模拟电子技术全册精品完整课件

华中科技大学张林*模拟电子技术全册精品完整课件《电子技术基础》模拟部分（第六版）*华中科技大学张林电子技术基础模拟部分1绪论2运算放大器3二极管及其基本电路4场效应三极管及其放大电路5双极结型三极管及其放大电路6频率响应7模拟集成电路8反馈放大电路9功率放大电路10信号处理与信号产生电路11直流稳压电源华中科技大学张林*1绪论1.1信号1.2信号的频谱1.3模拟信号和数字信号1.4放大电路模型1.5放大电路的主要性能指标*华中科技大学张林1.1信号1.信号：信息的载体微音器输出的某一段信号的波形*华中科技大学张林1.1信号2.电信号源的电路表达形式*华中科技大学张林1.2信号的频谱1.正弦信号*华中科技大学张林1.2信号的频谱2.方波信号满足狄利克雷条件，展开成傅里叶级数其中方波的时域表示*华中科技大学张林1.2信号的频谱频谱：信号的振幅和相位随频率变化的分布称为该信号的频谱。*华中科技大学张林1.2信号的频谱3.非周期信号傅里叶变换：通过快速傅里叶变换（FFT）可迅速求出非周期信号的频谱函数。离散频率函数连续频率函数*华中科技大学张林1.3模拟信号和数字信号处理模拟信号的电子电路称为模拟电路。模拟信号：在时间和幅值上都是连续的信号。数字信号：在时间和幅值上都是离散的信号。*华中科技大学张林1.4放大电路模型电压增益（电压放大倍数）电流增益互阻增益互导增益1.放大电路的符号及模拟信号放大*华中科技大学张林1.4放大电路模型2.放大电路模型放大电路是一个双口网络。从端口特性来研究放大电路，可将其等效成具有某种端口特性的等效电路。 输入端口特性可以等效为一个输入电阻 输出端口可以根据不同情况等效成不同的电路形式*华中科技大学张林1.4放大电路模型2.放大电路模型——负载开路时的电压增益A.电压放大模型——输入电阻——输出电阻由输出回路得则电压增益为由此可见即负载的大小会影响增益的大小要想减小负载的影响，则希望…？（考虑改变放大电路的参数）理想情况*华中科技大学张林1.4放大电路模型另一方面，考虑到输入回路对信号源的衰减理想情况要想减小衰减，则希望…？A.电压放大模型*华中科技大学张林1.4放大电路模型B.电流放大模型关心输出电流与输入电流的关系*华中科技大学张林1.4放大电路模型——负载短路时的电流增益由输出回路得则电流增益为由此可见要想减小负载的影响，则希望…？理想情况由输入回路得要想减小对信号源的衰减，则希望…？理想情况B.电流放大模型*华中科技大学张林1.4放大电路模型C.互阻放大模型（自学）输入输出回路没有公共端D.互导放大模型（自学）E.隔离放大电路模型*华中科技大学张林1.5放大电路的主要性能指标1.输入电阻或*华中科技大学张林1.5放大电路的主要性能指标2.输出电阻注意：输入、输出电阻为交流电阻*华中科技大学张林1.5放大电路的主要性能指标3.增益反映放大电路在输入信号控制下，将供电电源能量转换为输出信号能量的能力。四种增益“甲放大电路的增益为-20倍”和“乙放大电路的增益为-20dB”，问哪个电路的增益大？*华中科技大学张林1.5放大电路的主要性能指标4.频率响应A.频率响应及带宽电压增益可表示为在输入正弦信号情况下，输出随输入信号频率连续变化的稳态响应，称为放大电路的频率响应。其中*华中科技大学张林1.5放大电路的主要性能指标其中普通音响系统放大电路的幅频响应高频区中频区低频区直流放大电路的幅频响应与此有何区别？4.频率响应A.频率响应及带宽*华中科技大学张林1.5放大电路的主要性能指标B.频率失真（线性失真）幅度失真：对不同频率的信号增益不同，产生的失真。基波二次谐波输入信号输出信号基波二次谐波4.频率响应*华中科技大学张林1.5放大电路的主要性能指标相位失真：对不同频率的信号时延不同，产生的失真。B.频率失真（线性失真）4.频率响应幅度失真：对不同频率的信号增益不同，产生的失真。*华中科技大学张林1.5放大电路的主要性能指标5.非线性失真由元器件非线性特性引起的失真。非线性失真系数:Vo1是输出电压信号基波分量的有效值，Vok是高次谐波分量的有效值，k为正整数。end《电子技术基础》模拟部分（第六版）华中科技大学*华中科技大学张林电子技术基础模拟部分1绪论2运算放大器3二极管及其基本电路4场效应三极管及其放大电路5双极结型三极管及其放大电路6频率响应7模拟集成电路8反馈放大电路9功率放大电路10信号处理与信号产生电路11直流稳压电源华中科技大学张林*2运算放大器2.1集成电路运算放大器2.2理想运算放大器2.3基本线性运放电路2.4同相输入和反相输入放大电路的其他应用*华中科技大学张林2.1集成电路运算放大器1.集成电路运算放大器的内部组成单元本章不讨论集成运放的内部电路，仅从其电路模型和外特性出发，讨论运放构成的放大电路和典型的线性应用电路。*华中科技大学张林2.1集成电路运算放大器符号图2.1.2运算放大器的代表符号（a）国家的符号（b）国内外常用符号1.集成电路运算放大器的内部组成单元*华中科技大学张林2.1集成电路运算放大器通常： 开环电压增益Avo的105（很高） 输入电阻ri106Ω（很大） 输出电阻ro100Ω（很小）vO＝Avo(vP－vN)（V－＜vO＜V＋）注意输入输出的相位关系放大：在输入信号控制下，放大电路将供电电源能量转换成为输出信号能量。*华中科技大学张林2.1集成电路运算放大器当Avo(vP－vN)V＋时vO＝V＋当Avo(vP－vN)V-时vO＝V-电压传输特性vO＝f(vP－vN)*华中科技大学张林2.1集成电路运算放大器线性范围内vO＝Avo(vP－vN)Avo——斜率当Avo(vP－vN)V＋时vO＝V＋当Avo(vP－vN)V-时vO＝V-电压传输特性vO＝f(vP－vN)*华中科技大学张林2.2理想运算放大器1.vo的饱和极限值等于运放的电源电压V＋和V－2.