【电子】模拟电子技术基础 上交大 郑益慧主讲（模拟电路/模电 讲课水平堪比华成英

第一章 常用半导体器件

1.1基础知识

1.1.1本征半导体

一.半导体

1.概念

2.本征半导体:纯净的,具有晶体结构的半导体

二.半导体的晶体结构

三.载流子

1.本征激发:热运动使自由电子逃脱,形成空穴和自由电子

2.自由电子

3.空穴

4.复合:本征激发的逆过程

四.载流子的浓度

和温度有关

1.1.2杂志半导体

一.概念:掺入少量的杂志元素

二.N型半导体:掺入P,自由电子是多子,空穴是少字.温度升高对少子影响更大

三.P型半导体:掺入B

1.1.3PN结

一.PN结的形成

1.扩散运动

2.空间电荷区:耗尽层,阻挡层,PN结

3.漂移运动:扩散运动的逆过程,与扩散运动平衡

4.对称结:PN结两边浓度一致 不对称结:两边浓度不一致

二.PN结的单向导电性

1.外加正向电压:死区

2.外加反向电压:反向饱和电路(少子形成)

三.PN结的电流方程

四.PN的伏安特性

1.正向特性:死区

2.反向特性

(1)雪崩击穿:掺杂浓度低时,PN结足够长,形成类似粒子加速器,击穿共价键,温度越高,雪崩击穿的电压越高

(2)齐纳击穿:掺杂浓度高时,PN结窄,电场大,直接使电子脱离共价键,温度越高,齐纳击穿的电压越低

五.PN结的电容效应

1.势垒电容

2.扩散电容 非平衡少子

电压增加 浓度上升 电荷量增加 反之

1.2半导体二极管

1.2.1常见结构

1.2.2伏安特性

一.伏安特性(与PN结相比)

1.体电阻的存在,电流比PN结小

2.反向电流大一些

二.温度的影响

1.T升高,正向电压左移,反向电压下移

1.2.3二极管的主要参数

一.IF:最大整流电流

二极管长期工作时候所能通过的正向平均电流的最大值

二.UR最高反向电压

三.IR未击穿时最高反向电流

四.FM最高工作频率

1.2.4二极管的等效电路(正向应用)

一.等效电路(直流)

例:限伏电路

三.二极管的微变等效

1.2.5稳压二极管(反向应用)

一.特点:利用二极管反向击穿的伏安特性,可以起到稳压的特性,可以通过改变PN结内部元素含量改变稳定电压,其中7V以上,以雪崩击穿为主,温度系数为正.4V以下,以齐纳击穿为主,温度系数为负

二.伏安特性

三.主要参数: 稳定电压UZ 温度系数α

使用时先判断二极管是否处于击穿状态

1.3双极晶体管BJT

1.3.1结构及类型

一.构成方式

三个区域，三个电极，两个PN结

发射区载流子浓度比集电区高的多

基区浓度低，非常薄

1.3.2电流放大作用

一.放大

二.基本共射放大电路

发射极正偏，集电级反偏

三.晶体管内部载流子的运动

四.放大倍数

直流放大倍数，交流放大倍数

ICEO（基极开路时的穿透电流）

1.3.3 BJT共射特性曲线

一.输入特性

IB和UBE之间的关系(UCE不变)

随着UCE增大,曲线右移,当UCE到达1V时不变

二.输出特性

IC和UCE之间的关系(IB不变)

随着UCE增大,当集电区反偏时,三极管工作在放大状态下,IC和IB成比例

饱和概念(双结正偏)

1.放大区:IB=βIC

2.截止区:双结反偏 c,e断路

3.饱和区:双结正偏 c,e开关闭合,此时βIB>ICMAX ICMAX=VCC/RC

1.3.4主要参数

1.3.5温度的影响

一.输入特性

温度升高,曲线左移

二.输出特性

1.4场效应晶体管(FET)

1.4.1结型场效应管

结型场效应管转移特性曲线

结型场效应管输出特性

区别:结型场效应管UGS不能大于0,否则PN结导通

1.4.2绝缘栅型场效应管 MOS管

一.N沟道增强型MOS管

1.结构: g栅极 s源极 d漏极

2.工作原理

预夹断进入恒流区后 ID只于UGS相关

二.N沟道耗尽型MOS管

天生有沟道

1.4.3场效应管的特性曲线与参数

一.特性曲线

1.转移特性曲线

2.输出特性曲线

恒流区用于放大

总结

二.参数

1.直流参数

UDSTH 增强型

UGSOFF 结型or耗尽型

IDSS RGSDC

2.交流参数

跨导(低频) gm=dID/dUGS(UDS是常数)

