整套教學(xué)課件《模擬電子電路及技術(shù)基礎(chǔ)》

模擬電子電路及技術(shù)基礎(chǔ)《模擬電子電路與技術(shù)基礎(chǔ)》課程的特點(diǎn)是

“概念性、工程性、實(shí)踐性“強(qiáng)！

“注重物理概念，采用工程觀點(diǎn)；重視實(shí)驗(yàn)技術(shù)，善于總結(jié)對(duì)比；理論聯(lián)系實(shí)際，注意應(yīng)用背景；尋求內(nèi)在規(guī)律，增強(qiáng)抽象能力?！毙盘?hào)是信息的載體信息是信號(hào)的內(nèi)容電信號(hào)：隨時(shí)間變化的電流或電壓。（電容電荷量、線圈磁通量、空間電磁場(chǎng)）非電物理量傳感器電信號(hào)模擬信號(hào)：幅度與時(shí)間都是連續(xù)的1.1模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)

采樣數(shù)據(jù)信號(hào)：時(shí)間離散，數(shù)值（幅度）連續(xù)模擬信號(hào)：

時(shí)間和數(shù)值（幅度）都連續(xù)數(shù)字信號(hào)：時(shí)間和數(shù)值（幅度）都離散1.2電子系統(tǒng)及信號(hào)處理電子系統(tǒng)：

將多個(gè)單元電路或模塊組合，完成特定功能的裝置濾波器：

均衡器：直流穩(wěn)壓

電源

擴(kuò)音器：1.3分析與綜合（設(shè)計(jì)）分析：計(jì)算給定系統(tǒng)對(duì)各種輸入的響應(yīng)并確定他們的性質(zhì)的過(guò)程

綜合或設(shè)計(jì)：從要求的特性出發(fā)，找出滿足特性的電路和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.4模擬信號(hào)處理、放大器模型和放大器的主要性能指標(biāo)

模擬設(shè)計(jì)需要在速度、功耗、增益、精度等多因素間進(jìn)行折衷，模擬電路對(duì)串?dāng)_、噪聲等遠(yuǎn)比數(shù)字電路敏感，電阻電容數(shù)值和器件的二級(jí)效應(yīng)對(duì)模擬電路的影響遠(yuǎn)比數(shù)字電路嚴(yán)重好的模擬電路設(shè)計(jì)需要直覺(jué)、嚴(yán)密和創(chuàng)新1.4.2放大器模型（不失真的放大信號(hào)）一、放大倍數(shù)A----Amplify(增益)電流放大倍數(shù)互導(dǎo)放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù)互阻放大倍數(shù)

電壓放大器電壓增益理想電流放大器電流增益理想互阻放大器互阻增益理想互導(dǎo)放大器互導(dǎo)增益理想1.4.3放大器的主要性能指標(biāo)1、電壓放大倍數(shù)(電壓增益)

電壓放大倍數(shù)測(cè)量方法二、輸入電阻Ri:Ri表征該放大器從信號(hào)源有效吸取信號(hào)幅值的大小從放大器輸入端看進(jìn)去的等效電阻例：R=3KΩ，測(cè)得U1=0.6V，U2=0.2V則Ri=1.5KΩ輸入電阻測(cè)量方法三、輸出電阻Ro:Ro表征放大器帶負(fù)載能力從放大器輸出端看進(jìn)去的等效電阻S打開(kāi)，測(cè)得S閉合，測(cè)得例：測(cè)得S打開(kāi)時(shí)輸出電壓UO1=2V，測(cè)得S閉合時(shí)輸出電壓UO2=0.8V，已知RL=5KΩ

則輸出電阻測(cè)量方法4.頻率響應(yīng)與失真放大器的幅頻特性和相頻特性(a)幅頻特性(b)相頻特性5.非線性失真系數(shù)非線性傳輸特性引起非線性失真波形(a)線性傳輸特性與不失真輸出波形(b)非線性傳輸特性與非線性失真輸出波形非線性失真系數(shù)（全諧波失真系數(shù)）THDUnm第n次諧波分量振幅U1m輸出信號(hào)基波分量振幅1.5改善放大器性能的重要手段----負(fù)反饋1.5.1反饋的基本概念和基本框圖

原放大器放大倍數(shù)反饋放大器放大倍數(shù)

（也稱(chēng)開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)）反饋信號(hào)與反饋系數(shù)F

(也稱(chēng)閉環(huán)放大倍數(shù))

：1.5.2負(fù)反饋與正反饋1負(fù)反饋2正反饋1.5.3深度負(fù)反饋深度負(fù)反饋條件1.5.4串聯(lián)負(fù)反饋與并聯(lián)負(fù)反饋1串聯(lián)負(fù)反饋（反饋網(wǎng)絡(luò)與輸入回路串聯(lián)連接）2并聯(lián)負(fù)反饋（反饋網(wǎng)絡(luò)與輸入回路并聯(lián)連接）串聯(lián)負(fù)反饋下深度負(fù)反饋條件并聯(lián)負(fù)反饋下深度負(fù)反饋條件1.5.5電壓負(fù)反饋與電流負(fù)反饋1電壓負(fù)反饋（反饋信號(hào)取樣于輸出電壓）2電流負(fù)反饋（反饋信號(hào)取樣于輸出電流）電壓負(fù)反饋將改善輸出電壓的性能電流負(fù)反饋將改善輸出電流的性能2.1集成運(yùn)算放大器的符號(hào)、模型和電壓傳輸特性

集成運(yùn)算放大器是將電子器件和電路集成在硅片上的放大器。同相輸入端的輸入信號(hào)與輸出信號(hào)相位相同；反相輸入端的輸入信號(hào)與輸出信號(hào)相位相反。2.1.1集成運(yùn)算放大器的符號(hào)312.1.2集成運(yùn)算放大器的模型uid

=ui+-

ui-：差模輸入電壓；Auo：集成運(yùn)放的開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)；Ri：集成運(yùn)放的輸入電阻；Ro：集成運(yùn)放的輸出電阻。Ri→Ro→0Auo→Ii+=Ii-→0理想化理想化條件“虛斷路”322.1.3集成運(yùn)算放大器的電壓傳輸特性線性放大區(qū)：uo

=Auo(ui+-ui-)=Auouid“虛短路”：Auo→uid→0限幅區(qū)：uo

=UCC或

UEE，uid

可以較大，不再“虛短路”。33反相電壓傳輸特性342.2擴(kuò)展線性放大范圍——引入深度負(fù)反饋反相輸入組態(tài)

負(fù)反饋——將反饋信號(hào)引向反相輸入端，使反饋信號(hào)抵消部分輸入信號(hào)，保證在輸入信號(hào)較大時(shí)，uid仍然很小，在“虛短路”范圍內(nèi)，從而集成運(yùn)算放大器工作在線性放大區(qū)。35同相輸入組態(tài)可以保證運(yùn)放工作在線性區(qū)362.3由集成運(yùn)放構(gòu)成的基本運(yùn)算電路2.3.1比例運(yùn)算放大器1.同相比例運(yùn)算放大器3738同相比例放大器的特點(diǎn)：(1)信號(hào)從同相端輸入，輸出信號(hào)與輸入信號(hào)同相；(2)U+

=U-

0，反相端和同相端電壓相等,即“虛短路”；(3)閉環(huán)放大倍數(shù)大于等于1，可以設(shè)計(jì)成電壓跟隨器；39(4)閉環(huán)輸入阻抗進(jìn)一步增大，趨向于理想條件，即Rif

→；(5)閉環(huán)輸出阻抗進(jìn)一步減小，也趨向于理想條件，即Rof→0。40【例2.3.1】彰顯電壓跟隨器的隔離(緩沖)作用。有一內(nèi)阻Rs

=100k的信號(hào)源，為一個(gè)負(fù)載(RL

=1k)

提供電流和電壓。一種方案是將它們直接相連(如圖(a)所示)；另一種方案是在信號(hào)源與負(fù)載之間插入一級(jí)電壓跟隨器(如圖(b)所示)。試分析兩種方案負(fù)載RL

所得到的電壓uL

和電流iL

。411)閉環(huán)增益與電壓傳輸特性2.反相比例運(yùn)算放大器42432)閉環(huán)輸入電阻反相比例放大器的特點(diǎn)：(1)信號(hào)從反相端輸入，輸出信號(hào)與輸入信號(hào)反相；(2)U-=U+=0，因?yàn)橥喽穗妷簽榱?接地)，所以反相端呈現(xiàn)“虛地”特性；(3)閉環(huán)放大倍數(shù)Auf

