模拟电路基础知识教程

n01单元半导体器件基础半导体的导电特性导体、绝缘体和半导体本征半导体的导电特性杂质半导体的导电特性PN结晶体二极管二极管的结构与伏安特性半导体二极管的主要参数半导体二极管的等效电路与开关特性稳压二极管晶体三极管三极管的结构与分类三极管内部载流子的运动规律、电流分配关系和放大作用三极管的特性曲线三极管的主要参数三极管的开关特性场效应管结型场效应管绝缘栅型场效应管特殊半导体器件发光二极管光敏二极管和光敏三极管02单元基本放大电路基本放大电路的工作原理基本放大电路的组成直流通路与静态工作点交流通路与放大原理放大电路的性能指标放大电路的图解分析法放大电路的静态图解分析放大电路的动态图解分析输出电压的最大幅度与非线性失真分析微变等效电路分析法晶体管的h参数晶体管的微变等效电路用微变等效电路法分析放大电路静态工作点的稳定温度变化对静态工作点的影响工作点稳定的电路场效应管放大电路场效应管放大电路的静态分析多级放大电路多级放大电路的级间耦合方式多级放大电路的分析方法放大电路的频率特性单级阻容耦合放大电路的频率特性多级阻容耦合放大电路的频率特性03单元负反馈放大电路反馈的基本概念和分类反馈的基本概念和一般表达式反馈放大电路的类型与判断负反馈放大电路基本类型举例电压串联负反馈放大电路电流并联负反馈放大电路电流串联负反馈放大电路电压并联负反馈放大电路负反馈对放大电路性能的影响降低放大倍数提高放大倍数的稳定性展宽通频带减小非线性失真改变输入电阻和输出电阻负反馈放大电路的分析方法深度负反馈放大电路的近似计算*方框图法分析负反馈放大电路04单元功率放大器功率放大电路的基本知识概述甲类单管功率放大电路互补对称功率放大电路OCL类互补放大电路OTL甲乙类互补对称电路复合互补对称电路变压器耦合推挽功率放大电路05单元直接耦合放大电路概述直接耦合放大电路中的零点漂移基本差动放大电路的分析基本差动放大电路基本差动放大电路抑制零点漂移的原理基本差动放大电路的静态分析基本差动放大电路的动态分析差动放大电路的改进06单元集成运算放大器集成电路基础知识集成电路的特点集成电路恒流源有源负载的基本概念集成运放的典型电路及参数典型集成运放F007电路简介集成运放的主要技术参数集成运放的应用概述运放的基本连接方式集成运放在信号运算方面的应用集成运放在使用中应注意的问题07单元直流电源整流电路半波整流电路全波整流电路桥式整流电路倍压整流电路滤波电路电容滤波电路电感滤波电路复式滤波电路有源滤波电路稳压电路并联型硅稳压管稳压电路串联型稳压电路的稳压原理带有放大环节的串联型稳压电路稳压电源的质量指标提高稳压电源性能的措施08单元正弦波振荡电路自激振荡原理自激振荡的条件自激振荡的建立和振幅的稳定正弦波振荡电路的组成LC正弦波振荡电路变压器反馈式振荡电路三点式LC振荡电路三点式LC振荡电路的构成原则电感三点式振荡电路电容三点式振荡电路克拉泼与席勒振荡电路（改进型电容三点式振荡电路）石英晶体振荡器石英晶体的基本特性和等效电路石英晶振：并联型晶体振荡电路石英晶振：串联型晶体振荡电路RC振荡电路RC相移振荡电路文氏电桥振荡电路09单元调制、解调和变频调制方式调幅调幅原理调幅波的频谱调幅波的功率调幅电路检波小信号平方律检波大信号直线性检波调频调频的特点调频波的表达式调频电路：变容二极管调频电路调频与调幅的比较鉴频对称式比例鉴频电路不对称式比例鉴频电路变频变频原理变频电路10单元无线广播与接受无线电广播与接收无线电波的传播超外差收音机超外差收音机方框图超外差收音机性能指标LC谐振回路LC串联谐振回路LC并联谐振回路输入回路统调中频放大电路自动增益电路整机电路分析半导体导电特性导体、绝缘体和半导体自然界的各种物质就其导电性能来说、可以分为导体、绝缘体和半导体三大类。导体具有良好的导电特性，常温下，其内部存在着大量的自由电子，它们在外电场的作用下做定向运动形成较大的电流。因而导体的电阻率很小，只有金属一般为导体，如铜、铝、银等。绝缘体几乎不导电，如橡胶、陶瓷、塑料等。