电子电路分析与设计（第四版）——半导体器件及其基本应用（新视野电子电气科技丛书）

本书主要讲解半导体器件的物理特性和工作原理以及利用这类器件组成的各种基本电路，包括开关电源、数字电路以及各种放大电路。

首先简要介绍半导体材料的工作特性；然后依次讲解二极管及开关和整流电路、MOSFET及其应用、MOS放大电路、三极管及其放大电路；最后主要以功率放大电路为例讨论电子电路设计及元器件应用。

任艳频，女，1999年毕业于清华大学自动化系，获工学博士学位。毕业后加入联想集团，从事信息家电和数字家庭产品研发工作。

自2006年起在清华大学自动化系任教，高级工程师，“控制工程”国j级优秀教学团队成员，北京市高教学会电子线路分会秘书长，全国大学生智能汽车竞赛秘书处成员，IEEE Senior Member。现任清华大学电工电子中心电子技术实验室主任，清华大学自动化实验教学中心副主任。

十年以来，主要从事电子技术实践教学，同时讲授数字电子技术基础理论课，并参加清华大学数字电子技术基础和模拟电子技术基础MOOC课程建设。主持完成北京市教改项目1项。目前主要研究方向为自动测试、嵌入式系统及EDA。2006-2007年主持与航天部合作项目“火工品测试仪”，完成基于L总线的火工品测试仪研制。2007-2009年参加可编程集成电路测试仪的研制。2009年开始主持口袋仪器的研发。

近年来，发表学术及教学论研究论文29篇，出版专著1本。共申请专利24项，其中发明专利22项。曾获清华大学教学成果奖一等奖、清华大学实验技术成果奖一等奖、清华大学优秀班主任一等奖、清华大学优秀SRT指导教师等奖项。

Donald A.Neamen教授主编的《电子电路分析与设计》第四版和读者见面了，该书自清华大学出版社于2000年引进以来，颇受国内广大高校师生的欢迎。新版不但秉承了前几版“为模拟和数字电子电路的分析和设计提供基础教程”的宗旨，而且在诸多方面进行了改进、补充和重新编排，使之具有更加鲜明的特色，突出了科学性、基础性、系统性和适用性。

一、 本书的结构和内容

第四版与第三版在总体结构上基本相同； 全书包括三部分，共17章。本册为第一部分。

第1~8章为第一部分，主要阐述分立元件模拟电子电路的分析和设计方法。内容包括半导体材料、二极管基本原理及其基本应用电路、场效应管工作原理及其线性放大电路、双极型晶体管工作原理及其线性放大电路和应用、频率响应、输出级和功率放大电路等。

第9~15章为第二部分，主要阐述更复杂的模拟电子电路的分析和设计，即运算放大器及构成集成放大电路的基本模块，以及运放的应用等。包括理想运放及其基本应用、集成电路的恒流源偏置电路和有源负载、差分放大电路、反馈及放大电路的稳定性、构成运算放大器的各种电路的分析和设计、模拟集成电路中非理想因素的影响以及有源滤波电路和振荡电路等。

第16章和17章为第三部分，主要阐述数字电子电路的分析和设计。第16章的内容是CMOS数字电路的分析和设计，包括基本逻辑门电路、触发器、寄存器、基本A/D和D/A转换器等。第17章的内容是双极型数字电路的分析与设计，包括射极耦合逻辑电路（ECL）和三极管三极管逻辑电路（TTL）。

二、 本书内容编排的特点

1. 每章均以内容简介开篇，对前一章和新一章的内容起承上启下的作用； 预览部分以列表形式呈现，使读者一目了然。每章以小结和复习题结尾，仍以列表形式回顾本章建立的基本概念和方法，提出学过本章后应达到的水平和应具有的能力，并可通过习题完成自我评估，以便更好地进入下一章的学习。开头和结尾相互呼应，教学目标性很强。

2. 各章每一节开始均重申本节的学习目标，结尾大都有理解测试题，做到一节一测试。同时，各章节配有充分的例题，每一道例题后面均紧跟一道与例题相似的练习题，随时检查刚刚学过的内容； 使学习过程循序渐进，一步一个脚印。这些例题包含了电子电路分析和设计的各个细节，因此不断加深读者对基本概念和基本方法的理解和应用。

