通信电子电路基础

通信电子电路基础

第一章 半导体器件

§1-1 半导体基础知识

什么是半导体？

半导体是导体与绝缘体之间导电性的物质。(导电性为导电性)

（如：硅Si 锗Ge等待+4价元素和化合物

二、半导体的导电特性

本征半导体――晶体结构完整的纯半导体称为本征半导体。

硅和锗的共价键结构。

1、 在外部因素的作用下，半导体的导电率会发生变化

• 掺杂──管子
• 温度──热敏元件
• 光照──光敏元件等

2、 半导体中的两个载流子──自由电子和空穴

• 自由电子──束缚电子 （－）
• 空穴 ──电子跳走后留下的坑 （＋）

三、杂质半导体──N型、P型

(前述)掺杂能显著改变半导体的导电特性，从而产生杂质半导体。

• N型半导体 (自由电子多)

与+5价元素混合。 如：磷；砷 P──＋5价 大大增加了自由电子

原理： Si──＋4价 P与Si形成共价键后，多余的电子。

载流子组成：

o 本征激发的空穴和自由电子──数量少。

o P提供的自由电子──数量多。

o 空 穴──少子

o 自由电子──多子

• P型半导体 （空穴多）

与+3价元素混合。 如：硼；铝 大大增加了空穴

原理： Si──＋4价 B与Si形成共价键后，多余的空穴。

B──＋3价

载流子组成：

o 本征激发的空穴和自由电子──数量少。

o 混合后由B提供的空气 穴──数量多。

o 空 穴──多子

o 自由电子──少子

结论：N型半导体中的载流子多为自由电子；

P型半导体中的大多数载流子是 空穴 。

§1-2 PN结

一、PN结的基本原理

1、 什么是PN结

将一块P型半导体和一块N型半导体紧密第结合在一起时，交界面两侧的那部分区域。

2、 PN结的结构

分界面上的情况：

P区： 空穴多

N区： 自由电子多

扩散运动：

多去少去，复合。留下正负离子。

(正负离子不能移动)

留下正负离子区──耗尽区。

内建电场(即势垒高度)由正负离子区形成。

方向：N--> P

大小： 与材料和温度有关。 （很小，约零点几伏）

漂移运动：

由于内部电场的吸引，少数载流子受电场力的影响与多子运动方向相反。

结论：扩散电流与漂移电流的大小相等，方向相反，无需额外电压。总电流为零。

二、PN结的单向导电特性

1、 加正压时:(正偏)

结论：

势垒高度 ˉ PN结结宽度(耗尽区宽度) ˉ 扩散电流 -

2、 外加反向电压时： （反偏）

结论：

势垒高度 - PN结结宽度(耗尽区宽度) - 扩散电流 （趋近于0） ˉ

总电流=反向饱和电流(漂移电流):I₅

注：反向饱和电流I₅只与温度和外加电压有关。

【PN反向击穿结：

• 齐纳击穿:势垒狭窄，高反向电压形成的内部建筑电场将价格电子拉出共价键，导致反向电流急剧增加。< 4V
• 雪崩击穿:势垒区宽，载流子穿过PN结算时间长，速度高，价格电子从共价键中撞出，然后撞出其他价格电子，导致反向电流急剧增加。 >7V

当反向电压为4时V和7V两种击穿都有。

【PN结的电容效应：

• 势垒电容：外加电压变化引起势垒区宽窄的变化引起。它与平行板电热器在外加电压作用下，电容极板上积累电荷情况相似。对外等效为非线性微变电容。（反偏减小，正偏增大）
• 扩散电容：当PN结加正电压时，由于扩散，从另一个方向注入少子。少子注入后，会破坏半导体的电中性。为了保持电中性，将相同数量的异性载流子从外部电路进入半导体，在半导体中形成空穴-电子存储。外部电压的增加导致空穴-电子存储就像电容器充电一样。

PN结等效为：两个扩散电容+一个势垒电容。(外等效为三个容性电流加。外等效不是内等效)

