模拟电路-郑益慧

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PN结二极管

基本特性

问题合集：
(1) 空穴是假想出来的，那为什么空穴和电子迁移率不同？
(2) 为什么不掺杂6价元素，而是P？参考知乎

温度的影响：如果半导体器件的某个特性和【少子】(minority carrier)相关，那么受温度影响很大，如果仅仅与【多子】(majority carriers)相关，那么受温度影响较小。

【PN结】(平衡态，零偏置)：由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P区、自由电子从P区向N区运动。参与扩散运动(多子)和漂移运动(少子在内建电场下)的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了PN结。PN结处于平衡状态时的少子称为平衡少子；PN结处于正向偏置时，从P区扩散的N区的空穴和从N区扩散的P区的自由电子均称为非平衡少子。

【耗尽层】(depletion region)：是指PN结中在漂移运动和扩散作用的双重影响下载流子数量非常少的一个高电阻区域。耗尽层的内建电场对多子是势垒(即多子扩散减弱)，但是对少子是个坑(即有利于少子的漂移)。耗尽层的宽度与材料本身性质、温度以及偏置电压的大小有关。

对称节：耗尽层左边右边空间电荷区宽度一样，这是因为两边掺杂浓度一样。

不对称节：如果掺杂浓度一边高一边低，空间电荷区宽度宽窄就不一样，因为电荷量是一样的，所以浓度高的一侧更窄。(日本人和加拿大人一对一对拼，人口密度多的日本留下的土地少)

PN结电流方程 \(i=I_s\left(\text{exp}({\displaystyle\frac{q u}{k T}})-1\right)\)，其中\(I_s\)为反向饱和电流，\( 300 \mathrm{K}\)下\({\displaystyle\frac{q u}{k T}}=26 \mathrm{mV}\)

【正向偏置】(Forward Bias)：外电场削弱内建电场(少子的漂移运动减弱)，直到打破内建电场，多子扩散运动增强。Si管正向导通电压0.6~0.7V，Ge管0.2~0.3V，注意导通电压比开启电压高一点。正向偏置特性也可以被用来做稳压二极管，但是可调性较差。

正向特性三种状态：
(1) 死区，也叫截止区，此时硅管电压约小于0.5 V，锗管点压约小于0.1 V；
(2) 导通区，硅管电压大于0.5V，锗管大于0.1 V，应用最广泛的工作状态；
(3) 过流区，超过其最大工作电流，PN节温度过高而损坏。

【反向偏置】(Reverse Bias)：仍然有电流，因为反向偏置使得内建电场增强，于是少子的漂移运动得到增强，多子的扩散运动变化不大，所以产生反向电流，级别在μA，对温度特别敏感，Ge管反向饱和电流比Si管更大。反向偏置超过反向击穿电压，那么在很大的电流变化范围，电压几乎不变，相当于有稳定电压的作用，类似一个电压源，利用这种特性可以做成稳压二极管。另外可以通过控制掺杂浓度来控制反向击穿电压的大小，比如掺杂浓度低，击穿电压越高(对应雪崩击穿)。

反向特性两种状态：
(1) 反向截止区，只有很小的漏电流，一般不考虑
(2) 反向击穿区，反向电压超过UBR，增大电压的话电流急剧增大，这就是反向击穿电压。对于反向击穿也有两种状态，一种是永久性损坏，另一种是将反向击穿电压降下来之后，它还能恢复到正常工作状态(可利用这种特性做成稳压管)。

总结：

  • 多子数目远大于少子数目，在没有外加电场的时候，扩散运动的多子和漂移的少子达到动态平衡，但不是多子和少子相等，只是运动的部分相等，还有没运动的部分留在两边；
  • 在加了外加正向电压运动的多子就多了起来，说明平时有很多多子还没被调动起来，有了外力他们运动起来数量很多，所以形成了较大电流；
  • 加反向电压之所以电流小，是因为可以运动的少子太少了，就是有外力来动员，也没有多少可以动的。

