模拟电子基础-清华大学-全套完整版ppt课件.ppt

模拟电子技术基础,清华大学 华成英,绪 论,一、电子技术的发展,二、模拟信号与模拟电路,三、电子信息系统的组成,四、模拟电子技术基础课的特点,五、如何学习这门课程,六、课程的目的,七、考查方法,一、电子技术的发展 电子技术的发展，推动计算机技术的发展，使之“无孔不入”，应用广泛！,广播通信：发射机、接收机、扩音、录音、程控交换机、电话、手机网络：路由器、ATM交换机、收发器、调制解调器工业：钢铁、石油化工、机加工、数控机床交通：飞机、火车、轮船、汽车军事：雷达、电子导航航空航天：卫星定位、监测医学：刀、CT、B超、微创手术消费类电子：家电（空调、冰箱、电视、音响、摄像机、照相机、电子表）、电子玩具、各类报警器、保安系统,电子技术的发展很大程度上反映在元器件的发展上。从电子管半导体管集成电路,1904年电子管问世,电子管、晶体管、集成电路比较,半导体元器件的发展,1947年 贝尔实验室制成第一只晶体管1958年 集成电路1969年 大规模集成电路1975年 超大规模集成电路,第一片集成电路只有4个晶体管，而1997年一片集成电路中有40亿个晶体管。有科学家预测，集成度还将按10倍/6年的速度增长，到2015或2020年达到饱和。,学习电子技术方面的课程需时刻关注电子技术的发展！,第一只晶体管的发明者（by John Bardeen,William Schockley and Walter Brattain in Bell Lab）,第一个集成电路及其发明者（Jack Kilby from TI）,1958年9月12日，在德州仪器公司的实验室里，实现了把电子器件集成在一块半导体材料上的构想。42年以后，2000年获诺贝尔物理学奖。“为现代信息技术奠定了基础”。,他们在1947年11月底发明了晶体管，并在12月16日正式宣布“晶体管”诞生。1956年获诺贝尔物理学奖。巴因所做的超导研究于1972年第二次获得诺贝尔物理学奖。,值得纪念的几位科学家！,二、模拟信号与模拟电路,1.电子电路中信号的分类数字信号：离散性,模拟信号：连续性。大多数物理量为模拟信号。,2.模拟电路 模拟电路是对模拟信号进行处理的电路。最基本的处理是对信号的放大，有功能和性能各异的放大电路。其它模拟电路多以放大电路为基础。,“1”的电压当量,介于K与K+1之间时需根据阈值确定为K或K+1,任何瞬间的任何值均是有意义的,三、电子信息系统的组成,模拟电子电路,数字电子电路（系统）,传感器接收器,隔离、滤波、放大,运算、转换、比较,功放,四、模拟电子技术基础课的特点,1、工程性 实际工程需要证明其可行性。强调定性分析。,实际工程在满足基本性能指标的前提下总是容许存 在一定的误差范围的。定量分析为“估算”。,近似分析要“合理”。抓主要矛盾和矛盾的主要方面。,电子电路归根结底是电路。不同条件下构造不同模型。,2.实践性 常用电子仪器的使用方法 电子电路的测试方法 故障的判断与排除方法 EDA软件的应用方法,五、如何学习这门课程,1.掌握基本概念、基本电路和基本分析方法 基本概念：概念是不变的，应用是灵活的，“万变不离其宗”。基本电路：构成的原则是不变的，具体电路是多种多样的。基本分析方法：不同类型的电路有不同的性能指标和描述方法，因而有不同的分析方法。,2.注意定性分析和近似分析的重要性 3.学会辩证、全面地分析电子电路中的问题 根据需求，最适用的电路才是最好的电路。要研究利弊关系，通常“有一利必有一弊”。,4.注意电路中常用定理在电子电路中的应用,六、课程的目的,1.掌握基本概念、基本电路、基本方法和基本实验技能。2.具有能够继续深入学习和接受电子技术新发展的能力，以及将所学知识用于本专业的能力。,本课程通过对常用电子元器件、模拟电路及其系统的分析和设计的学习，使学生获得模拟电子技术方面的基础知识、基础理论和基本技能，为深入学习电子技术及其在专业中的应用打下基础。,注重培养系统的观念、工程的观念、科技进步的观念和创新意识，学习科学的思维方法。提倡快乐学习！,清华大学 华成英,七、考查方法,1.会看：读图，定性分析2.会算：定量计算,考查分析问题的能力,3.会选：电路形式、器件、参数,4.会调：仪器选用、测试方法、故障诊断、EDA,考查解决问题的能力设计能力,考查解决问题的能力实践能力,第一章 半导体二极管和三极管,第一章 半导体二极管和三极管,1.1 半导体基础知识,1.2 半导体二极管,1.3 晶体三极管,1 半导体基础知识,一、本征半导体,二、杂质半导体,三、PN结的形成及其单向导电性,四、PN结的电容效应,一、本征半导体,导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。