【电子基础】总结·模拟电路笔记

2019-04-13 10:52发布

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模拟电路基础By 成鹏致远资料#.三极管作用三极管的主要作用是电流放大，以共发射极接法为例（信号从基极输入，从集电极输出，发射极接地），当基极电压UB有一个微小的的变化时，基极电流IB也会随之有一小的变化，受基极电流IB的控制，集电极电流IC会有一个很大的变化，基极电流IB越大，集电极电流IC也越大，反之，基极电流越小，集电极电流也越小，即基极电流控制集电极电流的变化，但是集电极电流的变化比基极电流的变化大得多，这就是三极管的放大作用，IC的变化量与IB的变化量之比叫做三极管的放大倍数，三极管的放大倍数一般在几十到几百倍之间。第二个作用就是开关作用了，开关三极管的外形与普通三极管外形相同，主要用于电路的关与通的转换。由于它具有完成断路或接通的作用，被广泛用于开关电路，且具有开关速度快、寿命长等特点，而且普遍用于电源、稳压器电路、驱动电路、振荡电路、功率放大电路、脉冲放大电路及行输出电路等。开关三极管因功率的不同可分为小功率开关管和大功率开关管。#.场效应管是电压控制元件，而晶体三极管是电流控制元件。在只允许从信号源取较少电流的情况下，应选用场效应管；而在信号电压较低，又允许从信号源取较多电流的条件下，应选用晶体三极管。一.放大电路基本知识#.模拟信号：模拟信号的特点是，在时间上和幅值上均是连续的，在一定动态范围内可能取任意值。#.在信号分析中，按时间和幅值的连续性和离散性把信号分为4类：1）时间连续、数值连续信号 2）时间离散、数值连续信号 3）时间离散、数值离散信号 4）时间连续、数值离散信号  其中第1类就是所述的模拟信号#.数字电路系统，无法处理模拟信号，所以需要对其进行数字化转换，即离散化或量化处理。转换的第一步是对模拟信号取样，第二步是对取样信号的数字转换，转换由模数转换器实现。#.模拟信号放大原因。检测外部物理信号的传感器所输出的电信号通常是很微弱的。对这些能量过于微弱的信号，既无法直接显示，一般也很难作进一步分析；若对信号进行数字化处理，则须把信号放大到数伏量级才能被一般的模数转换器所接受。#.根据实际的输入信号和所需的输出信号是电压或者电流，放大电路可分为四种类型，即：电压放大、电流放大、互阻放大(把电流转换为与之相就变化的电压输出)和互导放大(把电压信号转换为与之相应变化的电流输出)。#.受控电压源：是一种非独立的电压信号源，它的输出受另一信号控制，并随信号线性变化。#.理想电压放大电路的输出电阻应为0，以尽量减小信号的衰减；信号衰减的另一个环节在输入电路，信号源内阻和放大电路输入电阻的分压作用，这里要求提高电压放大电路的输入电阻，理想电压放大电路的输入电阻应为无穷大。#.电压放大电路适用于信号源内阻较小且负载电阻较大的场合。#.受控电流源：是另一种受控信号源#.电流放大电路一般适用于信号源内阻较大而负载电阻较小的场合#.上述四种电路模型相互之间可以实现任意转换，一个实际的放大电路原则上可以取四类电路模型中任意一种作为它的电路模型，但是根据信号源的性质和负载的要求，一般只有其中一种模型在电路设计或分析中概念最明确，运用最方便。#.放大电路输入指标输入电阻：输入电阻的大小决定了放大电路从信号源吸取信号幅值的大小。R＝V／I。对输入为电压信号的放大电路，即电压放大和互导放大，R越大，则放大电路输入端的V越大；反之，输入为电流信号的放大电路，即电流放大和互阻放大，R越小，注入放大电路的输入电流越大。输出电阻：输出电阻的大小决定它带负载的能力。输出为电压信号的放大电路，即电压放大和互阻放大，R越小，负载电阻的变化对输出电压的影响越小，此种情况输出功率一般较低，对供电电源的能耗也较低，多用于信号的前置放大和中间级放大；对输出为电流信号的放大电路，即电流放大和互导放大，与受控电流源并联的R越大，负载电阻的变化对输出电流的影响越小，此种情况输出功率较大，电源供给的功率也较大，通常用于电子系统的输出级，可作为各种输出物理变量变换器的驱动电路。