【雪崩击穿】(Avalanche breakdown)：链式反应，发生于掺杂浓度低(耗尽层更宽，加速距离够长，类似于粒子加速器，撞开共价键得到价电子)，温度越高，击穿电压越高。(温度越高，晶格振动更显著，于是加速的自由程越低)

【齐纳击穿】(Zener breakdown)：发生于掺杂浓度高(耗尽层窄，小电压即有大电场强度)，温度越高，击穿电压越低。(破坏共价键，拉出价电子，所以热运动越强越容易发生)

击穿本身不会使得二极管发生永久性损坏，击穿导致的发热会使得PN结二极管烧毁。下图参考：Difference between Zener Breakdown And Avalanche Breakdown

PN结的电容：势垒电容(反向偏置或小的正向偏置，耗尽层宽窄变化等效的电容，可作为可变电容)、扩散电容(正向偏置，非平衡少子和电压之间的关系构成的)。

PN结的VI曲线和二极管的VI曲线差异：二者的伏安特性几乎是一样的，微小区别在于由于体电阻的存在。在相同的电压下，二极管的电流比PN结小；反向偏置下，二极管的反向电流大一点。

温度的影响：升高温度，正向特性左移(载流子活性增大)，反向特性下移(影响少子，反向漏电流增大)。在室温附近，每升高\( 1\)度，正向压降减小\(2 \sim 2.5 \mathrm{mV}\)；每升高\( 10\)度，反向电流增大一倍，利用该特性可以做廉价的温度传感器。二极管受温度的影响比较大，比如工作在反向截止区的反向漏电流，会随着温度的升高而增大(高温时可能到毫安级别)。

二极管的重要参数：

  • \(I_F\) — 最大平均正向整流电流(Maximum Average Forward)，即正向导通状态下能够长期稳定工作的电流，注意这是平均值不是瞬时值。
  • \(U_{R}\) — 最高反向工作电压。
  • \(U_{BR}\) — 反向最高电压/击穿电压 (Maximum Recurrent Peak Reverse Voltage)，这是瞬时值，通常为\(U_{R}\) 的两倍。
  • \(I_R\) — 反向(漏)电流：理想二极管没有反向漏电流，实际的二极管反向漏电流一般是微安级别，其大小能反映出二极管单向导电性的好坏。反向漏电流受温度影响比较大。硅管的反向漏电流一般比锗管小，而且硅管受温度影响也更小，温度稳定性更好。
  • \(f_M\) — 最高工作频率，因为有结电容。这个参数需要在高频电路中考虑，但一般整流的应用场景下不考虑，因为频率一般比较低。
  • 其他常见的参数：
    • \(U_F\) — 正向导通压降(Maximum Forward Voltage)，越小在二极管上产生的能量损耗越小。
    • 最大浪涌电流(Maximum Overload Surge)：即电流瞬间都不能超过的电流值，一般是\(I_F\)的几十倍。
    • \(T_{rr}\)反向恢复时间(Typical Reverse Recovery Time)：参考What are Fast Recovery Diodes (FRD)? 主要原因是pn节有电荷存储效应。FRD一般恢复时间几百个ns，肖特基二极管时间更短(几十个甚至几个ns)，适用于高频电路，肖特基二极管手册上一般不会标注反向恢复时间的参数，因为这个参数很小没有标的必要。如果输入信号频率非常高，而反向恢复时间很短，那么二极管很可能就丧失了单向导通的特性。

其他：

  • 二极管，类似"止逆阀"，比如用在卫生间地漏、抽烟机等，最早是1904年发明的真空电子二极管(能耗大、体积大)，1947年开始使用半导体二极管。
  • 二极管好坏的检测：万用表的电阻档量两端的电阻，正反测两次，两次如果一个数值很大一个很小，则说明正常工作。
  • 二极管作用：整流(AC转DC)、稳压(工作在反向击穿状态)、发光、光电信号(红外遥控器)。
  • 二极管【限流电阻】(Current Limiting Resistor)：不然电流太大，烧坏二极管。

