模拟电子线路基础知识速查手册

适用场景: 考试复习、工程设计参考、快速查询核心参数 知识范围: BJT、FET/MOSFET 特性 + 基本放大电路对比

半导体器件基础

核心概念速记

载流子类型:

多数载流子: N 型半导体中的电子，P 型半导体中的空穴
少数载流子: N 型半导体中的空穴，P 型半导体中的电子

PN 结基本特性:

正向偏置: P 端接正，N 端接负，导通 (硅: ~0.7V, 锗: ~0.3V)
反向偏置: P 端接负，N 端接正，截止 (仅微弱漏电流)
击穿: 反向电压过大，雪崩击穿或齐纳击穿

BJT 双极型晶体管

结构与工作原理

三种结构类型:

NPN 型: 发射极 (N) - 基极 (P) - 集电极 (N)
PNP 型: 发射极 (P) - 基极 (N) - 集电极 (P)

电流关系:

I_E = I_B + I_C

I_C = \beta I_B = \alpha I_E

其中:

$\beta$ (电流放大系数) = 50 ~ 200 (典型值 100)
$\alpha = \frac{\beta}{\beta + 1} \approx 0.98 \sim 0.99$

BJT 三种工作状态

工作状态	发射结 (BE)	集电结 (BC)	应用场景
放大区	正偏	反偏	线性放大器
饱和区	正偏	正偏	开关导通
截止区	反偏	反偏	开关关断

主要特性参数

参数	符号	典型值/说明
电流放大系数	$\beta$ (或 $h_{FE}$ )	50 ~ 200
输入电阻	$r_{be}$	几百欧 ~ 几千欧
输出电阻	$r_{ce}$	几十千欧 ~ 几百千欧
BE 导通电压	$U_{BE(on)}$	硅: 0.7V, 锗: 0.3V
穿透电流	$I_{CEO}$	微安级 (温度敏感)
极限参数	$U_{CEO}$ , $I_{CM}$ , $P_{CM}$	器件手册查询

温度特性

关键记忆点:

$U_{BE}$ 温度系数: -2 mV/°C (温度升高， $U_{BE}$ 降低)
$I_{CEO}$ 温度特性: 温度每升高 10°C， $I_{CEO}$ 约增加一倍
$\beta$ 温度系数: 正温度系数，温度升高 $\beta$ 增大

FET 场效应管

JFET (结型场效应管)

结构类型:

N 沟道 JFET: 源极 (S) - 沟道 (N) - 漏极 (D), 栅极 (G) 为 P 型
P 沟道 JFET: 源极 (S) - 沟道 (P) - 漏极 (D), 栅极 (G) 为 N 型

工作原理:

栅源电压 $U_{GS}$ 控制沟道宽度
耗尽型: 栅极反偏使沟道变窄， $U_{GS}$ 可正可负
输入阻抗极高 (兆欧 ~ 吉欧级)

转移特性方程 (恒流区):

I_D = I_{DSS} \left(1 - \frac{U_{GS}}{U_{P}}\right)^2

其中:

$I_{DSS}$ : $U_{GS} = 0$ 时的饱和漏极电流
$U_P$ : 夹断电压 (Pinch-off Voltage)

JFET 三种工作状态

工作状态	条件	特点
可变电阻区	$U_{DS}$ 小	$I_D$ 随 $U_{DS}$ 线性增加
恒流区 (放大区)	$U_{GS} - U_P < U_{DS} < U_{(BR)DS}$	$I_D$ 基本不变
击穿区	$U_{DS} > U_{(BR)DS}$	雪崩击穿

主要特性参数

参数	符号	典型值/说明
饱和漏极电流	$I_{DSS}$	mA 级
夹断电压	$U_P$ (或 $U_{GS(off)}$ )	-2V ~ -8V (N 沟道)
跨导	$g_m = \frac{\partial I_D}{\partial U_{GS}}$	mS 级
输入电阻	$R_{GS}$	$10^8 \sim 10^{10}\ \Omega$
输出电阻	$r_{ds}$	几十千欧 ~ 几百千欧

MOSFET 金属氧化物半导体场效应管

结构类型

增强型 (Enhancement Mode):

N 沟道增强型: $U_{GS} > U_{GS(th)}$ 时导通
P 沟道增强型: $U_{GS} < U_{GS(th)}$ 时导通
特点: 常态截止，需加栅压才能导通

耗尽型 (Depletion Mode):

N 沟道耗尽型: $U_{GS}$ 可正可负
P 沟道耗尽型: $U_{GS}$ 可正可负
特点: 常态导通，加反向栅压可关断

增强型 MOSFET 转移特性

恒流区方程:

I_D = K_n (U_{GS} - U_{GS(th)})^2

其中:

$K_n$ : 跨导参数 (器件特性)
$U_{GS(th)}$ : 开启电压 (阈值电压)

主要特性参数

参数	符号	典型值/说明
开启电压	$U_{GS(th)}$ (或 $V_{th}$ )	1V ~ 4V (增强型 N 沟道)
导通电阻	$R_{DS(on)}$	$\text{m}\Omega \sim \Omega$ 级 (功率 MOSFET)
跨导	$g_m$	几十 mS ~ 几 S
输入电容	$C_{iss}$	pF ~ nF 级
栅极电荷	$Q_g$	nC 级 (影响开关速度)
漏源击穿电压	$U_{(BR)DSS}$	几十 V ~ 几百 V

功率 MOSFET 特殊特性

体二极管 (Body Diode):

寄生二极管，阳极接源极，阴极接漏极
用于续流、反向导通等应用

安全工作区 (SOA):

最大漏极电流 $I_{D(max)}$
最大漏源电压 $U_{DS(max)}$
最大功耗 $P_D = I_D \times U_{DS} \leq P_{D(max)}$

三种器件特性对比

核心参数对比表

特性	BJT	JFET	MOSFET (增强型)
控制类型	电流控制 ( $I_B$ )	电压控制 ( $U_{GS}$ )	电压控制 ( $U_{GS}$ )
输入阻抗	低 ( $\text{k}\Omega$ )	极高 ( $\text{G}\Omega$ )	极高 ( $\text{G}\Omega$ )
输入电流	$I_B$ (μA ~ mA)	极小 (pA ~ nA)	极小 (pA)
驱动功率	大	极小	极小
开关速度	中 (ns ~ μs)	快 (ns)	很快 (ns)
噪声	中	低	低
温度稳定性	差 ( $\beta$ 和 $I_{CEO}$ 温漂大)	较好	好
导通压降	$U_{BE}$ ≈ 0.7V	$U_{GS}$ 可为 0	$I_D \times R_{DS(on)}$
功率容量	中 ~ 大	小 ~ 中	大 (功率 MOSFET)
制造成本	低	中	中 ~ 高
应用场景	线性放大、中低频	低噪声前置放大、RF	高速开关、功率转换

选型决策树

graph TD
    A[器件选择] --> B{需要大功率?}
    B -->|是| C{高速开关?}
    B -->|否| D{极高输入阻抗?}

    C -->|是| E[功率 MOSFET]
    C -->|否| F[功率 BJT]

    D -->|是| G{耐高温?}
    D -->|否| H[小信号 BJT]

    G -->|是| I[JFET]
    G -->|否| J[小信号 MOSFET]

    style E fill:#4ade80
    style F fill:#38bdf8
    style H fill:#38bdf8
    style I fill:#a855f7
    style J fill:#4ade80

优缺点速记

BJT 优势:

✅ 成本低，工艺成熟
✅ 电流放大能力强 ( $\beta$ 大)
✅ 导通压降低 (仅 0.2V ~ 0.3V，饱和状态)

BJT 劣势:

❌ 输入阻抗低，需要驱动电流
❌ 温度稳定性差
❌ 开关速度慢于 MOSFET

JFET 优势:

✅ 输入阻抗极高
✅ 低噪声特性
✅ 温度稳定性好
✅ 无栅极击穿问题 (PN 结保护)

JFET 劣势:

❌ 跨导较小 (放大倍数受限)
❌ 功率容量小
❌ 工艺复杂，成本高

MOSFET 优势:

✅ 输入阻抗极高 (氧化层隔离)
✅ 开关速度快
✅ 功率 MOSFET 可处理大功率
✅ 正温度系数 (便于并联)

MOSFET 劣势:

❌ 栅极氧化层易击穿 (需静电保护)
❌ 成本相对高
❌ 输入电容大 (影响高频特性)

基本放大电路分析

1. 共射 (共源) 放大电路

BJT 共射电路:

         +VCC
          |
          RC
          |
    C2 ---|--- Uo
    Ui ---||---[RB]---+--- B
          C1          |
                      E
                      |
                      RE
                      |
                     GND

特性:

电压放大倍数: $A_u = -\beta \frac{R_C}{r_{be}}$ (高)
输入电阻: $R_i = r_{be}$ (低, $\text{k}\Omega$ 级)
输出电阻: $R_o \approx R_C$ (中, $\text{k}\Omega$ 级)
相位: 反相 (输出与输入反相 180°)

