模拟电子电路.ppt

模拟电子电路,电气工程学院,电工电子基地,教师：,模拟电子电路,电气工程学院 电工电子基地,张晓冬 王 昕,Office: 电气308,Tel: 7108；8346(O),5573(H),E: win_dd,1 康华光: 电子技术基础 2 冯民昌: 模拟集成电路基础 3 童诗白: 模拟电子技术基础 4 Donald A. Neamen: Electronic Circuit Analysis and Design (2nd Edition) 电子电路分析与设计（清华影印版）,参考书：,课程信息：,模拟电子电路,电气工程学院 电工电子基地,教学大纲,学习环节：,教学进度,教学方法,实验安排,考核（题例 ）,听课(强力推荐),完成作业,完成实验,自由发挥,参加竞赛(自愿),题例,Ch0 电子学与 模拟电子技术概述,Ch0 电子学与模拟电子技术概述,学科发展,物理与电子学,器件的发展,理论的发展,应用的发展,现状与展望,我国的发展,电子学的地位,模拟电子技术,数字电子技术,最新发展例1,最新发展例2,研究处理连续信号的电路。 模拟analog,研究处理离散信号的电路。 数字digital,模拟电子电路,电气工程学院,电工电子基地,Ch1 半导体和基本半导体器件,1.1 半导体理论基础,1.2 PN结与二极管,1.3 各类二极管,1.4 双极型三极管,1.5 场效应管,1.6 运放模型,1.1 半导体基础,半导体特性,本征半导体,杂质半导体,半导体特性,物质分类,导体, 导电率为105S.cm-1，量级，如金属,绝缘体, 导电率为10-22-10-14 S.cm-1量级，如：橡胶、云母、塑料等。, 导电能力随条件变化。 如：硅、锗、砷化镓等。,半导体,半导体特性,掺入杂质则导电率增加几百倍,掺杂特性,半导体器件,温度增加使导电率大为增加,温度特性,热敏器件,光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势,光照特性,Ch1 Semiconductor1.1 Elementary,基础知识,Sect,本征半导体,完全纯净、结构完整的半导体晶体。 纯度：99.9999999%，“九个9” 它在物理结构上呈单晶体形态。,常用的本征半导体,Si,+14,Ge,+32,+4,Sect,Ch1 Semiconductor1.1 Elementary,基础知识,本征半导体,本征半导体的原子结构和共价键:,共价键内的电子 称为束缚电子,挣脱原子核束缚的电子 称为自由电子,价带中留下的空位 称为空穴,外电场E,自由电子定向移动 形成电子流,束缚电子填补空穴的 定向移动形成空穴流,Sect,Ch1 Semiconductor1.1 Elementary,基础知识,1. 本征半导体中有两种载流子, 自由电子和空穴,它们是成对出现的,2. 在外电场的作用下，产生电流, 电子流和空穴流,电子流,自由电子作定向运动形成的 与外电场方向相反 自由电子始终在导带内运动,空穴流,价电子递补空穴形成的 与外电场方向相同 始终在价带内运动,Sect,Ch1 Semiconductor1.1 Elementary,基础知识,本征半导体中的载流子：,本征半导体载流子的浓度：,电子浓度ni :表示单位体积的自由电子数 空穴浓度pi :表示单位体积的空穴数。,B与材料有关的常数 Eg禁带宽度 T绝对温度 k玻尔曼常数,1. 本征半导体中 电子浓度ni = 空穴浓度pi,2. 载流子的浓度与T、Eg有关,Sect,Ch1 Semiconductor1.1 Elementary,基础知识,载流子的产生与复合:,g载流子的产生率 即每秒成对产生的电子空穴的浓度。 R载流子的复合率 即每秒成对产生的电子空穴的浓度。 当达到动态平衡时 g =R,Sect,Ch1 Semiconductor1.1 Elementary,基础知识,杂质半导体,掺入杂质的本征半导体。 掺杂后半导体的导电率大为提高,掺入的三价元素如B、Al、In等， 形成P型半导体,掺入的五价元素如P、Se等， 形成N型半导体,杂质半导体,Sect,Ch1 Semiconductor1.1 Elementary,基础知识,N型半导体:,+5,+5,在本征半导体中掺入的五价元素如P。,自由电子是多数载流子,空穴是少数载流子,杂质原子提供,由热激发形成,由于五价元素很容易贡献电子，因此将其称为施主杂质。施主杂质因提供自由电子而带正电荷成为正离子,Sect,Ch1 Semiconductor1.1 Elementary,基础知识,P型半导体:,+3,+3,在本征半导体中掺入的三价元素如B。,自由电子是少数载流子,空穴是多数载流子,杂质原子提供,由本征激发形成,因留下的空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主杂质。,Sect,Ch1 Semiconductor1.1 Elementary,基础知识,Ch1 Semiconductor1.1 Elementary,基础知识,Sect,讨论：,若使P型半导体和N型半导体“亲密接触”，,会发生什么现象？