模电基础知识.docx

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模电基础知识

1、半导体材料制作电子器件与传统的真空电子器件相比有什么特点?

答：

频率特性好、体积小、功耗小，便于电路的集成化产品的袖珍化，此外在坚固抗震可靠等方面也特别突出；但是在失真度和稳定性等方面不及真空器件。

2、什么是本征半导体和杂质半导体？

答：

纯净的半导体就是本征半导体，在元素周期表中它们一般都是中价元素。

在本征半导体中按极小的比例掺入高一价或低一价的杂质元素之后便获得杂质半导体。

3、空穴是一种载流子吗?

空穴导电时电子运动吗?

答：

不是，但是在它的运动中可以将其等效为载流子。

空穴导电时等电量的电子会沿其反方向运动。

4、制备杂质半导体时一般按什么比例在本征半导体中掺杂？

答：

按百万分之一数量级的比例掺入。

5、什么是N型半导体?

什么是P型半导体?

当两种半导体制作在一起时会产生什么现象?

答：

多数载流子为自由电子的半导体叫N型半导体。

反之，多数载流子为空穴的半导体叫P型半导体。

P型半导体与N型半导体接合后便会形成P-N结。

6、PN结最主要的物理特性是什么？

答：

单向导电能力和较为敏感的温度特性。

7、PN结还有那些名称？

答：

空间电荷区、阻挡层、耗尽层等。

8、PN结上所加端电压与电流是线性的吗?

它为什么具有单向导电性?

答：

不是线性的，加上正向电压时，P区的空穴与N区的电子在正向电压所建立的电场下相互吸引产生复合现象，导致阻挡层变薄，正向电流随电压的增长按指数规律增长，宏观上呈现导通状态，而加上反向电压时，情况与前述正好相反，阻挡层变厚，电流几乎完全为零，宏观上呈现截止状态。

这就是PN结的单向导电特性。

9、在PN结加反向电压时果真没有电流吗?

答：

并不是完全没有电流，少数载流子在反向电压的作用下产生极小的反向漏电流。

10、二极管最基本的技术参数是什么？

答：

最大整流电流file:

///C:

\DOCUME~1\Owner\LOCALS~1\Temp\msohtml1\01\clip_image001.png">

11、二极管主要用途有哪些？

答：

整流、检波、稳压等。

12、晶体管是通过什么方式来控制集电极电流的?

答：

通过电流分配关系。

13、能否用两只二极管相互反接来组成三极管？

为什么？

答：

否；两只二极管相互反接是通过金属电极相接，并没有形成三极管所需要的基区。

14、什么是三极管的穿透电流？

它对放大器有什么影响？

答：

当基极开路时，集电极和发射极之间的电流就是穿透电流：

file:

///C:

\DOCUME~1\Owner\LOCALS~1\Temp\msohtml1\01\clip_image003.png">，其中file:

///C:

\DOCUME~1\Owner\LOCALS~1\Temp\msohtml1\01\clip_image005.png">是集电极-基极反向漏电流，file:

///C:

\DOCUME~1\Owner\LOCALS~1\Temp\msohtml1\01\clip_image007.png">和file:

///C:

\DOCUME~1\Owner\LOCALS~1\Temp\msohtml1\01\clip_image005.png">都是由少数载流子的运动产生的，所以对温度非常敏感，当温度升高时二者都将急剧增大。

从而对放大器产生不利影响。

因此在实际工作中要求它们越小越好。

15、三极管的门电压一般是多少？

答：

硅管一般为0.5伏.锗管约为0.2伏.

16、放大电路放大电信号与放大镜放大物体的意义相同吗?

答：

不相同。

17、在三极管组成的放大器中，基本偏置条件是什么？

答：

发射结正偏；集电结反偏。

18、三极管输入输出特性曲线一般分为几个什么区域？

答：

一般分为放大区、饱和区和截止区。

19、放大电路的基本组态有几种？

它们分别是什么?