反偏：以势垒电容为主的扩散电流=0。

正偏：扩散电流大，主要是扩散电容。

§1-3 二极管

一、构成与符号

伏安特性曲线

1.正特性：

正电压小时，正电流几乎为0──死区。

当正电压超过一定门限电压时，二极管导通，电流随电压的增加而迅速增加。

门限电压（导通电压）──U_D ：硅管 ──0.5-0.7V

&nbp;     锗管 ──0.1-0.2V

   2．反向特性：

   当外加电压小于反向击穿电压时，反向电流几乎不随电压变化。

   当外加电压大于反向击穿电压 U_B时，反向电流随电压急剧增大（击穿）。

   3．伏安特性解析式

 在理想条件下，PN结的伏安（电流与结电压）关系式：──呈指数关系

    式中：  q──电子电荷量    

                  K──波尔兹曼常数  

        T──绝对温度     0K(-273°C) 

         令：                 （室温下 U_T = 26mV  ）

         伏安关系式简化为：      

        当电压超过100mV时，公式可以简化为：

         加正向电压时：

          加反向电压时： I = -I_S

  4．二极管的等效电阻

    从二极管的伏安特性曲线上可以看出：二极管是非线性元件，等效电阻的大小与Q点有关。

     Ø      直流电阻（静态电阻）──  

     Ø      交流电阻            ──  

     例：用万用表测电阻和二极管换不同档测量电阻，结果一样吗？

     特殊二极管：稳压二极管；变容二极管；发光二极管；

 

  二极管应用：

1． 整流：略

2． 稳压：稳压管稳压电路。P22   Fig 1-3-16

3． 限幅器：二极管限幅器。P24-26  串联、并联、双向。

 例：P52 1－2

§1-4 晶体三极管

一、结构及符号

•  b区极薄
•  C结面积 > e结
•  e区搀杂浓度最大，b区搀杂浓度最低。

    （不能将两个二极管兑成一个三极管来用）

　二、晶体管的四种工作状态

 

三、放大状态下晶体管中的电流

注： 交流有效值──大写_小写；         交流值──小写_小写 ；

     瞬时值    ──小写_大写 ；         静态值── 大写_大写 ；

*注意： 实际电流的流向是与电子流的方向相反的。

   用很少量的I_B 来控制I_C 。即三极管实际上是一个电流控制电流源-CCCS。

    三个电极电流满足：        I_E=I_B+I_C

    工作在放大状态下的NPN管一定为：I_B 、I_C流入，I_E 流出。

    工作在放大区的条件：NPN──U_C > U_B > U_E；

  PNP──U_C < U_B < U_E ；

    发射结正偏，集电结反偏。

    例：集成电路中没有三极管，是用三极管的一个结来代替，用哪个结？e结。（C结漏电流大）

四、晶体管工作的三种组态

   【共射】    对电压、电流都有放大倍数。

       【共基】    无电流放大倍数，有电压放大倍数。

        (I_C » I_E)

   【共集】    无电压放大倍数，有电流放大倍数。

         (U_BE » 7.0V ）

 五、晶体三极管特性曲线

   共射组态放大电路的特性曲线：

• 输入特性曲线      (I_B--U_BE)U_CE

U_BE为一个正偏的PN结，所以特性曲线和二极管的正向特性曲线相同。

有：             

•  输出特性曲线      (I_C--U_CE)I_B

   因为三极管有三个电极，要想在二维坐标系上表示出三个变量之间的关系。特性曲线就得是一族。

有：                

 

　

　

  

 

 特点：

    截止区： i_B = 0；  i_C = 0   ;      U_CE = U_CC ；

    放大区：  i_C 受i_B  控制。

    各条曲线近似水平，i_C 和U_CE 的变化基本无关，呈近似恒流特性。

    饱和区： i_C 不受i_B 控制。U_CE ＝0.3V

 六、晶体三极管的主要参数

  1. 电流放大系数

• 直流电流放大系数  
• 交流短路电流放大系数   
• 共基极接法电流放大系数 

                   ；      ；            

  2. 极限参数

• 集电极最大允许电流I_COM ：b下降至正常值时候的0.707倍所对应的I_C 值。
• 反向击穿电压BU_CEO ：  当基极开路时集电极和发射极之间的反向击穿电压。
• 集电极最大允许功耗P_CM 。

