模电章放大电路频率特性与场效应管

+++放大电路中存在电抗元+++三极管本身具有电容---电抗元件对于不同的频率量，其电抗和相位移+++放大电路中存在电抗元+++三极管本身具有电容---电抗元件对于不同的频率量，其电抗和相位移均不所以对不同的频率分量，放大电路的作用及放大效果是不同的3放大电电压放大倍数u和相角成为频率的我们把函数关系称为电路的频率放大电电压放大倍数u和相角成为频率的我们把函数关系称为电路的频率特性4C R umum放大倍数基本上不随频率而变化。180�，即无附相移。对共发射极放大电路来说，输出电压和输压反放大倍数不f5在低频段，由耦合电容的同时也将在间产生相移在低频段，由耦合电容的同时也将在间产生相移我们定义：当放数下降到数的0.707倍时，f止频时的频率称为下限频率6 m 对于高频段，三极管极间电容布电容的容抗减小，使输出电压减小对于高频段，三极管极间电容布电容的容抗减小，使输出电压减小定义：当电压放大倍降到中频区放大倍0.707倍时止频f时的频率为上限频率fh7 um 定义：上即：下限频率之差为放大定义：上即：下限频率之差为放大器的通频通频带的宽度征放大电路对不率的输入信号的能力,它是放大电止频止频f重要技术指标8Av(A0.707AAvm——中频fL——下限fHffffL=BW——造成低频区放大倍数Av(A0.707AAvm——中频fL——下限fHffffL=BW——造成低频区放大倍数耦合电容和旁路电容f放大器所需的通频带是由传送信号的频带(带宽来确定的,为了不失真地放大,要求放大器通频带须大于信号的频带9——幅频即：电压放大倍数与频率的函数——相频即：相位移与频率的函数——放大电路——放大电路中存在电抗性响应的主要原因，上限截止频率由高频时间常数中三极管的()是第四第四场效应管放大电又称晶体管、双极性三极管，是组成各种电结构、类型：NPN型、PNP放大机理：内部结构、外部条件特性曲线：输入特性、输出特性工作原理三种组态静态分析动态分引二由于半导体三极管工作在放大状态时，必须保－－－引二由于半导体三极管工作在放大状态时，必须保－－－故输入端始终存在输入电改变输入电流就可改变输出电流，所以三极管是电流控制器件因而三极管组成的放大器，其输入电阻不高出现了一种新型的半导体器件－－场效应晶体管引言场效应晶体管(FET)是利用引言场效应晶体管(FET)是利用电压产生的电场效应来控电流的一种半导体器件。它与晶体管相比有以下重要(1)它是一种电压控制器件工作时，管子的输入电流几乎为0，因此具有极高的输入电阻(约数百兆欧(2)输出电流仅由多子运动而形成，故称单极型器它的抗温度和抗辐射能力强，工作较稳制造工艺比较简单，便于大规模集成，且噪声较小(4)类型较多，使电路设计灵活性增大引言引言场效应管(JFET)和金属-氧化物-半导体场效应管N（耗尽型结P场效NP绝缘NP结型场效应绝缘栅场效应管放大结型场效结型场效应结型场效应4.1.1在应结型场效应4.1.1在应SPN换的N型半导体栅极：N型半导D漏N两边是PG(栅极PP称为漏极导电S源沟道结型场效应管的结构与结符DDN栅极GGPPSS沟道结型场效应管的结构与结符DDN栅极GGPPSS沟道结型场效应管的沟道结型场效应管的具体结漏极，栅极，G或g源极，用S或sP沟道结型场效应管结构与符DDP栅极GGNNSS沟道结型场效应管结构与符DDP栅极GGNNSSDDDDGGGGSSSS栅极的箭头方向不同，但都要由PDDDDGGGGSSSS栅极的箭头方向不同，但都要由P区指向N区。