模拟电子技术基础（基础部分） - 图文

模拟电子技术基础（基础部分）

第一部分

1.1 模拟信号与模拟电路

1.2 模拟电子技术基础课程特点及如何学习该课程 2.1 本征半导体

导体 一般低价

绝缘体 高价 束缚电子

半导体 四价元素 硅si 锗ge

本征半导体 纯净的晶体结构的半导体 要使材料导电性能可控

2.2 杂质半导体

为了使得导电性能可控，我们就要在本征半导体里边掺入一定的杂质，称为杂质半导体 杂质半导体有两种，一种叫N形半导体，一种叫P形半导体。 在N形半导体里边，我们掺入5价元素，经常掺入的是磷元素。

这时候大家就可以看到，说在形成共价键之后，它多出一个电子（对应一个+5的正离子）。

这个电子是一个自由的电子，所以在这个5价元素周围，已经形成共价键。所多出来的这个电子，这样就使得自由电子和空穴的浓度不一样。也就是说自由电子变成了多数的载流子，而空穴变成了少数载流子

再看一种 叫做P形半导体 P形半导体里边 是掺入了3价元素 一般是掺入硼 这时候 我们就可以看到这个

你看我把硼元素这儿 空出的这个地方 叫做空位而不叫它空穴 因为它不带电。 因为硼元素就是3价的 而只有在什么时候 才产生的空穴呢。

就是4价元素外部的 电子价电子补充了这个空位之后 这时候产生的才是空穴。 所以我们说空穴是带电的 空穴在这个时候是多数载流子。

P形半导体 主要靠空穴导电 仍然是掺入的杂质越多 空穴浓度越高 导电性能就越强。

2.3 pn结的形成及其单向导电性

2.4 pn结的电容效应

下面我们介绍一下PN结的电容效应。

PN结的电容效应。有一种效应把它等效为叫势垒电容。就是PN结在加反向电压的时候，注意是N这边加的是正，P这边加的是负。这时候随着电压数值的变化，我们看到了一条曲

线。

就是注意啊。

这里面这个u正的时候，实际上是加反向电压。随着这个电压的变化，它的等效的一个电容变化很大。而且到反向电压大到一定程度，随着电压的增大，电容量的增大很大。

那PN结的结电容

就是势垒电容和扩散电容之和

由于有了这样一个的电容效应 这个二极管

它不具有了理想的单向导电性 这样一个特性了

因为这个二极管除了单向导电 我们发现它有电容效应 就相当于在二极管上 并了一个电容 当我的信号频率 大到一定程度的时候 这个电容的容抗 小到一定程度的时候 我们说一个极端的情况 频率很高 很高

