模拟电子电路基础 总结

目录

前言

经过前四周的学习，我强烈感受到了模电课程知识点的繁多杂乱
加上自己学得并不用心，精力全部放在科研竞赛方面，已经慢慢感觉跟不上大家的节奏…
每次在课堂上观望着大佬们谈笑间问题灰飞烟灭…心中暗生羡慕qwq

综合以上情况，想自己尝试归纳总结书上和视频的知识点，
一是能看视频更加专注（之前总是走神 = =）
二是方便日后复习回顾
三是能对目前所学习的章节知识点有一个大的掌握

此博客将持续更新~

第一章 模拟电子电路导论

重点概括

  • 模拟放大器的定义和参数定义
  • 学会根据工程条件合理建模，掌握如何分析计算放大器的性能参数
  • 理解放大器分类和不同类放大器的参数描述和理想条件

一、信号

定义： 任何携带信息的物理量

对于模拟电子电路课程，信号的处理与分析是贯穿课程的主线。

常见的信号如正弦信号：
9H5kJH.png

音频信号：
9H5VSA.png

分类：

  • 模拟信号：时间和幅度都连续 (模电主要研究对象！)
  • 数字信号：时间和幅度都离散

转换：
A/D转换：采样和量化编码，将模拟信号转变为数字信号
D/A转换：上述转换的逆过程

表示：
两种方式：

  • 时序信号：以时间变量为横轴，信号幅度为纵轴
  • 频域信号：以频率变量为横轴，信号幅度为纵轴

举例：
9HoKPg.md.png

  • 信号的时域信息：判断是否需要放大等后续处理。
  • 信号的频域信息：判断是否需要设计滤波等电路。

综上可见：时域和频域，不过是观察信号信息的两个不同视角。

拓展阅读：信号频域和时域的关系—知乎

二、电子系统

9LfGK1.md.png
电子系统是处理信号的电路综合
其中如信号放大、滤波、AD转换均需要利用模拟电子电路的功能。
形如数据清洗对于数据挖掘的重要性，信号的预处理在电子系统中有着重要的地位。而在预处理环节，放大器是非常关键的组成部分。

故接下来的重点内容便是放大器。

三、放大器（AMPIFIER）

定义：满足$A = \frac{x_o}{x_i}$的系统。(A称为增益 Or 放大倍数)
即存在输入端和输出端，当在输入端输入一个 信号$x_i$，那么在输出端能够得到一个幅值放大的信号$x_o$，实现不失真的线性放大。

实际连接电路如下图：
CSElOf.png

参数说明：
$v_{sig}$：输入信号源
$R_{sig}$：输入信号源内阻
$R_L$：负载
$v_i$：输入电压
$v_o$：输出电压

传输特性：
理想放大器：斜率即为增益大小。
实际放大器：本质为换能器，为保证线性放大能力，输入信号范围存在限制。

重点！
放大器的主要参数： 增益、输入电阻、输出电阻、带宽

四种增益及放大器：
电压增益：$A_{v} = \frac{v_o}{v_i}(V/V)$ — 电压放大器
电流增益：$A_{i} = \frac{i_o}{i_i}(A/A)$ — 电流放大器
互阻增益：$A_{r} = \frac{v_o}{i_i}(V/A)$ — 互阻放大器
互导增益：$A_{g} = \frac{i_o}{v_i}(A/V)$ — 互导放大器

增益的分贝表示
起源：部分增益的值非常大，为了能够较好的观察和比较，通过取$log$后，将不同的增益聚集在一起。
表达式：
电压：$A_v(dB) = 20log|A_v|$
电流：$A_i(dB) = 20log|A_i|$
功率：$A_p(dB) = 10log|A_p|$

拓展：为什么$A_v(dB)$和$A_i(dB)$前的系数是$A_p(dB)$的2倍？
答：
由功率的定义式：$P = \frac{u^2}{R} = i^2R$，取$log$以后相应会多出一个2倍的关系。

输入电阻：（以电压放大器举例）
定义： $R_i = \frac{v_i}{i_i}$
引入源电压增益：$A_{vs} = \frac{v_o}{v_{sig}}$
由$v_i = \frac{R_i}{R_i + R_{sig}}v_{sig}$
推出： $A_{vs} = \frac{R_i}{R_i+R_{sig}}A_{v}$

故当$R_i >> R_{sig}$时，$A_v \approx A_{vs}$

输入电阻：（以电压放大器举例）
定义： $R_o= \frac{v_t}{i_t}$ ($v_{sig} = 0$ 且 外加测试信号源$v_t$代替了原来的负载。)
引入开路电压增益：$A_{vo} = \frac{v_{ot}}{v_{i}}$ ($R_{L} \rightarrow \infty$)
由$v_o = \frac{R_L}{R_L + R_{o}}v_{ot}$
推出： $A_{v} = \frac{R_L}{R_L+R_{o}}A_{vo}$

故当$R_o << R_{L}$时，$A_v \approx A_{vo}$

电压放大器建模：二端口网络 理想条件：
电压放大器： $R_i \rightarrow \infty$; $R_o \rightarrow 0 $
电流放大器： $R_i \rightarrow 0$; $R_o \rightarrow \infty $
互导放大器： $R_i \rightarrow \infty$; $R_o \rightarrow \infty $
互阻放大器： $R_i \rightarrow 0$ ; $R_o \rightarrow 0 $

拓展：个人理解：
对于不同类型的放大器，其本质是输入输出的信号类型差异，而理想状态其实是统一的，即：
1. 输入信号尽可能集中于$R_i$，若输入为电压，则$R_i \rightarrow \infty$， 否则$R_i \rightarrow 0$
2. 输出信号尽可能避开于$R_o$，若输出为电压，则$R_o \rightarrow 0 $, 否则 $R_o \rightarrow \infty $