N沟道和P沟道结型场效应管符号上的区别基本工作原基本工作原以N型沟道JFET为例进行分析，研究JFET的作原理————输入电压对输出电流的控制在漏极、源极之间加定正电压，使N沟道中数载流子(电子)由源极极漂移，形成iD。iD的大受VGS的控制P沟道场效应管工作 JFET工作原JFET工作原（动画2-GS对沟道的控制作①当GGS对沟道的控制作①当GS＜0沟道电阻变大，ID减小VGS更负，沟道更窄，IDD≈0这时所对应的栅源电压称为夹断电压DSGS＞ P，DSGS＞ P，DSGS大,(如GS=-DSP=-9V,则漏端耗尽层受端的耗尽层比源端厚当 增加到使 比源端窄，故对沟影响是不均匀的，使沟随DS均匀性DSDSGS＞ P，DS压为 比源当VDS增加到使VGD=VGS-随DS均匀性断的反偏电压G -P-使由,电 均匀的③GS和DS③GS和DS同时作用当VPGS<0时，对于同样的VDS的值比GS=0时的值要小GD=GS-特性曲1.输出特性输出特性曲线（也叫漏极特性）是指在栅源电压UGS一时，漏极电流ID与漏源电压UDS之间关系。函数表示为从图中可以看出子的工作状特性曲1.输出特性输出特性曲线（也叫漏极特性）是指在栅源电压UGS一时，漏极电流ID与漏源电压UDS之间关系。函数表示为从图中可以看出子的工作状态可分为个区iD/mA流区(放 击穿 区)IDSS uGS=0 u=u- -、 -2 -3 U= 4P 0 8 / 截止 DS RfS 特点:(1)当S为定值时特点:(1)当S为定值时S(2)改变GS时，特性曲线GS（3）管压降S(1)恒流性：输出电流D基本上(1)恒流性：输出电流D基本上不受输出电压的影输出特性曲线if)DGS控制V（2）受控性：输入用途:可做放大器和恒流源条件:(1)源端沟道未夹(2)漏端沟道予夹|UGD|>=|UP IDIDSS1 夹断区(截止区特点接通状态的夹断区(截止区特点接通状态的电子开关击穿VG当漏源电压UDS增大到一定程度时，漏端PN结生雪崩击穿，使剧增的区域。由于GD=GS-DS,故越负，漏端达到击穿所需的电压UDS就越小，故2DSD和栅、GS2DSD和栅、GSGSDUGS=0时，D=DSS漏极电流最大称为饱合漏极电流IDSS|GS|增大，D减小，当GS=pD=0。p称为夹断电压结型场效应管的转移特GS=0～p范围内可近似公式表示 IDIDSS1GS UPDfS)结型场效应管的特性小P结型场效应管的特性小PN吴自力2013-绝缘栅场效应管吴自力2013-绝缘栅场效应管绝缘栅型场效应管——N沟道、P沟N沟道、P沟分为0存在导电沟道0耗尽增强型： 0时没有导电沟道0吴自力2013-吴自力2013-4.2.1增强型MOS场效应N沟道增强型MOS场效应管结MOSFET基本上是一种左右对称的拓扑结构，它是在型半导体上生成一层SiO2薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区，从N型区引出电极，一个符号B表示西安电子科技大学计算机西安电子科技大学计算机吴自力2013-栅极G→基极源极→发射极漏极D→集电极衬底电极—绝缘层—基体—因此称之为MOS西安电子科技大学计算机西安电子科技大学计算机吴自力2013-2.N栅源电压VGS的控制此，即使在D、S之间加上电压在D、S间也不可能形成电流当0＜VGS＜VT(开启电压)时通过栅极和衬底间的电容作用，将栅极下方P表层的空穴向下排斥，同时，使两个N区和衬底中的西安电子科技大学计算机吴自力西安电子科技大学计算机吴自力2013- 当GS＞T时，进一步被吸至栅极下方的P型为反型层。形成N源区到N漏区的N型沟把开始形成反型层的GS值称为该管的开启电压时，若在漏源间加电压就能产生漏极即子开启。GS越小，在同样S电压作用下ID越大。