電工技術(shù)下冊(第七版)第二章B.ppt

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1、1,2.10 互補(bǔ)對稱功率放大電路,2.11 場效應(yīng)管及其放大電路,2.8 放大電路中的頻率特性,2.9 差分放大電路,2,2.8 放大電路的頻率特性,3,2.8 放大電路的頻率特性,由于放大電路中一般都有電容元件，如耦合電容、發(fā)射極旁路電容及晶體管級間電容等，它們的容抗隨頻率變化，故當(dāng)信號頻率不同時(shí)，放大電路的輸出電壓相對于輸入電壓的幅值和相位都將發(fā)生變化，會產(chǎn)生幅度和相位失真，通稱為頻率失真，因此我們要研究放大電路的頻率特性。,頻率特性,,幅頻特性：電壓放大倍數(shù)的模|Au|與頻率 f的關(guān)系,相頻特性：輸出電壓相對于輸入電壓的 相位移 與頻率 f 的關(guān)系,在實(shí)際應(yīng)用中，放大電路的輸

2、入信號一般不是單一頻率的，比如電視圖像、伴音信號等都含有各種頻率的諧波分量。,4,一、簡單 RC 電路的頻率特性,RC 低通電路,RC 高通電路,5,,通頻帶,,,f,|Au |,fL,fH,,| Auo |,幅頻特性,下限截止頻率,上限截止頻率,耦合、旁路電容造成。,三極管結(jié)電容、 造成,O,通頻帶的寬度稱為帶寬，它也是放大電路的重要性能指標(biāo)，為了減小頻率失真，希望通頻帶寬些好。,共發(fā)射極單級放大電路的頻率特性,6,在工業(yè)電子技術(shù)中，最常用的就是低頻電路，其頻率范圍約為2010000Hz，為了定性的分析放大電路的頻率特性，將低頻段范圍又分為低、中、高三個(gè)頻段。 下面分別分析高、中、低三個(gè)

3、頻段的頻率特性：,7,在中頻段,所以，在中頻段可認(rèn)為電容不影響交流信號的傳送，放大電路的放大倍數(shù)與信號頻率無關(guān)。,考慮PN結(jié)的電容效應(yīng)，把輸入端的等效為Ci，把輸出端等效CO，可認(rèn)為它們的等效電容與負(fù)載并聯(lián)。由于Ci、CO的電容量很小，它對中頻段信號的容抗很大，可視作開路。,由于耦合電容C1、C2和發(fā)射極旁路電容CE的容量較大，故對中頻段信號的容抗很小，可視作短路。,(前面所討論的放大電路，都工作在中頻段),Ci,Co,8,由于信號的頻率較低，耦合電容和發(fā)射極旁路電容的容抗較大，其分壓作用不能忽略。以至實(shí)際送到三極管輸入端的電壓 比輸入信號 要小，故放大倍數(shù)降低，并使 產(chǎn)生相位移在中頻段

4、的基礎(chǔ)上超前。,在低頻段：,所以，在低頻段放大倍數(shù)降低和相位移越前的主要原因是耦合電容和發(fā)射極旁路電容的影響。,Ci、CO的容抗比中頻段還大，仍可視作開路。,9,,通頻帶,,,f,|Au |,fL,fH,,| Auo |,幅頻特性,下限截止頻率,上限截止頻率,耦合、旁路電容造成。,三極管結(jié)電容、 造成,O,共發(fā)射極放大電路的頻率特性,10,由于信號的頻率較高，耦合電容和發(fā)射極旁路電容的容抗比中頻段還小，仍可視作短路。,在高頻段：,Ci、CO的容抗將減小，它與負(fù)載并聯(lián)，其分流作用不可忽略。在輸入端Ci會使Ib減小，從而使Ic和輸出電壓Uo減?。辉谳敵龆?，Co使輸出端等效負(fù)載阻抗減小，也會使輸出電

5、壓Uo減小；同樣在高頻時(shí)三極管的電流放大系數(shù) 也隨頻率的升高而下降；所以電壓放大倍數(shù)降低，并使 產(chǎn)生滯后于中頻段的相位移。,11,,通頻帶,,,f,|Au |,fL,fH,,| Auo |,幅頻特性,下限截止頻率,上限截止頻率,耦合、旁路電容造成。,三極管結(jié)電容、 造成,O,所以，在高頻段放大倍數(shù)降低和相位移滯后的主要原因是三極管電流放大系數(shù) 、極間電容的影響。,12,多級放大電路的頻率響應(yīng)：,由于多級電路的放大倍數(shù)是單級放大電路放大倍數(shù)的乘積，即總幅頻特性也是單級的乘積。 與單級幅頻特性相比，在總的幅頻特性上，對應(yīng)的上限頻率fH降低了，下限頻率fL升高了，所以總的通頻帶變窄了。 所以，多級

