第5章 晶体管基本放大电路3

1、第五章 晶体管基本放大电路 5.1 5.2 5.3 5.4 放大电路的静态分析 放大电路的动态分析 静态工作点的稳定及偏置电路 放大电路的组成 5.5 场效应管放大电路 5.6 多级放大电路 场效应场效应管的原理及其放大电路管的原理及其放大电路 l 重点： 多级多级放大电路的耦合方式放大电路的耦合方式 第五章 晶体管基本放大电路 5.5.1 场效应管工作原理场效应管工作原理 5.5.2 场效应管场效应管微微变等效模型变等效模型 5.5.3 场效应场效应管放大管放大电路电路 5.5 场效应管放大电路 利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的半导体器件 l 场效应管紧靠多数载流子导电，又称单极型

2、晶体管 l 体积小、重量轻、寿命长 l 噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强 l 输入内阻高：1071012 l 耗电省 p 单极型单极型晶体管晶体管场效应管场效应管 5.5 场效应管放大电路 场效场效 应管应管 分类分类 N 沟道 P 沟道 N 沟道 P 沟道 增强型 耗尽型 增强型 耗尽型 p 单极型单极型晶体管晶体管场效应管场效应管 5.5 场效应管放大电路 d s g N N沟道结型结构示意图沟道结型结构示意图 这样既保证了栅这样既保证了栅- -源之间的电阻源之间的电阻 很高很高， 又实现了又实现了UGS 对沟道电流对沟道电流 D 的控制 的控制。 正常工作时：正常工作时： 在栅在栅- -

3、源之间加负向电压源之间加负向电压，( (保保 证耗尽层承受反向电压证耗尽层承受反向电压) ) P P区和区和N N区的交界面形成区的交界面形成耗尽层耗尽层。 耗尽层 p N N沟道结型场效应管沟道结型场效应管 5.5 场效应管放大电路 导 电 沟 道 P+P+ 源极和漏极之间的非耗尽层称源极和漏极之间的非耗尽层称 为为导电沟道导电沟道。 漏漏- -源之间加正向电压源之间加正向电压，( (以以 形成漏极电流）形成漏极电流） 当uGS=0时，耗尽层 很窄,导电沟道宽。 随| uGS |增大，耗尽 层增宽,沟道变窄,电 阻增大。 | uGS |增加到某一数值, 耗尽层闭和,沟道消失, 沟道电阻趋于无

4、穷大。 夹断电压夹断电压 UGS(off ) p N N沟道结型场效应管沟道结型场效应管 5.5 场效应管放大电路 当 uDS =0时，虽有导电沟 道，但 iD 为零。 当uDS 0时，产生 iD，随 着uDS增加， iD 增加。 导电沟道呈楔形。 uGS 为UGS(off )0 0中某一固定值， uDS 对漏极电流iD的影响 uGS D S G iD uDS 5.5 场效应管放大电路 只要栅漏电压 uGD 小于夹 断电压UGS(off ) ，iD 就随 uDS 的增大而增大。 uGS 为UGS(off )0 0中某一固定值， uDS 对漏极电流iD的影响 uGS D S G iD uDS 5

5、.5 场效应管放大电路 当uGD=UGS(off ) ，漏极一边 的耗尽层就会出现夹断区。 此时称为预夹断。 此时的 iD 称为“饱和漏极 电流 iDSS” uGS 为UGS(off )0 0中某一固定值， uDS 对漏极电流iD的影响 uGS D S G iD uDS 5.5 场效应管放大电路 当uGD=UGS(off ) ，漏极一边 的耗尽层就会出现夹断区。 此时称为预夹断。 此时的 iD 称为“饱和漏极 电流 iDSS” 若uDS 继续增大，即 uGDUGS(off )，夹断区下移， 此时若uDS继续增加， iD 几 乎不变。 uGS 为UGS(off )0 0中某一固定值， uDS 对

6、漏极电流iD的影响 uGS D S G iD uDS 5.5 场效应管放大电路 此时iD的值由uGS 决定，iD 表现为恒流特性。 注意iD是载流子通过电场 效应被漏极吸收形成的 。 当uGDUGS(off ) 时，若uDS 为常量，此时可通过改变 uGS 的大小来控制 iD 。 可以把 iD 近似看成 uGS 控 制的电流源 uGS 为UGS(off )0 0中某一固定值， uDS 对漏极电流iD的影响 uGS D S G iD uDS 5.5 场效应管放大电路 p 结型场效应管结型场效应管 5.5 场效应管放大电路 iD = f ( uDS ) uGS = 常数常数 p 结型场效应管结型场

