模拟电子技术 课件 11 场效应管基础知识 -15 集成运放比例运算放大器

模拟电子技术梁长垠教授项目二基本放大电路的制作与测试梁长垠教授场效应管分类01场效应管结构02场效应管特性03场效应管参数04一、场效应管分类场效应管是一种单极型晶体管，它是利用输入回路的电场效应控制输出回路电流的一种半导体器件，属于电压控制型器件。最大特点是输入阻抗高（107~1012Ω）场效应管结型场效应管绝缘栅型场效应管N沟道结型场效应管P沟道结型场效应管N沟道管P沟道管增强型增强型耗尽型耗尽型（MOS管）凡栅-源极电压为零时漏极电流也为零的管子均为增强型；凡栅-源极电压为零时漏极电流不为零的管子均为耗尽型。场效应管分类01场效应管结构02场效应管特性03场效应管参数04二、场效应管结构1.结型场效应管结构N沟道结型场效应管结构与电路符号P沟道结型场效应管结构与电路符号结型场效应管有三个引脚，分别为栅极、源极和漏极二、场效应管结构2.MOS型场效应管结构绝缘栅型场效应管有四个引脚，分别为栅极、漏极、源极和衬底，一般情况下，衬底与源极相连。以低掺杂的P型硅片为衬底，利用扩散工艺制作两个高掺杂的N+区，并引出两个电极，分别为源极S和漏极D，半导体之上制作一层Sio2绝缘层，再在Sio2上制作一层金属铝，引出电极称为栅极G。通常将衬底与源极连在一起使用。N沟道增强型MOS管结构及增强型MOS管电路符号场效应管分类01场效应管结构02场效应管特性03场效应管参数04三、场效应管特性1.结型场效应管特性（1）N沟道结型场管转移特性曲线可变电阻区：当uGS>uP而且uDS很小时导电沟道畅通，D、S之间相当于一个电阻，iD随uDS增大而线性增大截止区（夹断区）：当uGS≤UP时，JFET导电沟道被耗尽层夹断，iD=0放大区：iD大小受uGS的控制，表现出JFET电压控制电流的放大作用转移特性曲线输出特性曲线漏极电流iD与栅源电压uGS关系为（2）N沟道结型场管输出特性曲线漏极电流iD和漏源电压uDS的关系UP称为夹断电压三、场效应管特性2.MOS型场效应管特性（1）N沟道增强型MOS型转移特性可变电阻区：当uGS>uT而且uDS很小时导电沟道畅通，D、S之间相当于一个电阻，iD随uDS增大而线性增大截止区（夹断区）：当uGS≤UT时，场管导电沟道被耗尽层夹断，iD=0恒流区：iD大小受uGS的控制，表现出场管电压控制电流的放大作用转移特性曲线输出特性曲线漏极电流iD与栅源电压uGS关系为（2）N沟道增强型MOS管输出特性曲线漏极电流iD和漏源电压uDS的关系UT称为开启电压，ID0是uGS=2UT时的iD。

三、场效应管特性3.不同场效应管特性的比较三、场效应管特性4.场效应管使用注意事项（1）JFET的漏极D和源极S可以互换，也可以用万用表R×100Ω挡检测其引脚极性，但MOSFET有的产品在出厂前已将源极与衬底相连接，不能将D、S调换使用。（2）MOSFET的栅极与源极之间的输入电阻高达109Ω以上，不能用万用表检测其引脚（可以用专门的场效应管检测仪器检测），要防止栅极悬空，甚至在保存时也应将栅极与源极处以短路状态，以免外电场击穿绝缘层而使其损坏。场效应管分类01场效应管结构02场效应管特性03场效应管参数04四、场效应管参数1.开启电压指在uDS为一常量时，使iD大于零所需要的最小│uGS│值2.夹断电压在给定测试电压UDS的情况下，当漏极电流iD趋向于0时，所测得的栅源反偏电压UGS3.饱和漏电流IDSS在UGS=0的条件下，外加漏源电压UDS使JFET工作于放大区时的漏极电流4.击穿电压U(BR)DS表示漏源之间发生击穿，漏极电流从恒流值开始急剧上升时的UDS值四、场效应管参数5.直流输入电阻指漏一源短路，栅一源加电压时栅一源极之间的直流电阻6.输出电阻输出电阻是指场效应管在饱和区时漏极电流与漏极-源极电压之间的关系。输出电阻越小，场效应管的输出能力越强。7.跨导Gm在uDS为规定值的条件下，漏极电流变化量与引起这个变化的栅源电压变化量之比。跨导gm反映了栅源电压对漏极电流的控制能力。8.最大耗散功率场效应管性能不变坏时所允许的最大漏源耗散功率。本次课程到此结束，再见梁长垠教授模拟电子技术梁长垠教授项目二基本放大电路的制作与测试梁长垠教授放大电路三种组态01自偏压式共源电路02分压偏置放大电路03共漏极放大电路04一、放大电路三种组态1.放大电路三种组态2.三种组态电路特点共源极放大电路：放大电路的输入回路和输出回路以源极为公共端共漏极放大电路：放大电路的输入回路和输出回路以漏极为公共端共栅极放大电路：放大电路的输入回路和输出回路以栅极为公共端放大电路三种组态01自偏压式共源电路02分压偏置放大电路03共漏极放大电路04二、自偏压式放大电路1.静态分析（直流静态工作点）静态工作点参数：IDQ、UGSQ、UDSQ2.动态分析（微变等效电路）直流通路自偏压式共源极放大器UDSQ=VDD-IDQ(RD+RS)UGSQ=-IDQRS