3. 每章的最后一节为设计应用，阐述一个与本章内容紧密相关的具体的电子电路设计，以期达到理论联系实际、学以致用的目的。例如，利用二极管、MOSFET管和BJT管设计电子温度计，利用集成运放设计有源滤波器，利用CMOS和ECL电路的基本结构设计门电路，等等； 使读者逐渐掌握电子电路自上而下的设计方法。

三、 本书的主要特色

本书加强了教学的严密性，修改了部分电路参数和元件参数，使之更适于现代电子学的发展。与国内众多同类教材相比，以下特色更为显著。

1. 突出鲜明的教学目的

本书在每一章甚至每一节都给出了明确的学习目标，使读者“心中有数”，了解学后应掌握的基本元件，基本概念、电路和方法以及应当达到的能力。

2. 满足灵活的教学安排

本书具有很强的适应性，各个重要部分在叙述上既相互独立，又相互联系，使得教学安排能够灵活多变。在全局上，既可以先讲数字电子电路，又可以先讲模拟电子电路； 在模拟电子电路部分，既可以先讲集成运放及其应用，又可以先讲分立元件放大电路及其应用； 在分立元件放大电路部分，既可以先讲场效应管及其放大电路，又可以先讲双极型三极管及其放大电路； 在数字电子电路部分，既可以先讲单极型逻辑电路，又可以先讲双极型逻辑电路。

3. 强调电子设计的重要性

电子技术课程具有很强的工程性，作者认为“设计是工程的核心。好的设计源于相当丰富的分析经验。” 因此，本书在对电子电路进行分析时特别强调它们不同的特性，以期读者能够建立一种可以“在设计过程中应用的直觉”。这种将分析和设计紧密结合的方法，使得学生将分析中获得的感悟立刻用于设计之中，从而逐步掌握电子电路的设计方法。

4. 提高习题的丰富性

本书在各种习题的丰富性上做了大量工作，共新增近260道练习题和理解测试题，580道章后习题； 其中包含50多道开放设计题，60多道计算机仿真题； 并提供习题答案，读者可以在每一章、每一节甚至每一个例题后进行自我测试，一步一步地达到学习目标。

5. 明确EDA（Electronic Design Automation）应用的目的

电子电路计算机辅助分析和设计的方法已日臻成熟，EDA软件的应用已成为电子技术类课程不可或缺的组成部分。本书特别强调人工分析与设计，以便读者透彻地理解基本的电路概念。但是，对于某些复杂电路和问题作者则大量使用较为流行的PSpice软件进行分析； 并在不少章节同时给出人工分析结果和PSpice分析结果； 使得读者不但深入掌握电子电路的基本概念，而且理解EDA工具的应用场合和使用方法。

总之，本书在各个章节中，分析与设计紧密结合，启发引导，循序渐进，叙述详尽； 在总体内容上，充分体现知识的系统和完整型； 各种习题丰富多彩，自我测评细致入微。本书内容涵盖了我国高等院校模拟电子技术和数字电子技术课程大部分教学要求，内容丰富，视野开阔； 虽然篇幅较大，但层次清楚、思路清晰、文字流畅、易于阅读； 因而不但可以作为电子技术基础及同类课程的教材，还可以作为相关课程的参考书。