增益：电压增益、电流增益、互阻增益、互导增益，它们实际反映了放大电路在输入信号控制下，将供电电源能量转换为信号能量的能力。频率响应及带宽：实际的放大电路中总是存在一些电抗性元件，如电容、电感、电子器件的极间电容以及接线电容与接线电感等，因此，放大电路的输出和输入之间的关系必然和信号频率有关。放大电路的频率响应所指的是，在输入正弦信号情况下，输出随频率连续变化的稳态响应。#.直接耦合放大电路：有些放大电路的频率响应，中频区平坦部分一直延伸到直流，即下限频率为零，这种放大电路称为直流（直接耦合）放大电路。现代模拟集成电路大多采用直接耦合进行放大。#.幅度失真：受带宽限制，基波增益较大，而二次谐波增益较小，于是输出电压波形产生了失真#.相位失真：放大电路对不同频率的信号产生的相移不同时也要产生失真#.频率失真|线性失真：无论频谱函数还是相位谱函数发生变化，相应的时间函数波形都会由此而失真，幅度失真和相位失真总称为频率失真，它们都是由于线性电抗元件所引起的，所以又称为线性失真#.为使信号的频率失真限制在容许的程度之内，则要求设计放大电路时正确估计信号的有效带宽，即包含信号主要能量或信息的频谱宽度，以使放大电路带宽与信号带宽相匹配。二.半导体二极管及其基本电路2.1半导体基本知识#.半导体材料：硅是目前最常用的一种半导体材料；当半导体受到外界光和热的刺激时，其导电能力将发生显著的变化；在纯净的半导体中加入微量的杂质，其导电能力也会有显著的增加#.本征半导体：一种完全纯净的、结构完整的半导体晶体#.价电子：最外层原子轨道上的电子，物质的化学性质是由价电子决定的，半的导电性质也与价电子有关，因此，价电子是我们在研究的对象#.本征半导体：一种完全纯净的、结构完整的半导体晶体。半导体的重要物理特性是它的电导率，电导率与材料内单位体积中所含的电荷载流子的数目有关。电荷载流子的浓度愈高，其电导率愈高。#.空穴的出现是半导体区别于导体的一个重要特点#.空穴的移动方向和电子移动的方向是相反的，因而可以用空穴移动产生的电流来代表束缚电子移动产生的电流#.共价键中空穴或束缚电子移动产生电流的根本原因是由于共价键中出现空穴引起的。只有当共价键中出现了空穴以后，它才开始导电。#.半导体中的载流子数目就越多，因此形成的电流就愈大#.杂质半导体可分为空穴(P)型半导体和电子(N)型半导体两大类。#.P型半导体：掺入少量三价元素杂质，它与周围硅原子组成共价键时，因缺少一个电子，在晶体中便产生一个空位；在P型半导体中，空穴数远大于自由电子数，在这种半导体中，以空穴导电为主，因而空穴为多数载流子，自由电子为少数载流子。#.N型半导体：电子型半导体或N型半导体，在N型半导体中，电子为多数载流子，空穴为少数载流子；在掺入杂质后，载流子的数目都有相当程度的增加#.对半导体掺杂是提高半导体导电能力的最有效的方法2.2 PN结的形成及特性#.PN结的形成：P型半导体中含有受主杂质，在室温下，受主杂质电离为带正电的空穴和带负电的受主离子；N型半导体中含有施主杂质，在室温下，施主杂质电离为带负电的电子和带正电的施主离子。#.半导体中的正负电荷数是相等的，它们的作用互相抵消，因此保持电中性。#.在P型半导全和N型半导体结合后，在空位的交界处就出现了电子和空穴的浓度差。电子和空穴都是带电的，它们扩散的结果就使P区和N区中原来保持的电中性被破坏了#.半导体中的离子虽然也带电，但由于物质结构的关系，它们不能任意移动，因此并不参与导电。这些不能移动的带电粒子通常称为空间电荷，它们集中在P区和N区交界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区，这就是所谓的PN结#.在空间电荷区中就形成了一个电场，其方向是从带正电的N区指向带负电的P区，称为内电场。