=-R2

/R1；(4)閉環(huán)輸入電阻較小，RifR1，閉環(huán)輸出電阻Rof→0。44【例2.3.3】電路如圖所示，試問(wèn)(1)運(yùn)放A1、A2的功能各是什么？(2)求輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系式，即總增益的表達(dá)式。45【例2.3.4】有一運(yùn)放組成的反相比例放大器，如右圖所示，電源電壓UCC

=|

UEE

|=12V，求輸入信號(hào)分別為ui1

=1sint(V)和ui2

=2sint(V)時(shí)的輸出波形圖。462.3.2相加器1.反相相加器【例2.3.5】試設(shè)計(jì)一個(gè)相加器，完成uo

=-(2ui1+3ui2)的運(yùn)算，并要求對(duì)ui1、ui2的輸入電阻均大于等于100k。472.同相相加器482.3.3相減器49【例2.3.6】利用相減器電路可以構(gòu)成“稱(chēng)重放大器”。試問(wèn)，輸出電壓uo與重量(體現(xiàn)在Rx變化上)有何關(guān)系。502.3.4積分器差動(dòng)積分器5152【例2.3.7】電路如右圖所示，當(dāng)t=

t1(1s)時(shí)，開(kāi)關(guān)S接a點(diǎn)；當(dāng)t=t1(1s)~t2(3s)時(shí)，開(kāi)關(guān)S接b點(diǎn)；而當(dāng)t>t2(3s)時(shí)，開(kāi)關(guān)S接c點(diǎn)。已知運(yùn)算放大器電源電壓

15V，初始電壓uC(0)=0，試畫(huà)出輸出電壓uo(t)的波形圖。53542.3.5微分器利用積分器和相加器求解微分方程552.3.6電壓一電流變換(V/I)和電流一電壓變換(I/V)一,電壓一電流變換(V/I)負(fù)載電流與負(fù)載無(wú)關(guān)，而與輸入信號(hào)成正比56二，電流一電壓變換I/V57【例2.3.8】精密直流電壓測(cè)量電路58【例2.3.9】59增益可調(diào)電路60【例2.3.10】61【例2.3.11】62【例2.3.12】63【例2.3.13】642.4有源RC濾波器2.4.1理想濾波器特性及其“逼近”低通帶通高通低通帶阻全通勃特沃斯濾波器切比雪夫?yàn)V波器貝塞爾濾波器橢園濾波器65662.4.2常用的一階、二階有源濾波器一階有源RC濾波器672.運(yùn)放作為有限增益放大器的二階有源濾波器68二階低通濾波器69703，運(yùn)放作為無(wú)限增益放大器的多重反饋有源濾波器71二階帶通濾波器7273雙T網(wǎng)絡(luò)帶阻濾波器74用帶通和相加器構(gòu)成的陷波器75765.全通濾波器一一移相器776.狀態(tài)變量濾波器一一多功能濾波器高通帶通低通狀態(tài)變量濾波器由積分器與相加器(相減器)組成782.5集成運(yùn)放的非理想特性對(duì)實(shí)際應(yīng)用的限制精度速度開(kāi)環(huán)增益Au共模抑制比輸入電阻Ri輸出電阻Ro失調(diào)電壓Uos失調(diào)電流Ios輸入偏流失調(diào)漂移單位增益帶寬壓擺率SR791.失調(diào)電壓Uos的影響802.失調(diào)電流與輸入偏流的影響失調(diào)電流輸入偏流813.有限的開(kāi)環(huán)增益和帶寬帶導(dǎo)致的誤差824.有限的壓擺率帶耒的誤差定義：壓擺率SR83[例]F3140F318F007通用型指標(biāo)一般3.1電壓比較器

3.1.1電壓比較器的基本特性電壓比較器的功能是比較兩個(gè)輸入電壓的大小，據(jù)此決定輸出是高電平還是低電平。高電平相當(dāng)于數(shù)字電路中的邏輯“1”，低電平相當(dāng)于邏輯“0”。比較器輸出只有兩個(gè)狀態(tài)，不論是“1”或是“0”，比較器都工作在非線性狀態(tài)。注意：在運(yùn)算電路中所使用的“虛地”概念在非線性條件下不滿足；只在臨界狀態(tài)時(shí)才可使用。圖3.1.1電壓比較器的符號(hào)及傳輸特性

1.高電平(UoH)和低電平(UoL)

電壓比較器可以用運(yùn)放構(gòu)成，也可用專(zhuān)用芯片構(gòu)成。用運(yùn)放構(gòu)成的比較器，其高電平UoH可接近于正電源電壓(UCC)，低電平UoL可接近于負(fù)電源電壓(-UEE)。專(zhuān)用比較器的輸出電平一般與數(shù)字電路兼容，即

UoH＝3.4V左右，UoL＝－0.4V左右。

2.鑒別靈敏度在實(shí)際電路中，集成運(yùn)放和專(zhuān)用比較器芯片的Aud不為無(wú)窮大，ui在ur附近的一個(gè)很小范圍內(nèi)存在著一個(gè)比較器的不靈敏區(qū)。如圖3.1.1(b)中虛線所示的輸入電壓變化范圍，在該范圍內(nèi)輸出狀態(tài)既非UoH，也非UoL，故無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入電平大小進(jìn)行判別。Aud越大，則這個(gè)不靈敏區(qū)就越小，工程上稱(chēng)比較器的鑒別靈敏度越高。

3.轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換速度是比較器的另一個(gè)重要特性，即比較器的輸出狀態(tài)產(chǎn)生轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間。通常要求轉(zhuǎn)換時(shí)間盡可能短，以便實(shí)現(xiàn)高速比較。比較器的轉(zhuǎn)換速度與器件壓擺率SR有關(guān)，SR越大，輸出狀態(tài)轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間就越短，比較器的轉(zhuǎn)換速度越高。

3.1.2電壓比較器的開(kāi)環(huán)應(yīng)用––簡(jiǎn)單比較器

1.過(guò)零比較器

令參考電平ur=0。若Ui＞0，uo=UoL

若Ui＜0，uo=UoH

這種電路可做為零電平檢測(cè)器。該電路也可用于“整形”，將不規(guī)則的輸入波形整形成規(guī)則的矩形波。問(wèn)題：若參考電平ur≠0。而是接參考電壓UREF，輸出波形會(huì)有什么樣的變化？

圖3.1.2過(guò)零比較器及脈寬調(diào)制器輸出波形(a)過(guò)零比較器整形波形；(b)脈寬調(diào)制器輸出波形【例3.1.1】電路及輸入信號(hào)波形分別如圖3.1.3(a)、(b)所示，其中C為交流耦合電容，試分別畫(huà)出和的波形圖。

3.1.3遲滯比較器––正反饋比較器––雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

1.簡(jiǎn)單比較器應(yīng)用中存在的問(wèn)題一是輸出電壓轉(zhuǎn)換時(shí)間受比較器翻轉(zhuǎn)速度（壓擺率SR）的限制，導(dǎo)致高頻脈沖的邊緣不夠陡峭(如圖3.1.5(a)所示)；二是抗干擾能力差，如圖3.1.5(b)所示，若ui在參考電壓ur(=0)附近有噪聲或干擾，則輸出波形將產(chǎn)生錯(cuò)誤的跳變，直至ui遠(yuǎn)離ur值才穩(wěn)定下來(lái)。如果對(duì)受干擾的uo波形去計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值必然會(huì)多出許多，從而造成極大的誤差。圖3.1.5簡(jiǎn)單比較器輸出波形邊緣不陡峭及受干擾的情況(a)輸出波形邊緣不陡峭(b)受干擾情況

2.遲滯比較器電路及傳輸特性

為了解決以上兩個(gè)問(wèn)題，可將比較器設(shè)置兩個(gè)閾值，只要干擾信號(hào)不超過(guò)這兩個(gè)閾值，比較器就不會(huì)跳變，從而提高比較器的抗干擾能力。利用這種思想設(shè)計(jì)出來(lái)的電壓比較器稱(chēng)為遲滯比較器，或稱(chēng)施密特觸發(fā)器。電路是在簡(jiǎn)單比較器基礎(chǔ)上增加了正反饋電路實(shí)現(xiàn)的。正反饋也加快了翻轉(zhuǎn)速度。

