模拟电路总结

一、半导体器件

• • 1.1 半导体的特性
    导电性能介于导体和绝缘体之间。如：硅（Si）、锗（Ge）
    • 1.1.1 本征半导体
      纯净的、不含杂质的半导体
      • 温度敏感：T=0K时，绝缘；温度升高时，载流子（自由电子、空穴）指数增加
      • 在一定温度下，电子-空穴对的产生与复合达到动态平衡
    • 1.1.2 杂质半导体
      在本征半导体中掺入某种特定的杂质
      • N型（Negative，电子型）：电子导电，为多数载流子，杂质原子为施主原子
      • P型（Positive，空穴型）：空穴接受，为多数载流子，杂质原子为受主原子
      • 多子浓度主要取决于渗入杂质浓度，少子浓度主要取决于温度
      • 总体：电中性
  • 1.2 半导体二极管
    • 1.2.1 PN结及其单向导电性
      • 多子扩散形成内电场（位于中间）阻碍扩散，但利于少子漂移，最终扩散运动与漂移运动达到动态平衡，PN结中总电流为零。
      • 正向偏置：外电场削弱了内电场有利于扩散运动，不利于漂移运动。正向导通，正向等效电阻较小。
      • 反向偏置：外电场增强了内电场有利于漂移运动，不利于扩散运动。一定温度下， E 超过某一值后 I 饱和，称为反向饱和电流IS（mA级，少子产生，温度敏感）。
      • PN结具有单向导电性：正向导通，反向截止。
    • 1.2.2 二极管的伏安特性
      • 正向特性：当正向电压超过死区电压（硅0.5，锗0.1）后，二极管导通（导通压降：硅0.7，锗0.2），电流与电压关系近似指数关系。
      • 反向特性：反偏时，反向电流值很小，反向电阻很大，反向电压超过UBR则被击穿。
    • 1.2.3 二极管的主要参数
      • 最大整流电流IF
      • 最高反向工作电压UR：通常为击穿电压UBR的一半
      • 反向电流IR：通常希望愈小愈好，受温度的影响很大
      • 最高工作频率fM：结电容愈大，则二极管允许的最高工作频率愈低
      • 一定的电容效应：当加在二极管上的电压发生变化时，PN结中储存的电荷量变化
    • 1.2.5 稳压管
      • rz=ΔU/ΔI很小，有稳压特性，工作在反向击穿区
      • 注意事项：必须工作在反向击穿区；应与负载RL并联；必须限制流过稳压管的电流IZ
  • 1.3 双极型三极管
    • 1.3.1 三极管的结构
      • 三个区：发射区（杂质浓度很高）、基区（杂质浓度低且很薄）、集电区（与基区接触面积较大）
      • 三个电极：发射极e、基极b、集电极c
      • 两个PN结：发射结、集电结
    • 1.3.2 三极管的放大作用和载流子的运动
      • 发射：发射区大量电子向基区发射
      • 复合和扩散：电子在基区中复合扩散
      • 收集：将扩散过来的电子收集到集电极
      • 形成反向饱和电流ICBO
      • 共基直流电流放大系数α=IC/IE
      • 共射直流电流放大系数β=IC/IB
    • 1.3.3 三极管的特性曲线
      • 输入特性

作图：Visio

• • • • 输出特性

作图：Visio

• • • • 截止区：发射结、集电结反偏
      • 放大区：发射结正偏、集电结反偏
      • 饱和区：发射结、集电结正偏

二、放大电路的基本原理

• • 2.1 放大的概念
    • 放大作用：小能量对大能量的控制作用
    • 放大的对象：变化量
    • 放大电路的核心元件：双极型三极管和场效应管
  • 2.2 放大电路的主要技术指标
    • 电压放大倍数 A˙u=U˙0U˙i
    • 电流放大倍数 A˙i=I˙0I˙i
    • 最大输出幅度：有效值,以Uom(或Iom )表示
    • 输入电阻：越大越好
    • 输出电阻：越小越好
    • 通频带：当Au大于0.707Aum时的频率范围
    • 最大输出功率Pom
    • 效率 η=PomPV
  • 2.3 放大电路的基本分析方法
    • 直流通路：静态分析，电容相当于开路，电感相当于短路
    • 交流通路：动态分析，电容和理想电压源相当于短路，电感和理想电流源相当于开路
    • 静态工作点的近似估算