答：

三种，分别是共发射极、共基极和共集电极。

20、在共发射极放大电路中，一般有那几种偏置电路？

答：

有上基偏、分压式和集-基反馈式。

21、静态工作点的确定对放大器有什么意义？

答：

正确地确定静态工作点能够使放大器有最小的截止失真和饱和失真，同时还可以获得最大的动态范围，提高三极管的使用效率。

22、放大器的静态工作点一般应该处于三极管输入输出特性曲线的什么区域？

答：

通常应该处于三极管输入输出特性曲线的放大区中央。

23、在绘制放大器的直流通路时对电源和电容器应该任何对待？

答：

电容器应该视为开路，电源视为理想电源。

24、放大器的图解法适合哪些放大器？

答：

一般适合共射式上基偏单管放大器和推挽式功率放大器。

25、放大器的图解法中的直流负载线和交流负载线各有什么意义？

答：

直流负载线确定静态时的直流通路参数。

交流负载线的意义在于有交流信号时分析放大器输出的最大有效幅值及波形失真等问题。

26、如何评价放大电路的性能?

有哪些主要指标?

答：

放大电路的性能好坏一般由如下几项指标确定：

增益、输入输出电阻、通频带、失真度、信噪比。

27、为什么放大器的电压增益的单位常常使用分贝？

它和倍数之间有什么关系？

答：

放大器的电压增益的单位常常使用分贝的原因：

（1）数值变小，读写方便。

（2）运算方便。

（3）符合听感，估算方便。

二者之间的关系是：

file:

///C:

\DOCUME~1\Owner\LOCALS~1\Temp\msohtml1\01\clip_image009.png">

28、放大器的通频带是否越宽越好？

为什么？

答：

不！

放大器通频带的宽度并不是越宽越好，关键是应该看放大器对所处理的信号频率有无特别的要求！

例如选频放大器要求通频带就应该很窄，而一般的音频放大器的通频带则比较宽。

29、放大器的输入输出电阻对放大器有什么影响？

答：

放大器的输入电阻应该越高越好，这样可以提高输入信号源的有效输出，将信号源的内阻上所消耗的有效信号降低到最小的范围。

而输出电阻则应该越低越好，这样可以提高负载上的有效输出信号比例。

30、设计放大器时，对输入输出电阻来说，其取值原则是什么？

答：

高入低出。

31、放大器的失真一般分为几类？

答：

单管交流小信号放大器一般有饱和失真、截止失真和非线性失真三类、推挽功率放大器还可能存在交越失真。

32、放大器的工作点过高会引起什么样的失真？

工作点过低呢？

答：

饱和失真、截止失真

33、放大器的非线性失真一般是哪些原因引起的？

答：

工作点落在输入特性曲线的非线性区、而输入信号的极小值还没有为零时会导致非线性失真。

34、微变等效电路分析法与图解法在放大器的分析方面有什么区别？

答：

可以比较方便准确地计算出放大器的输入输出电阻、电压增益等。

而图解法则可以比较直观地分析出放大器的工作点是否设置得适当，是否会产生什么样的失真以及动态范围等。

35、用微变等效电路分析法分析放大电路的一般步骤是什么？

答：

1）计算出Q点中的file:

///C:

\DOCUME~1\Owner\LOCALS~1\Temp\msohtml1\01\clip_image011.png">；

2）根据公式file:

///C:

\DOCUME~1\Owner\LOCALS~1\Temp\msohtml1\01\clip_image013.png">计算出三极管的file:

///C:

\DOCUME~1\Owner\LOCALS~1\Temp\msohtml1\01\clip_image015.png">。

3）用微变等效电路绘出放大器的交流通路。

4）根据3）和相应的公式分别计算放大器的输入输出电阻、电压增益等.file:

///C:

\DOCUME~1\Owner\LOCALS~1\Temp\msohtml1\01\clip_image017.gif">

36、微变等效电路分析法的适用范围是什么？

答：

适合于分析任何简单或复杂的电路。

只要其中的放大器件基本工作在线性范围内。

37、微变等效电路分析法有什么局限性？

答：

只能解决交流分量的计算问题，不能用来确定Q点，也不能用以分析非线性失真及最大输出幅度等问题。

38、影响放大器的工作点的稳定性的主要因素有哪些？

答：

元器件参数的温度漂移、电源的波动等。

39、在共发射极放大电路中一般采用什么方法稳定工作点？

答：

引入电流串联式负反馈。

40、单管放大电路为什么不能满足多方面性能的要求?