  3.三极管的输入电阻

• 共射电路的输入电阻：

BE结电阻：

• 共基极输入电阻：

§1-5 场效应管

场效应管的特点：

• 场效应管只靠多子来导电。它是单极型晶体管。它只依靠一种载流子导电。
• 三极管是靠多子、少子一起来导电的,又叫双极型晶体管。它靠两种载流子导电。
• 场效应管的导电途径：沟道──利用外加电场改变半导体体电阻来进行工作。（电场效应来工作。）
• 输入阻抗十分高。

  场效应管分类：结型场效应管、绝缘栅型场效应管。

一、结型场效应管

   1．结构：

       N区为载流子的主要通道──N沟道。

   2.符号：

                 N沟道     P沟道

              

   3.工作原理：

   靠U_DG和U_SG使两个PN结全部反偏，使耗尽层加宽。依靠反偏电压的强弱来控制耗尽层的宽窄，（即改变半导体的体电阻）达到控制电流的作用。  VCCS

   并且应有 U_D > U_S，才能收集电子。漏极D和源极S，可以互换着使用。

      要求栅极G一定要反偏。     工作在放大状态时要求有：

       4.输入特性：

   栅极电流就是PN结的反向饱和电流。它几乎不随电压变化。

       5. 输出特性曲线：──以U_GS 为参变量，描述I_D和U_DS 之间的关系。

 

二、绝缘栅型场效应管

   1.结构：（以N沟道为例）

　

　

　

  

 

2. 符号：

      场效应管特性比较 P47 Tab 1-2

   3.原理：

Ø  增强型：原始没有导电沟道，靠外加电压后形成反型层导电沟道。

              要求必须给栅极G加正向偏压。

             有：        U_D > U_G > U_S

Ø   耗尽型：原来已经有导电沟道存在（掺杂造成的），靠外加电压使沟道中的

            载流子耗尽。 所加栅极电压可正、可负。

正： 同增强型；

负： 同结型；

第二章 基本放大电路

§2－1   晶体三极管基本放大电路

一、放大器的组成

1、放大电路的功能和主要研究问题

• 什么是放大器：输出信号能量>输入信号能量的器件。（增大的能量是由电源提供的。）
• 放大器的要求：1、能放大；    2、不失真；
• 主要问题：产生失真的条件和如何减小失真；
• 主要指标是放大倍数：

2、三种基本放大电路（三种组态）

   三种组态：    共射；       共基；         共集；

   要实现放大作用：必须满足发射结正偏，集电结反偏。（NPN，PNP都是这样）,即：NPN── U_C > U_B > U_E ；

            PNP── U_C < U_B < U_E ；

3、基本共射放大电路

                  一般 R_B >> R_C ； R_B几百K， R_C几K

二、   放大级的图解分析

放大级的图解分析法是利用晶体管的特性曲线通过作图的方法来分析放大电路的基本性能。

图解分析法的特点是──直观。

图解分析法的步骤是：    1、先分析无输入信号时的静态特性。

                   2、  再分析有信号输入时的动态特性。

（一）、静态特性

1、任务：求解静态工作点Q。（管子各极电流和各电极之间的电压）

2、静态工作点Q的定义：未加交流信号的情况下，在固定直流偏压作用下，

                    I_BQ、I_CQ、U_BEQ、U_CEQ也为一个固定的值。

   它们在曲线上对应着一个固定的点──Q点。

3、在给定电路中求解静态工作点Q （以共射电路为例）。

*解释：由于晶体管为非线性元件，它的输出伏安关系符合它的输出特性曲线。而晶体管所带的负载是电阻，它是线性元件。伏安关系符合基尔霍夫 定律，为一条直线。（我们将在放大器直流输出回路中满足电压和电流关系的这一条直线称为直流负载线。）那么放大电路既要满足晶体管的非线性特性曲线，又要满足负载电阻的直线，结论是只能将这两种线画在同一个坐标系中，从中取它们的交点。这个交点──Q点。