IBQ=VCC−UBEQRbICQ≈βIBQUCEQ=VCC−ICQRc

• • • 图解法
      • 静态、动态、放大倍数
      • 步骤：画输出回路的直流负载线，得到ICQ和 UCEQ，画交流负载线，求电压放大倍数
      • 应用1：截止UCE波形顶部失真，饱和UCE波形出现底部失真
      • 应用2：估算最大输出幅度
      • 应用3：分析电路参数对静态工作点的影响
    • 微变等效电路法
      • 适用条件：微小交流工作信号，三极管工作在线性区
      • 解决问题：处理三极管的非线性问题
      • 三极管的简化的h参数微变等效电路

作图：Multism

• • • • 其中，rbe： rbe≈rbb′+(1+β)26IEQ
  • 2.4 静态工作点的稳定问题
    • 温度升高，饱和失真，除了外界温度可控，还要改善电路结构
    • 分压式静态工作点稳定电路

• • 2.5 三极管放大电路的三种基本组态
    • 共射、共集、共基指的是UI、UO公共端
    • 共射电路：Au和Ai 均较大, Ri 和 Ro较适中,被广泛用作低频放大电路的输入级输出级和中间级
    • 共集电路：特点是电压跟随, Ai较大, Ri 很高, Ro 很低，被用作输入级输出级或隔离用的中间级
    • 共基电路：突出特点是Ri很低, 频率特性好, 用于宽频带放大器。输出电阻高, 可用作恒流源
  • 2.6 多级放大电路
    • 耦合方式：阻容耦合、直接耦合（稳压管等解决方法）、变压器耦合
    • 电压放大倍数 A˙u=A˙u1⋅A˙u2…….A˙un
    • 输入电阻和输出电阻：注意，射极输出器参数与前后有关（RL1=Ri2,Rs2=Ro1）

三、放大电路的频率响应

• • 3.1 频率响应的一般概念
    • 幅频特性和相频特性
    • 下限频率、上限频率和通频带
    • 幅频失真、相频失真
    • 波特图
    • 高通电路和低通电路
  • 3.2 三极管的频率参数
    • 共射截止频率 ：|β|值下降到0.707β0
    • 特征频率：|β| 值下降到1
    • 共基截止频率：|α| 值下降为0.707α0
  • 3.3 单管共射放大电路的频率响应
    • 定性分析
      • 中频段：电压放大倍数基本与频率无关
      • 低频段：隔直电容构成RC高通电路，电压放大倍数将降低
      • 高频段：极间电容构成RC低通电路，电压放大倍数将降低
    • 三极管的混合П型等效电路
    • 阻容耦合单管共射放大电路的频率响应

Aus˙≈Ausm˙(1−jfL/f)(1+jf/fH)

• • • 直接耦合单管共射放大电路的频率响应
  • 3.4 多级放大电路的频率响应

四、功率放大电路

• • 4.1 功率放大电路的主要特点
    • 功率放大器：根据负载要求，提供足够的输出功率；具有较高的效率
    • 最大输出功率

共射接法下 P om=Ucem2⋅Icm2=12UcemIcm

• • • 效率 η=popv
  • 4.2 互补对称式功率放大电路
    • 4.2.1 电路组成和工作原理
      • OTL乙类互补对称电路（交越失真）
      • OTL甲乙类互补对称电路：R 、VD1和VD2为两管提供了静态基极电流IB1和IB2
      • OCL甲乙类互补对称电路：省去了大电容，既改善了低频响应，又有利于实现集成化
    • 4.2.2 互补对称电路主要参数的估算
      • OCL互补对称电路
      • 最大输出功率 Pom=12U2cemRL=12(VCC−UCES)2RL
      • 效率 η=pompv≈π4=78.5%
      • 集电极最大允许电流 Icm=VCC−UCESRL≈VCCRL
      • 集电极最大允许反向电压 UCE1=2VCC−|UCES2|≈2VCC
      • 集电极最大允许耗散功率：PCM> 0.2 Pom
      • OTL互补对称电路
      • Vcc减半即可
  • 4.3 采用复合管的互补对称式放大电路
    • 4.3.1 复合管的接法及其β和rbe
    • 4.3.2 复合管组成的互补对称放大电路