在这类材料中，几乎没有自由电子，即使受外电场作用也不会形成电流，所以，绝缘体的电阻率很大，在以上。半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间，如硅、锗、硒等，它们的电阻率通常在之间。半导体之所以得到广泛应用，是因为它的导电能力受掺杂、温度和光照的影响十分显著。如纯净的半导体单晶硅在室温下电阻率约为，若按百万分之一的比例掺入少量杂质（如磷）后，其电阻率急剧下降为，几乎降低了一百万倍。半导体具有这种性能的根本原因在于半导体原子结构的特殊性。本征半导体的导电特性常用的半导体材料是单晶硅（Si）和单晶锗（Ge）。所谓单晶，是指整块晶体中的原子按一定规则整齐地排列着的晶体。非常纯净的单晶半导体称为本征半导体。一、本征半导体的原子结构半导体锗和硅都是四价元素，其原子结构示意图如图Z0102所示。它们的最外层都有4个电子，带4个单位负电荷。通常把原子核和内层电子看作一个整体，称为惯性核，如图Z0101所示。惯性核带有4个单位正电荷，最外层有4个价电子带有4个单位负电荷，因此，整个原子为电中性。二、本征激发一般来说，共价键中的价电子不完全象绝缘体中价电子所受束缚那样强，如果能从外界获得一定的能量（如光照、升温、电磁场激发等），一些价电子就可能挣脱共价键的束缚而成为自由电子。理论和实验表明：在常温（T＝300K）下，硅共价键中的价电子只要获得大于电离能EG（=1.1eV）的能量便可激发成为自由电子。本征锗的电离能更小，只有0.72eV。当共价键中的一个价电子受激发挣脱原子核的束缚成为自由电子的同时，在共价键中便留下了一个空位子，称为空穴。当空穴出现时，相邻原子的价电子比较容易离开它所在的共价键而填补到这个空穴中来使该价电子原来所在共价键中出现一个新的空穴，这个空穴又可能被相邻原子的价电子填补，再出现新的空穴。价电子填补空穴的这种运动无论在形式上还是效果上都相当于带正电荷的空穴在运动，且运动方向与价电子运动方向相反。为了区别于自由电子的运动，把这种运动称为空穴运动，并把空穴看成是一种带正点荷的载流子。电子一空穴对本征激发复合：当自由电子在运动过程中遇到空穴时可能会填充进去从而恢复一个共价键，与此同时消失一个电子一空穴对，这一相反过程称为复合。动态平衡：在一定温度条件下，产生的电子一空穴对和复合的电子一空穴对数量相等时，形成相对平衡，这种相对平衡属于动态平衡，达到动态平衡时电子一空穴对维持一定的数目。可见，在半导体中存在着自由电子和空穴两种载流子，而金属导体中只有自由电子一种载流子，这也是半导体与导体导电方式的不同之处。杂质半导体的导电特性PN结本征半导体的导电能力很弱，热稳定性也很差，因此，不宜直接用它制造半导体器件。半导体器件多数是用含有一定数量的某种杂质的半导体制成。根据掺入杂质性质的不同，杂质半导体分为N型半导体和P型半导体两种。一、N型半导体在本征半导体硅（或锗）中掺入微量的5价元素，例如磷，则磷原子就取代了硅晶体中少量的硅原子，占据晶格上的某些位置。如图Z0103所示。由图可见，磷原子最外层有5个价电子，其中4个价电子分别与邻近4个硅原子形成共价键结构，多余的1个价电子在共价键之外，只受到磷原子对它微弱的束缚，因此在室温下，即可获得挣脱束缚所需要的能量而成为自由电子，游离于晶格之间。失去电子的磷原子则成为不能移动的正离子。磷原子由于可以释放1个电子而被称为施主原子，又称施主杂质。在本征半导体中每掺入1个磷原子就可产生1个自由电子，而本征激发产生的空穴的数目不变。这样，在掺入磷的半导体中，自由电子的数目就远远超过了空穴数目，成为多数载流子（简称多子），空穴则为少数载流子（简称少子）。显然，参与导电的主要是电子，故这种半导体称为电子型半导体，简称N型半导体。二、P型半导体在本征半导体硅（或锗）中，若掺入微量的3价元素，如硼，这时硼原子就取代了晶体中的少量硅原子，占据晶格上的某些位置，如图Z0104所示。