,本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。,1、什么是半导体？什么是本征半导体？,导体铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。,绝缘体惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。,半导体硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。,2、本征半导体的结构,由于热运动，具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子,自由电子的产生使共价键中留有一个空位置，称为空穴,自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。,共价键,一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大。,外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电，且运动方向相反。由于载流子数目很少，故导电性很差。,为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？,3、本征半导体中的两种载流子,运载电荷的粒子称为载流子。,温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，导电性增强。热力学温度0K时不导电。,二、杂质半导体 1.N型半导体,磷（P）,杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。,多数载流子,空穴比未加杂质时的数目多了？少了？为什么？,2.P型半导体,硼（B）,多数载流子,P型半导体主要靠空穴导电，掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强，,在杂质半导体中，温度变化时，载流子的数目变化吗？少子与多子变化的数目相同吗？少子与多子浓度的变化相同吗？,三、PN结的形成及其单向导电性,物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固体均有之。,P区空穴浓度远高于N区。,N区自由电子浓度远高于P区。,扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面N区的自由电子浓度降低，产生内电场。,PN 结的形成,因电场作用所产生的运动称为漂移运动。,参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了PN结。,由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P区、自由电子从P区向N 区运动。,PN结加正向电压导通：耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，PN结处于导通状态。,PN结加反向电压截止：耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成漂移电流。由于电流很小，故可近似认为其截止。,PN 结的单向导电性,必要吗？,清华大学 华成英,四、PN 结的电容效应,1.势垒电容,PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容Cb。,2.扩散电容,PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容Cd。,结电容：,结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！,问题,为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制成本征半导体，导电性能极差，又将其掺杂，改善导电性能？为什么半导体器件的温度稳定性差？是多子还是少子是影响温度稳定性的主要因素？为什么半导体器件有最高工作频率？,2 半导体二极管,一、二极管的组成,二、二极管的伏安特性及电流方程,三、二极管的等效电路,四、二极管的主要参数,五、稳压二极管,一、二极管的组成,将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。