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模拟电子技术（删减版）
模拟电子技术思维导图，包括：集成运算放大电路(本质就是一个多级放大电路)、反馈电路、三极管(具有两个PN结的器件)、二极管(具有一个PN结的器件)、半导体基础知识。
编辑于2023-02-05 15:32:23 北京市- 电子技术
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模拟电子技术（删减版）
集成运算放大电路（本质就是一个多级放大电路）
理想的集成运算放大电路的输入电阻无穷大，输出电阻为0，放大倍数无穷大
集成运放的符号
两个输入端实际上就是差分放大电路的两个输入端
集成运放电路的特点（进行集成运放电路分析的关键点）
工作在线性区，构成各种信号【运算电路】
工作在非线性区，构成【电压比较器】
当U+大于U-时，Uo为Uom；当U+小于U-时，Uo为-Uom
依旧具有虚断的特点，即两个输入端的电流为0
集成运算放大电路的应用
工作在线性区时
运算放大电路
各个运算电路实现下面介绍的预期功能的各自的基本条件
反向比例放大电路
电路图
条件
同相比例放大电路
电路图
条件
差分比例放大电路
电路图
条件
R1=R1'；RF=RF'
反向求和运算电路
电路图
条件
同相求和运算电路
电路图
条件
比例运算电路
基本介绍
将信号进行放大，输出信号和输入信号成固定的比例
分类
反相比例运算电路
基本介绍
进行信号放大，输出信号与输入信号相位相差180度（即反相放大）
特点
放大的 比值>1：放大；比值=1：倒相；比值<1：衰减
放大始终是反相放大的（如果要实现正向，可以采用两个反相比例运算电路级联的方式）
单输入，单输出
电路参数
输入电阻
Rif = R1
输出电阻
引入深度电压负反馈后Rof →0
补偿电阻
为保证运放输入级差分放大电路外电路的对称性，于是有R2 = R1 // RF
基本电路
同相比例运算电路
基本介绍
进行信号放大，输出信号与输入信号相位相差0度（即正相放大）
特点
放大的 比值必定大于等于1的，等于1时即可等效替代多级放大电路中作为初级和末极的共集放大电路（电压跟随器），因为该电路的输入电阻极大，输出电阻极小
放大始终是正相放大的
单输入，单输出
基本电路
差分比例运算电路
基本介绍
放大比值的表达式与反相比例运算电路相同
具有两个输入，一个输出
R1 = R1’，RF = RF’
基本电路
注意，这里是Ui-Ui'，所以会有一个负号
分析电路（解题）
例一
电路图
分析过程
把该电路左右分开来分析
左边为两个上下对称的同相比例运算电路
右边为一个差分比例运算电路
例二
电路图
分析过程
把该电路左右分开来分析
左边为一个同相比例运算电路
右边根据叠加原理，当Uo1接地的时候（只有U12在工作时）为一个同相比例运算电路；当U12接地的时候（只有Uo1在工作时）为一个反相比例运算电路
加减运算电路
基本介绍
进行输入电压的线性运算，输出电压为计算结果，各项系数大小由电阻决定
分类
反相求和运算电路
基本介绍
输出表达式中的每一项都是负值
和反相比例运算电路类似地，可以先进行反相求和，再连接一个反相比例运算电路，使每一项都为正值
多输入，单输出
基本电路
同相求和运算电路
基本介绍
输出表达式中的每一项都是正值
多输入，单输出
基本电路
加减运算电路
基本介绍
各项有正有负
输入、输出电压的关系式推导思路为利用叠加原理和已知基本运算电路的结论
多输入，单输出
基本电路
设计电路（解题）
设计要求
设计思路
先把基本的同相求和和反向求和电路画出来，然后根据题意（实现的是几路加，几路减），然后把同相求和和反向求和的电路的输入端的数量进行调整，符合题意后，根据叠加原理，进行同相求和和反向求和的电路的融合，形成题目要求的加减运算电路，还可以再使用叠加定理进行验证电路图是否满足题意
设计过程
