第5章 晶體管基本放大電路3

1、第五章 晶體管基本放大電路 5.1 5.2 5.3 5.4 放大電路的靜態(tài)分析 放大電路的動(dòng)態(tài)分析 靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定及偏置電路 放大電路的組成 5.5 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路 5.6 多級(jí)放大電路 場(chǎng)效應(yīng)場(chǎng)效應(yīng)管的原理及其放大電路管的原理及其放大電路 l 重點(diǎn)： 多級(jí)多級(jí)放大電路的耦合方式放大電路的耦合方式 第五章 晶體管基本放大電路 5.5.1 場(chǎng)效應(yīng)管工作原理場(chǎng)效應(yīng)管工作原理 5.5.2 場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管微微變等效模型變等效模型 5.5.3 場(chǎng)效應(yīng)場(chǎng)效應(yīng)管放大管放大電路電路 5.5 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路 利用輸入回路的電場(chǎng)效應(yīng)來(lái)控制輸出回路電流的半導(dǎo)體器件 l 場(chǎng)效應(yīng)管緊靠多數(shù)載流子導(dǎo)電，又稱單極型

2、晶體管 l 體積小、重量輕、壽命長(zhǎng) l 噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng) l 輸入內(nèi)阻高：1071012 l 耗電省 p 單極型單極型晶體管晶體管場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管 5.5 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路 場(chǎng)效場(chǎng)效 應(yīng)管應(yīng)管 分類(lèi)分類(lèi) N 溝道 P 溝道 N 溝道 P 溝道 增強(qiáng)型 耗盡型 增強(qiáng)型 耗盡型 p 單極型單極型晶體管晶體管場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管 5.5 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路 d s g N N溝道結(jié)型結(jié)構(gòu)示意圖溝道結(jié)型結(jié)構(gòu)示意圖 這樣既保證了柵這樣既保證了柵- -源之間的電阻源之間的電阻 很高很高， 又實(shí)現(xiàn)了又實(shí)現(xiàn)了UGS 對(duì)溝道電流對(duì)溝道電流 D 的控制 的控制。 正常工作時(shí)：正常工作時(shí)： 在柵在柵- -

3、源之間加負(fù)向電壓源之間加負(fù)向電壓，( (保保 證耗盡層承受反向電壓證耗盡層承受反向電壓) ) P P區(qū)和區(qū)和N N區(qū)的交界面形成區(qū)的交界面形成耗盡層耗盡層。 耗盡層 p N N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管 5.5 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路 導(dǎo) 電 溝 道 P+P+ 源極和漏極之間的非耗盡層稱源極和漏極之間的非耗盡層稱 為為導(dǎo)電溝道導(dǎo)電溝道。 漏漏- -源之間加正向電壓源之間加正向電壓，( (以以 形成漏極電流）形成漏極電流） 當(dāng)uGS=0時(shí)，耗盡層 很窄,導(dǎo)電溝道寬。 隨| uGS |增大，耗盡 層增寬,溝道變窄,電 阻增大。 | uGS |增加到某一數(shù)值, 耗盡層閉和,溝道消失, 溝道電阻趨于無(wú)

4、窮大。 夾斷電壓夾斷電壓 UGS(off ) p N N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管 5.5 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路 當(dāng) uDS =0時(shí)，雖有導(dǎo)電溝 道，但 iD 為零。 當(dāng)uDS 0時(shí)，產(chǎn)生 iD，隨 著uDS增加， iD 增加。 導(dǎo)電溝道呈楔形。 uGS 為UGS(off )0 0中某一固定值， uDS 對(duì)漏極電流iD的影響 uGS D S G iD uDS 5.5 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路 只要柵漏電壓 uGD 小于夾 斷電壓UGS(off ) ，iD 就隨 uDS 的增大而增大。 uGS 為UGS(off )0 0中某一固定值， uDS 對(duì)漏極電流iD的影響 uGS D S G iD uDS 5

5、.5 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路 當(dāng)uGD=UGS(off ) ，漏極一邊 的耗盡層就會(huì)出現(xiàn)夾斷區(qū)。 此時(shí)稱為預(yù)夾斷。 此時(shí)的 iD 稱為“飽和漏極 電流 iDSS” uGS 為UGS(off )0 0中某一固定值， uDS 對(duì)漏極電流iD的影響 uGS D S G iD uDS 5.5 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路 當(dāng)uGD=UGS(off ) ，漏極一邊 的耗盡層就會(huì)出現(xiàn)夾斷區(qū)。 此時(shí)稱為預(yù)夾斷。 此時(shí)的 iD 稱為“飽和漏極 電流 iDSS” 若uDS 繼續(xù)增大，即 uGDUGS(off )，夾斷區(qū)下移， 此時(shí)若uDS繼續(xù)增加， iD 幾 乎不變。 uGS 為UGS(off )0 0中某一固定值， uDS 對(duì)

