本書包括半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)、二極管及其應(yīng)用電路、晶體管和場效應(yīng)管放大電路的基本原理及頻率響應(yīng)、功率放大電路、多級放大電路、差分放大電路、電流源等模擬集成電路的單元電路、反饋電路、模擬集成運算放大器、電壓比較器和波形變換電路等。本書對原版教材進行了改編,精簡了內(nèi)容,突出了重點,補充了必要知識點,內(nèi)容更加新穎和系統(tǒng)化,反映了器件和應(yīng)用的發(fā)展趨勢,強調(diào)了系統(tǒng)工程的概念。
本書的核心內(nèi)容是關(guān)于半導(dǎo)體器件和有源電路的模擬電子電路基礎(chǔ),兩位作者都是從事多年相關(guān)教學(xué)工作的教授,并已出版多本教材。本書自1972年首次出版至今已經(jīng)修訂至第十一版,涵蓋了更廣泛和新穎的內(nèi)容,成為流行30多年的優(yōu)秀經(jīng)典教材。本改編版在原版內(nèi)容的基礎(chǔ)上,結(jié)合國內(nèi)高等教育中模擬電子電路課程開展英語或雙語教學(xué)的特點,進行了部分內(nèi)容的調(diào)整,涵蓋如下知識點:
● 半導(dǎo)體二極管
● 二極管應(yīng)用電路
● 雙極型晶體管BJT基礎(chǔ)
● BJT放大電路的直流偏置電路分析
● BJT放大電路的交流分析
● 場效應(yīng)晶體管FET基礎(chǔ)
● FET放大電路的直流偏置電路分析
● FET放大電路的交流分析
● BJT和FET放大電路的頻率響應(yīng)分析
● 模擬集成運算放大器基礎(chǔ)
● 運算放大器和比較器的應(yīng)用電路
● 功率放大電路
● 反饋放大電路
當您拿起這本書的時候一定會感到非常厚重,不過請不要擔心,這是由于本書中有大量的例題和詳盡的解釋所致,而這也是本書的特色和非常適合作為電子電路基礎(chǔ)入門教材的原因。下面讓我們一起開啟電子電路基礎(chǔ)的入門之旅,直到您完成這本書的學(xué)習(xí),奠定自己在電子電路領(lǐng)域的知識基礎(chǔ),掌握開啟電子工程、信息與通信工程專業(yè)相關(guān)專業(yè)知識學(xué)習(xí)的鑰匙。
現(xiàn)代幾乎所有電子系統(tǒng)的構(gòu)成基礎(chǔ)都是半導(dǎo)體材料,因此首先了解一些半導(dǎo)體材料的基本知識,對于理解半導(dǎo)體元器件的工作原理很有幫助。這些知識包括原子結(jié)構(gòu)、本征半導(dǎo)體、摻雜半導(dǎo)體、載流子(一種能夠攜帶電荷的粒子)、PN結(jié)等。這部分是微電子知識,如果只關(guān)注半導(dǎo)體器件的使用以及外圍電路的分析設(shè)計,也可以忽略這部分內(nèi)容(1.1節(jié)至1.5節(jié))。本書第1章至第8章主要討論三種半導(dǎo)體電子器件及其單元電路:二極管、雙極性結(jié)型晶體管(BJT)和場效應(yīng)管(FET)。
二極管
二極管的內(nèi)部核心是PN結(jié),1.6節(jié)至1.14節(jié)介紹了二極管的基本工作原理及其等效電路模型,包括基本二極管和幾種特殊二極管,例如齊納二極管和發(fā)光二極管等。而二極管的應(yīng)用電路在第2章詳細闡述,并有豐富的例題分析,包括半波整流電路、全波整流電路、削波電路、鉗位電路、利用齊納二極管的穩(wěn)幅電路等。在分析方法上,第2章介紹了負載線分析方法和等效模型分析方法。如果您的學(xué)習(xí)重點是晶體管放大器,而不是二極管,那么第1章和第2章可以作為了解和自學(xué)內(nèi)容。但是需要注意,PN結(jié)也是晶體管的構(gòu)成基礎(chǔ),因此若要研究晶體管構(gòu)成并深入了解其工作原理,也需要首先掌握PN結(jié)工作原理。
雙極性結(jié)型晶體管(BJT)
雙極性結(jié)型晶體管是一種廣泛使用的基本晶體管,第3章主要描述其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、類型及3種基本組態(tài)的運用。晶體管內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點及工作機理導(dǎo)致了其外在特性具有放大電壓或者放大電流的能力,但是如果只關(guān)心晶體管的應(yīng)用,也可以忽略晶體管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和微電子工作機理。晶體管的應(yīng)用主要從學(xué)習(xí)3種基本組態(tài)出發(fā),掌握各種組態(tài)的特點以及晶體管的工作區(qū)。晶體管是一種有源器件,需要設(shè)置直流工作點才能正常工作(例如,放大交流信號時,晶體管需要通過設(shè)計直流工作點使其工作在線性放大區(qū),才能無失真地放大交流小信號)。因此,當初學(xué)者開始學(xué)習(xí)由單個晶體管構(gòu)成的基本放大電路時,需要從兩個方面入手。一方面是晶體管的直流偏置電路,目的是設(shè)置合適的直流工作點,使其工作在合適的工作區(qū)(詳細分析見第4章);另一方面是晶體管交流小信號放大電路,目的是分析晶體管放大輸入交流小信號的能力,例如增益、輸入/輸出特性等(見第5章)。值得說明的是,晶體管對于直流和交流的響應(yīng)是不同的,因此第4章主要分析直流偏置電路,需要首先畫出原電路的直流等效電路,再進行分析;而第5章主要分析交流小信號放大電路,需要首先畫出原電路的交流等效電路再進行分析。同時,雖然晶體管是非線性器件,分析非常困難,但是當輸入為交流小信號時,其變化范圍很小,晶體管的非線性特性可以等效為線性特性,因此晶體管可以用其小信號微變等效模型來替代,這樣獲得的等效電路可以采用基本的電路分析方法進行分析,例如基爾霍夫定律等。通過學(xué)習(xí)第4章和第5章,讀者將掌握單個BJT構(gòu)成的基本放大電路的工作原理和性能分析。