电容的容量就会趋于零 那这时候这个动态信号

它的作用就会全部加到R上 而在二极管上没有压降 也就是说这时候电容 已经不体现出来 它的单向导电性了

它相当于把电容给短路掉 这里我们要特别注意的 就是结电容

它和一般我们拿来的 一个元件电容是不一样的 这个电容呢

它本身和外部的参数有关 和它自己内部的结构有关

比如说它的这个PN结的结面积 到底有多大

比如说外部加的电压有多大 电流有多大

所以它不是一个常量。

这样的PN结一定有一个它工作的上限截止的频率当超过这个频率的时候PN结不再具有单向导电性。

2.5 半导体二极管的结构

实验1 二极管伏安特性的测试 2.9 晶体三极管的结构和符号

2.10 晶体三极管的放大原理

2.11 晶体三极管的输入特性和输出特性

首先看在uCE等于零的时候 我们看这个特性

就像是PN结的伏安特性 为什么会是这样的呢 因为这时候

当c-e是零的时候

就是发射结和集电结并在一些 那就是一个PN结

就是两个PN结并在了一起 所以它们的特性

就像PN结的伏安特性

第二如果c-e之间增大 为什么曲线会右移呢 我们从外部已经知道了

iE等于iB加上iC 当c-e之间的电压增大的时候 就说明集电结

它收集电子的能力在逐渐增强

也就是iC在逐渐增大 iC增大

当然iB就会变小

表现在外部可以看到的

就是c-e之间增大 曲线右移 但是为什么曲线右移到

一定程度c-e之间电压再增大 它右移的不明显呢

这是因为当着c-e之间的电压 足够大

已经把绝大多数的电子 都收集过来的时候 c-e之间再增大 收集电子的数目 不会明显增大的 表现在外部就是

它的曲线不会因为c-e之间电压增大 而明显的右移了 对于小功率管

c-e之间大于1的一条 输入特性曲线

就可以近似的来代表 c-e之间大于1伏的 所有的特性曲线

如果我们确定在这个电路里边 晶体管是工作在放大区 我们只要测试一条c-e电压 大于1伏的这样的一条曲线 就可以认为它是在放大区里边 所有的输入特性曲线 这里呢要注意的 是对于小功率管 我们在下边的课程里 首先要讲的就是 小功率的放大电路

看输出特性

输出特性描述的是

当iB确定的时候 c-e之间的电压变化

看iC的变化 就是以c-e之间的电压为自变量 来看iC这个函数 由于有一个iB 就有一条曲线

所以它也是一族曲线。 我们测试出来就是这种样子 在这样一条曲线里边 为什么我们会看到 当c-e是零的时候 然后逐渐增大

这时候电流增大的比较迅速 而一旦到一定数值的时候 它基本上就是横轴的平行线 其实这个解释和前边很相似。 就是c-e之间的电压 很小的时候 当它增大 它收集的能力明显增大

看到的外部电流iC 就会明显增大

而当c-e之间的电压 大到一定程度

已经把绝大多数的少子 都收集过来

那它再增大那么少子的数目

不会明显的增大了 看到的外部电流 就基本上不会再增大 所以看到的几乎是 横轴的平行线

这样一个区域。【饱和区】它表现的就是c-e电压增大iC明显增大。 在这个区域里边我们所看到的就是有一个iB就有一个成倍增长的iC我们看到的是IC几乎仅仅决定于iB这个称呼我们就称它为放大区而对于放大电路里边的晶体管 我们就希望它