图解法可以直观地反映出Q点改变对放大作用的影响。

求解静态工作点的步骤：

• 列输入方程，求出I_BQ：

        其中U_BE＝0.6V

• 列输出方程，在I_C──U_CE图中画出直流负载线。
• U_CE = U_CC - I_CR_C
• 根据公式：  分别取  当IC＝0时：UCE＝UCC；
  • • • • U_CE＝0时：I_C＝U_CC / R_C；

将这两点连上即得到直流负载线。  

• 从图上找出交点──静态工作点Q

在图上对应标出I_BQ、U_CEQ

（二）、动态特性分析

     动态特性──（在静态特性求解完成的基础上分析）电路工作在放大状态条  件下，外加交流电压作用时，各个电极电压、电流的变化情况。

· 当外加了交流电压或电流信号时，由于管子和负载也还是要同时满足它们各自的伏安关系曲线，所以工作点将会沿着负载线上下移动。

· 在有外加输入信号作用时，输出的信号为直流和交流的叠加。

  1.作交流负载线

   画出输出回路的交流通路。由于交流负载的改变，使得交流负载线为一条通过静态工作点Q但是斜率改变为 的直线。

 

  2.  失真分析

静态工作点、输入信号幅度、负载电阻大小对输出波形的影响。

• 负载一定时： 从图中可以看出：共射电路有倒像。

从上图分析可知：  Q1点    合适       无失真

                          Q2点    太高       饱和失真

                                    Q3点    太低       截止失真

• 输入信号幅度过大也会造成失真。（见上图红笔所画）
• U_CC一定时，R_C越小，负载线越陡。

当R_C过大时，会造成饱和失真。

   结论：放大器工作无失真条件为：   1、Q点选择合适；

                              2、 输入信号幅度不能过大；

                                 3、负载大小要合适；

三、   放大级的等效电路分析法

   比较：图解分析法：可以画出来，直观。用来研究大信号、非线性失真

      等效电路法：不好画，用来分析小信号时，定量的计算

   等效：对外不对内。（对晶体管的外部交流电压、电流等效）

• 当加到发射结上的交流信号电压足够小时；
• 当管子工作在放大区内时；

   这时，我们可以把管子视为一个线性的电流控制电流源（CCCS）。并可以把它代换成为一个线性有源四端网络。

（一）、晶体管h参数等效电路

 注意：其中受控源的极性要根据U_be的方向来确定。

        输出交流短路时的输入电阻；

；

         输出交流短路时的电流放大系数 b ；

         输出交流开路时的输出电导，很小，可忽略。

                   （它说明输出电压对输出电流的影响。）

（二）、用h参数等效电路分析放大器

   共射极放大电路需要计算：A──放大器的放大倍数   

                        AS──源电  压放大倍数      

  分析步骤：

• 画出放大电路的交流通路。（电容短路，直流电源接地）
• 画h参数等效短路图。（将晶体管h参数等效电路去替代交流通路中的晶体管。将等效电路的e、b、c相应地接在电路中的e、b、c上。

• 计算A

     

其中： ；    ；

     (负号表示，输入和输出信号之间有倒相)

• 计算A_S

  

应用戴维南等效电源定理可以将等效电路的左半部分进行化简：

化简后的图为：

         ；   ；   ；

如果满足R_b>>R_s的条件，则有R_s^’=R_s // R_b R_s，上式可以化简为：

• 放大器的输入电阻R_i

• 放大器的输出电阻Ro

（三）、放大倍数的对数表示法

• 采用对数表示的原因

    人的感官，对声音和光线的强弱的感觉与它们功率的对数成正比。即：

声音功率增强一倍，人没觉得强烈了那么多。只有当功率的对数值增强了一倍

时，人们才觉得强了一倍。

• 分贝（贝尔）

    贝尔──取功率放大倍数以10为底的对数值。

      贝尔

    1贝尔＝10分贝（dB）

    又因为：功率和电压 / 电流的平方成正比。

有：                dB

                     dB

例：功率放大10倍   lg10=10dB

    电压放大10倍   2lg10=20dB

    功率增大1倍    10lg2=3dB

    电压增大1倍    2lg2=6dB

 