6、放大電路的放大倍數(shù)雖然提高了，但是以犧牲通頻帶作為代價(jià)。,13,2.9 差分放大電路,2. 9. 1 差分放大電路的工作原理 2. 9. 2 典型差分放大電路 2. 9. 3 差放對差模信號的放大 2. 9. 4 共模抑制比,,14,2.9 差分放大電路,在直接耦合的多級放大電路中，存在著零點(diǎn)漂移的問題，以第一極的漂移最嚴(yán)重，而差分放大電路是抑制零點(diǎn)漂移最有效的電路結(jié)構(gòu)，質(zhì)量較高的多級直接耦合的第一極多采用這種電路。,15,2.9 差分放大電路,2. 9. 1 差分放大電路的工作原理,差分放大電路是抑制零點(diǎn)漂移最有效的電路結(jié)構(gòu)。,差動放大原理電路,信號從兩個(gè)基極輸入，從兩個(gè)集電極輸出。,兩管靜

7、態(tài)工作點(diǎn)Q相同,特點(diǎn)： a.兩個(gè)輸入端， 兩個(gè)輸出端； b.兩只完全相同的管子； c.元件參數(shù)對稱；,16,1. 零點(diǎn)漂移的抑制（靜態(tài)）,uo= VC1 VC2 = 0,uo= (VC1 + VC1 ) (VC2 + VC2 ) = 0,靜態(tài)時(shí)，ui1 = ui2 = 0,當(dāng)溫度升高時(shí)ICVC （兩管變化量相等）,,優(yōu)點(diǎn)：零點(diǎn)漂移被完全抑制。對稱差分放大電路對兩管所產(chǎn)生的同向漂移都有抑制作用。,17,2. 有信號輸入時(shí)的工作情況（動態(tài)）,兩管集電極電位呈等量同向變化，所以輸出電壓為零，即對共模信號沒有放大能力。,(1) 共模輸入 ui1 = ui2大小相等、相位相同,差分電路抑制共模信號能力

8、的大小，反映了它對零點(diǎn)漂移的抑制水平。,共模信號 需要抑制,18,2. 有信號輸入時(shí)的工作情況,,兩管集電極電位一減一增，呈等量異向變化，,(2) 差模輸入 ui1 = ui2大小相等、極性相反,uo= VC1 VC2 =2 VC1,即對差模信號有放大能力，由于差模信號又稱差分信號，所以這種電路稱為差分（差動）放大電路。,差模信號 是有用信號,19,(3) 比較輸入,,既不是共模，也不是差模。ui1 、ui2 大小和極性任意的信號，稱為比較信號。,例1: ui1 = 10 mV, ui2 = 6 mV,ui2 = 8 mV 2 mV,例2: ui1 =20 mV, ui2 = 16 mV,可

9、分解成: ui1 = 18 mV + 2 mV,ui2 = 18 mV 2 mV,,,,,可分解成: ui1 = 8 mV + 2 mV,共模信號,差模信號,放大器只放大 差模信號， 抑制共模信號,這種輸入常作為比較放大來應(yīng)用，在自動控制系統(tǒng)中是常見的。,把比較信號分解為差模信號和共模信號。,20,若電路完全對稱，理想情況下共模放大倍數(shù) Ac = 0 輸出電壓 uo = Ad （ui1 ui2 ） = Ad uid,由于電路不可能完全對稱，則 Ac 0， 實(shí)際輸出電壓 uo = Ac uic + Ad uid 即共模信號對輸出有影響 。,實(shí)際上，上面的差分放大電路能抑制零點(diǎn)漂移，是由于電路的對

10、稱性。,21,實(shí)際上兩部分電路不會完全對稱，就不可能完全抑制零漂。另外，如果從一管輸出，則與單管放大電路一樣，對零漂毫無抑制能力，而這種“單端輸出”方式的形式又是經(jīng)常采用的。,所以，不能單靠提高電路的對稱性來抑制零點(diǎn)漂移，還需通過減少兩個(gè)單管放大電路本身的零漂來抑制整個(gè)差放的零漂。 而抑制零點(diǎn)漂移就是減小ICQ的變化，穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)，也是減小ICQ的變化，即抑制零點(diǎn)漂移和穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)是一回事。 因此可以借鑒工作點(diǎn)穩(wěn)定電路中采用過的方法，在管子的射極上接一電阻。這樣，基本的差動放大電路就改進(jìn)為另外一種電路。,22,2. 9. 2 典型差分放大電路,RE的作用：RE稱為共模抑制電阻，它基本上