7、效应管 转移转移特性曲线：当漏源电压不变时，漏极电流特性曲线：当漏源电压不变时，漏极电流 与栅与栅 源电压源电压之间的关系之间的关系。 描述场效应管电流电压关系描述场效应管电流电压关系： 输出特性曲线：当栅源电压不变时，漏极电流输出特性曲线：当栅源电压不变时，漏极电流 与漏与漏 源电压源电压之间的关系。之间的关系。 iD = f ( uGS ) uDS = 常数常数 5.5 场效应管放大电路 栅-源电压为零时漏极电流也为零的管子称为增强型。 栅-源电压为零时漏极电流不为零的管子称为耗尽型。 MOSMOS管分类：管分类： N沟道（ NMOS） 增强型 耗尽型 P沟道（ PMOS） 增强型 耗尽型

8、 绝缘栅型场效应管采用sio2绝缘层隔离（输入电阻更大）， 栅极为金属铝，又称为MOS管。 p 绝缘绝缘栅栅型场效应管型场效应管 5.5 场效应管放大电路 通常衬底和源极连接在一起使用 1.1.结构结构 栅极和衬底各相当于一个极板， 中间是绝缘层，形成电容。 栅-源电压改变时，将改变衬底 靠近绝缘层处感应电荷的多少， 从而控制漏极电流的大小。 P型硅衬底 衬底引线B 源极栅极漏极 SiO2 p N N沟道增强型沟道增强型MOSMOS管管 5.5 场效应管放大电路 1) uGS =0 =0 时时： D与S之间是两个PN结反向串 联，无论D与S之间加什么极 性的电压， iD = 0。 p N N沟

9、道增强型沟道增强型MOSMOS管管 2.2.工作原理工作原理 衬底B 5.5 场效应管放大电路 p N N沟道增强型沟道增强型MOSMOS管管 2.2.工作原理工作原理 ： 衬底B 由于绝缘层SiO2的存在，栅极 电流为零。栅极金属层将聚集 大量正电荷，排斥P型衬底靠近 SiO2 绝缘层的空穴; 便剩下不能移动的负离子区， 形成耗尽层。 5.5 场效应管放大电路 p N N沟道增强型沟道增强型MOSMOS管管 2.2.工作原理工作原理 衬底B ： 使导电沟道刚刚形成的栅-源电 压称为开启电压 uGS(th) 。 一方面：耗尽层增宽； 另外：将衬底的自由电子吸引 到耗尽层与绝缘层之间，形成 N型

10、薄层，称为反型层。 这个反型层就构成了漏源之间 的导电沟道。 uGS越大，反型层越厚，导电沟 道电阻越小。 5.5 场效应管放大电路 p N N沟道增强型沟道增强型MOSMOS管管 2.2.工作原理工作原理 ： 衬底B 将产生一定的漏极电流 iD 。 iD 随着的uDS增加而线性增大。 此时导电沟道的宽度不再处处 相等。 5.5 场效应管放大电路 p N N沟道增强型沟道增强型MOSMOS管管 2.2.工作原理工作原理 衬底B ： 5.5 场效应管放大电路 随着 uDS 的增大， uGD 减小， 当uDS 增大到 uGD = =uGS(th)时， 导电沟道在 漏极一端产生夹断， 称为预夹断。

11、此时继续增加 uDS，夹断区会继续 左移。 但仍然有 iD 。 此时沟道两端电压保持不变，因此 漏电流 iD 几乎不变化， 管子进入恒 流区。 p N N沟道增强型沟道增强型MOSMOS管管 2.2.工作原理工作原理 衬底B ： 几乎仅仅决定于 。 此时可以把 近似看成 控制的电流源。 5.5 场效应管放大电路 制造时,在sio2绝缘层中掺入大量的 正离子,即使，在正离子的作 用下，源-漏之间也存在导电沟道。 只要加正向 ，就会产生 。 结构示意图 P 源极S漏极D 栅极G B 正离子 反型层 SiO2 只有当小于某一值时，才会使导 电沟道消失，此时的 称为夹断 电压 。 p N N沟道沟道耗

12、尽型耗尽型MOSMOS管管 5.5 场效应管放大电路 d N沟道符号 B s g P沟道符号 d B s g d B s g N沟道符号 d B s g P沟道符号 耗尽型耗尽型MOSMOS管符号管符号增强型增强型MOSMOS管符号管符号 p N N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSMOS管管 5.5 场效应管放大电路 FET G i S i DS u g d s + 简化的微变等效电路简化的微变等效电路 s + ugs + uds gm ugs 5.5 场效应管放大电路 FET的微变等效电路的微变等效电路 g s d + ugs gm ugs rds + uds p 场效应场效应管微变等效管微变等效

13、模型模型 1. 电压控制元件 电流控制元件 2. 放大倍数 3. 载流子参与导电方面 4. 场效应管漏、源极 晶体管集电、发射极 5. 类型对比 6. 功耗 7. 热稳定性&抗辐射能力 p 场效应管与晶体管之对比场效应管与晶体管之对比 5.5 场效应管放大电路 5.5 场效应管放大电路 ui uO 自偏压式偏置电路分压式偏置电路 + T _ + + + i u _ + +UDD CS RG RS RL RD + T _ + + + i u _ + +UDD CS RG1 RS RL RD RG2 ui uO p 场效应管场效应管放大放大电路的三种接法电路的三种接法 5.5 场效应管放大电路 u

