模拟电路--供复习和嵌入式学习

模拟电路

1. 第一章

1.1 半导体

• 介于绝缘体和导体之间的物质（通过电导率来阐述）

本征半导体

• 是一种完全纯净的，结构完整的半导体晶体。也就是只有硅元素

1.2 半导体中的载流子

• 本征激发：半导体共价键的价电子并不会像绝缘体那样束缚的特别紧，受到温度影响，被束缚的价电子获得足够的随机热振动能量而脱离共价键的束缚称为自由电子。
  自由电子在晶体中的运动，这种现象称为本征激发。

载流子
空穴和自由电子均属于载流子

空穴：自由电子离开了它原来的位置，留下的位置就是空穴

空穴可以在电场力的作用下进行依次填补，形成相对运动，空穴和自由电子一样也是载流子，本征激发越多，导电能力越好。

复合：当自由电子晶体中运动的过程中，恰好遇到了空穴，重新形成了共价键的价电子，那么自由电子和空穴结合的过程就叫做复合。本征激发的速度和温度决定了载流子的浓度。

1.3 杂质半导体

参杂了其他物质的半导体：如N型半导体/和P型半导体

典型的施主原子有五价原子磷、砷和锑，当一个施主原子磷加入硅半导体时后，其多余的电子易受热激发而成为自由电子。自由电子参与传导电流，它移动后，在施主原子的位置上留下一个固定的、不能移动的正离子，但半导体仍是电中性的。

这里介绍一下多子和少子的定义

1. 多子：半导体中多的那种载流子为多子
2. 少子：半导体中少的那种载流子为少子

1.3.1 N型半导体

• 掺入磷，磷元素为+5价（-3价），外部有5个自由电子，因此与硅元素结合，还剩了一个自由电子，因此半导体内就含有大量的自由电子。掺入的磷元素越多，自由电子就越多，因此导电能力就越强。
• 多子：自由电子
• 少子：空穴
  
  由于多子是自由电荷，所以称为N型半导体（但是整体还是电中性）
• 温度影响：温度加剧运动出来的载流子为少数，但是因为自由电荷的基数比较大，所以对其影响比较小，而对空穴的影响比较大。

1.3.2 P型半导体

B的化学价正3价，与硅元素结合还剩一个空穴，因此加入的硼元素越多，空穴越多。

• 多子：空穴
• 少子：自由电荷
  

1.4 PN结的形成

将两种半导体（P和N）放在一块，就产生了PN结

红色圈表示：正离子

蓝色圈表示：负离子

绿色点：自由电子

红色点：空穴

扩散运动导致PN结形成：从图中可以看出：由于N区的自由电子多，P区的空穴多，因此原子都会从浓度高向浓度低的地方扩散。而N自由电子（多子）就会和P区的空穴结合，因此两个交界处会形成一个空间电荷区。可以成为耗尽层，阻挡层，也成为PN结。
（下图摘自郑益慧老师PPT）

而新形成的PN结就会产生一个电场，而这个电场刚好会阻止多子发生的扩散运动，而对于P区和N区的少子，PN结产生的电场会帮助他们运动，但是因为数目少，可以忽略不计

漂移运动：虽然多子的扩散运动会被空间电荷区阻挡，但是当N区的少子（空穴）扩散到阻挡层，会瞬间（电场力的作用下）被拉到P区，P区的少子(自由电子)也是同理。少子在空间电场力的作用下的运动称为漂移运动。

1.4.1对称结与不对称结

• 当P区、N区掺杂杂质浓度相同时，形成的P区N区耗尽层宽度相同，称为对称结。

• 当P区、N区掺杂杂质浓度不相同时，形成的P区N区耗尽层宽度不相同，称为非对称结。

浓度越高的一侧耗尽层宽度越窄，浓度越低的一侧耗尽层宽度越宽。

1.5 PN结单向导电性

1.5.1 PN结两端加正向电压

　　当电源的正极接到PN结的P端，且电源的负极接到PN结的N端时，称为PN结外加正向电压。外电场削弱了内电场的作用，导致势垒极大下降，扩散运动重新得以恢复，电流迅速增大．
　　
　　此时电流迅速扩大，因而应在它所在的回路中串联一个电阻，以限制回路中的电流，防止PN结因正向电流过大而损坏。

1.5.2 PN结两端加反向电压

　　当电源的正极接到PN结的N端，且电源的负极接到PN结的P端时，称为PN结外加反向电压。此时外电场使得耗尽层变宽，加强了内电场，阻止扩散运动的进行，而加剧了漂移运动的进行，形成反向电流，由于少子数量很少，因此反向电流很小，所以近似分析中常把它忽略不计，认为PN结外加反向电压处于截止状态,PN结截止。

1.6 PN结伏安特性曲线

下图为PN结伏安特性曲线：

• PN结电流公式：
  PN结所加在两端电压u与流过它的电流i的关系如上图，Is为反向饱和电流，Ut为温度当量，常温下为26mV。
  

1.6.1 正向特性

存在死区，死区的大小由基材决定。（死区存在的原因是外电场太小，不足够以抵消PN结的内电场）

1.6.2 反向特性

• 反向电流Is，Ge做基材时，反向电流大于Si做基材时的反向电流。

• 反向击穿，当反向电压到达一定幅值，即反向击穿PN结，使得电流急剧上升。

1.6.3 反向击穿

1.6.3.1雪崩击穿（掺杂浓度低的情况下）：

当PN结中掺杂离子浓度低的时候，（PN结的长度足够宽），此时又将外加电场不断加强，只要有自由电子进入到这个PN结中的电场中，就相当于一个粒子加速器，自由电子达到一定的速度之后，猛烈的撞击到一个共价键上，价电子成为一个自由电子，一个变成了两个，2个变4个，依次往后继续猛烈的撞击，瞬间就可以把PN结击毁。

