模拟电子技术(清华大学)课件.ppt

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电子技术,前进,（点击进入有关部分）,电子技术,绪论,返回,前进,I.电子技术发展史,电子技术的出现和应用，使人类进入了高新技术时代。

电子技术诞生的历史虽短，但深入的领域却是最深最广，它不仅是现代化社会的重要标志，而且成为人类探索宇宙宏观世界和微观世界的物质技术基础。

电子技术是在通信技术发展的基础上诞生的。

随着新型电子材料的发现，电子器件发生了深刻变革。

自1906年第一支电子器件发明以来，世界电子技术经历了电子管、晶体管和集成电路等重要发展阶段。

返回,前进,I.电子技术发展史,电子技术的出现和应用，使人类进入了高新技术时代。

电子技术诞生的历史虽短，但深入的领域却是最深最广，它不仅是现代化社会的重要标志，而且成为人类探索宇宙宏观世界和微观世界的物质技术基础。

电子技术是在通信技术发展的基础上诞生的。

随着新型电子材料的发现，电子器件发生了深刻变革。

1906年第一支电子器件发明以来，世界电子技术经历了电子管、晶体管和集成电路等重要发展阶段。

1.原始通信方式人力、烽火台等,2.横木通信机1791年（法）C.Chappe,3.有线电报1837年（美）S.B.Morse,4.有线电话1875年（苏）A.G.Bell,5.无线电收发报机1895年（意）G.Marconi,通信业务蓬勃发展电子器件产生之后。

一.通信技术的发展,电子器件是按照“电子管晶体管集成电路”的顺序，逐步发展起来的。

二.电子器件的产生,1.真空电子管的发明：

真空二极管1904年（美）Fleming,真空三极管1906年（美）LeedeForest,2.晶体管的产生,晶体管Transistor1947（美）Shockley、Bardeen、Brattain,集成电路IC（integratecircuit）1959（美）Kilby、Noyis,二.电子器件的产生,3.集成电路的出现,集成电路的出现，标志着人类进入了微电子时代。

自电子器件出现至今，电子技术已经应用到了社会的各个领域。

II.电子技术的应用,返回,前进,II.电子技术的应用,1875年（苏）,1906年（美）,1925年（美、英）,1946年（美）,1923年（瑞）,1902年（美）,1901年（美）,1934年（俄）,1983年（美）,1961年（美）,III.课程安排,一.内容划分,返回,前进,二.时间安排,学习时间1学年,上半年：

模拟部分,下半年：

数字部分,三.学习注意事项,课程特点,电路图多、内容分散、误差较大,计算简单、实用性强,学习方法,掌握电路的构成原则、记住几个典型电路,及时总结及练习、掌握近似原则、与实验有机结合,第一编模拟部分,返回,前进,第一章半导体器件,半导体材料、由半导体构成的PN结、二极管结构特性、三极管结构特性及场效应管结构特性。

