场效应管放大电路及多级放大电路.ppt

第三章场效应管放大电路及多级放大电路 模拟电子技术基础 3 1 结型场效应管 JFET 3 2 金属 氧化物 半导体场效应管 MOSFET 3 3 场效应管静态工作点的设置方法 3 5 复合管 3 4 场效应管放大电路的动态分析 3 6 多级放大电路 第三章场效应管及其放大电路 晶体三极管 电流控制电流元件 场效应管 电压控制电流元件 引入场效应管的原因 晶体管放大电路不能满足ri M 在晶体管放大电路中 共集放大电路输入电阻最高 所以引入场效应管来提高输入电阻 序论 结型 绝缘栅型 小输入电压控制大输出电流 ri高 噪声低 热稳定性好 抗辐射能力强 省电等 场效应管特点 场效应管分类 场效应管有三个极 源极 s 栅极 g 漏极 d 1 结构和符号 导电沟道 源极 栅极 漏极 符号 一 JFET 的结构和工作原理 3 1 结型场效应管 JFET N沟道 符号 P沟道 导电沟道 发射极 e 基极 b 集电极 c a 栅 源电压对导电沟道宽度的控制作用 沟道最宽 注意 为什么g s必须加负电压 UGS off 2 工作原理 1 当uGS 0 uDS 0时 PN结很窄 导电沟道最宽 2 当 uGS 逐渐增大 PN结加反偏电压 PN结变宽 导电沟道变窄 沟道电阻变大 3 当 uGS uGS off 时 两个PN结闭合 导电沟道消失 沟道被夹断 沟道电阻无穷大 uGS可以控制导电沟道的宽度 b 漏 源电压对漏极电流的影响 场效应管工作在恒流区的条件是什么 1 当uGS 0 uDS 0时 使沟道中各点与栅极g间电压不再相等 所以PN上宽下窄 PN结上宽下窄 预夹断 2 uGD uGS uDS 随着uDS增大 uGD变小耗尽层变宽 导电沟道变窄 iD随uDS线性增加 3 uGD uGS uDS 随着uDS继续增大 当uGD uGS Off 时 为预夹断 uGD UGS off uGD UGS off b 漏 源电压对漏极电流的影响 场效应管工作在恒流区的条件是什么 3 uGD uGS uDS 随着uDS继续增大 当uGD uGS Off 时 夹断加深 此时iD不再随uDS增大而增大 uDS的增大几乎全部用来克服沟道电阻 iD仅取决于uGS大小 此时为恒流区 uGD UGS off 注意 场效应管工作在恒流区的条件是什么 此时 通过改变uGS大小来改变iD 所以场效应管为电压控制电流元件 4 uGS uGS off 全夹断 iD 0 进入夹断区 综上分析可知 沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电 所以场效应管也称为单极型三极管 JFET是电压控制电流器件 iD受uGS控制 预夹断前iD与uDS呈近似线性关系 预夹断后 iD趋于饱和 JFET栅极与沟道间的PN结是反向偏置的 因此iG 0 输入电阻很高 1 输出特性曲线 g s电压控制d s的等效电阻 预夹断轨迹 uGD UGS off 可变电阻区 恒流区 iD几乎仅决定于uGS 击穿区 夹断区 截止区 夹断电压 IDSS 不同型号的管子UGS off IDSS将不同 低频跨导 场效应管有三个工作区域 截止区 恒流区 可变电阻区 二 JFET 的特性曲线 UGS off 场效应管工作在恒流区 因而uGS UGS off 且uGD UGS off 2 转移特性曲线 IDSS为uGS 0 预夹断时的电流 漏极饱和电流 夹断电压 3 2金属 氧化物 半导体场效应 MOS 管 MOS管的特点 g与s g与d间采用si02绝缘层 g与s间电阻比场效应管大得多 达1010 以上 且温度稳定性好 集成化时工艺简单 所以广泛应用于大规模和超大规模集成电路中 结型场效应管 SiO2绝缘层 