永远工作在这个区域里边 而不进入一个叫做饱和区 就是随着c-e电压变化

电流变化比较迅速的那个区域 一个呢叫做截止区

一旦这个电路里边的晶体管 工作到了饱和区或者截止区去 它就没有这个放大的能力了。

实际上我们经常说的 三极管的放大倍数

电流放大倍数叫做β β是两个变化量之比 条件就是c-e是常量的时候

ΔiC比上ΔiB 在这样一个输出特性 坐标平面里边

我们应该做一个横轴的垂线

然后我们取得ΔiC和ΔiB 它们之比就是β

这就是我们在手册上所看到的β 和人们经常说它有放大作用 指的是它对变化量的放大作用

在这样一个输出特性上 我们看到的是它们几乎 都是横轴的平行线。 这个是我们实测出来的

对应的每一个固定的iB 所得到的一条输出特性曲线 我们看它明显的有上翘

而且上翘的程度还不一样那说明什么说明β本身不是处处相等的。这个电路工作在这一点

和工作在这一点

它的β是不相等的

所以我们在实际电路里分析的时候 如果实测电路我们应该测试 这个电路工作在哪个区域

那个区域β到底有多大 所以这是第一个问题 它不是常量

那什么是理想的晶体管呢

理想晶体管就是β处处相等

而且β和β一杠是相等的 b一杠是直流的放大倍数 我们来想一想

怎么才能β处处相等

而且β和β一杠是相等的

那是首先穿透电流应该是零

再有就是iB在等差变化的时候 输出特性是等距离的平行线 这个时候β就处处相等 而且这个β称为 交流的电流放大倍数 和直流的电流放大倍数 是相等的

在今后的近似分析的时候

当我分析放大电路的原理的时候 我是把晶体管理想化

也就是认为β处处相等 而且β等于β一杠

实验2 三极管输出特性的测试

无

作业

第一周作业

1 温度升高，二极管的正向导通电压不变，导通电流将怎么变化？ 导通电流增大。因为随着温度的增高，二极管的伏安特性曲线左移。

注意一个二极管交流等效电阻的计算

第二部分

2.12 晶体三极管的三个工作区域及温度对特性的影响

晶体管在它的输出特性曲线上，可以看到三个区域，除了放大区之外，还有饱和区和截止区。 下面我们来看晶体三极管的三个工作区域以及温度得它的特性的影响。

首先对于这样一个电路，就是我们在前边看到过的这个电路。这个电路我们叫它共射电路。 这是它的输出特性曲线。在这个曲线里边 我们可以看到

它的饱和区 放大区和截止区 那下我们就列表来看一看 它在三个区域里边 结压降 管压降 电流 之间有什么样的关系 这是工作状态

有截止 放大和饱和 这是发射结的压降

这是输出回路集电极电流iC 这个是c-e之间的电压 我们称为管压降uCE。

看截止区，晶体管工作在截止区，是说它的发射结所加的电压没有到Uon。所以发射结压降是小于等于Uon的时候。我们就看到这时候 它的iC就是那穿透电流 我们认为它近似是零

这个时候iB也是零 那对于这样一个电路

iC是零的 所以c-e之间的电压 就是外加的电源电压

VCC

放大区

放大区发射结一定

它的电压大于了开启电压 也就是说在输入回路

产生了iB电流 那在输出回路

有一个iB就有一个βiB 那就是iC

所以iC是βiB 这时候管压降应该使得 集电结处在反偏或者零偏 那从外部我们测量上

就可以看到说c-e之间的电压

是大于等于uBE的。

再看饱和的情况

饱和的情况b-e之间的电压大于Uon 说明它是导通的

但是我们看这时候集电结 已经不是反偏了 所以c-e之间的电压

是小于b-e之间的电压的

那iC也不是像在放大区域里边 它等于βiB 它小于βiB 也就是说在这个电路里边

iB正常的增长已经不能使得 c-e之间的电流

iC正常的增长 那电压到哪去了呢

降在了这个Rc上 所以我们可以看到

我常说饱和是一种什么情况呢 是一种发射有余 收集不足 说发射电子很多

但是集电结已经没有能力 去收集它了

所以这时候iC电流是 小于βiB的 那好了

在一个电路里边我们怎么去看它处在截止状态还是放大状态还是饱和状态呢。首先判断它是否导通，如果它不导通也就是说b-e之间的电压小于开启电压，那它就是截止的。如果它导

通，有两种情况，要么放大 要么饱和。那我通过什么去判断呢？ 通过c-e之间的电压，和b-e之间电压的关系。 所以这样我们就知道了 在一个电路里边

不管是简单电路还是复杂电路 我测出这个管子三个极的电位 我就能够判断的出来

这个管子究竟工作在截止区 还是放大区 还是饱和区 那么要看标题

说这是晶体管的三个工作区域 所以截止和饱和

它们也是两个工作区域 只不过在模拟电子电路里边 晶体管经常工作在放大区域 而如果到了数字电路里边 那么晶体管大多数就会 不工作在截止区域 就工作在饱和区

我们叫它工作在开关状态

那么晶体管工作在放大状态的时候 输出回路电流iC 几乎仅仅决定于

输入回路电流iB 所以可以把输出回路

等效成一个电流iB 控制的电流源iC

下面我们看一看温度 对晶体管特性的影响 这是我们在摄氏20度 和摄氏60度所测试

出来的输入特性和输出特性 虚线是温度升高之后的 它的特性曲线

那在这里这个IB1等于I'B1 IB2等于I'B2 所以我们从这个特性上可以看到 温度升高它所带来的影响 一个是穿透电流增大 这个从内部结构上 我们是可以理解的 因为穿透电流