运放的开环电压增益很高若（vp－vn）＞0则vo=+Vom=V＋若（vp－vn）＜0则vo=–Vom=V－3.若V－<vo<V＋则（vp－vn）04.输入电阻ri的阻值很高使ip≈0、in≈05.输出电阻很小，ro≈0华中科技大学张林*2.3基本线性运放电路 2.3.1同相放大电路 2.3.2反相放大电路*华中科技大学张林2.3.1同相放大电路（a）电路图1.基本电路（b）小信号电路模型*华中科技大学张林2.3.1同相放大电路2.几项技术指标的近似计算（1）电压增益Av根据虚短和虚断的概念有vp≈vn，ip＝-in＝0所以（可作为公式直接使用）*华中科技大学张林2.3.1同相放大电路（2）输入电阻Ri输入电阻定义根据虚短和虚断有vi＝vp，ii＝ip≈0（3）输出电阻RoRo→02.几项技术指标的近似计算*华中科技大学张林2.3.1同相放大电路3.电压跟随器根据虚短和虚断有vo＝vn≈vp＝vi（可作为公式直接使用）*华中科技大学张林电压跟随器的作用无电压跟随器时负载上得到的电压有电压跟随器时ip≈0，vp＝vs根据虚短和虚断vo＝vn≈vp＝vs*华中科技大学张林2.3.2反相放大电路（a）电路图1.基本电路（b）由虚短引出虚地vn≈0*华中科技大学张林2.3.2反相放大电路2.几项技术指标的近似计算根据虚短和虚断的概念有vn≈vp＝0，ii＝0所以i1＝i2（可作为公式直接使用）（1）电压增益Av*华中科技大学张林2.3.2反相放大电路（2）输入电阻Ri（3）输出电阻RoRo→0若信号源是非理想的电压信号源，采用哪种放大电路更好？同相放大电路反相放大电路2.几项技术指标的近似计算*华中科技大学张林当R2>>R3时，（1）试证明Vs＝(R3R1/R2)Im解（1）根据虚短和虚断有Ii=0Vp=Vn=0例2.3.3直流毫伏表电路（2）R1＝R2＝150k，R3＝1k，输入信号电压Vs＝100mV时，通过毫伏表的电流Im(max)＝？所以I2=Is=Vs/R1R2和R3相当于并联，所以–I2R2=R3(I2-Im)当R2>>R3时，Vs＝(R3R1/R2)Im（2）代入数据计算即可（指针偏转角度与Im是线性关系）华中科技大学张林*2.4同相输入和反相输入放大电路的其他应用2.4.1求差电路2.4.2仪用放大器2.4.3求和电路2.4.4积分电路和微分电路*华中科技大学张林2.4.1求差电路从结构上看，它是反相输入和同相输入相结合的放大电路。根据虚短、虚断和N、P点的KCL得：*华中科技大学张林2.4.1求差电路从放大器角度看时增益为（该电路也称为差分电路或减法电路）当*华中科技大学张林2.4.1求差电路差模输入电阻时当输入电阻较小*华中科技大学张林2.4.1求差电路一种高输入电阻的差分电路如何提高输入电阻？A3*华中科技大学张林2.4.2仪用放大器*华中科技大学张林2.4.3求和电路根据虚短、虚断和N点的KCL得：输出再接一级反相电路（该电路也称为加法电路）*华中科技大学张林2.4.4积分电路和微分电路1.积分电路式中，负号表示vo与vi在相位上是相反的。根据“虚短”，得根据“虚断”，得设电容器C的初始电压为零，则（积分运算）*华中科技大学张林2.4.4积分电路和微分电路当vi为阶跃电压时，有vo与t成线性关系与一般RC电路相比该积分电路有何特点？1.积分电路*华中科技大学张林2.4.4积分电路和微分电路2.微分电路end《电子技术基础》模拟部分（第六版）华中科技大学*华中科技大学张林电子技术基础模拟部分1绪论2运算放大器3二极管及其基本电路4场效应三极管及其放大电路5双极结型三极管及其放大电路6频率响应7模拟集成电路8反馈放大电路9功率放大电路10信号处理与信号产生电路11直流稳压电源华中科技大学张林*3二极管及其基本电路3.1半导体的基本知识3.2PN结的形成及特性3.3二极管3.4二极管的基本电路及其分析方法3.5特殊二极管华中科技大学张林*3.1半导体的基本知识3.1.1半导体材料3.1.2半导体的共价键结构3.1.3本征半导体3.1.4杂质半导体*华中科技大学张林3.1.1半导体材料根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。*华中科技大学张林3.1.2半导体的共价键结构硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构*华中科技大学张林3.1.3本征半导体本征半导体——化学成分纯净的半导体。它在物理结构上呈单晶体形态。空穴——共价键中的空位。电子空穴对——由热激发而产生的自由电子和空穴对。空穴的移动——空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。*华中科技大学张林3.1.4杂质半导体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。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。N型半导体——掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。P型半导体——掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。*华中科技大学张林3.1.4杂质半导体1.N型半导体因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。在N型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子,由热激发形成。提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。