,1.2 PN结与二极管,PN结,半导体二极管,P区,N区,扩散运动,载流子从浓度大向浓度小 的区域扩散,称扩散运动 形成的电流成为扩散电流,内电场,内电场阻碍多子向对方的扩散 即阻碍扩散运动 同时促进少子向对方漂移 即促进了漂移运动,扩散运动=漂移运动时 达到动态平衡,Sect,PN结的形成,Ch1 Semiconductor1.2 PN junc,基础知识,内电场阻止多子扩散,载流子浓度差,多子扩散,杂质离子形成空间电荷区,空间电荷区形成内电场,内电场促使少子漂移,扩散运动,多子从浓度大向浓度小的区域运动，称为扩散。 扩散运动产生扩散电流。,漂移运动,少子向对方运动，称为漂移。 漂移运动产生漂移电流。,动态平衡,扩散电流=漂移电流，PN结内总电流为0。,PN 结,稳定的空间电荷区，,又称为高阻区、,耗尽层，,Sect,Ch1 Semiconductor1.2 PN junc,基础知识,PN结的接触电位, 内电场的建立，使PN结中产生电位差。从而形成接触电位V, 接触电位V决定于材料及掺杂浓度 锗： V=0.20.3 硅： V=0.60.7,Sect,Ch1 Semiconductor1.2 PN junc,基础知识,1. PN结加正向电压时的导电情况,外电场方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响。 PN结呈现低电阻。,P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；,内,外,Sect,Ch1 Semiconductor1.2 PN junc,基础知识,PN结的单向导电性,2. PN结加反向电压时的导电情况,外电场与PN结内电场方向相同，增强内电场。内电场对多子扩散运动阻碍增强，扩散电流大大减小。少子在内电场的作用下形成的漂移电流加大。 PN结呈现高电阻。,P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏；,内,外,Sect,Ch1 Semiconductor1.2 PN junc,基础知识,结论：PN结具有单向导电性。,PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散 电流；,PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。,Sect,Ch1 Semiconductor1.2 PN junc,基础知识,式中 Is 饱和电流; VT = kT/q 等效电压 k 波尔兹曼常数； T=300K（室温）时 VT= 26mV,PN结电流方程,由半导体物理可推出：, 当加反向电压时：, 当加正向电压时：,(vVT),Sect,Ch1 Semiconductor1.2 PN junc,基础知识, 势垒电容CB,由空间电荷区的离子薄层形成的。当外加电压使PN结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地随之改变，这相当PN结中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。,PN结电容效应,Sect,Ch1 Semiconductor1.2 PN junc,基础知识,扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累而形成的。因PN结正偏时，由N区扩散到P区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在 P 区内紧靠PN结的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。, 扩散电容CD,当外加正向电压 不同时，扩散电流即 外电路电流的大小也 就不同。所以PN结两 侧堆积的多子的浓度 梯度分布也不同，这 就相当电容的充放电 过程。势垒电容和扩 散电容均是非线性电 容。,Sect,Ch1 Semiconductor1.2 PN junc,基础知识,PN结的反向击穿,反向击穿,PN结上反向电压达到某一数值，反向电流激增。, 雪崩击穿,当反向电压增高时，少子获得能量高速运动，在空间电荷区与原子发生碰撞，产生碰撞电离。形成连锁反应，象雪崩一样。使反向电流激增。, 齐纳击穿,当反向电压较大时，强电场直接从共价键中将电子拉出来，形成大量载流子,使反向电流激增。,击穿可逆。 掺杂浓度小的 二极管容易发生,击穿可逆。 掺杂浓度大的 二极管容易发生,不可逆击穿, 热击穿,PN结的电流或电压较大，使PN结耗散功率超过极限值，使结温升高，导致PN结过热而烧毁。,Sect,Ch1 Semiconductor1.2 PN junc,基础知识, 晶体二极管的结构类型,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,点接触型,面接触型,平面型,PN结面积小，结电容小， 用于检波和变频等高频电路,PN结面积大，用 于工频大电流整流电路,往往用于集成电路制造工艺中。 PN 结面积可大可小， 用于高频整流和开关电路中。