这样，就实现了输入电GS对输出电ID的控制。西安电子科技大学计算机吴自力2013-N沟道增强型MOS场效应管特性UGSID西安电子科技大学计算机吴自力2013-N沟道增强型MOS场效应管特性UGSID与UDSID与UDS的关系近ID≈2K(UGS-RdUGSUD11 N沟道增强型MOS场UGS一定时，ID与UDS的变化IUN沟道增强型MOS场UGS一定时，ID与UDS的变化IUID≈2K(UGS-UT)UDSRdUGSUD11 吴自力2013-当UGS变化时，RON将随之可变西安电子科技大学计算机吴自力西安电子科技大学计算机吴自力2013-2恒流区该区内，UGS一定，ID基本不随UDS变化而变化3).击穿区增加到某一时，ID现击穿当增加到某临界值时，ID开始西安电子科技大学计算机吴自力西安电子科技大学计算机吴自力2013-UDS一定时，UGS对漏极电流ID在恒流区，ID与UGS的关mmA/V，称为跨导ID≈K(UGS-吴自力2013-增吴自力2013-增强型MOS管特性小NP西安电子科技大学计算机吴自西安电子科技大学计算机吴自力2013-4.2.2耗尽型MOS场效应N沟道耗尽型MOS场效应管结++++++耗尽型MOSN沟道耗尽型MOS管，它是在栅极下方的SiO2绝缘吴自力2013-吴自力2013-2.N沟道耗尽型MOS场效应管耗尽型MOS管存在原始导电沟道。因此，使用时无须加开启电压（GS=0），只要加漏源电压，就会当UGS=0时，UDS加正向电压漏极电流，用IDSS表GS＞0GS＜0D=0D=0西安电子科技大学计算机吴西安电子科技大学计算机吴自力2013-3.N沟道耗尽型MOS场效应管N沟道耗尽型MOS管可工作在UGS0或N沟道增强型MOS管只能工作在(1)输出特性曲线西安电子科技大学计算机吴自力2013-西安电子科技大学计算机吴自力2013-uGSG（of）0时,GS(1iD(off)西安电子科技大学计算机吴自力2013-N沟绝西安电子科技大学计算机吴自力2013-N沟绝P沟N绝P吴自力2013-DDiDBGS(th)BGGSS2–P沟道增强N沟道增强DDBBGGSS–N沟道耗尽DP沟道耗尽D5吴自力2013-DDiDBGS(th)BGGSS2–P沟道增强N沟道增强DDBBGGSS–N沟道耗尽DP沟道耗尽D5IUGGSSN沟道结P沟道结–西安电子科技大学计算机吴自力2013-场效应西安电子科技大学计算机吴自力2013-场效应三极管的参GS(th)(增强型)G(off)DSSDSD为某一小电流时uGS值。2.DSS耗尽型场效应管，当uGOGS(th)U=0吴自力2013-3.DSS吴自力2013-3.DSSOGS(th)UJFET：GS>MOSFE：GS=109吴自力2013-4.低频跨导Q吴自力2013-4.低频跨导Qgm常UO反映了GSD单位S(西门子)。一般为几毫西安电子科技大学计算机吴自西安电子科技大学计算机吴自力2013-5.漏源动态电阻dsDSrGS6.最大漏极功耗DMDMDSD，西安电子科技大学西安电子科技大学计算机吴自力2013-6漏源击穿电压使ID开始剧增时的UDS7.栅源击穿电压8.