这个内电场的方向是阻止扩散的#.漂移运动的结果是使空间电荷区变窄，其作用正好与扩散运动相反。#.扩散运动和漂移运动是互相联系又互相矛盾的，扩散使空间电荷区加宽，电场增强，对多数载流子扩散的阻力增大，但使少数载流子的漂移增强；而漂移使空间电荷区变窄，电场减弱，又使扩散容易进行。当漂移运动达到和扩散运动相等时，便处于动态平衡状态#.PN结的空间电荷区存在电场，电场的方向是从N区指向P区的，说明N区的电位要比P区高，高出的数值用V表示，这个电位差称为接触电位差#.PN结空间电荷区内存在电子热能，电子要从N区到P区必须越过一个能量高坡，一般称为势垒，因此又把空间电荷区称为势垒区#.PN结的基本特性—单向导电性只有在外加电压时才显示出来#.外加正向电压：P区中的多数载流子空穴和N区中的多数载流子电子都要向PN结移动，结果使PN结变窄，这时耗尽区中载流子增加并变窄，因而电阻减小，所以这个方向的外加电压称为正向电压或正向偏电压，在PN结形成扩散电流，这时扩散运动将大于漂移运动；#.在正常工作范围内，PN结上外加电压只在稍有变化，便能引起电流的显著变化，因此电流是随外加电压急速上升的。这样，正向的PN结表现为一个很小的电阻#.外加反向电压：在这种外电场作用下，P区中的空穴和N区中的电子都将进一步离开PN结，使耗尽区厚度加宽，这样P区和N区中的多数载流子就很难越过势垒，因此扩散电流趋近于零；这种情况下，PN结内的电流由支配地位的漂移电流所决定#.此时漂移电流的方向与扩散电流相反，表现在外电路上有一个注入N区的反向电流Ir，它是由少数载流子的漂移运动形成的。由于少数载流子的浓度很小，所以Ir是很微弱的；在一定温度T下，由于热激发而产生的少数载流子的数量是一定的，电流的值趋于恒定，这时的反向电流Ir就是反向饱和电流；反向电流很小，所以PN结在反向偏置时，呈现出一个很大的电阻。#.PN结的正向电阻很小，反向电阻很大，这就是它的单向导电性。PN结的单向 导电性关键在于它的耗尽区的存在，且其宽度随外加电压而变化。#.反向击穿：如果加到PN结两端的反向电压增大到一定数值时，反向电流突然增加。这个现象就称为PN结的反向击穿(电击穿)。#.PN结电击穿的原因是：在强电场作用下，大大地增加了自由电子和空穴的数目，引起反向电流的急剧增加。#.当加在稳压管两端的反向电压降低后，管子仍可以恢复原来的状态，但它有一个前提条件，就是反向电流和反向电压的乘积不超过PN结容许的耗散功率，超过了就会因为热量散不出去而使PN结温度上升，直到过热而烧毁，这种现象就是热击穿，所以热击穿和电击穿的概念是不同的。2.3 半导体二极管#.半导体按其结构可分为点接触型和面接触型两类#.点接触型二极管金属丝很细，形成的PN结面积很小，所以极间电容很小，也不能承受高的反向电压和大的电流#.面接触型二极管的PN结面积大，可承受较大的电流，但极间电容也大#.二极管的V-I特性和PN结的V-I特性基本上相同#.P型半导体中的少数载流子-电子和N型半导体中的少数载流子-空穴，在反向电压作用下很容易通过PN结，形成反向饱和电流。但由于少数载流子数目很少，所以反向电流是很小的#.反向电流，其值愈小，则管子的单向导电性愈好#.PN结的势垒电容是用来描述势垒区的空间电荷随电压变化而产生的电容效应的#.PN结的空间电荷是随外加电压的变化而变化的#.势垒电容吸要外加电压改变时才起作用#.当外加电压频率越高时，每秒充放电次数越多，势垒电容的作用越显著#.势垒电容的大小与PN结面积S成正比，与耗尽区厚度成反比#.PN结的正向电流是由P区空穴和N区电子的相互扩散造成的#.扩散电容，它反映了在外加电压作用下载流子在扩散过程中积累的情况2.4 二极管基本电路及其分析方法#.二极管是一种非线性器件，因而二极管电路一般要采用非线性电路的分析方法#.参考电位点，或叫“地”，即电路的共同端点。电路中任一点的电位，都是对此共同端而言的#.