1.6.3.2 齐纳击穿（掺杂浓度高的情况下）

（PN结比较窄），加一点点电压，场强就变得特别大，收到电场力得作用，共价键自己直接被拽出来，变成大量自由电子，瞬间PN结被击毁。

1.6.3.3 二次击穿（不可逆）

由于在雪崩击穿和齐纳击穿得过程中会产生大量的热，使得温度升高，在温度达到一定程度，PN结就会被烧毁，因为所有得共价键都被破坏，那么更多得热能被释放，形成正反馈，最终PN结不可逆。

如果温度没有达到，是不会被击穿，PN结还会回到正常状态。因此只要控制好温度，就可以使二极管处于反向击穿状态。

1.6.3.4 反向击穿——稳压管特性

从PN结的伏安特性曲线中可以看到，当电压反向增大到一定程度之后，电流有一个瞬间的持续增大的变化，则可以利用这一点，电流不断增大的时候电压变化极小，可以忽略，那么就可以形成稳压管的原理，又因为掺杂浓度低的时候是雪崩击穿，需要电压很高，掺杂浓度高的时候，需要电压低，那么可以通过不同的掺杂和制工艺制造出不同规格的反向击穿特性的稳压二极管

1.6.3.5 温度对雪崩、齐纳击穿的影响

• 温度越高，雪崩击穿需要的外加电压越大：因为温度升高之后，PN结中的晶格结构会产生晃动，导致粒子加速不稳定，那么需要利用更高的外加电压，使得粒子加速更稳定。

• 温度越高，齐纳击穿需要的外加电压越小：因为温度升高之后，共价键中的价电子自己迸射出来的机会更大，那么需要的电场就越小，那么需要外加电压就越小。

1.7 PN结的电容效应

1.7.1 电容

电容反应电荷量与电压的关系，电容器所带电量Q与电容器两极间的电压U的比值，叫电容器的电容。

1.7.2 势垒电容

• 势垒电容不是线性电容 q/u=常数 ——加反向电压
• 可以做成可变电容。 因为电荷量Q一直在变。

根据上面对电容的描述，如果一个器件，电压变化，里面储存的电荷量变化，就表现出一种电容特性。

PN结两端给反向电压，反向电压大的时候，PN结会变宽（使得耗尽层的束缚作用更强），反向电压小的时候，PN结会减小。因此，随着电压的增大或减小，PN结会变宽或变窄，也就是电荷量也随之减小或增加。这个变化发生在势垒里，因此叫势垒电容。

• 总结：反向电压越大，电容越大（y轴右边），处于正向电压，有一点势垒电容，完全导通时，势垒电容越来越小。
  

1.7.3 扩散电容

• 需要对其加正向电压
• PN结处于平衡状态时的少子称为平衡少子。PN结处于正向电压时，从P区扩散到N区的空穴与从N区扩散到P区的自由电子均称为非平衡少子。

当PN结外加恒定正向电压时，靠近耗尽层交界面的地方非平衡少子浓度高，而远离交界面的地方浓度低，且浓度自高到低逐渐衰减直到零。

如图所示，当PN结外加不同正向电压时，2为在1的基础上增大电压，P区少子 浓度增大，3为在1的基础上减小电压，P区少子浓度减小。因此在电压升高时，电荷量增大，电压降低时，电荷量减少。

其实就是对其加正向电压后，原来阻断的载流子继续进行扩散而形成的电容

1.8 半导体二极管

将PN结用外壳封装起来，并加上电极引线就构成了二极管。PN结外壳相当于体电阻。

1.8.1 二极管的伏安特性

• 几乎和PN结的伏安特性一模一样（但是还是有一点区别）
  

1. 由于二极管存在体电阻，外加正向电压时，二极管的正向电流小于PN结的正向电流。

2. 封装外壳存在泄露电流，因此外加反向电压时，二极管的反向饱和电流比PN结的大。

3. 温度升高，二极管正向特征曲线左移，反向特征曲线下移。室温附近，温度每上升1℃
   正向压降减少2~2.5mv，温度每上升10℃，反向电流Is增加一倍。（可以利用其与温度的关系来制成简单的温度传感器）

1.8.2 二极管的主要参数

• if (最大整流电流)
  If是二极管长期运行时允许通过的最大正向平均电流。

• UR (最高反向工作电压)
  UR是二极管工作时允许外加的最大反向电压，通常UR为击穿电压的一半

当反向电压大到一定程度，PN结直接就被击穿了，对应的二极管也就被击穿了

单向导通性：根据上面的图右边就可以看出来，只有给二极管的电压达到导通电压，才会产生电流（且此时的电压几乎保持不变）

反向击穿：上图左边，一目了然。

• IR （反向电流）
  IR是二极管未击穿时的反向电流，IR越小，二极管的单向导电性越好

• fM （最高工作频率）
  二极管的结电容，虽然很小，当频率很小时，容抗很大，电容相当于断路，反向截止依然存在（PN结没有被破坏，也就是没有达到反向击穿电压）；

二极管的结电容分为: 势垒电容和扩散电容。

Xc：频率 wC：容抗 根据下面公式：

当频率最大时，容抗很小，就近似于导通，相当于二极管在等效的结电容上通过电流，不通过PN结，这时候二极管的单向导电性将被破坏。（这就是为什么有最高工作频率的原因）

1.8.3 二极管的等效电路

• （a）导通时正向压降为0，截止时反向电流为0。非常理想，并没有考虑PN结里面的死区
• （b）实际中使用更多，表明二极管导通时正向压降为一个常量Uon.(最常使用)
• （c）在图 b 的基础上加上了一个电阻，使其更加近视的满足与电阻的线性关系，但是计算也较于麻烦