,小功率二极管,大功率二极管,稳压二极管,发光二极管,一、二极管的组成,点接触型：结面积小，结电容小，故结允许的电流小，最高工作频率高。,面接触型：结面积大，结电容大，故结允许的电流大，最高工作频率低。,平面型：结面积可小、可大，小的工作频率高，大的结允许的电流大。,二、二极管的伏安特性及电流方程,开启电压,反向饱和电流,击穿电压,温度的电压当量,二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。,利用Multisim测试二极管伏安特性,从二极管的伏安特性可以反映出：1.单向导电性,2.伏安特性受温度影响,T（）在电流不变情况下管压降u 反向饱和电流IS，U(BR)T（）正向特性左移，反向特性下移,正向特性为指数曲线,反向特性为横轴的平行线,增大1倍/10,三、二极管的等效电路,理想二极管,近似分析中最常用,导通时i与u成线性关系,应根据不同情况选择不同的等效电路！,1.将伏安特性折线化,？,100V？5V？1V？,2.微变等效电路,Q越高，rd越小。,当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极管等效为一个电阻，称为动态电阻，也就是微变等效电路。,ui=0时直流电源作用,小信号作用,静态电流,四、二极管的主要参数,最大整流电流IF：最大平均值最大反向工作电压UR：最大瞬时值反向电流 IR：即IS最高工作频率fM：因PN结有电容效应,第四版P20,讨论：解决两个问题,如何判断二极管的工作状态？什么情况下应选用二极管的什么等效电路？,uD=ViR,ID,UD,V与uD可比，则需图解：,实测特性,对V和Ui二极管的模型有什么不同？,五、稳压二极管,1.伏安特性,进入稳压区的最小电流,不至于损坏的最大电流,由一个PN结组成，反向击穿后在一定的电流范围内端电压基本不变，为稳定电压。,2.主要参数,稳定电压UZ、稳定电流IZ,最大功耗PZM IZM UZ,动态电阻rzUZ/IZ,若稳压管的电流太小则不稳压，若稳压管的电流太大则会因功耗过大而损坏，因而稳压管电路中必需有限制稳压管电流的限流电阻！,限流电阻,斜率？,1.3 晶体三极管,一、晶体管的结构和符号,二、晶体管的放大原理,三、晶体管的共射输入特性和输出特性,四、温度对晶体管特性的影响,五、主要参数,一、晶体管的结构和符号,多子浓度高,多子浓度很低，且很薄,面积大,晶体管有三个极、三个区、两个PN结。,中功率管,大功率管,二、晶体管的放大原理,扩散运动形成发射极电流IE，复合运动形成基极电流IB，漂移运动形成集电极电流IC。,少数载流子的运动,因发射区多子浓度高使大量电子从发射区扩散到基区,因基区薄且多子浓度低，使极少数扩散到基区的电子与空穴复合,因集电区面积大，在外电场作用下大部分扩散到基区的电子漂移到集电区,基区空穴的扩散,电流分配：IEIBIC IE扩散运动形成的电流 IB复合运动形成的电流 IC漂移运动形成的电流,穿透电流,集电结反向电流,直流电流放大系数,交流电流放大系数,为什么基极开路集电极回路会有穿透电流？,三、晶体管的共射输入特性和输出特性,为什么UCE增大曲线右移？,对于小功率晶体管，UCE大于1V的一条输入特性曲线可以取代UCE大于1V的所有输入特性曲线。,为什么像PN结的伏安特性？,为什么UCE增大到一定值曲线右移就不明显了？,1.输入特性,2.输出特性,是常数吗？什么是理想晶体管？什么情况下?,对应于一个IB就有一条iC随uCE变化的曲线。,为什么uCE较小时iC随uCE变化很大？为什么进入放大状态曲线几乎是横轴的平行线？,饱和区,放大区,截止区,晶体管的三个工作区域,晶体管工作在放大状态时，输出回路的电流 iC几乎仅仅决定于输入回路的电流 iB，即可将输出回路等效为电流 iB 控制的电流源iC。,四、温度对晶体管特性的影响,五、主要参数,直流参数：、ICBO、ICEO,c-e间击穿电压,最大集电极电流,最大集电极耗散功率，PCMiCuCE,安全工作区,交流参数：、fT（使1的信号频率）,极限参数：ICM、PCM、U（BR）CEO,清华大学 华成英,讨论一,由图示特性求出PCM、ICM、U（BR）CEO、。,uCE=1V时的iC就是ICM,U（BR）CEO,讨论二：利用Multisim测试晶体管的输出特性,利用Multisim分析图示电路在V2小于何值时晶体管截止、大于何值时晶体管饱和。,讨论三,以V2作为输入、以节点1作为输出，采用直流扫描的方法可得！