恒压降模型：其基本思想是当二极管导通后，其管压降认为是恒定的，且不随电流而变#.折线模型：即认为二极管的管压降不是恒定的，而是随着通过二极管电流的增加而增加，所以在模型中用一个电池和一个电阻来作进一步的近似#.当电源电压远大于二极管管压降的情况下，恒压降模型能得出较合理的结果，但当电源电压较低时，折线模型能提供较合理的结果。2.5 特殊二极管#.稳压管的稳压作用在于，电流增量很大，只引起很小的电压变化。曲线愈陡，动态电阻愈小，稳压管的稳压性能愈好。#.稳压电路之所以能够稳定输出电压，在于当稳定电流Iz有较大幅度的变化△Iz时，而稳定电压的变化△Vz却小(二极管的反向输出特性)。这样，当V1或Rl变化时，电路能自动地高速Iz的大小，以改变R上的压降IrR，达到维持输出电压V0(Vz)基本恒定的目的#.变容二极管：结电容随反向电压的增加而减小，这种效应显著的二极管为变容二极管。#.当前一种新的趋势是，在信号传输和存储等环节中，可有效地应用光信号#.光电子系统的突出优点是，抗干扰能力较强，可大量地传送信息，而且传输 损耗小，工作可靠。#.光信号和电信号的接口需要一些特殊的光电子器件#.光电二极管的结构与PN结二极管类似，但在它的PN结处，通过管壳上的一个玻璃窗口能接收外部的光照。这种器件的PN结在反向偏置状态下运行，它的反向电流随光照强度的增加而上升。#.光电二极管可用来作为光的测量，是将光信号转换为电信号的常用器件#.发光二极管能以电流时将发出光来，这是由于电子与空穴直接复合而放出能量的结果#.发光二极管学用作为显示器件，除单个使用外，也常作成七段式或矩阵式器件；另一种重要的用途是将电信号变为光信号，通过光缆传输，然后再用光电二极管接收，再现电信号。#.小结：PN结的P型半导体与N型半导体的交界处形成一个空间电荷区或耗尽区。当PN结外加正向电压(正向偏置)时，耗尽区变窄，有电流流过，而当外加反向电压(反向偏置)时，耗尽区变宽，没有电流流过或电流极小，这就是半导体二极管的单向导电性#.PN结内部的空间电荷区是由带正电的正离子和带负电的负离子组成，进而形成内电场，当外加正向电压时，会促使PN结中空间电荷区两端的空穴和电子进入空间电荷区(扩散运动>漂流运动)，空穴进入空间电荷区后就中和了部分带负电的负离子，电子进入空间电荷区后就中和了部分带正电的正离子，所以导致空间电荷区的厚度变窄了，但是载流子数目的增多使电阻变小，所以加正向电压时会导通；外加反向电压时情况可自行分析。#.二极管电路的分析，主要采用模型分析法。在分析忡的静态情况时，根据输入信号的大小，选用不同的模型；只有当信号很微小时，才采用信号模型三.半导体三极管及放大电路基础#.根据结构不同，BJT(半导体三极管)可分成两种类型：NPN型和PNP型#.NPN型：虽然发射区和停电区都是N型半导体，但是发射区比集电区掺的杂质多；在几何尺寸上，集电区的面积比发射区的大。因此它们并不是对称的#.BJT有两个PN结：发射区与基区交界处的PN结称为发射结，集电区与基区交界处的PN结称为集电结，两个PN结通过很薄的基区联系着#.NPN型和PNP型BJT具有几乎等同的特性，只不过各电极端的电压极性和电流流向不同而已#.BJT内部载流子的传输过程为使发射区发射电子、集电区收集电子，必须具备的条件是：发射结加正向电压(正向偏置)，集电结加反向电压(反向偏置)，在这些处加电压的条件下，管内载流子的传输将发生下列过程：1）发射区向基区注入电子这时发射区的多数载流子电子不断通过发射结扩散到基区，形成发射极电流Ie，其方向与电子流动方向相反2）电子在基区中的扩散与复合由发射区来的电子注入基区后，就在基区靠近发射结的边界积累起来，在基区中形成了一定的浓度梯度，电子要向集电结的方向扩散，在扩散过各中又会与基区中的空穴复合，同时接在基区的电源Vee的下端则不断从基区拉走电子，好像不断供给基区空穴。电子复合的数目与电源从基区拉走的电子数目相等，使基区的浓度基本维持不变。