五、集成运算放大电路

• • 5.1集成放大电路的特点

理解：反相输入端，同相输入端与输出端

• • 5.2 集成运放的主要技术指标
    • 开环差模电压增益 Aod：理想情况下希望Aod为无穷大
    • 输入失调电压UIo：为了使输出电压为零，在输入端所需要加的补偿电压
    • 输入失调电流IIO：当输出电压等于零时，两个输入端偏置电流之差
    • 输入偏置电流IIB：当输出电压等于零时，两个输入端偏置电流的平均值
    • 差模输入电阻rid：衡量集成运放向信号源索取电流的大小
    • 共模抑制比KCMR：抑制温漂的能力
      • KCMR=|Ad||AC| ，即差模放大倍数/共模放大倍数
      • KCMR越大，说明差放分辨差模信号的能力越强，而抑制共模信号的能力越强
    • 最大共模输入电压UIcm
    • 最大差模输入电压 UIdm
  • 5.3 集成运放的基本组成部分
    • 偏置电路
      • 镜像电流源
      • 比例电流源
      • 微电流源
    • 差分放大输入级
      • 基本形式差分放大电路

• • • • 长尾式差分放大电路：接地端换为经电阻Re接-V_EE。其中，Re通过引入共模负反馈降低单管零点漂移，提高共模抑制比。-V_EE补偿Re上的直流压降，提供静态基极电流
      • 恒流源式差分放大电路

• • • • 差分输入/单端输入、双端输出

Ad=−β(Rc//RL2)R+rbeRid=2(R+rbe)Ro=2Rc

• • • • 差分输入/单端输入、单端输出

Ad=−12β(Rc//RL)R+rbeRid=2(R+rbe)Ro=Rc

• • • 中间级
      • 要求有较高的电压增益和输入电阻，向输出级提供较大的推动电流，实现差分与单端信号间的转换
      • 有源负载、复合管
    • 输出级
      • 提供足够的输出功率以满足负载的需要
      • 互补对称电路、过载保护电路
  • 5.4 集成运放的典型电路

六、放大电路中的反馈

• • 6.1 反馈的基本概念
    • 正反馈和负反馈
      • 正反馈：引入的反馈信号增强了外加输入信号的作用，从而使放大电路的放大倍数提高
      • 负反馈：引入的反馈信号削弱了外加输入信号的作 用，从而使放大电路的放大倍数降低
      • 判断方法：瞬时极性法
    • 直流反馈和交流反馈
    • 电压反馈和电流反馈
    • 串联反馈和并联反馈
      • 串联反馈：反馈信号与输入信号在输入回路中以电压形式求和
      • 并联反馈：反馈信号与输入信号在输入回路中以电流形式求和
  • 6.2 负反馈的四种组态和反馈的一般表达式
    • 电压串联负反馈、电压并联负反馈、电流串联负反馈、电流并联负反馈

• • • 一般表达式

A˙f=X˙0X˙i=A˙1+A˙F˙

式中， A˙f 为闭环放大倍数， 1+A˙F˙ 为反馈深度， A˙F˙ 为回路增益， F˙ 为反馈系数， A˙ 为开环放大倍数

• • 6.3 负反馈对放大电路性能的影响
    • 提高放大倍数的稳定性
    • 减小非线性失真和抑制干扰
    • 展宽频带
    • 改变输入电阻和输出电阻
      • 输入电阻：串联负反馈使输入电阻增大、并联负反馈使输入电阻减小
      • 输出电阻：电压负反馈使输出电阻减小，电流负反馈使输出电阻增大
  • 6.4 负反馈放大电路的分析计算
    • 倒数关系：利用关式 A˙f≈1/F˙ 估算闭环电压放大倍教
    • 虚短、虚地：利用关式 X˙f≈X˙i 估算闭环电压放大倍教

七、模拟信号运算电路

• • 7.1 理想运放的概念
    • 7.1.1 什么是理想运放
    • 7.1.2 理想运放工作在线性区时的特点：虚短、虚断
    • 7.1.3 理想运放工作在非线性区时的特点
      • 输出电压uo = + UOPP，当 u+> u- ；uo= - UOPP，当 u+ < u-
      • 输入电流等于零（虚断）
  • 7.2 比例运算电路
    • 7.2.1 反相比例运算电路

Auf=uouI=−RFR1 ，输入电阻 Rif=R1

• • • 7.2.2 同相比例运算电路Auf=u0uI=1+RFR1
    • 7.2.3 差分比例运算电路 Auf=u0ui−ui′=−RFR1
    • 7.2.4 实用电路举例
  • 7.3 求和电路
    • 7.3.1 反相输入求和电路u0=−RFR(ui1+ui2+ui3)
    • 7.3.2 同相输入求和电路

u0=(1+RFR1)u−=(1+RFR1)u+=(1+RFR1)(R+R1′uI1+R+R2′uI2+R+R3′uI3)