本章主要内容：

返回,前进,1.1半导体（Semiconductor）导电特性,根据导电性质把物质分为导体、绝缘体、半导体三大类。

而半导体又分为本征半导体、杂质（掺杂）半导体两种。

1.1.1本征半导体,纯净的、不含杂质的半导体。

常用的半导体材料有两种：

硅（Si）、锗（Ge）。

硅Si（锗Ge）的原子结构如下：

这种结构的原子利用共价键构成了本征半导体结构。

但在外界激励下，产生电子空穴对（本征激发），呈现导体的性质。

这种稳定的结构使得本征半导体常温下不能导电，呈现绝缘体性质。

但在外界激励下，产生电子空穴对（本征激发），呈现导体的性质。

这种稳定的结构使得本征半导体常温下不能导电，呈现绝缘体性质。

在外界激励下，产生电子空穴对（本征激发）。

空穴也可移动（邻近电子的依次填充）。

在外界激励下，产生电子空穴对（本征激发）。

空穴也可移动（邻近电子的依次填充）。

在外界激励下，产生电子空穴对（本征激发）。

空穴也可移动（邻近电子的依次填充）。

半导体内部存在两种载流子（可导电的自由电荷）：

电子（负电荷）、空穴（正电荷）。

在本征半导体中，本征激发产生了电子空穴对，同时存在电子空穴对的复合。

电子浓度=空穴浓度ni=pi,1.1.2杂质半导体,在本征半导体中掺入少量的其他特定元素（称为杂质）而形成的半导体。

根据掺入杂质的不同，杂质半导体又分为N型半导体和P型半导体。

常用的杂质材料有5价元素磷P和3价元素硼B。

N型半导体内部存在大量的电子和少量的空穴，电子属于多数载流子（简称多子），空穴属于少数载流子（简称少子）。

npN型半导体主要靠电子导电。

一.N型半导体（电子型半导体）,掺如非金属杂质磷P的半导体。

每掺入一个磷原子就相当于向半导体内部注入一个自由电子。

P型半导体内部存在大量的空穴和少量的电子，空穴属于多数载流子（简称多子），电子属于少数载流子（简称少子）。

pnP型半导体主要靠空穴导电。

二.P型半导体（空穴型半导体）,掺如非金属杂质硼B的半导体。

每掺入一个硼原子就相当于向半导体内部注入一个空穴。

杂质半导体导电性能主要由多数载流子决定，总体是电中性的，通常只画出其中的杂质离子和等量的多数载流子。

杂质半导体的简化表示法,1.2半导体二极管（Diode）,二极管的主要结构是PN结。

1.2.1PN结（PNJunction）,将一块P型半导体和一块N型半导体有机结合在一起，其结合部就叫PN结（该区域具有特殊性质）。

一.PN结的形成,多子扩散（在PN结合部形成内电场EI）。

内电场阻碍多子扩散、利于少子漂移。

当扩散与漂移相对平衡，形成PN结。

PN结别名：

耗尽层、势垒区、电位壁垒、阻挡层、内电场、空间电荷区等。

二.PN结性质单向导电性,1.正向导通PN结外加正向电压（正向偏置）P接+、N接-，形成较大正向电流（正向电阻较小）。

如3mA。

2.反向截止PN结外加反向电压（反向偏置）P接-、N接+，形成较小反向电流（反向电阻较大）。

如10A。

二.PN结性质单向导电性,当电压超过某个值（约零点几伏），全部少子参与导电，形成“反向饱和电流IS”。

反偏电压最高可达几千伏。

1.2.2二极管,用外壳将PN结封闭，引出2根极线，就构成了二极管。

一二极管伏安特性,正向电流较大（正向电阻较小），反向电流较小（反向电阻较大）。

门限电压（死区电压）V（Si管约为0.5V、Ge管约为0.1V），反向击穿电压VBR（可高达几千伏）,二极管电压电流方程：

二二极管主要参数,1.最大整流电流IF,2.最高反向工作电压UR,3.反向电流IR,4.最高工作频率fM,由三块半导体构成，分为NPN型和PNP型两种。

三极管含有3极、2结、3区。

其中发射区高掺杂，基区较薄且低掺杂，集电区一般掺杂。

1.3三极管（Transistor）,1.3.1三极管结构及符号,1.3三极管（Transistor）,1.3.2三极管的三种接法（三种组态）,三极管在放大电路中有三种接法：

共发射极、共基极、共集电极。

1.3三极管（Transistor）,1.3.3三极管内部载流子传输,下面以共发射极NPN管为例分析三极管内部载流子的运动规律，从而得到三极管的放大作用。

为保证三极管具有放大作用（直流能量转换为交流能量），三极管电路中必须要有直流电源，并且直流电源的接法必须保证三极管的发射结正偏、集电结反偏。

1.3.3三极管内部载流子传输,一.发射区向基区发射载流子（电子）,1.3.3三极管内部载流子传输,一.发射区向基区发射载流子（电子）,二.电子在基区的疏运输运和复合,1.3.3三极管内部载流子传输,一.发射区向基区发射载流子（电子）,二.电子在基区的疏运输运和复合,三.集电区收集电子,1.3.4三极管各极电流关系,一.各极电流关系,IE=IEN+IBNIEN,IB=IBNICBO,IC=ICN+ICBO,IE=IC+IB,二.电流控制作用,=ICN/IBNIC/IB,IC=IB+（1+）ICBO=IB+ICEOIC,=ICN/IENIC/IE,IC=IE+ICBOIE,1.3.5共射NPN三极管伏安特性曲线,一.输入特性曲线,IB=f（UBE，UCE）,实际测试时如下进行：