1)反向輸入的遲滯比較器

R2將uo反饋到運(yùn)放的同相端與R1一起構(gòu)成正反饋，其正反饋系數(shù)F為上門(mén)限電壓下門(mén)限電壓該電路傳輸特性分析：因?yàn)樾盘?hào)加在運(yùn)放反相端，所以u(píng)i為負(fù)時(shí)，uo必為正，且等于高電平UoH=UCC。此時(shí)，同相端電壓(U+)為參考電平Ur1:(3.1.2)當(dāng)ui由負(fù)逐漸向正變化，且ui=Uf=Ur1時(shí)，輸出將由高電平轉(zhuǎn)換為低電平。我們稱(chēng)uo從高到低所對(duì)應(yīng)的ui轉(zhuǎn)換電平為上門(mén)限電壓，記為UTH。即(3.1.3)

而后，ui再增大，uo將維持在低電平。注意此時(shí)比較器的參考電壓Ur也將發(fā)生變化，即(3.1.4)

可見(jiàn)，當(dāng)ui由正變負(fù)的比較電平將是Ur2(負(fù)值)，故只有當(dāng)ui變得比Ur2更負(fù)時(shí)，uo才又從低變高。所以，稱(chēng)Ur2為下門(mén)限電壓，記為UTL，即(3.1.5)特點(diǎn)：輸出端從高電平跳變到低電平對(duì)應(yīng)的閾值電壓與從低電平跳變到高電平對(duì)應(yīng)的閾值電壓不同！

綜上所述，遲滯比較器的傳輸特性曲線如圖3.1.6(b)所示。由于它像磁性材料的磁滯回線，因此稱(chēng)之為遲滯比較器或滯回比較器。遲滯比較器的上、下門(mén)限之差稱(chēng)之為回差，用ΔU表示：(3.1.6)正是由于回差的存在，才提高了比較器的抗干擾能力。

如圖3.1.7所示。由于使電路輸出狀態(tài)跳變的輸入電壓不發(fā)生在同一電平上，當(dāng)ui上疊加有干擾信號(hào)時(shí)，只要該干擾信號(hào)的幅度不大于回差ΔU，則該干擾的存在就不會(huì)導(dǎo)致比較器輸出狀態(tài)的錯(cuò)誤跳變。應(yīng)該指出，回差ΔU的存在使比較器的鑒別靈敏度降低了。輸入電壓ui的峰峰值必須大于回差，否則，輸出電平不可能轉(zhuǎn)換。圖3.1.7遲滯比較器輸出波形

2)同相輸入遲滯比較器電路如圖3.1.8(a)所示，信號(hào)與反饋都加到運(yùn)放同相端，而反相端接地(U-=0)。只有當(dāng)同相端電壓U+=U-=0時(shí)，輸出狀態(tài)才發(fā)生跳變。而同相端電壓等于正反饋電壓與ui在此端分壓的疊加。據(jù)此，可得該電路的上門(mén)限電壓和下門(mén)限電壓分別為

(3.1.7)(3.1.8)

其傳輸特性如圖3.1.8(b)所示。遲滯比較器又名施密特觸發(fā)器或雙穩(wěn)態(tài)電路，它有兩個(gè)狀態(tài)，且具有記憶功能。圖3.1.8同相輸入遲滯比較器及其傳輸特性

(a)電路；(b)傳輸特性曲線【例3.1.2】電路如圖3.1.9(a)所示，輸入電壓ui的波形如圖3.1.9(b)所示，試畫(huà)出uo1

、uo2的波形圖。圖3.1.9電路圖與波形圖解：A1為反相比例放大器，A2為反相輸入遲滯比較器，傳輸特性如圖3.1.10(a)、(b)所示。波形如圖3.1.9(c)所示。波形如圖3.1.9(d)所示。圖3.1.10A1、A2傳輸特性

3.2弛張振蕩器弛張振蕩器即方波–三角波產(chǎn)生器。對(duì)于方波信號(hào)發(fā)生器，其狀態(tài)有時(shí)維持不變，而有時(shí)則發(fā)生突跳。為區(qū)別于正弦振蕩器，人們將這種有張有弛的信號(hào)發(fā)生器稱(chēng)之為弛張振蕩器。弛張振蕩器必須是一個(gè)正反饋電路，它由兩部分組成：一部分是狀態(tài)記憶電路;另一部分是定時(shí)電路，即控制狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)間的電路。如圖3.2.1所示，一般用遲滯比較器作為狀態(tài)記憶電路，而用積分器作為定時(shí)電路。圖3.2.1弛張振蕩器框圖

3.2.1單運(yùn)放弛張振蕩器單運(yùn)放將狀態(tài)記憶電路和定時(shí)電路集中在一起，如圖3.2.2(a)所示，其中帶正反饋的運(yùn)放構(gòu)成遲滯比較器，RC構(gòu)成積分器即定時(shí)電路。其波形如圖3.2.2(b)所示。圖3.2.2單運(yùn)放弛張振蕩器電路及波形

假定輸出為高電平(UoH)，且電容初始電壓uC(0)=0，那么電容被充電，uC(t)以指數(shù)規(guī)律上升，并趨向UoH。此時(shí)，運(yùn)放同相端電壓U+為(3.2.1)

該電壓為比較器的參考電平。當(dāng)uC上升到該電平值時(shí)，即U-=U+，則輸出狀態(tài)要發(fā)生翻轉(zhuǎn)，即由高電平跳變到低電平UoL。我們將此時(shí)的U+記為高門(mén)限電壓UTH：(3.2.2)

一旦Uo變?yōu)榈碗娖?，電容開(kāi)始放電，后又反充電，uC以指數(shù)規(guī)律下降，并趨向UoL。但是，因?yàn)榇藭r(shí)的U+變?yōu)榱硪粋€(gè)參考電平(下門(mén)限電壓)

當(dāng)uC下降到UTL時(shí)，輸出又從低電平跳變到高電平。周而復(fù)始，運(yùn)放輸出為方波，其峰峰值為

(3.2.3)(3.2.4)電容電壓uC(t)為近似的三角波，其峰峰值為(3.2.5)

因?yàn)殡娙莩潆姾头烹姇r(shí)常數(shù)均等于RC，所以T1=T2，占空比D=T2/T=50%?，F(xiàn)在來(lái)計(jì)算振蕩頻率f0。首先計(jì)算時(shí)間T1。如圖3.2.2(b)所示，根據(jù)三要素法，電容電壓uC(t)為(3.2.6)(3.2.7)將式(3.2.6)代入式(3.2.7)，得

改變時(shí)常數(shù)RC及正反饋系數(shù)，比值均可改變振蕩頻率。(3.2.8)

3.2.2雙運(yùn)放構(gòu)成的弛張振蕩器如圖3.2.3所示，運(yùn)放A1構(gòu)成同相輸入的遲滯比較器，A2為理想積分器。A1輸出為方波，該方波通過(guò)電阻R給電容C恒流充放電，形成三角波，反過(guò)來(lái)三角波又去控制遲滯比較器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，周而復(fù)始形成振蕩，其波形如圖3.2.4所示。圖3.2.3雙運(yùn)放方波–三角波振蕩器圖3.2.4雙運(yùn)放方波–三角波振蕩器輸出波形

1.uo1和uo2幅度的計(jì)算

1)uo1的幅度由圖可見(jiàn)，uo1的高電平UoH=UCC，低電平UoL=-UEE，所以其峰峰值為(3.2.9)

uo2為三角波。當(dāng)uo1為高電平時(shí)，C充電，充電電流(α為電位器RW的分壓比)，uo2隨時(shí)間線性下降。再看A1，其反相端接地，當(dāng)U+過(guò)零時(shí)，A1輸出狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，而U+等于uo1和uo2的疊加，即

2)uo2的幅度同理，當(dāng)uo2為低電平時(shí)，C反充電，充電電流，uo2隨時(shí)間線性上升，當(dāng)U+再次過(guò)零時(shí)，算出(3.2.10)

2.頻率f0的計(jì)算我們知道，在T1時(shí)間間隔內(nèi)，電容C的電壓增量由式ΔUC=ΔQ/C計(jì)算得

(3.2.11)3.3單片集成專(zhuān)用電壓比較器1.通用低速型(LM311/211/111)2.通用型/中速型(LM119)3.高精度/低失調(diào)/低功耗(LM339/239/139)4.高速/低功耗(MAX901~903)

【例3.3.1】由單片集成電壓比較器LM311構(gòu)成的整形電路如圖3.3.1(a)。LM311的輸出電平轉(zhuǎn)換時(shí)間為200ns。若分別輸入頻率為fi1=1kHz，fi2=1MHz，fi3=5MHz的正弦信號(hào)，試問(wèn)輸出波形將有何變化。

