模拟电路设计之概念与器件

模拟电路设计之概念与器件

概念

模拟电路设计的意义：

根据需求，设计依靠数字电路无法完成的电路， 该电路只能用于处理模拟信号。

模拟信号：

自然界存在的所有信号都是模拟信号，其特点就是连续。

模拟信号的专业解释是用连续变化的物理量表示的信息，其信号的幅度或频率或相位随时间作连续变化，或在一段连续的时间间隔内，其代表信息的特征量可以在任意瞬间呈现为任意数值的信号(后面这种又叫做抽样信号)。 通常我们说的模拟信号就是时间连续，幅值也连续的信号。

模拟电路的实现：

模拟电路的设计三部曲就是：根据电路需要完成的功能，来选择器件、选择电路结构、选择器件参数。 器件的选择也是十分有讲究的，通常在实现电路之前，会根据模块的大小以及系统应用等方面来决定采用何种工艺，再去选择对应工艺中的各种高低压、有源无源器件。

器件

器件的分类：

主要可以分为有源器件和无源器件。

有源器件与无源器件：

从名字上就可以看出两种器件的区别，有源器件就是除输入信号外，其还需要外加电源才能工作的器件; 无源器件就是只需要输入信号就能正常工作的器件。

有源器件主要有：双极型晶体管，场效应管，PN结;

无源器件主要有：电阻、电容、电感

(这里主要讲了典型的元器件，没有全部罗列哦)

有源器件能对信号进行放大，而无源器件不行; 但有源器件的工作条件需要无源器件来产生。

通常有源器件是非线性元件，而无源器件是线性元件，但有源器件在特定偏置条件下可作线性元件使用。

那么下面大家考虑一下，二极管既不能放大，又和无源器件一样是两端器件，为什么是有源器件呢?

无源器件：

无源器件主要有电阻、电容和电感

电阻：R=V/I，电阻的一个重要作用就是进行电压和电流之间的转换，其电阻值的计算公式为：R=ρ*L/(W*d)，其中ρ为电阻率，d为电阻厚度，这两者在选定设计工艺以及材料后，就不能改变了，因此作为设计者来说，只有电阻的长L以及宽W能更改，因此电阻值计算公式还可以写为R=Rs*N，其中Rs为方块电阻(定值)，Rs=ρ/d，N为方块数 (可调整)，N=L/W。

电容：I=C*dV/dt，电容电压不能突变，这也是电容最重要的特性，依据该特性，电容能作滤波、延时、振荡等器件; 由于电容两端变化的电压能产生电流，因此电容还具有“通交流，隔直流”的作用。 电容容值的计算公式为：C=ε0*εox*W*L/tox，其中ε0为真空介电常数，εox为介质介电常数，tox为介质层厚度，这三者在选定工艺及材料后，也是不能改变的，因此设计者也只能改变电容的长L和宽W来改变电容C的大小了。

电感：V=L*dI/dt，电感电流不能突变，电感和电容都是重要的储能器件，其作用也和电容相似，如滤波、延时、振荡等; 变化的电流在电感上会产生变化的磁场来阻碍电流的通过，静态电流在电感上只能产生恒定磁场而不具备阻碍能力，因此电感具有“通直流，阻交流”的作用。 电感的计算公式为：L=L0*N^2*S/L(该L为电感长度)，其中L0位电感系数，与材料有关，N为线圈匝数，S为线圈截面积。 由于线圈面积较大，通常不用于集成设计。

有源器件：

有源器件主要有PN结、双极型晶体管和场效应管。

PN结：

PN结是由P型半导体和N型半导体制作在同一块半导体上构成的。

PN结的一个重要特征就是存在空间电荷区，这是因为PN结交界面上的载流子浓度差会造成载流子的扩散现象，即P区的空穴向N区扩散，N区的电子向P区扩散，从而在P区留下了固定不动的负电荷，N区留下了固定不动的正电荷，这就是空间电荷区。 空间电荷区会产生内建电场，使PN结内部的可移动电荷产生漂移电流，该电流与因浓度扩散产生的扩散电流相抵消，扩散与漂移互相限制，从而使PN结保持稳态。

