模拟电子技术基础课件(第五版).ppt

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1.1信号,1.3模拟信号和数字信号,1绪论,1.2信号的频谱,1.4放大电路模型,1.5放大电路的主要性能指标,1.信号：

信息的载体,微音器输出的某一段信号的波形,1.1信号,2.电信号源的电路表达形式,电压源等效电路,电流源等效电路,1.1信号,1.电信号的时域与频域表示,A.正弦信号,1.2信号的频谱,时域,1.电信号的时域与频域表示,B.方波信号,满足狄利克雷条件，展开成傅里叶级数,直流分量,其中,基波分量,三次谐波分量,1.2信号的频谱,方波的时域表示,2.信号的频谱,B.方波信号,频谱：

将一个信号分解为正弦信号的集合，得到其正弦信号幅值和相位随角频率变化的分布，称为该信号的频谱。

1.2信号的频谱,幅度谱,相位谱,非周期信号包含了所有可能的频率成分（0w）,C.非周期信号,傅里叶变换：

通过快速傅里叶变换（FFT）可迅速求出非周期信号的频谱函数。

离散频率函数,连续频率函数,气温波形,气温波形的频谱函数（示意图）,1.2信号的频谱,1.3模拟信号和数字信号,处理模拟信号的电子电路称为模拟电路。

模拟信号：

在时间和幅值上都是连续的信号。

数字信号：

在时间和幅值上都是离散的信号。

1.4放大电路模型,电压增益（电压放大倍数）,电流增益,互阻增益,互导增益,1.放大电路的符号及模拟信号放大,负载开路时的电压增益,A.电压放大模型,输入电阻,输出电阻,由输出回路得,则电压增益为,由此可见,即负载的大小会影响增益的大小,要想减小负载的影响，则希望？

（考虑改变放大电路的参数）,理想情况,2.放大电路模型,1.4放大电路模型,另一方面，考虑到输入回路对信号源的衰减,理想情况,有,要想减小衰减，则希望？

1.4放大电路模型,A.电压放大模型,负载短路时的电流增益,B.电流放大模型,由输出回路得,则电流增益为,由此可见,要想减小负载的影响，则希望？

理想情况,由输入回路得,要想减小对信号源的衰减，则希望？

理想情况,1.4放大电路模型,C.互阻放大模型（自学）,输入输出回路没有公共端,D.互导放大模型（自学）,E.隔离放大电路模型,1.4放大电路模型,1.5放大电路的主要性能指标,1.输入电阻,1.5放大电路的主要性能指标,2.输出电阻,注意：

输入、输出电阻为交流电阻,1.5放大电路的主要性能指标,3.增益,反映放大电路在输入信号控制下，将供电电源能量转换为输出信号能量的能力。

其中,四种增益,常用分贝（dB）表示。

1.5放大电路的主要性能指标,4.频率响应,A.频率响应及带宽,电压增益可表示为,在输入正弦信号情况下，输出随输入信号频率连续变化的稳态响应，称为放大电路的频率响应。

或写为,其中,该图称为波特图纵轴：

dB横轴：

对数坐标,1.5放大电路的主要性能指标,4.频率响应,A.频率响应及带宽,其中,普通音响系统放大电路的幅频响应,1.5放大电路的主要性能指标,4.频率响应,B.频率失真（线性失真）,幅度失真：

对不同频率的信号增益不同产生的失真。

4.频率响应,B.频率失真（线性失真）,幅度失真：

对不同频率的信号增益不同产生的失真。

相位失真：

对不同频率的信号相移不同产生的失真。

1.5放大电路的主要性能指标,5.非线性失真,由元器件非线性特性引起的失真。

非线性失真系数:

end,Vo1是输出电压信号基波分量的有效值，Vok是高次谐波分量的有效值，k为正整数。

1.5放大电路的主要性能指标,2.1集成电路运算放大器,2运算放大器,2.2理想运算放大器,2.3基本线性运放电路,2.4同相输入和反相输入放大电路的其他应用,在半导体制造工艺的基础上，把整个电路中元器件制作在一块硅基片上，构成特定功能的电子电路，称为集成电路。

