电路与模拟电子第三章.ppt

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,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（Field Effect Transistor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

2、,P沟道,N沟道,P沟道,N沟道,P沟道,一. 绝缘栅场效应管,绝缘栅型场效应管 ( Metal Oxide Semiconductor FET)，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：,当uGS0V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

3、流id。,栅源电压uGS的控制作用,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。,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,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。,2

4、.N沟道耗尽型MOSFET,特点： 当uGS=0时，就有沟道，加入uDS，就有iD。 当uGS0时，沟道增宽，iD进一步增加。 当uGS0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。,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。,4. MOS管的主要参数,（1）开启电压UT （2）夹断电压UP （3）跨导gm

5、：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1091015。,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,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

6、拢（消失）所需要的栅源电压uGS。,（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。,uDSiD 靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，呈楔形分布。,当uDS ，使uGD=uG S- uDS=UP时，在靠漏极处夹断预夹断。,预夹断前， uDSiD 。 预夹断后， iDSiD 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。,（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

7、：UT= -3V,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,（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：,4 .场效应管的主要参数,(1) 开启电压UT UT 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UP UP 是MOS耗尽型和结型FET的参数，

8、当uGS=UP时,漏极电流为零。,（3）饱和漏极电流IDSS MOS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1091015。,（5） 低频跨导gm gm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PDM PDM= UDS ID，与双极型三极管的PCM相当。,5 .双极型和场效应型三极管的比较,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

9、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,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。,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。,三. 场效应管放大电路,1.共源放大电路,分析： （1）画出共源放大电路的交

10、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,（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,（4）输出电阻,所以,由图有,第3章 基本放大电路,3.1 放大电路的基本概念 3.2 基本放大电路的静态分析 3.3 基本放大电路的图解分析 3.4 基本放大电路的动态分析 3.5 场效应三极管放大电路的分析方法,1 放大电路主要利用三极管或场效应管的控制作用放大微弱信号，输出信号在电压或电流的幅度上得到了放大，输出信号的能量得到了加强。,3.1 放大电路的基本概念,3.1.1 放大的概念,基本放大电路一般是指由

11、一个三极管或场效应管组成的放大电路，可以将基本放大电路看成一个双端口网络。,2 输出信号的能量实际上是由直流电源提供的，只是经过三极管的控制，使之转换成信号能量，提供给负载。,3.1.2 基本放大电路的组成及工作原理3.1.2.1 共射组态基本放大电路的组成,以共射组态基本放大电路为例加以说明。电路如下所示。,构成放大电路必须保证三极管处于放大状态，即发射结正偏，集电结反偏；保证输入信号可以加到三极管的输入回路，同时经三极管放大的信号，可以输送到负载上去。,基本放大电路的组成包括：1。三极管 2。偏置电阻 3。负载电阻 4。耦合电容 5。直流电源,三极管VT：放大信号，起的能量控制的作用；,偏

12、置电路Rb1、 Rb2、Re ：使三极管发射结正偏，集电结反偏，保证三极管具有放大能力；,负载电阻：包括三极管的集电极负载电阻Rc，放大电路的负载电阻RL；,耦合电容C1、 C2：耦合电容对放大的交流信号可视为短路， C1、 Ce可保证信号加到发射结， Ce 称旁路电容。 C2可保证信号加到负载电阻RL上；,直流电源VCC：向基本放大电路提供工作电流，以及在三极管的控制之下向负载输送转换成的信号能量。,3.2.1.1 静态和动态,静态 时，放大电路的工作状态， 也称直流工作状态。,放大电路建立正确的静态，是保证动态工作的前提。分析放大电路必须要正确地区分静态和动态，正确地区分直流通道和交流通道

