模擬電路設計之概念與器件

概念

模擬電路設計的意義：

根據需求，設計依靠數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。

模擬信號的專業解釋是用連續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變化，或在一段連續的時間間隔內，其代表信息的特征量可以在任意瞬間呈現為任意數值的信號(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，幅值也連續的信號。

模擬電路的實現：

模擬電路的設計三部曲就是：根據電路需要完成的功能，來選擇器件、選擇電路結構、選擇器件參數。 器件的選擇也是十分有講究的，通常在實現電路之前，會根據模塊的大小以及系統應用等方面來決定采用何種工藝，再去選擇對應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，場效應管，PN結;

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行電壓和電流之間的轉換，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，這兩者在選定設計工藝以及材料后，就不能改變了，因此作為設計者來說，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 (可調整)，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，εox為介質介電常數，tox為介質層厚度，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生變化的磁場來阻礙電流的通過，靜態電流在電感上只能產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，與材料有關，N為線圈匝數，S為線圈截面積。 由于線圈面積較大，通常不用于集成設計。

有源器件：

有源器件主要有PN結、雙極型晶體管和場效應管。

PN結：

PN結是由P型半導體和N型半導體制作在同一塊半導體上構成的。

PN結的一個重要特征就是存在空間電荷區，這是因為PN結交界面上的載流子濃度差會造成載流子的擴散現象，即P區的空穴向N區擴散，N區的電子向P區擴散，從而在P區留下了固定不動的負電荷，N區留下了固定不動的正電荷，這就是空間電荷區。 空間電荷區會產生內建電場，使PN結內部的可移動電荷產生漂移電流，該電流與因濃度擴散產生的擴散電流相抵消，擴散與漂移互相限制，從而使PN結保持穩態。

在給PN結兩端加上偏置電壓后，PN結產生電流，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特性曲線可以發現，當PN結反偏，即VPN為負電壓時，流過PN結的電流為反向飽和電流Is0，且電流較小;當PN結正偏，即VPN為正電壓時，流過PN結的電流隨VPN程指數上升，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結產生示意圖

PN結IV轉移特性

對設計者來說，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結面積越大，反向飽和電流Is0越大，但Is0的大小并不受反偏電壓的影響，因此當工藝、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，因此也能起到穩壓、鉗位的作用，由于存在正向導通壓降，因此還能起到電平移位的作用。

PN結在交流下的作用，則需要通過其IV特性曲線來發現。在正向導通工作時，二極管的交流阻抗遠小于直流阻抗，因此可產生低阻高頻極點或交流短路;二極管耗盡區寬度隨外加電壓變化的特點還能產生結電容變容效應。

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

三極管共有4種工作狀態，即截止區，飽和區，線性放大區及擊穿區。當三極管發射結正偏電壓小于該PN結開啟電壓，即基區電流IB=0時，三極管工作在截止區，此時三極管沒有電流流過;當三極管發射結正偏電壓大于該PN結開啟電壓，但集電結也正偏時，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;當三極管發射結正偏電壓大于該PN結開啟電壓，且集電結反偏時，流過三極管的電流開始與VCE電壓無關，三極管工作在線性放大區;由于集電結工作在反偏狀態，由PN結的IV轉移特性可知，其存在反向擊穿電壓，因此當集電結反偏電壓過大時，三極管擊穿。

三極管的結構、符號與封裝示意圖

三極管IV轉移特性

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

由上述原理可以發現三處電流，即發射區到基區的擴散電流IE，基區的復合電流IB與基區到集電區的漂移電流IC，且IE=IB+IC，三極管的放大倍數β=IC/IB。當三極管的基區厚度及三極管的材料、參雜選定后，通常三極管的放大倍數β為定值，當然前提條件是發射結正偏，集電結反偏。因此對設計者來說，工藝和材料定下之后，只剩下選擇不同面積的權力了。

場效應管：對模擬電路設計來說，最熟悉以及最重要的應該就是MOS管了，其全稱是金屬-氧化物-半導體場效應晶體管(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。