,约小于0.5V时截止,约大于1V时饱和,描述输出电压与输出电压之间函数关系的曲线，称为电压传输特性。,第二章 基本放大电路,第二章 基本放大电路,2.1 放大的概念与放大电路的性能指标,2.2 基本共射放大电路的工作原理,2.3 放大电路的分析方法,2.4 静态工作点的稳定,2.5 晶体管放大电路的三种接法,2.6 场效应管及其基本放大电路,2.7 基本放大电路的派生电路,2.1 放大的概念与放大电路的性能指标,一、放大的概念,二、放大电路的性能指标,一、放大的概念,放大的对象：变化量放大的本质：能量的控制放大的特征：功率放大放大的基本要求：不失真放大的前提,判断电路能否放大的基本出发点,至少一路直流电源供电,二、性能指标,1.放大倍数：输出量与输入量之比,电压放大倍数是最常被研究和测试的参数,对信号而言，任何放大电路均可看成二端口网络。,2.输入电阻和输出电阻,将输出等效成有内阻的电压源，内阻就是输出电阻。,输入电压与输入电流有效值之比。,从输入端看进去的等效电阻,3.通频带,4.最大不失真输出电压Uom：交流有效值。,由于电容、电感及放大管PN结的电容效应，使放大电路在信号频率较低和较高时电压放大倍数数值下降，并产生相移。,衡量放大电路对不同频率信号的适应能力。,5.最大输出功率Pom和效率：功率放大电路的参数,2.2 基本共射放大电路的工作原理,一、电路的组成及各元件的作用,二、设置静态工作点的必要性,三、波形分析,四、放大电路的组成原则,一、电路的组成及各元件的作用,VBB、Rb：使UBE Uon，且有合适的IB。,VCC：使UCEUBE，同时作为负载的能源。,Rc：将iC转换成uCE(uo)。,动态信号作用时：,输入电压ui为零时，晶体管各极的电流、b-e间的电压、管压降称为静态工作点Q，记作IBQ、ICQ（IEQ）、UBEQ、UCEQ。,共射,二、设置静态工作点的必要性,输出电压必然失真！设置合适的静态工作点，首先要解决失真问题，但Q点几乎影响着所有的动态参数！,为什么放大的对象是动态信号，却要晶体管在信号为零时有合适的直流电流和极间电压？,三、基本共射放大电路的波形分析,输出和输入反相！,动态信号驮载在静态之上,与iC变化方向相反,要想不失真，就要在信号的整个周期内保证晶体管始终工作在放大区！,四、放大电路的组成原则,静态工作点合适：合适的直流电源、合适的电路参数。动态信号能够作用于晶体管的输入回路，在负载上能够获得放大了的动态信号。对实用放大电路的要求：共地、直流电源种类尽可能少、负载上无直流分量。,两种实用放大电路：（1）直接耦合放大电路,问题：1.两种电源2.信号源与放大电路不“共地”,共地，且要使信号驮载在静态之上,静态时，,动态时，VCC和uI同时作用于晶体管的输入回路。,将两个电源合二为一,有直流分量,有交流损失,UBEQ,两种实用放大电路：（2）阻容耦合放大电路,耦合电容的容量应足够大，即对于交流信号近似为短路。其作用是“隔离直流、通过交流”。,静态时，C1、C2上电压？,动态时，,C1、C2为耦合电容！,uBEuIUBEQ，信号驮载在静态之上。负载上只有交流信号。,2.3 放大电路的分析方法,一、放大电路的直流通路和交流通路,二、图解法,三、等效电路法,一、放大电路的直流通路和交流通路,1.直流通路：Us=0，保留Rs；电容开路；电感相当于短路（线圈电阻近似为0）。2.交流通路：大容量电容相当于短路；直流电源相当于短路（内阻为0）。,通常，放大电路中直流电源的作用和交流信号的作用共存，这使得电路的分析复杂化。为简化分析，将它们分开作用，引入直流通路和交流通路的概念。,基本共射放大电路的直流通路和交流通路,列晶体管输入、输出回路方程，将UBEQ作为已知条件，令ICQIBQ，可估算出静态工作点。,VBB越大，UBEQ取不同的值所引起的IBQ的误差越小。,当VCCUBEQ时，,已知：VCC12V，Rb600k，Rc3k，100。Q？,阻容耦合单管共射放大电路的直流通路和交流通路,二、图解法 应实测特性曲线,输入回路负载线,IBQ,负载线,1.静态分析：图解二元方程,2.电压放大倍数的分析,斜率不变,3.失真分析,截止失真,消除方法：增大VBB，即向上平移输入回路负载线。,截止失真是在输入回路首先产生失真！,减小Rb能消除截止失真吗？,饱和失真,消除方法：增大Rb，减小Rc，减小，减小VBB，增大VCC。,Rb或或VBB,Rc或VCC,：饱和失真是输出回路产生失真。,最大不失真输出电压Uom：比较UCEQ与（VCC UCEQ），取其小者，除以。,清华大学 华成英,讨论一,1.