答：

放大能力有限；在输入输出电阻方面不能同时兼顾放大器与外界的良好匹配。

41、耦合电路的基本目的是什么？

答：

让有用的交流信号顺利地在前后两级放大器之间通过，同时在静态方面起到良好地隔离。

42、多级放大电路的级间耦合一般有几种方式？

答：

一般有阻容耦合、变压器耦合、直接耦合几种方式

43、多级放大电路的总电压增益等于什么?

答：

等于各级增益之乘积。

44、多级放大电路输入输出电阻等于什么？

答：

分别等于第一级的输入电阻和末级的输出电阻。

45、直接耦合放大电路的特殊问题是什么?

如何解决?

答：

零点漂移是直接耦合放大电路最大的问题。

最根本的解决方法是用差分放大器。

46、为什么放大电路以三级为最常见?

答：

级数太少放大能力不足，太多又难以解决零点漂移等问题。

47、什么是零点漂移？

引起它的主要原因有那些因素？

其中最根本的是什么？

答：

放大器的输入信号为零时其输出端仍旧有变化缓慢且无规律的输出信号的现象。

生产这种现象的主要原因是因为电路元器件参数受温度影响而发生波动从而导致Q点的不稳定，在多级放大器中由于采用直接耦合方式，会使Q点的波动逐级传递和放大。

48、什么是反馈?

什么是直流反馈和交流反馈?

什么是正反馈和负反馈?

答：

输出信号通过一定的途径又送回到输入端被放大器重新处理的现象叫反馈。

如果信号是直流则称为直流反馈；是交流则称为交流反馈，经过再次处理之后使放大器的最后输出比引入反馈之前更大则称为正反馈，反之，如果放大器的最后输出比引入反馈之前更小，则称为负反馈。

49、为什么要引入反馈?

答：

总的说来是为了改善放大器的性能，引入正反馈是为了增强放大器对微弱信号的灵敏度或增加增益；而引入负反馈则是为了提高放大器的增益稳定性及工作点的稳定性、减小失真、改善输入输出电阻、拓宽通频带等等。

50、交流负反馈有哪四种组态?

答：

分别是电流串联、电流并联、电压串联、电压并联四种组态。

阻抗匹配概念

阻抗匹配是指负载阻抗与激励源内部阻抗互相适配，得到最大功率输出的一种工作状态。

对于不同特性的电路，匹配条件是不一样的。

在纯电阻电路中，当负载电阻等于激励源内阻时，则输出功率为最大，这种工作状态称为匹配，否则称为失配。

当激励源内阻抗和负载阻抗含有电抗成份时，为使负载得到最大功率，负载阻抗与内阻必须满足共扼关系，即电阻成份相等，电抗成份只数值相等而符号相反。

这种匹配条件称为共扼匹配。

阻抗匹配（Impedancematching）是微波电子学里的一部分，主要用于传输线上，来达至所有高频的微波信号皆能传至负载点的目的，不会有信号反射回来源点，从而提升能源效益。

大体上，阻抗匹配有两种，一种是透过改变阻抗力（lumped-circuitmatching），另一种则是调整传输线的波长（transmissionlinematching）。

要匹配一组线路，首先把负载点的阻抗值，除以传输线的特性阻抗值来归一化，然后把数值划在史密夫图表上。

改变阻抗力把电容或电感与负载串联起来，即可增加或减少负载的阻抗值，在图表上的点会沿著代表实数电阻的圆圈走动。

如果把电容或电感接地，首先图表上的点会以图中心旋转180度，然后才沿电阻圈走动，再沿中心旋转180度。

重覆以上方法直至电阻值变成1，即可直接把阻抗力变为零完成匹配。

调整传输线由负载点至来源点加长传输线，在图表上的圆点会沿著图中心以逆时针方向走动，直至走到电阻值为1的圆圈上，即可加电容或电感把阻抗力调整为零，完成匹配

阻抗匹配则传输功率大，对于一个电源来讲，单它的内阻等于负载时，输出功率最大，此时阻抗匹配。

最大功率传输定理，如果是高频的话，就是无反射波。

对于普通的宽频放大器，输出阻抗50Ω，功率传输电路中需要考虑阻抗匹配，可是如果信号波长远远大于电缆长度，即缆长可以忽略的话，就无须考虑阻抗匹配了。

阻抗匹配是指在能量传输时,要求负载阻抗要和传输线的特征阻抗相等,此时的传输不会产生反射,这表明所有能量都被负载吸收了.反之则在传输中有能量损失。

高速PCB布线时，为了防止信号的反射，要求是线路的阻抗为50欧姆。

这是个大约的数字,一般规定同轴电缆基带50欧姆,频带75欧姆,对绞线则为100欧姆,只是取个整而已,为了匹配方便.