*华中科技大学张林3.1.4杂质半导体2.P型半导体因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子，由热激发形成。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。*华中科技大学张林3.1.4杂质半导体3.杂质对半导体导电性的影响掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下:以上三个浓度基本上依次相差106/cm3。华中科技大学张林*3.2PN结的形成及特性3.2.1载流子的漂移与扩散3.2.2PN结的形成3.2.3PN结的单向导电性3.2.4PN结的反向击穿3.2.5PN结的电容效应*华中科技大学张林3.2.1载流子的漂移与扩散漂移运动：在电场作用引起的载流子的运动扩散运动：由载流子浓度差引起的载流子的运动*华中科技大学张林3.2.2PN结的形成*华中科技大学张林3.2.2PN结的形成*华中科技大学张林在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:因浓度差空间电荷区形成内电场内电场促使少子漂移内电场阻止多子扩散最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区*华中科技大学张林3.2.3PN结的单向导电性当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。(1)PN结加正向电压时 低电阻 大的正向扩散电流*华中科技大学张林3.2.3PN结的单向导电性 高电阻 很小的反向漂移电流当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。(2)PN结加反向电压时*华中科技大学张林3.2.3PN结的单向导电性 高电阻 很小的反向漂移电流当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。(2)PN结加反向电压时*华中科技大学张林3.2.3PN结的单向导电性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。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。*华中科技大学张林3.2.3PN结的单向导电性(3)PN结I-V特性表达式其中IS——反向饱和电流VT——温度的电压当量且在常温下（T=300K）PN结的I-V特性*华中科技大学张林3.2.4PN结的反向击穿当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为PN结的反向击穿。热击穿——不可逆*华中科技大学张林3.2.5PN结的电容效应(1)势垒电容CB外加电压变化*华中科技大学张林3.2.5PN结的电容效应(2)扩散电容CD扩散电容示意图外加电压变化华中科技大学张林*3.3半导体二极管3.3.1二极管的结构3.3.2二极管的I-V特性3.3.3二极管的参数*华中科技大学张林3.3.1二极管的结构*华中科技大学张林3.3.1二极管的结构在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型两大类。(1)点接触型二极管PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。*华中科技大学张林3.3.1二极管的结构(2)面接触型二极管PN结面积大，用于工频大电流整流电路。(3)二极管的代表符号*华中科技大学张林3.3.2二极管的I-V特性二极管的伏安特性曲线可用下式表示正向特性反向特性反向击穿特性*华中科技大学张林3.3.3二极管的主要参数华中科技大学张林*3.4二极管的基本电路及其分析方法 3.4.1简单二极管电路的图解分析方法 3.4.2二极管电路的简化模型分析方法*华中科技大学张林3.4.1简单二极管电路的图解分析方法二极管是一种非线性器件，因而其电路一般要采用非线性电路的分析方法，相对来说比较复杂，而图解分析法则较简单，但前提条件是已知二极管的V-I特性曲线。符号中大小写的含义：大写字母大写下标：静态值（直流），如，IB（参见“本书常用符号表”）小写字母大写下标：总量（直流+交流），如，iB小写字母小写下标：瞬时值（交流），如，ib*华中科技大学张林例3.4.1电路如图所示，已知二极管的V-I特性曲线、电源VDD和电阻R，求二极管两端电压vD和流过二极管的电流iD。是一条斜率为-1/R的直线，称为负载线Q的坐标值（VD，ID）即为所求。Q点称为电路的工作点*华中科技大学张林3.4.2二极管电路的简化模型分析方法1.二极管I-V特性的建模（1）理想模型I-V特性代表符号正向偏置时的电路模型反向偏置时的电路模型*华中科技大学张林3.4.2二极管电路的简化模型分析方法1.二极管I-V特性的建模*华中科技大学张林3.4.2二极管电路的简化模型分析方法（4）小信号模型vs=Vmsint时（Vm<<VDD）Q点称为静态工作点，反映直流时的工作状态。将Q点附近小范围内的V-I特性线性化，得到小信号模型，即以Q点为切点的一条直线。1.二极管I-V特性的建模*华中科技大学张林3.4.2二极管电路的简化模型分析方法过Q点的切线可以等效成一个微变电阻得Q点处的微变电导常温下（T=300K）1.二极管I-V特性的建模（4）小信号模型*华中科技大学张林3.4.2二极管电路的简化模型分析方法特别注意： 小信号模型中的微变电阻rd与静态工作点Q有关。 该模型用于二极管处于正向偏置条件下，且vD>>VT。（a）I-V特性（b）电路模型1.