由图可知，硼原子的3个价电子分别与其邻近的3个硅原子中的3个价电子组成完整的共价键，而与其相邻的另1个硅原子的共价键中则缺少1个电子，出现了1个空穴。这个空穴被附近硅原子中的价电子来填充后，使3价的硼原子获得了1个电子而变成负离子。同时，邻近共价键上出现1个空穴。由于硼原子起着接受电子的作用，故称为受主原子，又称受主杂质。在本征半导体中每掺入1个硼原子就可以提供1个空穴，当掺入一定数量的硼原子时，就可以使半导体中空穴的数目远大于本征激发电子的数目，成为多数载流于，而电子则成为少数载流子。显然，参与导电的主要是空穴，故这种半导体称为空穴型半导体，简称P型半导体。一、PN结的形成在一块完整的硅片上，用不同的掺杂工艺使其一边形成N型半导体，另一边形成P型半导体，那么在两种半导体交界面附近就形成了PN结，如图Z0105所示。由于P区的多数载流子是空穴，少数载流子是电子；N区多数载流于是电子，少数载流子是空穴，这就使交界面两侧明显地存在着两种载流子的浓度差。因此，N区的电子必然越过界面向P区扩散，并与P区界面附近的空穴复合而消失，在N区的一侧留下了一层不能移动的施主正离子；同样，P区的空穴也越过界面向N区扩散，与N区界面附近的电子复合而消失，在P区的一侧，留下一层不能移动的受主负离子。扩散的结果，使交界面两侧出现了由不能移动的带电离子组成的空间电荷区，因而形成了一个由N区指向P区的电场，称为内电场。随着扩散的进行，空间电荷区加宽，内电场增强，由于内电场的作用是阻碍多子扩散，促使少子漂移，所以，当扩散运动与漂移运动达到动态平衡时，将形成稳定的空间电荷区，称为PN结。由于空间电荷区内缺少载流子，所以又称PN结为耗尽层或高阻区。二、PN结的单向导电性PN结在未加外加电压时，扩散运动与漂移运动处于动态平衡，通过PN结的电流为零。当电源正极接P区，负极接N区时，称为给pN结加正向电压或正向偏置，如图Z0106所示。由于PN结是高阻区，而P区和N区的电阻很小，所以正向电压几乎全部加在PN结两端。在PN结上产生一个外电场，其方向与内电场相反，在它的推动下，N区的电子要向左边扩散，并与原来空间电荷区的正离子中和，使空间电荷区变窄。同样，P区的空穴也要向右边扩散，并与原来空间电荷区的负离子中和，使空间电荷区变窄。结果使内电场减弱，破坏了PN结原有的动态平衡。于是扩散运动超过了漂移运动，扩散又继续进行。与此同时，电源不断向P区补充正电荷，向N区补充负电荷，结果在电路中形成了较大的正向电流IF。而且IF随着正向电压的增大而增大。当电源正极接N区、负极接P区时，称为给PN结加反向电压或反向偏置。反向电压产生的外加电场的方向与内电场的方向相同，使PN结内电场加强，它把P区的多子（空穴）和N区的多子（自由电子）从PN结附近拉走，使PN结进一步加宽，PN结的电阻增大，打破了PN结原来的平衡，在电场作用下的漂移运动大于扩散运动。这时通过PN结的电流，主要是少子形成的漂移电流，称为反向电流IR。由于在常温下，少数载流子的数量不多，故反向电流很小，而且当外加电压在一定范围内变化时，它几乎不随外加电压的变化而变化，因此反向电流又称为反向饱和电流。当反向电流可以忽略时，就可认为PN结处于截止状态。值得注意的是，由于本征激发随温度的升高而加剧，导致电子一空穴对增多，因而反向电流将随温度的升高而成倍增长。反向电流是造成电路噪声的主，要原因之一，因此，在设计电路时，必须考虑温度补偿问题。综上所述，PN结正偏时，正向电流较大，相当于PN结导通，反偏时，反向电流很小，相当于PN结截止。这就是PN结的单向导电性。三、PN结的击穿特性当PN结上加的反向电压增大到一定数值时，反向电流突然剧增，这种现象称为PN结的反向击穿。PN结出现击穿时的反向电压称为反向击穿电压，用VB表示。反向击穿可分为雪崩击穿和齐纳击穿两类。1．雪崩击穿当反向电压较高时，结内电场很强，使得在结内作漂移运动的少数载流子获得很大的动能。当它与结内原子发生直接碰撞时，将原子电离，产生新的电子一空穴对。这些新的电子一空穴对，又被强电场加速再去碰