复旦大学模拟电路知识

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。
3.2.3 PN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。
PN结V-I 特性表达式
iD = IS (evD /VT 1)
IE
IC= InC+ ICBO
为电流放大系数。它只
与管子的结构尺寸和掺杂浓度 有关，与外加电压无关。一般
= 0.90.99 。
放大状态下BJT中载流子的传输过程
2. 电流分配关系
又设 = 1
根据 IE=IB+ IC
IC= InC+ ICBO
= InC
IE
且令 ICEO= (1+ ) ICBO （穿透电流）
三极管的放大作用，主要是依靠它的发射极电 流能够通过基区传输，然后到达集电极而实现 的。
实现这一传输过程的两个条件是：
（1）内部条件：发射区杂质浓度远大于基区 杂质浓度，且基区很薄。
（2）外部条件：发射结正向偏置，集电结反 向wenku.baidu.com置。
4.1.3 BJT的V-I 特性曲线
1. 输入特性曲线
（以共射极放大电路为例）
o
u+ - u-
-Uo(sat)
理想运算放大器
理想运放及其分析依据
1）开环电压放大倍数 Auo→∞ 理想化条件： 2）差模输入电阻 rid→∞
3）开环输出电阻 ro→0 4）共模抑制比 KCMRR→∞
＋
＋
Vp
－
－
vN
＋
－
＋
Avo(vp-vN)
－
vo
理想运算放大器的特性
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。
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。
3.2.1 载流子的漂移与扩散
漂移运动： 由电场作用引起的载流子的运动称为漂移运动。
(1)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 V～14 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。
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。
（1）电压放大倍数定义为: （2）电流放大倍数定义为: （3）互阻增益定义为: （4）互导增益定义为:
AU=UO/UI
AI=IO/II
Ar=UO/II Ag=IO/UI
2. 输入电阻Ri——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。
RS ii
uS
ui
信号源 输入端
Ri
Au
输出端
输入电阻：
Ri=ui / ii
一般来说， Ri越大越好。 （1）Ri越大，ii就越小，从信号源索取的电流越小。 （2）当信号源有内阻时， Ri越大， ui就越接近uS。
3. 输出电阻Ro——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。
输出端
uS ~
Au
Ro
输出端
u’o
输出电阻的定义：
.
Ro
=
U’o
.
I’o
RL =∞ ,
US =0
输出电阻是表明放大电路带负载的能力，Ro越小，放 大电路带负载的能力越强，反之则差。
4. 通频带 A
Am 0.7Am
放大倍数随频率 变化曲线——幅 频特性曲线
3dB带宽
fL 下限截 止频率
上限截 fH 止频率
1. 内部载流子的传输过程
发射区：发射载流子
集电区：收集载流子
基区：传送和控制载流子
（以NPN为例）
IE=IB+ IC IC= InC+ ICBO
放大状态下BJT中载流子的传输过程
2. 电流分配关系
根据传输过程可知 IE=IB+ IC
设
传输到集电极的电流
= 发射极注入电流
即 = InC
IE
通常 IC >> ICBO 则有 IC
3.3.2 二极管的伏安特性
一、PN 结的伏安方程
iD = IS (euD /nVT 1)
反向饱和电流 10-8---10-14A
温度的 电压当量
玻尔兹曼常数 1.38*10-23J/K
VT
=
kT q
电子电量
当 T = 300(27C)：
VT = 26 mV
二、二极管的伏安特性
0 V Vth iD = 0
线基本平行等距。此时，发射结正偏， 集电结反偏。
4.1.4 BJT的主要参数
极限参数
(1) 集电极最大允许电流ICM (2) 集电极最大允许功率损耗PCM
PCM= ICVCE
• V(BR)CEO——基极开路时集电极和发射 极间的击穿电压。
4.3.1 图解分析法
1. 静态工作点的图解分析
• 在输入特性曲线上，作出直线 vBE = VBB iB Rb ，两线的交点 即是Q点，得到IBQ。
（a）V-I特性 （b）电路模型
（4）小信号模型
iD
=
1 R
vD
1 R
(VDD
vs )
vs =0 时, Q点称为静态工作点 ，反映直流时的工作状态。
vs =Vmsint 时（Vm<<VDD）, 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。
过Q点的切线可以等 效成一个微变电阻
Uz (a) 图形符号
0
U/V
Izmin
Izmax
(b) 伏安特性
（3）主要参数 稳定电压：Uz 最小稳定电流：Izmin
最大稳定电流：Izmax
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第四章 三极管及放大电路基础
主讲: 胡仕刚
湖南科技大学信息与电气工程学院
半导体三极管的结 构示意图如图所示。 它有两种类型:NPN型 和PNP型。
(a) NPN型管结构示意图 (b) PNP型管结构示意图 (c) NPN管的电路符号 (d) PNP管的电路符号
4.1.2 放大状态下BJT的工作原理
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。