用NPN型晶体管组成一个在本节课中未见过的共射放大电路。2.用PNP型晶体管组成一个共射放大电路。画出图示电路的直流通路和交流通路。,三、等效电路法,半导体器件的非线性特性使放大电路的分析复杂化。利用线性元件建立模型，来描述非线性器件的特性。,1.直流模型：适于Q点的分析,利用估算法求解静态工作点，实质上利用了直流模型。,输入回路等效为恒压源,输出回路等效为电流控制的电流源,2.晶体管的h参数等效模型（交流等效模型）,在交流通路中可将晶体管看成为一个二端口网络，输入回路、输出回路各为一个端口。,低频小信号模型,在低频、小信号作用下的关系式,交流等效模型（按式子画模型）,电阻,无量纲,无量纲,电导,h参数的物理意义,b-e间的动态电阻,内反馈系数,电流放大系数,c-e间的电导,分清主次，合理近似！什么情况下h12和h22的作用可忽略不计？,简化的h参数等效电路交流等效模型,查阅手册,利用PN结的电流方程可求得,在输入特性曲线上，Q点越高，rbe越小！,3.放大电路的动态分析,放大电路的交流等效电路,阻容耦合共射放大电路的动态分析,输入电阻中不应含有Rs!,输出电阻中不应含有RL!,讨论一,1.在什么参数、如何变化时Q1 Q2 Q3 Q4？2.从输出电压上看，哪个Q点下最易产生截止失真？哪个Q点下最易产生饱和失真？哪个Q点下Uom最大？3.设计放大电路时，应根据什么选择VCC？,2.空载和带载两种情况下Uom分别为多少？在图示电路中，有无可能在空载时输出电压失真，而带上负载后这种失真消除？增强电压放大能力的方法？,讨论二,已知ICQ2mA，UCES0.7V。1.在空载情况下，当输入信号增大时，电路首先出现饱和失真还是截止失真？若带负载的情况下呢？,讨论三：基本共射放大电路的静态分析和动态分析,为什么用图解法求解IBQ和UBEQ？,讨论四：阻容耦合共射放大电路的静态分析和动态分析,讨论五：波形分析,失真了吗？如何判断？原因？,饱和失真,2.4 静态工作点的稳定,一、温度对静态工作点的影响,二、静态工作点稳定的典型电路,三、稳定静态工作点的方法,一、温度对静态工作点的影响,所谓Q点稳定，是指ICQ和UCEQ在温度变化时基本不变，这是靠IBQ的变化得来的。,若温度升高时要Q回到Q，则只有减小IBQ,二、静态工作点稳定的典型电路,Ce为旁路电容，在交流通路中可视为短路,1.电路组成,2.稳定原理,为了稳定Q点，通常I1 IB，即I1 I2；因此,基本不随温度变化。,设UBEQ UBEUBE，若UBQ UBEUBE，则IEQ稳定。,Re 的作用,T()ICUE UBE（UB基本不变）IB IC,Re起直流负反馈作用，其值越大，反馈越强，Q点越稳定。,关于反馈的一些概念：将输出量通过一定的方式引回输入回路影响输入量的措施称为反馈。直流通路中的反馈称为直流反馈。反馈的结果使输出量的变化减小的称为负反馈，反之称为正反馈。,Re有上限值吗？,3.Q 点分析,分压式电流负反馈工作点稳定电路,Rb上静态电压是否可忽略不计？,判断方法：,4.动态分析,利?弊?,无旁路电容Ce时：,如何提高电压放大能力？,三、稳定静态工作点的方法,引入直流负反馈温度补偿：利用对温度敏感的元件，在温度变化时直接影响输入回路。例如，Rb1或Rb2采用热敏电阻。它们的温度系数？,清华大学 华成英,讨论一,图示两个电路中是否采用了措施来稳定静态工作点？,若采用了措施，则是什么措施？,2.5 晶体管放大电路的三种接法,一、基本共集放大电路,二、基本共基放大电路,三、三种接法放大电路的比较,一、基本共集放大电路,1.静态分析,2.动态分析：电压放大倍数,故称之为射极跟随器,2.动态分析：输入电阻的分析,Ri与负载有关！,带负载电阻后,2.动态分析：输出电阻的分析,Ro与信号源内阻有关！,3.特点：输入电阻大，输出电阻小；只放大电流，不放大电压；在一定条件下有电压跟随作用！,令Us为零，保留Rs，在输出端加Uo，产生Io,。,二、基本共基放大电路,1.静态分析,2.动态分析,3.特点：,输入电阻小，频带宽！只放大电压，不放大电流！,三、三种接法的比较：空载情况下,接法 共射 共集 共基 Au 大 小于1 大 Ai 1 Ri 中 大 小 Ro 大 小 大 频带 窄 中 宽,讨论一：图示电路为哪种基本接法的放大电路？它们的静态工作点有可能稳定吗？求解静态工作点、电压放大倍数、输入电阻和输出电阻的表达式。,电路如图，所有电容对交流信号均可视为短路。,1.Q为多少？2.Re有稳定Q点的作用吗？3.电路的交流等效电路？4.V 变化时，电压放大倍数如何变化？