漏极最大允许耗散功率PDm与ID、UDS有如下关系m西安电子科西安电子科技大学计算机吴自力2013-9.Cgd—栅极与漏极间电容Cgb—栅极与衬底间电容Csd—源极与漏极间电容Csb—源极与衬底间电容Cdb—吴自力2013-吴自力2013-场效应管的特(1)场效应管是一种电压控制器件即通过UGS来控制(2)场效应管输入端几乎没有电流,所以其直流输入电(3)由于场效应管是利用多数载流子导电的,因此,极性三极管相比具有噪声小、受幅射的影响小、热稳定性吴自力2013-(4)吴自力2013-(4)由于场效应管的结构对称,有时漏极和源极可以互换使用而各项指标基本上不受影响(5)场效应管的制造工艺简单,有利于大规模集成(6)由于MOS场效应管的输入电阻可高达1015Ω,因此由外界静电感应所产生的电荷不易泄漏,而栅极上的SiO2缘层又很薄,这将在栅极上产生很高的电场强度,以致引起(7)场效应管的跨导较小,当组成放大电路时,负载电阻下吴自力2013-场效应吴自力2013-场效应三极双极型三极几十到几千欧姆不易大结结绝缘NPNPNPD与S有的型号可电压电压控较易受静电影适宜大规模和超大规模噪温度特性输入电阻静电集成场效应管（FET）放大场效应管（FET）放大电根据前面讲的场效应管的结构和工作原理极性三极管比较可知，场效应管具有放大作用场效应管的三个极和双极性三极管的三个极着对应关系G(栅极)→b(基极S(源极)→e(发射极D(漏极)→c(集电极所以根据双极性三极管放大电路，可组成相场效应管放大电场效应管（FET）放大电路的三种工作组以NMOS（E）为输出RDB输BBGGG输SSR出出DD场效应管（FET）放大电路的三种工作组以NMOS（E）为输出RDB输BBGGG输SSR出出DD场效应管（FET场效应管（FET）放大电路的组成原则在恒流区，场效应管的偏置电路相对动态：能为交流信号提供场效应管（FET）放大电路的分析方法动态分微变等效电路静态工作点与偏置静态工作点与偏置电但由于两种放大器件各自的特点，故不性三极管放大电路的三极管简单地用场效应管取代组成场效应管放大电路双极性三极管是电流控制器件，组成放大时，应给双极性三极管设置偏置偏流而场效应管是电压控制器件，故组成放大时，应给场效应管设置偏置偏压：合适的栅极直流偏置电路：保证直流偏置电路：保证管子工作在饱和区号不失以N沟道为GS<0GS>GS<0工程中常用的FET放大电路的偏置方式有两（1）自偏压电如图（1）自偏压电如图所示。因为在也有漏源电流IDRs，而栅极经RG接地UG=0VGS可见该电路的直流偏压是靠本身源极电阻Rs上压降设置的，故名自给偏压式电路。另电路种Cs对Rs栅极电阻G的作栅极电阻G的作GS源极电阻S的作GSQ=GQSQ漏极电阻D的作D的变化变DS的变v(DS（2）分压式自偏压电（2）分压式自偏压电源电压VDD经RG1、RG2分后，经提供栅压同时ID在Rs上也产生直流压降Us=IDRs。因而的栅—源电压为R VDDIDRg1 Q点的确（1）估对于自给偏压式FET放大电路，已知P Q点的确（1）估对于自给偏压式FET放大电路，已知P，计算Q点：GSD、VDS。-vvi(1 DVPGS可解出Q点的VGSID注意：该电路产生负的栅源电压，所以只能用要负栅源电压的电路对于分压式自偏压电路FET放大电路，已知P计算Q点：G对于分压式自偏压电路FET放大电路，已知P计算Q点：GSD、DSgV I R D(d+)(1) DVP可解出Q点的VGSIDCUSUDQ2DRG1+GS+uRR+LDDG2oRIDQSG1G2GSQ>调整电阻的大小CUSUDQ2DRG1+GS+uRR+LDDG2oRIDQSG1G2GSQ>调整电阻的大小，可获GSQ=GSQ<该电路产生的栅源电压可正可负，所以适用所有的场效应管电路1NMOS管，G=1S=2k，RD=12k，VDD20VDSS=4m，G1NMOS管，G=1S=2k，RD=12k，VDD20VDSS=4m，GS(off)DOGSD2IDSS(1)+–GSR–iSi4(1DG=2iD5iD42iD5iD4D1=D2=<GS(off)GS=–2DSDDD(SD)=20–14=