工作在非线性区时
电压比较器（模拟题中未出现，可能不考，但是老师上课有讲）
基本介绍
将一个模拟量输入电压与一个参考电压进行比较，输出只有两种可能的状态：高电平或低电平
分类
单限比较器
作用
检测输入的模拟信号是否达到某一给定电平
缺点
抗干扰能力差，容易导致在给定的标准附近来回振荡，器件无法保持持续的稳定运作
决定传输特性（即输出电压和输入电压的函数关系图）的三要素
输出电压的高电平UOH和低电平UOL的数值
如果加入了限幅电路，只要看那两个稳压二极管即可得出UOH和UOL
阈值电压的数值UT
比较器的输出电压由一种状态跳变为另一种状态所对应的输入电压
U-=U+时对应的Ui即为UT
当uI变化且经过UT时， uO跃变的方向
限幅电路
一般在输出端使用两个相对放置的稳压二极管来实现输出电压的限幅
原理（以两个二极管皆为硅二极管为例，假设稳定电压为5V）
当原始输出电压为正（对于工作在非线性区的二极管来说，为Uom，大于5.7V）时，上面那个二极管处于导通状态，电压为0.7V；下面那个二极管处于截止状态，电压为5V，故Uo变为5.7V
当原始输出电压为负（对于工作在非线性区的二极管来说，为Uom，小于-5.7V）时，上面那个二极管处于截止状态，电压为5V；下面那个二极管处于导通状态，电压为0.7V，故Uo变为-5.7V
最后真正的输出电压，即限幅过的电压为Uz
过零（阈值UT为零）比较器
电路图
传输特性
阈值UT不为零的单限比较器
电路图
阈值电压的数值UT
由于虚断的特性，于是R1与R2串联，根据分压公式即可得到该公式
传输特性
图中展现的为UREF为负的情况，如果UREF为正，阈值UT随之为正
可认为是过零（阈值UT为零）比较器电压传输特性的左/右平移
滞回比较器
基本滞回比较器
电路图
阈值电压的数值UT
传输特性
原理
先依据反向输入端和反向输出端的电压相等，计算出+UT和-UT
这两种情况是容易分析的：如果Ui比可能的最小UT值（即最小的U+值）还要小，那么一定是U-小于U+的情况，必定为Uo等于+Uz；如果Ui比可能的最大UT值（即最大的U+值）还要大，那么一定是U-大U+的情况，必定为Uo等于-Uz
还有这种情况
首先要明确，这个情况的Ui并不是一开始就在这个范围内部，而是由上面那两种易于分析的情况变化而来的，即初始值是上面那两种情况，于是问题的突破点在于确定初始状态
分类讨论
同时要注意有此限制，即不可能出现Ui小于-UT的同时，Uo为-Uz；Ui大于-UT的同时，Uo为+Uz的两种情况（由上面的分析可知），即当初始状态确定的时候，那个门限电压就唯一确定了
如图中红线的情况
如图中蓝线的情况
这种特性就解决了单限电路的振荡问题
加了参考电压的滞回比较器
电路图
阈值电压的数值UT
传输特性
原理
可认为是基本滞回比较器电压传输特性的左/右平移
解题
无论对于单限比较器还是滞回比较器，都是要比较运算放大器的反向输入和正向输出端的电位，如果前者大于后者，输出-Uz，如果前者小于后者，输出Uz，都是要计算运算放大器的反向输入和正向输出端的电位，列一个二者电位相同的方程，就是要计算几个的问题（单限比较器只要计算一个，滞回比较器要计算两个）
对于单限比较器
计算运算放大器的反向输入和正向输出端的电位，列一个二者电位相同的方程，计算出满足该方程的输入电压ui（特殊地，我们记为UT），然后观察ui大于UT的时候，反向输入和正向输出端的电位大小关系，和ui小于UT的时候，反向输入和正向输出端的电位大小关系，从而画出特性曲线
对于滞回比较器
也是要计算运算放大器的反向输入和正向输出端的电位，列一个二者电位相同的方程，计算出满足该方程的输入电压ui，但是由于具有反馈电路，于是输出的电压会影响输入的电压，而输出电压具有两种情况，于是导致UT也会有两种情况，即要计算运算放大器的+UT（当输出电压为+Uz的时候的UT）和-UT，（当输出电压为-Uz的时候的UT），再根据滞回比较器的原理，可以画出特性曲线
