模拟电子技术教案

模拟电子技术教案内容摘要：

映了栅压对漏极电流的控制作用，这一点与电子管的控制作用十分相像。 gm可以在转移特性曲线上求取，单位是 mS(毫西门子 )。 （ 2）级间电容： FET 的三个电极间均存在极间电容。 通常 Cgs和 Cgd约为 1～ 3pF,而 Cds约为 ～ 1pF。 在高频电路中，应考虑极间电容的影响。 极限参数 （ 1）最大漏极电流 IDM：是 FET 正常工作时 漏极电流 的上限值。 （ 2）漏 源击穿电压 U(BR)DS： FET 进入恒流区后，使 iD骤然增大的 uDS值称为漏— 源击穿电压， uDS超过此值会使管子烧坏。 （ 3）最大耗散功率 PDM： 可由 PDM= VDS ID 决定，与双极型三极管的 PCM相当。 场效应管 FET 与晶体管 BJT 的比较 1） FET 是另一种半导体器件，在 FET 中只是多子参与导电，故称为单极型三极管；而普通三极管参与导电的既有多数载流子，也有少数载流子，故称为双极型三极管（ BJT）。 由于少数载流子的浓度易受温度影响，因此，在温度稳定性、低噪声等方面 FET 优于 BJT。 2） BJT 是电流控制器件，通过控制基极电流达到控制输出电流的目的。 因此，基极总有一定的电流， 故 BJT 的输入电阻较低； FET 是电压控制器件，其输出电流取决于栅源间的电压，栅极几乎不取用电流，因此， FET 的输入电阻很高，可以达到 109～１ 014Ω。 高输入电阻是 FET 的突出优点。 3） FET 的漏极和源极可以互换使用，耗尽型 MOS 管的栅极电压可正可负，因而 FET 放大电路的构成比 BJT 放大电路灵活。 4） FET 和 BJT 都可以用于放大或作可控开关。 但 FET 还可以作为压控电阻使用，可以在微电流、低电压条件下工作，且便于集成。 在大规模和超大规模集成电路中应用极为广泛。 本章小节 本章首先介绍了半导体的基础知识，然 后阐述了半导体二极管、晶体管（ BJT）和场效应管（ FET）的工作原理、特性曲线和主要参数。 现将各部分归纳如下： 杂质半导体与 PN 结 本征半导体中掺入不同的杂质就形成 N 型半导体和 P 型半导体，控制掺入杂质的多少就可以有效地改变其导电性能，从而实现导电性能的可控性。 半导体中有两种载流子：自由电子与空穴。 载流子有两种有序运动：因浓度差异而产生的运动称为扩散运动，因电位差而产生的运动称为漂移运动。 将两种杂质半导体制作在同一块硅片（或锗片）上，在它们的交界面处，上述两种运动达到动态平衡，从而形成 PN 结。 正确理解 PN 结单向导电性、反向击穿特性、温度特性和电容效应，有利于了解半导体二极管、晶体管和场效应管等电子器件的特性和参数。 半导体二极管 一个 PN 结经封装并引出电极后就构成二极管。 二极管加正向电压时，产生扩散电流，电流与电压成指数关系；加反向电压时，产生漂移电流，其数值很小，体现出单向导电性。 FI 、 RI 、 RU 和 Mf 是二极管的主要参数。 特殊二极管与普通二极管一样，具有单向导电性。 利用 PN 结击穿时的特性可制成稳压二极管，利用发光材料可制成发光二极管，利用 PN 结的光敏性可制成光电二极管。 晶体管 晶体管具有电流放大作用。 当发射结正向偏置而集电结反向偏置时，从发射区注入到基区的非平衡少子中仅有很少部分与基区的多子复合，形成基极电流，而大部分在集电结外电 场作用下形成漂移电流 CI ，体现出 BI （或 EI 、 BEU ）对 CI 的控制作用。 此时，可将 CI 看成为电流 BI 控制的电流源。 晶体管的输入特性和输出特性表明各极之间电流与电压的关系，β、α、 CBOI ( CEOI )、 CMI 、 CEOBRU )( 、 CMP 和 Tf 是它的主要参数。 晶体管有截止、放大、饱和三个工作区域，学习时应特别注意使管子工作在不同工作区的外部条件。 场效应管 场效应管分为结型和绝缘栅型两种类型，每种类型均分为两种不同的沟道： N 沟 道和 P沟道，而 MOS 管又分为增强型和耗尽型两种形式。 场效应管工作在恒流区时，利用栅一源之间外加电压所产生的电场来改变导电沟道的宽窄，从而控制多子漂移运动所产生的漏极电流 DI。 