8O=VDD–D2已知GS(off)=0.8V，DSS=0.18mA，求“Q”245.8U20010C2002D+5.8(10G+5.8S21RR+u5L2已知GS(off)=0.8V，DSS=0.18mA，求“Q”245.8U20010C2002D+5.8(10G+5.8S21RR+u5Lou+R640.18(15.812IDQI(增根，舍去)GSQ=–0.4DQ2=0.45mA（2）图解法--以自给偏（2）图解法--以自给偏压电路为1）在输出特性上作(DS在输出特性曲线上做出直流负载线MN2）在DGS坐标系中作由直流负载线MN与各支输出特性曲线之交点a2）在DGS坐标系中作由直流负载线MN与各支输出特性曲线之交点ab、c、d和e相应D、GS值DGS坐标平点，连接这些点，就这是求出Q分别得到a、′b、、e、GS还需满足式、GS还需满足式这是一个作出该直线坐标系上过原点的直线方程由于该直线段的斜率为-1/Rs，所以称之为载线（见图中曲线②）4）确定Q4）确定Q源极负载线OL与负载转移特性曲线之交点，5）截出Q点的电压、电【例1,场效应管为3DJG,曲线如图418所示。已知D=2kΩRS=1.2ΩDD=15V,+DG+S··+RRGS-【例1,场效应管为3DJG,曲线如图418所示。已知D=2kΩRS=1.2ΩDD=15V,+DG+S··+RRGS-写出输出回路的电压电流方程DID(DS设+DG+S+io- 时 4.7写出输出回路的电压电流方程DID(DS设+DG+S+io- 时 4.7A R 2 ID时，UDS6543u=0 Q-2-32-41-5-6uDS/-6-4-2057-uGS/6543u=0 Q-2-32-41-5-6uDS/-6-4-2057-uGS/在转移特性曲线上,作出G在转移特性曲线上,作出GS=-的曲线由上式可看出它在GS~D坐标系中是一条直线找出令连接该两点在GS~D坐标系中得一直线此线曲线的交点即为点对应点的值为2S【例】【例】试计算下图的静态工作点。已知1=50kΩ，2=150kΩ，G=1Ω，DS=10kΩ，L=1Ω，S=100μ，DD=20V，场效应管为3DJF，其p=－5V，DSS=1m解将GS代入4I29I4 解将GS代入4I29I4 DDIDS50.6110漏极对地电压为：DDDD=20–0.6×10=13.9V 510I1 D 即S ID1 5 20 50 5场效应管的微变等效电与BJT的H参数模型的建立过程相类同，将看作是一个双口网络，如图所示。因FET的栅极故仅存关系为DDf场效应管的微变等效电与BJT的H参数模型的建立过程相类同，将看作是一个双口网络，如图所示。因FET的栅极故仅存关系为DDfS,SGSDS成函数关系dSdDiDgmG1DUSD如果用、gs、ds分别表示、GS、DS的化部分则如果用、gs、ds分别表示、GS、DS的化部分则上式g低频跨mrD与双极型晶体管一样，场效应管也是一种性器件，而在交流小信号情况下，也可以由性等效电路—交流小信号模型igu1 特性曲线线性，gm及rds1igdmrD2SSgUP1igdmrD2SSgUPggmUPg2IDSSUGS GDGS可忽SGD其中：gm称为低频的rce，其值大概为几百K欧姆。GDGS可忽SGD其中：gm称为低频的rce，其值大概为几百K欧姆。SDig 1 4.5.3共源组态基本放大电4.5.3共源组态基本放大电以与共射组态接法的基本放大电路相对应，只不效应三极管是电压控制电流源，即VCCS。共源的图032示。电路的问题了03.28(1)直流分将共源基本放大电路的直流通道画出,如03.29所示g10.