模拟电路知识体系教学课件

总的来说就是以三极管为核心，以集成运放为主线。集成运放内部主要组成单元是差分输入级、电压放大级、功率放大级、偏置电路。集成运放的两个不同工作状态：线性和非线性应用。模拟电路主要就是围绕集成运放的内部结构、外部特性及应用、性能改善、工作电源产生、信号源产生等展开。模拟电路知识体系模拟电路知识体系湖南科技大学信息与电气工程学院湖南科技大学信息与电气工程学院第一章第一章 绪绪 论论一、放一、放大电路的表示方法大电路的表示方法 放大电路主要用于放大微弱的电信号，输出电压或电流放大电路主要用于放大微弱的电信号，输出电压或电流在幅度上得到了放大。放大电路为双口网络，即一个信号在幅度上得到了放大。放大电路为双口网络，即一个信号输入口和一个信号输出口。输入口和一个信号输出口。1.2 1.2 放大电路基本知识放大电路基本知识1.1.放大倍数放大倍数(增益增益)表征放大器的放大能力表征放大器的放大能力根据放大电路输入信号的条件和对输出信号的要求，放大器根据放大电路输入信号的条件和对输出信号的要求，放大器可分为四种类型，所以有四种放大倍数的定义。可分为四种类型，所以有四种放大倍数的定义。1.3 1.3 放大电路的主要技术性能指放大电路的主要技术性能指标标（1）电压放大倍数电压放大倍数定义为定义为:AU=UO/UI（2）电流放大倍数电流放大倍数定义为定义为:A AI I=I IO O/I II I （3）互阻增益互阻增益定义为定义为:Ar=UO/II（4）互导增益互导增益定义为定义为:Ag=IO/UI2.输入电阻输入电阻Ri从放大电路输入端看进去的等效电从放大电路输入端看进去的等效电阻，决定了放大电路从信号源吸取信号幅值的大小。阻，决定了放大电路从信号源吸取信号幅值的大小。输入电阻：输入电阻：Ri=ui/ii一般来说，一般来说，Ri越大越好。越大越好。（1）Ri越大，越大，ii就越小，从信号源索取的电流越小。就越小，从信号源索取的电流越小。（2）当信号源有内阻时，）当信号源有内阻时，Ri越大，越大，ui就越接近就越接近uS。输入端输入端iiuiRiuSRS信号源信号源Au输出端输出端3.输出电阻输出电阻Ro从放大电路输出端看进从放大电路输出端看进 去的等效电阻。决定了放大电路带负载的能力。去的等效电阻。决定了放大电路带负载的能力。输出端输出端Rouo输出端输出端AuuS 输出电阻是表明放大电路带负载的能力，输出电阻是表明放大电路带负载的能力，Ro越小，放越小，放大电路带负载的能力越强，反之则差。大电路带负载的能力越强，反之则差。0,.o.ooSL=URIUR 输出电阻输出电阻的定义：的定义：4.通频带通频带通频带：通频带：fBW=fHfL放大倍数随频率放大倍数随频率变化曲线变化曲线幅幅频特性曲线频特性曲线fAAm0.7AmfL下限截下限截止频率止频率fH上限截上限截止频率止频率 3dB带宽带宽湖南科技大学信息与电气工程学院湖南科技大学信息与电气工程学院主讲主讲:胡仕刚胡仕刚第二章第二章 运算放大器运算放大器o+Uo(sat)-Uo(sat)实际特性理想特性u+-u-开环电压放大倍数高(104-107)；输入电阻高（约几百K）；输出电阻低（约几百）；漂移小、可靠性高、体积小、重量轻、价格低。电压传输特性电压传输特性Vo=Avo(vp-vN)3）开环输出电阻 ro02）差模输入电阻 rid 4）共模抑制比 KCMRR 理想运放及其分析依据 理想化条件理想化条件：1）开环电压放大倍数 Auo理想运算放大器理想运算放大器 Avo(vp-vN)VpvNvo 理想运算放大器具有“虚短”和“虚断”的特性，这两个特性对分析线性运用的运放电路十分有用。为了保证线性运用，运放必须在闭环(负反馈）下工作。理想运算放大器的特性 (1)(1)虚短虚短 由于运放的电压放大倍数很大，而运放的输出电压是有限的，一般在10 V14 V。因此运放的差模输入电压不足1 mV，两输入端近似等电位，相当于“短路”。开环电压放大倍数越大，两输入端的电位越接近相等。“虚短”是指在分析运算放大器处于线性状态时，可把两输入端视为等电位，这一特性称为虚假短路，简称虚短。显然不能将两输入端真正短路。