极间电容

第二章.基本放大电路

2.1放大电路的构成

2.1.1放大的概念

一.特征:功率的放大

二.本质:能量的控制

三.必要条件:有源元件

四.前提:不失真

五.测试信号:正弦波

2.1.2怎样构建基本放大电路

一.目标:小功率信号->大功率

二.条件:1.元件 2.电源

三.技术路线

1.三极管->放大状态

2.小信号->IB(UBE)

3.合理的输出

四.放大电路

1.直接耦合

2.阻容耦合

电容的作用:通过交流,阻隔直流

五.工作原理

2.2性能指标

一.示意图

Ri越大越好

R0越小越好

二.放大倍数 Auu Aui Aiu Aii

三.Ri

四.R0

五.通频带

低频或高频都没有放大作用

六.非线性失真

七.最大不失真电压

八.最大输出功率与效率

2.3分析方法

2.3.1直流通路与交流通路

一.直流通路

Ui=0,电容断路,电感短路

二.交流通路

1.直流源置0

2.电容短路

2.3.2图解法(交流)

2.3.3等效电路法

一.直流通路

1.Q点,判断是否在放大区

2.rbe

直流电压->Q点位置->Q点斜率->rbe

二.交流通路

1.直流置0,电容短路,作出交流通路

2.三极管等效为rbe和一个受控源

例:

三.解题思路

1.基础知识

UBE的变化引起IB变化

IEQ=(1+β)IBQ

ICQ=βIBQ

rbe=rbb+(1+β)(UT/IEQ)

不可能在一个电路中既有rbe和VCC

2.先直流通路,求出三极管工作状态以及rbe

3.后交流通路

结论:

R0=RC

2.4放大电路Q点的稳定

2.4.1必要性

一.对Q点影响

1.温度

二.稳定Q点的思路

一构成:阻容式(不能集成)

直接耦合

其他

基本共集放大电路

基本共基放大电路

2.6派生电路

2.6.1复合管放大电路

一.复合管的组成

二.场效应管的分析过程

共源

VGG和Rg的作用 形成沟道

VDD和Rd的作用 工作在恒流区

等效过程

rds可忽略

第三章 多级放大电路

共集放大电路:输入电阻大,输出电阻小,能放大电流,不能放大电压

共射放大电路:能放大电流和电压,输出电阻大,输入电阻小

3.1耦合方式

3.1.1直接耦合

缺点:调试,Q点

优点:低频特性好,易于集成

3.1.2阻容耦合

优点:调试容易,稳定Q点容易

缺点:f低出事,不利于集成

3.1.3变压器耦合

3.1.4光电耦合

抗干扰

3.2动态分析

多级放大电路一级一级分析,切记不能切割单独一级断路分析

3.3直接耦合放大电路

3.3.1.零点偏移

一.产生原因:温漂

二.抑制温漂的方法:

3.3.2差分放大电路

一.电路的构成

共模信号:UI2=UI1

差模信号:UI2=-UI1 大小一致,方向相反

共模信号进来Re双倍,差模信号进来Re消失

二.长尾式差分放大电路分析（双入双出）

三.其他接法

1.双入单出

2.单入双出

转化成双入双出

四.改进

改为恒流源

3.3.3直接耦合互补输出电路

一.基本要求

输出电阻小,功率加大,输出电压(不失真),效率高

二.共集电路能完全满足要求吗?

效率太低

三.工作状态

1.甲类:无失真,效率低 360°导通

2.乙类:只有半个波型 180°导通

3.甲乙类:比乙类多一点 >180°

4.丙类:比乙类小 <180°

四.互补输出级电路（OCL）

交越失真：三极管的发射结有开启电压，克制死区

五.消除交越失真

此时工作状态在甲乙类

倍增电路（更灵活）

3.3.4直接耦合放大电路

输入极:消除温漂,消除干扰

共射放大电路:极高的放大倍数

输出极:输出电阻低(因为是共集),功耗小(因为工作状态是甲乙类),对管子要求低得多

等效电路

(P23,P24,P25在学完电路基础后重看)