简单来说，集成电路是把元器件和连接导线全部制作在一小块硅片上而成的电路。

集成电路按其功能来分，有数字集成电路和模拟集成电路。

模拟集成电路种类繁多，有运算放大器、宽频带放大器、功率放大器、模拟乘法器、模拟锁相环、模数和数模转换器、稳压电源和音像设备中常用的其他模拟集成电路等。

引言,模拟集成电路的特点：

电阻值不能很大，精度较差，阻值一般在几十欧至几十千欧。

需要大电阻时，通常用恒流源替代；电容利用PN结结电容，一般不超过几十pF。

需要大电容时，通常在集成电路外部连接。

不能制电感，级与级之间用直接耦合；二极管用三极管的发射结代。

比如由NPN型三极管短路其中一个PN结构成。

运算放大器外形图,2.1集成电路运算放大器,1.集成电路运算放大器的内部组成单元,图2.1.1集成运算放大器的内部结构框图,集成运算放大器是一种高电压增益，高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大电路。

运算放大器方框图,输入级：

均采用差动放大电路组成，可减小温度漂移的影响，提高整个电路共模抑制比。

2.中间级：

多采用有源负载的共射极放大电路，有源负载及复合管可提高电压增益。

3.输出级：

互补对称功放。

4.偏置电路：

用以供给各级直流偏置电流，由各种电流源电路组成。

表示信号从左（输入端）向右（输出端）传输的方向。

集成运算放大器的符号,vN或v：

反相输入端，信号从此端输入（vP=0），输出信号和输入信号反相。

vP或v+：

同相输入端，信号从此端输入（vN=0），输出信号和输入信号同相。

vO：

输出端。

图2.1.2运算放大器的代表符号（a）国家标准规定的符号（b）国内外常用符号,2.运算放大器的电路模型,图2.1.3运算放大器的电路模型,通常：

开环电压增益Avo的105（很高）,输入电阻ri106（很大）,输出电阻ro100（很小）,vOAvo（vPvN）（VvOV）,注意输入输出的相位关系,2.运算放大器的电路模型,当Avo（vPvN）V时vOV,当Avo（vPvN）V-时vOV-,电压传输特性vOf（vPvN）,线性范围内vOAvo（vPvN）,Avo斜率,电路模型中的输出电压不可能超越正负电源的电压值,输出电压与其两个输入端的电压之间存在线性放大关系，即,集成运放的工作区域,线性区域：

Aod为差模开环放大倍数,非线性区域：

输出电压只有两种可能的情况：

+UOM或-UOM,UOM为输出电压的饱和电压。

例2.2.1电路如图2.1.3所示，运放的开环电压增益Avo=2105,输入电阻ri=0.6M，电源电压V+=+12V,V-=-12V。

（1）试求当vo=Vom=12V时输入电压的最小幅值vP-vN=?

输入电流ii=?

（2）画出传输特性曲线vo=f（vP-vN）。

说明运放的两个区域。

图2.1.3运算放大器的电路模型,例2.2.1电路如图2.1.3所示，运放的开环电压增益Avo=2105,输入电阻ri=0.6M，电源电压V+=+12V,V-=-12V。

（1）试求当vo=Vom=12V时输入电压的最小幅值vP-vN=?

输入电流ii=?