1.8.4 限幅电路

1.8.4.1 上限幅电路

现在我们根据二极管的基本特性来完成限幅电路的构建，如下：

左边是一个交流电源(正弦波)，我们需要做出在右边我们所得到的电流波形，如下：

对于原来的正弦波信号，经过限幅电路后得到的波形是图中的红色线条所示的波信号，下面来对电路进行分析

我们知道二极管有个Uon的反向电压，电路中还接入了一个U1的反向电压，如果交流电源的电压小于正向的 Uon + U1 证明二极管没有导通，可直接视为断路，那么在交流电源电压小于Uon + U1 的情况下，右边所接收到的信号和交流电源的波信号一模一样

那如果当交流的电压大于 Uon + U1 时，二极管导通，那么输出电压就等于 Uon + U1，所以在图上的感觉就是把波形的上面一部分消掉的感觉

1.8.4.2 下限幅电路

如下图所示：

同样，Ui是交流电源，输入正弦波，而U0是我们经过下限幅电路得到的电信号，如下图所示:

我们来进行分析：
这里是我在网上找的图，这里把二极管是当作理想情况下考虑的，但我们分析把其死区的电压Uon也考虑进去

当交流电压大于 Uon + E 时，二极管导通，当作导线进行处理，此时U0接收到的电压和交流电源发送的电压一致

当交流电压小于 Uon + E 时，此时二极管截止，所以U0端接收到的电压直接和我们接入电路中的电源E的电压一致

至此，我们把小于 Uon + E 的电压信号全部转换到 E 的大小来，所以称之为下限幅电路

1.8.5 整流电路

• 核心思想：运用二极管正向导通，反向截止特性实现整流

整流电路很简单，如下图所示：

当Us>0 二极管导通

当Us<0 二极管截止

这个过程就是整流
最后输出的电压如下图所示：

这就实现了整流

1.8.6 通过加直流来体现微小交流

如下图所示：交流电源电压的变化范围最大只能达到10mv，而我们二极管的导通电压为0.6V，所以这里体现为截止，我们观察不到电源的现象

所以为了使得小交流信号显现出来，就用一个直流电压给它推上去（其实就是大直流打通二极管）。如下图：

随之电压的变化，电流也会跟随变化，这个交流电压相当于被推到了右边。

1.8.7 二极管微变等效电路（正向特性）

在上面我们通过直流推动来完成测量交流，那么不可避免的一个问题是在交流与直流电压源叠加状态下二极管两端电流如何分析？

这里讲分析方法了，自行查阅推导过程
首先要看二极管工作在怎么样的直流环境下（也就是直流的大小）；直流决定后面交流的响应，如下图，我们选取ID所在的点，然后计算电阻

计算电阻的公式近视为：

如下图二极管用rd替代，直流电压源去掉只保留交流电压源。
通过二极管的总电流 = ID + id;

最后得到电流：

这里相当于是把坐标轴上移了，这样才能看作是一个线性电阻。（也就是存在线性关系的电阻图）

而一旦认为是上移，那么直流电压源就不存在了，因为把二极管和直流电压源看作了一个整体。

也就是上面公式推导出来的动态电阻由直流电流大小和UT（26mv）决定。

而此时的通过二极管的交流电流（id）也可以根据之前的公式推到出来。

而整个电路的交流电流iD（这个值表示，交流和直流都有）也可以推导出来。即等于id（交流电压源提供的交流电流大小）+ID（直流电压源提供的直流电流大小）。具体推导看图中红框和绿框。

总结：这里可以等效出来线性电阻，前提是直流的存在。如果没有直流，只加交流，二极管根本不会导通，也不会存在上面的推论。

1.8.8 稳压二极管（反向特性）

稳压管在反向击穿时，在一定的电流范围，端电压几乎不变，表现出稳压特性。
符号：

双向稳压二极管：

下图为其反向特性：电流变化很大，但是电压却变化很小

1.8.8.1 稳压二极管主要参数

1. 稳定电压Uz；Uz是在规定电流下稳压管的反向击穿电压

2. 稳定电流Iz；Iz是稳压管工作正稳压状态时的参考电流，电流低于此值时稳压效果变坏
   

3. 稳定功耗Pzm；Pzm等于稳压管的稳定电压Uz与最大稳定电流Izm的乘积，稳压管的功耗超过此值时，会因结温升高而损坏

4. 温度系数α；α表示温度每变化1℃稳压值的变化量，即α = ΔUz / ΔT。稳定电压小于4V的稳压管具有负温度系数（属于齐纳击穿），即温度升高稳压值下降；稳定电压大于7V的稳压管具有正温度系数（属于雪崩击穿），即温度升高时稳定电压值上升

这里解释一下第四点：当电压小于4V时是齐纳击穿，我们知道齐纳击穿是温度越高，所需电压越小（因为电子越容易迸发出来），所以是负温度系数，当电压大于4V时是雪崩击穿，我们知道，雪崩击穿是温度越高所需电压越大，(因为温度升高，电子越不稳定，所需更大电压来加速)，所以是正温度系数

1.8.8.2 小结（注意事项和不同情况下的等效）

1. 稳压二极管同样需要限流电阻，防止电流突变损坏电路。根据稳压管伏安特性曲线得到稳压过程中电压的微小变化相应的电流变化会在Iz~Izm之间，该电流一定要在限流电阻作用下防止电路损坏。（当电源电压上升的时候，必然会引起稳压二极管两端电压的上升，根据伏安特性曲线，电压上升一点点，流过稳压二极管的电流会大大上升，必然造成流过电阻R的电流增大，使得电阻R的电压降增大，会抵消电源电压的上升，使得稳压二极管两端仅用一点点电压上升的代价，就可以达到稳定。）