二极管I-V特性的建模（4）小信号模型*华中科技大学张林3.4.2二极管电路的简化模型分析方法2．模型分析法应用举例（1）整流电路（理想模型）当vs为正半周时，二极管导通，且导通压降为0V，vo=vs*华中科技大学张林2．模型分析法应用举例（2）静态工作情况分析理想模型恒压模型折线模型*华中科技大学张林（3）限幅与钳位电路电路如图，R=1kΩ，VREF=3V，二极管为硅二极管。分别用理想模型和恒压降模型求解，当vI=6sintV时，绘出相应的输出电压vO的波形。2．模型分析法应用举例*华中科技大学张林电路如图，二极管为硅二极管，VD=0.7V，vs=VmsintV，且Vm>>VD，绘出相应的输出电压vO的波形。vs的负半周，D导通，C充电，但无放电回路，最后（稳态）VC=Vm-VD=Vm–0.7V（Vm是振幅值）此后输出电压为vO=vs+VC=vs+Vm-0.7V将输入波形的底部钳位在了-0.7V的直流电平上。若颠倒二极管的方向，vO的波形将怎样变化？（3）限幅与钳位电路2．模型分析法应用举例*华中科技大学张林（4）开关电路电路如图所示，求AO的电压值解：先断开D，以O为基准电位，即O点为0V。则接D阳极的电位为-6V，接阴极的电位为-12V。阳极电位高于阴极电位，D接入时正向导通。导通后，D的压降等于零，即A点的电位就是D阳极的电位。所以，AO的电压值为-6V。2．模型分析法应用举例*华中科技大学张林（6）小信号工作情况分析图示电路中，VDD=5V，R=5k，恒压降模型的VD=0.7V，vs=0.1sinwtV。（1）求输出电压vO的交流量和总量；（2）绘出vO的波形。解得：vO=VO+vo=4.3+0.0994sinwt（V）直流通路、交流通路、静态、动态等概念，在放大电路的分析中非常重要。解：2．模型分析法应用举例华中科技大学张林*3.5特殊二极管3.5.1齐纳二极管3.5.2变容二极管3.5.3肖特基二极管3.5.4光电器件*华中科技大学张林3.5.1齐纳二极管1.符号及稳压特性利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态。*华中科技大学张林3.5.1齐纳二极管(1)稳定电压VZ(2)动态电阻rZ在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。rZ=VZ/IZ(3)最大耗散功率PZM(4)最大稳定工作电流IZ(max)和最小稳定工作电流IZ(min)(5)稳定电压温度系数——VZ2.齐纳二极管主要参数*华中科技大学张林3.5.1齐纳二极管3.稳压电路正常稳压时VO=VZ#稳压条件是什么？IZ(min)≤IZ≤IZ(max)#不加R可以吗？*华中科技大学张林3.5.2变容二极管（a）符号（b）结电容与电压的关系（纵坐标为对数刻度）*华中科技大学张林3.5.3肖特基二极管（a）符号（b）正向V-I特性*华中科技大学张林3.5.4光电器件1.光电二极管（a）符号（b）电路模型（c）特性曲线*华中科技大学张林3.5.4光电器件2.发光二极管*华中科技大学张林3.5.4光电器件3.激光二极管（a）物理结构（b）符号*华中科技大学张林3.5.4光电器件4.太阳能电池end《电子技术基础》模拟部分（第六版）华中科技大学*华中科技大学张林电子技术基础模拟部分1绪论2运算放大器3二极管及其基本电路4场效应三极管及其放大电路5双极结型三极管及其放大电路6频率响应7模拟集成电路8反馈放大电路9功率放大电路10信号处理与信号产生电路11直流稳压电源华中科技大学张林*4场效应三极管及放大电路4.1金属-氧化物-半导体（MOS）场效应三极管4.2MOSFET基本共源极放大电路4.3图解分析法4.4小信号模型分析法4.5共漏极和共栅极放大电路4.6集成电路单级MOSFET放大电路4.7多级放大电路4.8结型场效应管（JFET）及其放大电路*4.9砷化镓金属-半导体场效应管4.10各种FET的特性及使用注意事项*华中科技大学张林场效应管的分类：P沟道耗尽型P沟道P沟道（耗尽型）华中科技大学张林*4.1金属-氧化物-半导体（MOS）场效应三极管4.1.1N沟道增强型MOSFET4.1.2N沟道耗尽型MOSFET4.1.3P沟道MOSFET4.1.4沟道长度调制等几种效应4.1.5MOSFET的主要参数*华中科技大学张林4.1.1N沟道增强型MOSFET1.结构L：沟道长度W：沟道宽度tox：绝缘层厚度通常W>L*华中科技大学张林4.1.1N沟道增强型MOSFET剖面图1.结构*华中科技大学张林4.1.1N沟道增强型MOSFET（1）VGS对沟道的控制作用当VGS≤0时无导电沟道，d、s间加电压时，也无电流产生。当0<VGS<VTN时产生电场，但未形成导电沟道（反型层），d、s间加电压后，没有电流产生。2.工作原理*华中科技大学张林4.1.1N沟道增强型MOSFET当VGS>VTN时在电场作用下产生导电沟道，d、s间加电压后，将有电流产生。VGS越大，导电沟道越厚VTN称为N沟道增强型MOSFET开启电压（1）VGS对沟道的控制作用2.工作原理必须依靠栅极外加电压才能产生反型层的MOSFET称为增强型器件*华中科技大学张林2.工作原理（2）VDS对沟道的控制作用靠近漏极d处的电位升高电场强度减小沟道变薄当VGS一定（VGS>VTN）时，VDSID沟道电位梯度整个沟道呈楔形分布*华中科技大学张林当VDS增加到使VGD=VTN时，在紧靠漏极处出现预夹断。在预夹断处：VGD=VGS-VDS=VTN（2）VDS对沟道的控制作用当VGS一定（VGS>VTN）时，VDSID沟道电位梯度2.工作原理*华中科技大学张林预夹断后，VDS夹断区延长沟道电阻ID基本不变（2）VDS对沟道的控制作用2.