和集电结的反向电流 紧密相关

而集电结的反向电流 就是少数载流子漂移运动 构成的电流 而少数载流子 在温度变化的时候 它的数目变化 相对变化比较大

第二个β会增大 因为我们看到同样的

这个iB的时候 它们不但增大了 而且间隔加大了

所以这是β增大 而从输入特性上可以看到

uBE如果不变的话 iB会增大 或者iB不变的话 uBE会减小 这就是温度

对晶体管特性的影响 那么当晶体管

构成了一个放大电路的时候 由于晶体管的特性 受温度的影响

那么就使得整个电路的性能 也会受温度的影响 如果我们不能解决温度 稳定性的问题 那么放大电路

就不能称其为实用的电路了

2.13 晶体三极管的主要参数

我们就知道了三极管 它的一些主要的参数 大概是这样一些参数 一个参数就是直流参数

就是它的直流的电流放大系数 还有集电极的反向电流

还有就是穿透电流 实际上这两个电流

我们只要知道一个就知道了另一个 交流参数一个就是动态的 交流的电流放大系数β 还有一个就是跟频率有关的参数

叫f{\\fs10}T{\\r} f{\\fs10}T{\\r}是使β等于1的信号频率 也就是说没有电流放大作用时候的 那个时候的信号频率

那好为什么β会因为 信号的频率不同而不同呢

我们知道三极管是由两个PN结构成的 两个PN结就有两个结电容

因此是结电容使得频率高到一定程度 结电容的容抗不能够认为是无穷大了 这时候三极管β就要产生变化了 不但幅值要变还会产生相移 再有就是极限参数

极限参数描绘的是三极管 不会损坏的参数 一个是对电流的限制 一个是对功率的限制

还有一个是对它的压降的限制 我们分别来看

I{\\fs10}CM{\\r}叫做最大集电极电流

当这i{\\fs10}C{\\r}超过I{\\fs10}CM{\\r}的时候 至少有一个现象是非常明显的 它的β明显的下降

通常i{\\fs10}C{\\r}应该小于I{\\fs10}CM{\\r} 第二个叫P{\\fs10}CM{\\r}

P{\\fs10}CM{\\r}描述的是最大集电极耗散功率

P{\\fs10}CM{\\r}应该于i{\\fs10}C{\\r}乘以u{\\fs10}CE{\\r} 那么如果我们把它看成一个数学式子 它应该是一个双曲线

但是我们知道对于三极管来讲 它是工作在第一象限的 所以它只是双曲线的一部分

再一个参数就是c-e之间的击穿电压 那为什么c-e之间会击穿呢

因为当c-e加上一个正向的电压的时候 总有一个结是处在反向偏置的 那就是集电结 处于反向偏置的结

当电压大到足够大的时候

就会被击穿 这样我们就看到

说在三极管的输出坐标平面上 这个输出特性上

我们可以标出I{\\fs10}CM{\\r}以及P{\\fs10}CM{\\r}所构成的 双曲线的一部分

还有呢就是它的击穿电压

这时候我们就看到要想三极管不损坏 一定要让它工作在安全区域里边 也就是既不是电流过大 也不是电压过大 也不是损耗过大

P{\\fs10}CM{\\r}本身其实它描述的就是管子 通过电流以后产生了温升

而这个温升是有一定的极限值的 这个就是三极管的一些主要参数 因为我们在研究这些参数的时候 是在前面那个电路的基础上 来研究有关参数的 前面那个电路呢

它是一个共射接法的电路

也就是说它的输入回路b-e回路 和它输出回路c-e回路 是以发射极作为公共端的 我们叫它共射电路 也叫共射的接法

所以这些参数是共射接法时候的 主要参数

那三极管还可以有其它的接法 比如说共基极的接法

那共基极它也会还有自己特殊的参数 在后面的课程里边我们碰到了 再去讲述它

我们测试一个电路的电压传输特性 其实就可以看出来 在什么情况下三极管

工作在截止区 放大区 或者饱和区 比如就这么一个电路

那什么是它的电压传输特性呢 电压传输特性描述的

就是我给一个电路输入电压 然后看它的输出 注意电压传输特性 也是一个稳态的特性 是可以逐点测试出来的 也可以通过仪器测试出来

所以给一个u{\\fs10}I{\\r}就得到一个u{\\fs10}O{\\r} 给一个u{\\fs10}I{\\r}又得到一个u{\\fs10}O{\\r} 我们就可以描点得出来 那对于这样一个电路 如果我所加的输入的电压 小于晶体管的开启电压的时候 它一定是截止的 然后我逐渐增大 那它一定是从截止区 逐渐向放大区过渡 而到了放大区域的时候 当电流逐渐增大