反馈电路
基本介绍
反馈放大器的组成框图
集成放大电路
反馈分类
根据极性
正反馈与负反馈
根据信号频率
直流反馈
反馈量只含有直流分量
交流反馈
反馈量只含有交流分量
交、直流反馈
反馈量既有交流分量，又有直流分量
根据采集的【输出】信号
电压反馈与电流反馈
根据对【输入】影响方式
串联反馈
反馈网络与基本放大器串接，反馈信号以电压Uf 的形式出现。输入端的电量均体现为电压量
并联反馈
反馈网络与基本放大器并接，反馈信号以电流if 的形式出现。输入端的电量均体现为电流量
负反馈放大电路
负反馈对放大电路性能的影响
稳定放大电路
改变输入电阻和输出电阻
串联负反馈增大输入电阻；并联负反馈减小输入电阻 电压负反馈减小输出电阻；电流负反馈增大输出电阻
展宽频带
减小非线性失真
放大倍数下降
方框图及基本参数
要根据具体的组态来判定各个参数中的X表示的为电压量还是电流量
Xf的定义为反馈网路的输出量
Xo的定义为反馈网路的输入量
Xi（带撇）的定义为放大网路的输入量
负反馈组态的图示
基本介绍
所谓组态就是上面反馈分类中决定于输出的电压/电流式和决定于输入的并联/串联式电路类型的组合
抽象
电压串联式
电流串联式
电压并联式
电流并联式
具体
串联反馈
并联反馈
表达式
开环电路的放大倍数即为集成运算放大电路/三极管的放大倍数A
反馈系数即为反馈电路的参数F
即反馈电路一般框图的A和F
深度负反馈（重点）
基本介绍
比正常负反馈多了一个条件
闭环放大倍数
从公式中可以看出，闭环放大倍数主要由反馈网络的反馈系数决定，而不是由放大电路起决定性作用，稳定性大大提高
输入信号Xi和反馈信号Xf
对于集成运算放大电路来说，具体表现为“虚短”和“虚断”
解题
是否存在反馈及反馈通路的判断
是否存在“连接”输入回路、输出回路的反馈通路
“连接”，是否使“输出”影响放大电路的净输入
串联与并联反馈的判断
决定了Xi和Xf同为电压量还是电流量
看反馈回路的连接端和输入端是否为同一个结点，如果为同一个结点，则为并联反馈；如果不是同一个结点，则为串联反馈
直流、交流、交直流反馈的判断
通过画直流通路、交流通路来判断
电容阻直通交
正反馈与负反馈的判断（反馈极性）
对于三极管，输入量为UbeQ；对于集成放大电路，输入量为两个输入端的电压差，判断负反馈还是正反馈就是看反馈量和输入量变化对输入量的影响关系
电压的变化（增大/减少）不会因为经过一个电阻而发生变化，即经过一个电阻前后，电压的变化趋势是相同的
在瞬时极性法中都是先假设输入电压增大来推进后续分析，全程只有电压参与分析，不会考虑到电流，即全程都只是分析各个点的电位的变化情况（增大/减小）
瞬时极性法
常见的几种基本的传递关系
实例
分析过程
假设输入信号为电压信号，由于为反相输入端的电位增大，于是输出电压变小，同时由于分压原理，R3和R2之间的点电位下降，于是同相输入端的电位下降。原来反相输入端的电位增大的时候，输入电压减小，此时同相输入端的电位下降，输入电压也是趋于减小，于是反馈增强了输入量的变化，为正反馈
分析过程
假设输入电压增大，由于分压原理，于是反相输入端的输入电压增大，输出端的电压减少，由于经过一个电阻以后电压的变化趋势不会改变，而输出端的电压减少，于是可以推出输入电压减少，而最初为输入电压增大，于是反馈抑制了输入量的变化，为负反馈
电压与电流反馈的判断
决定了Xo为电压量还是电流量
负载短路法
将负载短路（如果只有一个输出端的话，负载短路简单来说就是把该输出端接地，因为只有一个输出端的时候，说明输出电压的另一端就是为地），如果反馈作用消失，表示为电压反馈；如果反馈作用依旧存在，表示为电流反馈
反馈作用：输入的变化引起输出变化，再反作用到输入端
【深度负反馈】条件下【闭环电压放大倍数】的计算
根据串、并联反馈对电路进行预处理
其实所谓的"预处理"，就是进行虚短虚断的应用而已
集成运算放大电路
即之前使用的虚短和虚断（两个输入端的电流为0，两个输入端的电位相等）
