模擬電路設(shè)計之概念與器件

概念

模擬電路設(shè)計的意義：

根據(jù)需求，設(shè)計依靠數(shù)字電路無法完成的電路， 該電路只能用于處理模擬信號。

模擬信號：

自然界存在的所有信號都是模擬信號，其特點就是連續(xù)。

模擬信號的專業(yè)解釋是用連續(xù)變化的物理量表示的信息，其信號的幅度或頻率或相位隨時間作連續(xù)變化，或在一段連續(xù)的時間間隔內(nèi)，其代表信息的特征量可以在任意瞬間呈現(xiàn)為任意數(shù)值的信號(后面這種又叫做抽樣信號)。 通常我們說的模擬信號就是時間連續(xù)，幅值也連續(xù)的信號。

模擬電路的實現(xiàn)：

模擬電路的設(shè)計三部曲就是：根據(jù)電路需要完成的功能，來選擇器件、選擇電路結(jié)構(gòu)、選擇器件參數(shù)。 器件的選擇也是十分有講究的，通常在實現(xiàn)電路之前，會根據(jù)模塊的大小以及系統(tǒng)應(yīng)用等方面來決定采用何種工藝，再去選擇對應(yīng)工藝中的各種高低壓、有源無源器件。

器件

器件的分類：

主要可以分為有源器件和無源器件。

有源器件與無源器件：

從名字上就可以看出兩種器件的區(qū)別，有源器件就是除輸入信號外，其還需要外加電源才能工作的器件; 無源器件就是只需要輸入信號就能正常工作的器件。

有源器件主要有：雙極型晶體管，場效應(yīng)管，PN結(jié);

無源器件主要有：電阻、電容、電感

(這里主要講了典型的元器件，沒有全部羅列哦)

有源器件能對信號進(jìn)行放大，而無源器件不行; 但有源器件的工作條件需要無源器件來產(chǎn)生。

通常有源器件是非線性元件，而無源器件是線性元件，但有源器件在特定偏置條件下可作線性元件使用。

那么下面大家考慮一下，二極管既不能放大，又和無源器件一樣是兩端器件，為什么是有源器件呢?

無源器件：

無源器件主要有電阻、電容和電感

電阻：R=V/I，電阻的一個重要作用就是進(jìn)行電壓和電流之間的轉(zhuǎn)換，其電阻值的計算公式為：R=ρ*L/(W*d)，其中ρ為電阻率，d為電阻厚度，這兩者在選定設(shè)計工藝以及材料后，就不能改變了，因此作為設(shè)計者來說，只有電阻的長L以及寬W能更改，因此電阻值計算公式還可以寫為R=Rs*N，其中Rs為方塊電阻(定值)，Rs=ρ/d，N為方塊數(shù) (可調(diào)整)，N=L/W。

電容：I=C*dV/dt，電容電壓不能突變，這也是電容最重要的特性，依據(jù)該特性，電容能作濾波、延時、振蕩等器件; 由于電容兩端變化的電壓能產(chǎn)生電流，因此電容還具有“通交流，隔直流”的作用。 電容容值的計算公式為：C=ε0*εox*W*L/tox，其中ε0為真空介電常數(shù)，εox為介質(zhì)介電常數(shù)，tox為介質(zhì)層厚度，這三者在選定工藝及材料后，也是不能改變的，因此設(shè)計者也只能改變電容的長L和寬W來改變電容C的大小了。

電感：V=L*dI/dt，電感電流不能突變，電感和電容都是重要的儲能器件，其作用也和電容相似，如濾波、延時、振蕩等; 變化的電流在電感上會產(chǎn)生變化的磁場來阻礙電流的通過，靜態(tài)電流在電感上只能產(chǎn)生恒定磁場而不具備阻礙能力，因此電感具有“通直流，阻交流”的作用。 電感的計算公式為：L=L0*N^2*S/L(該L為電感長度)，其中L0位電感系數(shù)，與材料有關(guān)，N為線圈匝數(shù)，S為線圈截面積。 由于線圈面積較大，通常不用于集成設(shè)計。

有源器件：

有源器件主要有PN結(jié)、雙極型晶體管和場效應(yīng)管。

PN結(jié)：

PN結(jié)是由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體制作在同一塊半導(dǎo)體上構(gòu)成的。

PN結(jié)的一個重要特征就是存在空間電荷區(qū)，這是因為PN結(jié)交界面上的載流子濃度差會造成載流子的擴散現(xiàn)象，即P區(qū)的空穴向N區(qū)擴散，N區(qū)的電子向P區(qū)擴散，從而在P區(qū)留下了固定不動的負(fù)電荷，N區(qū)留下了固定不動的正電荷，這就是空間電荷區(qū)。 空間電荷區(qū)會產(chǎn)生內(nèi)建電場，使PN結(jié)內(nèi)部的可移動電荷產(chǎn)生漂移電流，該電流與因濃度擴散產(chǎn)生的擴散電流相抵消，擴散與漂移互相限制，從而使PN結(jié)保持穩(wěn)態(tài)。

