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第三章第三章 场效应晶体管场效应晶体管 及其放大电路及其放大电路 2 1 2 p GDShDSt k W vViV L 可变电阻区可变电阻区 N沟道增强型沟道增强型 场效应管的场效应管的 输出特性曲线输出特性曲线 应用 模拟开关 压控电阻 开关状态 饱和区饱和区 放大应用的工作区域放大应用的工作区域 VDS vGS 定值定值 较大较大 饱和区饱和区 截止区截止区 击穿区击穿区 vGS 定值定值 较较小小 iD 0 v vGS GS V Vthth 2 2 p GSth k W vV L D S G iD vGS Vth vDS vGS Vth vGD Vth 饱和区的饱和区的 电压范围电压范围 N沟道增强型场效应管的沟道增强型场效应管的 转移特性曲线转移特性曲线 DmGS igv 2 1 2 p GDShDSt k W vViV L 饱和区饱和区 放大应用的工作区域放大应用的工作区域 2 2 p GSth k W vV L iD vGS 0 Vth VGSQ IDQ Q 饱和区饱和区 截止截止 区区 开启电压开启电压 2 2 p GSQth DQ GSQt D h mpQ W k I V k W VV LV Ig L 微变跨导微变跨导 gm N沟道结型沟道结型 场效应管 场效应管 iD vGS 0 Voff VGSQ 饱和区饱和区 截止截止 区区 夹断电压夹断电压 Q 2 1 1 GS DDSS o D ff S v iI V v 饱和区 饱和区 0 GoffS vV 2 1 GS DSS off v I V GSSofDf vvV D S G iD vDS vGS Voff Voff vGS 0 饱和区的饱和区的 电压范围电压范围 场效应管放大电路的直流偏置 使直流工作点使直流工作点VGSQ VDSQ处于饱和区 处于饱和区 S B RD VDD vO vi D G R1 R2 RS CG 分压式分压式 S IDQ RD VDD vO vi D G RG RS CG 地地 iG 0 自给偏压式自给偏压式 vs S B RD VDD vO VGG D G 直流偏置直流偏置 信号源信号源 直接式直接式 GQSQSGDQ VIVR 2 2 p thDQGSQ IV k W V L 解方程 解方程 GSQDSQ VIR 2 2 p thDQGSQ IV k W V L 解方程 解方程 GGSQG VV 2 2 p thDQGSQ IV k W V L 场效应管的场效应管的微变信号模型微变信号模型 D S B G Id b s d rds g gmVgs gsV 中 低频段中 低频段 MOS 管管 结型管结型管 D S G iD Cgd Cgs d rds g gmVgs Id s Vgs 中 低中 低 频段频段 d rds g gmVgs Id s Vgs 习题习题3 1 4 2 10 mA v R vV i DS D DSDD D vi RD 2 K 10V T a 电路如图 问 当电路如图 问 当 vi 分别为分别为1V 3V 4V时 时 管处于什么工作状态 管处于什么工作状态 解 解 做出做出负载线负载线 观察 观察vi 分别为分别为1V 3V 4V的输出的输出 特性曲线与负载线的交点 判断管处于在工作区域 特性曲线与负载线的交点 判断管处于在工作区域 负载线负载线方程 方程 根据根据3 5V曲线的拐点 曲线的拐点 2V vGS Vth 3 5 Vth得 得 Vth 1 5V vDS V iD mA 1 2 3 4 5 0 1 2 3 4 5 6 7 vGS 2 5V vGS 3V vGS 3 5V vGS 4V 2 vGS Vth 10V 当当Vi 1V时 使时 使 vGS 1V Vth 1 5V 管处于截止状态 管处于截止状态 B A 当当Vi 4V时 时 vGS 4V与负载线交与负载线交 点点B 可知管处于可知管处于 可变电阻区状态 可变电阻区状态 当当Vi 3V时 时 vGS 3V与负载线交与负载线交 点点A 可知管处于可知管处于 饱和区状态 饱和区状态 习题习题3 4 4 RD VDD RS vi RG RD VDD vi RG a RG1 RD VDD vi RG2 RD VDD RS vi RG2 RG1 b c d 判断图示各电路中的偏置的正确性 判断图示各电路中的偏置的正确性 