电路实例

限幅电路，即削峰，峰值对于5V + Uon。该电路用了二极管两个特性，单向导电性，二极管一旦导通其导通电压变化很小。

二极管的整流作用

二极管的微变等效(类似small signal analysis)：电路中的电流几乎不变，即二极管D1上的电压降UD不变，因此红线相对于绿线(小交流电压源)boost的高度为2-UD。small signal analysis就是zen禅，即只关注二极管特性曲线上的一小段，于是可以近似线性化，即二极管等效于一个固定的电压降Uon + 固定的电阻rd。分析的时候，先仅考虑直流下的响应，然后仅考虑小交流下的响应，最终的解就是二者的叠加。

稳压二极管(也叫齐纳二极管)：可以工作在反向击穿电压下，在很大的电流变化范围内，其输出电压近似不变，所以可以起到稳定电压的功效。反向击穿不代表二极管损坏，除非进一步出现热击穿。实际应用中的稳压二极管，散热要好(即封装好)，同时要能通过比较大的电流。调节掺杂浓度和工艺，做出不同稳定电压的稳压二极管，注意单向稳压二极管，反向可以击穿的符号。

  • 输入电压最好是齐纳电压的2~3倍，以此让稳压管进入深度击穿状态；
  • 齐纳电压：稳压二极管的稳压值，比如标注的稳压值5.1 V，就是Nominal Zener Voltage，上图的1N5338B的稳压值就是5.1 V。
  • 上图中，如果R2的电阻很小，那么稳压二极管可能没有被击穿；
  • 如果齐纳二极管(或者普通二极管)直接接在电源两端，比如上图的稳压二极管接12V电压，那么不是二极管被烧坏就是电源被烧坏，所以有二极管必有限流电阻。

既然齐纳二极管这么好用，一个元件就可以稳住电压，那为什么还要DCDC芯片或者LDO芯片呢？因为齐纳二极管使用时限制非常多。一是只能用于负载比较小的场景，如果用于大电流场景发热就会很严重；二是缺乏反馈，负载的跳变和输入电源的跳变都会引起输出电压的剧烈波动。不推荐新手用齐纳二极管稳压，而且DCDC芯片或者LDO芯片已经很便宜了。

肖特基二极管

肖特基二极管：肖特基二极管是利用金属(金/银/铂)-半导体(N)接面作为肖特基势垒，以产生整流的效果，和一般二极管中由半导体-半导体接面产生的P-N结不同。肖特基势垒的特性使得肖特基二极管的导通电压降较低，而且可以提高切换的速度。

优点：
(1) 反向恢复时间\(T_{rr}\)小；
(2) 开启电压低(0.1~0.2 V)，导通后压降小。

缺点：
(1) 反向击穿电压低，一般100 V以内；
(2) 反向漏电流比较大，截止状态还要消耗能量，而且反向漏电流受温度影响较大。

应用场景：高频，低压，大电流。

 

整流二极管

整流二极管的作用：利用二极管的单向导电性，将交流电转成直流电。

低频整流二极管的特点： 
(1) 正向整流电流\(I_F\) 比较大；
(2) 反向电压值\(V_R\)比较高；
(3) 结电容大，不适合高频信号，因为高频信号在结电容大的二极管上失去单向导电性；
(4) 一般用硅管，低频整流往往是大电流，发热更严重，而硅管的温度稳定性好

常见的低频整流二极管有1N4000系列，1N5400系列，耐压值都能有几百伏甚至上千伏。

高频整流二极管需要考虑的参数：
(1) \(I_F\) 
(2) \(V_R\)
(3) \(f_m\)
(4) \(T_{rr}\)