13、。,动态 时，放大电路的工作状态，也称交流工作状态。,1. RC的改变,二、放大电路参数改变对 工作点的影响,2. VCC的改变,3. IB的改变,直流通道 交流通道 直流电源和耦合电容对交流相当于短路,即能通过直流的通道。从C、B、E向外 看，有直流负载电阻， Rc 、 Re 、 Rb1、 Rb1 。,能通过交流的电路通道。如从C、 B、E向外看，有等效的交流负载电阻， Rc/RL和偏置电阻Rb1、 Rb2 。,若直流电源内阻为零，交流电流流过直 流电源时，没有压降。设C1、 C2 足够大，对 信号而言，其上的交流压降近似为零。在交 流通道中，可将直流电源和耦合电容短路。,3.2.1.2 直

14、流通路和交流通路,第3章 基本放大电路,3.1 放大电路的基本概念 3.2 基本放大电路的静态分析 3.3 基本放大电路的图解分析,3.2 基本放大电路的静态分析,放大电路的静态是指输入信号为零时的状态，电路中只包含直流量，因此可以用放大电路的直流通路来分析。具体的分析方法有计算法和图解法的方法。,由于三极管的特性曲线是非线性的，不能用数学表达式来描述，只能用特性曲线来表示。在分析放大电路时可采用图解的方法。,在放大电路的输入回路，三极管的一方，可以用三极管的输入特性曲线表示；外电路的一方，可以用基极回路直流通路方程式来描述。,在放大电路的输出回路，可以用三极管的输出特性曲线和输出侧直流通路的

15、方程式来描述。,3.2.1 静态和动态,静态 时，放大电路的工作状态，也称直流工作状态。,放大电路建立正确的静态，是保证动态工作的前提。分析放大电路必须要正确地区分静态和动态，正确地区分直流通道和交流通道。,动态 时，放大电路的工作状态，也称交流工作状态。,直流通道 交流通道 直流电源和耦合电容对交流相当于短路,即能通过直流的通道。从C、B、E向外 看，有直流负载电阻， Rc 、 Re 、 Rb1、 Rb1 。,能通过交流的电路通道。如从C、 B、E向外看，有等效的交流负载电阻， Rc/RL和偏置电阻Rb1、 Rb2 。,若直流电源内阻为零，交流电流流过直 流电源时，没有压降。设C1、 C2

16、足够大，对 信号而言，其上的交流压降近似为零。在交 流通道中，可将直流电源和耦合电容短路。,3.2.2 直流通路和交流通路,3.2.3 静态工作状态的分析法,对基极偏置回路用戴文宁定理进行变换，使基极偏置电路只具有一个网眼，以方便求解基极电流。,静态分析是在输入信号等于零的情况下进行的，因此和放大电路的直流通路打交道。,以共射分压偏置基本放大电路为例加以说明,根据直流通道可对放大电路的静态进行计算。,用戴文宁定理 进行变换,具体变换过程如下,1.静态工作状态的计算方法如下:,IB表达式中UBE是变量，对硅管UBE 0.60.8V，对锗管UBE 0.20.3V， 而VCC一般在几伏，可满足VCC

17、 UBE的条件。所以可以将UBE 用固定值替代，这既简化了计算，又不会造成太大的误差。,IB、IC和UCE这些量代表的工作状态称为静态工作点，用Q表示。往往将IB、IC和UCE改写为IBQ、ICQ和UCEQ。,2.静态工作状态的图解分析法,图 3-2-3 放大电路静态工作状态的图解分析,上述静态工作点的计算，是将UBE视为常数，如果不视为常数，则需要用图解法来求解静态工作点。由于三极管的非线性，所以可以使用输入特性曲线来表示，与基极回路的直流通方程式进行图解，见图3-2-3。,图 3-2-4 放大电路静态工作状态的图解分析,由于三极管的非线性，所以可以使用图解的方法对放大电路进行分析。放大电路

18、的静态工作状态的图解分析如图3-2-4所示。,两个特殊点,两个特殊点,3. 在输出回路由直流负载列出方程 UCE=VCC IC (Rc +Re) 4. 在输出特性曲线上确定两个特殊点，即可画出 直流负载线。,直流负载线的确定方法：,VCC 、 VCC / (Rc + Re),1. 在输入回路列方程式VCC UBE= IBRb + (1+) Re,2. 在输入特性曲线上，作出输入负载线，两线的交点 即是Q，由此可确定IBQ 。 IBQ也可通过计算得到。,5. 得到Q点的参数IBQ、ICQ和UCEQ。,3.2.4 电阻归算的概念,IB表达式中分母中的(1+)Re的物理概念可以这样理解。所以将Re乘