增强型管不能用增强型管不能用 自给偏压 只能得自给偏压 只能得 到管截止的结果 到管截止的结果 由于由于IGQ 0 必必 VGSQ VDD 必必 VGQ VDQ 很容易使管进入可很容易使管进入可 变电阻区 变电阻区 必必 VGSQ 0 使使N沟道结型管沟道结型管 栅源极间栅源极间PN结结 正向导通 正向导通 使管不能工作 使管不能工作 P沟道管 沟道管 直流电源应改为直流电源应改为 负电源 负电源 衬底应连接源极 衬底应连接源极 习题习题3 4 4 续 续 RD VDD RS vi RG2 RG1 RS RD VDD vi RG RD VDD RS vi VGG Rs VDD RSS vs e f g h 耗尽型管 耗尽型管 偏置电路的偏置电路的 形式正确 形式正确 P沟道结型管 沟道结型管 直流电源应改为直流电源应改为 负电源 负电源 耗尽型管耗尽型管 栅源极短接使栅源极短接使VGSQ 0 虽可使管处于放大状态 虽可使管处于放大状态 但信号源但信号源vi不能作用管不能作用管 栅源极间 电路无法完栅源极间 电路无法完 成对成对vi 的放大 的放大 P沟道管 沟道管 偏置电路的偏置电路的 形式正确 形式正确 习题习题3 4 7 RD VDD 10V RSS vs RG2 RG1 T 5K 0 5 K 50 K 30 K CG vo RS 0 5K CS RG 200 K 求图示电路在中频段电压增益 输入电阻求图示电路在中频段电压增益 输入电阻ri 输出电阻 输出电阻ro 解 解 1 计算直流工作点计算直流工作点 IDQ 确认管处于 确认管处于 饱和区放大状态 饱和区放大状态 2 计算计算gm rds 3 画出微变等效电路 计算交流指标 画出微变等效电路 计算交流指标 场效应管场效应管与与双极性管双极性管的比较 的比较 输入 输出端间的输入 输出端间的交流关系交流关系 直流工作点直流工作点 D S B G N沟道场效应管沟道场效应管与与NPN双极性管双极性管的的相同相同 场效应管场效应管的与双极性管的的与双极性管的不同不同 P沟道场效应管沟道场效应管与与PNP双极性管双极性管的的相同相同 B C E 填空题 填空题 1 设设N沟道增强型沟道增强型MOS管的开启电压为管的开启电压为2V 当管栅源极间 当管栅源极间 电压为电压为3 5V 漏源极间电压为 漏源极间电压为1 2V 管处于 管处于 状态 状态 2 设设N沟道结型场效应管的夹断电压为沟道结型场效应管的夹断电压为2V 当管栅源极间 当管栅源极间 电压为电压为 1V 漏源极间电压为 漏源极间电压为2V 管处于 管处于 状态 状态 3 3 放大状态的场效应管的放大状态的场效应管的输出电流与输入电压关系输出电流与输入电压关系的主的主 要特征是 要特征是 放大状态的双极型管的输出电流放大状态的双极型管的输出电流 与输入电压关系的主要特征是 与输入电压关系的主要特征是 4 4 场效应管的场效应管的微变跨导微变跨导gm与管工作点电流与管工作点电流IDQ的关系的关系的主的主 要要 特征是 特征是 双极型管的微变跨导双极型管的微变跨导gm与管工作与管工作 点电流点电流ICQ的关系的主要特征是 的关系的主要特征是 第四章第四章 放大电路的频率特性放大电路的频率特性 1 1j p A f f A 由表达式画出波特图由表达式画出波特图 趋势线趋势线 由波特图由波特图 趋势线趋势线 写出表达式写出表达式 一阶低通函数的波特图 趋势线 一阶低通函数的波特图 趋势线 0 45 90 45 十倍频十倍频 f 20dB 十倍频十倍频 f 20lg A 0dB fp 20dB 40dB 60dB 10 fp 10fp 100fp 100j1 10j1 1j1 10000 fff A f MHz 20lg A 0dB 80 1 10 100 fp3 fp2 fp1 40dB 十倍频十倍频 180 0 45 90 135 225 A 20dB 十倍频十倍频 60dB 十倍频十倍频 例 由表达式画出波特图由表达式画出波特图 趋势线趋势线 例 例 f KHz 20lg A 0dB 40 4 40 400 20dB 十倍频十倍频 60dB 十倍频十倍频 20 10 100 0 4 20 40 A 360 0 225 270 315 405 f KHz 450 180 由波特图写出表达式 由波特图写出表达式 2 2 10 1 1 0 1 4 A ff jj 1 45 90 