IB=f（UBE）|UCE,UCE5V的特性曲线基本重合为一条，手册可给出该条曲线。

1.3.5共射NPN三极管伏安特性曲线,二.输出特性曲线,IC=f（IB，UCE）,实际测试时如此进行：

IC=f（UCE）|IB,1.3.5共射NPN三极管伏安特性曲线,二.输出特性曲线,IC=f（IB，UCE）,实际测试时如下进行：

IC=f（UCE）|IB,发射结正偏、集电结反偏时，三极管工作在放大区（处于放大状态），有放大作用：

IC=IB+ICEO,两结均反偏时，三极管工作在截至区（处于截止状态），无放大作用。

IE=IC=ICEO0,发射结正偏、集电结正偏时，三极管工作在饱和区（处于饱和状态），无放大作用。

IE=IC（较大）,1.3.6三极管主要参数,一.电流放大系数,1.共发射极电流放大系数直流IC/IB交流IC/IB均用表示。

2.共基极电流放大系数直流IC/IE交流IC/IE均用表示。

二.反向饱和电流,1.集电极基极间反向饱和电流ICBO,2.集电极发射极间穿透电流ICEO,ICEO=（1+）ICBO,=/

（1）=/（1+）,1.3.6三极管主要参数,一.电流放大系数,IC/IBIC/IE=/

（1）=/（1+）,二.反向饱和电流,ICBOICEOICEO=（1+）ICBO,三.极限参数,1.集电极最大允许电流ICM,2.集电极最大允许功耗PCM,3.反向击穿电压U（BR）CEO、U（BR）CBO,三极管的安全工作区,1.4场效应管（FieldEffectTransistor）,场效应管是单极性管子，其输入PN结处于反偏或绝缘状态，具有很高的输入电阻（这一点与三极管相反），同时，还具有噪声低、热稳定性好、抗辐射性强、便于集成等优点。

场效应管是电压控制器件，既利用栅源电压控制漏极电流（iD=gmuGS）这一点与三级管（电流控制器件,基极电流控制集电极电流,iC=iB）不同，而栅极电流iD为0（因为输入电阻很大）。

场效应管分为两大类:

结型场效应管（JFETJunctionFieldEffectTransistor）、绝缘栅型场效应管（IGFETInsulatedGateFieldEffectTransistor）。

1.4.1结型场效应管,一.结构及符号,N沟道管靠（单一载流子）电子导电，P沟道管靠（单一载流子）空穴导电。

场效应管的栅极G、源极S和漏极D与三级管的基极b、发射极e和集电极c相对应。

1.4.1结型场效应管,二.工作原理（栅源电压UGS对漏极电流ID的控制作用）,以N沟道管为例。

漏源之间的PN结必须反偏。

N沟道结型场效应管加上反偏的栅源电压UGS（UGS0），在漏源之间加上漏源电压UDS（UDS0），便形成漏极电流ID。

而且UGS可控制ID。

1.4.1结型场效应管,二.工作原理（栅源电压UGS对漏极电流ID的控制作用）,1.当VGS=0时，沟道最宽,沟道电阻最小，加上VDS可形成最大的ID；,2.当VGS0时，沟道逐渐变窄，沟道电阻逐渐变大，ID逐渐减小；,3.当VGS=VP（夹断电压）时，沟道夹断，沟道电阻为无限大，ID=0。

所以，栅源电压VGS对漏极电流ID有控制作用。

1.4.1结型场效应管,三.JFET特性曲线,VGS=0时,随着VDS的增大,沟道变化情况如下:

加上VGS，沟道会进一步变窄。

1.4.2结型场效应管,三.JFET特性曲线,1.转移特性曲线,ID=f（UGS）|UDS,1.4.1结型场效应管,三.JFET特性曲线,2.漏极特性曲线,变化VGS,得到一族特性曲线。

分为可变电阻区、恒流区、击穿区三部分。

JFET管处于恒流状态时，有ID=gmVGS,ID=f（UDS）|UGS,1.4.1结型场效应管,四.JFET管工作过程小结,N沟道JFET栅源电压VGS为负值，漏源电压VDS为正值（P沟道JFET与之相反）。