11、不影響差模的放大。穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)，限制每個(gè)管子的漂移。它越大，抑制共模的作用越顯著，但會使Ic過小，影響Q和電壓放大倍數(shù)。,UEE：用于補(bǔ)償RE上 的直流壓降，以獲得合適的工作點(diǎn)。,Rp稱為調(diào)零電位器，保證輸入電壓為零時(shí)，輸出電壓也為零，較小。,雙電源長尾式差放,特點(diǎn)： 加入射極電阻RE ； 采用正負(fù)雙電源供電，加入負(fù)電源- UEE ，,23,射極電阻RE的作用：,T C,（1）直流負(fù)反饋，穩(wěn)定單管的靜態(tài)工作點(diǎn),無輸入信號時(shí)（靜態(tài)）,,,24,射極電阻RE的作用：,（2）RE對共模信號有抑制作用（原因：輸入共模信號時(shí)，抑制過程與上述類似） （3）RE對差模信號不影響，相當(dāng)于開路,ui1 =-

12、ui2 ，設(shè)ui1 ,ui2 ib1 ,ib2 ie1 ,ie2 ie1 = - ie2 IE不變,RE能區(qū)別對待共模信號和差模信號，,25,圖 320無調(diào)零電位器的差放電路,2. 9. 3 差放對差模信號的放大,ui1 = ui2,1. 靜態(tài)分析 當(dāng)輸入信號為零時(shí)，畫出放大電路的直流通路，由基極回路可得直流電壓方程式為,,因?yàn)镽P很小，可以忽略掉。,26,27,差模輸入時(shí)的交流通路,2、動態(tài)分析,RE對差模信號不起作用，可以去掉。,28,,單管差模交流通路,RE對差模信號不起作用，省略去。,單管放大倍數(shù)：,同理可得：,雙端輸出電壓為：,雙端輸入雙端輸出差分電路的差模電壓放大倍數(shù)為：,

13、差放的與單管的電壓放大倍數(shù)相同，所以，接成差放電路是為了抑制零點(diǎn)漂移。,29,兩輸入端之間的差模輸入電阻為：,兩集電極之間的差模輸出電阻為：,當(dāng)在兩管的集電極之間接入負(fù)載RL時(shí)： 因?yàn)楫?dāng)輸入差模信號時(shí)，一個(gè)管子的集電極電位降低，另一管增高，這樣在RL的中點(diǎn)就相當(dāng)于交流接“地”，所以每管各帶一半負(fù)載電阻。這時(shí)，差放電壓放大倍數(shù)變?yōu)椋?30,3、差分放大電路的輸入輸出方式,差動放大電路有兩個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端, 所以在信號源與兩個(gè)輸入端的連接方式及負(fù)載從輸出端取出電壓的方式上可以根據(jù)需要靈活選擇。 1 雙端輸入、 單端輸出 輸出信號只從一管的集電極對地輸出, 這種輸出方式叫單端輸出

14、。此時(shí)由于只取出一管的集電極電壓變化量, 只有雙端輸出電壓的一半, 因而差模電壓放大倍數(shù)也只有雙端輸出時(shí)的一半。,31,雙端輸入、 單端輸出差放電路,32,信號也可以從V2的集電極輸出, 此時(shí)式中無負(fù)號, 表示同相輸出。,如果信號從V1的集電極輸出, 此時(shí)式中有負(fù)號, 表示反相輸出。,單端輸出差放的電壓放大倍數(shù)只有雙端輸出差放的一半。,33,單端輸入、 雙端輸出 差動放大電路,2 單端輸入、 雙端輸出 將差放電路的另一個(gè)輸入端接地, 信號只從一個(gè)輸入端輸入, 這種連接方式稱為單端輸入 。,3單端輸入、 單端輸出 由于單端輸入與雙端輸入情況相同, 因而單端輸入、單端輸出電路計(jì)算與雙端輸入、

15、 單端輸出電路計(jì)算相同。,34,對差放來說，差模信號是需要放大的有用信號，希望它有較大的放大倍數(shù)；而共模信號是需要抑制的無用信號，放大倍數(shù)越小越好，它越小，零點(diǎn)漂移就越小，即抗共模干擾能力越強(qiáng)，當(dāng)用作比較放大時(shí)，就越能準(zhǔn)確、靈敏的反映出信號的偏差值。 為了全面衡量差放放大差模信號和抑制共模信號的能力，引入了共模抑制比作為評價(jià)指標(biāo)。定義為：,2. 9. 4 共模抑制比（Common Mode Rejection Ratio),35,差模放大倍數(shù),共模放大倍數(shù),KCMRR越大，說明差放分辨 差模信號的能力越強(qiáng)，受共模 信號的影響越小。,共模抑制比,理想情況：對于雙端輸出差分放大電路，如果電路完