2. ①理想二极管模型–正向导通时，压降为0：反向截止时，电流为0，该模型通常用于防止电源反接和开关电路中；
   ②恒压降模型–当二极管工作电流较大时，其两端电压为常数（通常硅管取0.7V,锗管取0.2，该模型通常利用二极管做简单的稳压源或者限幅电路使用；）
   ③交流小信号模型–若电路中除有直流电源外，还有交流小信号，则对电路进行交流分析时，二极管可等效为交流电阻rd=26mV/IDQ(IDQ为静态电流)该模型常用于检波电路

1.9 晶体三极管

**定义：**晶体三极管中有两种带有不同极性电荷的载流子参与导电，故称为双极型晶体管（BJT）

1.9.1 术语以及符合

其实本质上就是在一块半导体材料上，做出三个不同的掺杂区域。

• 发射极 （emitter）—— 发射载流子的区域，掺杂浓度是最高的（简称e）

• 基极 （basic）—— 收集载流子，掺杂浓度不能过高，面积最大（简称b）

• 集电极 （collector）—— 控制，掺杂浓度比较低，非常薄（简称c）

• 发射结：发射极和基极之间形成的PN结

• 集电结：集电极和基极之间形成的PN结
  

现在分别解释上图的abc三块

• （a）图所示为NPN型晶体管，位于中间的是P区，它很薄且杂质浓度很低；位于上层的是N区发射区，由于要发射电子，所以掺杂浓度最高；位于下层的是N区集电区，面积很大
• （b）图所示为NPN型晶体管结构示意图
• （c）图所示分别为NPN型与PNP型管的符号
  

电流流向：

NPN三极管：电流方向为基极流向发射极（驱动电流从基极流入），集电极流向发射极。

PNP三极管：电流方向为发射极流向基极（驱动电流从基极流出），发射极流向集电极。

PNP的电流方向是从下往上流的，但是在实际电路图中，大多还是发射极连接高电平的，这点要特别注意，和上面的图片做对比会更好，总之电流是E到C。和NPN管子相反

1.9.2 三极管的放大特性

Ic/Ib 近似于一个常数，Ic跟着Ib变，是Ib的放大。能量的转换不是凭空产生，如果电流被放大，那么一定是有外部电源的支持。

三极管实际是一个控制元件，控制电源的功率，得到Ic，相当于控制了电源的能量。因此有了电流放大作用。
注意：放大的最重要的就是不能失真。要保证放大前后一致。
接下来就要说实现的方法了，肯定需要电路，那么基本共射放大电路就出来了。

1.9.3 基本共射放大电路

符号定义如下图：

• 图中Δu1为输入电压信号，接入基极——发射极回路，称为输入回路；放大后的信号在集电极——发射极回路，称为输出回路，由于发射极是两个回路的公共端，因此称为共射放大电路。（同理还有共基放大电路）
• 对于基本共射放大电路，使晶体管工作在放大状态的外部条件是发射结正偏且集电极反偏
• 添加Rb电阻的作用是，当PN结正向导通以后，按照二极管伏安特性曲线，电流会激增，所以加入该电阻使得最大电流得到限制

**现象：**小的基极电流Ib控制大的集电极电流Ic,放大系数为β。能量不会凭空放大，因此Ic能量来自Vcc。及IC/Ib的值为β

小结：

静态工作点：

1.9.3.1 晶体管内部载流子的运动

首先：这部分实在理解不了，懂个大概就行了

1.9.3.1.1 正向偏置：

发射区的自由电子向基区扩散，基区中的多子（扩散）向发射区扩散。

（发射区的掺杂浓度远远大于基区），产生的电流。

• 基区的掺杂浓度很低，空穴数目很少；发射区掺杂浓度很高，自由电子数目很多；所以这两个电流
  
• 扩散运动正常，发射区是载流子的聚居区，高掺杂浓度，大量自由电子向基区扩散；发射区的自由电子向基区扩散，基区中的多子（空穴）向发射区扩散。
  
  图中的第二个公式，IB是提供的电流给发射极提供了正向电压，因此使得发射极和基区之间的扩散运动加剧。从而影响了IBN和IEP以及IEN，但是IEN的自由电子跑到了集电区，而集电极和基区加的是反向偏置，因此使得他们之间的电场力更大了，因此会将基区本来就不多的空穴拉到基区，因此IB的电流就是公式二。
  因此也很容易理解IC和IEN怎么来的
  总结：

自由电子到基区了，基区本来自由电子是少子，但是扩散的非平衡少子比它原来的多子还要多。

自由电子聚集浓度特别高，继续向前扩散。经过基区，往集电极扩散；扩散的过程中，在基区必然发生复合（原因看图中红字）；由于两点：基区薄且掺杂浓度低，目的就是让绝大多数的自由电子能扩散到集电极；基区的掺杂浓度和宽度决定了复合的百分比；但是，基区的整个掺杂浓度是不变的；由于复合百分比的固定，所以Ib和Ic就渐渐成比例了

如果还不明白，为什么成比例：那我重新说一遍，因为基区的空穴基本上都是IB提供的，所以当基区自己的空穴没了以后（通过扩散或者复合），此时基区空穴产生的速度由IB决定，那么IB就和IC成比例了。

在基区干的事： 扩散 、复合（比例近似固定，扩散的速度不变） 、 产生
，在扩散的速度是不变的条件下，复合的比例是固定的，要让自由电子快速经过基区到达集电区以后，快速被移走，否则会聚集；