工作原理*华中科技大学张林（3）VDS和VGS同时作用时VDS一定，VGS变化时给定一个vGS，就有一条不同的iD–vDS曲线。2.工作原理*华中科技大学张林以上分析可知 沟道中只有一种类型的载流子参与导电，所以场效应管也称为单极型三极管。 MOSFET是电压控制电流器件（VCCS），iD受vGS控制。 预夹断前iD与vDS呈近似线性关系；预夹断后，iD趋于饱和。#为什么MOSFET的输入电阻比BJT高得多？ MOSFET的栅极是绝缘的，所以iG0，输入电阻很高。 只有当vGS>VTN时，增强型MOSFET的d、s间才能导通。*华中科技大学张林3.I-V特性曲线及大信号特性方程（1）输出特性及大信号特性方程①截止区当vGS＜VTN时，导电沟道尚未形成，iD＝0，为截止工作状态。*华中科技大学张林②可变电阻区vDS<（vGS－VTN）由于vDS较小，可近似为rdso是一个受vGS控制的可变电阻（1）输出特性及大信号特性方程3.I-V特性曲线及大信号特性方程*华中科技大学张林②可变电阻区n：反型层中电子迁移率Cox：栅极（与衬底间）氧化层单位面积电容其中Kn为电导常数，单位：mA/V2（1）输出特性及大信号特性方程3.I-V特性曲线及大信号特性方程*华中科技大学张林③饱和区（恒流区又称放大区）vGS>VTN，且vDS≥（vGS－VTN）I-V特性：（1）输出特性及大信号特性方程必须让FET工作在饱和区（放大区）才有放大作用。3.I-V特性曲线及大信号特性方程*华中科技大学张林（2）转移特性#为什么不谈输入特性？在饱和区，iD受vGS控制3.I-V特性曲线及大信号特性方程*华中科技大学张林4.1.2N沟道耗尽型MOSFET1.结构和工作原理二氧化硅绝缘层中掺有大量的正离子，已存在导电沟道可以在正或负的栅源电压下工作，而且基本上无栅流*华中科技大学张林4.1.2N沟道耗尽型MOSFET2.I-V特性曲线及大信号特性方程*华中科技大学张林4.1.3P沟道MOSFET#衬底是什么类型的半导体材料？#哪个符号是增强型的？#在增强型的P沟道MOSFET中，vGS应加什么极性的电压才能工作在饱和区（线性放大区）？*华中科技大学张林4.1.3P沟道MOSFET#是增强型还是耗尽型特性曲线？#耗尽型特性曲线是怎样的？vGS加什么极性的电压能使管子工作在饱和区（线性放大区）？电流均以流入漏极的方向为正！*华中科技大学张林4.1.4沟道长度调制等几种效应实际上饱和区的曲线并不是平坦的（N沟道为例）L的单位为m当不考虑沟道调制效应时，＝0，曲线是平坦的。修正后VA称为厄雷（Early）电压1.沟道长度调制效应*华中科技大学张林4.1.4沟道长度调制等几种效应衬底未与源极并接时，衬底与源极间的偏压vBS将影响实际的开启（夹断）电压和转移特性。VTNO表示vBS=0时的开启电压2.衬底调制效应（体效应）对耗尽型器件的夹断电压有类似的影响*华中科技大学张林4.1.4沟道长度调制等几种效应2.衬底调制效应（体效应）通常，N沟道器件的衬底接电路的最低电位，P沟道器件的衬底接电路的最高电位。为保证导电沟道与衬底之间的PN结反偏，：N沟道:vBS0P沟道:vBS0*华中科技大学张林4.1.4沟道长度调制等几种效应3.温度效应VTN和电导常数Kn随温度升高而下降，且Kn受温度的影响大于VTN受温度的影响。当温度升高时，对于给定的VGS，总的效果是漏极电流减小。*华中科技大学张林4.1.4沟道长度调制等几种效应4.击穿效应（1）漏衬击穿外加的漏源电压过高，将导致漏极到衬底的PN结击穿。若绝缘层厚度tox=50纳米时，只要约30V的栅极电压就可将绝缘层击穿，若取安全系数为3，则最大栅极安全电压只有10V。（2）栅极击穿通常在MOS管的栅源间接入双向稳压管，限制栅极电压以保护器件。*华中科技大学张林4.1.5MOSFET的主要参数一、直流参数1.开启电压VT（增强型参数）2.夹断电压VP（耗尽型参数）*华中科技大学张林4.1.5MOSFET的主要参数一、直流参数3.饱和漏电流IDSS（耗尽型参数）4.直流输入电阻RGS（109Ω～1015Ω）*华中科技大学张林4.1.5MOSFET的主要参数所以1.输出电阻rds当不考虑沟道调制效应时，＝0，rds→∞实际中，rds一般在几十千欧到几百千欧之间。二、交流参数对于增强型NMOS管有*华中科技大学张林4.1.5MOSFET的主要参数2.低频互导gm二、交流参数NMOS增强型*华中科技大学张林4.1.5MOSFET的主要参数三、极限参数1.最大漏极电流IDM2.最大耗散功率PDM3.最大漏源电压V（BR）DS4.最大栅源电压V（BR）GS华中科技大学张林*4.2MOSFET基本共源极放大电路4.2.1基本共源极放大电路的组成4.2.2基本共源放大电路的工作原理4.2.3放大电路的习惯画法和主要分析法*华中科技大学张林4.2.1基本共源极放大电路的组成1.如何让MOS管工作在饱和区？元件作用VGG：提供栅源电压使vGS>VTNVDD和Rd：提供合适的漏源电压，使vDS>vGS-VTNRd还兼有将电流转换成电压的作用（VGG>>vi）通常称VGG和VDD为三极管的工作电源，vi为信号。*华中科技大学张林4.2.1基本共源极放大电路的组成2.信号如何通过MOS管传递？vi信号由栅源回路输入、漏源回路输出，即源极是公共端，所以称此电路为共源电路。也可看作信号由栅极输入、漏极输出。由MOS管的控制关系决定可获得信号电压增益（VGG>>vi）*华中科技大学张林4.2.2基本共源放大电路的工作原理1.放大电路的静态和动态静态：输入信号为零（vi=0或ii=0）时，放大电路的工作状态，也称直流工作状态。动态：输入信号不为零时，放大电路的工作状态，也称交流工作状态。此时，FET的直流量ID、VGS、VDS，在输出特性曲线上表示为一个确定的点，习惯上称该点为静态工作点Q。常将上述三个电量写成IDQ、VGSQ和VDSQ。