MOSFET 共源电路:

A_u = -g_m R_D

R_i = R_G \parallel R_{GS} \approx R_G \quad (\text{M}\Omega \text{ 级})

R_o \approx R_D \parallel r_{ds}

2. 共集 (共漏) 放大电路

BJT 共集电路 (射极跟随器):

         +VCC
          |
    Ui ---[RB]--- B
          C1     |
                 E
                 |--- Uo
                 RE
                 |
                GND

特性:

电压放大倍数: $A_u \approx 1$ (接近但小于 1)
输入电阻: $R_i = r_{be} + (1+\beta)R_E$ (高, 几十 $\text{k}\Omega$ )
输出电阻: $R_o \approx \frac{r_{be}}{\beta}$ (低, 几十 $\Omega$ )
相位: 同相
应用: 阻抗变换、缓冲隔离

MOSFET 共漏电路 (源极跟随器):

A_u = \frac{g_m R_S}{1 + g_m R_S} \approx 1

R_i \approx R_G \quad (\text{M}\Omega \text{ 级})

R_o \approx \frac{1}{g_m} \parallel R_S

3. 共基 (共栅) 放大电路

BJT 共基电路:

         +VCC
          |
          RC
          |
    C2 ---|--- Uo
          C
          |
    Ui ---[RE]--- E
          C1     |
                GND

特性:

电压放大倍数: $A_u = \beta \frac{R_C}{r_{be}}$ (高)
输入电阻: $R_i \approx \frac{r_{be}}{\beta}$ (极低, 几十 $\Omega$ )
输出电阻: $R_o \approx R_C$ (中)
相位: 同相
应用: 高频放大、宽带放大 (无密勒电容效应)

MOSFET 共栅电路:

A_u = g_m R_D

R_i \approx \frac{1}{g_m} \quad (\text{低阻抗})

R_o \approx R_D

放大电路性能对比

三种组态性能对比表

性能	共射 (共源)	共集 (共漏)	共基 (共栅)
电压放大倍数	高 (几十 ~ 几百)	≈ 1	高 (几十 ~ 几百)
电流放大倍数	高 ( $\beta$ )	高 ( $1+\beta$ )	≈ 1
功率放大倍数	高	中	中
输入电阻	中 ( $\text{k}\Omega$ )	高 (几十 $\text{k}\Omega$ )	低 (几十 $\Omega$ )
输出电阻	中 ( $\text{k}\Omega$ )	低 (几十 $\Omega$ )	中 ( $\text{k}\Omega$ )
频率特性	中 (密勒效应)	好	优 (无密勒效应)
相位关系	反相 (180°)	同相 (0°)	同相 (0°)
典型应用	电压放大	阻抗变换/缓冲	高频放大/电流放大

密勒效应说明

共射放大器的密勒效应:

集电极-基极电容 $C_{bc}$ 等效到输入端的电容:

C_{i(Miller)} = C_{bc}(1 + |A_u|)

由于 $A_u$ 很大，等效输入电容显著增加
影响: 高频增益下降，频带变窄
解决: 使用共基组态 (无密勒效应)

实用设计指南

静态工作点设计

目标: 确保晶体管工作在放大区，且信号不失真

BJT 设计步骤:

确定静态工作点 ( $I_{CQ}$ , $U_{CEQ}$ ):

$I_{CQ}$ ≈ 1 ~ 5 mA (小信号放大)
$U_{CEQ}$ ≈ $\frac{1}{2}V_{CC}$ (最大不失真输出)

计算偏置电阻:

分压式偏置: $I_B = \frac{I_{CQ}}{\beta}$
$U_{BQ} = U_{BE} + I_{EQ}R_E \approx 0.7 + I_{CQ}R_E$

稳定性设计:

发射极电阻 $R_E$ : 提供直流负反馈，稳定工作点
经验值: $U_E \approx (1 \sim 2)$ V

MOSFET 设计步骤:

确定静态工作点 ( $I_{DQ}$ , $U_{DSQ}$ ):

$U_{GSQ} > U_{GS(th)}$ (增强型)
$U_{DSQ} > U_{GSQ} - U_{GS(th)}$ (恒流区条件)

源极电阻自偏置:
$U_{GS} = -I_D R_S$
结合转移特性方程求解 $R_S$

频率响应优化

低频截止频率 $f_L$ :

由耦合电容 $C_1, C_2$ 和旁路电容 $C_E$ 决定
设计: $C \geq \frac{1}{2\pi f_L R}$

高频截止频率 $f_H$ :