在给PN结两端加上偏置电压后，PN结产生电流，其公式为IPN=Is0*[exp(VPN/VT)-1]，其中Is0为反向饱和电流，VPN为PN结两端的压差，VT为热电压(VT=26mV@T=300K)。由公式或IV特性曲线可以发现，当PN结反偏，即VPN为负电压时，流过PN结的电流为反向饱和电流Is0，且电流较小;当PN结正偏，即VPN为正电压时，流过PN结的电流随VPN程指数上升，此时电流公式可近似为IPN=Is0*exp(VPN/VT)，由此也能得到我们较常用的一个变换式VPN=VTln(IPN/Is0)。

PN结产生示意图

PN结IV转移特性

对设计者来说，在工艺和材料固定后，我们只能去选择采用不同面积的二极管。需要知道的是，PN结面积越大，反向饱和电流Is0越大，但Is0的大小并不受反偏电压的影响，因此当工艺、材料、面积以及温度都选定后，我们可以得到一个相对可靠的VPN绝对值。

PN结在直流下的作用大家都不陌生，由于其具有方向性，因此可起到隔离的作用;由于其反偏到雪崩时，能做到电压几乎不变，因此也能起到稳压、钳位的作用，由于存在正向导通压降，因此还能起到电平移位的作用。

PN结在交流下的作用，则需要通过其IV特性曲线来发现。在正向导通工作时，二极管的交流阻抗远小于直流阻抗，因此可产生低阻高频极点或交流短路;二极管耗尽区宽度随外加电压变化的特点还能产生结电容变容效应。

双极型晶体管(BJT)：两个PN结背靠背叠放在一起，就形成了双极型晶体管，也叫三极管，其三端分别为发射极、基极和集电极，可分为NPN和PNP两种结构。三极管具有放大作用，但需要工作在特定的工作条件下，即发射结正偏，集电结反偏，此时电子(或空穴)从发射区发射，被集电区收集。

三极管共有4种工作状态，即截止区，饱和区，线性放大区及击穿区。当三极管发射结正偏电压小于该PN结开启电压，即基区电流IB=0时，三极管工作在截止区，此时三极管没有电流流过;当三极管发射结正偏电压大于该PN结开启电压，但集电结也正偏时，流过三极管的电流IC完全受制于VCE电压，三极管工作于饱和区;当三极管发射结正偏电压大于该PN结开启电压，且集电结反偏时，流过三极管的电流开始与VCE电压无关，三极管工作在线性放大区;由于集电结工作在反偏状态，由PN结的IV转移特性可知，其存在反向击穿电压，因此当集电结反偏电压过大时，三极管击穿。

三极管的结构、符号与封装示意图

三极管IV转移特性

三极管工作在放大区的工作原理如下(以NPN管为例)：发射结正偏，根据PN结的工作原理，当PN结正向偏置且偏置电压大于PN结开启电压，就会有大量电子由N区扩散至P区，即从发射区扩散至基区;极电结反偏时，产生的由N区指向P区的强大电场，会将P区的电子扫至N区，即基区的电子会被扫至集电区;为保证从发射区发射出的电子能更多地被极电区收集，则需要把基区宽度尽量做窄，以避免电子在P型基区中被复合掉。

由上述原理可以发现三处电流，即发射区到基区的扩散电流IE，基区的复合电流IB与基区到集电区的漂移电流IC，且IE=IB+IC，三极管的放大倍数β=IC/IB。当三极管的基区厚度及三极管的材料、参杂选定后，通常三极管的放大倍数β为定值，当然前提条件是发射结正偏，集电结反偏。因此对设计者来说，工艺和材料定下之后，只剩下选择不同面积的权力了。

场效应管：对模拟电路设计来说，最熟悉以及最重要的应该就是MOS管了，其全称是金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)，是依靠电场去控制载流子运动的器件。由于太重要，所以我打算下一篇再说。