现象：小的基极电流Ib控制大的集电极电流Ic,放大系数为β。能量不会凭空放大，因此Ic能量来自Vcc。

1.9.3.1.2 反向偏置

外电场和内电场的力的方向相同。因此自由电子会被快速收集。

作用：自由电子被电场快速收集；保证浓度梯度的正常；一旦反偏没有（电场力变小，收集速度变小），IB和IC的比例就不能保证；本来因为反向偏置，基区的非平衡少子跑到集电区，会立刻因为电场力被吸走。如果没有了，那就不能被吸走，IC的电流也不会变大。而IB的电流还是可以变大。集电区收集自由电子，反偏，会有漂移运动

因此最终

1.9.3.2 放大系数

1.9.3.2.1 共射的电流放大系数

在绝大多数情况下，这两者是近似的；从意义上来说，是不一样的；

当IB=0，仍然存在一个电流穿透电流

1.9.3.2.2 共基的电流放大系数

1.9.4 晶体管共射特性曲线

区别于二极管特性曲线，晶体管共射特性曲线需要包含输入和输出两部分。

• 输入回路；从基极到发射极
• 输出回路；从集电极到发射极
• 下面是简要的特性介绍，如果想具体深入的了解，可以参考白糖兄大佬的文章

1.9.4.1 输入特性曲线

说明 ：输入特性曲线指的是发射结正偏，和二极管加正向电压一样，但前提是Uce是常数（控制变量法）。当Uce增大时，相当于集电极抽水泵加大，吸引电子能力增大，则想要获得同样的电流Ib就需要更大的Ube电压。

1.9.4.2 输出特性曲线

当集电结正偏了，它收集电子能力就没有了，集电结这里就是自由扩散；

因此，根据上面的分析对于输出特性曲线有几个区，如下：

1. 放大区：发射结正片，集电结反偏
   

2. 截止区：双结反偏；CE断路 （让基极的电位小于发射结，就可与控制在截止区）（发射结反偏，就相当于源泉没了）

3. 饱和区：

1.9.4.3 负载线和功耗线

1.9 场效应管

优势：相比于晶体三极管来讲，无需输入电流来启动晶体三极管，减少了损耗，同时噪声低、热稳定性好，抗辐射能力强能有点。场效应管和三极管（有双极，受温度影响大）不一样。它只有多子的存在，因此受温度影响小

分类：结型和绝缘栅型两种结构

基本原理：依靠电场效应来控制

1.9.1 结型场效应管

(这里采用的是N型的例子，对于P只需要采用相反的思维，在1.9.4.3有电路图和特性曲线)
中间是一个N型区参杂了两个高浓度的P，栅极控制了两个P。

可以知道，天生带有沟道，可以直接在ds之间导通
**加压：**我们实际只使用在Ugs间加反偏电压

1.9.1.1 单独Ugs的影响

控制：给Ugs加反偏电压，越反偏，耗尽层就会越宽（扩散运动减小，束缚能力变强），沟道会变窄，最终会夹断（真夹断，就不导电了）。如下图，随着Ugs反偏电压的增大，从a -> b -> c

1.9.1.2 在Ugs一定下，Uds的影响

上面的图就可以看出来，随着Uds加的电压越来越大，耗尽层越来越宽，直到沟道彻底被夹断。（下面具体逐步解释）

1. Uds = 0
   

2. Uds增大
   

3. Uds增大到等于Ugs-Ugs（off）
   

4. Ugs > Uds(off)
   

因此他在预夹断之前是一个可变电阻区，只要Ugs不变，可变电阻不变，Uds和Id成正比。

出现预夹断的时候，Id就不变了，进入恒流状态。此时，Id只和Ugs有关。几乎和耗尽型一样。
但是一个限定，如下图：

绝缘栅型是没有这样的要求的。

为什么不能大于0，因为大于0，PN结就导通了。
导通以后，它的特性全就失去作用了。

1.9.1.3 特性曲线

1.9.1.3.1 输出特性曲线

和前面研究的在Ugs不变，Uds逐渐增加的情况一样（第2种情况），图中虚线连接的点是预夹断的点，在该点之前，属于可变电阻区（通过Ugs改变电阻，而Uds和电流成正比）

对应前面第三种情况，此时增加Uds，电压增加的同时，电阻也会增加，最后导致电流不变

当达到整个结型场效应管全为电阻时，就完全截止了，而此时如果继续增加Uds，就会进行击穿
其余参数：

1.9.3.1.2 转移特性曲线

作图：基于上面的输出特性曲线


对于恒流区，一个转移特性曲线就行，而对于可变电阻区，每种取法都不一样

1.9.2 绝缘栅型场效应管

比晶体三极管晚了10年(金属氧化物场效应半导体)

在它的基础上，又造出了CMOS电路（相机图像处理大多用的都是CMOS，耗能更小）
这里对于增强型和耗尽型都采用的是N沟道的例子，对于P沟道只需要采用相反的思维即可，后面有P型的电路图和特性1.9.4.4和1.9.4.5

1.9.2.1 N沟道增强型MOS管

• 绝缘层，二氧化硅特别薄，

• g：栅极，控制器。栅极完全绝缘，和谁都不沾边。因此省电

• s：源极，载流子的发源地

• d：漏极，载流子的漏出地，包含P衬底、N＋表示高掺杂

工作原理：如果需要MOS拥有和三极管一样的能力，比如放大能力，就需要让栅极控制某一个输出量（电压或者电流）。

设计成，源极和衬底连在一起。

一旦衬底是单独的，那么d和s是可以互换的。

设计成，源极和衬极连在一起。
上图中红色部分是PN结

• Ugs加电压，Uds = 0，电场力（方向向下）的作用下，空穴向下，而电子向上，在栅极附近的空穴被排斥，便形成耗尽层，耗尽层是具有高电阻的（主要功能是防止漏电），而同时电子向栅极聚集，形成了薄薄的一层电子聚集区，我们称为N沟道（反型层），Ugs越大，吸引电子越多，反型层越厚，Ugs越小，则反型层越薄。反型层主要用来导通s与d之间的电流
• 沟道越宽，d和s之间的电阻越小，反之，d和s之间的电阻越大。在这种情况下，我的场效应管就和一个可变电阻器一样。
• 开启电压Ugs(th)：表示导电沟道刚刚形成时的最小电压。