在栅源电压VGS控制下，漏极电流ID随栅源电压而发生变化。

并且，VGS=0时，ID最大；VGS=VP时，ID=0。

二者之间关系为：

ID=gmVGS（栅源间必须反偏）,1.4.2结型场效应管,三.JFET特性曲线,3.转移输出特性关系,由输出特性曲线可得到转移特性曲线,1.4.1结型场效应管,四.JFET管工作过程小结,N沟道JFET栅源电压VGS为负值，漏源电压VDS为正值（P沟道JFET与之相反）。

在栅源电压VGS控制下，漏极电流ID随栅源电压而发生变化。

并且，VGS=0时，ID最大；VGS=VP时，ID=0。

二者之间关系为：

ID=gmVGS（栅源间必须反偏）,1.4.1绝缘栅型场效应管,这种场效应管的栅极处于绝缘状态，输入电阻更高。

广泛运用的是金属氧化物半导体场效应管MOSFET（MetalOxideSemicondoctortypeFieldEffectTransistor），简计为MOS管。

分为增强型MOS管和耗尽型MOS管两类，每类又有N沟道和P沟道两种管子。

1.4.1绝缘栅型场效应管,一.结构及符号,二.增强型N沟道MOS管工作过程,1.UGS=0，无导电沟道，不能导电,2.UGS逐渐增大，形成耗尽层,3.UGSUT，形成反型层（N沟道）,4.加上UDS，导电沟道不均匀,5.UGS-UDS=UT，沟道预夹断,6.UDS继续增大,沟道夹断,使ID基本不变,三.增强型N沟道MOS管特性曲线,转移特性近似表示为ID=IDO（UGS/UT1）2,（其中IDO为UGS=2UT时的ID值）,四.耗尽型N沟道MOS管工作过程,不加栅源电压时，在MOS管体内已存在导电沟道。

而所加栅源电压可以控制导电沟道的宽窄，从而控制漏极电流。

且当UGS0时，导电沟道更宽，电流UD变大；UGS0时，导电沟道保持原有宽度，电流ID适中；当VGS0时，导电沟道变窄。

电流ID变小。

当UGS小到夹断电压UP时，沟道全部夹断，使得ID=0。

四.耗尽型N沟道MOS管特性曲线,各类场效应管偏置电压极性,五.场效应管的主要参数,1.直流参数,

（1）饱和漏极电流IDSS,

（2）夹断电压UP,（3）开启电压UT,2.交流参数,

（1）低频跨导gm其中gm=（ID/ID）|UDS,

（2）极间电容CGSCGDCDS,3.极限参数,

（1）漏源击穿电压V（BR）DS,

（2）栅源击穿电压V（BR）GS,（3）最大漏极电流IDM,（4）最大漏极耗散功率PDM,第二章基本放大电路,放大器构成及主要技术指标、放大器分析方法、三种组态放大器、场效应管放大器、多级放大器。

本章主要内容：

前进,返回,2.1放大的概念,1信号：

电流或电压。

信号放大时，放大的是信号的幅度，信号的频率不变。

信号放大主要是利用三极管基极电流对集电极电流的控制作用（IC=Ib）或场效应管栅极电压对漏极电流的控制作用（Id=gmUgs）。

2放大的概念,2.2.1原理电路,主要元件处于放大状态的三极管。

2.2单管共发射极放大电路,为保证三极管的偏置，要加上直流电源。

为限流，应加上降压电阻。

为放大信号，加上信号源及输出端。

2.2.1原理电路,主要元件处于放大状态的三极管。

2.2单管共发射极放大电路,为保证三极管的偏置，要加上直流电源。

为限流，应加上降压电阻。

为放大信号，加上信号源及输出端。

2.2.2电路放大工作原理,2.2单管共发射极放大电路,考虑到uCE=VCC-iCRC，而VCC是固定不便的，则变化量uCE=-iCRC。

ui,uBE,iB,uO,iC=iB,uCE,2.2.3实际放大器,2.2单管共发射极放大电路,首先改成单电源供电，,再加上隔直电容，,共射放大器,共射放大器,习惯画成：