135 截止频率 截止频率 多阶低通系统多阶低通系统的情况的情况 01020 12 111 m HHHm AAA A jf fff jjj fff 上截止频率上截止频率 fH 12 222 1111 1 1 HHHm H ffff 没有主极点频率的情况 没有主极点频率的情况 各各 fHi 数值较接近数值较接近 在在4倍以内倍以内 有主极点频率有主极点频率fH主 主 各各 fHi 中有一中有一fH主 主数值较小 小于其它的 数值较小 小于其它的1 4 则则A的上截止频率的上截止频率 fH fH主 主 GGLLGGLLGGLL GGLLGGLLGGLL GGLLGGLLGGLL GGLLGGLLGGLL GGLLGGLL 由波特图得出截止频率 由波特图得出截止频率 f 20lg A 0dB 40 10fp1 fp1 20dB 十倍频十倍频 20 上截止频率上截止频率 fH fp1 f 20lg A 0dB 40 10fp1 fp1 40dB 十倍频十倍频 20 必 必 fH fp1 0 2 1 1 p A A f j f 根据 根据 求得求得fH 2 1 0 2 0 2 1 H p AA A f f 习题习题4 3 2 电路中硅晶体管电路中硅晶体管T的主要参数为 的主要参数为 0 100 rbb 100 Cb c 3pF fT 300MHz V A 100V 试求当电阻负载试求当电阻负载RL为为16K 和和1 6K 两种情况下的微变电压两种情况下的微变电压 增益的中频值增益的中频值Avs0 上截止频率上截止频率fH 带宽增益乘积带宽增益乘积GBW vS RS VCC 6V RB1 RC RL T vO RB2 RE 解 解 1 计算直流工作点 计算直流工作点 ICQ 2 计算管混合 计算管混合 模型的参数模型的参数 gmVb e Cb e e rbb rb e Cb c b c b rce Vbe Vce 26 b e CQ r I 26 CQ m I g CEQA A ce CQCQ VV V r II 2 m b eb c T g CC f 习题4 3 2 续1 3 做出微变等效电路 做出微变等效电路 gmVb e Cb e e rbb rb e Cb c b c b rce Vo Rc RL RB Rs Vs gmVb e Cb e e rbb rb e CM b c b Vo R s R L RB Rs Vs Cb c Vo gmVb e Cb e CM e b c R s RL Vs Cb c CM 1 gmRL Cb c R s Rs RB rbb rb e 密勒电容 密勒电容 Rs 为从为从Cb e向信号源方向信号源方 向看去的等效内阻 向看去的等效内阻 习题4 3 2 续2 输入回路等效一阶低通输入回路等效一阶低通 的上截止频率的上截止频率 fHi 输出回路等效一阶低通输出回路等效一阶低通 的上截止频率的上截止频率 fHo 1 2 Hi sb eM f RCC 1 2 Ho Lb c f R C 22 111 1 1 HiHo H fff 一般情况下 一般情况下 Rs rbb 都不足够小的情况 都不足够小的情况 输入回路决定的极点频率输入回路决定的极点频率 fHi 为主极点频率 为主极点频率 放大电路的上截止频率放大电路的上截止频率 fH fH fHi gmVb e Cb e CM e b c R s RL Vs Cb c Vo 习题习题4 4 1 RD VDD vO RG RSS CG vS RS CS RL 场效应管放大电路如题图场效应管放大电路如题图 N沟道结型管沟道结型管T的参数为 的参数为 kp 40 A V2 W L 10 Voff 3V 0 01 Cgs 3pF Cgd 5pF 试求微变电压增益的中频值试求微变电压增益的中频值Avs0和上截止频率和上截止频率fH 解 解 1 计算直流工作点 计算直流工作点 IDQ 2 计算管的微变信号模型参数 计算管的微变信号模型参数 gmVg s Cgs s Cgd d g rds Vgs Vds 2 mpDQ W gkI L 1 ds DQ r I 习题4 4 1 续 3 做出微变等效电路 做出微变等效电路 gmVg s Cgs s Cgd d g rds Vs Vo R D RL RG Rs CM 1 gmRL Cgd R s Rs RG 密勒电容 密勒电容 Rs 为从为从Cgs向信号源向信号源 方向看去的等效内阻方向看去的等效内阻 