圖3.3.1電壓比較器和輸出波形(a)電路；(b)對(duì)應(yīng)不同信號(hào)頻率的輸出波形解(1)對(duì)于fi1=1kHz的輸入信號(hào)，比較器的輸出為方波。

(2)對(duì)于fi2=1MHz的輸入信號(hào)，比較器的轉(zhuǎn)換時(shí)間將對(duì)波形有較大影響，其輸出方波的邊緣已經(jīng)很差(如圖3.3.1(b)所示)。

(3)對(duì)于fi3=5MHz的信號(hào)，其周期為200ns，半個(gè)周期時(shí)間為100ns，已經(jīng)少于比較器的轉(zhuǎn)換時(shí)間(200ns)，所以比較器的狀態(tài)根本來(lái)不及翻轉(zhuǎn)，故輸出波形為一不變的直線(如圖3.3.1(b)所示)。所以，我們?cè)谑褂闷骷r(shí)，一定要注意器件的特性是否滿足我們的實(shí)際需要。3.4模擬開(kāi)關(guān)

模擬開(kāi)關(guān)是電子系統(tǒng)中常用的基本單元電路，用來(lái)控制信號(hào)的通斷。一個(gè)理想的模擬開(kāi)關(guān)，應(yīng)接通時(shí)相當(dāng)于短路，關(guān)斷時(shí)相當(dāng)于開(kāi)路，工作速度要快，各開(kāi)關(guān)間的隔離度要好。模擬開(kāi)關(guān)可由雙極型晶體管構(gòu)成，也可以用MOS場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成。CMOS模擬開(kāi)關(guān)具有電路簡(jiǎn)單、功耗小、導(dǎo)通電阻小、關(guān)斷電阻大等優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛應(yīng)用。

圖3.4.1CC4046四雙向模擬開(kāi)關(guān)1.CC4066模擬開(kāi)關(guān)3.4.1常用模擬開(kāi)關(guān)2.CD4051模擬開(kāi)關(guān)

圖3.4.2CD4051結(jié)構(gòu)框圖

圖3.4.3CD4051引腳圖及功能表

(a)引腳圖(b)功能表

圖3.4.4MAX4661的引腳圖及主要參數(shù)3.MAX4661模擬開(kāi)關(guān)3.4.2模擬開(kāi)關(guān)的應(yīng)用

1.增益控制

圖3.4.5所示為一反相比例放大器，若要求輸入電阻一定，而增益可控，則可以在反饋支路中置入模擬開(kāi)關(guān)。隨著控制電壓UCi的不同，反饋電阻也不同，以此達(dá)到控制增益的目的。

圖3.4.5增益控制電路2.脈沖調(diào)制

如圖3.4.6所示，一正弦波加入到模擬開(kāi)關(guān)輸入端，控制端是一寬度為τ，周期為T(mén)的脈沖波，則輸出波形為已調(diào)脈沖波。

圖3.4.6脈沖調(diào)制電路及波形3.時(shí)分多路數(shù)據(jù)采集諸如CD4051一類(lèi)的模擬開(kāi)關(guān)，有三個(gè)控制端(分別為A、B、C)、八個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端。當(dāng)賦予A、B、C不同的邏輯值(0或1)時(shí)，則輸出端依次接通其中的一路輸入信號(hào)(相當(dāng)于單刀多擲開(kāi)關(guān))，從而實(shí)現(xiàn)時(shí)分多路巡回?cái)?shù)據(jù)采集的目的，如圖3.4.7所示。圖3.4.7CD4051模擬開(kāi)關(guān)用于多路信號(hào)數(shù)據(jù)采集4.1半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)

本章從半導(dǎo)體器件的工作機(jī)理出發(fā)，簡(jiǎn)單介紹半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識(shí)，包括本征半導(dǎo)體，雜質(zhì)半導(dǎo)體，PN結(jié)；分別討論晶體二極管的特性和典型應(yīng)用電路，雙極型晶體管和場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)、工作機(jī)理、特性和應(yīng)用電路，重點(diǎn)是掌握器件的特性。媒質(zhì)導(dǎo)體：對(duì)電信號(hào)有良好的導(dǎo)通性，如絕大多數(shù)金屬，電解液，以及電離氣體。絕緣體：對(duì)電信號(hào)起阻斷作用，如玻璃和橡膠，其電阻率介于108~1020

·m。半導(dǎo)體：導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間，如硅(Si)、鍺(Ge)和砷化鎵(GaAs)。

半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力隨溫度、光照和摻雜等因素發(fā)生顯著變化，這些特點(diǎn)使它們成為制作半導(dǎo)體元器件的重要材料。1344.1.1本征半導(dǎo)體純凈的硅和鍺單晶體稱(chēng)為本征半導(dǎo)體。

硅和鍺的原子最外層軌道上都有四個(gè)電子，稱(chēng)為價(jià)電子，每個(gè)價(jià)電子帶一個(gè)單位的負(fù)電荷。因?yàn)檎麄€(gè)原子呈電中性，而其物理化學(xué)性質(zhì)很大程度上取決于最外層的價(jià)電子，所以研究中硅和鍺原子可以用簡(jiǎn)化模型代表。135每個(gè)原子最外層軌道上的四個(gè)價(jià)電子為相鄰原子核所共有，形成共價(jià)鍵。共價(jià)鍵中的價(jià)電子是不能導(dǎo)電的束縛電子。

價(jià)電子可以獲得足夠大的能量，掙脫共價(jià)鍵的束縛，游離出去，成為自由電子，并在共價(jià)鍵處留下帶有一個(gè)單位的正電荷的空穴。這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為本征激發(fā)。

本征激發(fā)產(chǎn)生成對(duì)的自由電子和空穴，所以本征半導(dǎo)體中自由電子和空穴的數(shù)量相等。136

價(jià)電子的反向遞補(bǔ)運(yùn)動(dòng)等價(jià)為空穴在半導(dǎo)體中自由移動(dòng)。因此，在本征激發(fā)的作用下，本征半導(dǎo)體中出現(xiàn)了帶負(fù)電的自由電子和帶正電的空穴，二者都可以參與導(dǎo)電，統(tǒng)稱(chēng)為載流子。

自由電子和空穴在自由移動(dòng)過(guò)程中相遇時(shí)，自由電子填入空穴，釋放出能量，從而消失一對(duì)載流子，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為復(fù)合，137

平衡狀態(tài)時(shí)，載流子的濃度不再變化。分別用ni和pi表示自由電子和空穴的濃度(cm-3)，理論上其中T為絕對(duì)溫度(K)；EG0為T(mén)=0K時(shí)的禁帶寬度，硅原子為1.21eV，鍺為0.78eV；k=8.6310-5eV/K為玻爾茲曼常數(shù)；A0為常數(shù)，硅材料為3.871016cm-3K-3/2，鍺為1.761016cm-3K-3/2。4.1.2

N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體

本征激發(fā)產(chǎn)生的自由電子和空穴的數(shù)量相對(duì)很少，這說(shuō)明本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。我們可以人工少量摻雜某些元素的原子，從而顯著提高半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力，這樣獲得的半導(dǎo)體稱(chēng)為雜質(zhì)半導(dǎo)體。根據(jù)摻雜元素的不同，雜質(zhì)半導(dǎo)體分為N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。

138一、N型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)原子，即構(gòu)成N型半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體中每摻雜一個(gè)雜質(zhì)元素的原子，就提供一個(gè)自由電子，從而大量增加了自由電子的濃度一一施主電離多數(shù)載流子一一自由電子少數(shù)載流子一一空穴但半導(dǎo)體仍保持電中性

熱平衡時(shí)，雜質(zhì)半導(dǎo)體中多子濃度和少子濃度的乘積恒等于本征半導(dǎo)體中載流子濃度ni的平方，所以空穴的濃度pn為

因?yàn)閚i容易受到溫度的影響發(fā)生顯著變化，所以pn也隨環(huán)境的改變明顯變化。自由電子濃度雜質(zhì)濃度139二、P型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)原子，即構(gòu)成P型半導(dǎo)體。P型半導(dǎo)體中每摻雜一個(gè)雜質(zhì)元素的原子，就提供一個(gè)空穴，從而大量增加了空穴的濃度一一受主電離多數(shù)載流子一一空穴少數(shù)載流子一一自由電子但半導(dǎo)體仍保持電中性