16、全 對稱，則AC=0，則KCMRR就趨向于無窮大。 實(shí)際情況：電路完全對稱并不存在，所以則KCMRR也不可能 趨向于無窮大。,36,總結(jié),提高雙端輸出差放的共模抑制比的方法： 1、使電路參數(shù)盡可能對稱； 2、盡可能加大共模抑制電阻RE。 對于單端輸出的差放： 主要是盡可能加大共模抑制電阻RE。,37,2.10 功率放大電路,2.10.1 功率放大電路的功能和特點(diǎn),2.10.2 互補(bǔ)對稱放大電路,2.10.3 實(shí)際功放電路,2.10.4 集成功率放大器,38,例： 擴(kuò)音系統(tǒng),2.10.1 功率放大電路的功能和特點(diǎn),功率放大電路的作用：作為放大電路的末級（末前級）。 輸出足夠大的

17、功率，去推動負(fù)載（換能器）工作。例如使揚(yáng)聲器發(fā)聲、繼電器動作、儀表指針偏轉(zhuǎn)、電動機(jī)旋轉(zhuǎn)等。,,,,前置放大電路,功率放大電路,信號源,39,,,,前置放大電路：工作于小信號狀態(tài)，主要用于增強(qiáng)信號 的幅度，即輸出足夠大的電壓或電流；,1 、由于信號大，工作點(diǎn)的動態(tài)范圍大，引起非線性失真大 2、輸出功率足夠大，常在極限狀態(tài)下工作；,3 、效率要高； 4、小信號模型不適用，需采用圖解法分析,功放的特點(diǎn)：,功率放大電路：工作在大信號狀態(tài)，作用是輸出足夠大 的功率，驅(qū)動負(fù)載工作。,兩種放大電路的比較：,40,對功率放大電路的基本要求：,(1) 在不失真的情況下能輸出盡可能大的

18、功率。,(2) 由于功率較大，就要求提高效率。,,,,效率、失真和輸出功率相互影響，首先討論高效率的問題。,根據(jù)Q在特性曲線上的位置把放大電路分為三種工作狀態(tài)：,41,1、甲類工作狀態(tài),優(yōu)點(diǎn)：是在輸入信號的整個(gè)周期內(nèi)，三極管都處于導(dǎo)通狀態(tài), 輸出信號失真較小。 缺點(diǎn)：三極管有較大的靜態(tài)電流ICQ , 管耗PT大。無信號輸入時(shí)，電源提供的功率全部被管子和電阻消耗；有信號輸入時(shí)，一部分能量轉(zhuǎn)換輸出功率，但轉(zhuǎn)換效率低，最高只能達(dá)50%。 在甲類狀態(tài)，電源提供的功率總是PE=UCCICQ,（前面討論的電壓放大器都工作在這種狀態(tài)）,,要想提高效率，一是增加PO；二是減小損耗PT，必須在保證P0的同時(shí)，即

19、減小ICQ，使Q點(diǎn)下移。,工作點(diǎn)Q設(shè)置在交流負(fù)載線的中點(diǎn)。,42,2、乙類工作狀態(tài),優(yōu)點(diǎn)：這時(shí),由于三極管的靜態(tài)電流ICQ 0，靜態(tài)管耗最小， 所以能量轉(zhuǎn)換效率高。 缺點(diǎn)：只能對半個(gè)周期的輸入信號進(jìn)行放大, 非線性 失真大。,乙類放大器的工作點(diǎn)Q設(shè)置在截止區(qū)。,43,,3、甲乙類工作狀態(tài),即三極管處于微導(dǎo)通狀態(tài)，導(dǎo)通的時(shí)間大于半個(gè)周期，此時(shí)，ICQ較小，功耗較小。 優(yōu)點(diǎn)：失真比乙類放大電路的要小, 且能量轉(zhuǎn)換效率也 較高, 目前使用較多。,在乙類和甲乙類下工作時(shí)，雖提高了效率，但產(chǎn)生失真。 為了保證效率，同時(shí)減小波形失真，改變電路結(jié)構(gòu)，采用互補(bǔ)對稱功率放大電路，可以解決效率和

20、失真的矛盾。,在乙類和甲乙類下工作時(shí)，電源提供的功率為PE=UCCIC(AV)，IC(AV)為ic的平均值。,工作點(diǎn)設(shè)在放大區(qū)但接近截止區(qū)。,44,2.10.2 互補(bǔ)對稱放大電路,互補(bǔ)對稱電路是集成功率放大電路輸出級的基本形式。主要有兩種形式的電路： 1、OTL電路：由于與負(fù)載連接時(shí)，省去了變壓器，通過容量較大的電容與負(fù)載耦合，稱為無輸出變壓器(Output Transformerless)電路，簡稱OTL電路。 2、OCL電路：互補(bǔ)對稱電路直接與負(fù)載相連，輸出電容也省去，就成為無輸出電容(Output Capacitorless)電路，簡稱OCL電路。 OTL電路采用單電源供電， OCL

