硬件电路设计基础知识.doc

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1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date硬件电路设计基础知识硬件电路设计基础知识硬件电子电路基础关于本课程 第一章 半导体器件 1-1 半导体基础知识1-2 PN结1-3 二极管1-4 晶体三极管 1-5 场效应管 第二章 基本放大电路 2-1 晶体三极管基本放大电路2-2 反馈放大器的基本概念2-3 频率特性的分析法2-4 小信号选频放大电路 2-5场效应管放大电路 第三章 模拟集成电路 31 恒流源电路

2、32 差动放大电路33 集成运算放大电路34 集成运放的应用 35 限幅器（二极管接于运放输入电路中的限幅器） 36 模拟乘法器 第四章 功率放大电路 41 功率放大电路的主要特点42乙类功率放大电路43丙类功率放大电路44丙类谐振倍频电路 第五章 正弦波振荡器 51反馈型正弦波振荡器的工作原理 52 LC正弦波振荡电路 53 LC振荡器的频率稳定度54 石英晶体振荡器55 RC正弦波振荡器第六章 线性频率变换 振幅调制、检波、变频 61 调幅波的基本特性62 调幅电路63 检波电路64 变频 第七章 非线性频率变换 角度调制与解调 71 概述 72 调角信号分析 73 调频及调相信号的产生

3、74 频率解调的基本原理和方法 第八章 反馈控制电路 81 自动增益控制（AGC）82 自动频率控制（AFC） 83 自动相位控制（APC）PLL第一章 半导体器件1-1 半导体基础知识1-2 PN结1-3 二极管1-4 晶体三极管 1-5 场效应管 1-1 半导体基础知识一、什么是半导体 半导体就是导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。（导电能力即电导率） （如：硅Si 锗Ge等4价元素以及化合物）二、半导体的导电特性 本征半导体纯净、晶体结构完整的半导体称为本征半导体。 硅和锗的共价键结构。（略）1、 半导体的导电率会在外界因素作用下发生变化 掺杂管子 温度热敏元件 光照光敏元件等 2、 半

4、导体中的两种载流子自由电子和空穴 自由电子受束缚的电子 （） 空穴 电子跳走以后留下的坑 （） 三、杂质半导体N型、P型 （前讲）掺杂可以显著地改变半导体的导电特性，从而制造出杂质半导体。 N型半导体 （自由电子多） 掺杂为5价元素。 如：磷；砷 P5价 使自由电子大大增加 原理： Si4价 P与Si形成共价键后多余了一个电子。 载流子组成：o 本征激发的空穴和自由电子数量少。 o 掺杂后由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） 掺杂为3价元素。 如：硼；铝 使空穴大大增加 原理： Si4价 B与Si形成共价键后多余了一个空穴。 B3价 载流子组成：

5、o 本征激发的空穴和自由电子数量少。 o 掺杂后由B提供的空 穴数量多。 o 空 穴多子 o 自由电子少子 结论：N型半导体中的多数载流子为自由电子； P型半导体中的多数载流子为 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： 多的往少的那去，并被复合掉。留下了正、负离子。（正、负离子不能移动）留下了一个正、负离子区耗尽区。由正、负离子区形成了一个内建电场（即势垒高度）。方向：N- P 大小： 与材料和温度有关。 （很小，约

6、零点几伏）漂移运动： 由于内建电场的吸引，个别少数载流子受电场力的作用与多子运动方向相反作运动。结论：在没有外加电压的情况下，扩散电流和漂移电流的大小相等，方向相反。总电流为零。二、PN结的单向导电特性 1、 外加正向电压时：（正偏） 结论： 势垒高度 PN结宽度（耗尽区宽度） 扩散电流 2、 外加反向电压时： （反偏） 结论： 势垒高度 PN结宽度（耗尽区宽度） 扩散电流 （趋近于0） 此时总电流反向饱和电流（漂移电流）：I5 注：反向饱和电流I5只与温度有关，与外加电压无关。【PN结的反向击穿】： 齐纳击穿：势垒区窄，较高的反向电压形成的内建电场将价电子拉出共价键，导致反向电流剧增。7V