14、i uO T _ + + + i u _ + RG RSRL T _ + + + i u _ + RG1 RS RL RG2 ui uO p 场效应管场效应管放大放大电路的三种接法电路的三种接法 5.5 场效应管放大电路 ui _ + + + _ + +UDD RS RL RD p 场效应管场效应管放大放大电路的三种接法电路的三种接法 + _ T + _ + i u + + RL ui 5.5 场效应管放大电路 微变等效电路微变等效电路 gm ugs RG ui _ + ii gd s ugs _ + RDRL uO _ + p 共源放大电路分析共源放大电路分析 + T _ + + + _ +

15、 5.5 场效应管放大电路 1、电压放大倍数电压放大倍数 2、输入、输出电阻输入、输出电阻 ui = ugs uo = - gm ugs ( RD / RL) Au = uo ui =- gm( RD / RL) riro ri = RG ro = RD p 共源放大电路分析共源放大电路分析 gm ugs RG ui _ + ii gd s ugs _ + RDRL uO _ + 5.6 多级放大电路 多级放大电路的耦合方式多级放大电路的耦合方式 多级放大电路的动态分析多级放大电路的动态分析 将多个单级基本放大电路合理联接，构成多级放大电路 组成多级放大电路的每一个基本电路称为一级，级与级 之

16、间的连接称为级间耦合级间耦合。 5.6 多级放大电路 耦合耦合 第第 1 1 级级第第 2 2 级级第第n-1n-1级级第第 n n 级级 输入输入 输出输出 四种常见的耦合方式： 直接耦合；阻容耦合；变压器耦合；光电耦合 p 多级放大电路的耦合方式多级放大电路的耦合方式 5.6 多级放大电路 特点：特点： ( (1) ) 良好的低频特性可以 放大缓慢变化及直流信号 ( (2) ) 便于集成化。 ( (3) )各级静态工作点互相影响； 基极和集电极电位会随着级 数增加而上升； ( (4) )零点漂移（如何克服）。 ui uO _ + _ + p 直耦合放大电路直耦合放大电路 5.6 多级放大电

17、路 改进电路：改进电路： 保证第一级集电极有较 高的静态电位，但第二 级放大倍数严重下降。 +UCC T1 Rc2 T2 _ + _ + _ + _ + NPN管和PNP管混合使用， 可获得合适的工作点。 为经常采用的方式。 p 直耦合放大电路直耦合放大电路 5.6 多级放大电路 RL + T1 + T2 + ui 特点：特点： 静态工作点相互独立，在分立元件电路中广泛使用。 低频特性差，不能放大缓慢变化的信号。 在集成电路中无法制造大容量电容，不便于集成化。 p 阻阻容容耦合放大电路耦合放大电路 5.6 多级放大电路 +UCC T1 C1 + Rb11 Re1 T2 + Rb21 Rb22

18、Re2 C3 + vi vo C2 + Rb12 Tr1 Tr2 RL + 特点：特点： 各级放大电路静态工作点相互独立，可实现阻抗变换，在 分立元件功率放大电路中广泛使用。 低频特性差，不能放大缓慢变化的信号。 变压器比较笨重，不便于集成化。 p 变压器耦合放大电路变压器耦合放大电路 5.6 多级放大电路 特点：特点： 用于电气隔离或进行远距离信号传输的电路； 各级放大电路静态工作点相互独立； 抗干扰能力强。 p 光电耦合放大电路光电耦合放大电路 5.6 多级放大电路 电压放大倍数电压放大倍数 总电压放大倍数等于各级电压放大倍数的乘积，即 输入、输出电阻输入、输出电阻 输入电阻就是输入级的输

19、入电阻； 输出电阻就是输出级的输出电阻。 p 多级放大电路的动态分析多级放大电路的动态分析 5.6 多级放大电路 电路参数如图所示，放大倍数均为50。求静态和动态参数。 RB1 C1 RE1 + + + RC2 C3 CE + + +24V + T1 T2 1M 27k 82k 43k 7.5k 510 10k p 多级放大电路的动态分析多级放大电路的动态分析 5.6 多级放大电路 阻容耦合放大电路，两级放大电路的静态值可分别计算。 p 多级放大电路的动态分析多级放大电路的动态分析 RB1 C1 RE1 + + + RC2 C3 CE + + +24V + T1 T2 1M 27k 82k 43k 7.5k 510 10k 5.6 多级放大电路 阻容耦合放大电路，两级放大电路的静态值可分别计算。 RB1 C1 RE1 + + + T1 1M 27k p 多级放大电路的动态分析多级放大电路的动态分析 5.6 多级放大电路 阻容耦合放大电路，两级放大电路的静态值可分别