,半导体二极管,Ch1 Semiconductor1.2 PN junc,基础知识, 二极管的伏安特性,是指二极管两端电压和流过二极管电流之间的关系。 由PN结电流方程求出理想的伏安特性曲线,1.当加正向电压时,PN结电流方程为：,2.当加反向电压时,I 随U，呈指数规率,I = - Is,基本不变,Ch1 Semiconductor1.2 PN junc,基础知识, 晶体二极管的伏安特性,1.正向起始部分存在一个死区或门坎，称为门限电压。 硅：Ur=0.5-0.6v; 锗：Ur=0.1-0.2v 2.加反向电压时，反向电流很小 即Is硅(nA)Is锗(A) 硅管比锗管稳定 3.当反压增大UB时再增加，反向激增，发生反向击穿， UB称为反向击穿电压。,实测伏安特性,Ch1 Semiconductor1.2 PN junc,基础知识,晶体二极管, 晶体二极管的电阻,非线性电阻,直流电阻R,(也称静态电阻）,交流电阻r,（又称动态电阻或微变电阻）,一、直流电阻及求解方法,定义,二极管两端的直流电压UD与电流ID之比,D,Ch1 Semiconductor1.2 PN junc,基础知识,晶体二极管, 晶体二极管的电阻,直流电阻的求解方法：,借助于静态工作点来求,1. 首先确定电路的静态工作点Q：,借助于图解法来求,由电路可列出方程：,UD=ED-IDRL,直流负载线,UD=0 ID=ED,ID=0 UD=ED/RL,ED/RL,ED,Q,2.,直流负载线与伏安 特性曲线的交点,由Q得ID和UD，从而求出直流电阻R,Ch1 Semiconductor1.2 PN junc,基础知识,晶体二极管, 晶体二极管的电阻,二、交流电阻r,或,实质是特性曲线静态工作点处的斜率,交流电导： g=dI/dU=I/nUT 交流电阻：r=1/g= nUT/I 若n=1,室温下：UT=26mv 交流电阻：r=26mv/ ID(mA),晶体二极管的正向交流电阻可由PN结电流方程求出：,由此可得：,Ch1 Semiconductor1.2 PN junc,基础知识,1.3 各类二极管及其应用, 稳压二极管,是应用在反向击穿区的特殊二极管,稳压特性：,在反向击穿时，电流急剧增加而PN结两端的电压基本保持不变,正向部分与普通二极管相同,工作区在反向击穿区,特性参数：,1. 稳定电压VZ:,反向击穿电压,2. 最大工作电流Izmax:,受耗散功率的限制，使用时必须加限流电阻, 稳压二极管,特性参数：,1. 稳定电压VZ:,2. 最大工作电流Izmax:,3. 动态电阻RZ,很小，十几欧姆几十欧姆,稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。 电阻的作用一是起限流作用，以保护稳压管。其次是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。, 变容二极管,利用结势垒电容CT随外电压U的变化而变化的特点制成的二极管。,符号：,注意：使用时，应加反向电压,光电二极管与发光二极管,光电二极管,发光二极管,光 电 二 极 管, 定义：,有光照射时，将有电流产生的二极管, 类型：,PIN型、,PN型、,雪崩型, 结构：,和普通的二极管基本相同, 工作原理：,利用光电导效应工作，PN结工作在反偏态，当光照射在PN结上时，束缚电子获得光能变成自由电子，形成光生电子空穴对，在外电场的作用下形成光生电流,IP,注意：应在反压状态工作 UD= -IPRL,发 光 二 极 管, 定义：,将电能转换成光能的特殊半导体器件，当管子加正向电压时，在正向电流激发下，管子发光，属电致发光, 常用驱动电路：,直流驱动电路,交流驱动电路,注：在交流驱动电路中，为了避免发光二极管发生反向击穿，通常要加入串联或并联的保护二极管,发光二极管只有在加正向电压时才发光,二极管的应用,整流电路,滤波电路,显示电路,二 极 管 应 用, 整流电路,整流电路是最基本的将交流转换为直流的电路，,半波整流,iD,uL,整流电路中的二极管是作为开关运用，具有单向导电性。,Udc0.45E2,二极管应用, 整流电路,全波整流,Udc0.9E2,二极管应用, 整流电路,桥式整流,Udc0.9E2,依靠电容的冲放电作用可减小纹波： 当电压小于电容两端电压时，由电容向负载放电。 当电压大于电容两端电压时，由电压向电容充电，并向负载提供电压。,二极管应用, 电容滤波电路,直流信号,电容相当于开路,交流信号,二极管应用, LED显示器,a,b,c,d,f,g,+5V,共阳极电路,共阴极电路,控制端为高电平 对应二极管发光,控制端为低电平 对应二极管发光,e,小 结, 半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的一种物体。具有一系列特殊的性能，如掺杂、光照和温度都可以改变半导体的导电性能。利用这些性能可制作成具有各种特性的半导体器件。 PN结是构成半导体器件的基础，具有单向导电性、非线性电阻特性、电容效应、击穿稳压特性。 当PN结加正向电压时，PN结导通，呈现低阻特性。 当PN结加反向电压时，PN结截止，呈现高阻特性。, 二极管实际上就是一个PN结，描述二极管的性能 常用二极管的伏安特性，可用二极管的电流方程来描述 即二极管两端的电压和流过的电流满足I=Is(e U/UT-1). 