21、電路采用雙電源供電。,45,增加對稱的負(fù)電源-USC ，使靜態(tài)時(shí)的A點(diǎn)電位為0,OTL電路,OCL電路,46,1. OTL電路,(1) 特點(diǎn),T1、T2的特性一致； 一個(gè)NPN型、一個(gè)PNP型 兩管均接成射極輸出器； 輸出端有大電容； 單電源供電。,(2) 靜態(tài)時(shí)(ui= 0),, IC1 0， IC2 0,OTL原理電路,Q1、Q2處在截止區(qū)，電路工作在乙類狀態(tài)。,47,(3) 動態(tài)時(shí),T1導(dǎo)通、T2截止； T1以射極輸出器的形式將正半周信號輸出給負(fù)載，同時(shí)對電容C充電；,,T2導(dǎo)通、T1截止； 電容C通過T2、RL放電，T2以射極輸出器的形式將負(fù)半周信號輸出給負(fù)載，電容C在這時(shí)起到負(fù)電源的

22、作用。,為了使輸出波形對稱，必須保持電容C上的電壓基本維持不變，因此C的容量必須足夠大。,ic,輸入交流信號ui的正半周,輸入交流信號ui的負(fù)半周,48,(4) 交越失真,,當(dāng)輸入信號ui為正弦波時(shí)， 輸出信號在過零前后出現(xiàn)的 失真稱為交越失真。,交越失真產(chǎn)生的原因 由于晶體管輸入特性存在死區(qū)， ui < 死區(qū)電壓時(shí)，電流接近于0。,必須外加偏置電壓，以產(chǎn)生不大的偏流，使靜態(tài)工作點(diǎn)稍高于截止點(diǎn)，避開輸入特性的死區(qū)，使其工作于甲乙類狀態(tài)。,克服交越失真的措施,49,R1,,,,RL,,,,,uI,,,,,,,,,,T1,T2,+UCC,,,,,,,C,A,uo,+,,,+,-,,,+,-,,,,

23、,,R2,D1,D2,靜態(tài)時(shí)T1、T2 兩管發(fā)射結(jié)電壓分別為二極管D1、D2的正向?qū)▔航?，致使兩管均處于微弱?dǎo)通狀態(tài)，消除交越失真。,(5) 克服交越失真的電路,,50,2. OCL電路,靜態(tài)時(shí)：,由于電路對稱，兩管的電流相等，負(fù)載中沒電流通過，VA=0。,動態(tài)時(shí)：,ui 0V，V1導(dǎo)通，V2截止，有正向電流流過負(fù)載； ui < 0，V2導(dǎo)通，V1截止，有反向電流流過負(fù)載。,雙電源供電、輸出無電容器。 優(yōu)點(diǎn)：不影響低頻信號傳輸，便于集成化。,,(1) 每管導(dǎo)通時(shí)間為半個(gè)周期 ； (2) 克服了交越失真。,因?yàn)殪o態(tài)時(shí)，有偏置路提供偏流，Q點(diǎn)不在截止區(qū)，所以電路工作于甲乙類狀態(tài)。,51,電路中增

24、加復(fù)合管,復(fù)合管是由兩個(gè)或兩個(gè)以上三極管按一定的方式連接而成的，復(fù)合管又稱為達(dá)林頓管。,互補(bǔ)對稱放大電路要求有一對特性相同的功率管，當(dāng)輸出功率較小時(shí)，可以選配，但在輸出功率較大時(shí)，功率管就難以選配。所以需要選用復(fù)合管。,增加復(fù)合管的目的：擴(kuò)大電流。,52, 1 2,晶體管的類型由復(fù)合管中的第一支管子決定。,復(fù)合NPN型,復(fù)合PNP型,53,2.10.3 實(shí)際功放電路,這里介紹一個(gè)實(shí)用的OCL準(zhǔn)互補(bǔ)功放電路。其中主要環(huán)節(jié)有 ：,(1) 恒流源式差動放大輸入級（T1、T2、T3）； (2) 偏置電路，克服就交越失真（R1、D1、D2）； (3) OCL準(zhǔn)互補(bǔ)功放輸出級（T7、T8、T9、 T10）