在输入信号增大的情况下 i{\\fs10}C{\\r}逐渐增大

那么R{\\fs10}C{\\r}上的电压逐渐增大 c-e的电压就会逐渐减少 大到一定程度

c-e电压小不下来了趋于零了 那这个时候它就饱和了 在这个电路里边

还有一个画法我要解释

就是这写一个正的V{\\fs10}CC{\\r}

它表明的是V{\\fs10}CC{\\r}的负极接到了公共端 我们经常用这样简化的画法 来画一个电子电路 那这个电路测试出来 它的传输特性是这样的

首先建立起来它的传输特性的 这样一个坐标系

然后我们测试出来它是这样的

在这里头我其实是已经把它折线化了 这么一个折线化之后

几个区域就可以分辨出来了 那就是我找着两个拐点

中间的这个区域是一个线性的变化区域 那它是处在放大区

而输出电压几乎就是V{\\fs10}CC{\\r}的时候 这时它截止了

而输出电压接近零的时候 这是这个管子饱和了 那在放大电路里边 我们应该让晶体管

工作在这样一个线性的区域里边 而不让它进到饱和区 或者是截止区

3.1 放大的概念

所以放大的对象是变化量

EDA应用1-2 半导体二极管和三极管特性的测试

基极电流为微安级

3.2 放大电路的性能指标

Auu 第一个u指输出 第二个指输入

RoI 是 Ri2是

空载时电压大 大于

实验3 放大电路（黑盒子）性能指标的测试

3.3 基本共射放大电路的组成及各元件的作用

EDA应用3 在multisim环境中电路的搭建

完成

3.4 基本共射放大电路的波形分析

npn 共射

3.5 放大电路的组成原则和两种实用的放大电路

放大电路首先要设置一个 合适的静态工作点 那这个合适就是不失真 而且在我们深入学习的时候 我们会看到动态参数需要 怎样的一个静态工作点 所以我们这么去形容它

说你要加合适的电源 直流电源 要有合适的电路参数

合适的直流电源我们前面看到了

就是要保证晶体管工作在放大区的外部条件 发射结它的压降要大于开启电压 集电结要反偏或者零偏。 合适的电路参数指的是 在这里我们所有的

电阻的电源的数值要合适。 第二个就是动态的信号应该能够 作用到晶体管的输入回路里边来 要使得晶体管它的IB产生变化量 那么它才会传递到后面输出回路

使得IC产生β倍的变化 另一个就是在负载上要能够获得 被放大了的动态信号 也就是说在这个电路里边 没有断路和短路

使得负载获得不了动态信号。 对于实用的放大电路还有一些要求

有共地 所谓共地

就是指的信号源和放大电路 放大电路和负载 有同一个公共端 那么有什么好处 这样对于电路来讲 不容易受外界的干扰。 另外呢就是直流电源的种类 应该尽可能的少 既然我们负载

