模拟电子技术场效应管放大器与功率电子电路ppt课件.ppt

第三章场效应管放大器 第四章功率电子电路 1 第三章场效应管放大器 绝缘栅场效应管结型场效应管 3 2场效应管放大电路 效应管放大器的静态偏置效应管放大器的交流小信号模型效应管放大电路 3 1场效应管 2 4 1概述 4 2乙类互补对称功率放大电路 4 3甲乙类互补对称功率放大电路 4 4集成功率放大器 第四章功率电子电路 甲乙类双电源互补对称电路 甲乙类单电源互补对称电路 3 3 1场效应管 BJT是一种电流控制元件 iB iC 工作时 多数载流子和少数载流子都参与运行 所以被称为双极型器件 场效应管 FieldEffectTransistor简称FET 是一种电压控制器件 uGS iD 工作时 只有一种载流子参与导电 因此它是单极型器件 FET因其制造工艺简单 功耗小 温度特性好 输入电阻极高等优点 得到了广泛应用 FET分类 绝缘栅场效应管 结型场效应管 增强型 耗尽型 N沟道 P沟道 N沟道 P沟道 N沟道 P沟道 4 一 绝缘栅场效应管 绝缘栅型场效应管 MetalOxideSemiconductorFET 简称MOSFET 分为 增强型 N沟道 P沟道耗尽型 N沟道 P沟道 1 N沟道增强型MOS管 1 结构4个电极 漏极D 源极S 栅极G和衬底B 符号 5 当uGS 0V时 纵向电场 将靠近栅极下方的空穴向下排斥 耗尽层 2 工作原理 当uGS 0V时 漏源之间相当两个背靠背的二极管 在d s之间加上电压也不会形成电流 即管子截止 再增加uGS 纵向电场 将P区少子电子聚集到P区表面 形成导电沟道 如果此时加有漏源电压 就可以形成漏极电流id 栅源电压uGS的控制作用 6 定义 开启电压 UT 刚刚产生沟道所需的栅源电压UGS N沟道增强型MOS管的基本特性 uGS UT 管子截止 uGS UT 管子导通 uGS越大 沟道越宽 在相同的漏源电压uDS作用下 漏极电流ID越大 7 转移特性曲线 iD f uGS uDS const 可根据输出特性曲线作出移特性曲线 例 作uDS 10V的一条转移特性曲线 UT 8 一个重要参数 跨导gm gm iD uGS uDS const 单位mS gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用 在转移特性曲线上 gm为的曲线的斜率 在输出特性曲线上也可求出gm 9 2 N沟道耗尽型MOSFET 特点 当uGS 0时 就有沟道 加入uDS 就有iD 当uGS 0时 沟道增宽 iD进一步增加 当uGS 0时 沟道变窄 iD减小 在栅极下方的SiO2层中掺入了大量的金属正离子 所以当uGS 0时 这些正离子已经感应出反型层 形成了沟道 定义 夹断电压 UP 沟道刚刚消失所需的栅源电压uGS 10 3 P沟道耗尽型MOSFET P沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完全相同 只不过导电的载流子不同 供电电压极性不同而已 这如同双极型三极管有NPN型和PNP型一样 11 4 MOS管的主要参数 1 开启电压UT 2 夹断电压UP 3 跨导gm gm iD uGS uDS const 4 直流输入电阻RGS 栅源间的等效电阻 由于MOS管栅源间有sio2绝缘层 输入电阻可达109 1015 12 二 结型场效应管 1 结型场效应管的结构 以N沟为例 两个PN结夹着一个N型沟道 三个电极 g 栅极d 漏极s 源极 符号 N沟道 P沟道 13 2 结型场效应管的工作原理 1 栅源电压对沟道的控制作用 在栅源间加负电压uGS 令uDS 0 当uGS 0时 为平衡PN结 导电沟道最宽 当 uGS 时 PN结反偏 耗尽层变宽 导电沟道变窄 沟道电阻增大 当 uGS 到一定值时 沟道会完全合拢 定义 夹断电压UP 使导电沟道完全合拢 消失 所需要的栅源电压uGS 14 2 漏源电压对沟道的控制作用 在漏源间加电压uDS 令uGS 0由于uGS 0 