此时，可将 DI 看成电压 GSU 控制的电流源，转移特性曲线描述了这种控制关系。 输出特性曲线描述 GSU 、 DSU 和 DI 三者之间的关系。 mg 、 )(thGSU 或 )(offGSU 、 DSSI 、 DMI 、 DMP 和极间电容是它的主要参数。 和晶体管相类似，场效应管有夹断区（即截止区）、恒流区（即线性区）和可变电阻区三个工作区域。 尽管各种半导体器件的工作原理不尽相同，但在外特性上却有不少相同之处。 例如，晶体管的输入特 性与二极管的伏安特性相似；二极管的反向特性（特别是光电二极管在第三象限的反向特性）与晶体管的输出特性相似，而场效应管与晶体管的输出特性也相似。 第二章 基本放大电路 本章主要内容 本章重点讲述基本放大电路的组成原理和分析方法，分别由 BJT和 FET组成的三种组态基本放大电路的特点和应用场合。 多级放大电路的耦合方式和分析方法。 首先介绍基本放大电路的组成原则。 三极管的低频小信号模型。 固定偏置共射放大电路的图解法和等效电路法静态和动态分析，最 大不失真输出电压和波形失真分析。 分压式偏置共射放大电路的分析以及稳定静态工作点的方法。 共集和共基放大电路的分析，由 BJT构成的三种组态放大电路的特点和应用场合。 然后介绍由 FET 构成的共源、共漏和共栅放大电路的静态和动态分析、特点和应用场合。 最后介绍多级放大电路的两种耦合方式、直接耦合多级放大电路的静态偏置以及多级放大电路的静态和动态分析。 通过习题课掌握放大电路的静态偏置方法和性能指标的分析计算方法。 学时分配 本章有七讲，每讲两个学时。 第五讲 放大电路的主要性能指标及基本共射放大电路组成原理 本 讲重点 放大的本质； 放大电路工作原理及静态工作点的作用； 利用放大电路的组成原则判断放大电路能否正常工作； 本讲难点 放大电路静态工作点的设置方法； 利用放大电路的组成原则判断放大电路能否正常工作； 教学组织过程 本讲以教师讲授为主。 用多媒体演示放大电路的组成原理、信号传输过程和设置合适 Q点的必要性等，便于学生理解和掌握。 判断放大电路能否正常工作举例 可以启发讨论。 主要内容 放大的概念 在电子电路中，放大的对象是变化量，常用的测试信号是正弦波。 放大电路放大的本质是在输入信号的 作用下，通过有源元件（ BJT 或 FET）对直流电源的能量进行控制和转换，使负载从电源中获得输出信号的能量，比信号源向放大电路提供的能量大的多。 因此，电子电路放大的基本特征是功率放大，表现为输出电压大于输入电压，输出电流大于输入电流，或者二者兼而有之。 在放大电路中必须存在能够控制能量的元件，即有源元件，如 BJT 和 FET 等。 放大的前提是不失真，只有在不失真的情况下放大才有意义。 电路的主要性能指标 1） 输入电阻 iR ：从输入端看进去的等效电阻，反映放大电路从信号源索取电流的大小。 2） 输出电阻 oR ：从输出端看进去的等效输 出信号源的内阻，说明放大电路带负载的能力。 3） 放大倍数（或增益）：输出变化量幅值与输入变化量幅值之比。 或二者的正弦交流值之比，用以衡量电路的放大能力。 根据放大电路输入量和输出量为电压或电流的不同，有四种不同的放大倍数：电压放大倍数、电流放大倍数、互阻放大倍数和互导放大倍数。 电压放大倍数定义为： iouuuUUAA 电流放大倍数定义为： ioiiiIIAA 互阻放大倍数定义为： iouiIUA 互导放大倍数定义为： ioiuUIA 注意：放大倍数、输入电阻、输出电阻通常都是在正弦信号下的交流参数，只有在放大电路处于放大状态且输出不失真 的条件下才有意义。 4） 最大不失真输出电压：未产生截止失真和饱和失真时，最大输出信号的正弦有效值或峰值。 一般用有效值 UOM表示；也可以用峰 — 峰值 UOPP 表示。 5）上限频率、下限频率和通频带：由于放大电路中存在电感、电容及半导体器件结电容，在输入信号频率较低或较高时，放大倍数的幅值会下降并产生相移。 一般，放大电路只适合于放大某一特定频率范围内的信号。 如 P75 图 所示。 上限频率 fH（或称为上限截止频率）：在信号频率下降到一定程度时，放大倍数的数值等于中频段的 倍时的频率值即为上限频率。 