华成英2020年8月于清华园

第1章半导体材料和二极管

1.1半导体材料及其特性

1.1.1本征半导体

1.1.2杂质半导体

1.1.3漂移电流和扩散电流

1.1.4过剩载流子

1.2PN结

1.2.1平衡PN结

1.2.2反向偏置的PN结

1.2.3正向偏置的PN结

1.2.4理想的电流电压关系

1.2.5PN结二极管

1.3二极管电路： 直流分析及模型

1.3.1迭代法和图解法

1.3.2折线化模型

1.3.3计算机仿真和分析

1.3.4二极管模型小结

1.4二极管电路： 交流等效电路

1.4.1正弦分析

1.4.2小信号等效电路

1.5其他类型的二极管

1.5.1光电池

1.5.2光电二极管

1.5.3发光二极管

1.5.4肖特基势垒二极管

1.5.5稳压二极管

1.6设计应用： 二极管温度计

1.7本章小结

复习题

习题

第2章二极管电路

2.1整流电路

2.1.1半波整流

2.1.2全波整流

2.1.3滤波电路、纹波电压和二极管电流

2.1.4检波电路

2.1.5倍压整流电路

2.2稳压二极管电路

2.2.1理想的基准电压电路

2.2.2齐纳电阻和调整率

2.3限幅和钳位电路

2.3.1限幅电路

2.3.2钳位电路

2.4多二极管电路

2.4.1二极管电路示例

2.4.2二极管逻辑电路

2.5光电二极管和发光二极管电路

2.5.1光电二极管电路

2.5.2发光二极管电路

2.6设计应用： 直流电源

2.7本章小结

复习题

习题

第3章场效应晶体管

3.1MOS场效应晶体管

3.1.1二端MOS结构

3.1.2N沟道增强型MOSFET

3.1.3理想的MOSFET电流电压特性——NMOS器件

3.1.4P沟道增强型MOSFET

3.1.5理想MOSFET的电流电压特性——PMOS器件

3.1.6电路符号和规范

3.1.7其他MOSFET结构和电路符号

3.1.8晶体管工作原理小结

3.1.9短沟道效应

3.1.10其他非理想电流电压特性

3.2MOSFET直流电路分析

3.2.1共源电路

3.2.2负载线和工作模式

3.2.3其他MOSFET电路结构： 直流分析

3.3MOSFET的基本应用： 开关、数字逻辑门和放大电路

3.3.1NMOS反相器

3.3.2数字逻辑门

3.3.3MOSFET小信号放大电路

3.4恒流源偏置

3.5多级MOSFET电路

3.5.1多晶体管电路： 级联结构

3.5.2多晶体管电路： 共源共栅结构

3.6结型场效应晶体管

3.6.1PN JFET和MESFET的工作原理

3.6.2电流电压特性

3.6.3常见JFET电路： 直流分析

3.7设计应用： 带MOS晶体管的二极管温度计

3.8本章小结

复习题

习题

第4章基本场效应管放大电路

4.1MOSFET放大电路

4.1.1图解分析、负载线和小信号参数

4.1.2小信号等效电路

4.1.3衬底效应建模

4.2晶体管放大电路的基本组态

4.3共源放大电路

4.3.1一个基本的共源电路结构

4.3.2带源极电阻的共源放大电路

4.3.3带源极旁路电容的共源电路

4.4共漏(源极跟随器)放大电路

4.4.1小信号电压增益

4.4.2输入和输出电阻

4.5共栅放大电路

4.5.1小信号电压和电流增益

4.5.2输入和输出阻抗

4.6三种基本的放大电路组态： 总结和比较

4.7单级集成MOSFET放大电路

4.7.1负载线回顾

4.7.2带增强型负载的NMOS放大电路

4.7.3带耗尽型负载的NMOS放大电路

4.7.4带有源负载的NMOS放大电路

4.8多级放大电路

4.8.1多级放大电路： 级联电路

4.8.2多级放大电路： 共源共栅电路

4.9基本JFET放大电路

4.9.1小信号等效电路

4.9.2小信号分析

4.10设计应用： 一个两级放大电路

4.11本章小结

复习题

习题

第5章双极型晶体管

5.1基本双极型晶体管

5.1.1晶体管的结构

5.1.2NPN型晶体管： 正向放大工作模式

5.1.3PNP型晶体管： 正向放大工作模式

5.1.4电路符号及规范

