《模拟集成电路基础》课件
模拟集成电路概述
模拟集成电路是处理模拟信号的集成电路。模拟信号是指在时间和幅度上都连续变化的信号，与数字信号在时间和幅度上的离散特性形成鲜明对比。模拟集成电路在现代电子系统中具有不可替代的作用，广泛应用于通信、音频、视频、电源管理等众多领域。
在通信领域，模拟集成电路用于射频信号的收发、调制解调等。例如，手机中的射频前端模块包含了低噪声放大器、功率放大器等模拟集成电路，它们负责将微弱的射频信号放大以及将调制后的信号发射出去。在音频领域，模拟集成电路用于音频信号的放大、滤波和混音等处理，为我们带来高质量的听觉体验。
模拟集成电路的发展历程与半导体技术的进步紧密相关。从早期的晶体管分立元件电路到后来的集成电路，模拟集成电路的性能不断提升，集成度也越来越高。早期的模拟集成电路只能实现简单的功能，如简单的放大器。随着技术的发展，现在已经可以在一个芯片上集成复杂的模拟电路系统，如片上系统（SoC）中的模拟部分。
半导体物理基础
半导体材料
半导体材料是制作模拟集成电路的基础。常见的半导体材料有硅（Si）、锗（Ge）和化合物半导体如砷化镓（GaAs）等。硅是目前应用最广泛的半导体材料，因为它具有丰富的资源、良好的热稳定性和成熟的加工工艺。
半导体材料的导电性介于导体和绝缘体之间，其导电性能可以通过掺杂等方式进行控制。本征半导体是纯净的半导体材料，其中的载流子（电子和空穴）是由热激发产生的，数量较少。通过向本征半导体中掺入杂质元素，可以改变其导电性能。
杂质半导体
根据掺入杂质的不同，杂质半导体可分为N型半导体和P型半导体。在N型半导体中，掺入的杂质元素提供了额外的电子，电子成为多数载流子，空穴成为少数载流子。例如，在硅中掺入磷（P），磷原子有五个价电子，其中四个与硅原子形成共价键，剩余一个电子成为自由电子。
P型半导体则是掺入了能够接受电子的杂质元素，使得空穴成为多数载流子，电子成为少数载流子。比如在硅中掺入硼（B），硼原子有三个价电子，与硅原子形成共价键时会产生一个空穴。
PN结
PN结是半导体器件的核心结构。当P型半导体和N型半导体紧密接触时，由于浓度差，N区的电子会向P区扩散，P区的空穴会向N区扩散，从而在交界面处形成一个空间电荷区，也称为耗尽层。
PN结具有单向导电性。当PN结正向偏置时，即P区接正电压，N区接负电压，外电场削弱了内电场，使得扩散运动加强，形成较大的正向电流。当PN结反向偏置时，外电场加强了内电场，阻止了扩散运动，只有少数载流子形成的反向电流，且反向电流非常小。
半导体器件
二极管
二极管是最简单的半导体器件，由一个PN结构成。它的伏安特性曲线描述了其电流与电压之间的关系。在正向偏置时，二极管的电流随着电压的增加而迅速增加；在反向偏置时，只有很小的反向饱和电流，当反向电压超过一定值时，二极管会发生反向击穿。
二极管在模拟电路中有多种应用。例如，整流二极管可以将交流电转换为直流电，在电源电路中起着重要作用。限幅二极管可以限制信号的幅度，保护后续电路免受过高电压的损害。
双极型晶体管（BJT）
双极型晶体管有NPN和PNP两种类型，由两个PN结组成。以NPN型晶体管为例，它由发射区、基区和集电区组成，分别引出发射极（E）、基极（B）和集电极（C）。
BJT的工作原理基于载流子的扩散和复合。当基极和发射极之间加上正向偏置电压，发射区的多数载流子（电子）会向基区扩散，由于基区很薄，大部分电子会继续扩散到集电区，形成集电极电流。基极电流对集电极电流有控制作用，通过改变基极电流可以实现对集电极电流的放大。
BJT的主要参数包括电流放大系数β、反向饱和电流ICBO等。电流放大系数β反映了基极电流对集电极电流的控制能力，是衡量BJT放大能力的重要指标。
场效应晶体管（FET）
场效应晶体管分为结型场效应晶体管（JFET）和绝缘栅场效应晶体管（MOSFET）。MOSFET是模拟集成电路中应用最广泛的器件之一。
MOSFET有N沟道和P沟道两种类型。以N沟道增强型MOSFET为例，它由源极（S）、栅极（G）和漏极（D）组成。当栅极和源极之间加上正向电压时，会在栅极下方的半导体表面形成一个导电沟道，使得漏极和源极之间可以导通。通过改变栅极电压可以控制导电沟道的宽度，从而控制漏极电流。
MOSFET的优点包括输入电阻高、功耗低、集成度高和抗干扰能力强等。它在模拟集成电路中常用于放大器、开关等电路中。
基本放大电路
放大电路的性能指标
放大电路的主要性能指标包括增益、输入电阻、输出电阻、带宽和失真等。增益是指放大电路输出信号与输入信号的比值，常见的增益有电压增益、电流增益和功率增益。输入电阻反映了放大电路对信号源的影响，输入电阻越大，对信号源的索取电流越小。输出电阻反映了放大电路带负载的能力