图2.1.3运算放大器的电路模型,解：

由,当vo=Vom=12V时,例2.2.1电路如图2.1.3所示，运放的开环电压增益Avo=2105,输入电阻ri=0.6M，电源电压V+=+12V,V-=-12V。

（2）画出传输特性曲线vo=f（vP-vN）。

说明运放的两个区域。

解：

取a点（+60V,+12V），b点（-60V,-12V），连接a、b两点得ab线段，其斜率Avo=2105,vP-vN60V，则运放进入非线性区。

运放的电压传输特性如图所示。

2.2理想运算放大器,1.vo的饱和极限值等于运放的电源电压V和V,2.运放的开环电压增益很高若（vPvN）0则vO=+Vom=V若（vPvN）0则vO=Vom=V,3.若VvOV则（vPvN）0,4.输入电阻ri的阻值很高使iP0、iN0,5.输出电阻很小，ro0,图2.2.1运放的简化电路模型,三、理想运放的非线性工作区,+UOM,-UOM,图7.1.3集成运放的电压传输特性,工程上理想运放的参数,1.差模电压放大倍数Avd=，实际上Avd80dB即可。

2.差模输入电阻Rid=，实际上Rid比输入端外电路的电阻大23个量级即可。

3.输出电阻Ro=0，实际上Ro比输入端外电路的电阻小12个量级即可。

（1）虚短（vpvn，或vidvpvn0）由于运放的电压放大倍数很大，一般都在80dB以上。

而运放的输出电压是有限的，一般在10V14V。

因此运放的差模输入电压不足1mV，两输入端近似等电位，相当于“短路”。

开环电压放大倍数越大，两输入端的电位越接近相等。

“虚短”是指在分析运算放大器处于线性状态时，可把两输入端视为等电位，这一特性称为虚假短路，简称虚短。

显然不能将两输入端真正短路。

理想运算放大器的特性,

（2）虚断（ip-in（vpvn）/ri0）,由于运放的差模输入电阻很大，一般都在1M以上。

因此流入运放输入端的电流往往不足1A，远小于输入端外电路的电流。

故通常可把运放的两输入端视为开路，且输入电阻越大，两输入端越接近开路。

“虚断”是指在分析运放处于线性状态时，可以把两输入端视为等效开路，这一特性称为虚假开路，简称虚断。

显然不能将两输入端真正断路。

理想运放工作在线性区的几个重要法则：

（2）Ii+=Ii=0虚断,

（1）V+=V虚短,集成运放工作在线性区时有：

又,即,输入偏流,虚短和虚断,理想运放工作在非线性区的特点：

（2）Ii+=Ii=0虚断仍然成立,

（1）只要输入电压V+与V不相等，输出电压就饱和。

即有：

对理想运算放大器，V+=V-是正负两种饱和状态的转换点。

综上所述，在分析具体的集成运放应用电路时，可将集成运放按理想运放对待，根据理想运放分别工作在线性区或者非线性区的特点来分析电路的工作原理。

一般来说集成运放引入深度负反馈时，工作在线性区；集成运放引入正反馈或开环状态时，工作在非线性区。

2.3基本线性运放电路,2.3.1同相放大电路,2.3.2反相放大电路,2.3.1同相放大电路,（a）电路图（b）小信号电路模型图2.3.1同相放大电路,1.基本电路,2.3.1同相放大电路,2.负反馈的基本概念,反馈：

将放大电路输出量，通过某种方式送回到输入回路的过程。

瞬时电位变化极性某时刻电位的斜率,电路有voAvo（vpvn）,引入反馈后,vn0，vp（vi）不变,（vpvn）,vo,使输出减小了，增益Avvo/vi下降了，这时的反馈称为负反馈。

4.4.2射极偏置电路,

（1）稳定工作点原理,目标：

温度变化时，使IC维持恒定。

如果温度变化时，b点电位能基本不变，则可实现静态工作点的稳定。

T,IC,IE,VE、VB不变,VBE,IB,（反馈控制）,1.基极分压式射极偏置电路,（a）原理电路（b）直流通路,2.3.1同相放大电路,3.虚假短路,图中输出通过负反馈的作用，使vn自动地跟踪vp，即vpvn，或vidvpvn0。