耗尽层 高掺杂 1 增强型管工作原理 1 增强型管 一 MOS 管的结构和工作原理 当uGS 0时 无导电沟道 无论外加uds极性如何 id 0 随uGS增大 反型层 导电沟道 将变厚变长 当反型层将两个N区相接时 形成导电沟道 衬底 反型层 大到一定值才开启 1 增强型管工作原理 当uGS 0时 uGS UGS th iD随uDS的增大而增大 可变电阻区 uGD UGS th 预夹断 iD几乎仅仅受控于uGS 恒流区 刚出现夹断 uDS的增大几乎全部用来克服夹断区的电阻 1 增强型管工作原理 转移特性 开启电压 输出特性 在恒流区 可变电阻区 恒流区 夹断区 截止区 2 增强型管特性曲线 耗尽型MOS管在uGS 0 uGS 0 uGS 0时均可导通 且与结型场效应管不同 由于SiO2绝缘层的存在 在uGS 0时仍保持g s间电阻非常大的特点 加正离子 小到一定值才夹断 uGS 0时就存在导电沟道 2 耗尽型管 1 耗尽型管工作原理 加正离子 小到一定值才夹断 uGS 0时就存在导电沟道 1 耗尽型管工作原理 1 当ugs 0时 由于二氧化硅绝缘层则ig 0 导电沟道变宽 在uDS作用下 iD较大 2 当ugs 0时 导电沟道变窄 iD变小 当ugs UGS 0ff时 出现夹断区 iD 0 总结 耗尽型MOS管可以在ugs正负电压下工作 而结型管仅在ugs 0时工作 相同点是ig 0 转移特性 夹断电压 输出特性 2 耗尽型管特性曲线 特点 可以满足iD IDSS 而结型管只能ID IDSS 场效应管总结 工作在恒流区时g s d s间的电压极性 场效应管的分类 1 夹断电压UGS off 漏极电流约为零时的uGS值 3 饱和漏极电流IDSS uGS 0时对应的漏极电流 三 场效应管的主要参数 2 开启电压UGS th 仅适用于增强型 使iD 0所需最小的g s间电压 1 直流参数 1 输出电阻rd 2 交流参数 2 低频跨导gm 或 低频跨导反映了vGS对iD的控制作用 gm可以在转移特性曲线上求得 单位是mS 毫西门子 2 最大漏源电压 U BR DS 3 最大栅源电压 U BR GS 1 最大漏极电流 IDM 4 最大漏极功耗PDM 3 极限参数 为保证场效应管工作在恒流区 在g s d s间加极性合适的电源 3 3场效应管静态工作点的设置方法 场效应管放大电路 共源 S 共漏 d 共栅 g 共射 e 共集 c 共基 b 正常工作条件 VGG UGS th VDD作用 保证d s间电压大于预夹断电压 为负载提供能源 Rd作用 将变化的iD转变为电压UDS 实现电压放大 静态分析 公式法 确定 所以称为自给偏压电路 哪种场效应管能够采用这种电路形式设置Q点 一 自给偏压电路 1 公式法 由于结型管正常工作时必须ugs 0 由图知静态ui 0时Ig 0 即URg 0 Ig ID 所以 自己产生的 2 图解法 输出回路负载线 输入回路负载线 为什么加Rg3 其数值应大些小些 哪种场效应管能够采用这种电路形式设置Q点 二 分压式偏压电路 典型的Q稳定电路 根据iD的表达式或转移特性可求得gm 与晶体管的h参数等效模型类似 一 场效应管的交流等效模型 3 4场效应管放大电路的动态分析 说明 1 以结型 增强型为例ig 0 所以g s间断开 但ugs 0 2 小信号工作时 在恒流区 常数 用受控源等效 3 在线性区 若Rd 3k Rg 5k gm 2mS 则 二 基本共源放大电路的动态分析 1 固定偏置电路 与共射电路比较 总结 2 尽管输入电阻可以达 但Au却仅有10倍级左右 1 共源与共射均为反相放大电路 2 分压式偏置电路 解 1 画微变等效电路 2 求各量值 有旁路电容时 无旁路电容时 总结 2 