定。上述偏导数的绝对值越大越好,表明只要频率产生微小的变化就可以获得足够大的反向的相位变化,从而在电路中恢复相位平衡。起振条件和平衡条件：振幅起振条件：相位起振条件：〔n=0,1,2,3>振幅平衡条件：相位平衡条件：〔n=0,1,2,3§5－2LC正弦波振荡电路分类：互感耦合式；三点式；一、互感耦合式自激振荡器以集电极耦合式的振荡器为例：根据瞬时极性法来判断：此电路为正反馈,可以振荡。二、LC三点式振荡电路互感