硅管：当UD0.7V时，二极管导通，导通后，UD=0.7V 锗管：当UD0.3V时，二极管导通，导通后，UD=0.3V 稳压管是一种应用很广的特殊类型的二极管，工作区在反向击穿区。可以提供一个稳定的电压。使用时注意加限流电阻。 二极管基本用途是整流稳压和限幅。 半导体光电器件分光敏器件和发光器件，可实现光电、电光转换。光电二极管应在反压下工作，而发光二极管应在正偏电压下工作。,小 结,重点：晶体二极管的原理、伏安特性及电流方程。 难点：1.两种载流子 2.PN结的形成 3.单向导电性 4.载流子的运动,重点难点,半导体二极管的型号,国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：,附 录,半导体二极管图片,附 录,半导体二极管图片,附 录,半导体二极管图片,附 录,1.4 双极型三极管BJT,BJT的结构,BJT的电流分配,BJT的参数,BJT的特性曲线,Ch1 Semiconductor1.4 BJT ,基础知识,Sect,BJT的结构,发射结,集电结,两种结构类型：,NPN型,PNP型,发射区,集电区,基区,发射极,基极,集电极,Ch1 Semiconductor1.4 BJT ,基础知识,Sect,1. 由三层半导体组成，有三个区、三个极、两个结,2. 发射区掺杂浓度高、,BJT的结构,基区薄、,集电结面积大,Sect,Ch1 Semiconductor1.4 BJT ,基础知识,BJT的电流分配,三极管各区的作用:,发射区向基区提供载流子,基区传送和控制载流子,集电区收集载流子,发射结加正向电压,集电结加反向电压,三极管在工作时一定要加上适当的直流偏置电压 才能起放大作用,外部工作条件：,发射结加正向电压即发射结正偏,集电结加反向电压即集电结反偏,Ch1 Semiconductor1.4 BJT ,基础知识,Sect,ICBO,1. 发射区向基区扩散空穴，形成发射极电流,2. 空穴在基区扩散和复合，形成了基区复合电流IB,3. 集电极收集从发射区扩散到基区的空穴，形成了电流IC ,同时由于集电结反偏，少子在电场的作用下形成了漂移电流ICBO,电流之间的分配关系,IB = IB-ICBO,IC = IC +ICBO,IE = IB+IC,BJT的电流分配,Ch1 Semiconductor1.4 BJT ,基础知识,Sect,共基极直流放大系数,从发射区注入的载流子到达集电极部分所占的百分比,由前面得到的电流之间的分配关系,可得：,的数值一般在0.9 0.99之间,从发射区注入的载流子绝大部分到达集电区，只有一小部分在基区复合,Ch1 Semiconductor1.4 BJT ,基础知识,Sect,ECEB,共发射极连接：,输入电流,输出电流,共射直流 放大系数,当IB=0时,穿透电流,由IBICBO,Ch1 Semiconductor1.4 BJT ,基础知识,Sect,共基交流电流放大系数,共射交流电流放大系数,=IC/IBVCE=C,=IC/IE VCB=C,共射电路的电压放大倍数,共发射极连接：,Ch1 Semiconductor1.4 BJT ,基础知识,Sect,三极管的三种组态,双极型三极管有三个电极，其中两个可以作为输入, 两个可以作为输出，这样必然有一个电极是公共电极。三种接法也称三种组态：,共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示;,共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示。,共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示；,Sect,Ch1 Semiconductor1.4 BJT ,基础知识,BJT的特性曲线,三极管的伏安特性,指管子各电极的电压与电流的关系曲线,B是输入电极，C是输出电极，E是公共电极。 Ib是输入电流，Ube是输入电压，加在B、E两电极之间。 IC是输出电流，Uce是输出电压，从C、E两电极取出。,输入特性曲线: Ib=f(Ube) Uce=C 输出特性曲线: IC=f(Uce) Ib=C,本节介绍共发射极接法三极管的特性曲线：,三极管输入特性曲线,1. Uce=0V时，发射极与集电极短路，发射结与集电结均正偏，实际上是两个二极管并联的正向特性曲线。,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，且基区复合减少， IC / IB 增大，特性曲线将向右稍微移动一些。但Uce再增加时，曲线右移很不明显。通常只画一条。, 非线性区, 死区, 线性区,正常工作区，发射极正偏 NPN Si: Ube= 0.60.7V PNP Ge: Ube= -0.2-0.3V,Ch1 Semiconductor1.4 BJT ,基础知识,Sect,三极管输出特性曲线,IC=f(Uce) Ib=C,饱和区: (1) IC受Uce显著控制的区域，该区域内Uce的数值较小，一般Uce0.7V(硅管)。 