2.2.4放大器构成原则,2.2单管共发射极放大电路,1.保证三极管发射结正偏、集电结反偏（如右图所示）；,2.欲放大信号能进入三极管中；,3.所放大信号能传输到负载上。

电路举例,2.2单管共发射极放大电路,对于放大器，除分析静态量（直流量），还要分析如下动态量（交流量）：

2.3放大电路主要技术指标,1.放大倍数（增益）Au、Ai,3.非线性失真系数D,2.最大输出信号幅度Uom、Iom,4.输入电阻Ri,5.输出电阻Ro,6.通频带BW,7.最大输出功率Pom及转换效率,对于放大器，除分析静态量（直流量），还要分析如下动态量（交流量）：

2.3放大电路主要技术指标,1.放大倍数（增益）Au、Ai,Au=Uo/Ui,Ai=Io/Ii,Aus=Uo/Us,对于放大器，除分析静态量（直流量），还要分析如下动态量（交流量）：

2.3放大电路主要技术指标,最大不失真输出信号幅值。

2.最大输出信号幅度Uom、Iom,对于放大器，除分析静态量（直流量），还要分析如下动态量（交流量）：

2.3放大电路主要技术指标,3.非线性失真系数D,输出信号uo=u1+u2+u3+,其中，u1是基波，u2、u3、是谐波,对于放大器，除分析静态量（直流量），还要分析如下动态量（交流量）：

2.3放大电路主要技术指标,4.输入电阻Ri,Ri=Ui/Ii,对于放大器，除分析静态量（直流量），还要分析如下动态量（交流量）：

2.3放大电路主要技术指标,5.输入电阻Ro,实际测量时Ro=（Uo/Uo-1）RL,对于放大器，除分析静态量（直流量），还要分析如下动态量（交流量）：

2.3放大电路主要技术指标,6.通频带BW,BW=fH-fL,对于放大器，除分析静态量（直流量），还要分析如下动态量（交流量）：

2.3放大电路主要技术指标,=Pom/PV,7.最大输出功率Pom及转换效率,附：

电路中有关符号规定,直流量：

大写字母、大写脚码如IB、UCE,交流瞬时量：

小写字母、小写脚码如ib、uce,交流有效量：

大写字母、小写脚码如Ib、Ucce,交直流总量：

小写字母、大写脚码如iB、uCE,放大器分析有静态分析和动态分析。

其中动态分析最常用的方法有图解法（大信号）和等效电路法（小信号）。

2.4放大电路基本分析方法,一.直流等效电路（直流通路）,2.4.1放大器直流通路与交流通路,直流信号所通过的线路，用于分析直流量。

直流通路作法：

断开隔直电容。

一.直流等效电路（直流通路）,2.4.1放大器直流通路与交流通路,交流信号所通过的线路，用于分析交流量。

交流通路作法：

短路隔直电容和直流电源。

2.4放大电路基本分析方法,二.交流等效电路（交流通路）,在放大电路或其直流通路中，计算IB，UBE，IC，UCE。

其中，UBE=0.7V（Si管）或0.2V（Ge管）当作已知量。

2.4.2静态工作点的估算,2.4放大电路基本分析方法,IB=（Vcc-UBE）/RBVcc/RB,IC=IB,UCE=Vcc-ICRC,2.4.3图解法,2.4放大电路基本分析方法,先利用估算法计算出IB，在输入特性曲线上作静态工作点Q，再在输出特性曲线上作出直流负载线uCE=VCC-iCRC，其与IB的交点及静态工作点Q，直流负载线的斜率为-1/RC。

一静态分析,2.4.3图解法,2.4放大电路基本分析方法,先利用估算法计算出IB，在输入特性曲线上作静态工作点Q，再在输出特性曲线上作出直流负载线uCE=VCC-iCRC，其与IB的交点及静态工作点Q，直流负载线的斜率为-1/RC。

一静态分析,作出交流负载线（斜率为交流负载-1/RL、过静态工作点Q），,2.4.3图解法,2.4放大电路基本分析方法,二动态分析,作出交流负载线（斜率为交流负载-1/RL、过静态工作点Q），,2.4.3图解法,2.4放大电路基本分析方法,二动态分析,然后根据已知的输入信号如ui=0.05sint（V），分别在输入特性、输出特性上的静态工作点附近得出动态范围，,作出交流负载线（斜率为交流负载-1/RL、过静态工作点Q），然后根据已知的输入信号如ui=0.05sint（V），分别在输入特性、输出特性上的静态工作点附近得出动态范围，,根据动态范围作出输入输出波形，求出Au、Ai。