所以导电沟道最宽 当uDS 0时 iD 0 uDS iD 靠近漏极处的耗尽层加宽 沟道变窄 呈楔形分布 当uDS 使uGD uGS uDS UP时 在靠漏极处夹断 预夹断 预夹断前 uDS iD 预夹断后 iDS iD几乎不变 uDS再 预夹断点下移 3 栅源电压uGS和漏源电压uDS共同作用 iD f uGS uDS 可用输两组特性曲线来描绘 15 1 输出特性曲线 iD f uDS uGS 常数 3 结型场效应三极管的特性曲线 设 UT 3V 16 四个区 恒流区的特点 iD uGS gm 常数即 iD gm uGS 放大原理 a 可变电阻区 预夹断前 b 恒流区也称饱和区 预夹断后 c 夹断区 截止区 d 击穿区 可变电阻区 恒流区 截止区 击穿区 17 2 转移特性曲线 iD f uGS uDS 常数 可根据输出特性曲线作出移特性曲线 例 作uDS 10V的一条转移特性曲线 18 4 场效应管的主要参数 1 开启电压UTUT是MOS增强型管的参数 栅源电压小于开启电压的绝对值 场效应管不能导通 2 夹断电压UPUP是MOS耗尽型和结型FET的参数 当uGS UP时 漏极电流为零 3 饱和漏极电流IDSSMOS耗尽型和结型FET 当uGS 0时所对应的漏极电流 4 输入电阻RGS结型场效应管 RGS大于107 MOS场效应管 RGS可达109 1015 5 低频跨导gmgm反映了栅压对漏极电流的控制作用 单位是mS 毫西门子 6 最大漏极功耗PDMPDM UDSID 与双极型三极管的PCM相当 19 5 双极型和场效应型三极管的比较 20 一 直流偏置电路保证管子工作在饱和区 输出信号不失真 3 2场效应管放大电路 1 自偏压电路 UGS IDR 注意 该电路产生负的栅源电压 所以只能用于需要负栅源电压的电路 计算Q点 UGS ID UDS 已知UP 由 可解出Q点的UGS ID 21 2 分压式自偏压电路 可解出Q点的UGS ID 计算Q点 已知UP 由 该电路产生的栅源电压可正可负 所以适用于所有的场效应管电路 22 二 场效应管的交流小信号模型 与双极型晶体管一样 场效应管也是一种非线性器件 在交流小信号情况下 也可以由它的线性等效电路 交流小信号模型来代替 其中 gmugs是压控电流源 它体现了输入电压对输出电流的控制作用 称为低频跨导 rds为输出电阻 类似于双极型晶体管的rce 23 三 场效应管放大电路 1 共源放大电路 24 分析 1 画出共源放大电路的交流小信号等效电路 2 求电压放大倍数 3 求输入电阻 4 求输出电阻 则 25 2 电压放大倍数 3 输入电阻 得 分析 1 画交流小信号等效电路 由 2 共漏放大电路 26 4 输出电阻 所以 由图有 27 本章小结 1 FET分为JFET和MOSFET两种 工作时只有一种载流子参与导电 因此称为单极性型晶体管 FET是一种压控电流型器件 改变其栅源电压就可以改变其漏极电流 2 FET放大器的偏置电路与BJT放大器不同 主要有自偏压式和分压式两种 3 FET放大电路也有三种组态 共源 共漏和共栅 电路的动态分析需首先利用FET的交流模型建立电路的交流等效电路 然后再进行计算 求出电压放大倍数 输入电阻 输出电阻等量 28 4 1概述 4 2乙类互补对称功率放大电路 4 3甲乙类互补对称功率放大电路 4 4集成功率放大器 第四章功率电子电路 甲乙类双电源互补对称电路 甲乙类单电源互补对称电路 29 例 扩音系统 什么是功率放大器 在电子系统中 模拟信号被放大后 往往要去推动一个实际的负载 如使扬声器发声 继电器动作 仪表指针偏转等 推动一个实际负载需要的功率很大 能输出较大功率的放大器称为功率放大器 4 1概述 30 一 功放电路的特点 2 功放电路中电流 电压要求都比较大 必须注意电路参数不能超过晶体管的极限值 ICM UCEM PCM 1 输出功率Po尽可能大 31 3 电流 电压信号比较大 必须注意防止波形失真 4 电源提供的能量应尽可能多地转换给负载 尽量减少晶体管及线路上的损失 