下限 频率 fL（或称为下限截止频率）：在信号频率上升到一定程度时，放大倍数的数值等于中频段的 倍时的频率值即为上限频率。 通频带 fBW： fBW = fH fL 通频带越宽，表明放大电路对不同频率信号的适应能力越强。 6）最大输出功率 POM与效率  ： POM是 在输出信号基本不失真的情况下，负载能够从放大电路获得的最大功率，是负载从直流电源获得的信号功率。 此时，输出电压达到最大不失真输出电压。  为直流电源能量的利用率。 VOMPP 式中 vp 为电源消耗的功率 7）非线性失真系数 D：在某一正弦信号输入下， 输出波形因放大器件的非线性特性而产生失真，其谐波分量的总有效值与基波分 量之比。 即 %10012322 AAAD ，式中： 1A 为基波幅值， 2A 、 3A … 为各次谐波幅值； 两种常见的共射放大电路 组成及各部分作用 1）直接耦合共射放大电路：信号源与放大电路、放大电路与负载之间均直接相连。 适合于放大直流信号和变化缓慢的交流信号。 2）阻容耦合共射放大电路：信号源与放大电路、放大电路与负载之间均通过耦合电容相连。 不能放大直流信号和变化缓慢的交流信号；只能放大某一频段范围的信号。 如 P72 图 所示。 3）放大电路中元件及作用 （ 1）三极管 T —— 起放大作用。 （ 2）集电极负载电阻 RC —— 将变化的集电极电流转换为电压输出。 （ 3）偏置电路 VCC， Rb—— 使三极管工作在放大区， VCC还为输出提供能量。 （ 4）耦合电容 C1， C2—— 输入电容 C1保证信号加到发射结，不影响发射结偏置。 输出电容 C2保证信号输送到负载，不影响集电结偏置。 静态工作点设置的必要性 对放大电路的基本要求一是不失真，二是能放大。 只有保证在交流信号的整个周期内三极管均处于放大状态，输出信号才不会产生失真。 故需要设置合适的静态工作点。 Q 点不仅电路是否会产生失真，而且 影响放大电路几乎所有的动态参数。 基本共射放大电路的工作原理及波形分析 对于基本放大电路，只有设置合适的静态工作点，使交流信号驮载在直流分量之上，以保证晶体管在输入信号的整个周期内始终工作在放大状态，输出电压波形才不会产生非线性失真。 波形分析见 P74 图 所示。 基本共射放大电路的电压放大作用是利用晶体管的电流放大作用，并依靠将电流的变化转化为电压的变化来实现的。 放大电路的组成原则 1）为了使 BJT 工作于放大区、 FET 工作于恒流区 ,必须给放大电路设置合适的静态工作点，以保证放大电路不失真。 2）在输入回路加入 ui 应能引起 uBE 的变化 ,从而引起 iB和 iC的变化。 3）输出回路的接法应当使 iC尽可能多地流到负载 RL 中去 ,或者说应将集电极电流的变化转化为电压的变化送到输出端。 第六讲 放大电路的基本分析方法 本讲重点 基本放大电路静态工作点的估算； BJT 的 h 参数等效模型及放大电路输入电阻、输出电阻与电压放大倍数的计算； 本讲难点 放大电路的微变等效电路的画法 ； 放大电路输入电阻、输出电阻与电压放大倍数的计算； 教学组织过程 本讲以教师讲授为主。 用多媒体演示图解法求 Q 点、 OMU 及分析非线形失真；用直流通路估算 Q 点； BJT的 h 参数模型建立、 微变等效电路的画法及动态参数计算 等，便于学生理解和掌握。 主要内容 直流通路、交流通路及其画法 （ 1）直流通路： 在直流电源的作用下，直流电流流经的通路，用于求解静态工作点 Q的值。 （ 2）直流通路的画法：电容视为开路、电感视为短路；信号源视为短路，但应保留内阻。 （ 3）交流通路： 在输入信号作用下，交流信号流经的通路，用于研究和求解动态参数。 （ 4）交流通路的画法：耦合电容视为短路；无内阻直流电源视为短路； 放大电路的静态分析和动态分析 （ 1）静态分析：就是求解静态工作点 Q，在输入信号为零时， BJT 或 FET 各电极间的电流和电压就是 Q 点。 可用估算法或图解法求解。 （ 2）动态分析就是求解各动态参数和分析输出波形。 通常，利用三极管 h 参数等效模型画出放大电路在小信号作用下的微变等效电路，并进而计算 输入电阻、输出电阻与电压放大倍数。 或利。