6、漏極電流iD的影響 uGS D S G iD uDS 5.5 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路 此時(shí)iD的值由uGS 決定，iD 表現(xiàn)為恒流特性。 注意iD是載流子通過(guò)電場(chǎng) 效應(yīng)被漏極吸收形成的 。 當(dāng)uGDUGS(off ) 時(shí)，若uDS 為常量，此時(shí)可通過(guò)改變 uGS 的大小來(lái)控制 iD 。 可以把 iD 近似看成 uGS 控 制的電流源 uGS 為UGS(off )0 0中某一固定值， uDS 對(duì)漏極電流iD的影響 uGS D S G iD uDS 5.5 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路 p 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管 5.5 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路 iD = f ( uDS ) uGS = 常數(shù)常數(shù) p 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)

7、效應(yīng)管 轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移特性曲線：當(dāng)漏源電壓不變時(shí)，漏極電流特性曲線：當(dāng)漏源電壓不變時(shí)，漏極電流 與柵與柵 源電壓源電壓之間的關(guān)系之間的關(guān)系。 描述場(chǎng)效應(yīng)管電流電壓關(guān)系描述場(chǎng)效應(yīng)管電流電壓關(guān)系： 輸出特性曲線：當(dāng)柵源電壓不變時(shí)，漏極電流輸出特性曲線：當(dāng)柵源電壓不變時(shí)，漏極電流 與漏與漏 源電壓源電壓之間的關(guān)系。之間的關(guān)系。 iD = f ( uGS ) uDS = 常數(shù)常數(shù) 5.5 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路 柵-源電壓為零時(shí)漏極電流也為零的管子稱為增強(qiáng)型。 柵-源電壓為零時(shí)漏極電流不為零的管子稱為耗盡型。 MOSMOS管分類(lèi)：管分類(lèi)： N溝道（ NMOS） 增強(qiáng)型 耗盡型 P溝道（ PMOS） 增強(qiáng)型 耗盡型

8、 絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管采用sio2絕緣層隔離（輸入電阻更大）， 柵極為金屬鋁，又稱為MOS管。 p 絕緣絕緣柵柵型場(chǎng)效應(yīng)管型場(chǎng)效應(yīng)管 5.5 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路 通常襯底和源極連接在一起使用 1.1.結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 柵極和襯底各相當(dāng)于一個(gè)極板， 中間是絕緣層，形成電容。 柵-源電壓改變時(shí)，將改變襯底 靠近絕緣層處感應(yīng)電荷的多少， 從而控制漏極電流的大小。 P型硅襯底 襯底引線B 源極柵極漏極 SiO2 p N N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOSMOS管管 5.5 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路 1) uGS =0 =0 時(shí)時(shí)： D與S之間是兩個(gè)PN結(jié)反向串 聯(lián)，無(wú)論D與S之間加什么極 性的電壓， iD = 0。 p N N溝

9、道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOSMOS管管 2.2.工作原理工作原理 襯底B 5.5 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路 p N N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOSMOS管管 2.2.工作原理工作原理 ： 襯底B 由于絕緣層SiO2的存在，柵極 電流為零。柵極金屬層將聚集 大量正電荷，排斥P型襯底靠近 SiO2 絕緣層的空穴; 便剩下不能移動(dòng)的負(fù)離子區(qū)， 形成耗盡層。 5.5 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路 p N N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOSMOS管管 2.2.工作原理工作原理 襯底B ： 使導(dǎo)電溝道剛剛形成的柵-源電 壓稱為開(kāi)啟電壓 uGS(th) 。 一方面：耗盡層增寬； 另外：將襯底的自由電子吸引 到耗盡層與絕緣層之間，形成 N型

10、薄層，稱為反型層。 這個(gè)反型層就構(gòu)成了漏源之間 的導(dǎo)電溝道。 uGS越大，反型層越厚，導(dǎo)電溝 道電阻越小。 5.5 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路 p N N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOSMOS管管 2.2.工作原理工作原理 ： 襯底B 將產(chǎn)生一定的漏極電流 iD 。 iD 隨著的uDS增加而線性增大。 此時(shí)導(dǎo)電溝道的寬度不再處處 相等。 5.5 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路 p N N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOSMOS管管 2.2.工作原理工作原理 襯底B ： 5.5 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路 隨著 uDS 的增大， uGD 減小， 當(dāng)uDS 增大到 uGD = =uGS(th)時(shí)， 導(dǎo)電溝道在 漏極一端產(chǎn)生夾斷， 稱為預(yù)夾斷。