即注意提高电路的效率 Po 负载上得到的交流信号功率 PE 电源提供的直流功率 5 功放管散热和保护问题 32 二 甲类功率放大器分析 1 三极管的静态功耗 若 电源提供的平均功耗 则 33 2 动态功耗 当输入信号Ui时 输出功率 要想PO大 就要使功率三角形的面积大 即必须使Vom和Iom都要大 最大输出功率 34 电源提供的功率 此电路的最高效率 甲类功率放大器存在的缺点 输出功率小静态功率大 效率低 35 三 BJT的几种工作状态 甲类 Q点适中 在正弦信号的整个周期内均有电流流过BJT 甲乙类 介于两者之间 导通角大于180 动画演示 乙类 静态电流为0 BJT只在正弦信号的半个周期内均导通 36 一 结构 互补对称 电路中采用两个晶体管 NPN PNP各一支 两管特性一致 组成互补对称式射极输出器 4 2乙类互补对称功率放大电路 37 二 工作原理 设ui为正弦波 静态时 ui 0V ic1 ic2均 0 乙类工作状态 uo 0V 动态时 ui 0V T1截止 T2导通 ui 0V T1导通 T2截止 iL ic1 iL ic2 T1 T2两个管子交替工作 在负载上得到完整的正弦波 38 输入输出波形图 死区电压 39 组合特性分析 图解法 负载上的最大不失真电压为Uom VCC UCES 40 最大不失真输出功率Pomax 1 输出功率Po 三 分析计算 动画演示 41 一个管子的管耗 2 管耗PT 两管管耗 42 3 电源供给的功率PE 当 4 效率 最高效率 max 43 四 三极管的最大管耗 问 Uom PT1最大 PT1max 用PT1对Uom求导 并令导数 0 得出 PT1max发生在Uom 0 64VCC处 将Uom 0 64VCC代入PT1表达式 44 选功率管的原则 1 PCM PT1max 0 2PoM 2 45 存在交越失真 乙类互补对称功放的缺点 46 静态时 T1 T2两管发射结电压分别为二极管D1 D2的正向导通压降 致使两管均处于微弱导通状态 甲乙类工作状态 动态时 设ui加入正弦信号 正半周T2截止 T1基极电位进一步提高 进入良好的导通状态 负半周T1截止 T2基极电位进一步降低 进入良好的导通状态 电路中增加R1 D1 D2 R2支路 1 基本原理 4 3甲乙类互补对称功率放大电路 一 甲乙类双电源互补对称电路 47 波形关系 特点 存在较小的静态电流ICQ IBQ 每管导通时间大于半个周期 基本不失真 EWB演示 功放的交越失真 48 2 带前置放大级的功率放大器 动画演示 甲乙类互补对称电路的计算同乙类 49 3 电路中增加复合管 增加复合管的目的 扩大电流的驱动能力 1 2 晶体管的类型由复合管中的第一支管子决定 复合NPN型 复合PNP型 50 4 带复合管的OCL互补输出功放电路 T1 电压推动级 前置级 T2 R1 R2 UBE扩大电路 T3 T4 T5 T6 复合管构成互补对称功放 输出级中的T4 T6均为NPN型晶体管 两者特性容易对称 合理选择R1 R2 b3 b5间可得到UBE2任意倍的电压 51 1 基本原理 单电源供电 输出加有大电容 1 静态偏置 二 甲乙类单电源互补对称电路 调整RW阻值的大小 可使 此时电容上电压 52 2 动态分析 电容起到了负电源的作用 Ui负半周时 T1导通 T2截止 Ui正半周时 T1截止 T2导通 动画演示 53 3 输出功率及效率 若忽略交越失真的影响 则 此电路存在的问题 输出电压正方向变化的幅度受到限制 达不到VCC 2 54 2 带自举电路的单电源功放 静态时 C1充电后 其两端有一固定电压 动态时 由于C1很大 两端电压基本不变 使C1上端电位随输出电压升高而升高 保证输出幅度达到VCC 2 C1 R7为自举电路 55 3 带运放前置放大级的功率放大电路 运放A接成同相输入方式作前置放大级 引入了电压串联负反馈 整个电路的电压放大倍数 56 总结 互补对称功放的类型 57 4 4集成功率放大器 集成功率放大器DG4100简介 58 集成功放DG4100的外部接线图