• • 7.4 积分电路
    • 输出 u0=−1RC∫uidt
    • 应用：波形变换、移相

八、信号处理电路

• • 8.1 有源滤波器
    • 8.1.1 滤波电路的作用和分类
    • 8.1.2 低通滤波器
    • 8.1.3 高通滤波器
  • 8.2 电压比较器
    • 8.2.1 过零比较器

• • • 8.2.2 单限比较器

• • • 8.2.3 滞回比较器

• • • 8.2.4 双限比较器
    • 8.2.5 集成电压比较器

九、波形发生电路

• • 9.1 正弦波振荡电路的分析方法
    • 9.1.1 产生正弦波振荡的条件：幅度平衡条件、相位平衡条件

A˙F˙=1

• • • 9.1.2 正弦波振荡电路的组成
      • 放大电路：实现能量控制
      • 选频网络：确定电路的振荡频率
      • 正反馈网络：使输入信号等于反馈信号
      • 稳幅电路：使输出信号幅值稳定
    • 9.1.3 正弦振荡电路的分析步骤
      • 检查电路是否具备正弦波振荡的基本组成部分，并检查放大电路的静态工作点是否能保证电路工作在放大状态
      • 分析电路是否满足自激振荡条件
      • 估算振荡频率和起振条件

根据 |A˙F˙|>1 估算起振条件，根据 φA+φF=±2nπ 估算振荡频率，即 f=f0

• • 9.2 RC正弦波振荡电路
    • 9.2.1 RC串并联网络振荡电路
      • 振荡频率 f0=12πRC
      • 起振条件 |A˙F˙|>1|F˙|=13|A˙|>3
      • 振荡电路中的负反馈
    • 9.2.2 其他形式的RC振荡电路
  • 9.3 LC正弦波振荡电路
    • 9.3.1 LC并联电路的选频特性 f0≈12πLC
    • .3.2 变压器反馈式振荡电路
    • 9.3.3 电感三点式振荡电路
    • 9.3.4 电容三点式振荡电路
    • 9.3.5 改进型电容三点式振荡电路

十、直流电源

• • 10.1 直流电源的组成：电源变压器、整流电路、滤波器和稳压电路

• • 10.2 单相整流电路
    • 10.2.1 单相半波整流电路
    • 10.2.2 单相桥式整流电路
    • 10.2.3 整流电路的主要参数
      • 输出直流电压 UO(AV)
      • 脉动系数 S
      • 二极管正向平均电流 ID(AV)
      • 二极管最大反向峰值电压 URM
  • 10.3 滤波电路
    • 10.3.1 电容滤波电路

在桥式整流情况下 RLC≥(3∼5)T2

• • 10.4 硅稳压管稳压电路
    • 10.4.1 稳压电路的主要指标
      • 内阻 RO：Ro ≈ rZ
      • 稳压系数 Sr=ΔU0/U0ΔUI/UI≈rZR⋅UIUO
    • 10.4.2 硅稳压管稳压电路的组成和工作原理

• • • 10.4.3 稳压电路中限流电阻的选择

R>UImax−UZIZmax+ILminR

• • 10.5 串联型直流稳压电路
    • 10.5.1 电路组成和工作原理

电路组成

• • • 10.5.2 输出电压的调节范围

UOmax=R1+R2+R3R3UZUOmin=R1+R2+R3R2+R3UZ

• • • 10.5.3 调整管的选择
      • 集电极最大允许电流 ICM≥ ILmax + IR
      • 最大允许反向电压 U(BR)CEO≥UImax′=1.1×2U2
      • 集电极最大耗散功率 PCM≥(UImax−UOmin)×ICmax≈(1.1×1.2U2−UOmin)×ICmax
      • UCE= ( 3 ～ 8 ) V
      • UI = UOmax ＋ ( 3 ～8 ) V
      • UI ≈ 1. 2 U2
      • 变压器副边线圈电压 U2≈1.1×UI1.2
    • 10.5.4 稳压电路的过载保护
  • 10.6 集成稳压器
    • 10.6.1 三端集成稳压器的组成
    • 10.6.2 三端集成稳压器的主要参数
    • 10.6.3 三端集成稳压器的应用