哈工程核学院核电子学模电基础

模电基础1.二极管2.三极管3.场效应管4.单管放大电路5.多级放大电路和运算放大器6.反馈模电基础——（二极管）1.1PN结形成模电基础——（二极管）1.2PN结单向导电性模电基础——（二极管）1.3二极管的结构和类型半导体二极管（简称二极管）是由PN结加上电极引线和管壳组成的。模电基础——（二极管）/(1)TUUSIIe1.4伏安特性/(26mV)TUTq常温下模电基础——（二极管）1.5温度对伏安特性的影响模电基础——（二极管）1.6二极管的电容效应势垒电容CB空间电荷区的宽度及其里面存储的空间电荷量扩散电容CD图1-8JBDCCC结电容CJPN结上外加电压的极性和大小变化模电基础——（二极管）1.7二极管应用二极管在电路中有广泛的应用：利用它的单向导电性，可组成整流、限幅、检波电路，还可以用于元件保护以及数字电路中作为开关元件等。特殊二级管：稳压二极管发光二极管光电二极管变容二极管模电基础——（三极管）2.1三极管（晶体管BJT）的结构及其类型为实现电流控制和放大作用，晶体管的三个区在制作时结构、尺寸和掺杂浓度要保证三点：基区很薄，厚度只有几微米，掺杂浓度很低发射区和集电区掺杂类型相同，但发射区掺杂浓度远大于集电区集电结面积大于发射结面积模电基础——（三极管）2.2晶体管的三种连接方式（a）以基极作为输入端，集电极作为输出端；（b）以基极作为输入端，发射极作为输出端；（c）以发射极作为输入端，集电极作为输出端。模电基础——（三极管）2.3晶体管的工作状态——放大（以NPN共发射极为例）EENCNBNBBNCBOCCNCBOECBIIIIIIIIIIIII(1)(2)(4)(3)发射结正偏，集电结反偏UC﹥UB﹥UE模电基础——（三极管）2.3晶体管的工作状态——放大状态CNCCBOBNBCBOIIIIII共基直流电流放大系数：CNEII共射直流电流放大系数忽略ICBO1CBEBECBIIIIIII由上页(2)(3)式可得电流关系：1CECBOBECBOIIIIII忽略ICBOCEII两放大系数关系：11模电基础——（三极管）2.3晶体管的工作状态——放大状态总结：,,ECBBCCEIIIIIII电流关系电流控制器件CECBUII常数CBECUII常数交流电流放大系数多数情况下，在数值上，模电基础——（三极管）2.3晶体管的工作状态——饱和、截止发射结正偏，集电结正偏IC不再随IB的增大而增大，基极电流失去对集电极电流的控制作用，IC主要受UCE控制发射结反偏或零偏，集电结反偏IE几乎为零，IC=ICBO，IB=-ICBO很小可忽略不计，晶体管截止模电基础——（三极管）2.4晶体管的伏安特性（NPN共射极为例）CEBBEUifu常数2.4.1输入特性非线性，UBE小于UBE（th）时晶体管截止。硅管UBE（th）约0.5V，锗管UBE（th）约0.1V。当UBE大于UBE（th）时，随着增大，开始指数增加，后近似直线上升。模电基础——（三极管）2.4.2输出特性BCCEIifu常数截止区：IB≤0的区，IC=ICEO近似为零。锗：几十至几百微安；硅：小于1微安。相当于一个断开的开关。放大区：IC基本不随UCE的变化而变化，主要取决于IB，微小的△IB可以产生较大的△IC，二者关系为△IC=β△IB饱和区：当IB固定时，UCE对IC有强烈的控制作用；当UCE固定时，IB增大IC增大不多，出现“饱和”现象，IB继续增大，IC几乎不变，不同的输出特性起始部分几乎重叠在一起，IB对IC失去控制作用，IC≤βIB。击穿区：UCE增大到某一值时，IC会急剧上升，集电结发生雪崩击穿。