发射结正偏，集电结正偏 (2) Uces=0.3V左右,截止区：Ib=0的曲线的下方的区域 Ib=0 Ic=Iceo NPN：Ube0.5V,管子就处于截止态 通常该区：发射结反偏，集电结反偏。,输出特性曲线可以分为三个区域:,Ch1 Semiconductor1.4 BJT ,基础知识,Sect,三极管输出特性曲线,放大区IC平行于Uce轴的区域，曲线基本平行等距。 (1) 发射结正偏，集电结反偏，电压Ube大于0.7V左右(硅管) 。 (2) Ic=Ib,即Ic主要受Ib的控制。 (3) ,判断三极管工作状态的依据：,饱和区:,发射结正偏，集电结正偏,截止区：,发射结反偏，集电结反偏,或：,Ube0.5V（Si),Ube0.2V（Ge),Ch1 Semiconductor1.4 BJT ,基础知识,Sect,Sect,Ch1 Semiconductor1.4 BJT ,应用基础,BJT的参数, ICM 集电极最大允许电流,当集电极电流增加时， 就要下降，当值下降到线性放大区值的2/3时所对应的最大集电极电流,极限参数,当ICICM时，三极管并不一定会损坏。, PCM 集电极最大允许功耗,集电极电流通过集电结时所产生的功耗， PCM= ICVCBIC VCE ， 因发射结正偏，呈低阻，所以功耗主要集中 在集电结上。在计算时往往用VCE取代VCB 。,Ch1 Semiconductor1.4 BJT ,应用基础,Sect,极限参数,反向击穿电压,表示三极管电极间承受反向电压的能力,V (BR) CBO V (BR) CES V (BR) CER V (BR) CEO,Ch1 Semiconductor1.4 BJT ,应用基础,Sect,直流参数,1.集电极基极间反向饱和电流Icbo Icbo的下标cb代表集电极和基极， O是Open的字头，代表第三个电极E开路。 Ge管：A量级 Si管：nA量级,2.集电极发射极间的穿透电流Iceo Iceo和Icbo有如下关系 Iceo=（1+ ）Icbo 相当基极开路时，集电极和发射极间的反向饱和电流,Ch1 Semiconductor1.4 BJT ,应用基础,Sect,电流放大系数,共基直流电流放大系数,共基交流电流放大系数,共射交流电流放大系数, =ic/ib,=ic/ie,共射直流电流放大系数,Ch1 Semiconductor1.4 BJT ,应用基础,Sect,1.5 场效应管FET,1.5.0 半导体器件的控制类型,1.5.1 JFET,1.5.2 MOSFET,Ch1 Semiconductor1.5 FET ,基础知识,Sect,1.5.0 半导体器件的控制类型,电流控制,电压控制,FET与BJT的区别,1. BJT是电流控制元件；FET是电压控制元件。 2. BJT参与导电的是电子空穴，因此称其为双极型器件； FET是电压控制元件，参与导电的只有一种载流子， 因此称其为单级型器件。 3. BJT的输入电阻较低，一般102104； FET的输入电阻高，可达1091014,场效应管的分类,结型场效应管JFET,MOS型场效应管MOSFET,Ch1 Semiconductor1.5 FET ,基础知识,Sect,Ch1 Semiconductor1.5 FET ,基础知识,Sect,1.5.1 JFET,结型场效应管的分类,结型场效应管的结构,结型场效应管的工作原理,结型场效应管的特性曲线, JFET结构, JFET分类,可分为N沟道和P沟道两种，输入电阻约为107。,G,S,D,N沟道结型场效应管,导电沟道,Ch1 Semiconductor1.5 FET ,基础知识,Sect, JFET工作原理,根据结型场效应三极管的结构，因它没有绝缘层，只能工作在反偏的条件下，对于N沟道结型场效应三极管只能工作在负栅压区，P沟道的只能工作在正栅压区，否则将会出现栅流。现以N沟道为例说明其工作原理。,预夹断,UGS=UP 夹断状态 ID=0,Ch1 Semiconductor1.5 FET ,基础知识,Sect,当UGS=0时，沟道较宽，在UDS的作用下N沟道内的电子定向运动形成漏极电流ID。 当UGS0时，PN结反偏，PN结加宽，漏源间的沟道将变窄，ID将减小， 当UGS继续向负方向增加，沟道继续变窄，ID继续减小直至为0。 当漏极电流为零时所对应的栅源电压UGS称为夹断电压UP。, JFET工作原理,Ch1 Semiconductor1.5 FET ,基础知识,Sect, JFET特性曲线,UP,转移特性曲线,输出特性曲线,Ch1 Semiconductor1.5 FET ,基础知识,Sect,结型场效应管,N 沟 道 耗 尽 型,P 沟 道 耗 尽 型,Ch1 Semiconductor1.5 FET ,基础知识,Sect,Ch1 Semiconductor1.5 FET ,基础知识,Sect,1.5. 2 MOSFET,增强型MOSFET,耗尽型MOSFET, N沟道增强型MOS场效应管结构,增强型MOS场效应管,漏极D集电极C,源极S发射极E,栅极G基极B,衬底B,电极金属 绝缘层氧化物 基体半导体 因此称之为MOS管,Ch1 Semiconductor1.5 FET ,基础知识,Sect,当UGS较小时，虽然在P型衬底表面形成一层耗尽层，但负离子不能导电。 