在給PN結(jié)兩端加上偏置電壓后，PN結(jié)產(chǎn)生電流，其公式為IPN=Is0*[exp(VPN/VT)-1]，其中Is0為反向飽和電流，VPN為PN結(jié)兩端的壓差，VT為熱電壓(VT=26mV@T=300K)。由公式或IV特性曲線可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)PN結(jié)反偏，即VPN為負(fù)電壓時，流過PN結(jié)的電流為反向飽和電流Is0，且電流較小;當(dāng)PN結(jié)正偏，即VPN為正電壓時，流過PN結(jié)的電流隨VPN程指數(shù)上升，此時電流公式可近似為IPN=Is0*exp(VPN/VT)，由此也能得到我們較常用的一個變換式VPN=VTln(IPN/Is0)。

PN結(jié)產(chǎn)生示意圖

PN結(jié)IV轉(zhuǎn)移特性

對設(shè)計者來說，在工藝和材料固定后，我們只能去選擇采用不同面積的二極管。需要知道的是，PN結(jié)面積越大，反向飽和電流Is0越大，但I(xiàn)s0的大小并不受反偏電壓的影響，因此當(dāng)工藝、材料、面積以及溫度都選定后，我們可以得到一個相對可靠的VPN絕對值。

PN結(jié)在直流下的作用大家都不陌生，由于其具有方向性，因此可起到隔離的作用;由于其反偏到雪崩時，能做到電壓幾乎不變，因此也能起到穩(wěn)壓、鉗位的作用，由于存在正向?qū)▔航?，因此還能起到電平移位的作用。

PN結(jié)在交流下的作用，則需要通過其IV特性曲線來發(fā)現(xiàn)。在正向?qū)üぷ鲿r，二極管的交流阻抗遠(yuǎn)小于直流阻抗，因此可產(chǎn)生低阻高頻極點或交流短路;二極管耗盡區(qū)寬度隨外加電壓變化的特點還能產(chǎn)生結(jié)電容變?nèi)菪?yīng)。

雙極型晶體管(BJT)：兩個PN結(jié)背靠背疊放在一起，就形成了雙極型晶體管，也叫三極管，其三端分別為發(fā)射極、基極和集電極，可分為NPN和PNP兩種結(jié)構(gòu)。三極管具有放大作用，但需要工作在特定的工作條件下，即發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，此時電子(或空穴)從發(fā)射區(qū)發(fā)射，被集電區(qū)收集。

三極管共有4種工作狀態(tài)，即截止區(qū)，飽和區(qū)，線性放大區(qū)及擊穿區(qū)。當(dāng)三極管發(fā)射結(jié)正偏電壓小于該PN結(jié)開啟電壓，即基區(qū)電流IB=0時，三極管工作在截止區(qū)，此時三極管沒有電流流過;當(dāng)三極管發(fā)射結(jié)正偏電壓大于該PN結(jié)開啟電壓，但集電結(jié)也正偏時，流過三極管的電流IC完全受制于VCE電壓，三極管工作于飽和區(qū);當(dāng)三極管發(fā)射結(jié)正偏電壓大于該PN結(jié)開啟電壓，且集電結(jié)反偏時，流過三極管的電流開始與VCE電壓無關(guān)，三極管工作在線性放大區(qū);由于集電結(jié)工作在反偏狀態(tài)，由PN結(jié)的IV轉(zhuǎn)移特性可知，其存在反向擊穿電壓，因此當(dāng)集電結(jié)反偏電壓過大時，三極管擊穿。

三極管的結(jié)構(gòu)、符號與封裝示意圖

三極管IV轉(zhuǎn)移特性

三極管工作在放大區(qū)的工作原理如下(以NPN管為例)：發(fā)射結(jié)正偏，根據(jù)PN結(jié)的工作原理，當(dāng)PN結(jié)正向偏置且偏置電壓大于PN結(jié)開啟電壓，就會有大量電子由N區(qū)擴散至P區(qū)，即從發(fā)射區(qū)擴散至基區(qū);極電結(jié)反偏時，產(chǎn)生的由N區(qū)指向P區(qū)的強大電場，會將P區(qū)的電子掃至N區(qū)，即基區(qū)的電子會被掃至集電區(qū);為保證從發(fā)射區(qū)發(fā)射出的電子能更多地被極電區(qū)收集，則需要把基區(qū)寬度盡量做窄，以避免電子在P型基區(qū)中被復(fù)合掉。

由上述原理可以發(fā)現(xiàn)三處電流，即發(fā)射區(qū)到基區(qū)的擴散電流IE，基區(qū)的復(fù)合電流IB與基區(qū)到集電區(qū)的漂移電流IC，且IE=IB+IC，三極管的放大倍數(shù)β=IC/IB。當(dāng)三極管的基區(qū)厚度及三極管的材料、參雜選定后，通常三極管的放大倍數(shù)β為定值，當(dāng)然前提條件是發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。因此對設(shè)計者來說，工藝和材料定下之后，只剩下選擇不同面積的權(quán)力了。

場效應(yīng)管：對模擬電路設(shè)計來說，最熟悉以及最重要的應(yīng)該就是MOS管了，其全稱是金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)，是依靠電場去控制載流子運動的器件。由于太重要，所以我打算下一篇再說。