而自由電子的濃度np為環(huán)境溫度也明顯影響np的取值?？昭舛葥诫s濃庹1404.1.3漂移電流和擴(kuò)散電流

半導(dǎo)體中載流子進(jìn)行定向運(yùn)動(dòng)，就會(huì)形成半導(dǎo)體中的電流。半導(dǎo)體電流

半導(dǎo)體電流漂移電流：在電場(chǎng)的作用下，自由電子會(huì)逆著電場(chǎng)方向漂移，而空穴則順著電場(chǎng)方向漂移，這樣產(chǎn)生的電流稱(chēng)為漂移電流，該電流的大小主要取決于載流子的濃度，遷移率和電場(chǎng)強(qiáng)度。擴(kuò)散電流：半導(dǎo)體中載流子濃度不均勻分布時(shí)，載流子會(huì)從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)擴(kuò)散，從而形成擴(kuò)散電流，該電流的大小正比于載流子的濃度差即濃度梯度的大小。1414.2

PN結(jié)

通過(guò)摻雜工藝，把本征半導(dǎo)體的一邊做成P型半導(dǎo)體，另一邊做成N型半導(dǎo)體，則P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的交接面處會(huì)形成一個(gè)有特殊物理性質(zhì)的薄層，稱(chēng)為PN結(jié)。4.2.1

PN結(jié)的形成多子擴(kuò)散

空間電荷區(qū)，內(nèi)建電場(chǎng)和內(nèi)建電位差的產(chǎn)生少子漂移動(dòng)態(tài)平衡142

空間電荷區(qū)又稱(chēng)為耗盡區(qū)或勢(shì)壘區(qū)。在摻雜濃度不對(duì)稱(chēng)的PN結(jié)中，耗盡區(qū)在重?fù)诫s一邊延伸較小，而在輕摻雜一邊延伸較大。1434.2.2

PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦砸?、正向偏置的PN結(jié)正向偏置耗盡區(qū)變窄擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，漂移運(yùn)動(dòng)減弱正向電流二、反向偏置的PN結(jié)反向偏置耗盡區(qū)變寬擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)減弱，漂移運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)反向電流144

PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦裕篜N結(jié)只需要較小的正向電壓，就可以使耗盡區(qū)變得很薄，從而產(chǎn)生較大的正向電流，而且正向電流隨正向電壓的微小變化會(huì)發(fā)生明顯改變。而在反偏時(shí)，少子只能提供很小的漂移電流，并且基本上不隨反向電壓而變化。4.2.3

PN結(jié)的擊穿特性當(dāng)PN結(jié)上的反向電壓足夠大時(shí)，其中的反向電流會(huì)急劇增大，這種現(xiàn)象稱(chēng)為PN結(jié)的擊穿。

雪崩擊穿：反偏的PN結(jié)中，耗盡區(qū)中少子在漂移運(yùn)動(dòng)中被電場(chǎng)作功，動(dòng)能增大。當(dāng)少子的動(dòng)能足以使其在與價(jià)電子碰撞時(shí)發(fā)生碰撞電離，把價(jià)電子擊出共價(jià)鍵，產(chǎn)生一對(duì)自由電子和空穴，連鎖碰撞使得耗盡區(qū)內(nèi)的載流子數(shù)量劇增，引起反向電流急劇增大。雪崩擊穿出現(xiàn)在輕摻雜的PN結(jié)中。齊納擊穿：在重?fù)诫s的PN結(jié)中，耗盡區(qū)較窄，所以反向電壓在其中產(chǎn)生較強(qiáng)的電場(chǎng)。電場(chǎng)強(qiáng)到能直接將價(jià)電子拉出共價(jià)鍵，發(fā)生場(chǎng)致激發(fā)，產(chǎn)生大量的自由電子和空穴，使得反向電流急劇增大，這種擊穿稱(chēng)為齊納擊穿。

PN結(jié)擊穿時(shí)，只要限制反向電流不要過(guò)大，就可以保護(hù)PN結(jié)不受損壞。PN結(jié)擊穿1454.2.4

PN結(jié)的電容特性

PN結(jié)能夠存貯電荷，而且電荷的變化與外加電壓的變化有關(guān)，這說(shuō)明PN結(jié)具有電容效應(yīng)。一、勢(shì)壘電容CT0為u=0時(shí)的CT，與PN結(jié)的結(jié)構(gòu)和摻雜濃度等因素有關(guān)；UB為內(nèi)建電位差；n為變?nèi)葜笖?shù)，取值一般在1/3~6之間。當(dāng)反向電壓u絕對(duì)值增大時(shí)，CT將減小。146二、擴(kuò)散電容

PN結(jié)的結(jié)電容為勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容之和，即Cj=CT+CD。CT和CD都隨外加電壓的變化而改變，所以都是非線性電容。當(dāng)PN結(jié)正偏時(shí)，CD遠(yuǎn)大于CT，即Cj

CD；反偏的PN結(jié)中，CT遠(yuǎn)大于CD，則Cj

CT。1474.3晶體二極管

二極管可以分為硅二極管和鍺二極管，簡(jiǎn)稱(chēng)為硅管和鍺管。4.3.1二極管的伏安特性一一指數(shù)特性IS為反向飽和電流，q為電子電量(1.60

10-19C)；UT=kT/q，稱(chēng)為熱電壓，在室溫27℃即300K時(shí)，UT=26mV。一、二極管的導(dǎo)通，截止和擊穿當(dāng)uD>0且超過(guò)特定值UD(on)

時(shí)，iD變得明顯，此時(shí)認(rèn)為二極管導(dǎo)通，UD(on)

稱(chēng)為導(dǎo)通電壓(死區(qū)電壓)；uD<0時(shí)，二極管是截止的；當(dāng)反向電壓足夠大時(shí)，PN結(jié)擊穿，二極管中的反向電流急劇增大，二極管被擊穿。148二、二極管的管壓降

當(dāng)電源電壓E變化時(shí)，負(fù)載線平移到新的位置，雖然ID有比較大的變化，UD變化卻不大，仍然近似等于UD(on)

，所以也可以認(rèn)為UD(on)

是導(dǎo)通的二極管兩端固定的管壓降。三、二極管的電阻直流電阻交流電阻149RD

和rD隨工作點(diǎn)的位置變化而改變4.3.2溫度對(duì)二極管伏安特性的影響T增大；

Is增大，T增大10倍，Is增大一倍。減小，雪崩擊穿電壓增大，齊納擊穿電壓減小。1504.3.3二極管的近似伏安特性和簡(jiǎn)化電路模型151【例4.3.1】電路如圖(a)所示，計(jì)算二極管中的電流ID。已知二極管的導(dǎo)通電壓UD(on)=0.6V，交流電阻rD近似為零。解：可以判斷二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，將相應(yīng)的電路模型代入，得到圖(b)。節(jié)點(diǎn)A的電壓UA

=E

-I1R1

=-I2R2

=-E

+UD(on)

=-5.4，解得I1

=5.7mA，I2

=5.4mA，于是ID

=I1

+I2

=11.1mA。152工作電流IZ可以在IZmin到IZmax的較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，兩端的反向電壓成為穩(wěn)定電壓UZ。IZ應(yīng)大于IZmin以保證較好的穩(wěn)壓效果。同時(shí)，外電路必須對(duì)IZ進(jìn)行限制，防止其太大使管耗過(guò)大，甚至燒壞PN結(jié)，如果穩(wěn)壓二極管的最大功耗為PM，則IZ應(yīng)小于IZmax

=PM

/UZ。

4.3.4穩(wěn)壓二極管153154［例4.3.2］穩(wěn)壓二極管電路如圖所示，穩(wěn)定電壓UZ=6V。當(dāng)限流電阻R=200時(shí)，求工作電流IZ

和輸出電壓UO；當(dāng)R=11k時(shí)，再求IZ

和UO。

解：當(dāng)R=200

時(shí)，穩(wěn)壓二極管DZ處于擊穿狀態(tài)當(dāng)R=11k

時(shí)，DZ處于截止?fàn)顟B(tài)，IZ

=01554.3.5二極管應(yīng)用電路舉例

一、整流電路

［例4.3.3］分析圖

(a)所示的二極管整流電路的工作原理，其中二極管D的導(dǎo)通電壓UD(on)=0.7V，交流電阻rD0。輸入電壓ui的波形如圖

(b)所示。

156解：當(dāng)ui>0.7V時(shí)，D處于導(dǎo)通狀態(tài)，等效成短路，所以輸出電壓uo=ui-0.7；當(dāng)ui<0.7V時(shí)，D處于截止?fàn)顟B(tài)，等效成開(kāi)路，所以u(píng)o=0。于是可以根據(jù)ui的波形得到uo的波形，如圖