25、； (4) 負(fù)反饋電路（Rf、C1、Rb2構(gòu)成交流電壓串聯(lián)負(fù)反饋）； (5) 共射放大級（T4）； (6) UBE倍增電路（T6、R2、R3）； (7) 調(diào)整輸出級工作點(diǎn)元件(Re7、Rc8、Re9、Re10).,54,,,,,,,差動放大級,反饋級,偏置電路,共射放大級,UBE 倍增 電路,準(zhǔn)互補(bǔ)功放級,保險(xiǎn)管,負(fù)載,實(shí)用的OCL準(zhǔn)互補(bǔ)功放電路：,55,2.10.4 集成功率放大器,特點(diǎn)：工作可靠、使用方便。只需在器件外部適當(dāng)連線，即可向負(fù)載提供一定的功率。,,輸入級是差分放大電路，來抑制電路的零點(diǎn)漂移； 中間級是共射級放大電路，用來放大電壓； 輸出級是OTL互補(bǔ)對稱功率放大電路，單電源供電

26、，用 來放大功率，驅(qū)動負(fù)載。,集成功放LM386的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用：,56,調(diào)節(jié)音量,電源濾波電容,外接旁路電容,消除自激振蕩,輸入信號,輸出耦合大電容,4,57,2.11 場效應(yīng)管及其放大電路,2.11.1 絕緣柵場效應(yīng)管,2.11.2 場效應(yīng)管放大電路,58,2.11 場效應(yīng)管及其放大電路,場效應(yīng)晶體管是利用電場效應(yīng)來控制電流的一種新型半導(dǎo)體器件，即是電壓控制元件。它的輸入電壓決定輸出電流的大小，基本上不需要信號源提供電流，它的輸入電阻高，可達(dá)1091014。,雙極性晶體管是電流控制元件，通過控制基極電流達(dá)到控制集電極電流或射極電流的目的，即信號源必須提供一定的電流才能工作，它的輸入電阻較低，有

27、102104。,FET與BJT相比，具有輸入電阻大、耗電少、噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)；而且制造工藝簡單，體積小，適用于大規(guī)模集成電路；不僅用于放大，也可作為開關(guān)元件。,59,結(jié)型場效應(yīng)管,按結(jié)構(gòu)不同場效應(yīng)管有兩種:,絕緣柵型場效應(yīng),本節(jié)僅介紹絕緣柵型場效應(yīng)管,按工作狀態(tài)可分為：增強(qiáng)型和耗盡型兩類 每類又有N溝道和P溝道之分,,絕緣柵型場效應(yīng)管,60,2.11.1 絕緣柵場效應(yīng)管,漏極D,柵極和其它電極及硅片之間是絕緣的，稱絕緣柵型場效應(yīng)管。,(1) N溝道增強(qiáng)型管的結(jié)構(gòu),柵極G,源極S,1. 增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管,濃度較低,,61,符號：,由于柵極與其他電極及硅片之間是絕緣的，柵

28、極電流IG幾乎為零，柵源電阻（輸入電阻）RGS很高，最高可達(dá)1014 。,由于金屬柵極和半導(dǎo)體之間的絕緣層目前常用二氧化硅，故又稱金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管，簡稱MOS場效應(yīng)管。,62,(2) N溝道增強(qiáng)型管的工作原理,由結(jié)構(gòu)圖可見，N+型漏區(qū)和N+型源區(qū)之間被P型襯底隔開，漏極和源極之間是兩個(gè)背靠背的PN結(jié)。,當(dāng)柵源電壓UGS = 0 時(shí)，不管漏極D和源極S之間所加電壓的極性如何，其中總有一個(gè)PN結(jié)是反向偏置的，反向電阻很高，漏極電流ID近似為零。,,在制造時(shí),D、S之間沒有形成原始導(dǎo)電溝道，而是利用外加?xùn)旁措妷盒纬呻妶霎a(chǎn)生的，稱為增強(qiáng)型場效應(yīng)管。,63,當(dāng)UGS 0 時(shí)，因?yàn)镾iO2很薄

29、，產(chǎn)生了垂直于襯低表面的強(qiáng)電場，P型襯底中的電子受到電場力的吸引到達(dá)表層，填補(bǔ)P型襯低中，因?yàn)閿U(kuò)散而失去空穴形成負(fù)離子的耗盡層；當(dāng)UGS大于一定值時(shí)，還在表面形成了一個(gè)N型薄層，稱為反型層。 這就是溝通源區(qū)和漏區(qū)的N型導(dǎo)電溝道。,,N型導(dǎo)電溝道,(2) N溝道增強(qiáng)型管的工作原理,當(dāng)UGS UGS（th）時(shí)，將出現(xiàn)N型導(dǎo)電溝道，將D-S連接起來。在漏極電源UDS的作用下將產(chǎn)生漏極電流ID，管子導(dǎo)通。UGS愈高，導(dǎo)電溝道愈寬,ID越大。,而0