当UGS=UT时, 在P型衬底表面形成一层电子层，形成N型导电沟道，在UDS的作用下形成ID。,-,-,-,-,当UGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的PN结，无论UDS之间加上电压不会在D、S间形成电流ID,即ID0.,当UGSUT时, 沟道加厚，沟道电阻减少，在相同UDS的作用下，ID将进一步增加,开始无导电沟道， 当在UGSUT时才形 成沟道,这种类型的管 子称为增强型MOS管,Ch1 Semiconductor1.5 FET ,基础知识,Sect, N沟道增强型MOS场效应管特性曲线,增强型MOS管,UDS一定时，UGS对漏极电流ID的控制关系曲线 ID=f(UGS)UDS=C,转移特性曲线,UT,在恒流区，ID与UGS的关系为,IDK(UGS-UT)2,沟道较短时，应考虑UDS对 沟道长度的调节作用：,IDK(UGS-UT)2（1+UDS),K导电因子（mA/V2),沟道调制长度系数,n沟道内电子的表面迁移率 COX单位面积栅氧化层电容 W沟道宽度 L沟道长度 Sn沟道长宽比 K本征导电因子,Ch1 Semiconductor1.5 FET ,基础知识,Sect, N沟道增强型MOS场效应管特性曲线,UGS一定时， ID与UDS的变化曲线，是一族曲线 ID=f(UDS)UGS=C,输出特性曲线,1.可变电阻区： ID与UDS的关系近线性 ID 2K(UGS-UT)UDS,当UGS变化时，RON将随之变化 因此称之为可变电阻区 当UGS一定时，RON近似为一常数 因此又称之为恒阻区,Ch1 Semiconductor1.5 FET ,基础知识,Sect, N沟道增强型MOS场效应管特性曲线,输出特性曲线,2. 恒流区： 该区内，UGS一定，ID基本不随UDS变化而变,3.击穿区： UDS 增加到某一值时，ID开始剧增而出现击穿。 当UDS 增加到某一临界值时，ID开始剧增时UDS称为漏源击穿电压。,Ch1 Semiconductor1.5 FET ,基础知识,Sect, 漏源电压UDS对漏极电流ID的控制作用,UDS=UDGUGS =UGDUGS UGD=UGSUDS,当UDS为0或较小时，相当 UGDUT，,此时UDS 基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。在UDS作用下形成ID,Ch1 Semiconductor1.5 FET ,基础知识,Sect,Sect,基础知识,当UDS增加到使UGD=UT时，,当UDS增加到UGDUT时，,增强型MOS管, 漏源电压UDS对漏极电流ID的控制作用,这相当于UDS增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为预夹断。此时的漏极电流ID 基本饱和,此时预夹断区域加长，伸向S极。 UDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上， ID基本趋于不变。,Ch1 Semiconductor1.5 FET , MOS管衬底的处理,保证两个PN结反偏，源极沟道漏极之间处于绝缘态,NMOS管UBS加一负压,PMOS管UBS加一正压,Ch1 Semiconductor1.5 FET ,基础知识,Sect, N沟道耗尽型MOS场效应管结构,耗尽型MOS场效应管,+ + + + + + +, ,耗尽型MOS管存在 原始导电沟道,Ch1 Semiconductor1.5 FET ,基础知识,Sect, N沟道耗尽型MOS场效应管工作原理,当UGS=0时，UDS加正向电压，产生漏极电流ID, 此时的漏极电流称为漏极饱和电流，用IDSS表示 当UGS0时，将使ID进一步增加。 当UGS0时，随着UGS的减小漏极电流逐渐减小。直至ID=0。对应ID=0的UGS称为夹断电压，用符号UP表示。, N沟道耗尽型MOS场效应管特性曲线,转移特性曲线,在恒流区，ID与UGS的关系为,IDK(UGS-UP)2,沟道较短时，,IDK(UGS-UT)2（1+UDS),ID IDSS(1- UGS /UP)2,常用关系式：,Ch1 Semiconductor1.5 FET ,基础知识,Sect, N沟道耗尽型MOS场效应管特性曲线,输出特性曲线,N沟道耗尽型MOS管可工作在UGS0或UGS0 N沟道增强型MOS管只能工作在UGS0,Ch1 Semiconductor1.5 FET ,基础知识,Sect,各类绝缘栅场效应三极管的特性曲线,绝缘栅场效应管,N 沟 道 增 强 型,P 沟 道 增 强 型,Ch1 Semiconductor1.5 FET ,基础知识,Sect,绝缘栅场效应管,N 沟 道 耗 尽 型,P 沟 道 耗 尽 型,Ch1 Semiconductor1.5 FET ,基础知识,Sect,场效应管的主要参数,直流参数,交流参数,极限参数,Ch1 Semiconductor1.5 FET ,应用基础,Sect,2. 夹断电压UP 夹断电压是耗尽型FET的参数，当UGS=UP 时,漏极电流为零。,3. 