(2)(2)虚断虚断 由于运放的差模输入电阻很大，一般都在1 M以上。因此流入运放输入端的电流往往不足1 A，远小于输入端外电路的电流。故通常可把运放的两输入端视为开路，且输入电阻越大，两输入端越接近开路。“虚断”是指在分析运放处于线性状态时，可以把两输入端视为等效开路，这一特性称为虚假开路，简称虚断。显然不能将两输入端真正断路。下面举两个例子说明虚短和虚断的运用。几种常见的基本运算电路反相比例运算同相比例运算电压跟随器加法电路减法电路积分电路3.1 半导体的基本知识半导体的基本知识3.3 半导体二极管半导体二极管3.4 二极管基本电路及其分析方法二极管基本电路及其分析方法3.5 特殊二极管特殊二极管3.2 PN结的形成及特性结的形成及特性 3.1.4 杂质半导体杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为称为杂质半导体杂质半导体。N N型半导体型半导体掺入五价杂质元素（如磷）的掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。半导体。P P型半导体型半导体掺入三价杂质元素（如硼）的掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。半导体。3.2.1 载流子的漂移与扩散载流子的漂移与扩散漂移运动：漂移运动：由电场作用引起的载流子的运动称为由电场作用引起的载流子的运动称为漂移运动漂移运动。扩散运动：扩散运动：由载流子浓度差引起的载流子的运动称为由载流子浓度差引起的载流子的运动称为扩散运动扩散运动。在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质,分别形成分别形成N N型半导体和型半导体和P P型半导体。此时将在型半导体。此时将在N N型半型半导体和导体和P P型半导体的结合面上形成如下物理过程型半导体的结合面上形成如下物理过程:因浓度差因浓度差 空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散内电场阻止多子扩散 最后最后,多子的多子的扩散扩散和少子的和少子的漂移漂移达到达到动态平衡动态平衡。多子的扩散运动多子的扩散运动由由杂质离子形成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区 3.2.2 PN结形成结形成 PNPN结加正向电压时，呈现低电阻，结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；具有较大的正向扩散电流；PNPN结加反向电压时，呈现高电阻，结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。具有很小的反向漂移电流。由此可以得出结论：由此可以得出结论：PNPN结具有单结具有单向导电性。向导电性。3.2.3 PN结的单向导电性结的单向导电性PNPN结结V V-I I 特性表达式特性表达式其中其中PNPN结的伏安特性结的伏安特性I IS S 反向饱和电流反向饱和电流V VT T 温度的电压当量温度的电压当量且在常温下（且在常温下（T T=300K=300K）当当PNPN结的反向电压结的反向电压增加到一定数值时，反增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，向电流突然快速增加，此现象称为此现象称为PNPN结的结的反向反向击穿。击穿。热击穿热击穿不可逆不可逆 雪崩击穿雪崩击穿 齐纳击穿齐纳击穿 电击穿电击穿可逆可逆 3.2.4 PN结的反向击穿结的反向击穿一、一、PN PN 结的伏安方程结的伏安方程反向饱和电流反向饱和电流10-8-10-14A温度的温度的电压当量电压当量电子电量电子电量玻尔兹曼常数玻尔兹曼常数1.38*10-23J/K当当 T T=300(27=300(27 C)C)：VT =26 mV 3.3.