常见的高频整流二极管有快速恢复二极管、肖特基二极管。

 

BJT

基本特性

  • 发射区要发射载流子，所以其掺杂浓度是所有区域中最高的。极电区之所以能收集载流子，可以想象掺杂浓度不能过高，但是面积最大 (仓库要面积大，里面没有塞满东西，这样就可以装很多新的货)；
  • 基区掺杂浓度低、非常薄；发射区掺杂浓度高，集区掺杂浓度低；
  • 两个PN结：【发射结】和【集电结】；
  • 箭头的方向—发射结导通的方向；
  • 电流放大条件：发射结正偏，集电结反偏；
  • 共射放大系数(C/B)，共基放大系数(C/E)；
  • 三极管的电流放大作用，其实表现出其对电源输出功率(能量)的控制；

对于NPN型三极管，发射结正偏，发射区的自由电子扩散到基区，基区的空穴扩散到发射区(由于基区掺杂浓度相对于发射区很小，所以该部分的电流贡献可以忽略)，P区非平衡少子远远大于之前的多子。

我们常说的三极管放大一般是指共射放大系数，即\(\displaystyle\frac{I_{\mathrm{C}}-I_{\mathrm{CBO}}}{I_{\mathrm{B}}+I_{\mathrm{CBO}}}\approx \frac{I_{\mathrm{C}}}{I_{\mathrm{B}}}\)，其中\(I_{\mathrm{CBO}}\)为平衡少子在集电区与基区之间的漂移运动所形成的的电流。

补充：于是取名为trans-resistor(转换电阻)，后来缩写为transistor，中文译名就是晶体管。

 

特性曲线共射

输入特性：输入回路，即E和B构成的回路，关注\(i_{\mathrm{B}}=\left.f\left(u_{\mathrm{BE}}\right)\right|_{U_{\mathrm{CE}}}\) 先固定\(U_{\mathrm{CE}}\)，变化的的话得到曲线族；

输出特性：输出回路，即E和C构成的回路，关注\(i_{\mathrm{C}}=\left.f\left(u_{\mathrm{CE}}\right)\right|_{I_{\mathrm{B}}}\) 先固定\(I_{\mathrm{B}}\)，变化的的话得到曲线族；

  • 放大区：发射结正偏，集电结反偏，\(i_{\mathrm{C}}=\beta I_{\mathrm{B}}\)，不考虑交直流的放大差异。在该区域，随着\(U_{\mathrm{CE}}\)的增大，电流\((i_{\mathrm{C}}\)不是完全水平线，而是略微上扬，但是一般不考虑；
  • 截止区：发射结电压小于开启电压(相当于关闭开关)，集电结反偏，CE断路，\(I_{\mathrm{B}}=0\)时CE之间的电流就是穿透电流\(I_{\mathrm{CEO}}\approx 0\)；
  • 饱和区：双结正偏，C和E之间的电位差很小，\( i_{\mathrm{C}}＜\beta I_{\mathrm{B}}\)；

极限参数：对功率、电流、电压的限制

  • 最大集电极消耗功率\(P_{\mathrm{CM}}=i_{\mathrm{C}} \cdot u_{\mathrm{CE}}\)
  • 最大集电极电流\(I_{\mathrm{CM}}\)
  • 极间反向击穿电压：某一极开路，另两极之间所允许的反向电压；

温度的影响：输入特性曲线左移，穿透电流\(I_{\mathrm{CEO}}\)增大，放大倍数增大。

光电三极管

光电三极管 = 光电二极管 + 三极管，即流经C的电流和光电二极管接收到的光的照度成比例。配合一个发光二极管，可以得到光电耦合器，即两侧电气完全绝缘。另外发光二极管和光电三极管之间可以通过光纤来传递信号，这样受到的干扰更小(相比电信号的传递)。

补充光电二极管，光电池，1 photovoltaic  photoconductive  暗电流，光电耦合器图片。

 