放大器的频率响应
若信号均用频率表示，则放大器的增益为频率的函数：
$A(j\omega) = \frac{V_{o}(j\omega)}{V_{i}(j\omega)} = |A(\omega)|e^{j\varphi_{A}(\omega)}$
参数说明：
$|A(\omega)|$：放大器的 幅频函数
$\varphi_{A}(\omega)$：放大器的 相频函数

带宽BW

CSQrBn.md.png

定义：$BW = |f_H - f_L|$
通频带又称工作频带，能保证放大器进行线性不失真放大。
$f_H$：上限截止频率
$f_L$：下限截止频率

第二章 理想运算放大器及其线性应用

重点概括

  • 差分放大器、差模信号、共模信号、差模增益、共模增益、共模抑制比
  • 理想放大器特点及建模、“虚短”和“虚断”的定义及应用
  • 运放构成的基本组态电路
  • 分析和设计利用理想运放实现各类线性电路
  • 非理想运放的模型及相关参数

一、运算放大器理想模型及分析方法

定义：运算放大器（Operational Amplifier），简称运放，是目前最广泛使用的线性集成电路。
下面这段来自百度百科：

运算放大器（简称“运放”）是具有很高放大倍数的电路单元。在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。它是一种带有特殊耦合电路及反馈的放大器。

电路符号：
CS1UyQ.png

与放大器类似，不同在于存在两个输入端口。

拓展：
1. 定义：差模信号与共模信号：
对于任意一对信号$v_1$和$v_2$，
其差模信号定义为： $v_{id} = v_2 - v_1$
其共模信号定义为：$v_{icm} = \frac{v_1 + v_2}{2}$

反过来看：
对于任意一对信号$v_1$和$v_2$，有：
$v_1 = v_{icm} - \frac{v_{id}}{2}$
$v_2 = v_{icm} + \frac{v_{id}}{2}$
即包含大小相等、极性相反的差模信号和大小相等极性相同的共模信号。

  1. 差分放大器
    特点：放大差模信号、抑制共模信号

第四章 场效应管 FET

重点概括

  • MOSFET器件结构、工作原理、特性及参数
  • CS放大器的传输特性
  • MOS放大器偏置电路设计方法

一、MOSFET结构及工作原理

1、简介

定义：FET是一种利用电压控制电流大小的单极性半导体器件。

特点： 低功耗、低噪声、输入阻抗高、热稳定性好

分类：

  • MOSFET（金属-氧化物-半导体场效应管）
    • N、P沟道
    • 增强型、耗尽型

故MOSFET分为四类：
NEMOSFET: N沟道增强型；NDMOSFET：N沟道耗尽型；
PEMOSFET：P沟道增强型；PDMOSFET：P沟道耗尽型；

  • JFET（结型场效应管，本身为耗尽型）
    • N、P沟道

故JFET分为两类：
NJFET:N沟道耗尽型；PJFET：P沟道耗尽型。

沟道：FET器件内部载流子导电的通路，当导电的载流子为自由电子时称为N沟道；导电载流子为空穴时，称为P沟道。

增强型：生产时内部没有导电沟道
耗尽型：生产时内部已有导电沟道

2、MOSFET结构及工作原理

结构：
1. 四端子：栅极G(Gate)、源极S(Source)、漏极D(Drain)、衬底极B(Body)
2. 沟道参数： L、W

特点：
1. 对称结构，S极和D极可互换
2. 源区和漏区分别与衬底之间形成PN结，需保证其反偏。
—— 处理方式：源极和衬底极相连，并使之连接到电路的最低电位。

工作原理：
1. $V_{GS}$ 的作用：创建N沟道，控制沟道深度
2. $V_{DS}$ 的作用：形成漏极电流 $I_{D}$

为实现MOS管正常工作，两者缺一不可！
如果没有 $V_{GS}$ 而 只有 $V_{DS}$ ： 将不会有导电的沟道。
如果没有 $V_{DS}$而 只有 $V_{GS}$ ： 将没有电流。

工作过程
9zVyy6.png

  1. $V_{GS} < V_t$ ： 截止状态，工作区称为截止区。
    注：$V_t$ 称为开启电压，其值为刚刚开始形成导电沟道所形成的 $V_{GS}$ 电压值
  2. $V_{GS} > V_t$：形成导电沟道，$V_{GS}$越大，沟道深度越深，等效电阻越小。
  3. $V_{DS}>0$：在导电沟道上出现漏极电流 $I_{D}$， 且$I_{D}$随$V_{DS}$的增大而增大。
  4. $V_{GS} > V_t $ && $ V_{DS}<V_{GS} - V_t$：工作在变阻区
  5. $V_{GS} > V_t $ && $ V_{DS}>V_{GS} - V_t$：沟道预夹断，$I_{D}$达到饱和，工作在饱和区，$V_{DS}$继续增大将出现沟道长度调制效应；$V_{DS}$过大时会出现击穿。

沟道长度调制效应：$V_{DS}$继续增大使得预夹断点会略向源区移动，等效电阻略有减小，$I_D$略有增大。当L的值为纳米级时需格外关注此效应的作用。

二、结型场效应管

三、场效应管电路直流偏置

1、FET放大器传输特性

=

四、场效应管放大电路分析 (Important)

1、重点概括：

  • MOS放大器偏置电路的设计方法
  • MOS放大器的分类及基本组态电路的参数分析
  • 根据工程条件及指标要求，MOS放大器的设计步骤

Update

2018/03/22 更新第一章内容
2018/03/26 更新第四章内容
2018/04/01 补充第一章和第四章内容