gmVgs Cgs CM s g d R s RL Vs Cgd Vo 输入回路等效一阶低通的上截止频率输入回路等效一阶低通的上截止频率 fHi 输出回路等效一阶低通的上截止频率输出回路等效一阶低通的上截止频率 fHo 1 2 Hi sgsM f RCC 1 2 Ho Lgd f R C 22 111 1 1 HiHo H fff 填空题 填空题 1 相同的晶体管 相同直流工作点 相对共基极 共集电相同的晶体管 相同直流工作点 相对共基极 共集电 极电路 共发射极电路的上截止频率较极电路 共发射极电路的上截止频率较 其原因是 其原因是 2 共射共射 共基组合放大电路的上截止频率比单管共射电路共基组合放大电路的上截止频率比单管共射电路 的要的要 其原因是 其原因是 3 放大电路的理想幅频特性应该是 放大电路的理想幅频特性应该是 放大电路的理想相频特性应该是 放大电路的理想相频特性应该是 放大电路的理想时延特性应该是 放大电路的理想时延特性应该是 第五章第五章 反馈放大电路反馈放大电路 反馈元件的判别反馈元件的判别 反馈的正负性的判别反馈的正负性的判别 反馈类型的判别反馈类型的判别 在输入端 串联 并联 在输入端 串联 并联 在输出端电压取样 电流取样在输出端电压取样 电流取样 深负反馈情况下电路增益的计算 深负反馈情况下电路增益的计算 自激的判断自激的判断 习题习题5 3 2 判断电路中的反馈器件 计算深负反馈状态下的电压增益 判断电路中的反馈器件 计算深负反馈状态下的电压增益 解 解 反馈元件 反馈元件 R2 R3 负反馈 负反馈 DZ不存在反馈 既无直流反馈 不存在反馈 既无直流反馈 也无交流反馈 也无交流反馈 直流工作点电流直流工作点电流 交流通路 交流通路 R2 R1 R3 R4 vi vo iC1 iB2 rZ 0 iR3 习题5 3 2 续 设设R2 R3 的负反馈的负反馈 均为深负反馈 均为深负反馈 R2 R1 R3 R4 vi vo iC1 iB2 rZ 0 iR3 T1 T2 X X R3的深负反馈使的深负反馈使 b2位置呈交流 虚地 位置呈交流 虚地 虚地 使虚地 使 iB2 0 iR1 0 iR3 iC1 R2的深负反馈的深负反馈 使使b1 e1间呈间呈 交流 虚短路 交流 虚短路 使使 iC1 vi R 2 Avf vo iR3R3 iC1 R3 R3 vi iC1 R2 iC1 R2 R2 习题习题5 3 5 仿真作业中的仿真作业中的问题问题 在分析比较有无在分析比较有无Rf的反馈的反馈 两种情况时的电路性能时 两种情况时的电路性能时 用断用断 开开Rf的办法代表无反馈的情况 的办法代表无反馈的情况 但断开但断开Rf后 管后 管T1就没有了直流就没有了直流 工作点 工作点 T1就处于截止状态了 就处于截止状态了 正确的做法正确的做法 1 分析有分析有Rf 时管时管T1 T2的直流工作点 的直流工作点 分析交流指标如 通频带宽 非线性失真系数 分析交流指标如 通频带宽 非线性失真系数 2 断开断开Rf 但在直流偏置电路上采取措施 但在直流偏置电路上采取措施 使使T1 T2的工作点的工作点 IBQ 和没有和没有Rf时的一样 时的一样 3 分析无分析无Rf反馈情况的电路性能指标 与有反馈情况反馈情况的电路性能指标 与有反馈情况 1 做比较 做比较 Rf RL Rc Vcc vs vo IBQ Rs 图图1 在图在图1电路中 在分析 仿真无反馈电路中 在分析 仿真无反馈 情况时 也不能简单地将反馈电阻情况时 也不能简单地将反馈电阻 Rf 开路 开路 Rf RL Rc Vcc vs vo Rs 图图2 R1 R2 在图在图2电路中 如果在有电路中 如果在有Rf时管的直流时管的直流 工作点正常 在分析无工作点正常 在分析无Rf负反馈的情负反馈的情 况 况 去掉去掉Rf 短路短路Rf 时时 要注意在 要注意在R2 上的直流分压上的直流分压可能会致使管进入饱和可能会致使管进入饱和 状态状态 同理 同理 习题5 3 5 续 习题习题5 2 4 连接反馈连接反馈 分别使分别使 1 进一步稳定各直流工作点 进一步稳定各直流工作点 2 负载电阻负载电阻RL变动时变动时 输出电压输出电压vo基本不变基本不变 而且输入级向信号源索取电流较小 而且输入级向信号源索取电流较小 3 要求负载电阻要求负载电阻RL变动时变动时 输出电流输出电流Io基本不变基本不变 解 解 标画瞬时电位极性 