場效應(yīng)晶體管(FET)
場效應(yīng)晶體管由于具有穩(wěn)定性佳等優(yōu)勢,正逐漸取代BJT而被人們廣泛應(yīng)用。FET有多種類型,掌握其結(jié)構(gòu)和不同類型FET的特點,例如輸入特性、輸出特性和轉(zhuǎn)移特性,就成為學(xué)習(xí)FET的首要內(nèi)容(見第6章)。建議采用與BJT相對比的方法學(xué)習(xí)FET。作為晶體管的一種,F(xiàn)ET和BJT一樣主要用于放大小信號,也是一種非線性有源器件,需要設(shè)置直流工作點,使其工作在飽和區(qū)(BJT是工作在線性放大區(qū)),才能無失真地放大交流小信號。同樣,需要首先學(xué)習(xí)FET的直流偏置電路(見第7章),然后需要用小信號微變等效模型方法分析其對交流小信號的放大特性(見第8章)。但是FET從內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作區(qū)、轉(zhuǎn)移特性、3種基本組態(tài)、直流偏置電路、小信號微變等效模型等方面與BJT都是不同的。通過學(xué)習(xí)第7章和第8章,讀者將掌握單個FET構(gòu)成的基本放大電路的工作原理和性能分析。
復(fù)雜電路和特性
通過對第1章至第8章的學(xué)習(xí),恭喜您入門了,掌握了二極管和晶體管的基本器件知識,學(xué)會了分析基本單管放大電路,掌握了畫圖法、負載線分析法及等效電路分析方法。下一步,讀者將進入更復(fù)雜電路和特性的學(xué)習(xí)。首先,通過學(xué)習(xí)第9章的內(nèi)容,認識到晶體管(無論是BJT還是FET)對不同頻率的輸入信號有不同的響應(yīng),通過學(xué)習(xí)其頻率響應(yīng)特性加深對晶體管放大電路的認識,學(xué)會分析其頻率響應(yīng)以及擴展帶寬的方法。這部分一般屬于難點知識,重點在于對晶體管放大電路頻率響應(yīng)概念的理解,例如帶寬、截止頻率等,定量分析是比較困難的。在掌握了單個晶體管放大電路的基礎(chǔ)上,第10章介紹多級放大電路和差分放大電路,這些單元電路是構(gòu)成集成電路的基礎(chǔ)。其中,差分放大電路的分析既是重點也是教學(xué)中的難點。同時,第10章以集成運算放大器為例介紹集成電路知識,包括其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部特性等。運算放大器的應(yīng)用電路見第11章,運算放大器的線性運用包括有源濾波器和運算單元,非線性運用包括比較器和施密特觸發(fā)器。
本書講解晶體管放大器主要是以放大交流小信號為主,分析方法以小信號微變等效模型分析方法為主,但是第12章則不同,主要介紹基于大信號的功率放大器,因此小信號微變等效模型分析方法在此就不能使用了。這一章主要以大信號分析為主,學(xué)習(xí)功率的計算,掌握不同類型功率放大器電路的特征和分析方法。
電路在實際應(yīng)用中可能存在很多問題,例如工作點不穩(wěn)定而發(fā)生漂移,輸出電壓不穩(wěn)定等等,因此改善電路性能是至關(guān)重要的,在放大電路中引入負反饋就是改善電路性能的一種重要方法,在第13章中進行闡述。在了解反饋的構(gòu)成基礎(chǔ)上,需要掌握瞬時極性法來分析反饋的類型。不同類型的反饋作用是不同的,正反饋產(chǎn)生自激,負反饋具有穩(wěn)定電路的作用,此章主要講述負反饋放大電路及其分析方法。負反饋有4種類型,對電路進行分析并判斷是否存在反饋以及存在何種反饋是一項重要的技能。通過為放大電路引入深度負反饋來改善電路性能,例如阻抗特性、輸出特性等,是電路分析和設(shè)計的重要內(nèi)容。值得注意的是,當電路中引入了深度負反饋時,宜采用工程近似估算方法,而非小信號微變等效模型分析方法。
至此,通過本書的學(xué)習(xí),讀者已經(jīng)掌握了電子電路的基本知識、理論和分析方法,為從事相關(guān)電路分析和設(shè)計工作以及相關(guān)專業(yè)的后續(xù)課程學(xué)習(xí)打下了扎實的基礎(chǔ)。回顧本書的知識結(jié)構(gòu)和章節(jié)構(gòu)成,不難看出本書主要以半導(dǎo)體器件晶體管為主,以基本晶體管放大電路為基礎(chǔ)和重點,以差分放大電路、多級放大電路、負反饋放大電路、集成運算放大電路為橋梁,逐步深入地展開電子電路基礎(chǔ)原理和應(yīng)用電路分析,同時貫穿了多種電路分析方法:畫圖法、小信號分析方法、大信號功率計算方法、工程近似分析方法等。值得注意的是,在學(xué)習(xí)中要勤于畫各種等效電路,逐步簡化電路和分析,靈活運用工程近似。
在北京郵電大學(xué)國際學(xué)院的“電子電路基礎(chǔ)”課程中,我們采用了本書作為教材。通過幾年的教學(xué)反饋,筆者深有體會,書中豐富的例題和詳細的講解,對于初學(xué)者的理解和自主學(xué)習(xí)都大有裨益。采用本書作為教材的授課教師,可聯(lián)系te_service@phei.com.cn獲取教學(xué)用PPT等相關(guān)資料。
Preface
The preparation of the preface for the 11th edition resulted in a bit of reflection on the 40 years since the first edition was published in 1972 by two young educators eager to test their ability to improve on the available literature on electronic devices. Although one may prefer the term semiconductor devices rather than electronic devices, the first edition was almost exclusively a survey of vacuum-tube devices—a subject without a single section in the new Table of Contents. The change from tubes to predominantly semiconductor devices took almost five editions, but today it is simply referenced in some sections. It is interesting, however, that when field-effect transistor (FET) devices surfac