(b)所示，傳輸特性則如圖

(c)所示。電路實(shí)現(xiàn)的是半波整流，但是需要在ui的正半周波形中扣除UD(on)

得到輸出。

157［例4.3.4］分析圖

(a)所示的二極管橋式整流電路的工作原理，其中的二極管D1~D4為理想二極管，輸入電壓ui的波形如圖

(b)所示。

158解：當(dāng)ui>0時(shí)，D1和D2上加的是正向電壓，處于導(dǎo)通狀態(tài)，而D3和D4上加的是反向電壓，處于截止?fàn)顟B(tài)。輸出電壓uo的正極與ui的正極通過(guò)D1相連，它們的負(fù)極通過(guò)D2相連，所以u(píng)o=ui；當(dāng)ui<0時(shí)，D1和D2上加的是反向電壓，處于截止?fàn)顟B(tài)，而D3和D4上加的是正向電壓，處于導(dǎo)通狀態(tài)。uo的正極與ui的負(fù)極通過(guò)D4相連，D3則連接了uo的負(fù)極與ui的正極，所以u(píng)o=-ui。于是可以根據(jù)ui的波形得到uo的波形，如圖

(b)所示，傳輸特性則如圖

(c)所示。電路實(shí)現(xiàn)的是全波整流。

159［例4.3.5］分析圖示電路的輸出電壓uo的波形和傳輸特性。

160解：當(dāng)輸入電壓ui>0時(shí)，二極管D1截止，D2導(dǎo)通，電路等效為圖

(b)所示的反相比例放大器，uo=-(R2/R1)ui；當(dāng)ui<0時(shí)，D1導(dǎo)通，D2截止，等效電路如圖

(c)所示，此時(shí)uo=u-=u+=0。據(jù)此可以根據(jù)ui的波形畫(huà)出uo的波形以及傳輸特性，如圖

(d)所示。

161例4.3.5給出的是精密半波整流電路。為了實(shí)現(xiàn)精密全波整流，可以利用集成運(yùn)放加法器，將半波整流的輸出與原輸入電壓加權(quán)相加。如圖所示，uo=-ui-2uo1。當(dāng)ui>0時(shí)，uo1=-ui，uo=ui；當(dāng)ui<0時(shí)，uo=-ui。

因此在任意時(shí)刻有uo=|ui|，所以該電路也稱(chēng)為絕對(duì)值電路。

162二、限幅電路［例4.3.6］二極管限幅電路如圖

(a)所示，其中二極管D的導(dǎo)通電壓UD(on)=0.7V，交流電阻rD0。輸入電壓ui的波形在圖

(b)中給出，作出輸出電壓uo的波形。

163解：D處于導(dǎo)通與截止之間的臨界狀態(tài)時(shí)，其支路兩端電壓為

E+UD(on)=2.7V。當(dāng)ui>2.7V時(shí)，D導(dǎo)通，所以u(píng)o=2.7V；當(dāng)ui<2.7V時(shí)，D截止，其支路等效為開(kāi)路，uo=ui。于是可以根據(jù)ui的波形得到uo的波形，如圖

(c)所示，該電路把ui超出2.7V的部分削去后進(jìn)行輸出，是上限幅電路。

164［例4.3.7］二極管限幅電路如圖

(a)所示，其中二極管D1和D2的導(dǎo)通電壓UD(on)=0.3V，交流電阻rD0。輸入電壓ui的波形在圖

(b)中給出，作出輸出電壓uo的波形。

165解：D1處于導(dǎo)通與截止之間的臨界狀態(tài)時(shí)，其支路兩端電壓為

-E-UD(on)=-2.3V。當(dāng)ui<-2.3V時(shí)，D1導(dǎo)通，uo=-2.3V；當(dāng)ui>-2.3V時(shí)，D1截止，支路等效為開(kāi)路，uo=ui。所以D1實(shí)現(xiàn)了下限幅；D2處于臨界狀態(tài)時(shí)，其支路兩端電壓為

E+UD(on)=2.3V。當(dāng)ui>2.3V時(shí)，D2導(dǎo)通，uo=2.3V；當(dāng)ui<2.3V時(shí)，D2截止，支路等效為開(kāi)路，uo=ui。所以D2實(shí)現(xiàn)了上限幅。綜合uo的波形如圖

(c)所示，該電路把ui超出2.3V的部分削去后進(jìn)行輸出，完成雙向限幅。

166限幅電路的基本用途是控制輸入電壓不超過(guò)允許范圍，以保護(hù)后級(jí)電路的安全工作。設(shè)二極管的導(dǎo)通電壓UD(on)=0.7V，在圖中，當(dāng)

-0.7V<ui<0.7V時(shí)，二極管D1和D2都截止，電阻R1和R2中沒(méi)有電流，集成運(yùn)放的兩個(gè)輸入端之間的電壓為ui；當(dāng)ui>0.7V時(shí)，D1導(dǎo)通，D2截止，R1、D1和R2構(gòu)成回路，對(duì)ui分壓，集成運(yùn)放輸入端的電壓被限制在UD(on)=0.7V；當(dāng)ui<-0.7V時(shí)，D1截止，D2導(dǎo)通，R1、D2和R2構(gòu)成回路，對(duì)ui分壓，集成運(yùn)放輸入端的電壓被限制在

-UD(on)=-0.7V。該電路把ui限幅到

0.7V到

-0.7V之間，保護(hù)集成運(yùn)放。167

圖中，當(dāng)

-0.7V<ui<5.7V時(shí)，二極管D1和D2都截止，ui直接輸入A/D；當(dāng)ui>5.7V時(shí)，D1導(dǎo)通，D2截止，A/D的輸入電壓被限制在5.7V；當(dāng)ui<-0.7V時(shí)，D1截止，D2導(dǎo)通，A/D的輸入電壓被限制在

-0.7V。該電路對(duì)ui的限幅范圍是

-0.7V到

5.7V。168［例4.3.8］穩(wěn)壓二極管限幅電路如圖

(a)所示，其中穩(wěn)壓二極管DZ1和DZ2的穩(wěn)定電壓UZ=5V，導(dǎo)通電壓UD(on)

近似為零。輸入電壓ui的波形在圖

(b)中給出，作出輸出電壓uo的波形。

169解：當(dāng)

|ui|<1V時(shí)，DZ1和DZ2都處于截止?fàn)顟B(tài)，其支路相當(dāng)于開(kāi)路，電路是電壓放大倍數(shù)為

-5的反相比例放大器，uo=-5ui，uo最大變化到5V；當(dāng)|ui|>1V時(shí)，DZ1和DZ2一個(gè)導(dǎo)通，另一個(gè)擊穿，此時(shí)反饋電流主要流過(guò)穩(wěn)壓二極管支路，uo穩(wěn)定在5V。由此得到圖

(c)所示的uo波形。

170

圖示電路為單運(yùn)放弛張振蕩器。其中集成運(yùn)放用作反相遲滯比較器，輸出電源電壓UCC或-UEE，R3隔離輸出的電源電壓與穩(wěn)壓二極管DZ1和DZ2限幅后的電壓。仍然認(rèn)為DZ1和DZ2的穩(wěn)定電壓為UZ，而導(dǎo)通電壓UD(on)

近似為零。經(jīng)過(guò)限幅，輸出電壓uo可以是高電壓UOH=UZ或低電壓UOL=-UZ。171三、電平選擇電路

［例4.3.9］圖

(a)給出了一個(gè)二極管電平選擇電路，其中二極管D1和D2為理想二極管，輸入信號(hào)ui1和ui2的幅度均小于電源電壓E，波形如圖

(b)所示。分析電路的工作原理，并作出輸出信號(hào)uo的波形。

172解：因?yàn)閡i1和ui2均小于E，所以D1和D2至少有一個(gè)處于導(dǎo)通狀態(tài)。不妨假設(shè)ui1<ui2，則D1導(dǎo)通后，uo=ui1，結(jié)果D2上加的是反向電壓，處于截止?fàn)顟B(tài)；反之，當(dāng)ui1>ui2時(shí)，D2導(dǎo)通，D1截止，uo=ui2；只有當(dāng)ui1=ui2時(shí)，D1和D2才同時(shí)導(dǎo)通，uo=ui1=ui2。uo的波形如圖