饱和漏极电流IDSS 耗尽型场效应三极管当UGS=0时所对应的漏极电流。,Ch1 Semiconductor1.5 FET ,基础知识,Sect,4. 直流输入电阻RGS 栅源间所加的恒定电压UGS与流过栅极电流IGS之比结型场效应三极管，反偏时RGS约大于107， 绝缘栅场效应三极管RGS约是1091015。,5. 漏源击穿电压BUDS 使ID开始剧增时的UDS。,6.栅源击穿电压BUGS JFET：反向饱和电流剧增时的栅源电压 MOS：使SiO2绝缘层击穿的电压,Ch1 Semiconductor1.5 FET ,基础知识,Sect,1. 低频跨导gm 低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用,gm的求法: 图解法gm实际就是转移特性曲线的斜率 解析法：如增强型MOS管存在ID=K(UGS-UT)2,Ch1 Semiconductor1.5 FET ,基础知识,Sect,2. 衬底跨导gm b 反映了衬底偏置电压对漏极电流ID的控制作用,跨导比,Ch1 Semiconductor1.5 FET ,基础知识,Sect,3. 漏极电阻rds,反映了UDS对ID的影响，实际上是输出特性曲线上工作点切线上的斜率,4.导通电阻Ron,在恒阻区内,Ch1 Semiconductor1.5 FET ,基础知识,Sect,5. 极间电容,Cgs栅极与源极间电容 Cgd 栅极与漏极间电容 Cgb 栅极与衬底间电容 Csd 源极与漏极间电容 Csb 源极与衬底间电容 Cdb 漏极与衬底间电容,主要的极间电容有：,Ch1 Semiconductor1.5 FET ,基础知识,Sect,1.6 运放模型,Ch1 Semiconductor1. 6 OP ,基础知识,Sect,运算放大器,Ch1 Semiconductor1. 6 OP ,基础知识,Sect,运算放大器,Ch1 Semiconductor1. 6 OP ,基础知识,Sect,运算放大器,Ch1 Semiconductor1. 6 OP ,基础知识,Sect,理想运放,1. 开环电压增益AV= 2. 输入电阻Ri= 3. 输出电阻Ro=0 4.频带宽度B= 5.共模抑制比CMRR= 6.失调、漂移和内部噪声为零,主要条件,条件较难满足， 可采用专用运放 来近似满足。,Ch1 Semiconductor1. 6 OP ,基础知识,Sect,理想运放应用举例,由4个理想运放组成的电路如图，求uo 。,Ch1 Semiconductor1. 6 OP ,基础知识,Sect,理想运放的工作状态,1. 理想运放的同相和反相输入端电流近似为零,2. 理想运放的同相和反相输入端电位近似相等,虚断,虚短,在运算放大器处于线性状态时，可以把两输入端视为假想短路简称虚短。,虚地,如将运放的同相端接地，即VP =0，则VN =0,即反相端是一个不接“地”的“地”，称为虚地。,由于理想运放的输入电阻非常高，可以把两输入端视为等效开路简称虚断。,半导体器件的命名,Ch1 Semiconductor,应用基础,中国国标命名：,Ch2 基本小信号放大器,2.1 共e放大器和图解法,2.2 微变等效电路分析法,2.3 工作点的稳定,2.4 BJT放大器其他组态,2.5 FET放大器,2.6 OP、 BJT与FET的比较,2.7 多级放大器,2.1 共e放大器和图解法,2.1.1 共e放大器,2.1.2 放大器的图解分析法,Ch2 Basic Amplifier2.1 CE Amp,基础知识,Sect,2.1.1 共e放大器,放大的概念,放大器的工作原理,放大器的静态分析,放大器的动态分析,基础知识,放大的概念,Sect,Ch2 Basic Amplifier2.1 CE Amp,基本放大电路一般是指由一个三极管组成的三种基本组态放大电路。,1.放大电路主要用于放大微弱信号，输出电压或电流在幅度上得到了放大，输出信号的能量得到了加强。,2.输出信号的能量实际上是由直流电源提供的，只是经过三极管的控制，使之转换成信号能量，提供给负载。,基础知识,基本放大电路的组成,Sect,Ch2 Basic Amplifier2.1 CE Amp,简化：,1. 两个电源用一个Ec,去掉Eb,Rb改接由Ec供电,2. 公共端接地，设其电位为0，其他各点电位以它做参考点。因此可不画Ec,只标出极性和大小。,放大电路的静态分析,静态,Ui=0时，放大电路的工作状态，也称直流工作状态。,静态分析,确定放大电路的静态值IB、IC、UCE,即静态工作点Q。静态工作点的位置直接影响放大电路的质量,静态分析方法,计算法,图解分析法,1. 计算法,借助于放大电路的直流通路来求,直流通路是能通过直流的通道。将电路中的耦合电容和旁路电容开路，即可得到。,放大电路的静态分析,1. 计算法,Si管：UBE=0.6V0.7V,Ge管:UBE=0.2V0.3V,（2）求静态值,（1） 首先画出直流通路,求解顺序是先求IBICUCE,UCE=EC-ICRC,2. 