标画瞬时电位极性 1 c3 e1 或或 e3 b1 2 c3 e1 3 e3 b1 习题习题5 3 6 5 3 9 RF引回的级间反馈为引回的级间反馈为 电压电压并联并联负反馈负反馈 RF的深负反馈使的深负反馈使T1T1基极基极 呈现呈现交流交流 虚地虚地 Fo FF vs s ss s IRRV A R VIR vS T2 RL RC2 T1 T3 15V vo 15V RS RE3 RS1 RC3 RF sI FI 10bV sFII 即 即 如果希望通过负反馈提高输入电阻如果希望通过负反馈提高输入电阻 相对无反馈情况相对无反馈情况 同时稳定电压增益 同时稳定电压增益 应如何修改反馈的连接 应如何修改反馈的连接 RS1 vS RS RF RL vo 习题5 3 6 5 3 9 续 如果希望通过负反馈如果希望通过负反馈提高输入电阻提高输入电阻 相对无反馈情况相对无反馈情况 同时 同时稳定电压稳定电压 增益增益 应如何修改反馈的连接 应如何修改反馈的连接 vS T2 RL RC2 T1 T3 15V vo 15V RS RE3 RS1 RC3 RF sI FI vS T2 RL RC2 T1 T3 15V vo 15V RS RE3 RS RC3 RF 如此连接 对不对 不对 呈正反馈了 vS T2 RL RC2 T1 T3 15V vo 15V RS RE3 RS1 RC3 RF RC1 应 习题5 3 6 5 3 9 续 vS T2 RL RC2 T1 T3 15V vo 15V RS RE3 RS1 RC3 RF sI FI vS T2 RL RC2 T1 T3 15V vo 15V RS RE3 RS1 RC3 RF RC1 RS1 vS RS RF RL vo RS1 vS RS RF RL vo 习题习题5 4 2 已知某已知某负反馈放大系统负反馈放大系统的的基本放大电路基本放大电路的的 对数幅频特性曲线如图所示对数幅频特性曲线如图所示 反馈网络由纯电阻反馈网络由纯电阻 构成构成 若要求系统稳定工作若要求系统稳定工作 即不产生自激即不产生自激 则反馈系数的上限值为多少则反馈系数的上限值为多少 解 解 4 2 10 1 1 11000 v A ff jj 1 2 求求A的相频特性 的相频特性 20lg A 0dB 60 104 105 106 f Hz 40 20 20dB 十倍频十倍频 60dB 十倍频十倍频 20 不出现自激的条件 不出现自激的条件 0 f AF0 dB 0 180 AF f f0 反馈网络由纯电阻构成 反馈网络由纯电阻构成 0 F 0 180 A f 根据根据 求出求出 f0 3 2 54 10 10 1 10 1 A ff jj 当当 f 105Hz时 时 A 90 2 45 180 f0 105Hz 求求A的相频特性的相频特性 A 20lg A 0dB 60 104 105 106 f Hz 40 20 20dB 十倍频十倍频 60dB 十倍频十倍频 20 由由A的幅频波特图写出的幅频波特图写出A的表达式 的表达式 0 180 A f 根据根据 求出求出 f0 习题习题5 4 2续 45 90 135 180 235 270 A f Hz 0 3 在在 f0频点 频点 A 40dB 根据根据 AF f0 0dB 应反馈系数应反馈系数F 40dB 习题习题5 4 4 已知某电压串联负反馈放大电路的开环频率特性如图所示已知某电压串联负反馈放大电路的开环频率特性如图所示 1 写出基本放大电路的电压增益表达式写出基本放大电路的电压增益表达式 2 若反馈系数若反馈系数 判断引入反馈后电路能否稳定 判断引入反馈后电路能否稳定 如能稳定 求出相位裕度 如能稳定 求出相位裕度 如产生自激 试计算如产生自激 试计算45 相位裕度相位裕度 下的反馈系数 下的反馈系数 0 01F 解 解 4 2 10 1 1 11000 v A ff jj 1 2 如果仅给出幅频特性图 如果仅给出幅频特性图 可先写出表达式 可先写出表达式 再画出相频特性图 再画出相频特性图 习题5 4 4 续 v 中频段中频段 0 2 由相频特性图 由相频特性图 v 180 时时 Av F 1000 0 01 10 1 负反馈电路不稳定 负反馈电路不稳定 Av 60dB Av 103 在相位裕度取为在相位裕度取为45 的情况 的情况 在在 v 135 时时 Av 65dB 为实现为实现45 的相位裕度