11、此時(shí)繼續(xù)增加 uDS，夾斷區(qū)會(huì)繼續(xù) 左移。 但仍然有 iD 。 此時(shí)溝道兩端電壓保持不變，因此 漏電流 iD 幾乎不變化， 管子進(jìn)入恒 流區(qū)。 p N N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOSMOS管管 2.2.工作原理工作原理 襯底B ： 幾乎僅僅決定于 。 此時(shí)可以把 近似看成 控制的電流源。 5.5 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路 制造時(shí),在sio2絕緣層中摻入大量的 正離子,即使，在正離子的作 用下，源-漏之間也存在導(dǎo)電溝道。 只要加正向 ，就會(huì)產(chǎn)生 。 結(jié)構(gòu)示意圖 P 源極S漏極D 柵極G B 正離子 反型層 SiO2 只有當(dāng)小于某一值時(shí)，才會(huì)使導(dǎo) 電溝道消失，此時(shí)的 稱為夾斷 電壓 。 p N N溝道溝道耗

12、盡型耗盡型MOSMOS管管 5.5 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路 d N溝道符號(hào) B s g P溝道符號(hào) d B s g d B s g N溝道符號(hào) d B s g P溝道符號(hào) 耗盡型耗盡型MOSMOS管符號(hào)管符號(hào)增強(qiáng)型增強(qiáng)型MOSMOS管符號(hào)管符號(hào) p N N溝道耗盡型溝道耗盡型MOSMOS管管 5.5 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路 FET G i S i DS u g d s + 簡(jiǎn)化的微變等效電路簡(jiǎn)化的微變等效電路 s + ugs + uds gm ugs 5.5 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路 FET的微變等效電路的微變等效電路 g s d + ugs gm ugs rds + uds p 場(chǎng)效應(yīng)場(chǎng)效應(yīng)管微變等效管微變等效

13、模型模型 1. 電壓控制元件 電流控制元件 2. 放大倍數(shù) 3. 載流子參與導(dǎo)電方面 4. 場(chǎng)效應(yīng)管漏、源極 晶體管集電、發(fā)射極 5. 類(lèi)型對(duì)比 6. 功耗 7. 熱穩(wěn)定性&抗輻射能力 p 場(chǎng)效應(yīng)管與晶體管之對(duì)比場(chǎng)效應(yīng)管與晶體管之對(duì)比 5.5 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路 5.5 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路 ui uO 自偏壓式偏置電路分壓式偏置電路 + T _ + + + i u _ + +UDD CS RG RS RL RD + T _ + + + i u _ + +UDD CS RG1 RS RL RD RG2 ui uO p 場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管放大放大電路的三種接法電路的三種接法 5.5 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路 u

14、i uO T _ + + + i u _ + RG RSRL T _ + + + i u _ + RG1 RS RL RG2 ui uO p 場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管放大放大電路的三種接法電路的三種接法 5.5 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路 ui _ + + + _ + +UDD RS RL RD p 場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管放大放大電路的三種接法電路的三種接法 + _ T + _ + i u + + RL ui 5.5 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路 微變等效電路微變等效電路 gm ugs RG ui _ + ii gd s ugs _ + RDRL uO _ + p 共源放大電路分析共源放大電路分析 + T _ + + + _ +

15、 5.5 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路 1、電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù) 2、輸入、輸出電阻輸入、輸出電阻 ui = ugs uo = - gm ugs ( RD / RL) Au = uo ui =- gm( RD / RL) riro ri = RG ro = RD p 共源放大電路分析共源放大電路分析 gm ugs RG ui _ + ii gd s ugs _ + RDRL uO _ + 5.6 多級(jí)放大電路 多級(jí)放大電路的耦合方式多級(jí)放大電路的耦合方式 多級(jí)放大電路的動(dòng)態(tài)分析多級(jí)放大電路的動(dòng)態(tài)分析 將多個(gè)單級(jí)基本放大電路合理聯(lián)接，構(gòu)成多級(jí)放大電路 組成多級(jí)放大電路的每一個(gè)基本電路稱為一級(jí)，級(jí)與級(jí) 之