Robert L. Boylestad和Louis Nashelsky都是在大學(xué)從事電路分析、電子電路基礎(chǔ)等相關(guān)學(xué)科教學(xué)的資深教授,在電子電路學(xué)科領(lǐng)域出版了多部優(yōu)秀教材,受到很高的評價。 Robert L. Boylestad和Louis Nashelsky都是在大學(xué)從事電路分析、電子電路基礎(chǔ)等相關(guān)學(xué)科教學(xué)的資深教授,在電子電路學(xué)科領(lǐng)域出版了多部優(yōu)秀教材,受到很高的評價。
Chapter 1 Semiconductor Diodes
1.1 Introduction
1.2 Semiconductor Materials: Ge, Si, and GaAs
1.3 Covalent Bonding and Intrinsic Materials
1.4 Extrinsic Materials: n-Type and p-Type Materials
1.5 Semiconductor Diode
1.6 Ideal Versus Practical
1.7 Resistance Levels
1.8 Diode Equivalent Circuits
1.9 Transition and Diffusion Capacitance
1.10 Reverse Recovery Time
1.11 Diode Specification Sheets
1.12 Semiconductor Diode Notation
1.13 Zener Diodes
1.14 Light-Emitting Diodes
1.15 Summary
1.16 Computer Analysis
Problems
Chapter 2 Diode Applications
2.1 Introduction
2.2 Load-Line Analysis
2.3 Equivalent Model Analysis
2.4 AND/OR Gates
2.5 Sinusoidal Inputs; Half-Wave Rectification
2.6 Full-Wave Rectification
2.7 Clippers
2.8 Clampers
2.9 Zener Diodes
2.10 Summary
Problems
Chapter 3 Bipolar Junction Transistors
3.1 Introduction
3.2 Transistor Construction
3.3 Transistor Operation
3.4 Common-Base Configuration
3.5 Transistor Amplifying Action
3.6 Common-Emitter Configuration
3.7 Common-Collector Configuration
3.8 Limits of Operation
3.9 Transistor Specification Sheet
3.10 Transistor Casing and Terminal Identification
3.11 Summary
Problems
Chapter 4 DC Biasing ― BJTs
4.1 Introduction
4.2 Operating Point
4.3 Fixed-Bias Circuit
4.4 Emitter Bias
4.5 Voltage-Divider Bias
4.6 DC Bias with Voltage Feedback
4.7 Miscellaneous Bias Configurations
4.8 Transistor Switching Networks
4.9 pnp Transistors
4.10 Bias Stabilization
4.11 Summary
Problems
Chapter 5 BJT AC Analysis
5.1 Introduction
5.2 Amplification in the AC Domain
5.3 BJT Transistor Modeling
5.4 The re Transistor Model
5.5 The Hybrid Equivalent Model
5.6 Hybrid Model
5.7 Variations of Transistor Parameters
5.8 Common-Emitter Fixed-Bias Configuration
5.9 Voltage-Divider Bias
5.10 CE Emitter-Bias Configuration
5.11 Emitter-Follower Configuration
5.12 Common-Base Configuration
5.13 Collector Feedback Configuration
5.14 Collector DC Feedback Configuration
5.15 Determining the Current Gain
5.16 Effect of RL and Rs
5.17 Two-Port Systems Approach