*华中科技大学张林4.2.2基本共源放大电路的工作原理2.放大电路的直流通路和交流通路仅有直流电流流经的通路为直流通路*华中科技大学张林4.2.2基本共源放大电路的工作原理2.放大电路的直流通路和交流通路直流电压源内阻为零，交流电流流经直流电压源时不产生任何交流压降，故直流电压源对交流相当于短路仅有直流电流流经的通路为直流通路*华中科技大学张林4.2.2基本共源放大电路的工作原理2.放大电路的直流通路和交流通路仅有交流电流流经的通路为交流通路直流电压源对交流相当于短路*华中科技大学张林4.2.2基本共源放大电路的工作原理3.放大电路的静态工作点估算直流通路假设NMOS管工作于饱和区，则VGSQ=VGGVDSQ=VDD-IDQRd当已知VGG、VDD、VTN、Kn、和Rd时，便可求得Q点（VGSQ、IDQ、VDSQ）。必须检验是否满足饱和区工作条件：VDSQ>VGSQ-VTN>0。若不满足，则说明工作在可变电阻区，此时漏极电流为注意：电路结构不同，除FET特性方程外，其它电路方程将有差别*华中科技大学张林例4.2.1假设NMOS管工作于饱和区，根据已知VGG=2V，VDD=5V，VTN=1V，Kn=0.2mA/V2，Rd=12k，求Q点。求得：VGSQ=2V，IDQ=0.2mA，VDSQ=2.6V满足饱和区工作条件：VDSQ>VGSQ-VTN>0，结果即为所求。解：*华中科技大学张林4.2.2基本共源放大电路的工作原理3.放大电路的静态工作点估算饱和区的条件：VGSQ>VTN,IDQ>0，VDSQ>VGSQ-VTN增强型NMOS管若：VGSQ<VTN,NMOS管截止。若：VDSQ<VGSQ-VTN，NMOS管可能工作在可变电阻区。如果初始假设是错误的，则必须作出新的假设，同时重新分析电路。#请归纳其它管型静态工作点的计算方法*华中科技大学张林4.2.2基本共源放大电路的工作原理4.放大电路的动态工作情况在静态基础上加入小信号vi此时电路中的总电压和电流为vGS=VGSQ+viiD=IDQ+idvDS=vDSQ+vds其中id和vds为交流量vDS=VDD-iDRd*华中科技大学张林4.2.3放大电路的习惯画法和主要分析法省略工作电源的直流电压符号，仅保留电压源非接“地”端子，并标注电压源名称。1.习惯画法*华中科技大学张林4.2.3放大电路的习惯画法和主要分析法1.习惯画法*华中科技大学张林4.2.3放大电路的习惯画法和主要分析法2.主要分析法图解法小信号模型分析法华中科技大学张林*4.3图解分析法4.3.1用图解方法确定静态工作点Q4.3.2动态工作情况的图解分析4.3.3图解分析法的适用范围*华中科技大学张林4.3.1用图解方法确定静态工作点Q采用图解法分析静态工作点，必须已知FET的输出特性曲线。静态：vi=0输入回路vGS=VGG=VGSQ输出回路vCE=VCC－iCRc（直流负载线）输出回路左侧的FET端口可用输出特性曲线描述共源放大电路*华中科技大学张林4.3.1用图解方法确定静态工作点QvGS=VGG=VGSQ直流负载线：vCE=VCC－iCRc共源放大电路*华中科技大学张林4.3.2动态工作情况的图解分析共源放大电路vGS=VGSQ+vi工作点沿负载线移动1.正常工作情况*华中科技大学张林4.3.2动态工作情况的图解分析图解分析可得如下结论：1.vivGSiDvDS|vds(vo)|(vi正半周时)2.vds与vi相位相反；3.可以测量出放大电路的电压放大倍数；4.可以确定最大不失真输出幅度。#动态工作时，iD的实际电流方向是否改变，vGS、vDS的实际电压极性是否改变？1.正常工作情况*华中科技大学张林4.3.2动态工作情况的图解分析2.静态工作点对波形失真的影响截止失真（NMOS）*华中科技大学张林4.3.2动态工作情况的图解分析饱和失真（NMOS）2.静态工作点对波形失真的影响*华中科技大学张林4.3.3图解分析法的适用范围幅度较大而工作频率不太高的情况优点：直观、形象。有助于建立和理解交、直流共存，静态和动态等重要概念；有助于理解正确选择电路参数、合理设置静态工作点的重要性。能全面地分析放大电路的静态、动态工作情况。缺点：不能分析工作频率较高时的电路工作状态，也不能用来分析放大电路的输入电阻、输出电阻等动态性能指标。华中科技大学张林*4.4小信号模型分析法4.4.1MOSFET的小信号模型4.4.2用小信号模型分析共源放大电路4.4.3带源极电阻的共源极放大电路分析4.4.4小信号模型分析法的适用范围*华中科技大学张林4.4小信号模型分析法建立小信号模型的意义建立小信号模型的思路当放大电路的输入信号幅值较小时，就可以把三极管小范围内的特性曲线近似地用直线来代替，从而可以把三极管这个非线性器件所组成的电路当作线性电路来处理。由于场效应管是非线性器件，所以分析起来非常复杂。建立小信号模型，就是在特定条件下将非线性器件做线性化近似处理，从而简化由其构成的放大电路的分析和。*华中科技大学张林4.4.1MOSFET的小信号模型1.=0时在饱和区内有（以增强型NMOS管为例）FET双口网络静态值（直流）动态值（交流）非线性失真项当，vgs<<2(VGSQ-VTN)时，其中*华中科技大学张林4.4.1MOSFET的小信号模型FET双口网络纯交流电路模型1.=0时gmvgs是受控源，且为电压控制电流源(VCCS)。电流方向与vgs的极性是关联的。*华中科技大学张林4.4.1MOSFET的小信号模型FET双口网络d、s端口看入有一电阻rds电路模型2.0时*华中科技大学张林4.4.1MOSFET的小信号模型gm——低频互导转移特性曲线Q点上切线的斜率3.参数的物理意义*华中科技大学张林4.4.1MOSFET的小信号模型3.参数的物理意义rds——输出电阻输出特性曲线Q点上切线斜率的倒数*华中科技大学张林4.4.1MOSFET的小信号模型4.