阻抗从字面上看就与电阻不一样，其中只有一个阻字是相同的，而另一个抗字呢？

简单地说，阻抗就是电阻加电抗，所以才叫阻抗；周延一点地说，阻抗就是电阻、电容抗及电感抗在向量上的和。

在直流电的世界中，物体对电流阻碍的作用叫做电阻，世界上所有的物质都有电阻，只是电阻值的大小差异而已。

电阻小的物质称作良导体，电阻很大的物质称作非导体，而最近在高科技领域中称的超导体，则是一种电阻值几近于零的东西。

但是在交流电的领域中则除了电阻会阻碍电流以外，电容及电感也会阻碍电流的流动，这种作用就称之为电抗，意即抵抗电流的作用。

电容及电感的电抗分别称作电容抗及电感抗，简称容抗及感抗。

它们的计量单位与电阻一样是奥姆，而其值的大小则和交流电的频率有关系，频率愈高则容抗愈小感抗愈大，频率愈低则容抗愈大而感抗愈小。

此外电容抗和电感抗还有相位角度的问题，具有向量上的关系式，因此才会说：

阻抗是电阻与电抗在向量上的和。

阻抗匹配是指负载阻抗与激励源内部阻抗互相适配，得到最大功率输出的一种工作状态。

对于不同特性的电路，匹配条件是不一样的。

在纯电阻电路中，当负载电阻等于激励源内阻时，则输出功率为最大，这种工作状态称为匹配，否则称为失配。

当激励源内阻抗和负载阻抗含有电抗成份时，为使负载得到最大功率，负载阻抗与内阻必须满足共扼关系，即电阻成份相等，电抗成份只数值相等而符号相反。

这种匹配条件称为共扼匹配。

一.阻抗匹配的研究

在高速的设计中，阻抗的匹配与否关系到信号的质量优劣。

阻抗匹配的技术可以说是丰富多样，但是在具体的系统中怎样才能比较合理的应用，需要衡量多个方面的因素。

例如我们在系统中设计中，很多采用的都是源段的串连匹配。

对于什么情况下需要匹配，采用什么方式的匹配，为什么采用这种方式。

例如：

差分的匹配多数采用终端的匹配；时钟采用源段匹配；

1、串联终端匹配

串联终端匹配的理论出发点是在信号源端阻抗低于传输线特征阻抗的条件下，在信号的源端和传输线之间串接一个电阻R，使源端的输出阻抗与传输线的特征阻抗相匹配，抑制从负载端反射回来的信号发生再次反射.

串联终端匹配后的信号传输具有以下特点：

A由于串联匹配电阻的作用，驱动信号传播时以其幅度的50％向负载端传播；

B信号在负载端的反射系数接近＋1，因此反射信号的幅度接近原始信号幅度的50％。

C反射信号与源端传播的信号叠加，使负载端接受到的信号与原始信号的幅度近似相同；

D负载端反射信号向源端传播，到达源端后被匹配电阻吸收；？

E反射信号到达源端后，源端驱动电流降为0，直到下一次信号传输。

相对并联匹配来说，串联匹配不要求信号驱动器具有很大的电流驱动能力。

选择串联终端匹配电阻值的原则很简单，就是要求匹配电阻值与驱动器的输出阻抗之和与传输线的特征阻抗相等。

理想的信号驱动器的输出阻抗为零，实际的驱动器总是有比较小的输出阻抗，而且在信号的电平发生变化时，输出阻抗可能不同。

比如电源电压为＋4.5V的CMOS驱动器，在低电平时典型的输出阻抗为37Ω，在高电平时典型的输出阻抗为45Ω[4]；TTL驱动器和CMOS驱动一样，其输出阻抗会随信号的电平大小变化而变化。