这种现象称为虚假短路，简称虚短,由于运放的输入电阻ri很大，所以，运放两输入端之间的ip-in（vpvn）/ri0，这种现象称为虚断。

由运放引入负反馈而得到的虚短和虚断两个重要概念，是分析由运放组成的各种线性应用电路的利器，必须熟练掌握。

2.3.1同相放大电路,4.几项技术指标的近似计算,

（1）电压增益Av,根据虚短和虚断的概念有vpvn，ip-in0,所以,（可作为公式直接使用）,2.3.1同相放大电路,4.几项技术指标的近似计算,

（2）输入电阻Ri,输入电阻定义,根据虚短和虚断有vivp，iiip0,所以,（3）输出电阻Ro,Ro0,特点：

输入电阻高，输出电阻小，带负载能力强V-=V+=Vi，所以共模输入等于输入信号，对运放的共模抑制比要求高,2.3.1同相放大电路,5.电压跟随器,根据虚短和虚断有,vovnvpvi,（可作为公式直接使用）,输入电阻大输出电阻小，能真实地将输入信号传给负载而从信号源取流很小,电压跟随器的作用,无电压跟随器时负载上得到的电压,电压跟随器时,ip0，vpvs,根据虚短和虚断有,vovnvpvs,2.3.2反相放大电路,（a）电路图（b）由虚短引出虚地vn0图2.3.5反相放大电路,1.基本电路,2.几项技术指标的近似计算,

（1）电压增益Av,根据虚短和虚断的概念有vnvp0，ii0,所以i1i2,即,（可作为公式直接使用）,2.3.2反相放大电路,特点：

反相端为虚地，所以共模输入可视为0，对运放共模抑制比要求低输出电阻小，带负载能力强要求放大倍数较大时，反馈电阻阻值高，稳定性差。

如果要求放大倍数100，R1=100K，Rf=10M,2.几项技术指标的近似计算,

（2）输入电阻Ri,（3）输出电阻Ro,Ro0,2.3.2反相放大电路,当R2R3时，

（1）试证明Vs（R3R1/R2）Im,解

（1）根据虚断有I1=0,所以I2=Is=Vs/R1,例2.3.3直流毫伏表电路,

（2）R1R2150k，R31k，输入信号电压Vs100mV时，通过毫伏表的最大电流Im（max）？

又根据虚短有Vp=Vn=0,R2和R3相当于并联，所以I2R2=R3（I2-Im）,所以,当R2R3时，Vs（R3R1/R2）Im,

（2）代入数据计算即可,2.4同相输入和反相输入放大电路的其他应用,2.4.1求差电路,2.4.2仪用放大器,2.4.3求和电路,2.4.4积分电路和微分电路,2.4.1求差电路,从结构上看，它是反相输入和同相输入相结合的放大电路。

当,则,若继续有,则,根据虚短、虚断和N、P点的KCL得：

2.4.1求差电路,从放大器角度看,时，,增益为,（该电路也称为差分电路或减法电路）,2.4.1求差电路,一种高输入电阻的差分电路,2.4.2仪用放大器,2.4.3求和电路,根据虚短、虚断和N点的KCL得：

若,则有,（该电路也称为加法电路）,2.4.3求和电路的进一步讨论,8.1.1求和电路,虚短、虚断,特点：

调节某一路信号的输入电阻不影响其他路输入与输出的比例关系；称为支路增益，一般1,1.反相求和电路,2.4.4积分电路和微分电路,1.积分电路,式中，负号表示vO与vI在相位上是相反的。

根据“虚短”，得,根据“虚断”，得,因此,（积分运算）,即,2.4.4积分电路和微分电路,1.积分电路,根据“虚短”，得,根据“虚断”，得,因此,即,又,即,2.4.4积分电路和微分电路,当vI为阶跃电压时，有,vO与t成线性关系,1.积分电路,积分电路的用途,将方波变为三角波,积分电路的用途,将三角波变为正弦波,积分电路的用途,可见，输出电压的相位比输入电压的相位领先90。