图解法,放大电路的输入和输出直流负载线,三极管的输入和输出特性曲线,确定静态工作点,（1）由输入特性曲线和输入直流负载线求IBQ、UBEQ,UBE=EC-IBRb, 直流负载线,Ec/Rb,Ec,IB,Q,- 1/Rb,作出直流负载线，直流负载线和输入特性曲线的交点即是静态工作点Q，由Q可确定IB、UBE,放大电路的静态分析,UCE=EC-ICRc, 直流负载线,（1）由输入特性曲线和输入直流负载线求IB、UBE,工作原理,2. 图解法,（2）由输出特性曲线和输出直流负载线求IC、UCE,求两点,IC=0 UCE=EC,UCE=0 IC=EC/Rc,作出直流负载线，直流负载线和输出特性曲线的有多个交点。,只有与iB=IB对应的那条曲线的交点才是静态工作点,放大电路的静态分析,2. 图解法,由图可见：,如改变Ib的数值，便可改变静态工作点的位置，从而影响放大电路的放大质量,放大电路的静态分析,1.由直流负载列出方程 UCE=UCCICRc 2.在输出特性曲线上确定两个特殊点,即可 画出直流负载线。,关键：直流负载线的确定方法：,3.在输入回路列方程式UBE =UCCIBRb,4.在输入特性曲线上，作出输入负载线，两 线的交点即是Q。,5.得到Q点的参数IB、IC和UCE。,2. 图解法,EC 、 EC /Rc,放大电路的静态分析,动态,有输入信号Ui0时，放大电路的工作状态，也称交流工作状态,1. 放大电路的交流通路,动态分析,确定放大电路的放大倍数AU 或AI 输入电阻ri和输出电阻ro,（1） 将放大电路中电容视作短路,交流通路的画法：,（2） 直流电源电阻很小，对交流可视作短路,即可得到放大电路的交流通路,放大电路的动态分析,1. 放大电路的交流通路,2. 放大电路的工作过程,当有交流信号ui加到放大器的输入端时，晶体管各点的电压和电流将在静态值基础上叠加一交流分量，此时电路中的信号即有直流，又有交流。,放大电路的动态分析,ui,uo,规定,直流分量：,大写字母、大写下标,交流分量：,小写字母、小写下标,交直流叠加量：,小写字母、大写下标, 放大电路交流（动态）分析,2. 放大电路的工作过程,三极管放大作用,变化的 通过 转变为 变化的电压输出,ui ube ib ic(ib) icRc uce uo,uo与ui的极性相差1800,uce= -icRL, 放大电路的放大倍数,输出信号的电压和电流幅度得到了放大，所以输出功率也会有所放大。对放大电路而言有电压放大倍数、电流放大倍数和功率放大倍数,通常它们都是按正弦量定义的。,电压放大倍数定义为,电流放大倍数定义为,基础知识,Sect,Ch2 Basic Amplifier2.1 CE Amp,Ch2 Basic Amplifier2.1 CE Amp,基础知识,Sect,2.1.2 放大器的图解分析法,通过作图的方法求AU、AI及放大电路的最大不失真电压, 交流负载线,交流负载线确定方法： 1. 通过输出特性曲线上过Q点做一条斜率为1/RL直线。,2.交流负载电阻RL= RLRc,3.交流负载线是有交流输入信号时，工作点Q的运动轨迹。,比直流负载线要陡, 图解分析方法,1. 求出静态工作点Q,2. 画出交流通路，求出交流负载电阻,RL=Rc/RL,3. 以Q为基准，在输入特性曲线上，根据ui的变化波形求出ib的波形及幅值Ibm,作出交流负载线, 图解分析方法,不截止 Ucm1,不饱和 Ucm2, 图解分析方法,6. 求增益,AU=Ucm/Uim,AI=Icm/Iim,7. 确定放大器的最大工作范围-最大不失真电压,Ucm=min(Ucm1,Ucm2),通过图解分析，可得如下结论： 1.ui uBE iB iC uCE uo 2.uO与ui相位相反； 3.可以量出放大电路的电压放大倍数； 4.可以确定最大不失真输出幅度。,饱和失真,截止失真,由于放大电路的工作点 达到了三极管的饱和区 而引起的非线性失真。,由于放大电路的工作点 达到了三极管的截止区 而引起的非线性失真。,波形的失真,双向失真,放大电路要想获得大的不失真输出幅度，需要：,1.工作点Q要设置在输出特性曲线放大区的中间部位；,2.要有合适的交流负载线。,3. 输入信号的幅度不能太大,工作点位置合适 信号过大 而引起的非线性失真。,基础知识,Sect,Ch2 Basic Amplifier2.1 CE Amp,2.2 微变等效电路分析法,2.2.1 H参数等效电路,2.2.2 微变等效电路分析法,Ch2 Basic Amp2.2 H Parameter,基础知识,Sect,2.2.1 H参数等效电路, 共射h参数模型,模型建立：,小信号、,忽略晶体管的电容效应和非线性,输入特性曲线：,输出特性曲线：,取全微分：, 共射h参数模型,hie=Ube/ IbUce=C,称为输入电阻，即 rbe,称为反向电压传输系数。 也称电压反馈系数,hfe=Ic/ IbUce=C,称为电流放大系数，即。,称为输出电导，即1/rce。, 共射h参数模型,Ib,Ic, 共集h参数模型, 共基h参数模型,三种组态的h参数的关系如表所示p38，三种h参数是可以互换,例：,已知三极管共射h参数:,hie=1.4K hre=3.3710-4 hfe=44 hoe=27 10-6S,该三极管连成共基电路，求它的共基h参数值,解：,共射和共基的反向传输系数很小，输出电阻都很高。,h参数简化模型,简化条件：,1. RL1