模型应用的前提条件=00参数都是小信号参数，即微变参数或交流参数。与静态工作点有关，在放大区基本不变。 只适合对交流信号（变化量）的分析。 未包含结电容的影响，不能用于分析高频情况。vgs<<2(VGSQ-VTN)小信号*华中科技大学张林4.4.1MOSFET的小信号模型5.其它管型0模型相同，参数类似 耗尽型NMOS管*华中科技大学张林4.4.1MOSFET的小信号模型华中科技大学电信系张林5.其它管型模型相同，参数类似 增强型PMOS管 耗尽型PMOS管gm始终为正数*华中科技大学张林4.4.2用小信号模型分析共源放大电路由于小信号模型的参数是建立在静态工作点基础上的，所以分析时必须先求出电路的静态工作点例4.4.1VTN=1V试确定电路的静态值，求MOS管工作于饱和区的小信号电压增益Av、输入电阻Ri和输出电阻Ro。*华中科技大学张林例4.4.1VTN=1V解：（1）静态工作点 增强型？耗尽型？ 栅源加什么极性偏置电压？ Q点包含哪几个电量？ d和s可否互换？*华中科技大学张林解：（1）静态工作点直流通路假设工作在饱和区假设成立，结果即为所求。例4.4.1VTN=1V*华中科技大学张林解：（2）动态指标小信号等效电路电容和直流电压源对交流相当于短路例4.4.1VTN=1V*华中科技大学张林解：（2）动态指标模型参数电压增益经常当作公式使用例4.4.1VTN=1V*华中科技大学张林解：（2）动态指标输入电阻输出电阻=24k=3.9k受静态偏置电路的影响，栅极绝缘的特性并未充分表现出来例4.4.1VTN=1V*华中科技大学张林4.4.3带源极电阻的共源极放大电路分析假设在饱和区，根据例4.4.2VTN=1V，Kn=0.5mA/V2，=0，VDD=VSS=5V，Rd=10k，Rs=0.5k，Rsi=4k，Rg1=150k，Rg2=47k，确定静态工作点，求动态指标。解：（1）静态工作点*华中科技大学张林4.4.3带源极电阻的共源极放大电路分析例4.4.2VTN=1V，Kn=0.5mA/V2，=0，VDD=VSS=5V，Rd=10k，Rs=0.5k，Rsi=4k，Rg1=150k，Rg2=47k，确定静态工作点，求动态指标。解：（1）静态工作点求得验证工作在饱和区*华中科技大学张林小信号等效电路例4.4.2VTN=1V，Kn=0.5mA/V2，=0，VDD=VSS=5V，Rd=10k，Rs=0.5k，Rsi=4k，Rg1=150k，Rg2=47k，确定静态工作点，求动态指标。解：（2）动态指标*华中科技大学张林例4.4.2VTN=1V，Kn=0.5mA/V2，=0，VDD=VSS=5V，Rd=10k，Rs=0.5k，Rsi=4k，Rg1=150k，Rg2=47k，确定静态工作点，求动态指标。解：（2）动态指标电压增益输入电阻35.79k源电压增益放大电路的输入电阻不包含信号源的内阻*华中科技大学张林例4.4.2VTN=1V，Kn=0.5mA/V2，=0，VDD=VSS=5V，Rd=10k，Rs=0.5k，Rsi=4k，Rg1=150k，Rg2=47k，确定静态工作点，求动态指标。解：（2）动态指标输出电阻为便于分析，先考虑0时的情况*华中科技大学张林例4.4.2VTN=1V，Kn=0.5mA/V2，=0，VDD=VSS=5V，Rd=10k，Rs=0.5k，Rsi=4k，Rg1=150k，Rg2=47k，确定静态工作点，求动态指标。解：（2）动态指标输出电阻>rds为便于分析，先考虑0时的情况所以当=0时，当0时，若rds>>Rd，则*华中科技大学张林4.4.3带源极电阻的共源极放大电路分析电压增益例4.4.2*华中科技大学张林4.4.3带源极电阻的共源极放大电路分析例4.4.3双电源供电，电流源偏置静态时，vI＝0，VG＝0，IDQ＝I又VS＝VG－VGSQ根据可求得VGSQ则（饱和区）动态时*华中科技大学张林4.4.4小信号模型分析法的适用范围放大电路的输入信号幅度较小，FET工作在其I-V特性曲线的饱和区（即近似线性范围）内。模型参数的值是在静态工作点上求得的。所以，放大电路的动态性能与静态工作点位置及稳定性密切相关。优点：分析放大电路的动态性能指标(Av、Ri和Ro等)非常方便，且适用于频率较高时（用高频模型）的分析。缺点：在放大电路的小信号等效电路中，电压、电流等电量及模型参数均是针对变化量(交流量)而言的，不能用来分析计算静态工作点。华中科技大学张林*4.5共漏极和共栅极放大电路4.5.1共漏极（源极跟随器）放大电路4.5.2共栅极放大电路4.5.3MOSFET放大电路三种组态的总结和比较*华中科技大学张林4.5.1共漏极（源极跟随器）放大电路1.静态分析设MOS管工作于饱和区需验证是否工作在饱和区*华中科技大学张林4.5.1共漏极（源极跟随器）放大电路2.动态分析根据静态工作点可求得gm小信号等效电路电压增益输出与输入同相，且增益小于等于1*华中科技大学张林4.5.1共漏极（源极跟随器）放大电路2.动态分析源电压增益输入电阻受静态偏置电路的影响，栅极绝缘的特性并未充分表现出来*华中科技大学张林4.5.1共漏极（源极跟随器）放大电路2.动态分析输出电阻输出电阻较小*华中科技大学张林4.5.2共栅极放大电路1.静态分析根据直流通路有由可得VGSQ又VS=-VGSQ所以VDSQ=VD-VS=VDD-IDQRd+VGSQ需验证是否工作在饱和区*华中科技大学张林4.5.2共栅极放大电路2.动态分析电压增益输出与输入同相设=0源电压增益*华中科技大学张林4.5.2共栅极放大电路2.动态分析输入电阻与共源电路同相输出电阻输入电阻远小于其它两种组态当rds>>Rd和rds>>Rsi时RoRd*华中科技大学张林4.5.3MOSFET放大电路三种组态的总结和比较1.