(四)、共基极放大级的特点

    电路图略。

• 结论：

   电路有电压放大倍数： 大小与共射电路相同；

   方向与共射电路相反；

   即：输入信号和输出信号同相。

   无电流放大倍数  IC IE   。

五、 多级放大级

• 耦合方式：直接耦合、阻容耦合、变压器耦合
• 多级放大器的放大倍数：

    总放大倍数（增益）＝各级放大器放大倍数（增益）的乘积

总放大倍数（分贝）＝各级放大器放大倍数（分贝）的和

§2－2   反馈放大器的基本概念

一、什么是反馈

反馈──把放大器输出信号（电压或电流）的一部分（或全部）送回输入端。

净输入信号X_i^’＝原外加信号X_i＋反馈信号X_F

显然：  正反馈使放大倍数增加；

              负反馈使放大倍数下降；

负反馈在放大器中的作用：

        交流：稳定放大量；  减小非线性失真；   扩展同频带；

        直流：稳定静态工作点Q；

二、单级反馈电路

   

                     (a)  无反馈                              (b)  R_E ：串联－电流－负反馈

            

                       (c)         R_F ：并联－电压－负反馈

   首先判断电路有无反馈存在。(a) 无、  （b） (c) 有。

   图（b）步骤：

1、先判断有无反馈：有； 反馈支路R_F；

2、  实际分析：

3、  再判断反馈类别：用瞬时极性法标注b（+）；e（+）；

        输入信号和反馈信号加在管子不同电极，并且符号相同。

负反馈速判断反馈正、负性质的方法──瞬时极性法

   步骤：

1、  假定输入信号的瞬时极性，逐步标出放大器各级输入和输出电压的极性

2、  将反馈电压的瞬时极性和输入电压的瞬时极性相比较。

判断：

• 两个信号加到同一电极上，极性相反──负反馈；

                        极性相同──正反馈；

• 两个信号加到不同电极上，极性相同──负反馈；

                        极性相反──正反馈；

判断反馈性质：输入端串/并联反馈、输出端电流/电压反馈

1、从输入电路的连接方式上来加以区分判断串、并联反馈

·     从改变信号源内阻R_S的大小，观察反馈量的变化来区分

串联反馈：信号源短路   ── 反馈  存在     

并联反馈：信号源短路   ── 反馈不存在 

·    从反馈量的连接形式上区分

串联反馈： 反馈信号与输入信号加在晶体管的不同电极上；

并联反馈： 反馈信号与输入信号加在晶体管的同一电极上；

2、从输出电路的连接方式上来区分电压反馈和电流反馈

·    电压反馈──反馈电压和输出电压成正比；

·    电流反馈──反馈电流和输出电流成正比；

·    从改变负载电阻R_C 的大小，观察反馈量的变化来区分

当：R_C   ¯     至0时，  U_F  ¯   至0 ………………电压反馈；

当：R_C    ¯    至0 时，  I_F  依然存在………………电流反馈；

·    从连接形式上区分：

当：反馈信号和输出信号接在同一点上时──电压反馈；

      反馈信号和输出信号接在不同点上时──电流反馈；

注意：当负载不变的条件下，输入信号变化，输出信号也随之变化，并且电压和电流成正比。可见：当负载不变时，电压反馈和电流反馈无区别。

三、两级反馈电路

·  判断有无反馈：（本级； 越级；）

本级：T₁管：无反馈；  T₂管：有反馈，反馈支路──R_E2；

越级：T₁管──T₂管： 有反馈，反馈支路──R_F；

·   用瞬时极性法进行标注：（见图）

·   结论：

本级：T₁管：无反馈；  T₂管：有反馈，反馈支路──R_E2；负反馈；

越级：T₁管──T₂管： 有反馈，反馈支路──R_F；负反馈；

四、负反馈放大电路的一般表达式

   开环电压增益：     

  电压反馈系数：     

  环反馈系数：       

  电压反馈深度：     

  闭环电压增益： （加反馈后的电压放大倍数）

• 深度负反馈──反馈信号远远大于放大器的有效输入信号的负反馈电路。

深度负反馈情况下：由于1＋AF>10时，有：

 五、 负反馈对放大电路性能的影响

（一）、放大器静态工作点的稳定

  1. 放大器静态工作点不稳定的因素：

• 受温度影响：I_CBO；U_BE； b ；都会使Q点提高。
• 晶体管 b 值的离散性。（20－200均合格）