而讨论Uds之间的电压，我们要保持Ugs不变，来进行讨论

1. 在前期，Ugs相当于决定了电阻的大小，相当于一个固定的电阻，而这个时候我们加在ds之间的Uds越大，产生的电流Id也成比例的增大（处于上图a），我们且知道Ugd = Ugs - Uds

2. 但是随着Uds的不断增大，会发生上图a->b->c的变化，发生这种变化的主要原因如下，记住公式计算电压Ugd = Ugs - Uds，有电压差，所以会引起移动
   

3. 预夹断
   此时如果再增大Uds，这个红圈中的缝隙会越来越长;电阻越来越大，这时候会发现Id是不变的,增大的Uds按理来说应该是让Id电流增加，但是Uds的增大影响导致电阻增加，而增加的这部分电阻乘电流占据了增加的电压，从而导致电流不变，自己达到了平衡，所以出现了恒流区

4. 

简而言之，Ugs控制电阻，根据Uds = Id x R，在前期Uds增大，R不变，Id增大，但到后面时，增加的Uds导致沟道倾斜，达到预夹断状态，从而电阻增大，所以后期Uds的增大导致的是R增大，而Id不变

5. 一旦进入恒流区域，这里的电流Id，只和UGS有关，通过控制电阻阻值的大小控制电流大大小。
   如上图曲线，达到饱和状态时的电流，Ugs2 > Ugs1 > Ugs3

UGS越大，沟道越宽，电阻阻值越小，电流越大。
因此UGS和iD成比例。

小结：

符号
说明：

1. 箭头方向是PN结方向，可以用来判断是P型和N型
2. 通过是断线还是没断来判断是否天生带有沟道
3. 因为需要当 Ugs > Ugs(th)时，这个时候mos管才导通（有沟道），所以这种称为增强型
   

1.9.2.2 N沟道耗尽型MOS管

两种耗尽型MOS管

其实和增强型的区别就在于有没有天生的沟道，其余分析基本类似


小结：

1.9.3 结型场效应管和绝缘栅型场效应管小结

总结：结型场效应管绝对不能工作在Ugs>0的情况下。
结型场效应管的输入电阻（Rds）没有绝缘栅型高。（N沟道）

P沟道就是相反的，Ugs不能小于0，目的都是为了不让PN结导通。

好处：不容易坏。

绝缘栅的容易损坏，因为那层二氧化硅特别薄，所以特别小的感应电流都可以击穿它。有一点点电荷都可以形成较高电压，形成电场，将其击穿。
因此两者不存在谁替代谁。

1.9.4 场效应管的特性和参数

场效应管无法完全模拟晶体三极管，因为晶体三极管是由输入特性的。而场效应管没有。

1.9.4.1 N沟道增强型MOS管特性曲线

和前面一样，需要先导通，才有Ib

1.9.4.1.1 耗尽型的场效应管转移特性曲线

作图方法和前面结型场效应管一样

图像方程如下：

1.9.4.1.2 输出特性曲线

恒流区：用于放大；

同样的，当没有进行夹断的时候，Ugs决定电阻大小，Uds和id成正比

在这个区域，Uds增大的同时，导致电阻也增大，所以电流是不变的

其它参数：

1.9.4.2 N沟道结型场效应管

1.9.4.2.1 N沟道结型管的输出特性

可以看到图中的Ugs均为负，符合前面的要求，防止该MOS管导通失效

1.9.4.2.2 N沟道结型管的转移特性曲线

在前面有过讲解

1.9.4.3 P沟道结型场效应管

其实对比N型，只是相反
电路图:

转移特性曲线：

输出特性曲线：

1.9.4.4 P沟道增强型MOS管

电路图：

转移特性曲线：

输出特性曲线：

1.9.4.5 P沟道耗尽型MOS管

电路图：

转移特性曲线：

输出特性曲线：

1.9.5 场效应管的符号以及特性

• 结型和耗尽都是天生有沟道，需要反着加电压，让它夹断
• 绝缘栅型：

1. 耗尽型：跨越正负（跨越两个象限）；
2. 增强型：有一个开启电压，天生是断的，只有大于某一个值之后才能形成沟道。

• 结型和耗尽型：天生有沟道，反着加电压，使它夹断。

1.9.6 相关参数

1.9.6.1 直流参数

1.9.6.2 交流参数

1.9.6.2.1 跨导

1.9.6.2.2 极间电容

高频情况下，极间电容相当于导通。
前面介绍过（电容），频率越大，电容越小，所以不能在高频下进行工作

1.9.6.3 极限参数 ——使用场效应管需要考虑的

这里列出一部分，其余自行了解

1.9.7 晶体管和场效应管对比

因为晶体管是成比例的

2. 基本放大电路的构成

2.1 放大电路的构成

2.1.1 放大的概念

• 放大电压，放大电流，从而放大的是功率（功率的放大，不是单纯的电压放大或者电流放大）
• 本质：能量的控制和转换
• 必要条件：有源元件（能量是由外部的电源提供的）
• 前提：不失真（保真）
• 测试信号：正弦波（为什么用正弦波？因为这些信号最终可以分解为多个频率的正弦波的叠加，小功率信号→大功率信号，实际上：通过核心器件，用小功率信号控制大电源，来实现能量的转换和控制。）