三极管
Ube=0，Ie = Ib = 0
可以看作是三极管的虚短和虚断
根据电路和定义式列方程求解
先求反馈系数F
为反馈信号Xf和输出信号Xo的比值
再求闭环放大倍数Af
为输出信号Xo和输入信号Xi的比值
在深度负反馈电路中即为F的倒数
最后求闭环电压放大倍数Auf
为输出电压Uo和输入电压Ui的比值
例子
电路图
题目
分析
组态分析
根据分析，可以得出此为电流串联组态的深度负反馈电路，于是Xo为电流量，Xf为电压量
预处理
根据虚断，于是R1和R2是串联的
电路正式分析
求F（重点）
可以看出，输出端虽然有一个三极管，但是我们关注的是电流，集电极和发射极电流几乎相等，于是Xo为Io，又此为串联型，于是Xf为Uf，即为R1两端的电压，R1和R2串联以后又和R3并联
求Af
求Auf
从输出端易看出Uo=RL*Io
三极管（具有两个PN结的器件）
分类（根据两个PN结如何进行组合）
NPN 型
PNP 型
符号
三极管的“三极”
集电极
符号C
发射极
符号E
基极
符号B
三极管的“三区”
集电区面积大
基区做得很薄。通常只有几微米到几十微米，而且掺杂浓度低
发射区高掺杂
三极管的放大
条件
三极管实现放大，由三极管内部构造特点和外加电源的极性、大小来共同确保：外加电源（极性、大小）使发射结处于正偏导通状态，集电结处于反向偏置状态
表现
小的基极电流可以控制大的集电极电流，二者成一个比例关系
参数特点
电流
一般基极电流远小于其他极的电流，所以在进行近似计算的时候，直接把集电极电流看作与发射极电流相同
发射极电流在NPN和PNP中都是最大的，但是在NPN和PNP中，这个发射极电流相对于三极管的电流流向有所不同
各个极的电流流向
电压
在放大情况下，PNP和NPN下，基极电压都是中间值（不是最大也不是最小）
导通电压：NPN硅管UBEQ＝0.7V，PNP锗管UBEQ＝0.2V
导通电压一定为基极电压和集电极电压相减的结果
在放大情况下 如果集电极电压高于发射极电压，说明此三极管为NPN型 如果集电极电压低于发射极电压，说明此三极管为PNP型
放大电路
放大电路的一般框图
多级放大电路
采用直接耦合方式的多级放大电路便于集成，可以放大直流信号
在多级放大电路中保证放大倍数不会被输入电阻和输出电阻影响，多级放大电路中的输入电阻只和第一级有关，输出电阻只和最后一级有关
放大电路的参数，即静态参数，动态参数（此处仅仅描述共射放大电路，其它两个放大电路的各个参数的求法相同）
静态分析
静态参数（静态工作点）
作用
设置合适的静态工作点，避免输出信号失真
直流通路的画法（f = 0Hz）
电容的容抗为无穷大，视为开路； 电感线圈的阻值很小，相当于短路； 交流信号源（使用小写字母表示的电源）视为短路，保留内阻；
静态工作点的估算
例子
动态分析
动态参数
输入电压ui
为除了电源（有的时候电源会画成理想电源串联内阻Rs的形式）以外的电压（即为电源经过内阻分压后的剩余电压）
输出电压uo
为负载RL两端电压
输入电压ui和输出电压uo的比值为电压放大倍数Av
输入电阻Ri
即为输入电压除以输入电流，输入电流为流经电源的电流
输入电阻越大越好，从前级索取的电流越小，对前级的影响越小
输出电阻Ro
涉及到戴维宁和诺顿中的等效电阻
一个最简单的方法就是把输入回路中的输入电源的电压置为0（变成一个导线），然后将输出回路的负载（如果有的话）替换为一个电压源，使用该电压源的电压除以流经电压源的电流，得到的阻值就是输出电阻
要注意，三极管等效出来的那个电流源为受控电源，值为beta倍的ib，如果ib为0，则受控电流源的发出的电流也必定是0，受控电流源所在线路的电流仅仅由控制线路的电流决定，【判断是否受控电流源具有电流，一个简单的方法就是先把受控电流源断开，先判断是否在控制线路产生电流，如果有电流，则受控电流源产生电流，如果没有电流，则受控电流源不产生电流，即受控电流源所在链路断开】