,讨论二,清华大学 华成英,讨论二,改变电压放大倍数,2.6 场效应管及其基本放大电路,一、场效应管,二、场效应管放大电路静态工作点的设置方法,三、场效应管放大电路的动态分析,一、场效应管（以N沟道为例）,场效应管有三个极：源极（s）、栅极（g）、漏极（d），对应于晶体管的e、b、c；有三个工作区域：截止区、恒流区、可变电阻区，对应于晶体管的截止区、放大区、饱和区。,1.结型场效应管,符号,结构示意图,导电沟道,单极型管噪声小、抗辐射能力强、低电压工作,栅-源电压对导电沟道宽度的控制作用,沟道最宽,uGS可以控制导电沟道的宽度。为什么g-s必须加负电压？,UGS（off）,漏-源电压对漏极电流的影响,uGSUGS（off）且不变，VDD增大，iD增大。,预夹断,uGDUGS（off）,VDD的增大，几乎全部用来克服沟道的电阻，iD几乎不变，进入恒流区，iD几乎仅仅决定于uGS。,场效应管工作在恒流区的条件是什么？,uGDUGS（off）,uGDUGS（off）,夹断电压,漏极饱和电流,转移特性,场效应管工作在恒流区，因而uGSUGS（off）且uGDUGS（off）。,uDGUGS（off）,g-s电压控制d-s的等效电阻,输出特性,预夹断轨迹，uGDUGS（off）,可变电阻区,恒流区,iD几乎仅决定于uGS,击穿区,夹断区（截止区）,不同型号的管子UGS（off）、IDSS将不同。,低频跨导：,2.绝缘栅型场效应管,uGS增大，反型层（导电沟道）将变厚变长。当反型层将两个N区相接时，形成导电沟道。,SiO2绝缘层,衬底,反型层,增强型管,大到一定值才开启,增强型MOS管uDS对iD的影响,用场效应管组成放大电路时应使之工作在恒流区。N沟道增强型MOS管工作在恒流区的条件是什么？,iD随uDS的增大而增大，可变电阻区,uGDUGS（th）,预夹断,iD几乎仅仅受控于uGS，恒流区,刚出现夹断,uGS的增大几乎全部用来克服夹断区的电阻,耗尽型 MOS管,耗尽型MOS管在 uGS0、uGS 0、uGS 0时均可导通，且与结型场效应管不同，由于SiO2绝缘层的存在，在uGS0时仍保持g-s间电阻非常大的特点。,加正离子,小到一定值才夹断,uGS=0时就存在导电沟道,MOS管的特性,1)增强型MOS管,2)耗尽型MOS管,开启电压,夹断电压,利用Multisim测试场效应管的输出特性,从输出特性曲线说明场效应管的哪些特点？,3.场效应管的分类工作在恒流区时g-s、d-s间的电压极性,uGS=0可工作在恒流区的场效应管有哪几种？uGS0才可能工作在恒流区的场效应管有哪几种？uGS0才可能工作在恒流区的场效应管有哪几种？,二、场效应管静态工作点的设置方法,根据场效应管工作在恒流区的条件，在g-s、d-s间加极性合适的电源,1.基本共源放大电路,2.自给偏压电路,由正电源获得负偏压称为自给偏压,哪种场效应管能够采用这种电路形式设置Q点？,3.分压式偏置电路,为什么加Rg3?其数值应大些小些？,哪种场效应管能够采用这种电路形式设置Q点？,即典型的Q点稳定电路,三、场效应管放大电路的动态分析,近似分析时可认为其为无穷大！,根据iD的表达式或转移特性可求得gm。,与晶体管的h参数等效模型类比：,1.场效应管的交流等效模型,2.基本共源放大电路的动态分析,若Rd=3k，Rg=5k，gm=2mS，则与共射电路比较。,3.基本共漏放大电路的动态分析,若Rs=3k，gm=2mS，则,基本共漏放大电路输出电阻的分析,若Rs=3k，gm=2mS，则Ro=?,2.7 派生电路,一、复合管,二、派生电路举例,一、复合管,复合管的组成：多只管子合理连接等效成一只管子。,不同类型的管子复合后，其类型决定于T1管。,目的：增大，减小前级驱动电流，改变管子的类型。,讨论一：判断下列各图是否能组成复合管,在合适的外加电压下，每只管子的电流都有合适的通路，才能组成复合管。,清华大学 华成英,Ri=?Ro=?,讨论二,二、派生电路举例：组合的结果带来什么好处？,第三章 多级放大电路,第三章 多级放大电路,3.1 多级放大电路的耦合方式,3.2 多级放大电路的动态分析,3.3 差分放大电路,3.4 互补输出级,3.5 直接耦合多级放大电路读图,3.1 多级放大电路的耦合方式,一、直接耦合,二、阻容耦合,三、变压器耦合,一、直接耦合,既是第一级的集电极电阻，又是第二级的基极电阻,能够放大变化缓慢的信号，便于集成化，Q点相互影响，存在零点漂移现象。,当输入信号为零时，前级由温度变化所引起的电流、电位的变化会逐级放大。,Q1合适吗？,直接连接,求解Q点时应按各回路列多元一次方程，然后解方程组。,如何设置合适的静态工作点？,对哪些动态参数产生影响？