  2. 稳定Q点的偏置电路：

电路为：串联－电流负反馈

   ,        U_E = U_B - U_BE 

,           

    由于I_B的忽略，U_BQ可以视为不随温度变化的固定电位。

    电路稳定Q点的过程：

注：实际上稳定的是电流I_CQ而不是电流I_BQ。

3、  放大倍数的稳定性

    电压反馈稳定输出电压；电流反馈稳定输出电流；

    直流反馈稳定静态工作点；交流反馈改善交流性能；

    加入负反馈后，放大倍数比从前提高了1＋AB倍。

 （二）、负反馈对输入、输出电阻的影响

串联反馈提高输入电阻；并联反馈降低输入电阻；

电压反馈降低输出电阻；电流反馈提高输出电阻；

（三）、负反馈对非线性失真的影响

采用负反馈使有效输入信号波形产生预失真，负反馈越深，非线性失真消除得越好，增益也越小。但注意：在开环时，动态范围必须留有余量。

（四）、负反馈对噪声的影响

反馈环前必须加一个放大器A_O才可以提高信噪比，使得纯信号增大，噪声干扰信号降低。否则，和没加一样。

六、 两种常用的负反馈放大电路

（一）、射极输出器（共集电极放大器）

1、  电路介绍：

         电路为： 串联－电压负反馈，并且输出电压全部反馈回到输入端。

2、  特性分析：

Ø      静态工作点计算：

            

Ø      交流等效电路图：

应用戴维南等效电源定理：

l        电压放大倍数：

l        输入电阻：   

l        输出电阻：    （用外加电压法计算，将信号源短路）

           

           

3、射极输出器的特点：

·        输入电阻大，输出电阻小；（可以作为多级放大器的输入级，或作为隔离用。）

·        电压放大倍数近似为1；

·        输入、输出信号同相； 

（二）、恒流管电路

1、  电路介绍：

·        电流－串联负反馈，作为二端网络来使用；

·        与分压式稳定Q点的共射电流类似，由于U_B固定，输出电流基本固定，而不随U_CD变化，从而实现恒流作用。

 2、  特性分析：

·        输出电流：       

·        输出直流电阻：            小

·        输出交流电阻：           大

§2－3   频率特性的分析法

什么是放大器的频率特性（响应）：放大器的放大量随着信号频率变化的状态。

   对比：非线性失真── 由于晶体管工作在非线性区，对幅度大小不同的信号放大量不同。

       频率失真  ── 放大器对不同频率的信号放大量不同。（由于电路中有（线性失真）     L、C电抗元件造成。）

   即：将幅度相同而频率不同的信号加入放大电路的输入端，将会出现输出信  号的波形与输入信号的波形不同的现象，称为频率失真。

一、放大电路不产生频率失真的条件

• 理想：对所有频率成分同等放大，相移和频率成正比。
• 增益用复数表示：
• 频率特性参数：

    为了将失真控制在一定范围内，把半功率点作为放大器放大倍数下降的最大允许值。（半功率点，相当于电压或电流的 或0.707。）

    截止频率：电压或电流放大倍数减至0.707倍时的频率。

         下截频f_L；上截频f_h。

    通频带：两个截止频率之间的频带。BW＝f_h－F_L

二、分析频率特性的工程简化法

   分频段简化处理。

   步骤： 画出等效电路图；

                     分频段对等效电路进行简化；

             求时间常数 t CR =；

             求上、下截频；

  画出波特图；

三、晶体管的高频参数及等效电路

※       所有的放大器的放大倍数都会在高频端下降。

   1.PN结电容：（它是引起高频特性变化的主要原因）

• 势垒电容 ── 是正、负离子层在外加电压发生变化时发生变化，从而在外

电路中产生容性电流的等效电容。

• 扩散电容 ── 当PN结外加正向电压时，由于扩散作用会破坏半导体的电中

性。将会由外电路补充进来异性载流子来保持电中性。P区和N区即形成了空穴和电子对的贮存。这种因扩散作用而在外电路产生的容性电流的等效电容。

   2. 共射极混合p等效电路

• 晶体管的高频分析

在高频段，e结和c结都会产生容性电流。以共射电路为例：

C结反偏： 势垒电容；   E结正偏： 扩散电容；

因为当频率很高时，电容的容抗为 ，所以两个电容不能忽略。

由于C结反偏，所以r_b’c很大，可以视为开路。

 