此电路中C可以用无极性电容 如果负载小时 C2要用有极性电容 以减小C2上的分压 1 Rg3作用 进一步提高输入电阻 对直流无影响 三 基本共漏放大电路的动态分析 输出电阻的分析 若Rs 3k gm 2mS 则Ro 加压求流法 Ro 428 与共集电路类似 1 U0与Ui同相 2 Au 1 3 R0较小 可以作为多级放大电路的输出级 复合管的组成 多个管子合理连接等效成一个管子 不同类型的管子复合后 其类型决定于T1管 目的 增大 减小前级驱动电流 改变管子的类型 3 5复合管 工作中常需要 很高达上千倍 若用单管则电路稳定性较差 所以采用复合管 复合管的组成原则 1 在合适的外加电压下 每只管子的电流都有合适的通路 且均工作在放大区或恒流区 2 为了实现电流放大 应将第一只管的集电极 漏极 或发射极 源极 电流作为第二只管子的基极电流 总之 由于晶体管构成的复合管有很高的电流放大系数 所以只需要很小的输入驱动基极电流 便可获得很大的集电极 或发射极 电流 在合适的外加电压下 每只管子的电流都有合适的通路 才能组成复合管 讨论一 判断下列各图是否能组成复合管 Ri Ro 讨论二 求下图的输入电阻和输出电阻 放大电路的选用 按下列要求组成两级放大电路 Ri 1 2k Au的数值 3000 Ri 10M Au的数值 300 Ri 100 200k Au的数值 150 Ri 10M Au的数值 10 Ro 100 共源 共集 补充 各种放大器件电路性能比较 共射 共射 共源 共射 共集 共射 3 6多级放大电路 1 单级放大输出达不到要求的输出量级 2 为从信号源输入更多能量 要求输入级Ri 对负载而言 为了获得更多的能量 要求输出级Ro 0 多级放大电路作用 信号源与放大电路之间 两级放大电路之间 放大器与负载之间的连接方式 直接耦合 阻容耦合 变压器耦合等 耦合方式 常用的耦合方式 多级放大电路引入 已知rbe 1 2K 50 求AVO AV AVS 解 分析 分别在不带负载 带负载 考虑信号源内阻时 放大倍数大大降低 解决方法 采用多级放大电路 空载时 考虑信号源内阻时 改进电路 已知rbe1 rbe3 1 5K 1 3 50 求AVO AV AVS 既是第一级的集电极电阻 又是第二级的基极电阻 特点 能够放大变化缓慢的信号 便于集成化 Q点相互影响 存在零点漂移现象 零漂的原因 当输入信号为零时 前级由温度变化所引起的电流 电位的变化会逐级放大 第二级 第一级 1 直接耦合 输入为零 输出产生变化的现象称为零点漂移 一 多级放大电路的静态分析 Re Q1合适吗 对哪些动态参数产生影响 用什么元件取代Re既可设置合适的Q点 又可使第二级放大倍数不至于下降太大 二极管导通电压UD小 动态电阻rd小 静动态均解决 直接耦合特点 UCE1 UBE2 0 7V 则T1的Q点太低 已进入饱和区 解决方法 接RE 静态可解决 但动态AV损失大 接D UCEQ1太小 加Re Au2数值 改用D 若要UCEQ1大 则改用DZ 稳压管伏安特性 限流电阻 rz u i 小功率管多为几欧至二十几欧 若要使UCEQ1 5V 采用什么方式解决 举例 直接耦合两级放大电路 静态工作点的求解 特点 Q点相互独立 不能放大变化缓慢的信号 低频特性差 不能集成化 共射电路 共集电路 有零点漂移吗 利用电容连接信号源与放大电路 放大电路的前后级 放大电路与负载 称为阻容耦合 2 阻容耦合 1 电压放大倍数 2 输入电阻 3 输出电阻 对电压放大电路的要求 Ri大 Ro小 Au的数值大 最大不失真输出电压大 二 多级放大电路的动态分析 三 分析举例 两级放大电路如图所示 已知三极管的场效应管的 写出两级放大电路的组态 并求出输入电阻 输出电阻及电压放大倍数 