微变等效电路Ri=

RG

R。=

RD

放大电路三种组态01自偏压式共源电路02分压偏置放大电路03共漏极放大电路04二、分压偏置放大电路1.静态分析（直流静态工作点）静态工作点参数：IDQ、UGSQ、UDSQ2.动态分析（微变等效电路）分压偏置共源极放大器UDSQ=VDD-IDQ(RD+RS)微变等效电路R。=

RD

（耗尽型）（增强型）放大电路三种组态01自偏压式共源电路02分压偏置放大电路03共漏极放大电路04四、共漏极放大电路(源极输出器）1.静态分析（直流静态工作点）静态工作点参数：IDQ、UGSQ、UDSQ2.动态分析（微变等效电路）共漏极放大电路微变等效电路

本次课程到此结束，再见梁长垠教授模拟电子技术梁长垠教授项目三集成运算放大电路的制作与测试梁长垠教授集成运放结构01集成运放分类02集成运放参数03集成运放特性04一、集成运算放大器结构基本结构：输入级、中间级、输出级与偏置电路等集成运放结构01集成运放分类02集成运放参数03集成运放特性04二、集成运算放大器分类1.基本分类二、集成运算放大器分类2.常用封装集成运算放大器按照封装形式可分为直插式（又分为单列直插式SIP与双列直插式DIP）与贴片式（SOP）两大类,早期也有金属封装的。3.引脚识别金属圆壳封装：在识别引脚标记时，将该集成电路的引脚朝上，从标记开始，顺时针方向依次读出引脚读数为1、2、3…n引脚。直插式封装：对双列直插式集成运算放大器，从顶面引线标记圆点位置（或半圆形凹口）所对应的是1脚，再按逆时针方向依次为2、3、4…n。对单列直插式，找出标记（缺角、小孔画点、凹坑、等），将集成电路的引脚朝下、标记朝左，则从标记开始，从左到右依次为1、2、3...n引脚。集成运放结构01集成运放分类02集成运放参数03集成运放特性04三、集成运算放大器主要参数开环差模电压增益、最大输出电压、最大输出电流、输入失调电压、共模抑制比等。

（2）最大输出电压UOmaxUOmax是指集成运算放大器工作在不失真情况下输出的最大输出电压。（3）最大输出电流IOmaxIOmax是指集成运算放大器工作在不失真情况下输出的最大输出电流。三、集成运算放大器主要参数（4）输入失调电压Uos

Uos指为了使输出电压为零,在输入端所需要加的补偿电压。对于集成运算放大器，由于其输入级电路参数不可能绝对对称，所以当输入电压为零时，输出电压不为零。输入失调电压越小越好，越小表明电路参数对称性越好。Uos的值一般为几微伏至几毫伏。（5）输入失调电流IIO输入失调电流IIO的值等于运放的输入级差动放大电路两个静态输入电流的差值。集成运放的输入失调电流越小越好，理想运放的趋向于0。（6）输入偏置电流IIB静态时，两个输入端的直流电流值分别为IB1和IB2。输入偏置电流定义为两者的平均值。集成运放的输入偏置电流越小越好。理想运放的IIB趋于0。三、集成运算放大器主要参数

集成运放结构01集成运放分类02集成运放参数03集成运放特性04四、集成运放特性1.电路符号2.理想集成运放特性（1）开环电压放大倍数Aod→∞；（2）差模输入电阻Rid→∞；（3）输出电阻R0→0；（4）共模抑制比KCMR→∞；（5）单位增益带宽fC→∞；

（6）输入失调电压、输入失调电流及对应的温度漂移均为零。四、集成运放特性3.理想集成运放的电压传输特性（1）差模输入电压等于零uP=uN虚短：同相端与反相端同电位。（2）差模输入电流等于零虚断:两个输入端无电流，即iI=0,称为“虚断路”。由于理想运放的差模输入电阻Rid→∞，且差模净输入电压为零，双向逼近，所有两个输入端的输入电流均为零，即