这样就形成了基极电流Ib，所以电流就是电子在基区与空穴复合的电流；也就是说，注入基区的电子有一部分未到达集电结，如复合越多，则到达集电结的电子越少，对放大是不利的。所以为了减小复合，常把基区做得很薄，并使基区掺入杂质的浓度很低，因而电子在扩散过程中实际上与空穴复合的数量很少，大部分都能到达集电结。3）集电区收集扩散过来的电子集电结所加的是反向电压。集电集电结势垒很高，使集电区的电子和基区的空穴很难通过集电结，但这个势垒对基区扩散到集电结边缘的电子却有很强的吸引力，可使电子很快地漂移过集电结为集电区所收集，形成集电极电流Ic#.反向饱和电流Icbo：根据反向PN结的特性，当集电结加反向电压时，基区中少数载流子电子和集电区中少数载流子空穴在结电场作用下形成反向漂移电流；这部分电流决定于少数载小孩子浓度，称为反向饱和电流。这个电流对放大没有贡献，而且受温度影响很大，容易使管子工作不稳定，所以在制造过程中要尽量设法减小Icbo#.BJT内有两种载流子参与导电，故称为双极型晶体管#.基极电流是电子在基区与空穴复合的电流#.放大作用：BJT最基本的一种应用，是把微弱的电信号加以放大#.在发射极和基极之间的回路(输入回路)上加入一个等放大的输入信号，由于外加电压的变化，将使发射极电流相应地变化，而PN结的正向电压对电流的控制作用是很灵敏的，发射极电流的变化引起集电极电流的变化，集电极电流的变化通过接在集电极上的负载电阻产生一个变化的电压，而从负载电阻上取出来的变化电压随时间的变化规律和输入信号电压变化相同，但幅度却大了旅行倍。所增大的倍数称为电压增益#.归纳：BJT的放大作用，主要依靠它的发射极电流能够通过基区传输，然后到达集电极而实现的。为了保证这一个传输过程，一方面要满足内部条件，即要求发射区杂质浓度要远大于基区杂质浓度，同时基区厚度要很小；另一方面要满足外部条件，即发射结要正向偏置、集电结要反向偏置#.BJT组成的放大电路，其中一个电极作为信号输入端，一个电极作为输出端，另一个电极作为输入、输出回路的共同端。根据共同端的不同，BJT可有三种连接方式：共基极、共发射极和共集电极#.共发射极电路以发射极作为共同端，以基极为输入端，集电极为输出端#.共射极电路与共基极电路放大信号的物理本质是相同的，但共射极电路也有自身的特点：1）从BJT的输入电流控制输出电流这一点看来，这两种电路的基本区别是：共射极电路以基极电流Ib作为输入控制电流，而共基极电路则是以发射极电流Ie作为输入控制电流。用Ib作为输入控制电流的好处是信号源消耗的功率很小2）对于共射极电路，研究其放大过程主要是分析集电极电流(输出电流)与基极电流(输入电流)之间的关系3）共射极电路不但能得到电压放大，而且还可得到电流放大，致使共射极电路是目前应用最广泛的一种组态#.共射极电路的特性曲线1）输入特性输入特性是指当集电极与发射极之间的电压Uce为某一常数时，输入回路中加在BJT基极与发射极之间的电压Ube与基极电流Ib之间的关系曲线集电结所加的反向电压大到1V以后已能把这些电子中的绝大部分拉到集电结来，以至Uce再增加，Ib也不再明显减小，故Uce>1V后的输入特性基本重合2）输出特性输出特性是在基极电流Ib一定的情况下，BJT的输出回路中(此处指集电极回路)，集电极与发射极之间的电压Uce与集电极电流Ic之间的关系曲线输出特性的起始部分很陡，Uce略有增加时，Ic增加很快，这是由于在Uce很小地(约1V以下)，集电结的反向电压很小，对到达基区的电子吸引力不够，这时Ic受Uce的影响很大，Uce稍有增加，从基区到集电区的电子也增加，故Ic随Uce的增加而增加当Uce超过某一数值(约1V)后，特性曲线变得比较平坦。这是由于Uce大于1V以后，集电结的电场已足够强，能使发射区扩散到基区的电子绝大部分都到达集电区，故Uce再增加，Ic就增加不多了

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