模电基础——（三极管）2.5温度对晶体管参数的影响对ICBO的影响对UBE的影响对β的影响温度升高，特性曲线左移(IB一定时，随温度升高，UBE将减小)。2～2.5mV/℃。与PN结正向伏安特性相似。室温下集电极反向饱和电流ICBO很小；当温度升高时，少子浓度增加，ICBO急剧增大，约1倍/10℃。β随温度升高而增大，0.5％～1％，在输出特性曲线图上，曲线间距随温度升高而增大。温度对ICBOUBEβ的影响都将使IC随温度上升而增加，严重影响晶体管的工作状态模电基础——（场效应管）3.1场效应管概述（FieldEffectTransistor,FET）场效应管(FET)结型场效应管(JFET)绝缘栅型场效应管(IGFET，MOSFET)耗尽型N沟道P沟道增强型N沟道N沟道P沟道P沟道利用输入电压产生的电场效应来控制输出电流，属电压控制型器件。起主要导电作用的只有一种载流子（多子）故又称单极型晶体管。具有很高的输入电阻，还具有热稳定性好、功耗小、噪声低、制造工艺简单便于集成等优点。模电基础——（场效应管）3.2.1JFET的结构及类型3.2结型场效应管JFET模电基础——（场效应管）3.2.2JFET的工作原理0GSDSuu时对导电沟道的影响模电基础——（场效应管）3.2.2JFET的工作原理栅源电压UGS的变化将有效地控制漏极电流iD的变化，体现了栅源电压UGS对漏电流iD的控制作用模电基础——（场效应管）3.2.3JFET的伏安特性输出特性()GSDDSuifu常数可变电阻区：场效应管可以看成一个受uGS控制的可变电阻，即压控电阻。恒流区（饱和区）：场效应管相当于一个电压控制的电流源。作为放大器使用时工作在该区，又称放大区。夹断区（截止区）：导电沟道被全部夹断，iD≈0。击穿区：随uDS增大，靠近漏区的P+N结反偏电压也随之增大产生雪崩击穿，iD会急剧增加，甚至烧坏管子。模电基础——（场效应管）转移特性()DSDGSuifu常数对N沟道JFET，在管子工作在恒流区时转移特性可近似表示为：2()(1)GSDDSSGSoffuiIU注意：PN结要反偏N沟JFET:uGS﹤0P沟JFET:uGS﹥0模电基础——（场效应管）3.2.4JFET的主要参数直流参数交流参数夹断电压UGS(off)饱和漏极电流IDSS直流输入电阻RGS(DC)低频跨导极间电容CGSCGDDSDmGSuigu常数mg极限参数最大漏极电流IDM最大漏源电压U(BR)DS最大栅源电压U(BR)GS最大耗散功率PDM模电基础——（场效应管）3.3绝缘栅场效应管（MOSFET）3.3.1结构及类型模电基础——（场效应管）3.3.2增强型MOS管导电沟道的形成栅源电压对漏极电流的控制漏源电压对漏极电流的影响工作原理()0GSGSGSthuuu(),0GSGSthDSDuuui产生模电基础——（场效应管）()GSDDSuifu常数()DSDGSuifu常数可变电阻区恒流区截止区击穿区3.3.2增强型MOS管伏安特性模电基础——（场效应管）3.3.3耗尽型MOS管3.3.4主要参数耗尽型：同JFET增强型：没有夹断电压和漏极饱和电流，增加开启电压模电基础——（场效应管）3.4场效应管与晶体管的比较模电基础——（单管放大电路）4.1晶体管放大电路(a)放大电路的主要性能指标(b)共射极放大电路(c)共集电极放大电路(d)共基极放大电路4.2场效应管放大电路(a)共源放大电路(b)共漏放大电路4.