因此，对TTL或CMOS电路来说，不可能有十分正确的匹配电阻，只能折中考虑。

链状拓扑结构的信号网路不适合使用串联终端匹配，所有的负载必须接到传输线的末端。

否则，接到传输线中间的负载接受到的波形就会象图3.2.5中C点的电压波形一样。

可以看出，有一段时间负载端信号幅度为原始信号幅度的一半。

显然这时候信号处在不定逻辑状态，信号的噪声容限很低。

串联匹配是最常用的终端匹配方法。

它的优点是功耗小，不会给驱动器带来额外的直流负载，也不会在信号和地之间引入额外的阻抗；而且只需要一个电阻元件。

2、并联终端匹配

并联终端匹配的理论出发点是在信号源端阻抗很小的情况下，通过增加并联电阻使负载端输入阻抗与传输线的特征阻抗相匹配，达到消除负载端反射的目的。

实现形式分为单电阻和双电阻两种形式。

并联终端匹配后的信号传输具有以下特点：

A驱动信号近似以满幅度沿传输线传播；

B所有的反射都被匹配电阻吸收；

C负载端接受到的信号幅度与源端发送的信号幅度近似相同。

在实际的电路系统中，芯片的输入阻抗很高，因此对单电阻形式来说，负载端的并联电阻值必须与传输线的特征阻抗相近或相等。

假定传输线的特征阻抗为50Ω，则R值为50Ω。

如果信号的高电平为5V，则信号的静态电流将达到100mA。

由于典型的TTL或CMOS电路的驱动能力很小，这种单电阻的并联匹配方式很少出现在这些电路中。

双电阻形式的并联匹配，也被称作戴维南终端匹配，要求的电流驱动能力比单电阻形式小。

这是因为两电阻的并联值与传输线的特征阻抗相匹配，每个电阻都比传输线的特征阻抗大。

考虑到芯片的驱动能力，两个电阻值的选择必须遵循三个原则：

⑴．两电阻的并联值与传输线的特征阻抗相等；

⑵．与电源连接的电阻值不能太小，以免信号为低电平时驱动电流过大；

⑶．与地连接的电阻值不能太小，以免信号为高电平时驱动电流过大。

并联终端匹配优点是简单易行；显而易见的缺点是会带来直流功耗：

单电阻方式的直流功耗与信号的占空比紧密相关？

；双电阻方式则无论信号是高电平还是低电平都有直流功耗。

因而不适用于电池供电系统等对功耗要求高的系统。

另外，单电阻方式由于驱动能力问题在一般的TTL、CMOS系统中没有应用，而双电阻方式需要两个元件，这就对PCB的板面积提出了要求，因此不适合用于高密度印刷电路板。

当然还有：

AC终端匹配；基于二极管的电压钳位等匹配方式。

二.将讯号的传输看成软管送水浇花

2.1数位系统之多层板讯号线（SignalLine）中，当出现方波讯号的传输时，可将之假想成为软管（hose）送水浇花。

一端于手握处加压使其射出水柱，另一端接在水龙头。

当握管处所施压的力道恰好，而让水柱的射程正确洒落在目标区时，则施与受两者皆欢而顺利完成使命，岂非一种得心应手的小小成就？

2.2然而一旦用力过度水注射程太远，不但腾空越过目标浪费水资源，甚至还可能因强力水压无处宣泄，以致往来源反弹造成软管自龙头上的挣脱!

不仅任务失败横生挫折，而且还大捅纰漏满脸豆花呢！

2.3反之，当握处之挤压不足以致射程太近者，则照样得不到想要的结果。

过犹不及皆非所欲，唯有恰到好处才能正中下怀皆大欢喜。

2.4上述简单的生活细节，正可用以说明方波（SquareWave）讯号（Signal）在多层板传输线（TransmissionLine，系由讯号线、介质层、及接地层三者所共同组成）中所进行的快速传送。

此时可将传输线（常见者有同轴电缆CoaxialCable，与微带线MicrostripLine或带线StripLine等）看成软管，而握管处所施加的压力，就好比板面上“接受端”（Receiver）元件所并联到Gnd的电阻器一般，可用以调节其终点的特性阻抗（CharacteristicImpedance），使匹配接受端元件内部的需求。

三.传输线之终端控管技术（Termination）

3.1由上可知当“讯号”在传输线中飞驰旅行而到达终点，欲进入接受元件（如CPU或Meomery等大小不同的IC）中工作时，则该讯号线本身所具备的“特性阻抗”，必须要与终端元件内部的电子阻抗相互匹配才行，如此才不致任务失败白忙一场。