30、,N型導(dǎo)電溝道,即當(dāng)UGS UGS(th）后，導(dǎo)電溝道才形成，開始導(dǎo)通。 若此時(shí)，漏源之間加上一定的電壓UDS，則有漏極電流ID產(chǎn)生。此時(shí)，漏極電流ID的大小與柵源電壓UGS有關(guān)。 UGS愈高，導(dǎo)電溝道愈寬,ID越大。,,(2) N溝道增強(qiáng)型管的工作原理,所以，場效應(yīng)管是利用電場效應(yīng)改變導(dǎo)電溝道寬度來控制ID的，或者說是利用UGS來控制ID的，即它是一種電壓 控制電流的器件。,,65,(3) 特性曲線,有導(dǎo)電溝道,,轉(zhuǎn)移特性曲線,無導(dǎo)電 溝道,,開啟電壓UGS(th）,UDS,UGS/,輸出特性曲線,線性放大區(qū)（恒流區(qū)）,可變電阻區(qū),截止區(qū),柵源電壓UGS對漏極電流ID的控制特性,,UDS

31、(BR),擊穿區(qū),轉(zhuǎn)移特性曲線,輸出特性曲線,66,,符號：,結(jié)構(gòu),(4) P溝道增強(qiáng)型,SiO2絕緣層,加電壓才形成 P型導(dǎo)電溝道,P溝道增強(qiáng)型場效應(yīng)管漏極和源極間、柵極和源極間應(yīng)加反向電壓時(shí)，形成導(dǎo)電溝道。,67,2. 耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管,符號：,如果MOS管在制造時(shí)已經(jīng)有一個(gè)原始導(dǎo)電溝道，稱為耗盡型場效應(yīng)管。,(1 ) N溝道耗盡型管結(jié)構(gòu),,SiO2絕緣層中 摻有正離子,原始N型 導(dǎo)電溝道,雖然結(jié)構(gòu)變化不大，但控制特性卻有明顯改善。,68,（2.）耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管工作原理,由于耗盡型場效應(yīng)管預(yù)埋了導(dǎo)電溝道，所以在UGS= 0時(shí)，若漏源之間加上一定的電壓UDS，也會有漏極電流 ID

32、產(chǎn)生。,當(dāng)UGS 0時(shí)，使導(dǎo)電溝道變寬， ID 增大； 當(dāng)UGS < 0時(shí)，使導(dǎo)電溝道變窄， ID 減??； UGS負(fù)值愈高，溝道愈窄， ID就愈小。,當(dāng)UGS達(dá)到一定負(fù)值時(shí)，N型導(dǎo)電溝道消失， ID= 0，稱為場效應(yīng)管處于夾斷狀態(tài)（即截止）。這時(shí)的UGS稱為夾斷電壓，用UGS(off）表示。,這時(shí)的漏極電流用 IDSS表示，稱為飽和漏極電流。,69,(3) 耗盡型N溝道MOS管的特性曲線,夾斷電壓,耗盡型的MOS管UGS= 0時(shí)就有導(dǎo)電溝道，加反向電壓到一定值時(shí)才能夾斷。,UGS(off),IDSS,70,可見，耗盡型MOSFET不論UGS是正是負(fù)還是零，都能控制漏極電流ID，這個(gè)特點(diǎn)使其應(yīng)用

33、具有更大的靈活性。 增強(qiáng)型和耗盡型MOSFET的主要區(qū)別是是否有原始導(dǎo)電溝道。所以要判別一個(gè)沒有型號的MOSFET的類型，就是要檢查它在UGS0時(shí)，在漏、源極間加電壓時(shí)，是否導(dǎo)通，來做出判別。,實(shí)驗(yàn)表明，在UGS(OFF) UGS0范圍內(nèi)，耗盡型場效應(yīng)晶體管的轉(zhuǎn)移特性可近似用下式表示：,71,2. 耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管,(4) P 溝道耗盡型管,預(yù)埋了P型 導(dǎo)電溝道,SiO2絕緣層中 摻有負(fù)離子,72,耗盡型,,G、S之間加一定 電壓才形成導(dǎo)電溝道,在制造時(shí)就具有 原始導(dǎo)電溝道,總結(jié)：,73,3. 場效應(yīng)管的主要參數(shù),(1) 開啟電壓 UGS(th)：是增強(qiáng)型MOS管的參數(shù)，柵源電壓小于開啟電

34、壓, 場效應(yīng)管不能導(dǎo)通。 (2) 夾斷電壓 UGS(off)： 當(dāng)UGS=UGS(off) 時(shí),漏極電流為零。 (3) 飽和漏電流 IDSS： 當(dāng)UGS=0時(shí)所對應(yīng)的漏極電流。,(4) 低頻跨導(dǎo) gm：表示柵源電壓對漏極電流的控制 作用的大小，是衡量放大能力的參數(shù)。,(5)輸入電阻RGS ：很大。,74,(6)漏極最大允許耗散功耗PDM 最大漏極功耗是PD= UDS ID的最大值，與雙極 型三極管的PCM相當(dāng)。 (7)柵源擊穿電壓UGS(BR) 是在增大UGS的過程中，絕緣層擊穿使IG迅速增 大的UGS值。,極限參數(shù)：耗散功率、擊穿電壓,使用場效應(yīng)晶體管時(shí)，要注意： 1、因