三种组态的判断较好的方法并不是试图寻找接地的电极，而是寻找信号的输入电极和输出电极。即观察输入信号加在哪个电极，输出信号从哪个电极取出，剩下的那个电极便是共同电极。如共源极放大电路，信号由栅极输入，漏极输出；共漏极放大电路，信号由栅极输入，源极输出；共栅极放大电路，信号由源极输入，漏极输出。栅极始终不能做输出电极*华中科技大学张林4.5.3MOSFET放大电路三种组态的总结和比较2.三种组态的动态指标比较共源共漏共栅电压增益输入电阻输出电阻很高很高RoRdRoRd华中科技大学张林*4.6集成电路单级MOSFET放大电路4.6.1带增强型负载的NMOS放大电路4.6.2带耗尽型负载的NMOS放大电路4.6.3带PMOS负载的NMOS放大电路（CMOS共源放大电路）*华中科技大学张林4.6.1带增强型负载的NMOS放大电路1.负载线复习两横轴的映射关系导致负载线水平翻转*华中科技大学张林4.6.1带增强型负载的NMOS放大电路2.带增强型负载的NMOS放大电路N沟道增强型负载器件的I-V特性始终成立，所以管子一定工作在饱和区。有*华中科技大学张林4.6.1带增强型负载的NMOS放大电路2.带增强型负载的NMOS放大电路带负载时的图解分析*华中科技大学张林4.6.1带增强型负载的NMOS放大电路2.带增强型负载的NMOS放大电路带负载时的图解分析电压传输特性曲线*华中科技大学张林4.6.1带增强型负载的NMOS放大电路2.带增强型负载的NMOS放大电路电压增益由T2源极看进去的电阻为小信号等效电路若则（参考共漏极放大电路的输出电阻）*华中科技大学张林4.6.2带耗尽型负载的NMOS放大电路1.N沟道耗尽型负载器件的I-V特性对应于vGS=0的那根输出特性曲线始终有饱和区线段的等效电阻就是rds*华中科技大学张林4.6.2带耗尽型负载的NMOS放大电路2.用小信号模型分析法求电压增益当vGS为恒定值时，源极看进去的电阻与gm无关，所以由T2源极看进去的电阻为rds小信号等效电路*华中科技大学张林4.6.3带PMOS负载的NMOS放大电路(CMOS共源放大电路)1.增强型PMOS负载管的I-V特性vGS为定值，输出特性曲线中的一根*华中科技大学张林4.6.3带PMOS负载的NMOS放大电路(CMOS共源放大电路)2.用小信号模型分析法求电压增益类似地，当vGS为恒定值时，漏极看进去的电阻也是rds小信号等效电路华中科技大学张林*4.7多级放大电路 4.7.1共源−共漏放大电路 4.7.2共源−共栅放大电路*华中科技大学张林4.7.1共源−共漏放大电路1.静态分析直流通路例4.7.1*华中科技大学张林例4.7.11.静态分析两管栅极均无电流，假设工作在饱和区需验证是否工作在饱和区已知管子参数和电路参数，便可解出两管静态工作点*华中科技大学张林1.静态分析将具体参数值代入，计算得可验证两管均工作在饱和区VGSQ1=1.84VIDQ1=0.2mAVDSQ1=6.02VIDQ20.49mAVGSQ2=2.78VVDSQ2=5.98V由于VTN1=VTN2=1.2V例4.7.1*华中科技大学张林例4.7.12.动态分析根据小信号等效电路电压增益可求得gm*华中科技大学张林2.动态分析源电压增益输入电阻输出电阻就是后一级共漏电路的输出电阻(2=0)例4.7.1*华中科技大学张林4.7.2共源−共栅放大电路华中科技大学电信系张林例4.7.21.静态分析直流通路*华中科技大学张林需验证是否工作在饱和区1.静态分析假设工作在饱和区例4.7.2*华中科技大学张林例4.7.22.动态分析小信号等效电路电压增益*华中科技大学张林2.动态分析输入电阻输出电阻RoRd2(2=0)例4.7.2华中科技大学张林*4.8结型场效应管（JFET）及其放大电路4.8.1JFET的结构和工作原理4.8.2JFET的特性曲线及参数4.8.3JFET放大电路的小信号模型分析法*华中科技大学张林4.8.1JFET的结构和工作原理1.结构#符号中的箭头方向表示什么？*华中科技大学张林4.8.1JFET的结构和工作原理2.工作原理①vGS对沟道的控制作用当vGS＜0时（以N沟道JFET为例）当沟道夹断时，对应的栅源电压vGS称为夹断电压VP（或VGS(off)）。对于N沟道的JFET，VP<0。PN结反偏耗尽层加厚沟道变窄。vGS继续减小，沟道继续变窄。*华中科技大学张林4.8.1JFET的结构和工作原理②vDS对沟道的控制作用当vGS=0时，vDSiDg、d间PN结的反向电压增加，使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，从上至下呈楔形分布。当vDS增加到使vGD=VP时，在紧靠漏极处出现预夹断。此时vDS夹断区延长沟道电阻iD基本不变2.工作原理（以N沟道JFET为例）*华中科技大学张林4.8.1JFET的结构和工作原理③vGS和vDS同时作用时当VP<vGS<0时，导电沟道更容易夹断，对于同样的vDS，iD的值比vGS=0时的值要小。在预夹断处vGD=vGS-vDS=VP2.工作原理（以N沟道JFET为例）*华中科技大学张林综上分析可知 JFET是电压控制电流器件，iD受vGS控制。 预夹断前iD与vDS呈近似线性关系；预夹断后，iD趋于饱和。#为什么JFET的输入电阻比BJT高得多？ JFET栅极与沟道间的PN结是反向偏置的，因此iG0，输入电阻很高。*华中科技大学张林4.8.2JFET的特性曲线及参数2.转移特性1.输出特性*华中科技大学张林4.8.2JFET的特性曲线及参数与MOSFET类似3.主要参数*华中科技大学张林4.8.3JFET放大电路的小信号模型分析法1.JFET小信号模型*华中科技大学张林4.8.3JFET放大电路的小信号模型分析法2.应用小信号模型法分析JFET放大电路（1）静态工作点与MOSFET类似*华中科技大学张林4