输出电阻愈小，带负载能力愈强(RL变化时，UO变化越小)
交流通路（微变等效电路）的画法
三极管之外的电路
大电容（耦合电容、旁路电容）对交流相当于短路； 电感线圈的阻值很大，相当于开路； 直流电源（使用大写字母表示的电源）内阻为零时，相当于短路； 对于直流电源两端电位，固定不变，在交流通路中一律视为接地（电位皆为0）
对于三极管使用等效电路法
等效于
等效后的参数的计算公式
rbb'题目会给
IEQ为前面静态通路计算出的静态工作点
放大倍数/电压增益Av
完全的四个放大倍数会在后面的【负回馈电路部分】中大量涉及
Rs为信号源内阻，Us为信号源输入信号，Ri为输入信号，Ro为输出信号，RL为负载，Uo为输出电压，Ui为输入电压
有的时候可能题目会要求电源电压放大倍数Aus
Aus即为整个放大电路的输出电压除以理想电压源的电压
、
三种基本放大电路
共射放大电路（反相放大，具有放大作用，但是输入电阻和输出电阻较差，在多级放大电路中作为中间级起作用）
共集放大电路（电压跟随器，同相跟随，放大倍数几乎为0，但是输入电阻和输出电阻较好，在多级放大电路中作为输入级和输出级起作用）
两个特殊的电路
含射极电阻的共射放大电路（实现了静态工作点稳定）
主要是注意在遇到这个电路的时候，VBQ是可以进行这样的估算的，简化了计算，这个电路设计出来就是为了可以稳定b点的电位，使电路受到温度的影响的时候，自己可以自动稳定静态工作点
差分放大电路
零点漂移问题
由于种种原因（比如外界干扰信号，温度较高导致的电子移动等）导致的输入电压为零时，输出电压离开原点，并缓慢地发生不规则变化的现象
功能
集成运算放大电路的两个输入端其实就是差分放大电路的两个输入端
消除【共模信号】（解决了【零点漂移】问题），放大【差模信号】
一般位于多级放大电路的第一级，起到加大输入电阻的作用
电路组成
信号类型
共模信号
差模信号
解题
（处于放大状态）判断PNP/NPN，硅/锗
已知电流
极小的电流（单位为uA）一般为基极电流
从而根据基极电流方向，即可判断为PNP还是NPN
通过PNP/NPN可以导出第三个电流的方向
根据基尔霍夫电流定律进行计算电流大小
练习题
P54 1.8
已知电压
大小位于中间的电压为基极电压
导通电压（极易看出）（硅0.7/锗0.2）为基极电压和反射极电压相差值，于是可以推出哪个是反射极
基极和反射极的位置确定了，集电极位置也就确定了
根据反射极和集电极的电压大小关系可以推出PNP/NPN
练习题
P55 1.9
判断三极管的工作状态
通过输入电压判断三极管是否导通（如果输入回路电压源的电压大于导通电压，即算三极管导通）
如果可以导通，先假设处于放大状态，进行输入回路的参数计算，再通过集电极电流和基极电流的倍数关系计算输出回路的参数
判断输出回路的分压关系是否合理
如果集电极和反射极电压计算出来为负数（哪个为被减数根据实际电路判断），即不合理，说明在该输入回路电压源电压下，三极管处于【饱和状态】
如果合理，说明三极管确实处于【放大状态】
如果不可以导通三极管处于【截止状态】，输入回路和输出回路的电流为0，电压要依据实际电路判断
练习题
P55 1.10
P55 1.12
基本放大电路的分析
详细步骤在上面讲解原理的时候，已经说得很清楚了，这里简单提一下
画出直流通路，分析几个静态工作点
画出交流通路，分析几个电路参数
练习题
P117 2.2
P118 2.7
P119 2.11
P119 2.13
二极管（具有一个PN结的器件）
普通二极管
符号
子主题
二极管的导通电压的含义
二极管能够实现导通的最小电压差值（注意电压方向）
一旦二极管处于导通状态，两端的电压差就固定为导通电压了
像理想电流源求其电压和理想电压源求其电流一样，流经二极管的电流取决于其他电路部分，只看二极管是得不出流经二极管的电流大小的
解题
对于一个具有普通的二极管的电路，如何分析
根据已知条件或实际情况确定二极管采用的模型