• 共射极混合p等效电路

其中：r_b’b──基区体电阻。约为300 W 。

      g_m  ──跨导。

• 高频段等效电路（将C_b’c分别折合到输入 / 输出端来算）

             CM=(1+g_mR_C)C_b’c          C_b’e//CM>>C_b’c

C_M——密勒电容

• 频率参数：

f_b ：当 b下降为中频时的0.707倍的时候，所对应的频率称为截止频率。

       f_T ：当 b 下降为1时的频率，称为特征频率。 

四、纯阻负载单极放大器的高频特性

· 电路及等效电路：

       · 增益：

    ·幅频：          

    ·相频：

五、单极放大器的频率特性曲线──波特图

  1.用折线表示幅频特性的波特图

    两边取对数得：

·        w = w_H     

·        w = 10      

·        w = 0          

结论：频率每上升10倍，幅模减小20dB。

设：A₀＝100；  f_H=1MHz

         作幅频特性波特图得：

   2. 用折线表示的相频特性波特图

     分析：

·      w = w_H       

·       w =10                    w 很大时

·       w =0.1                      w 很小时

  结论：频率每升高10倍，产生-45°相移。

        作相频特性波特图得：

六、晶体管的带宽增益乘积

• 放大器的带宽于增益是一对矛盾：

      负载增大──增益增大──上截频下降；

      负载减小──增益减小──上截频升高；

• 为了全面衡量一个器件的高频放大能力，用放大倍数乘以上截频的积来衡量。

      晶体管的带宽增益乘积是由晶体管本身的参数决定的。

        要想提高增益带宽乘积，应选用r_b’b、C_b’c小的管子。

§2-4 小信号选频放大电路

一、概述

• 什么是小信号选频放大器：信号幅度小，放大器工作在线性区。

          对所需要的信号──放大；

          对不需要的信号──抑制；

          即，只能放大某个频率或某个频率范围的信号。

• 小信号选频放大器的结构：

选频网络：高频：LC、石英晶体、陶瓷、声表面波；

           低频：RC；

选频网络决定小信号选频放大器的选择性的好坏。

• 频率特性：

通频带：（允许频率通过的范围）BW_0.7 = f_H－f_L

• 指标：

中心频率（谐振频率）：f_o

通频带：              BW_0.7 = f_H－f_L

矩形系数：           

理想情况下，矩形系数＝1；实际情况下，矩形系数<1；

品质因数Q：   

  

二、LC单振荡回路

• 回忆：   

           

    串联谐振回路：

f > f₀时：感性

f < f₀时：容性

并联谐振回路：

f > f₀时：容性

f < f₀时：感性

• LC单振荡回路

   电路介绍：

   化简：

    若：L、r支路为高Q支路，即：Q>>10  时，有：

  L＝L’

         谐振角频率：           

回路总品质因数：       

                         R_总＝R_S // R₀ // R_L

谐振时传输阻抗：        Z_tm  = U₀ / I_S ＝ R_t  =  R_总

• 结论：

Q值越高，曲线越尖锐，通频带越窄，选择性越好。

• 提高Q值的部分接入法电路

          

  步骤：

• 根据功率等效，将部分接入电路转化成全部接入电路：

负载：        

内阻：        

信号源：      

输出电压：    

接入系数：       ；   

              均为：

结论公式：   

• 按照全部接入电路的分析方法计算参数：

谐振角频率：           

回路总品质因数：       

                        R_总＝R_S^’ // R₀ // R_L^’