单管放大电路模电基础——（放大电路）（a）放大电路的主要性能指标4.1晶体管放大电路ouiUUoussUULoouoiiRUUUUoiiII电压放大倍数（电压增益）电流放大倍数（电流增益）模电基础——（放大电路）（a）放大电路的主要性能指标4.1晶体管放大电路输入电阻输出电阻iiiURIiiSisRUURRooiiusuissisUUURRRUUULoooLRUURR1ooLoURRUoooLuuooLiioUUURRRUUU低内阻电压源输入电阻越大越好高内阻电流源输入电阻越小越好输出电阻越小电压增益越接近空载时电压增益，带负载能力越强模电基础——（放大电路）（a）放大电路的主要性能指标输入信号的频率往往是在一定范围内变化的，要使放大后的输出信号不失真，就要使放大电路对不同频率的输入信号具有相同的放大能力。通频带中频段umu电压放大倍数几乎不变的频率范围电压放大倍数下降到时，上下限截止频率之间形成的频带宽度2umBWHLfff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。模电基础——（放大电路）（b）共射极放大电路模电基础——（放大电路）（b）共射极放大电路输入电阻输出电阻电压增益//iBbebeRRrroCRR//oLuLCLbeiURRRRrU，其中有比较高的电压和电流放大倍数，输出电压与输入电压反相，输入电阻较小。多用于多级放大电路的中间级Ro模电基础——（放大电路）（c）共集电极放大电路（射极跟随器）电压增益输入电阻输出电阻111LoubeLiRUrRU12////1iBBbeLRRRrR//LELRRR12//11////SbeSbeoESSBBRrRrRRRRRR其中电压增益小于1，接近1，输出电压与输入电压同相；有电流和功率放大能力；有高输入电阻和低输出电阻。多级放大电路中作为输入级和输出级。模电基础——（放大电路）（d）共基极放大电路,=//LuLCLbeRRRRr其中电压增益输入电阻输出电阻//1beiErRRoCRR没有电流放大能力，有电压放大能力；输出电压与输入电压同相；输入电阻小，输出电阻大。通常用在高频放大电路。模电基础——（放大电路）模电基础——（放大电路）（a）共源放大电路4.2场效应管放大电路,(//)oumLLLDiUgRRRRUiiGiURRIoDRR类似晶体管与共射放大电路，有电压放大能力；输出与输入电压反相；但输入电阻较高而电压放大倍数较小。模电基础——（放大电路）（b）共漏放大电路,(//)1omLuLLSmLiUgRRRRgRU12//iGGGRRRR1//oSmRRg电压放大倍数小于1，约等1；输出与输入电压同相，又称漏极跟随器；输出电阻很小。模电基础——（多级放大电路）5.1多级放大电路1212112noooonuuuunukkiiiinUUUUUUUU……不是独立的各级的电压益，而是必须考虑前后级对它的影响1iioonRRRR一般情况下有（输入输出为射极跟随器除外）模电基础——（多级放大电路）5.2集成运算放大器输入级：输入级对整个运算放大器的性能指标影响较大，是提高集成运放质量的关键部分，要求有高输入电阻，能减小零点漂移和抑制干扰。一般采用差动放大电路。中间级：主要完成电压放大任务，要求有高的电压增益。一般采用带有源负载（恒流源）的共发射极电压放大电路。输出级：主要任务是功率放大，以驱动负载工作，要求其输出电阻低、带负载能力强、能输出足够大的电压和电流、波形失真小、电源转换效率高。一般采用互补对称的功率放大电路。偏置电路：主要为各级放大电路提供合适的静态工作电流，以确定各级的静态工作点。辅助电路：内电源稳压电路、温控电路、温度补偿电路、输入过压和输出过流过热保护电路。提高运放的稳定性和承受过载能力。模电基础——（多级放大电路）5.3集成运放的主要参数1.开环差模电压增益2.共模抑制比3.差模输入电阻rid4.输入失调电压UIO5.输入失调电压的温漂6.输入失调电流IIO7.输入失调电流的温漂8.输入偏置电流IIB9.最大共模输入电压U