例1 解 此为共源 共集放大电路 例2 解 此为共源 共射放大电路 交流等效电路如图 零点漂移现象 uI 0 uO 0的现象 产生原因 温度变化 直流电源波动 元器件老化 其中晶体管的特性对温度敏感是主要原因 故也称零漂为温漂 克服温漂的方法 引入直流负反馈 温度补偿 典型电路 差分放大电路 差分放大电路的作用 克服零点漂移现象 3 3差分放大电路 一 简单的差分放大电路 1 抑制零漂的原理 电路结构对称 各元件参数相同 电路特点 静态时 ui1 ui2 0 IC1 VC1 IC2 VC2 当温度升高时 虽然两个管子都产生漂移 但集电极电位的变化是相同的 所以Uo 0 2 信号输入 所以电路对共模信号无放大作用 即AC 0 ui1 ui2 大小相等 极性相同 差分电路抑制共模信号能力的大小 反映了它对零点漂移的抑制水平 1 共模输入 uo 0 ui1 ui2 大小相等 极性相反 电路对差模信号有较大的放大能力 2 差模输入 设ui1 0 ui2 0 ui1 ic1 uc1 ui2 ic2 uc2 差模信号是有用信号 共模信号需要抑制 3 比较输入 ui1 ui2大小和极性是任意的 可分解成 ui1 uic 1 2 uid 可分解为一对共模信号叠加一对差模信号 ui2 uic 1 2 uid 差分放大电路中的一般概念 差模信号 共模信号 差模电压增益 共模电压增益 用差模信号和共模信号表示输入信号 二 长尾式差分放大电路 RE 稳定静态工作点 限制每个管子的漂移 EE 用于补偿RE上的压降 以获得合适的工作点 原因 1 完全对称的理想差分放大电路并不存在 单靠对称性抑制零漂是有限度的 2 电路中每个管子的零漂仍存在 若用单管输出 漂移仍存在 RE 共模负反馈电阻 作用 近一步抑制零漂 IC1 IE1 IC2 IE2 IC1 IC2 RE对共模信号有强烈的抑制作用 但对差模信号无影响 2 静态分析 静态时输出电压为零 静态时由于UC1 UC2 3 动态分析 一对大小相等方向相反的信号 一管电流增加 一管电流减小 a 输入信号为差模信号 差模输出电压不为零 一对大小相等方向相同的信号 两管电流同时增加 b 输入信号为共模信号 共模输出电压为零 干扰信号和温漂以共模形式出现 可以被抑制 所以不出现在输出中 3 动态分析 三 差分放大电路主要技术指标计算 1 双端输入 双端输出 1 差模输入 差模放大倍数 2 共模输入 共模放大倍数AC 0 共模抑制比KCMR 综合考察差分放大电路放大差模信号的能力和抑制共模信号的能力 在实际应用时 信号源需要有 接地 点 以避免干扰 或负载需要有 接地 点 以安全工作 根据信号源和负载的接地情况 差分放大电路有四种接法 双端输入 双端输出 双端输入 单端输出 单端输入 双端输出 单端输入 单端输出 或 电路对称理想时 双端输出的KCMR为无穷大 差分放大电路主要技术指标计算 2 双端输入 单端输出 1 差模输入 输入回路没变 输出回路改变 若RL接T2管 则 2 双入单出 共模输入 又由 很大 Ric为T1与T2并联后电阻 1 T2的Rc可以短路吗 2 什么情况下Ad为 3 双端输出时的Ad是单端输出时的2倍吗 3 双入单出分析 输入差模信号的同时总是伴随着共模信号输入 3 单端输入 双端输出 分析方法与双入双出一致 结果也一致 4 单端输入 单端输出 静态时的值 问题讨论 1 UOQ产生的原因 2 如何减小共模输出电压 输出方式 Q点 Ad Ac KCMR Ro均与之有关 输入方式 电路的性能指标与输入方式无关 因此输入电阻不变 但是输入信号的分量不同 单端输入时必有共模信号分量和差模信号分量输入 四种接法比较 条件 电路参数对称 为什么要采用电流源 Re越大 共模负反馈越