2.4.3图解法,2.4放大电路基本分析方法,二动态分析,进而,作出交流负载线（斜率为交流负载-1/RL、过静态工作点Q），然后根据已知的输入信号如ui=0.05sint（V），分别在输入特性、输出特性上的静态工作点附近得出动态范围，进而根据动态范围作出输入输出波形，求出Au、Ai。

2.4.3图解法,2.4放大电路基本分析方法,二动态分析,1.估算IB，并在输入特性曲线上标出Q点；,2.4.3图解法,2.4放大电路基本分析方法,图解法步骤小结：

2.在输出特性曲线上作直流负载线，并标出Q点；,3.在输出特性曲线上作交流负载线（斜率为-1/RL,过Q点）；,4.根据已知条件在输入特性曲线上以静态工作点为中心确定输入电流动态范围（输入信号摆动范围），作输入信号波形；根据输入电流摆动范围，找出交流负载线与输出特性曲线的两个交点，此为输出动态范围（输出信号摆动范围），作输出信号波形。

5.计算Au、Ai。

2.4.3图解法,2.4放大电路基本分析方法,三图解法应用,1.分析非线性失真设ii=20sint（uA）,

（1）静态工作点过低，,出现截止失真。

解决办法：

提高Q点，可减小RB。

2.4.3图解法,2.4放大电路基本分析方法,三图解法应用,1.分析非线性失真设ii=20sint（uA）,

（2）静态工作点过高，,出现饱和失真。

解决办法：

降低Q点，可增大RB。

2.4.3图解法,2.4放大电路基本分析方法,三图解法应用,1.分析非线性失真设ii=65sint（uA）,（3）输入信号过大，,出现饱和截止失真。

解决办法：

减小输入信号。

2.4.3图解法,2.4放大电路基本分析方法,三图解法应用,2.分析放大最大不失真输出信号,

（1）静态工作点较高。

2.4.3图解法,2.4放大电路基本分析方法,三图解法应用,2.分析放大最大不失真输出信号,

（2）静态工作点较低。

2.4.3图解法,2.4放大电路基本分析方法,三图解法应用,2.分析放大器最大不失真输出信号,静态工作点在位于放大区中央最佳。

2.4.3图解法,2.4放大电路基本分析方法,三图解法应用,3.分析电路参数对静态工作点的影响,

（1）RB的影响,直流负载线不变。

RB变大时IB减小，Q点下移，易出现截止失真；RB变小时IB减小，Q点上移，易出现饱和失真。

2.4.3图解法,2.4放大电路基本分析方法,三图解法应用,3.分析电路参数对静态工作点的影响,

（2）RC的影响,直流负载线与横轴交点不变，但与纵轴交点变化。

RC变大交点下移，易出现饱和失真；RC变小时交点上移，易超出安全区。

2.4.3图解法,2.4放大电路基本分析方法,三图解法应用,3.分析电路参数对静态工作点的影响,（3）VCC的影响,直流负载线平行移动。

VCC变大时直流负载线右移，容易超出安全区；VCC变小时直流负载线左移，容易出现饱和失真。

2.4.3图解法,2.4放大电路基本分析方法,三图解法应用,3.分析电路参数对静态工作点的影响,（4）的影响,直流负载线不变，IB不变。

但变大时，Q点上移，易出现饱和失真；变小时，Q点下移，易出现截止失真。

2.4.4微变等效电路法,2.4放大电路基本分析方法,一共射三极管的等效电路,1.三极管的h参数表达式,BE=f（iB，CE）iC=g（iB，CE）,be=hreib+hreceic=hfeib+hoece,求全微分并变换:

简化形式（有效值形式）:

Ube=hreIbIc=hfeIb,又表示为:

Ic=IbUbe=rbeIb,2.4.4微变等效电路法,2.4放大电路基本分析方法,一共射三极管的等效电路,2.三极管h参数等效电路,由Ube=Ib、Ic=rbeIb得简化h参数等效电路：

其中，r