场效应晶体管

JFET

Field-Effect Transistor场效应管可分为MOSFET和JFET (junction gate field-effect transistor)结型场效应晶体管。JFET的工作原理非常简单，但是没有MOSFET应用广泛，这就造成了人们只熟悉MOSFET，而对JFET知之甚少。给G极0 V，DS导通；给G极-5 V，DS截止，因为反向偏置电压下耗尽层(白色部分，不导电)增大，把沟道关闭。

JFET也分为N型沟道和P型沟道，由于不加G电压的情况下DS之间是导通的，所以JFET都是耗尽型。

注意：UGS一定要小于零，否则pn节导通，就不是FET了。

JFET和耗尽型绝缘栅型MOS管最大的区别是它不能工作在UGS大于零的区间。JFET的输入电阻没有MOSFET的高，而且不能用于UGS大于零的区域(N沟道)，而且还有漏电流，但是JFET的好处是这个管子不容易坏，而MOSFET相对更娇贵。MOSFET的SiO2绝缘，但是特别薄，如果没有很好地保护G极的情况下，感应电荷可能就可以击穿这层SiO2。SiO2薄那么加的电压很小电场很大。

 

MOS管

MOS管也叫绝缘栅型场效应管，因为栅极Gate既和Drain也和Source绝缘。Depletion mode(耗尽型)是指DS之间是否本来就有通道，Enhancement mode(增强型)是指DS没有通道。两种分类方法最终可以得到四种不同类型的MOS管，即下图：注意
(1) 箭头始终是 p→n；
(1) 中间断开(类似dash line)是增强型(即D和S天生是断开的，无沟道)，连上是耗尽型(NMOS耗尽型，G极下面的SiO2制备的时候掺杂使其带正电固定在SiO2里面，于是下面天生有N型沟道)；

要点：

  • S极和衬底极(Body)可以接在一起，也可以不接在一起(总共四个极)，对于不接在一起的情况D和S可以互换(存疑)。弹幕有说工艺生产中一般不可以互换，D端一般加厚。后面的讨论都是S和B接在一起的情形；
  • G极电阻很大，所以工作的时候流入G极的电流很小，所以研究G极电压和G极电流之间的关系没有实际意义；

NMOS增强型分析：

RDS类似一个由uGS电压控制的可变电阻器，因为uGS控制了沟道的宽度，uGS增大，反型层(导电沟道)将变厚变长。
注意：uGS电压比较小的时候，如上面左图所示，body靠近SiO2的那一薄层的空穴被赶走了，于是形成耗尽层。uGS电压足够大时(大于uGS(th))，才可以形成反型层，反型层将两个N区相接时，形成导电沟道。

DS可以加电压，GS可以加电压，但是在分析的时候需要先固定其中一个变量，单独分析其中的一个变量，然后谈他们的耦合问题。上图中，D和S直接相连，即uDS电压=0，N沟道是长方形，上下电压差uGS决定了沟道的宽度，即靠近S和靠近D侧的宽度一样，因为电压降都为uGS。

如果给uDS加电压(当然前提是uGS电压大于uGS(th))，那么靠近S侧的上下电压差依然不变(uGS)，而靠近D侧的上下电压差减小uDS，于是沟道成了梯形。在预夹断(pinch-off)前，只要uGS不变，那么从零开始增大uDS，使得沟道从长方形变为梯形，但这个过程中沟道电阻不变，即此时可以将沟道看作是一个固定电阻。

中间的图即对应uDS电压足够大之后，预夹断，形成三角形的沟道。进一步增大uDS电压则对应右边的图，看似图中的三角形沟道右侧已经不和D极接触，实际上还是存在细小的沟道(缝)连接到D极，只是图中的画法有点夸张；此时RDS类似一个由uDS电压控制的可变电阻器，电阻的变化最终维持IDS电压几乎恒定(恒流)。
输出特性曲线：