如果题中说明为“理想二极管”，表示二极管导通电压为0
先【假设二极管未接入】，分别计算二极管两端电位，将电压和导通电压比较并判断二极管的通断
分析计算其他电路参数
练习题
P52 三
P53 1.2
P54 1.3
等效模型（各种近似方法）
理想模型（使用的时候题目会告知）
导通
电压差为0，相当于开关闭合
截止
相当于开关断开
恒压降模型（大多数的题目都默认使用此模型）
导通
电压差恒定，为导通电压（硅 0.7 锗 0.2）
截止
相当于开关断开
折线模型（解题基本不使用）
导通
相当于一个具有导通电压的恒压源和电阻串联
截止
相当于开关断开
稳压二极管
符号
稳压二极管的反向击穿
和普通二极管比较
稳压二极管的状态除了具有截止、正向导通的状态以外，还有反向击穿状态，并且这个状态就是稳压二极管的正常工作状态
二极管两端的电压差达到反向击穿电压（注意电压方向）时，稳压二极管开始进入反向击穿状态，类似于普通二极管的正向导通状态，这个时候稳压二极管两端电压也是稳定不变的，为题目给出的稳定电压
参数
稳定电压Uz
在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压
最大稳定工作电流 Izmax
最小稳定工作电流 Izmin
解题
对于一个具有稳压二极管的电路
已知Izmax 和 Izmin，如何分析
判断稳压管是否处于反向击穿状态（使用了反证法）
先假设稳压管击穿（处于稳压管的正常工作状态）（注意击穿时的电压方向）
根据节点电流定律等进行电压、电流计算
验证判定是否成立，即判断Iz是否处于 Izmax 和 Izmin之间（注意电流方向为高电位流向低电位），如果不成立，表示二极管一定不处于反向击穿状态
判断稳压管是否处于导通状态（和判断普通二极管是否处于导通状态是一样的程序）
先【假设二极管未接入】，分别计算二极管两端电位，将电压和导通电压比较并判断二极管的通断
得到稳压管状态，继续分析计算其他电路参数
练习题
P54 1.6
直流稳压电源
二极管，最重要的应用之一，就是利用其单向导电性实现：交流→直流的变换，即整流
单相半波整流电路
输出电压平均值 或者【负载电阻上的电压平均值】
0.45*输入交流信号的有效值
【负载电阻上的电流平均值】
负载电阻上的电压平均值 除以 电阻值
如果题目没有提电网波动范围+-10%
【二极管的正向平均电流】=负载电阻上的电流平均值
【二极管承受的最大反向电压】=输入交流信号的峰值
如果题目有提电网波动范围+-10%
二极管的正向平均电流=负载电阻上的电流平均值*1.1
二极管承受的最大反向电压=输入交流信号的峰值*1.1
单相桥式全波整流电路
输出电压平均值 或者 负载电阻上的电压平均值
0.9*输入交流信号的有效值
负载电阻上的电流平均值
负载电阻上的电压平均值 除以 电阻值
如果题目没有提电网波动范围+-10%
二极管的正向平均电流=负载电阻上的电流平均值/2
二极管承受的最大反向电压=输入交流信号的峰值
如果题目有提电网波动范围+-10%
二极管的正向平均电流=(负载电阻上的电流平均值/2)*1.1
二极管承受的最大反向电压=输入交流信号的峰值*1.1
直接背半波和全波的【负载电阻上的电压平均值】，【负载电阻上的电流平均值】，【二极管的正向平均电流】，【二极管承受的最大反向电压】的计算公式
半导体基础知识
载流子为空穴或者电子
半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间
对温度的变化很敏感，温度越高，导电性能越强（即在相同的电压下，温度上升，电流会变大）
半导体分类
本证半导体
导电性能弱
杂质半导体
N型半导体
产生
向本证半导体掺杂五价元素，比如磷
特点
电子为多子
P型半导体
产生
向本证半导体掺杂三价元素，比如硼
特点
空穴为多子
PN结
硅管的导通电压为0.7V，锗管的导通电压为0.2V
硅二极管反向电流比锗二极管小