用术语说就是正确执行指令，减少杂讯干扰，避免错误动作”。

一旦彼此未能匹配时，则必将会有少许能量回头朝向“发送端”反弹，进而形成反射杂讯（Noise）的烦恼。

3.2当传输线本身的特性阻抗（Z0）被设计者订定为28ohm时，则终端控管的接地的电阻器（Zt）也必须是28ohm，如此才能协助传输线对Z0的保持，使整体得以稳定在28ohm的设计数值。

也唯有在此种Z0=Zt的匹配情形下，讯号的传输才会最具效率，其“讯号完整性”（SignalIntegrity，为讯号品质之专用术语）也才最好。

四.特性阻抗（CharacteristicImpedance）

4.1当某讯号方波，在传输线组合体的讯号线中，以高准位（HighLevel）的正压讯号向前推进时，则距其最近的参考层（如接地层）中，理论上必有被该电场所感应出来的负压讯号伴随前行（等于正压讯号反向的回归路径ReturnPath），如此将可完成整体性的回路（Loop）系统。

该“讯号”前行中若将其飞行时间暂短加以冻结，即可想象其所遭受到来自讯号线、介质层与参考层等所共同呈现的瞬间阻抗值（InstantaniousImpedance），此即所谓的“特性阻抗”。

　　是故该“特性阻抗”应与讯号线之线宽（w）、线厚（t）、介质厚度（h）与介质常数（Dk）都扯上了关系。

4.2阻抗匹配不良的后果　　由于高频讯号的“特性阻抗”（Z0）原词甚长，故一般均简称之为“阻抗”。

读者千万要小心，此与低频AC交流电（60Hz）其电线（并非传输线）中，所出现的阻抗值（Z）并不完全相同。

数位系统当整条传输线的Z0都能管理妥善，而控制在某一范围内（±10﹪或±5﹪）者，此品质良好的传输线，将可使得杂讯减少，而误动作也可避免。

　　但当上述微带线中Z0的四种变数（w、t、h、r）有任一项发生异常，例如讯号线出现缺口时，将使得原来的Z0突然上升（见上述公式中之Z0与W成反比的事实），而无法继续维持应有的稳定均匀（Continuous）时，则其讯号的能量必然会发生部分前进，而部分却反弹反射的缺失。

如此将无法避免杂讯及误动作了。

例如浇花的软管突然被踩住，造成软管两端都出现异常，正好可说明上述特性阻抗匹配不良的问题。

4.3阻抗匹配不良造成杂讯　　上述部分讯号能量的反弹，将造成原来良好品质的方波讯号，立即出现异常的变形（即发生高准位向上的Overshoot，与低准位向下的Undershoot，以及二者后续的Ringing）。

此等高频杂讯严重时还会引发误动作，而且当时脉速度愈快时杂讯愈多也愈容易出错。

形成干扰的基本要素有三个：

（1）干扰源。

指产生干扰的元件、设备或信号，用数学语言描述如下：

du/dt，di/dt大的地方就是干扰源。

如：

雷电、继电器、可控硅、电机、高频时钟等都可能成为干扰源。

（2）传播路径。

指干扰从干扰源传播到敏感器件的通路或媒介。

典型的干扰传播路径是通过导线的传导和空间的辐射。

（3）敏感器件。

指容易被干扰的对象。

如：

A/D、D/A变换器，单片机，数字IC，弱信号放大器等。

干扰的分类1干扰的分类干扰的分类有好多种，通常可以按照噪声产生的原因、传导方式、波形特性等等进行不同的分类。

按产生的原因分：

可分为放电噪声音、高频振荡噪声、浪涌噪声。

按传导方式分：

可分为共模噪声和串模噪声。

按波形分：

可分为持续正弦波、脉冲电压、脉冲序列等等。

2干扰的耦合方式干扰源产生的干扰信号是通过一定的耦合通道才对测控系统产生作用的。

因此，我有有必要看看干扰源和被干扰对象之间的传递方式。

干扰的耦合方式，无非是通过导线、空间、公共线等等，细分下来，主要有以下几种：

（1）直接耦合：

这是最直接的方式，也是系统中存在最普遍的一种方式。

比如干扰信号通过电源线侵入系统。

对于