16、間的連接稱為級(jí)間耦合級(jí)間耦合。 5.6 多級(jí)放大電路 耦合耦合 第第 1 1 級(jí)級(jí)第第 2 2 級(jí)級(jí)第第n-1n-1級(jí)級(jí)第第 n n 級(jí)級(jí) 輸入輸入 輸出輸出 四種常見(jiàn)的耦合方式： 直接耦合；阻容耦合；變壓器耦合；光電耦合 p 多級(jí)放大電路的耦合方式多級(jí)放大電路的耦合方式 5.6 多級(jí)放大電路 特點(diǎn)：特點(diǎn)： ( (1) ) 良好的低頻特性可以 放大緩慢變化及直流信號(hào) ( (2) ) 便于集成化。 ( (3) )各級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)互相影響； 基極和集電極電位會(huì)隨著級(jí) 數(shù)增加而上升； ( (4) )零點(diǎn)漂移（如何克服）。 ui uO _ + _ + p 直耦合放大電路直耦合放大電路 5.6 多級(jí)放大電

17、路 改進(jìn)電路：改進(jìn)電路： 保證第一級(jí)集電極有較 高的靜態(tài)電位，但第二 級(jí)放大倍數(shù)嚴(yán)重下降。 +UCC T1 Rc2 T2 _ + _ + _ + _ + NPN管和PNP管混合使用， 可獲得合適的工作點(diǎn)。 為經(jīng)常采用的方式。 p 直耦合放大電路直耦合放大電路 5.6 多級(jí)放大電路 RL + T1 + T2 + ui 特點(diǎn)：特點(diǎn)： 靜態(tài)工作點(diǎn)相互獨(dú)立，在分立元件電路中廣泛使用。 低頻特性差，不能放大緩慢變化的信號(hào)。 在集成電路中無(wú)法制造大容量電容，不便于集成化。 p 阻阻容容耦合放大電路耦合放大電路 5.6 多級(jí)放大電路 +UCC T1 C1 + Rb11 Re1 T2 + Rb21 Rb22

18、Re2 C3 + vi vo C2 + Rb12 Tr1 Tr2 RL + 特點(diǎn)：特點(diǎn)： 各級(jí)放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)相互獨(dú)立，可實(shí)現(xiàn)阻抗變換，在 分立元件功率放大電路中廣泛使用。 低頻特性差，不能放大緩慢變化的信號(hào)。 變壓器比較笨重，不便于集成化。 p 變壓器耦合放大電路變壓器耦合放大電路 5.6 多級(jí)放大電路 特點(diǎn)：特點(diǎn)： 用于電氣隔離或進(jìn)行遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸?shù)碾娐罚?各級(jí)放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)相互獨(dú)立； 抗干擾能力強(qiáng)。 p 光電耦合放大電路光電耦合放大電路 5.6 多級(jí)放大電路 電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù) 總電壓放大倍數(shù)等于各級(jí)電壓放大倍數(shù)的乘積，即 輸入、輸出電阻輸入、輸出電阻 輸入電阻就是輸入級(jí)的輸

19、入電阻； 輸出電阻就是輸出級(jí)的輸出電阻。 p 多級(jí)放大電路的動(dòng)態(tài)分析多級(jí)放大電路的動(dòng)態(tài)分析 5.6 多級(jí)放大電路 電路參數(shù)如圖所示，放大倍數(shù)均為50。求靜態(tài)和動(dòng)態(tài)參數(shù)。 RB1 C1 RE1 + + + RC2 C3 CE + + +24V + T1 T2 1M 27k 82k 43k 7.5k 510 10k p 多級(jí)放大電路的動(dòng)態(tài)分析多級(jí)放大電路的動(dòng)態(tài)分析 5.6 多級(jí)放大電路 阻容耦合放大電路，兩級(jí)放大電路的靜態(tài)值可分別計(jì)算。 p 多級(jí)放大電路的動(dòng)態(tài)分析多級(jí)放大電路的動(dòng)態(tài)分析 RB1 C1 RE1 + + + RC2 C3 CE + + +24V + T1 T2 1M 27k 82k 43k 7.5k 510 10k 5.6 多級(jí)放大電路 阻容耦合放大電路，兩級(jí)放大電路的靜態(tài)值可分別計(jì)算。 RB1 C1 RE1 + + + T1 1M 27k p 多級(jí)放大電路的動(dòng)態(tài)分析多級(jí)放大電路的動(dòng)態(tài)分析 5.6 多級(jí)放大電路 阻容耦合放大電路，兩級(jí)放大電路的靜態(tài)值可分別