(b)所示。該電路完成低電平選擇功能，當(dāng)高、低電平分別代表邏輯1和邏輯0時(shí)，就實(shí)現(xiàn)了邏輯“與”運(yùn)算。

173四、峰值檢波電路［例4.3.10］分析圖示峰值檢波電路的工作原理。

解：電路中集成運(yùn)放A2起電壓跟隨器作用。當(dāng)ui>uo時(shí)，uo1>0，二極管D導(dǎo)通，uo1對(duì)電容C充電，此時(shí)集成運(yùn)放A1也成為跟隨器，uo=uCui，即uo隨著ui增大；當(dāng)ui<uo時(shí)，uo1<0，D截止，C不放電，uo=uC保持不變，此時(shí)A1是電壓比較器。波形如圖

(b)所示。電路中場(chǎng)效應(yīng)管V用作復(fù)位開(kāi)關(guān)，當(dāng)復(fù)位信號(hào)uG到來(lái)時(shí)直接對(duì)C放電，重新進(jìn)行峰值檢波。

1744.4

雙極型晶體管

NPN型晶體管

PNP型晶體管

晶體管的物理結(jié)構(gòu)有如下特點(diǎn)：發(fā)射區(qū)相對(duì)基區(qū)重?fù)诫s；基區(qū)很薄，只有零點(diǎn)幾到數(shù)微米；集電結(jié)面積大于發(fā)射結(jié)面積。

175一、發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子

電子注入電流IEN，空穴注入電流IEP

二、基區(qū)中自由電子邊擴(kuò)散邊復(fù)合

基區(qū)復(fù)合電流IBN

三、集電區(qū)收集自由電子

收集電流ICN

反向飽和電流ICBO4.4.1晶體管的工作原理176晶體管三個(gè)極電流與內(nèi)部載流子電流的關(guān)系：

177共發(fā)射極直流電流放大倍數(shù)：共基極直流電流放大倍數(shù)：換算關(guān)系：晶體管的放大能力參數(shù)

178晶體管的極電流關(guān)系

描述：描述：

1794.4.2晶體管的伏安特性一、輸出特性

放大區(qū)(發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏

)

共發(fā)射極交流電流放大倍數(shù)：共基極交流電流放大倍數(shù)：近似關(guān)系：

恒流輸出和基調(diào)效應(yīng)飽和區(qū)(發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏

)

飽和壓降

uCE(sat)

截止區(qū)(發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏

)

極電流絕對(duì)值很小180二、輸入特性

當(dāng)uBE大于導(dǎo)通電壓

UBE(on)

時(shí)，晶體管導(dǎo)通，即處于放大狀態(tài)或飽和狀態(tài)。這兩種狀態(tài)下uBE近似等于UBE(on)

，所以也可以認(rèn)為UBE(on)

是導(dǎo)通的晶體管輸入端固定的管壓降；當(dāng)uBE<UBE(on)

時(shí)，晶體管進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。晶體管電流方程：1814.4.3

晶體管的近似伏安特性和簡(jiǎn)化直流模型近似伏安特性簡(jiǎn)化直流模型I——放大區(qū)II——飽和區(qū)III——截止區(qū)1824.4.4直流偏置下晶體管的工作狀態(tài)分析實(shí)際應(yīng)用需要使晶體管處于放大狀態(tài)、飽和狀態(tài)或截止?fàn)顟B(tài)，從而實(shí)現(xiàn)不同的功能。這是通過(guò)控制發(fā)射結(jié)和集電結(jié)的正偏與反偏來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

確定直流偏置下晶體管工作狀態(tài)的基本步驟：

1．根據(jù)外電路電源極性判斷發(fā)射結(jié)是正偏還是反偏。如果發(fā)射結(jié)反偏或正偏電壓不到|UBE(on)|，則晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)，IB、IC和IE均為零，再由外電路計(jì)算極間電壓UBE、UCE和UCB；

2．如果第1步判斷發(fā)射結(jié)正偏電壓達(dá)到|UBE(on)|，則晶體管處于放大狀態(tài)或飽和狀態(tài)，再判斷集電結(jié)是正偏還是反偏。如果集電結(jié)反偏，則晶體管處于放大狀態(tài)，這時(shí)UBE=UBE(on)

。根據(jù)外電路和UBE(on)

計(jì)算IB，接下來(lái)IC=bIB，IE=IB+IC。再由這三個(gè)極電流和外電路計(jì)算UCE和UCB；

3．如果第2步判斷集電結(jié)正偏，則晶體管處于飽和狀態(tài)。這時(shí)UBE=UBE(on)

，UCE=UCE(sat)

，UCB=UCE-UBE，再由這三個(gè)極間電壓和外電路計(jì)算IB、IC和IE。183［例4.4.1］晶體管直流偏置電路如圖所示，已知晶體管的UBE(on)=0.6V，=50。當(dāng)輸入電壓UI分別為0V、3V和5V時(shí)，判斷晶體管的工作狀態(tài)，并計(jì)算輸出電壓UO。

解：晶體管三個(gè)極電流的正方向如圖中所示。當(dāng)UI=0V時(shí)，晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)，IC=0，UO=UCC-ICRC=12V；當(dāng)UI=3V時(shí)，晶體管處于放大或飽和狀態(tài)，假設(shè)晶體管處于放大狀態(tài)，IB=[UI-UBE(on)]/RB

=40A，IC=bIB=2mA，UCB=UC-UB=(UCC-ICRC)-UBE(on)=3.4V>0，所以集電結(jié)反偏，假設(shè)成立，UO=UC=4V；當(dāng)UI=5V時(shí)，計(jì)算得到UCB=-3.28V<0，所以晶體管處于飽和狀態(tài)，UO=UCE(sat)

。

184［例4.4.2］晶體管直流偏置電路如圖所示，已知晶體管的UBE(on)=-0.7V，=50。判斷晶體管的工作狀態(tài)，并計(jì)算IB、IC和UCE。

解：圖中晶體管是PNP型，UBE(on)=UB-UE=(UCC-IBRB)-IERE=UCC-IBRB-(1+b)IBRE=-0.7V，得到IB=-37.4A<0，所以晶體管處于放大或飽和狀態(tài)。IC=bIB=-1.87mA，UCB=UC-UB=(UCC-ICRC)-(UCC-IBRB)=-3.74V<0，所以集電結(jié)反偏，晶體管處于放大狀態(tài)，IB=-37.4A，IC=-1.87mA，UCE=UCB+UBE(on)=-4.44V。

1854.4.5晶體管應(yīng)用電路舉例

一、對(duì)數(shù)和反對(duì)數(shù)運(yùn)算電路

晶體管的電流方程圖中，UO=-UBE=-UTln(IC/IS)，又IC=UI/R，所以這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)運(yùn)算。186圖中，輸出電壓UO=ICR=-ISRexp(-UBE/UT)，而輸入電壓UI=-UBE，因此從而實(shí)現(xiàn)了UO和UI之間的反對(duì)數(shù)(指數(shù))運(yùn)算。

187二、

值測(cè)量電路

圖示電路用以測(cè)量晶體管的共發(fā)射極電流放大倍數(shù)

。因?yàn)镮C

=(U1

-U2)/R1，IB

=UO

/R2，所以

據(jù)此可以根據(jù)電壓表的讀數(shù)UO，結(jié)合預(yù)設(shè)電壓U1和U2以及電阻R1和R2計(jì)算

。

188三、恒流源電路

如圖所示，穩(wěn)壓二極管DZ的穩(wěn)定電壓UZ

=6V。UZ通過(guò)集成運(yùn)放A傳遞到電阻R2上端，于是有IO

=IC

IE

=UZ

/R2

=20mA。

1894.5.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管

4.5場(chǎng)效應(yīng)管

190一、工作原理

飽和電流IDSS夾斷電壓UGS(off)

柵極電流IG

0輸入阻抗很大UGS增大導(dǎo)電溝道變窄ID減小191二、輸出特性恒流區(qū)(|uGS|

|UGS(off)|且|uDG|=|uDS

-uGS|>|UGS(off)|)uGS和iD為平方率關(guān)系。預(yù)夾斷導(dǎo)致uDS對(duì)iD的控制能力很弱?？勺冸娮鑵^(qū)(|uGS|

|UGS(off)|且

|uDG|<|UGS(off)|)

uDS的變化明顯改變iD的大小。

截止區(qū)(|uGS|>|UGS(off)|)

iD

=0192三、轉(zhuǎn)移特性預(yù)夾斷1934.5.2絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管

絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管記為MOSFET，根據(jù)結(jié)構(gòu)上是否存在原始導(dǎo)電溝道，MOSFET又分為增強(qiáng)型MOSFET和耗盡型MOSFET。