,用什么元件取代Re既可设置合适的Q点，又可使第二级放大倍数不至于下降太多？,若要UCEQ5V，则应怎么办？用多个二极管吗？,二极管导通电压UD？动态电阻rd特点？,Re,必要性？,稳压管伏安特性,UCEQ1太小加Re（Au2数值）改用D若要UCEQ1大，则改用DZ。,NPN型管和PNP型管混合使用,在用NPN型管组成N级共射放大电路，由于UCQi UBQi，所以 UCQi UCQ(i-1）（i=1N），以致于后级集电极电位接近电源电压，Q点不合适。,UCQ1（UBQ2）UBQ1UCQ2 UCQ1,UCQ1（UBQ2）UBQ1UCQ2 UCQ1,二、阻容耦合,Q点相互独立。不能放大变化缓慢的信号，低频特性差，不能集成化。,有零点漂移吗？,利用电容连接信号源与放大电路、放大电路的前后级、放大电路与负载，为阻容耦合。,可能是实际的负载，也可能是下级放大电路,三、变压器耦合,理想变压器情况下，负载上获得的功率等于原边消耗的功率。,从变压器原边看到的等效电阻,讨论：两级直接耦合放大电路,选择合适参数使电路正常工作,电位高低关系,从Multisim“参数扫描”结果分析两级放大电路Q点的相互影响。R1取何值时T2工作在饱和区？,3.2 多级放大电路的动态分析,二、分析举例,一、动态参数分析,一、动态参数分析,1.电压放大倍数,2.输入电阻,3.输出电阻,对电压放大电路的要求：Ri大，Ro小，Au的数值大，最大不失真输出电压大。,二、分析举例,讨论一 失真分析：由NPN型管组成的两级共射放大电路,共射放大电路,共射放大电路,饱和失真？截止失真？,首先确定在哪一级出现了失真，再判断是什么失真。,比较Uom1和Uim2，则可判断在输入信号逐渐增大时哪一级首先出现失真。,在前级均未出现失真的情况下，多级放大电路的最大不失真电压等于输出级的最大不失真电压。,清华大学 华成英,讨论二：放大电路的选用,1.按下列要求组成两级放大电路：Ri12k，Au 的数值3000；Ri 10M，Au的数值300；Ri100200k，Au的数值150；Ri 10M，Au的数值10，Ro100。,共射、共射；共源、共射；共集、共射；共源、共集。,2.若测得三个单管放大电路的输入电阻、输出电阻和空载电压放大倍数，则如何求解它们连接后的三级放大电路的电压放大倍数？,注意级联时两级的相互影响！,3.3 差分放大电路,一、零点漂移现象及其产生的原因,二、长尾式差分放大电路的组成,三、长尾式差分放大电路的分析,四、差分放大电路的四种接法,五、具有恒流源的差分放大电路,六、差分放大电路的改进,一、零点漂移现象及其产生的原因,1.什么是零点漂移现象：uI0，uO0的现象。,产生原因：温度变化，直流电源波动，元器件老化。其中晶体管的特性对温度敏感是主要原因，故也称零漂为温漂。,克服温漂的方法：引入直流负反馈，温度补偿。典型电路：差分放大电路,零点漂移,零输入零输出,理想对称,二、长尾式差分放大电路的组成,共模信号：大小相等，极性相同。,差模信号：大小相等，极性相反.,典型电路,在理想对称的情况下：1.克服零点漂移；2.零输入零输出；3.抑制共模信号；4.放大差模信号。,三、长尾式差分放大电路的分析,Rb是必要的吗？,1.Q点：,晶体管输入回路方程：,通常，Rb较小，且IBQ很小，故,选合适的VEE和Re就可得合适的Q,2.抑制共模信号,共模信号：数值相等、极性相同的输入信号，即,2.抑制共模信号：Re的共模负反馈作用,Re的共模负反馈作用：温度变化所引起的变化等效为共模信号,对于每一边电路，Re=?,如 T()IC1 IC2 UE IB1 IB2 IC1 IC2,抑制了每只差分管集电极电流、电位的变化。,3.放大差模信号,iE1=iE2，Re中电流不变，即Re 对差模信号无反馈作用。,差模信号：数值相等，极性相反的输入信号，即,为什么？,差模信号作用时的动态分析,差模放大倍数,4.动态参数：Ad、Ri、Ro、Ac、KCMR,共模抑制比KCMR：综合考察差分放大电路放大差模信号的能力和抑制共模信号的能力。,在实际应用时，信号源需要有“接地”点，以避免干扰；或负载需要有“接地”点，以安全工作。,根据信号源和负载的接地情况，差分放大电路有四种接法：双端输入双端输出、双端输入单端输出、单端输入双端输出、单端输入单端输出。,四、差分放大电路的四种接法,由于输入回路没有变化，所以IEQ、IBQ、ICQ与双端输出时一样。但是UCEQ1 UCEQ2。,1.双端输入单端输出：Q点分析,1.双端输入单端输出：差模信号作用下的分析,1.双端输入单端输出：共模信号作用下的分析,1.双端输入单端输出：问题讨论,（1）T2的Rc可以短路吗？