2.1.2 怎样构建基本放大电路

• 目标：小功率信号→大功率信号
• 条件：要有元件和电源
• 电路要求：
  1.需要三极管处于放大状态
  
  3.要拥有合理的输出

具体实现路线

我们将从三极管开始，一步一步构建优化放大电路，
我们的目的是把一个小的信号放大

1. 先是输入部分，我们需要一个小信号来输入，如下：
   
   但是问题很明显，小信号不能直接导通三极管，所以我们需要添加一个直流电源来打通三极管，但是如果直接增加直流电源，会把三极管烧坏，所以还需要添加一个限流电阻，如下：
   

2. 然后因为三极管放大的本质是对电源的调控，所以我们还需要Vcc，如下是我们目前构建的电路：
   

3. 现在我们把小的信号输入进去了，那么接下来的问题是怎么拿到我们放大之后的信号，请考略下图：
   
   直接添加RL来接收放大的信号显然是不可行的，因为我们分析其电位发现其两端的电压其实是Ec，所以还需要改进，我们的思路是，Ic的电流已经进行了放大，所以我们其实只需要一个电阻就可以把电流转换为电压来得到信号，如下：
   
   

4. 学习《模拟电子技术》关键是你怎样去构建电路，得到的成品如下：
   
   这是我们前面提到的基本共射放大电路，信号的分析前面讲解过
   当然后面是对该电路对于不同需求的优化

5. 把两个电源变为只有一个电源：
   我们使用两个电源的原因是为了使三极管处于放大状态，而三极管放大需要发射结正偏，集电结反偏，所以我们更改后的电路只要也满足这个要求就好
   
   对比原来的电路：

• 图1的变化：把输入电路的电源Eb换成了和右边一样的电源Ec
• 图2的变化：在图1基础上，既然两个电源大小一样，所以合并成为一个电源
• 图3就是经过合并之后的电路，但是我们还要保证我们最初的目的：使三极管处于放大状态，在图三中，从Rb出来的电流，我们本来希望其流入三极管，使发射结正偏，但是实际上，左边Ui的电流很小（小信号），从Rb出来会直接向左边的Ui流，不符合我们的预期，所以做了如下改动：
  
  我们在Ui方向的分支添加一个电阻，即可完成要求

2.1.2.1 直接耦合放大电路

首先说明一下什么是耦合：
耦合：指的是把信号或能量从一个电路部分传递到另一个电路部分的现象或方式
经过前面的变形，我们得到的电路如下：

这个电路为什么叫直接耦合？
因为输入和输出信号都是直接在电路上体现的
在上图中提出了一个新问题：这个时候我们得到的放大信号是直流和交流的叠加，能不能直接得到交流信号的放大信号？
那我们不得不提起一个东西：电容
对于小频率或者无频率的电流信号来说，电容相当于很大的电阻，近似于断路，而对于频率大的电流信号相当于导通，所以我们可以用电容来隔绝直流信号，而导入交流信号，如下，我们先对输入回路优化
如上图：我们这样避免了直流的干扰，然后我们解决想要得到交流放大信号的这个问题，如下：

2.1.2.2 阻容耦合放大电路

如上面推到，我们为了得到直接说放大的交流信号，我们使用电容对电阻进行替换，最后得到了阻容耦合放大电路

2.1.2.3 小结（怎么样去放大）

我们得到的信号是与Uce相关，而Uce与Ic对应，而Ic又是对Ib的放大，所以我们就只需要处理Ib，根据特性曲线，Ib与Ube相关对应，所以我们的小信号Ui只需要影响Ube就行
注意：我们放大的本质是重新分配电源，放大器这些器件只是起能量转换的作用

2.1.3 放大电路的性能指标

使用到的主要参数和其意义：

2.1.3.1 输入等效电阻Ri

如上图所示，我们从基本放大电路输入端口看，把其余部分等效为一个电阻，我们称之为输入电阻Ri

我们左边的那个电路的输入信号是Us，最后得到的放大信号是Ui(相当于Ui测量的是我们放大的那部分)，分析电路，我们知道Ui = Us * （Ri / ( Rs + Ri)），那么我们如果希望放大出的信号Ui越大，既放大效果越好，在输入电压Us 不变的前提下，Ri越大，放大效果越好（电压源情况下）

从另一方面分析。输入信号的功率不能过大，频率过大会导致失真，所以我们就要减小输入的功率，在输入电压不变的前提下，我们需要电流越小，则Ri需要越大越好


下面从电压源和电流源总结：

2.1.3.2 输出等效电阻R0和等效电源U0

如上图所示，我们从放大电路的输出端口看，可以把其余部分等效为有一个电源Uo0，和 一个等效电阻 R0 串联

根据不同的需求，我们来调节R0的大小，来实现得到电流源或者是电压源

2.1.3.2.1 例子

2.1.3.3 放大系数

Auu表示输出电压比上输入电压，同理Axy表示输出的x比上输入的y

2.1.3.4 通频带

用于衡量电路对不同信号的放大频率

对于我们上文提到的电路，我们观察其通频带，发现在低频段和高频段的传输效果没有那么好，下面简单解释
低频段：因为我们上面使用的阻容耦合电路，其中为了让得到的电信号过滤掉外接的直流信号，我们使用了电容，而当交流信号的频率比较低是，电容的容抗就会比较高，这就会信号效果变差