第五章 放大电路的频率响应

阻容耦合

低频：耦合电容

高频：极间电容

5.1频率响应概述

5.1.1必要性

5.1.2基本概念

一.高通电路（耦合电容引起）

下限截止频率：幅值下降到根号二分之一时的频率

U0超前

二.低通电路（极间电容）

U0滞后

5.1.3波特图（双对数坐标）

0dB（分贝）无放大无衰减

f=fl时 -3dB

频率每升高十倍 上升20dB

画波特图，找fl是关键

fl对应的向频图是45度

5.2晶体管高频等效模型

5.2.1混合π模型

一.完整的π模型

物理模型

5.2.2混合π模型的简化

Cμ''可忽略

Cμ'=(1-k)Cμ

k=Uce/Ub'e

Cμ'不是固定的,是随电路状态不断变化的

rb'e=(1+β)(UT/IEQ)

gm=β/rb'e约等于IEQ/UT

5.2.2β的频响

fβ=1/(2πrb'eC'π)

三.fT=β0fβ

5.4单管放大电路的频响

5.4.1单管共射

一.π模型等效

直流通路->EQ->rb'e,gm

求ft->Cπ

π模型适用于低频 中频 高频,

在中低频π模型和h模型同样适用

C'π与k相关,在不断变化,用中频段求出的k近似高频段的k

二.中频段

相对于π模型,C'π断路,C短路(C'π=Cπ+C'μ,Cμ'=(1-k)Cμ)

三.低频段

相对于π模型,C'π断路

四.高频段

相对于π模型,C短路

五.结论:

重点是求Fl,Fh

Fl就是电容C前端整个电路做戴维南等效得电阻

5.4.3增益带宽积

5.5多级放大电路的频响

总相移和增益是各级放大电路相移与增益之和

表现在放大倍数上是相乘，表现在分贝上是相加，二级为例，此时中频段40dB每十倍频

二.截止频率

极数越多，fl越大，fh越小，通频带越窄

第四章 集成运放放大电路

本章重点在于电流源的作用：

1.提供静态电流，提供静态工作点，当电源

2.当负载，取代放大电路里的Rc，Re

4.1概述

4.1.3电压传输特性

（开环）U0=Aod（Up-Un） 必须在线性区，确保U0不能超过VCC

4.2.1基本电流源

一.镜像

只要调节R，就能控制IC1

缺点：要IC大，IR也就很大，消耗电功率和产生让太多

二.比例电流源

IC0约等于IR

优点：既省功率，又能得到大功率

三.微电流源

相比比例电流源，Reo=0

4.2.2改进型电流源

一.加射极输出器

加个放大电路，防止β太小的情况

Re2的作用：提高IE2，使放大倍数增大

二.威尔逊电流源

作用：1.减小β的影响 2.稳定输出电流,减小温度对电路的影响

一.基本放大电路

要匹配

二.差放

镜像电流源->电流加倍->输出加倍->共模信号再次被抑制

镜像电流源 镜像电流源

差放 共射 互补输出

比例电流源 微电流源

第六章 放大电路中的反馈

6.1基本概念及判断

6.1.1基本概念

一.反馈:值得注意的是 反馈信号仅仅与输出量有关

二.正,负反馈

净输入量=输入量+反馈量

三.交直流反馈

6.1.2反馈的判断

一.反馈的存在与否

1.结构上:要回来 2.存在反馈量

二.反馈的极性

1.干输入量,输出端

运放的输入端是两个端子,三极管的输入端是be,差放是....场效应管是gs

三极管以及场效应管都是电压变化引起电流变化

2.判别流程(瞬时极性法)