iP=iN=0线性放大区特性：四、集成运放特性3.理想集成运放的电压传输特性非线性区（饱和区）特性：理想运放传输特性没有线性区，只有正、负饱和区，当输入信号稍大时，集成运放的输出电压取决于uP-uN的极性变化只有两种可能，不是+U0M就是-U0M，此时集成运放工作在非线性区，主要用作比较器。（1）输出电压的值随极性变化只有两个值+U0M或-U0M当uP>uN时，u0=U0M；当uP<uN时，u0=-U0M。此时u0与（uP-uN）不再是线性关系，（uP-uN）值可能较大，uP≠uN，“虚短”的现象不复存在。（2）输入电流仍为零在非线性区，虽然uP≠uN，但Rid→∞，故仍然可以认为输入电流iP=iN=0。本次课程到此结束，再见梁长垠教授模拟电子技术梁长垠教授梁长垠教授项目三集成运算放大电路的制作与测试直耦放大电路问题01基本差分放大电路02恒流源差放电路03常用恒流源电路04一、直耦放大电路问题1.零点漂移原因引入直流负反馈温度补偿采用差分放大电路2.解决零点漂移的措施电源电压波动元器件老化环境温度变化直耦放大电路问题01基本差分放大电路02恒流源差放电路03常用恒流源电路04二、基本差分放大电路1.电路结构2.电路特点由两个完全对称的共发射极放大器组成差分放大电路电路元件对称双电源供电3.抑制零点漂移原理当输入信号ui1=ui2=0时，由于差分放大电路的结构和元件的对称性，两个管子对应各极的电流相同，各电极的电位也相同，所以静态时输出电压u0=0。当温度发生变化时，两管的集电极电位会发生变化，但是由于两管处于同一环境温度下，所以电位变化的极性和大小相同，保证了输出电压u0依然为零。二、基本差分放大电路4.静态分析直流通路中，IRee=IEQ1+IEQ2=2IEQ直流通路基尔霍夫定律：IBQRb+UBEQ+2IEQRee=VEE若忽略基极电阻压降，VEQ=-UBEQ流过公共电阻Ree上电流根据电路对称性，两管的静态管压降均为二、基本差分放大电路5.动态分析差分电路的输入、输出电路组合形式：共模输入

双端输入

单端输入

双端输出

单端输出差模信号输入：当两个输入端上所加的信号大小相等、极性相反，即ui1=-ui2，uid=ui1-ui2时，称uid为差模信号输入共模信号输入：当两个输入端上所加的信号大小相等、极性相同，即ui1=ui2，uic=（ui1+ui2）/2时，称uic为共模输入信号二、基本差分放大电路5.动态分析差模输入、双端输出电路：简化电路基本电路和差分放大电路的两个输入端各加上一个大小相等，极性相反的电压信号时，即ui1=-ui2时，电路中一个三极管的集电极电流增加，而另一个三极管的集电极电流减少，使得u01和u02以相反方向变化，从而获得放大的信号输出。当差模输入时，流过射极电阻的交流由两个大小相等、方向相反的

和

组成，在电路对称的情况下，这两个交流之和在Re两端产生的交流压降为零，因此，差模输入的交流通路可以把Re短路。二、基本差分放大电路5.动态分析差模输入、双端输出电路时电压放大倍数为简化电路基本电路和接上负载时，RL中点电位为零，相当于接地输入电阻：Rid=2(Rb+rbe)输出电阻:单端输出时电压放大倍数为双端输出的一半二、基本差分放大电路5.动态分析共模输入时由于电路参数对称，两管输出电压简化电路基本电路共模抑制比双端输出电路时电压放大倍数为

单端输出时，共模电压放大倍数为

单端输出时二、基本差分放大电路5.动态分析四种接法特性比较

差分放大器的四种连接方式直耦放大电路问题01基本差分放大电路02恒流源差放电路03常用恒流源电路04三、恒流源差放电路1.恒流源差放电路结构Re越大共模抑制能力越强，要求负电源电压也很高才能产生一定的偏置电流。为了解决这个问题，常常采用电流源代替Re。2.恒流原理三极管T3、RE3、RB3-1、RB3-2和二极管D构成了基本电流源电路，实际上它就是具有分压式偏置的共发射极电路。选择适当的RB3-1、RB3-2、RE3,使三极管工作在放大区时，其集电极电流Ic为一恒定数值。直耦放大电路问题01基本差分放大电路02恒流源差放电路03常用恒流源电路04四、常用恒流源电路1.镜像恒流源2.微电流源设三极管T1、T2的参数完全相同，则当β比较大时，基极电流IB可以忽略，所以T2的集电极电流IC2

近似等于基准电流IR。在右上图应用电路中，

T3、T4构成镜像恒流源，

iL=2iC1

由于UBE2<UBE1四、常用恒流源电路3.其他常见恒流源(a)共射极恒流源电路(b)稳压二极管恒流源(c)二极管结压降恒流源(d)集成运放恒流源I0=（VB-VBE）/R3I0=（VD-VBE）/R3I0=（2VD-VBE）/R3本次课程到此结束，再见梁长垠教授模拟电子技术梁长垠教授项目三集成运算放大电路的制作与测试梁长垠教授反相比例放大器01同相比例放大器02差分比例放大器03集成放大器应用04一、反相比例放大器1.电路结构2.工作原理反相比例运算放大器实质上是一种深度电压并联负反馈。反相比例运算电路（放大/衰减)反相器根据“虚短”和“虚断”的概念，iN=iP=0，R2两端的电压为零，同相输入端与地