高频段：我们在前面学过三极管，三极管有一个特征频率，当频率不断升高的时候，电流放大倍数会不断减小。因为有结电容的存在，随着频率的不断升高，结电容上的容抗不断减小，电流可以旁路，所以电流放大倍数会减小，所以输出的信号也会越来越小。

小结：
影响共射放大电路高频响应的因素是结电容

影响共射放大电路低频响应的因素是耦合电容和旁路电容

2.1.3.5 非线性失真（先不讲）

2.1.3.6 最大不失真输出电压

顾名思义，就是不失真的前提下，最大的输出电压，一般都有失真，所以实际是和自定义的比例对比

2.1.3.7 最大输出功率与效率

同上，最大输出功率就是在不失真的前提下最大的输出功率
效率是指我们最后得到的与原来的之比，也就是转换效率

2.1.4 戴维南等效电路

其实按照郑老师的公开课来说，是没有讲过这一块的，但是我发现在整理下面2.1.5的放大电路的分析方法时，必须要对戴维南等效电路有所了解（可能模拟电路书上有，因为我不是本专业的），所以查阅资料进行了简单整理

博主：楼店八先生
博主：原来如此呀
这两位博主的写的很不错，大家有需要可以去看看

2.1.5 放大电路的分析方法

其实和前面的微变等效电路差不多，我们的核心思想是先直流后交流

2.1.5.1 直流通路

直流通路的意思是，我们只考虑直流后的电路，把原来的交流去掉

去掉交流代表着：
1.Ui = 0;
2.电容相当于断路

下面我们一步一步来对阻容耦合共射放大电路进行变换

我们去除交流电源，并把电容改为断路（如果有电感的话，就将其改为通路），得到如下图：

同理，我们对下面的直接耦合电路画出直流通路

根据以上规则得到以下直流通路：

2.1.5.2 交流通路

交流通路：就是我们在不考虑直流的情况下得到的电路图
规则：
1.直流源置零

2.电容近似于电路（高频，容抗非常小）

那我们先对于阻容耦合基本共射放大电路进行变换：

我们把直流电源Vcc置零后，就相当于接地，然后把电容直接改为导通，得到如下结果

这里其实还变换了一点，因为前面Rb和Rc都接在Vcc，当我们把其接地后，下图的两条线路是等效的

于是我们直接把Rb和Rc拿下来，得到最后的电路图

同理对于直接耦合电路：

经过相同的变化我们得到下面的交流通路

2.1.5.3 图解法

因为我们分析的是ib和ic，我们需要先找到我们的直流点Q，然后再分析动态的交流
我们先对输入特性曲线图进行分析：
对直流通路进行分析：

2.1.5.3.1 静态工作点

输入回路外电路：

输入特性曲线：

因为静态工作点同时满足这两个图，所有在图上来看，是这两个图的交点

输入特性曲线我们分析完了，现在分析输出特性曲线
输出特性曲线：
前面画过了，这里简单重新提一下

输出回路外电路

则同理，两图联立画出静态工作点：

2.1.5.3.2 电压放大倍数分析

遵循先静态，后动态，先找到静态工作点，再加入动态的电流信号
输入回路外电路

输入特性曲线：
因为这是电路的属性，所有不变，如下：

把上面两图画在一起，得到如下：

图中黑线是我们没有添加动态变化的静态工作点，红线是我们添加变化之后的线（图中是正向大于0的变化），据此可以知道iB和其它的一些量
那现在来看输出端
输出特性曲线
对于输出特性曲线来说，我们的基极电流iB发生变化，所有我们需要重新选择到一条线，下图的红线

输出回路外电路：
因为在电路当中并没有改变，所以这部分和静态工作点的图像是一样的

画在一起。如下图：

则可以得到iC和ΔUce
放大倍数计算
我们通过输入的图像，计算出了iB，据此，我们画出来了输出端口的图像，从而计算出iC和ΔUce的，根据Au = ΔUce / ΔUi，即可算出放大倍数

此外，观察输入和输出的图像，我们可以知道，输入电压和输出电压的变化是相反的，输入图（左图）中ΔUi是变大，而输出图（右图）中断ΔUce是变小的

2.1.5.3.3 波形分析

输入回路

1. 先做出静态工作点图像
   
   和前面一样的做法
2. 添加动态电压变化
   
   如图，添加动态电压之后，在图中所示的两个红点之间进行变化
3. 画输入回路负载线，确定工作点
   
   因为斜率没有改变，所以我们做出输入回路负载线，与输入特性曲线相交得到Q的变化范围，这里因为输入信号比较小，所以可以近似为在一条直线上进行变化
4. 画出Ube，和ib的变化
   

输出回路

1. 画出静态工作点下的输出特性曲线
   
   和原来一样的做法

2. 添加变化的动态基极电流ib
   

3. 找到对应的输出特性曲线，确定工作点
   

4. 得到ic和Uce的变化
   

2.1.5.3.3.1 截止失真

导致截止失真的主要原因是静态工作点Q的选取不对，如下图，按照正常的流程来画波形，但是因为一个工作点落在了横轴，小于开启工作的电压，所以那一段实际上晶体管是处于截止状态的
输入回路

输出回路

还是因为在变化的时候，已经到达横轴，横轴以下的部分没有了
消除方法：
产生原因：Q点过低时，在输入信号负半周靠近峰值的某段
时间内，晶体管b-e间电压总量uBE小于开启电压Uon，晶
体管截止。（问题在输入回路）
本质上来说，要解决的就是静态工作点过低

通过增大基极电源，来抵消开始工作电压的影响

2.1.5.3.3.2 饱和失真

产生饱和失真的原因是因为静态工作点Q选取的过高
输入回路
没有影响

输出回路

消除方法
本质上上来说，就是要解决静态工作点过高

最大不失真输出电压