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性二、二极管的伏安特性二、二极管的伏安特性OuD/ViD/mA正向特性正向特性Vth死区死区电压电压iD=0Vth=0.5 V 0.1 V(硅管硅管)(锗管锗管)V VthiD 急剧上升急剧上升0 V Vth VD(on)=(0.6 0.8)V硅管硅管 0.7 V(0.2 0.4)V锗管锗管 0.3 V反向特性反向特性ISV(BR)反反向向击击穿穿V(BR)V 0 iD=IS U(BR)反向电流急剧增大反向电流急剧增大(反向击穿反向击穿)3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法二极管电路的简化模型分析方法1.1.二极管二极管V V-I I 特性的建模特性的建模 将指数模型将指数模型 分段线性化，得到二极分段线性化，得到二极管特性的等效模型。管特性的等效模型。（1 1）理想模型）理想模型 （a a）V V-I I特性特性 （b b）代表符号）代表符号 （c c）正向偏置时的电路模型）正向偏置时的电路模型 （d d）反向偏置时的电路模型）反向偏置时的电路模型（2 2）恒压降模型）恒压降模型（a）V-I特性特性 （b）电路模型）电路模型（3 3）折线模型）折线模型（a）V-I特性特性 （b）电路模型）电路模型（4 4）小信号模型）小信号模型vs=0 时时,Q点称为静态工作点点称为静态工作点，反映直流时的工作状态。，反映直流时的工作状态。vs=Vmsin t 时（时（VmVT。（a）V-I特性特性 （b）电路模型）电路模型(2)主要特点：主要特点：(a)正向特性同普通二极管正向特性同普通二极管(b)反向特性反向特性 较大的较大的 I 较小的较小的 U 工作在反向击穿状态。工作在反向击穿状态。在一定范围内，反向击穿在一定范围内，反向击穿 具有可逆性。具有可逆性。（一）稳压二极管（一）稳压二极管（3）主要参数）主要参数 稳定电压：稳定电压：Uz 最小稳定电流：最小稳定电流：Izmin 最大稳定电流：最大稳定电流：Izmax(1)结构：结构：面接触型硅二极管面接触型硅二极管U/VIzminIzmaxI/mAUz0上一页上一页下一页下一页返返 回回下一节下一节上一节上一节(a)图形符号图形符号 (b)伏安特性伏安特性303.5 特殊二极管特殊二极管湖南科技大学信息与电气工程学院湖南科技大学信息与电气工程学院主讲主讲:胡仕刚胡仕刚第四章第四章 三极管及放大电路基础三极管及放大电路基础 半导体三极管的结半导体三极管的结构示意图如图所示。构示意图如图所示。它有两种类型它有两种类型:NPN型型和和PNP型。型。(a)NPN型管结构示意图型管结构示意图(b)PNP型管结构示意图型管结构示意图(c)NPN管的电路符号管的电路符号(d)PNP管的电路符号管的电路符号 三极管的放大作用是在一定的外部条件控制下，通过载三极管的放大作用是在一定的外部条件控制下，通过载流子传输体现出来的。流子传输体现出来的。外部条件：外部条件：发射结正偏发射结正偏 集电结反偏集电结反偏4.1.2 放大状态下放大状态下BJT的工作原理的工作原理1.内部载流子的传输过程内部载流子的传输过程发射区：发射载流子发射区：发射载流子集电区：收集载流子集电区：收集载流子基区：传送和控制载流子基区：传送和控制载流子 （以（以NPNNPN为例）为例）由于三极管内有两种载流子由于三极管内有两种载流子(自自由电子和空穴由电子和空穴)参与导电，故称为双参与导电，故称为双极型三极管或极型三极管或BJTBJT(Bipolar Junction Transistor)。IC=InC+ICBOIE=IB+IC放大状态下放大状态下BJTBJT中载流子的传输过程中载流子的传输过程2.电流分配关系电流分配关系根据传输过程可知根据传输过程可知 IC=InC+ICBO通常通常 IC ICBO 为电流放大系数。它只为电流放大系数。它只与管子的结构尺寸和掺杂浓度与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关。一般有关，与外加电压无关。一般 =0.9 0.99。IE=IB+IC放大状态下放大状态下BJ