下(1)直流分将共源基本放大电路的直流通道画出,如03.29所示g10.下方程阻，s是源极电阻，d与共射G 的RI、，VbbeVVS=DR=G和R分别一对应。而且IV2 要结型场效应管栅源间DSQ=DD－DQ(d)03.29结是反偏工作，无栅流，于是可以解出GSQ、DQ么JFET和MOSFET的DSQ通道和交流通道是一样的(2)交流分(2)交流分图03.30与双极型三极管相比，输入电阻无穷大̇路。VCCS的电流源并联了一个输出电阻在双极型三极管的简化模型中，因输出电阻开路，在此可暂时保留。其它部分与双极型大电路情况一样①电压̇(r//R// ̇og)L̇ (r//R//R①电压̇(r//R// ̇og)L̇ (r//R//Rg dLġvmLR'dd如果有阻RVṠRi/i)Li.i式中I路的输入电③输出为计算放大电路的输③输出为计算放大电路的输出电阻网络计算原则将放大电路画成图03.31的形03.31Ro将负载电阻开路，并想象在输出一个将输入电压信号源短路，但留内阻。然后计o=̇/̇Ir 交流参数归纳①电压̇̇vmLi②输入交流参数归纳①电压̇̇vmLi②输入或③输出̇Rd//rdsȯdo西安电子科技大学计算机2013--西安电子科技大学计算机2013--吴自共漏组态基本放大电共漏组态基本放大电路如图03.32所(1)3.203.33直流通道流态直流通于图03.33之中，于GDg2/gg2)GSQ=G－S=G－DQRDQ=DSS[－GSGS(off))DSQ=DD－DQR由此可以解出GSQ、DQ和DSQ(2)交流①电压(2)交流①电压为正，表示输入与输出同相，当mL>>1≈1时 ̇ ġ(r//s// g mR' ̇ġ(r//R//R 1g (2)交流式，分子都是(2)交流式，分子都是L，分母对共源放大电路是大电路是(1+漏放大电路的微变等效电①电压为正，表示输入与输出同相，当mL>>1时≈1 ̇ ġ(r//s// g mR' ̇ġ(r//R//R 1g ②输入②输入ig(g1g2③输出计算输出电阻③输出计算输出电阻的原则与其它组态相同将微变等效电路改画为图03.35̇ 图03.35' g ̇'[R//r//(1/g ̇'(R//r ̇ R// R oR//r//(1/g) ds 1(R//r 1g 交流参数归纳①电压̇gL̇ 1gvimL②输入交流参数归纳①电压̇gL̇ 1gvimL②输入③输出̇gR////(1/gm)ȯo共栅组态基本放大共栅组态基本放大电共栅组态放大电路如图03.36所示微变等效电路如图03.37所示03.37(1)直流分03.37(2)交流分̇ (R//R g ̇(R//R)ġ ̇ vdLmL03.37(2)交流分̇ (R//R g ̇(R//R)ġ ̇ vdLmLiR(1/g m②输入R(1/g(R/gm)̇mV11Ri̇i̇ 1ggimRR03.37(2)交流分̇ (R//R g ̇(R//R)ġ ̇ vdLm03.37(2)交流分̇ (R//R g ̇(R//R)ġ ̇ vdLmLRR(1/gi(R/g)̇̇11Rd ̇i̇ 1ggimR R交流参数归纳①电压̇g ̇//Rd(R//R)̇̇ vmdLmLi.②输入交流参数归纳①电压̇g ̇//Rd(R//R)̇̇ vmdLmLi.②输入̇̇ R//RV̇ ̇ 1iggimmR R③输出o≈d三种基本放大电路的性能比电压增益(Rc//三种基本放大电路的性能比电压增益(Rc//Lg(R//R LrLgm(R//Lbe(1)(Re//LL1gm(R//Lg(R//RbmdL输入电阻b//b输入电阻b//b(g1g2(g1g2g3//Lg3b1R//gmRe输出电阻(Rs//b)