5.18 Summary Table
5.19 Cascaded Systems
5.20 Darlington Connection
5.21 Feedback Pair
5.22 Current Mirror Circuits
5.23 Current Source Circuits
5.24 Approximate Hybrid Equivalent Circuit
5.25 Summary
Problems
Chapter 6 Field-Effect Transistors
6.1 Introduction
6.2 Construction and Characteristics of JFETs
6.3 Transfer Characteristics
6.4 Specification Sheets (JFETs)
6.5 Important Relationships
6.6 Depletion-Type MOSFET
6.7 Enhancement-Type MOSFET
6.8 CMOS
6.9 Summary Table
6.10 Summary
Problems
Chapter 7 FET Biasing
7.1 Introduction
7.2 Fixed-Bias Configuration
7.3 Self-Bias Configuration
7.4 Voltage-Divider Biasing
7.5 Depletion-Type MOSFETs
7.6 Enhancement-Type MOSFETs
7.7 Summary Table
7.8 Combination Networks
7.9 p-Channel Fets
7.10 Summary
Problems
Chapter 8 FET Amplifiers
8.1 Introduction
8.2 FET Small-Signal Model
8.3 JFET Fixed-Bias Configuration
8.4 JFET Self-Bias Configuration
8.5 JFET Voltage-Divider Configuration
8.6 JFET Source-Follower(Common-Drain) Configuration
8.7 JFET Common-Gate Configuration
8.8 Depletion-Type MOSFETs
8.9 Enhancement-Type MOSFETs
8.10 E-MOSFET Drain-Feedback Configuration
8.11 E-MOSFET Voltage-Divider Configuration
8.12 Summary Table
8.13 Effect of RL and Rsig
8.14 Cascade Configuration
8.15 Summary
Problems
Chapter 9 BJT and FET Frequency Response
9.1 Introduction
9.2 General Frequency Considerations
9.3 Low-Frequency Analysis Bode Plot
9.4 Low-Frequency Response BJT Amplifier
9.5 Low-Frequency Response FET Amplifier
9.6 Miller Effect Capacitance
9.7 High-Frequency Response BJT Amplifier
9.8 High-Frequency Response FET Amplifier
9.9 Multistage Frequency Effects
9.10 Summary
Problems
Chapter 10 Operational Amplifiers
10.1 Introduction
10.2 Differential Amplifier Circuit
10.3 Differential and Common-Mode Operation
10.4 BIFET, BIMOS, and CMOS Differential Amplifier Circuits
10.5 Op-Amp Basics
10.6 Op-Amp SpecificationsDC Offset Parameters
10.7 Op-Amp SpecificationsFrequency Parameters
10.8 Op-Amp Unit Specifications
10.9 Summary
Problems
Chapter 11 Op-Amp Applications
11.1 Operation Circuits
11.2 Active Filters
11.3 Comparator Unit Operation
11.4 Schmitt Trigger
11.5 Summary
Problems
Chapter 12 Power Amplifiers
12.1 IntroductionDefinitions and Amplifier Types
12.2 Series-Fed Class A Amplifier
12.3 Transformer-Coupled Class A Amplifier
12.4 Class B Amplifier Operation
12.5 Class B Amplifier Circuits
12.6 Class C and Class D Amplifiers
12.7 Summary
Problems
Chapter 13 Feedback Circuits
13.1 Feedback Concepts
13.2 Feedback Connection Types
13.3 Practical Feedback Circuits
13.4 Feedback AmplifierPhase and Frequency Considerations
13.5 Summary
Problems