35、為RGS很大，為了避免可能出現(xiàn)柵極感應(yīng)電壓過高而造成絕緣層的擊穿問題，在保存時(shí)，應(yīng)該將三個(gè)電極短接 2、焊接時(shí)，電烙鐵應(yīng)斷電或具有良好的接地線。,75,場效應(yīng)管與晶體管的比較,,類 型 NPN和PNP N溝道和P溝道,放大參數(shù),,76,2.11.2 場效應(yīng)管放大電路,,場效應(yīng)晶體管具有輸入電阻高、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，常用于多級放大電路的輸入級以及要求噪聲低的放大電路，特別是對于高內(nèi)阻信號源，采用場效應(yīng)晶體管才能有效放大。,場效應(yīng)管的源極S、漏極D、柵極G相當(dāng)于雙極型晶體管的發(fā)射極E、集電極C、基極B。,場效應(yīng)管的共源極放大電路和源極輸出器與雙極型晶體管的共發(fā)射極放大電路和射極輸出器在結(jié)構(gòu)

36、上也相類似。,BJT是電流控制元件，依靠調(diào)整IB來獲得合適的靜態(tài)工作點(diǎn)；而FET是電壓控制元件，Q由UGS決定。,77,電路的組成原則及分析方法,(1).靜態(tài)：要求有合適的靜態(tài)工作點(diǎn)Q，使 場效應(yīng)管工作在恒流區(qū)。,(2).動態(tài): 能為交流信號提供通路進(jìn)行放大。,組成原則,分析方法,靜態(tài)分析即設(shè)置合適的Q,由于它是電壓控制元件，當(dāng)UDD和RD選定后，Q是由UGS(偏壓)確定的。常用的偏置電路有以下兩種：,78,1.自給偏壓式偏置電路,2.11.2 場效應(yīng)管放大電路,柵源電壓UGS是由場效應(yīng)管自身的電流提供的，故稱自給偏壓。,UGS = RSIS = RSID,T為N溝道耗盡型場效應(yīng)管

37、,由于N溝道增強(qiáng)型MOS管工作時(shí)，UGS為正，故不能采用自給偏壓式電路。,靜態(tài)時(shí)，柵極電流IG0，故IS=ID ;柵極電位VG=0.,結(jié)構(gòu)：各個(gè)元器件的作用,79,靜態(tài)分析可以用估算法或圖解法( 略 ),估算法：,UGS = RSID,,將已知的UGS(off)、IDSS代入上兩式，解出UGS、ID;,由 UDS= UDD ID(RD+ RS) 解出UDS,列出靜態(tài)時(shí)的關(guān)系式,80,例：已知UDD =20V、RD=3k、 RS=1k、 RG=500k、UGS(off)= 4V、IDSS=8mA， 確定靜態(tài)工作點(diǎn)。,解：用估算法,UGS = 1 ID,,UDS= 20 2（ 3 + 1 ）= 1

38、2 V,列出關(guān)系式,解出 UGS1 = 2V、UGS2 = 8V、ID1=2mA、ID2=8mA,因UGS2

39、電阻,RG是為了提高 輸入電阻ri而設(shè)置 的，不影響放大 倍數(shù)；也不影響Q.,如果沒有RG ，則輸入電阻減小，為,84,場效應(yīng)管微變等效電路,電壓放大倍數(shù),負(fù)號表示輸出輸入反相,85,分壓式偏置電路,,G,如果上面的電路中去除旁路電容CS，這時(shí)，放大倍數(shù)是多少？,86,3.源極輸出器,交流通路,電壓放大倍數(shù),特點(diǎn)與晶體管的射極輸出器一樣,87,場效應(yīng)管放大電路小結(jié),(1) 場效應(yīng)管放大器輸入電阻很大。 (2)場效應(yīng)管共源極放大器(漏極輸出)輸入輸出反相，電壓放大倍數(shù)大于1；輸出電阻=RD。 (3)場效應(yīng)管源極跟隨器輸入輸出同相，電壓放大倍數(shù)小于1且約等于1；輸入電阻高；輸出電阻低。,由于具有很高的輸入電阻，MOSFET放大電路適合作為多級放大電路的輸入級，特別對于具有高內(nèi)阻的信號源，只有采用FET才能有效地放大信號。,