19、以(1+)，是因为对于上图，写列基极电流方程时，在基极电流流过的电路网眼中电流不等，在基极是IB，在发射极是IE，为了保证基极电流流过Re，产生的电压降与IE流过时一样，所以要将Re乘以(1+)。,这是放大电路中经常使用的电阻归算的概念，将发射极回路的电阻归算到基极回路，要乘以(1+)；将电阻从基极回路归算到发射极回路要除以(1+)。,以上在推导基极电流表达式时,图示共射组态分压偏置基本放大电 路，它有稳定工作点的特点，这是因为 三极管是一种对温度非常敏感的半导体 元件。温度升高，集电极电流增大；温 度降低，集电极电流减小。这将造成静 态工作点的移动，有可能使输出信号产 生失真。在实际电路中，

20、要求流过Rb1和 Rb2串联支路的电流远大于基极电流IB。,3.2.5 分压偏置的优点,UB,UB,UB,UB,这样温度变化引起的IB的变化，对基极电位就没有多大的影响了，就可以用Rb1和Rb2的分压来确定基极电位。,Re的串入有稳定工作点的作用。如果集电极电流 随温度升高而增大，则发射极对地电位升高，因基极 电位基本不变，故UBE减小。从输入特性曲线可知， UBE的减小基极电流将随之下降，根据三极管的电流 控制原理，集电极电流将下降，反之亦然。这就在一 定程度上稳定了工作点。分压偏置基本放大电路具有 稳定工作点的条件，是流过Rb1和Rb2串联支路的电流 远大于基极电流IB（一般大于十倍以上）

21、。可以用下 列方法计算工作点的参数值,第3章 基本放大电路,3.1 放大电路的基本概念 3.2 基本放大电路的静态分析 3.3 基本放大电路的图解分析 3.4 基本放大电路的动态分析 3.5 场效应三极管放大电路的分析方法,3.3.1 放大电路的动态图解分析,放大电路加入输入信号的工作状态称为动态。动态时，电路中的电流和电压将在静态直流量的基础上叠加交流量。可以采用交、直流分开的分析方法，即人为地把直流和交流分量分开后单独分析，然后再把它们叠加起来。,3.3 基本放大电路的图解分析,UBE,ube,uBE,分析直流分量时，用前面刚刚讲过的静态分析；分析交流分量时，利用放大电路的交流通道。放大电

22、路工作时直流分量和交流分量二者叠加在一起，我们用UBE表示直流量、 ube 表示交流量、 uBE表示交直流量的总合。,1. 作出放大电路的交流通道，将大容量电容器短路，直流电源 对地短路，可得到放大电路的交流通道。,2. 确定输出回路交流通道的交流负载电阻为 RL= RLRc,共射基本 放大电路,交流通道,3.3.1.1 交流负载线,以分压偏置共射组态基本放大电路为例说明这个问题：,3. 通过输出特性曲线上的Q点做一条直线，其斜率为-1/RL 。,4. RL= RLRc，是交流负载电阻。,5. 交流负载线是有交流 输入信号时Q点的运动轨迹。,6. 交流负载线与直流负载线相交Q点。,关于交流负载线归纳如下： 1确定基本放大电路集电极输出回路的交流负载电阻， 本例是RL= RLRc。 2通过输出特性曲线上的Q点做一直线，其斜率为1/RL， 这条线即是交流负载线。 3交流负载线与直流负载线相交，且通过Q点。 4交流负载线是有交流输入信号时，工作点Q的运动轨迹。,图 03.12 放大电路的动态图解分析（动画3-1）,3.3.1.2 交流工作状态的图解分析,图解分析的过程如下：,1. 首先画出输入 电压波形uBE(t),2. 根据输入特性曲线和 uBE(t)画出iB波形,3.根据iB波形和交流 负载线画出iC波