因此，此时积分电路的作用是移相。

图7.2.17,2.4.4积分电路和微分电路,2.微分电路,根据“虚短”，得,根据“虚断”，得,因此,即,若输入：

则：

高频信号将产生较大的噪声。

Auo越大，运放的线性范围越小，必须在输出与输入之间加负反馈才能使其扩大输入信号的线性范围。

放大倍数与负载无关。

分析多个运放级联组合的线性电路时可以分别对每个运放进行。

3.1半导体的基本知识,3.3二极管,3.4二极管基本电路及其分析方法,3.5特殊二极管,3.2PN结的形成及特性,3半导体二极管及基本电路,3.1半导体的基本知识,3.1.1半导体材料,3.1.2半导体的共价键结构,3.1.3本征半导体的导电作用,3.1.4杂质半导体,导体（conductor）：

自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。

绝缘体（semiconductor）：

有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。

半导体（insulator）：

另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。

3.1.1半导体材料,3.1.1半导体材料,半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。

例如：

当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。

往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。

3.1.2半导体的共价键结构,动画演示,3.1.2半导体的共价键结构,硅和锗的共价键（covalentbond）结构,共价键共用电子对,+4表示除去价电子后的原子,动画演示,3.1.3本征半导体的导电作用,1.本征半导体（intrinsicorpureinsulator）,完全纯净的、结构完整的半导体晶体。

3.1.3本征半导体的导电作用,2.载流子、自由电子和空穴（carrier、freeelectronsandholes）,自由电子,空穴,束缚电子,动画演示,3.1.3本征半导体的导电作用,3.载流子的产生与复合,本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。

动画演示,3.1.4杂质半导体,1.P型半导体,空穴,硼原子,P型半导体中空穴是多子，电子是少子。

动画演示,3.1.4杂质半导体,2.N型半导体,多余电子,磷原子,N型半导体中的载流子是什么？

掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。

自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。

动画演示,3.2PN结的形成及特性,3.2.1载流子的漂移与扩散,3.2.2PN结的形成,3.2.3PN结的单向导电性,3.2.4PN结的反向击穿,3.2.5PN结的电容效应,3.2.2PN结的形成,P型半导体,N型半导体,扩散（diffusion）的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。

内电场越强，就使漂移（drift）运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。

空间电荷区，也称耗尽层。

3.2.2PN结的形成,所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。

动画演示,3.2.2PN结的形成,空间电荷区,N型区,P型区,电位V,V0,3.2.3PN结的单向导电性,PN结（PNjunction）正向偏置,内电场减弱，使扩散加强，扩散飘移，正向电流大,P,N,+,_,动画演示,3.2.3PN结的单向导电性,PN结（PNjunction）反向偏置,N,P,+,_,内电场加强，使扩散停止，有少量飘移，反向电流很小,反向饱和电流很小，A级,动画演示,3.2.4PN结的反向击穿,电击穿（可逆）热击穿（不可逆）,击穿,雪崩击穿（avalanchebreakdown）:

碰撞,载流子倍增效应。

齐纳击穿（zenerbreakdown）:

局部电场增强,分离。

整流二极管雪崩击穿（多数）,稳压二极管齐纳击穿（多数）,击穿,3.2.5PN结的电容效应,PN结的两种电容效应：

扩散电容CD和势垒电容CB,PN结处于正向偏置时，多子的扩散导致在P区（N区）靠近结的边缘有高于正常情况的电子（空穴）浓度，这种超量的浓度可视为电荷存储到PN结的邻域,PN结的电容效应直接影响半导体器件的高频和开关性能,1.扩散电容,3.2.5PN结的电容效应,PN结反向偏置时，载流子数目很少，扩散电容可忽略,1.扩散电容,3.2.5PN结的电容效应,势垒区是积累空间电荷的区域，当反向偏置电压变化时，就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化,2.势垒电容,类似于平板电容器两极板上电荷的变化,3.2.5PN结的电容效应,PN结的电容效应是扩散电容和势垒电容的综合反映，在高频运用时，须考虑PN结电容的影响,PN结电容的大小与本身的结构和工艺及外加电压有关。