由晶体管结电容 ( $C_{bc}, C_{be}$ ) 和负载电容决定
改进: 减小负载电阻、使用共基组态

带宽 $BW$ :

BW = f_H - f_L \approx f_H \quad (f_H \gg f_L)

负反馈应用

四种负反馈类型:

类型	反馈网络取样	反馈网络连接	效果
电压串联	输出电压	串联到输入	稳定 $A_u$ ，提高 $R_i$ ，降低 $R_o$
电压并联	输出电压	并联到输入	稳定 $A_u$ ，降低 $R_i$ ，降低 $R_o$
电流串联	输出电流	串联到输入	稳定 $A_i$ ，提高 $R_i$ ，提高 $R_o$
电流并联	输出电流	并联到输入	稳定 $A_i$ ，降低 $R_i$ ，提高 $R_o$

负反馈的优点:

✅ 稳定放大倍数
✅ 展宽频带
✅ 减小非线性失真
✅ 改善输入/输出阻抗

代价:

❌ 放大倍数降低 (需增加级数补偿)
❌ 可能引起自激振荡 (相位裕度不足)

速记要点总结

BJT 关键公式

\begin{aligned} I_C &= \beta I_B \\ r_{be} &\approx 200 + (1+\beta)\frac{26\text{mV}}{I_{EQ}} \\ A_u(\text{共射}) &= -\beta \frac{R_C}{r_{be}} \\ A_u(\text{共集}) &\approx 1 \\ R_i(\text{共集}) &= r_{be} + (1+\beta)R_E \end{aligned}

FET 关键公式

\begin{aligned} I_D &= I_{DSS} \left(1 - \frac{U_{GS}}{U_P}\right)^2 \quad (\text{JFET}) \\ I_D &= K_n(U_{GS} - U_{GS(th)})^2 \quad (\text{增强型 MOSFET}) \\ g_m &= \frac{\partial I_D}{\partial U_{GS}} \\ A_u(\text{共源}) &= -g_m R_D \\ A_u(\text{共漏}) &\approx 1 \end{aligned}

温度系数记忆

BJT: $U_{BE}$ → -2 mV/°C
BJT: $I_{CEO}$ → 10°C 翻倍
MOSFET: $U_{GS(th)}$ → 负温度系数 (约 -2 ~ -5 mV/°C)
MOSFET: $R_{DS(on)}$ → 正温度系数 (温度升高电阻增大)

常见电路识别

看到发射极 (源极) 有电阻接地 → 共射 (共源) 或共集 (共漏)

输出取自集电极 (漏极) → 共射 (共源)
输出取自发射极 (源极) → 共集 (共漏)

看到基极 (栅极) 直接接地 (交流) → 共基 (共栅)

参考资源

推荐教材:

《模拟电子技术基础》(童诗白, 华成英) - 清华大学经典教材
《电子电路基础》(Thomas L. Floyd) - 实用工程设计
《微电子电路》(Sedra/Smith) - 深入理论分析

在线工具:

Falstad Circuit Simulator - 在线电路仿真
LTspice - ADI 免费 SPICE 仿真器
器件手册查询 - 全球最大数据手册库

实验技巧:

使用示波器观察波形，验证相位关系
万用表测量静态工作点 ( $U_{BEQ}$ , $U_{CEQ}$ , $I_{CQ}$ )
信号发生器输入正弦波，观察放大倍数和失真

最后更新: 2025-11-22 适用范围: 本科模拟电路课程、研究生入学考试、工程师速查手册

💡 学习建议: 先理解器件物理特性 → 掌握基本组态特点 → 分析实际电路 → 动手实验验证

祝学习顺利！⚡

半导体器件基础

核心概念速记

BJT 双极型晶体管

结构与工作原理

BJT 三种工作状态

主要特性参数

温度特性

FET 场效应管

JFET (结型场效应管)

JFET 三种工作状态

主要特性参数

MOSFET 金属氧化物半导体场效应管

结构类型

增强型 MOSFET 转移特性

主要特性参数

功率 MOSFET 特殊特性

三种器件特性对比

核心参数对比表

选型决策树

优缺点速记

基本放大电路分析

1. 共射 (共源) 放大电路

2. 共集 (共漏) 放大电路

3. 共基 (共栅) 放大电路

放大电路性能对比

三种组态性能对比表

密勒效应说明

实用设计指南

静态工作点设计

频率响应优化

负反馈应用

速记要点总结

BJT 关键公式

FET 关键公式

温度系数记忆

常见电路识别

参考资源

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