外部条件：发射结正偏 集电结反偏
由于三极管内有两种载流子(自由 电子和空穴)参与导电，故称为双极 型三极管或BJT (Bipolar Junction Transistor)。
第一章 绪 论
主讲: 胡仕刚
湖南科技大学信息与电气工程学院
1.2 放大电路基本知识
一、放大电路的表示方法
放大电路主要用于放大微弱的电信号，输出电压或电流 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。
1.3 放大电路的主要技术性能指 标
1.放大倍数(增益)——表征放大器的放大能力
则 = IC ICEO
IB
当
IC
ICEO 时，
IC IB
是另一个电流放大系数。同样，它也只与管
子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关。
一般 >> 1 。
3. 三极管的三种组态
BJT的三种组态
共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示； 共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示； 共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示。
即
rd
=
vD iD
根据 iD = IS (evD /VT 1)
得Q点处的微变电导
（a）V-I特性 （b）电路模型
gd
=
diD dvD
Q
= IS VT
evD /VT
Q
iD VT
Q
= ID VT
则
rd
=
1 gd
= VT ID
常温下（T=300K）
rd
= VT ID
=
26(mV ) ID (mA)
（a）V-I特性 （b）电路模型
• 在输出特性曲线上，作出直流负载线 VCE=VCC－iCRc，与IBQ曲 线的交点即为Q点，从而得到VCEQ 和ICQ。
2. 动态工作情况的图解分析 • 根据vs的波形，在BJT的输入特性曲线图上画出vBE 、 iB 的
波形
vs = Vsm sin ωt vBE = VBB vs iB Rb
其中
IS ——反向饱和电流 VT ——温度的电压当量
且在常温下（T=300K）
VT
=
kT q
= 0.026V
= 26mV
PN结的伏安特性
3.2.4 PN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
雪崩击穿 齐纳击穿
电击穿——可逆
iC=f(vCE) iB=const
输出特性曲线的三个区域:
饱和区：iC明显受vCE控制的区域， 该区域内，一般vCE＜0.7V (硅管)。
此时，发射结正偏，集电结正偏或反 偏电压很小。
截止区：iC接近零的区域，相当iB=0
的曲线的下方。此时， vBE小于死区 电压。
放大区：iC平行于vCE轴的区域，曲
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 。
3.5 特殊二极管
（一）稳压二极管
I/mA
(1) 结构：面接触型硅二极管
(2) 主要特点： (a) 正向特性同普通二极管 (b) 反向特性
• 较大的 I 较小的 U •工作在反向击穿状态。 在一定范围内，反向击穿 具有可逆性。
3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法
1.二极管V-I 特性的建模 将指数模型 iD = IS(e分vD段VT线性1) 化，得到二极管特性的
等效模型。 （1）理想模型
（a）V-I特性 （b）代表符号 （c）正向偏置时的电路模型 （d）反向偏置时的电路模型
（2）恒压降模型
（3）折线模型
（a）V-I特性 （b）电路模型
(2)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。
f
通频带： fBW=fH–fL
第二章 运算放大器
主讲: 胡仕刚
湖南科技大学信息与电气工程学院
开环电压放大倍数高(104-107)； 输入电阻高（约几百KΩ）； 输出电阻低（约几百Ω）； 漂移小、可靠性高、体积小、重量轻、价格低 。
电压传输特性 Vo=Avo(vp-vN)
+Uo(sat)
理想特性 实际特性
iD /mA
V (BR) IS
反 向
反向特性 O
正向特性 Vth uD /V
Vth = 0.5 V (硅管) 0.1 V (锗管)
V Vth
iD 急剧上升
击 穿
死区 电压
VD(on) = (0.6 0.8) V 硅管 0.7 V (0.2 0.4) V 锗管 0.3 V
︱V(BR) ︱> ︱V︱ > 0 iD = IS < 0.1 A(硅)几十 A (锗) ︱V︱> ︱U(BR) ︱ 反向电流急剧增大 (反向击穿)
扩散运动： 由载流子浓度差引起的载流子的运动称为扩散运动。
3.2.2 PN结形成
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
多子的扩散运动 由杂质离子形成空间电荷区
空间电荷区形成内电场
内电场促使少子漂移
模拟电路知识体系
• 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。
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 3.2 PN结的形成及特性 3.3 半导体二极管 3.4 二极管基本电路及其分析方法 3.5 特殊二极管
3.1.4 杂质半导体
iB=f(vBE) vCE=const
(1) 当vCE=0V时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。 (2) 当vCE≥1V时， vCB= vCE - vBE>0，集电结已进入反偏状态，开始收
集电子，基区复合减少，同样的vBE下 IB减小，特性曲线右移。
共射极连接
4.1.3 BJT的V-I 特性曲线
2. 输出特性曲线