正偏时，结电容较大（主要决定于扩散电容）；反偏时，结电容较小（主要决定于势垒电容）,3.3二极管,3.3.1半导体二极管的结构,3.3.2二极管的伏安特性,3.3.3二极管的参数,3.3.1半导体二极管的结构,半导体二极管（diodeinsulator）图片,3.3.1半导体二极管的结构,半导体二极管（diodeinsulator）图片,3.3.1半导体二极管的结构,半导体二极管（diodeinsulator）图片,3.3.1半导体二极管的结构,在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。

二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。

（1）点接触型二极管,（a）点接触型,二极管的结构示意图,PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。

3.3.1半导体二极管的结构,

（2）面接触型二极管,PN结面积大，用于工频大电流整流电路。

（b）面接触型,（3）平面型二极管,（c）平面型,（4）二极管的代表符号（symbol）,anodecathode,3.3.1半导体二极管的结构,往往用于集成电路制造艺中。

PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。

3.3.2PN结的伏安特性,正向特性,反向特性,反向击穿特性,二极管的伏安特性（volt-amperecharacteristic）曲线的表示式：

硅二极管2CP10的V-I特性,3.3.3二极管的参数,1.最大整流电流IF,二极管长期运行时，允许流过二极管的最大正向平均电流。

2.反向击穿电压VBR,二极管反向击穿时的电压值。

击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。

手册上给出的最高反向工作电压约为击穿电压的一半。

3.反向电流IR,指管子未击穿时的反向电流。

反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。

反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。

2.3.3二极管的参数,4.二极管的极间电容（parasiticcapacitance）,二极管的两极之间有电容，此电容由两部分组成：

势垒电容（barrier（depletion）capacitance）CB和扩散电容（diffusioncapacitance）CD。

势垒电容：

势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时，就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出的电容是势垒电容。

2.3.3二极管的参数,4.二极管的极间电容,扩散电容：

为了形成正向电流（扩散电流），注入P区的少子（电子）在P区有浓度差，越靠近PN结浓度越大，即在P区有电子的积累。

同理，在N区有空穴的积累。

正向电流大，积累的电荷多。

这样所产生的电容就是扩散电容CD。

CB在高频和反向偏置时明显。

CD在正向偏置时明显。

3.3.3二极管的参数,5.微变电阻rD,vD,rD是二极管特性曲线上工作点Q附近电压的变化与电流的变化之比：

显然，rD是对Q附近的微小变化区域内的电阻。

3.4二极管基本电路及其分析方法,3.4.1简单二极管电路的图解分析方法,3.4.2二极管电路的简化模型分析方法,3.4.2二极管电路的简化模型分析方法,1.理想模型（idealdiode）,当电源电压远比二极管的管压降大时，利用此模型作近似分析。

2.恒压降模型（offsetmodel）,二极管导通后，认为其压降是恒定的，典型值为0.7V，只有当二极管的电流大于等于1mA时，才是正确的。

vD,iD,3.4.2二极管电路的简化模型分析方法,3.折线模型（piecewiselineardiodemodel）,认为其压降不是恒定的，而是随着二极管电流的增加而增加，用一个电池与一个电阻的串联来进一步的近似。

rD近似为200。

vD,iD,Vth0.5V,3.4.2二极管电路的简化模型分析方法,4.小信号模型（smallsignalmodel）,当二极管在其伏安特性的某一小范围内工作，可以把伏安特性看出一条直线。

小信号模型的微变等效电阻rd26（mv）/ID。

vD,iD,vD,iD,3.4.2二极管电路的简化模型分析方法,应用举例,1.整流电路,二极管当作理想元件处理，即二极管的正向导通电阻为零（忽略二极管正向压降），反向电阻为无穷大,D,R,vO,vs,+,-,vs,vO,应用举例,2.二极管的静态工作情况分析,理想模型,恒压模型,（硅二极管典型值）,折线模型,（硅二极管典型值）,设,3.限