194一、工作原理

UGS=0ID＝0UGS>UGS(th)

電場(chǎng)反型層導(dǎo)電溝道ID>0UGS控制ID的大小N溝道增強(qiáng)型MOSFET195

N溝道耗盡型MOSFET在UGS

=0時(shí)就存在ID=ID0。UGS的增大將增大ID。當(dāng)UGS

<0時(shí)，且|UGS|足夠大時(shí)，導(dǎo)電溝道消失，ID

=0，此時(shí)的UGS為夾斷電壓UGS(off)

。

N溝道耗盡型MOSFET二、特性曲線

預(yù)夾斷N溝道增強(qiáng)型MOSFET196n為導(dǎo)電溝道中自由電子運(yùn)動(dòng)的遷移率；Cox為單位面積的柵極電容；W和L分別為導(dǎo)電溝道的寬度和長(zhǎng)度，W/L為寬長(zhǎng)比。197N溝道耗盡型MOSFET1984.5.3各種場(chǎng)效應(yīng)管的比較以及場(chǎng)效應(yīng)管與晶體管的對(duì)比

電路符號(hào)

特性曲線199［例4.5.1］判斷圖中場(chǎng)效應(yīng)管的工作狀態(tài)。

=IDSS，UDG=UDS-UGS=UDS=UDD-IDRD=6(V)>-UGS(off)

，所以該場(chǎng)效應(yīng)管工作在恒流區(qū)。圖

(b)中是P溝道增強(qiáng)型MOSFET，UGS=-5(V)<UGS(th)

，所以該場(chǎng)效應(yīng)管工作在恒流區(qū)或可變電阻區(qū)，UDG=UDD-IDRD-UGS=4(V)>-UGS(th)

，所以該場(chǎng)效應(yīng)管工作在可變電阻區(qū)。

解：圖

(a)中是N溝道JFET，UGS=0>UGS(off)

，所以該場(chǎng)效應(yīng)管工作在恒流區(qū)或可變電阻區(qū)，且ID200一、方波，鋸齒波發(fā)生器

4.5.5場(chǎng)效應(yīng)管應(yīng)用電路舉例

集成運(yùn)放A1構(gòu)成弛張振蕩器，A2構(gòu)成反相積分器。振蕩器輸出的方波uo1經(jīng)過(guò)二極管D和電阻R5限幅后，得到uo2，控制JFET開(kāi)關(guān)V的狀態(tài)。當(dāng)uo1為低電平時(shí)，V打開(kāi)，電源電壓E通過(guò)R6對(duì)電容C2充電，輸出電壓uo隨時(shí)間線性上升；當(dāng)uo1為高電平時(shí)，V閉合，C2通過(guò)V放電，uo瞬間減小到零。

201二、取樣保持電路

A1和A2都構(gòu)成跟隨器，起傳遞電壓，隔離電流的作用。取樣脈沖uS控制JFET開(kāi)關(guān)V的狀態(tài)。當(dāng)取樣脈沖到來(lái)時(shí)，V閉合。此時(shí)，如果uo1>uC則電容C被充電，uC很快上升；如果uo1

<uC則C放電，uC迅速下降，這使得uC

=uo1，而uo1

=ui，uo

=uC

，所以u(píng)o

=ui。當(dāng)取樣脈沖過(guò)去時(shí)，V打開(kāi)，uC不變，則uo保持取樣脈沖最后瞬間的ui值。

202三、相敏檢波電路

因此前級(jí)放大器稱(chēng)為符號(hào)電路。場(chǎng)效管截止場(chǎng)效管導(dǎo)通203集成運(yùn)放A2構(gòu)成低通濾波器，取出uo1的直流分量，即時(shí)間平均值uo。uG和ui同頻時(shí)，uo取決于uG和ui的相位差，所以該電路稱(chēng)為相敏檢波電路。

204NPN晶體管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管JEFT增強(qiáng)型NMOSEFT指數(shù)關(guān)系平方律關(guān)系205場(chǎng)效應(yīng)管和晶體管的主要區(qū)別包括：晶體管處于放大狀態(tài)或飽和狀態(tài)時(shí)，存在一定的基極電流，輸入電阻較小。場(chǎng)效應(yīng)管中，JFET的輸入端PN結(jié)反偏，MOSFET則用SiO2絕緣體隔離了柵極和導(dǎo)電溝道，所以場(chǎng)效應(yīng)管的柵極電流很小，輸入電阻極大。

晶體管中自由電子和空穴同時(shí)參與導(dǎo)電，主要導(dǎo)電依靠基區(qū)中非平衡少子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，所以導(dǎo)電能力容易受外界因素如溫度的影響。場(chǎng)效應(yīng)管只依靠自由電子和空穴之一在導(dǎo)電溝道中作漂移運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電，導(dǎo)電能力不易受環(huán)境的干擾。場(chǎng)效應(yīng)管的源極和漏極結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)，可以互換使用。晶體管雖然發(fā)射區(qū)和集電區(qū)是同型的雜質(zhì)半導(dǎo)體，但由于制作工藝不同，二者不能互換使用。模擬電子電路及技術(shù)基礎(chǔ)孫肖子西安電子科技大學(xué)《模擬電子電路與技術(shù)基礎(chǔ)》課程的特點(diǎn)是

“概念性、工程性、實(shí)踐性“強(qiáng)！

“注重物理概念，采用工程觀點(diǎn)；重視實(shí)驗(yàn)技術(shù)，善于總結(jié)對(duì)比；理論聯(lián)系實(shí)際，注意應(yīng)用背景；尋求內(nèi)在規(guī)律，增強(qiáng)抽象能力。”5.1基本放大器組成原理及偏置電路5.1.1基本放大器組成原理5.1.2直流偏置電路固定偏流電流負(fù)反饋型偏置電路分壓式偏置電路5.1.3直流通路和交流通路共射放大器電路直流通路交流通路5.2放大器的圖解分析法5.2.1直流圖解分析法內(nèi)部方程--特性曲線外部方程—直流負(fù)載線方程

5.2.2交流圖解分析1.交流負(fù)載線一定通過(guò)直流工作點(diǎn)Q2.交流負(fù)載線鈄率共射放大器輸出電壓信號(hào)與輸入電壓信號(hào)反相工作點(diǎn)太高,集電極電流太大,易產(chǎn)生飽和失真工作點(diǎn)太低,集電極電流太小,易產(chǎn)生截止失真輸出不失真線性動(dòng)態(tài)范圍受截止失真限制受飽和失真限制所以,輸出線性動(dòng)態(tài)范圍二者取其小5.3放大器的交流等效電路分圻法--前提是工作在放大區(qū)5.3.1晶體管交流小信號(hào)模型壓控型電路模型流控型電路模型考慮基區(qū)體電阻的影響圖中忽略

的影響5.3.7共射放大器的交流小信號(hào)模型分析法1.電壓放大倍數(shù)2.輸入電阻3.輸出電阻輸出與輸入反相工作點(diǎn)相同輸出與輸入反相5.4共集電極放大器和共基放大器5.4.1共集電極放大器--射極輸出器--射極跟隨器輸入輸出同相放大倍數(shù)近似為1輸入電阻很大輸出電阻很小可做為輸入級(jí),輸出級(jí),中間級(jí)5.4.2共基放大器輸出與輸入同相輸入電阻最小,且與共集電路的輸出電阻相同輸與共射電路相同例5.4.11.要求源電壓增益最大2.要求輸出電壓3.要求輸出電壓4.要求接入負(fù)載電阻時(shí),,并求輸出電阻5.要求同時(shí)獲得一對(duì)等值反相的輸出信號(hào)

5.5場(chǎng)效應(yīng)管放大器

5.5.1場(chǎng)效應(yīng)管偏置電路FET、J耗盡型MOSFET:UGS=0，iD≠0，可采用自偏壓方式;增強(qiáng)型MOSFET，則一定要采用分壓式偏置或混合偏置方式.。RDUDDRS(自偏壓電阻)uiRGVRDUDDRS(自偏壓電阻)uiRG2RG1(分壓式偏置)二.解析法一,圖解法聯(lián)立解求出漏極電流5.5.3場(chǎng)效應(yīng)管放大器分析(CS、CD、CG)

1、共源放大器直直(1)直流工作點(diǎn)分析5.5.2場(chǎng)效應(yīng)管低頻小信號(hào)模型跨導(dǎo)管子輸出電阻5.5.3