传输阻抗：              Z_tm  = U₀ / I_S ＝ R_总P_L P_S   

三、双耦合振荡回路

电路介绍（略）；

频率特性（略）；

双耦合回路的矩形系数也与电路参数无关，为一个常数。

K_r双 > K_r单；

四、集中参数选频放大器

     集中参数选频放大器包括：石英晶体、陶瓷滤波器、声表面波滤波器。

     它们的优点是：

频率高；可工作频率范围宽；

稳定；Q高；体积小；

§2－5   场效应管放大电路

一、场效应管偏置电路的静态分析

  1、  自给偏置电路

    回忆：各种场效应管偏置电路的要求：

    结型场效应管：要求栅极G一定要反偏。

         工作在放大状态时要求有： U_D > U_S > U_G 

    绝缘栅型场效应管：

       增强型：要求必须给栅极G加正向偏压。

        有：  U_D > U_G > U_S 

       耗尽型： 所加栅极电压可正、可负。

         正： 同增强型；

         负： 同结型；

  2、分压偏置电路

        

          此电路带有直流电流－串联负反馈，可以稳定静态工作点。

静态分析：由于栅极上电流为0，所以，R_G3上无压降。

         

         

         

二、场效应管放大电路的等效电路分析法

1、  场效应管的简化等效电路：

2、  共源放大电路分析：（以N沟道耗尽型绝缘栅型场效应管放大电路为例）

 

 

U_GS=U_i

   3、共漏场效应管放大电路分析

    共漏场效应管放大电路又称为源极输出器，它和前面讲过的晶体管的射极输出器很类似，具有相同的特点。

    电路与分析（略）。

 

第三章 模拟集成电路

§3－1   恒流源电路

用途：供给放大级作为偏流源或作为有源负载。在振荡器中作为充、放电电流源。

一、镜像电流源电路

1、   电路介绍：

T1管、T2管具有完全相同的参数，并且发射结电压相同。

2、   工作原理：

I_C2的稳定过程：

3、   输出电流的计算

          （由于 >>2 , I_B忽略不计）

   （称为镜像电流）

二、比例电流源

1、   电路介绍：

2、   工作原理：

和镜像电流源相同。

3、   输出电流的计算

§3－2   差动放大电路

一、 零点漂移

   零点漂移：多级直流耦合放大器中输入端对地短路时，输出电压依然会出现缓慢变化的飘动电压。简称：零漂或温漂。

   为了克服零漂——采用差动放大器。

二、基本差动放大器

1、 电路介绍：

·  两个管子具有相同的参数，并且对称元件的数值相等。（电路具有对称性，在集成电路中，由于两个管子靠得非常近，所以可以作得非常相近。）

·    有两个输入端和两个输出端，输入信号加这两个管子的基极，输出信号取自两个管子的集电极之间。

2、 静态工作状态分析：

将交流信号短路掉。

用“半电路法”进行简化：将R_E分别画在电路两边，使分开后的电路还保持原电路的伏安关系。

 3、 动态特性分析：

差模信号：大小相等，极性相反的一对信号。

共模信号：大小相等，极性相同的一对信号。

差动放大器只对差模信号有放大作用，对共模信号没有放大作用。

三、双入双出差动放大电路

电路完全对称，差模信号放大倍数：

共模信号放大倍数：

共模抑制比：      

四、共模信号和差模信号的分离

差模信号：

共模信号：  

五、具有镜像电流源偏置和负载的差动放大电路

T3、T4：有源负载；

T5、T6：有源偏置；

T1、T2；差动放大器。

   利用镜像电流源作为有源负载，将双入双出变为双入单出，且增益和共模抑制比保持不变。 

§3－3   集成运算放大电路

一、集成运算放大器的特点（集成电路的特点）

Ø      不适合制造大电容，所以采用直接耦合电路；

Ø      管子、电阻等元件在同一条件下制造，所以器件参数的对称性好；

Ø      二极管全部用三极管的发射结来代替；

Ø      不容易制作较大电阻，常用恒流源来代替，或外接电阻。

二、集成运放的组成

   1、框图：

   2、符号：

习惯画法                                 国标画法

 －：反相输入端，表示输入信号与输出信号反相；

＋：同相输入端，表示输入信号与输出信号同相。

三、运放的简化分析方法

1、  运放的理想化条件（参数）