需要获得的是动态的部分 那就希望它没有直流分量 也就是说

负载没有无谓的直流的损耗 这就是组成放大电路的原则 所以我们从一个简单电路 总结出来这样的一个规律

那么在这个电路里边 它有什么样的问题

首先就是如此简单的电路 用了两路电源

我们在纸上画电源是容易的 但是要真正做这个电源

它是一个应该说在模拟电路里边 它是一个复杂电路 关于直流电源 要在整个课程的最后才去讲 所以对于一个电路我们要求

它的电源的种类应该尽可能的少。 再有一个问题就是它的信号源 与放大电路不共地

我们看信号地源在这

是串在这个直流源VBB上

那这样是很容易把空中的干扰信号 接收下来混入到有用信号里头的

所以这是一种在实用电路里边不可取的接法。 那么两种电源

把两个电源合二为一不就得了 所以我们实际上可以这样

说去掉这个VBB

然后呢我用一个Rb2这个电阻 直接去接到VCC上 也就是说让三极管的基极电流 和集电极电流来源于一个源。

但是如果这个电路就是这样，也没法工作。 我们怎么来解决够地的问题 就在这儿加上一个电阻 那这时候我们可以看到

IBQ等于什么，就是这里头的电流要减去这个Rb1里头的电流。

所以我们是可以设置一个合适的IBQ 从而得到一个ICQ， 再得到一个合适的管压降。

那静态的时候我们可以看到 首先要知道什么是静态

静态就是这个输入信号短路等于零

那在这个Rb1上它得到的压降 就是BE的压降

注意它是并联的 这是结在B上 这边一短路那么它就接在了E上

所以它是并联的

也就是Rb1这个电阻上

就是BE之间静态的电压UBEW。 那么动态的时候呢，注意我们是这么加的是在这儿加的 所以到动态的时候

VCC和ui同时作用于晶体管的输入回路。 这时候动态的信号就 托载在了静态之上

也就是说BE之间的电压 我们往那边看

可以看到它是在原来BE的基础上 要叠加上动态的一部分。 但是在这个电路里 有不尽人意的地方 第一个就是交流有损失 因为对于信号而言

它进来之后首先遇到的就是Rb1 Rb1是串在这个电路里边 它必然首先降掉一部分有用信号 我们叫有交流的损失 有用信号被损失掉一部分 这是我们不希望的

我们希望所有的有用信号

最好都加到BE之间来改变IB 这是一个不尽人意的一个地方 还有一个地方

我们看这个负载结到这儿之后 负载接到这儿之后

它影响着静态工作点首先是

然后这个RL上还有直流的损耗 我们前面讲了

我说需要的就是得到的动态信号 需要的就是扩音机发出的 就是我的声音的变化的这个 放大的了的东西

所以这是一个在实际电路里边 特别不主张的有直流分量这一点 这是一种无谓的能量的损耗

那么有人就会想到

说我能不能解决这个问题 我这儿都加电容

我们知道电容有一个特点

就是它对于交流量和直流量 有着不同的响应

如果电容量很大那么在输入这儿 我们就可以看到 在电容上的损失很小 而且能够做到趋于零 在输出端加一个电容

使得负载和放大电路被隔离起来 因此电源电压的作用 不会作用到负载上来 那么首先看源电路

我们叫做直接偶合放大电路 它指的是什么呢

指的是信号源和放大电路 放大电路和负载之间直接相连 所以偶合这个词 实际上是连接的意思 而如果我们改成这样的 输入输出都加了一个电容 这个电容我们叫做偶合电容 实际上就是连接用的电容 这个电路它的连接方式 和刚才就不一样了

这种电路我们叫做阻容偶合电路

这就是变化来的阻容偶合电路

那么在这里C1 C2称为偶合电容 而且他们的电容量应该足够大 大到什么程度呢

大到对于交流信号近似为短路 如果更确切的说就是对于 用户所加的交流信号的 那个频率范围里边

都可以把它看成为短路。

它的又一个作用是把 信号源和放大电路 放大电路和负载

它们之间在直流上隔离掉 因为电容对于直流

它的电抗是趋无穷大的。 所以人们称

这个偶合电容叫隔直通交。就是隔离直流通过交流。

对于这样一个电路在静态的时候 两个偶合电容上的电压是多少。

首先我们要重回到什么是静态，静态就是输入信号是零。 在这里静态就是把输入短路。 把输入一短路我们就可以看到

C1这个电容一头接在晶体管的基极上，另外一头是接到了晶体管的发射极上。 所以电容C1是并在了BE之间，也就是说它上头的电压就是那个UBEQ。 我们再看C2，C2一头是接在了集电极，另外一头注意这里没有电流。 所以另外一头就是地，也就是发射极。

所以C2上头的静态的电压，就是UCEQ。这就是在静态的时候。 动态的时候

我们就要从这儿往外看了 看看这个信号怎么加进来呢

动态的时候BE之间的电压是UBEQ加上ui。 电容在交流信号上相当于短路

那么动态的ui就全部给了BE之间，所以BE获得了最大的输入信号。 那么动态信号是驮载在静态之上的。

我们再看输出。有了动态信号，CE之间的电压就是静态的UCEQ加上动态的UCE。

而输出的电压是CE的电压要减去C2上头的电压。因此输出电压变成纯粹的交流信号。 这样我们就解决了

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