  • 欧姆区(可变电阻区)：uDS和uGS共同决定IDS，这里的可变电阻的意思是，改变uGS共就可以改变电阻；
  • 饱和区(恒流区)，IDS和uGS成比例；
  • 截止区：uGS成过小，MOSFET OFF；
  • 虚线：预夹断轨迹线；
  • 注意：上图的输出特性曲线有个地方画错了，uGS增大，那么沟道更宽，电阻更小，于是右图的直线上升部分斜率越大才对。

NMOS的选型参数：
(1) 封装：即NMOS的外形和尺寸，一般来说封装越大，能承受的电流也越大。
(2) VGS(th)：选择MOS管的时候，如果你的高电平对应的是5V，选3V左右的VGS(th)是比较合适的。VGS(th)太小的话会因为干扰而误触发，太大的话又打不开MOS管。如果是耗尽型，则该参数是VGS(off)；
(3) RDSon(drain-source on-state resistance)：MOS管被完全打开时DS的电阻，这个数值越小越好，因为越小分压越低，发热也相对较低，但是相应的MOS管的价格越高，体积也会比较大。
(4) CGS：这个寄生电容会影响MOS管的打开速度(高频下出问题)，因为加载到G的电压首先要给电容充电，所以GS的电压有一个爬升的过程。因为CGS比较小，我们一般情况下察觉不到它的存在，除非放大时间尺度，或者增大信号频率。一般CGS和RDSon，一个越大另一个就越小，所以需要平衡二者的关系。
(5) 跨导(低频)：\(g_m=\left.\frac{\Delta i_D}{\Delta U_{G S}}\right|_{U_{D S}=\text{const}}\)。

 

MOS管的两个特性：
(1) MOS管的G极输入阻抗非常高，这是因为有绝缘层的存在，几乎完全关闭了电子的通道，输入电阻可以达到上亿欧姆，即G极输入不取电流(GS之间没电流)，这也是为什么现在的芯片集成的都是MOS管
(2) MOS管的G极很容易被静电击穿，由于G极输入阻抗很大，感应电荷很难释放，它产生的高压很容易就把这一层薄薄的绝缘层给击穿，造成MOS管永久损坏。因为这个绝缘层被击穿后，电荷再也不能像以前一样聚集成N沟道，而是形成了G栅极和S源极之间的电流。

MOS管和三极管的对比：现在的电子产品总，越来越多用MOSFET来取代三极管，主要是MOSFET相对于三极管有明显的优势：输入阻抗高(10 M欧姆量级以上)，导通功耗低(节能省电)、比较容易集成(功耗大当然不利于集成)、噪声低。

  • MOS管是电压控制，控制端没有实际电流，所以发热少，而BJT的BE之间有电流；
  • MOS管只有多子参与导电，温度稳定性更好；BJT里面同时有电子导电和空穴导电，而其中的少子受温度影响大。
  • MOS管是电压控制的元件，而三极管是电流控制的元件。三极管BE之间可以理解为一个二极管，当给BE之间施加持续的高电平的时候，BE之间就会产生持续的电流，即三极管打开。MOS管的G和S之间不存在通路，它们之间仅仅存在一个寄生电容；当给G施加高电平时，除了一开始给这寄生电容充电的电流之外，并不存在其他电流，只要维持GS之间的电压差(无需有电流)MOS管就可以打开。当然了该寄生电容的存在，也会使得给MOS管输入低电平和MOS管截止之间存在一个延迟。
  •  MOS管导通以后，DS之间可以等效为一个电阻，而且这个电阻可以轻松做到10 mΩ，此时即使通过10 A的电流也只会产生0.1 V的压降以及1 W的功耗。而三极管导通之后CE之间等效为一个二极管，就会产生一个固定的0.4 V左右的压降，如果通过的电流还是10 A显然三极管功耗4 W。因此现在大部分低压功率器件都使用了MOS管做控制；无论是集成电路内部还是作为分立元件，MOS管都比三极管有优势。
  • 三极管的优势：便宜。对于一些小功率的控制场景，比如LED、小功率电机等运行电流小于100 mA的情况，用三极管更划算。因为虽然三极管的功耗还是可以忽略，这也是三极管应用最多的场景。在一些电平转换电路用三极管也比较合适。
  • 三极管的放大特性在现实中已经很少有应用场景。