（2）什么情况下Ad为“”？（3）双端输出时的Ad是单端输出时的2倍吗？,2.单端输入双端输出,输入差模信号的同时总是伴随着共模信号输入：,在输入信号作用下发射极的电位变化吗？说明什么？,2.单端输入双端输出,问题讨论：（1）UOQ产生的原因？（2）如何减小共模输出电压？,测试:,静态时的值,3.四种接法的比较：电路参数理想对称条件下,输入方式：Ri均为2(Rb+rbe)；双端输入时无共模信号输入，单端输入时有共模信号输入。,输出方式：Q点、Ad、Ac、KCMR、Ro均与之有关。,五、具有恒流源的差分放大电路,Re 越大，每一边的漂移越小，共模负反馈越强，单端输出时的Ac越小，KCMR越大，差分放大电路的性能越好。但为使静态电流不变，Re 越大，VEE越大，以至于Re太大就不合理了。需在低电源条件下，设置合适的IEQ，并得到得到趋于无穷大的Re。,解决方法：采用电流源取代Re！,具有恒流源差分放大电路的组成,等效电阻为无穷大,近似为恒流,1)RW取值应大些？还是小些？2)RW对动态参数的影响？3)若RW滑动端在中点，写出Ad、Ri的表达式。,六、差分放大电路的改进,1.加调零电位器 RW,2.场效应管差分放大电路,若uI1=10mV，uI2=5mV，则uId=？uIc=？,uId=5mV，uIc=7.5mV,讨论一,若将电桥的输出作为差放的输入，则其共模信号约为多少？如何设置Q点时如何考虑？,1、uI=10mV，则uId=?uIc=?2、若Ad=102、KCMR103用直流表测uO，uO=?,uId=10mV，uIc=5mV,uO=Ad uId+Ac uIc+UCQ1,=?,=?,=?,讨论二,3.4 互补输出级,二、基本电路,三、消除交越失真的互补输出级,四、准互补输出级,一、对输出级的要求,互补输出级是直接耦合的功率放大电路。对输出级的要求：带负载能力强；直流功耗小；负载电阻上无直流功耗；最大不失真输出电压最大。,一、对输出级的要求,不符合要求！,二、基本电路,静态时T1、T2均截止，UB=UE=0,1.特征：T1、T2特性理想对称。,2.静态分析,T1的输入特性,3.动态分析,ui正半周，电流通路为+VCCT1RL地，uo=ui,两只管子交替工作，两路电源交替供电，双向跟随。,ui负半周，电流通路为 地 RL T2-VCC，uo=ui,4.交越失真,消除失真的方法：设置合适的静态工作点。,信号在零附近两只管子均截止,开启电压,静态时T1、T2处于临界导通状态，有信号时至少有一只导通；偏置电路对动态性能影响要小。,三、消除交越失真的互补输出级,四、准互补输出级,为保持输出管的良好对称性，输出管应为同类型晶体管。,3.5 直接耦合多级放大电路读图,一、放大电路的读图方法,二、例题,一、放大电路的读图方法,1.化整为零：按信号流通顺序将N级放大电路分为N个基本放大电路。2.识别电路：分析每级电路属于哪种基本电路，有何特点。3.统观总体：分析整个电路的性能特点。4.定量估算：必要时需估算主要动态参数。,二、例题,第一级：双端输入单端输出的差放,第二级：以复合管为放大管的共射放大电路,第三级：准互补输出级,动态电阻无穷大,1.化整为零，识别电路,2.基本性能分析,输入电阻为2rbe、电压放大倍数较大、输出电阻很小、最大不失真输出电压的峰值接近电源电压。,整个电路可等效为一个双端输入单端输出的差分放大电路。,清华大学 华成英,3.交流等效电路,可估算低频小信号下的电压放大倍数、输入电阻、输出电阻等。,第四章 集成运算放大电路,第四章 集成运算放大电路,4.1 概述,4.2 集成运放中的电流源,4.3 集成运放的电路分析及其性能指标,4.1 概述,一、集成运放的特点,二、集成运放电路的组成,三、集成运放的电压传输特性,一、集成运放的特点,（1）直接耦合方式，充分利用管子性能良好的一致性采用差分放大电路和电流源电路。（2）用复杂电路实现高性能的放大电路，因为电路的复杂化并不带来工艺的复杂性。（3）用有源元件替代无源元件，如用晶体管取代难于制作的大电阻。（4）采用复合管。,集成运算放大电路，简称集成运放，是一个高性能的直接耦合多级放大电路。因首先用于信号的运算，故而得名。,二、集成运放电路的组成,若将集成运放看成为一个“黑盒子”，则可等效为一个双端输入、单端输出的差分放大电路。,集成运放电路四个组成部分的作用,输入级：前置级，多采用差分放大电路。要求Ri大，Ad大，Ac小，输入端耐压高。中间级：主放大级，多采用共射放大电路。要求有足够的放大能力。输出级：功率级，多采用准互补输出级。要求Ro小，最大不失真输出电压尽可能大