模拟电子电路基础.ppt

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1、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),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

2、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

3、,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,G

4、e,+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

5、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

6、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:,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 Semicond

7、uctor1.1 Elementary,基础知识,P型半导体:,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

8、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,

9、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

10、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

11、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，

12、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。

13、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

14、。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：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

15、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

16、,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

17、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

18、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

19、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

20、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

21、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

22、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

23、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,

24、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I

25、BICBO,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 Semiconduc

26、tor1.4 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

27、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=0.60.7VPNP 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

28、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,

29、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 Semiconduct

30、or1.4 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

31、,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 Se

32、miconductor1.5 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

33、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 F

34、ET,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

35、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

36、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

37、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

38、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

39、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

40、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

41、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

42、击穿电压BUDS使ID开始剧增时的UDS。,6.栅源击穿电压BUGSJFET：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r

43、ds,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

44、,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=04.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,

45、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

46、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

47、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

48、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

49、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=UCCICRc2.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

50、。,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,u