7、当反向电压在4V和7V之间的时候，两种击穿均有。【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结外加正向电压时，由于扩散作用，从另一方向本方注入少子，少子注入后，将破坏半导体的电中性。为了维持电中性，将会有相同数量的异性载流子从外电路进入半导体，在半导体中形成空穴电子对储存。外电压增量引起空穴电子对存储就象电容充电一样。 PN结等效为：两个扩散电容一个势垒电容。（对外等效为三个容性电流相加。等效对外不对内）反偏：扩散电流0，以势垒电容为主。正

8、偏：扩散电流很大，以扩散电容为主。1-3 二极管一、构成与符号二、伏安特性曲线 1.正向特性： 正向电压较小时，正向电流几乎为0死区。 当正向电压超过某一门限电压时，二极管导通，电流随电压的增加成指数率的关系迅速增大。 门限电压（导通电压）UD ：硅管 0.5-0.7V 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 UB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(-273C) 令： （室温

9、下 UT = 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 = -IS 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。 直流电阻（静态电阻） 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 1-3-163 限幅器：二极管限幅器。P24-26 串联、并联、双向。例：P52 12 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

10、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 状态 发射结电压 集电结电压 放大 正 反 截止 反 反 饱和 正 正 倒置 反 正 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 IB 来控制 IC 。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： IE=IB+IC 工作在放大状态下的NPN管一定为：IB 、 IC 流入，IE 流出。 工作在放大区的条件：NPNUC UB UE； PN

11、PUC UB US，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UGS 为参变量，描述ID和UDS 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： 增强型耗尽型N沟道 P沟道 场效应管特性比较 P47 Tab 1-2 3.原理： 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： UD UG US 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

12、。 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2-2 反馈放大器的基本概念2-3 频率特性的分析法2-4 小信号选频放大电路 2-5场效应管放大电路 21 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。（NP

13、N，PNP都是这样）,即：NPN UC UB UE ； PNP UC UB RC ； RB几百K， RC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， IBQ、ICQ、UBEQ、UCEQ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

14、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IBQ： 其中UBE0.6V 列输出方程，在ICUCE图中画出直流负载线。 UCE = UCC - ICRC 根据公式

15、： 分别取 当IC0时：UCEUCC； o UCE0时：ICUCC / RC； 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IBQ、UCEQ （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

16、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） UCC一定时，RC越小，负载线越陡。 当RC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

17、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Ube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

18、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AS 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RbRs的条件，则有Rs=Rs / Rb Rs，上式可以化简为： 放大器的输入电阻Ri 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

19、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）

20、的乘积总放大倍数（分贝）各级放大器放大倍数（分贝）的和22 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Xi原外加信号Xi反馈信号XF 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) RE ：串联电流负反馈 (c) RF ：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RF；2、 实际分析：3、 再

21、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RS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

22、：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RC 的大小，观察反馈量的变化来区分当：RC 至0时， UF 至0 电压反馈； 当：RC 至0 时， IF 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

23、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RE2；越级：T1管T2管： 有反馈，反馈支路RF； 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RE2；负反馈；越级：T1管T2管： 有反馈，反馈支路RF；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1AF10

24、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：ICBO；UBE； b ；都会使Q点提高。 晶体管 b 值的离散性。（20200均合格） 2.稳定Q点的偏置电路：电路为：串联电流负反馈 , UE = UB - UBE , 由于IB的忽略，UBQ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ICQ而不是电流IBQ。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1AB倍。（二）、负反馈对

25、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AO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： 静态工作点计算： 交流等效电路图：应用

26、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UB固定，输出电流基本固定，而不随UCD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23 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

27、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fL；上截频

28、fh。 通频带：两个截止频率之间的频带。BWfhFL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

29、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rbc很大，可以视为开路。 共射极混合p等效电路 其中：rbb基区体电阻。约为300 W 。 gm 跨导。 高频段等效电路（将Cbc分别折合到输入 / 输出端来算） CM=(1+gmRC)Cbc Cbe/CMCbcCM密勒电容 频率参数： fb ：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。 fT ：当 b 下降为1时的

30、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 = wH w = 10 w = 0 结论：频率每上升10倍，幅模减小20dB。设：A0100； fH=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 = wH 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

31、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rbb、Cbc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）BW0.7 = fHfL 指标： 中心频率（谐振频率）：fo通频带： BW0.7 = fHfL矩形系数： 理想情况下，矩形系数1；实际情况下，矩形系数 f0时：感性f f0时：容性f 10 时，有： LL 谐振角频率： 回路总品质因数： R总RS / R0 / RL谐振时传输阻抗： Ztm = U0 / IS Rt = 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