5.1.5电流电压特性

5.1.6非理想晶体管的漏电流和击穿电压

5.2晶体管电路的直流分析

5.2.1共射电路

5.2.2负载线和工作模式

5.2.3电压传输特性

5.2.4常用的双极型电路： 直流分析

5.3晶体管的基本应用

5.3.1开关

5.3.2数字逻辑

5.3.3放大电路

5.4双极型晶体管的偏置

5.4.1单个基极电阻偏置

5.4.2分压偏置和偏置的稳定

5.4.3正负电源偏置

5.4.4集成电路偏置

5.5多级电路

5.6设计应用： 带双极型晶体管的二极管温度计

5.7本章小结

复习题

习题

第6章基本双极型晶体管放大电路

6.1模拟信号和线性放大电路

6.2双极型线性放大电路

6.2.1图解分析和交流等效电路

6.2.2双极型晶体管的小信号混合π等效电路

6.2.3小信号电压增益

6.2.4考虑厄尔利效应的混合π等效电路

6.2.5扩展的混合π等效电路

6.2.6其他小信号参数和等效电路

6.3晶体管放大电路的基本组态

6.4共射放大电路

6.4.1基本共射放大电路

6.4.2带射极电阻的电路

6.4.3带射极旁路电容的电路

6.4.4高级共射放大电路的概念

6.5交流负载线分析

6.5.1交流负载线

6.5.2最大不失真电压

6.6共集放大电路(射极跟随器)

6.6.1小信号电压增益

6.6.2输入电阻和输出电阻

6.6.3小信号电流增益

6.7共基放大电路

6.7.1小信号电压和电流增益

6.7.2输入电阻和输出电阻

6.8三种基本放大电路： 总结和比较

6.9多级放大电路

6.9.1多级放大电路分析： 级联结构

6.9.2多级电路： 复合晶体管结构

6.9.3多级电路： 共射共基结构

6.10功耗考虑

6.11设计应用： 音频放大电路

6.12本章小结

复习题

习题

第7章频率响应

7.1放大电路的频率响应

7.1.1等效电路

7.1.2频率响应分析

7.2系统传递函数

7.2.1s域分析

7.2.2一阶函数

7.2.3波特图

7.2.4短路和开路时间常数

7.2.5时间响应

7.3电容耦合晶体管放大电路的频率响应

7.3.1耦合电容的影响

7.3.2负载电容的影响

7.3.3耦合电容和负载电容

7.3.4旁路电容的影响

7.3.5共同影响： 耦合电容和旁路电容

7.4双极型晶体管的频率响应

7.4.1扩展的混合π等效电路

7.4.2短路电流增益

7.4.3截止频率

7.4.4密勒效应和密勒电容

7.4.5密勒效应的物理原因

7.5场效应管的频率响应

7.5.1高频等效电路

7.5.2单位增益带宽

7.5.3密勒效应和密勒电容

7.6晶体管电路的高频响应

7.6.1共射和共源电路

7.6.2共基、共栅以及共射共基电路

7.6.3射极跟随器和源极跟随器电路

7.6.4高频放大电路的设计

7.7设计应用： 一个电容耦合两级放大电路

7.8本章小结

复习题

习题

第8章输出级和功率放大电路

8.1功率放大电路

8.2功率晶体管

8.2.1功率BJT

8.2.2功率MOSFET

8.2.3功率MOSFET和BJT的比较

8.2.4散热片

8.3功率放大电路分类

8.3.1甲类工作方式

8.3.2乙类工作方式

8.3.3甲乙类工作方式

8.3.4丙类工作方式

8.4甲类功率放大电路

8.4.1电感耦合放大电路

8.4.2变压器耦合共射放大电路

8.4.3变压器耦合射极跟随器放大电路

8.5甲乙类推挽式互补输出级

8.5.1二极管偏置的甲乙类输出级

8.5.2带VBE倍增电路的甲乙类输出级

8.5.3带输入缓冲晶体管的甲乙类输出级

8.5.4利用复合管的甲乙类输出级

8.6设计应用： 一个基于MOSFET的输出级

8.7本章小结

复习题

习题

附录A物理常数与转换因子

附录B制造商数据手册节选

B.12N2222 NPN双极型晶体管

B.22N2907 PNP双极型晶体管

B.3NDS410 N沟道增强型MOSFET

B.4LM741运算放大器

附录C标准电阻值和电容值

C.1碳膜电阻

C.2精密电阻(容差为1%)

C.3电容

参考文献