MOSFET body diode
If your studies lean toward VLSI design rather than discrete circuit design then you may have also learned that a MOSFET is really a 4-terminal device: gate, source, drain, and body. In VLSI design it is common to connect the bodies of all NMOS transistors to the lowest voltage in the circuit (ground, for digital circuits) and to connect the bodies of the PMOS transistors to the highest voltage in the circuit.

When MOSFETS are used as discrete devices, such as in power supplies or amplifiers, it is generally more convenient to connect the body to the source and treat the transistor as a 3-terminal device. This allows the MOSFETs to use the same packages as high-power BJT transistors and usually doesn't cause any problems. However, since the body is connected to the source a PN junction now exists between the combined body/source connection and the drain connection. In an NMOS transistor the diode's anode is the p-type body and the diode's cathode is the n-type drain. So, effectively there is a diode between the source and drain. In normal use this diode would be reverse biased.

参考资料：
(1) How should I understand the intrinsic body diode inside a MOSFET?
(2) Why there is a body diode in mosfets?
(3) 为什么MOS管要并联个二极管，有什么作用？

NMOS和PMOS的区别
(1) 负载能否接在NMOS下面，如图所示。这会存在一个问题：当NMOS打开的时候，DS之间的电阻接近于零，S的电压上升到5 V，此时如果还要维持NMOS的打开状态，G的电压必须大于VS + VGS(th) (大约7 V)，而系统能提供的最高电压也就是5 V，无法继续维持NMOS打开的状态，此时NMOS就会陷入一个不确定的状态。

(2) 灯泡放在下面还是上面有没有区别？

对于灯泡、电机这种无源功率器件，我们可以用NMOS作为下管控制。如果是芯片，则芯片的GND没有直接接地，隔了一个MOS管，这样在NMOS打开的时候，这个芯片就不能和其他芯片良好共地，可能会有通信混乱的问题。另外NMOS关闭的时候，芯片的VCC一直连着电源，电流就可能直接从IO口流出，让芯片进入未知的状态。因此控制芯片等有源器件的话，使用PMOS作为上管，既可以使芯片良好接地，而且可以完全掐断VCC的电源。

(3) 因为工艺的问题，PMOS的RDSon更大，而且PMOS更贵，市面上NMOS的型号也远多于PMOS，因此处于成本和易用性的考虑，优先考虑使用NMOS，除非实在不行。

(4) 对于NMOS的接线来说D在上面，S在下面，而PMOS正好相反。

 

 

基本放大电路

放大的概念：

  • 特征——功率放大；
  • 本质——能量的控制、转换；
  • 必要条件——有源元件(能控制能量的元件)；
  • 前提——不失真；
  • 测试信号——正弦波。

怎样构建基本放大电路：

  • 目标——小功率信号(小电流、小电压)变成大功率；
  • 条件——元件，电源；
  • 技术路线——三极管，工作在放大状态下，\(i_{\mathrm{B}}\)控制\(i_{\mathrm{C}}\)，小信号控制\(i_{\mathrm{B}}\) (也就是\(U_{\mathrm{BE}}\))，合理的输出。