(1)输入端给+ 推出 输出量是+or- 推出 给信号源后输入端的响应. 若响应为+,则为正反馈,反之,响应为-,为负反馈

3.运放的虚短虚断

虚断:Rid->∞ 运放正负极之间电流极小,一直成立

虚短 Up=Un 运放正负极电压几乎一致,在运放工作在线性工作区时成立

三.交直流的判别

直接耦合既有交流也有直流反馈

直流负反馈的作用就是稳定静态工作点

交流正反馈的作用波形发生

6.2负反馈交流放大电路的组态

6.2.1判别

一.从输出端，电压电流负反馈

输出电压u0=0，若反馈信号为0，则为电压负反馈

图示一 电压负反馈

图示二 电流负反馈

Re是非常典型的电流负反馈

二.串并联反馈

叠加方式

串联说明输入信号和负反馈信号都是电压信号

并联说明输入信号和负反馈信号都是电流信号

若输入信号和负反馈信号是不同端子，则是串联反馈

若输入信号和负反馈信号是相同端子，则是并联反馈

6.2.2四种组态

1.1电压串联负反馈

电压放大

1.2电流串联负反馈

电压变电流

1.3电压并联负反馈

电流变电压

1.4电流并联负反馈

电流放大

6.3.1负反馈放大电路的方块图表示法

一.各量的关系

A是基本放大电路的放大倍数

F是反馈系数

二.闭环放大倍数(Af)

三.环路放大倍数

四.|1+AF|反馈深度,当A非常大时为深度反馈

五.深度反馈下的Af=A/(1+AF)当A很大时约等于1/F

在集成运放中引入负反馈一定是深度负反馈(A非常大),此时净输入量Up-Un可以忽略,这就是虚短的概念

6.3.2四种组态电路的方块图

a对应电压串联

b对应电流串联

c对应电压并联

d对应电流并联

6.4深度负反馈放大电路分析

一.步骤

1.判别组态，反馈网络

2.F

3.Af=1/f

4.Auuf

二.各种组态分析

1.电压串联

2.电流串联

3.电压并联

4.电流并联

6.5负反馈对放大电路性能的影响

6.5.1稳定放大倍数

代价是降低放大倍数，系数是（1+AF）

6.5.2改变输入输出电阻

一.对输入电阻

串联增加（1+AF）倍，并联减小（1+AF）倍

二.对输出电阻

1.电压型：缩小（1+AF）倍

2.电流型：增大（1+AF）倍

6.5.3展宽频带

fh提升（1+AF）倍，同理放大倍数下降（1+AF）倍

6.5.4减小非线性失真

只能解决A的问题，若Xi本身有问题，则不能解决，只能解决放大电路的非线性引起的问题

6.6负反馈放大电路的稳定性

6.6.1自激震荡的原因

一.原因

进入高频段A和F每一极都有相移

（高频段的响应 每多一个三极管就多一个极 高频低通放大电路，低频段有几个高通电路和有几个耦合电容相关）

当A的相移和F相移之和为180时

-变+ 负反馈变正反馈

二.平衡条件

1.当A的相移和F相移之和为180

2.AF=1

起振时 AF＞1

单极放大电路不会自激震荡，因为AF相移最大90度

单极放大电路不会自激震荡，因为AF相移180度时,A很小,AF不会大于1

三四都会自激震荡,越高越危险

第七章 信号的运算和处理

7.1基本运算电路

一.概述 虚短:Up=Un

虚断:iI=0,iN=ip=0(只有运放工作在线性工作区时才成立)

叠加原理

1.比例运算电路

R的作用是提高输入阻抗

Un是在ui和u0共同作用下产生的,可以用叠加原理

结果:y=-kx

电压并联负反馈 Up=Un=0

2.T型

二.同相比例

电压串联 输入电阻非常大 所以Up=Un=Ui

R'是平衡电阻阻值是R并Rr

三.电压跟随器

作用:增大功率,增大输入电阻

四.求和

1.反相求和运算电路

2.同相求和

二.加减

缺点:输入电阻小

改进:

7.1.4微积分

积分

Rf是保护电阻,防止C饱和

微分

C和R换位置

二极管是保护作用,C1是补偿相位

7.1.5对数,指数运算

PN结电压和电流成指数关系

反函数运算

7.2模拟乘法器及其应用

7.2.1简介

一.电路及符号

二.理想:

ri1,ri2无穷大,r0趋近0,k不变

结果:△u0=k△ux*△uy

三.四个象限

7.2.2应用

一.乘方运算

1.平方

2.三次方四次方

3.N次方运算

二.除法

条件:kui1>0

结果:uo=k(ui2/ui1)

三.开方运算

条件

若ui<0则必须k>0 否则正反馈

若ui>0则必须k<0 否则正反馈

解决方法

7.4预处理的放大器

7.4.1仪表用放大器

一特点:

1.前端传感器内阻不稳定

2.信号弱

3.大的共模信号

二.基本电路

好处:

1.消除共模信号

2.输入电阻大,放大倍数高

例子

8.1正弦波振荡电路

8.1.1概述

一.产生振荡的条件

f=f0

AF=1

要求事先有f=f0充当点火的作用

得到f的方法是从杂波中傅里叶变换出f0的波形令f0 AF>1,令非f0 AF<1

振荡条件:AF=1,Xi=Xf 即φa+φf=2nπ

起振条件:AF>1

二.组成

放大电路,正负反馈,选频电路,稳幅电路

三.判别

1.组成电路齐全

2.放大电路能否正常工作(能放大一定倍数即可)

3.相位平衡条件(存在正反馈)

4.AF>1

8.1.2RC正弦波振荡电路

一.电路构成

二.选频电路

RC电路能制作高通电路与低通电路,高通与低通一起就可以达到选频的作用

w=1/RC的信号可以通过

此时要AF>1,则有1+Rf/R1>3

三.稳幅电路

要使振幅足够大是,AF变回等于1,则必须需要稳幅电路,思想是利用PN结温度敏感的特性

四.RC电路的特点

优点:频率稳定,缺点: 频率不能太高

8.3LC正弦波振荡电路

一.变压器反馈式振荡电路

简化

缺点:漏磁,耦合不紧密,信号有损失

改进

二.电感反馈式振荡电路

缺点:电流中容易含有高次谐波

三.电容反馈式振荡电路

共同点：中间引出一条线，作用是保证正反馈

确保电容式易于调节

四.石英晶体谐振器

1.等效电路和频率特性

f＜f0时，电路表现容性

f＞f0时，电路表现感性

f＞fp时，电路表现容性

2.串联并联

8.2电压比较器

8.2.1概述

一.电压传输特性 u0＝f（ui）

1.输出电压：Uoh Uol

2.Ui 发生跳变的Ui Up=Un时

3.跃变方向

二.比较器的种类

1.单限

2.双限

3.滞回

8.2.2单限比较器

一.过零比较器

二极管的作用是保护输入极,使Up和Un差值不会太大,r的作用是限流

二极管的作用是输出固定的电压

作用是不需要Rl很大,转换速度快,运放不需要退饱和

二.一般单限比较器

方法一:+向不接地

方法二:干扰ui

单限比较器的用处:锯齿波变方波,并能通过改变阈值改变占空比,常用与PWM

8.2.3滞回比较器

R1和R2的作用:用分压使阈值可调

Ut1和Ut2之间是容忍电压,既有可能是高电压也有可能是低电压

缺点:Ut1和Ut2必须关于0对称

改进:

使R1不接地,接UREF,此时Ut1,Ut2关于UREF对称

滞回比较器的用处

整形

8.2.4双限比较器

D1和D2的作用是保护电路

8.3非正弦波发生电路

8.3.1矩形波发生电路

一.核心:滞回比较器,电容器

二.电路构成

计算T

缺点:占空比不可调

改进

加电位器和二极管,使占空比可调

8.3.2三角波发生电路

方波积分->替换带电容充放电->三角波发生器

计算阈值电压的过程

根据定义,Up=Un时,UI的值即为阈值电压

8.3.3锯齿波发生电路

可以通过三角波调整占空比实现锯齿波

此时波形代表+Uz->电流要大->电阻要小->此时电位器上面电阻大下面电阻小

8.3.4波形变换电路

三角波变锯齿波思路:

当三角波处于上升沿时,三角波通过一个放大倍数为1的电路,而当三角波处于下降沿时,三角波通过一个放大倍数为-1的放大电路

电路构成:Uc可用三角波通过微分电路得到,通过开关M,实现放大倍数1与-1的转换,实现三角波变锯齿波

三角波变正弦波

折现法近似正弦波

8.4信号转换

8.4.1电压--电流

缺点:RL不接地

改进

此时,RL变化由于下面的正反馈电路,i0不会变化

电流电压转换电路

8.4.2精密整流

整流就是交流变直流

一.半波整流

ui>0时,D1不通,走D2通过Rf,放大倍数-1

ui<0时,D2不通,走D1不通过Rf

二.全波整流

思路:半波*2+正弦波=全波

上面2R就是*2,下面R就是正弦波

8.4.3压频转换

ui越大->i越大->充电时间短->决定T

开关接大电流,当滞回比较器到UT2时,开关接通,大电流瞬间打回UT1(与锯齿波发生电路类似)

高电平->开关关闭->电容放点->DZ打回-UZ

低电平电容充电,点电压大于比较值时出高电平