放大电路中的接地：实际应用中，为了防止干扰，输入信号、直流电源、输出信号均有一端接在公共端，即【共地】(common ground)。

第一步：小交流+大直流作为电源，加上限流电阻，构建三极管的输入端，保证发射结正偏。

第二步：需要集电结反偏，以使三极管处于放大状态，那么需要在E和C之间加直流电源，于是产生电流\(i_{\mathrm{C}}\)。

第三步：负载(电阻)有两种连接方式，一是接在E+C+直流电源组成的回路上，即流过负载的电流就是\(i_{\mathrm{C}}\)，二是先在刚才的回路中接一个电阻\(R_{\mathrm{C}}\)，于是可以在EC两端提取出电压信号。按第二种方式来，于是得到如下的基本共射放大电路。

共射指的是输入回路与输出回路共用一个发射极，即上图中下面的黑点。输入电压信号\(u_{\mathrm{i}}\)为零时，晶体管各极电流及BE压降、CE压降称为【静态工作点】Q。

放大电路的组成原则：
• 静态工作点合适：合适的直流电源、合适的电路参数。
• 动态信号能够作用于晶体管的输入回路，在负载上能够获得放大了的动态信号。
• 对实用放大电路的要求：共地、直流电源种类尽可能少、负载上无直流分量。

【直接耦合放大电路】：电路中信号的传递，叫作信号的耦合，直接耦合就是输入信号和输出信号是通过放大电路来直接连接实现的，没有滤波什么的。

基本共射放大电路中有两个直流电源，而且输入信号没有像输出信号和放大电路一样共地。修改之后，只需要一个直流电源，输入的小信号\(u_{\mathrm{i}}\)通过一个电阻\(R_{\mathrm{b} 1}\)连接到三极管的B极。注意电阻\(R_{\mathrm{b} 1}\)是必须的，否则BE之间的电压就是小信号\(u_{\mathrm{i}}\)了。注意B极的电压可以通过叠加原理来分析，即两个电压源分别单独作用(另一个电压源设为零)然后加和。

【阻容耦合放大电路】直接耦合放大电路中，由于小信号\(u_{\mathrm{i}}\)是纯交流，于是\(R_{\mathrm{b} 1}\)的存在会导致交流损失，于是可以用电容替代\(R_{\mathrm{b} 1}\)。\(u_{\mathrm{i}}\)是纯交流信号，可以越过电容，于是B极电压就是纯直流+纯小交流。另外输出端接一个电容，这样输出的也是纯交流，即滤掉静态工作点时对应的直流部分，最终得到的电路就是阻容耦合放大电路，即下图所示。\(C_1\)和\(C_2\)两个耦合电容的容量应足够大，即对于交流信号近似为短路。其作用是"隔离直流、通过交流"，注意这种大容量的电容一般是电解电容，区分正负的，反接会爆。静态时\(U_{\mathrm{C1}}=U_{\mathrm{BEQ}}\)，\(U_{\mathrm{C} 2}=U_{\mathrm{CEQ}}\)。动态时\(u_{\mathrm{BE}}=u_{\mathrm{i}}+U_{\mathrm{BEQ}}\)，信号驮载在静态之上，负载上只有交流信号。

上面我们展示的都是小电压放大为大电压，实际上输入可以是电压或者电流，输出也可以是电压或者电流，所以总共有四种放大倍数(关系)。对阻容耦合放大电路来说，输入信号的频率低的时候，电容的容抗很大，输入信号就不容易进去，输出信号不容易出来。另外三极管有一个重要参数就是特征频率(参看前面关于二极管最高工作频率)，因为三极管中PN结中结电容的存在，交流电流的放大倍数和频率有关，随着信号频率的升高，结电容的容抗不断减小，于是电流可以旁路了，即电流放大倍数变小，输出信号变小。总而言之，有一个放大电路有一个【通频带】(passband)，放大电路设计前需要知道放大对象，从而设计合理的通频带。其他重要参数还有输入电阻和输出电阻等，参考这里。

非线性电路一般用图解法，同时考虑外部电路给它的工作特性曲线，和内部自身的(输入/输出)特性曲线。

 

这种把输出引回到输入，使得输入产生变化，从而影响输出的，这样的一种状态叫作【反馈】。

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