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1、本章是后面各章的基础，是学习的重点之一。主要内容如下: 一、双极型三极管 作用：具有电流放大作用。（条件） 电流分配关系：,本章小结,放大的特征：是电流控制器件。 主要参数:、ICBO 、ICEO 、ICM 、PCM 、U(BR)CEO 、fT 三个工作区：饱和、放大、截止。,二、放大的概念 放大的对象：在电子电路中，放大的对象是变化量，常用的测试信号是正弦波。 放大的本质：是在输入信号的作用下，通过有源元件(晶体管或场效应管)对直流电源的能量进行控制和转换，使负载从电源中获得的输出信号能量，比信号源向放大电路提供的能量大得多。 放大的特征：表现为输出电压大于输入电压，输出电流大于输入电流，或
2、者二者兼而有之；是功率放大。 放大的前提：是不失真,换言之。,本章小结,三、放大电路的组成原则 1.放大电路的核心元件：是有源元件，即晶体管或场效应管。 2.直流电源电压：数值、极性的设置要正确。 3.电路参数：应保证晶体管工作在放大区、场效应管工作在恒流区，即建立起合适的静态工作点,保证电路不失真。 4.输入信号：应能够有效地作用于有源元件的输入回路，输出信号能够作用于负载之上。,本章小结,四、放大电路的主要性能指标 1.增益A：输出变化量幅值与输入变化量幅值之比，或二者的正弦交流值之比，用以衡量电路的放大能力。 2.输入电阻Ri:从输入端看进去的等效电阻，反映放大电路从信号源索取电流的大小
3、。 3.输出电阻R。:从输出端看进去的等效输出信号源的内阻，说明放大电路的带负载能力。 4.最大不失输出电压Um:未产生截止失真和饱和失真时，最大输出信号的正弦有效值(或峰值)。 5.下限、上限截止频率fL和fH、通频带BW:均为频率响应参数,反映电路对信号频率的适应能力,见第五章。 6.最大输出功率Pm和效率:及衡量在输出波形基本不失真情况下负载能够从电路获得的最大功率,及电源为此应提供的功率。,本章小结,五、放大电路的分析方法 1.静态分析：就是求解静态工作点Q，在输入信号为零时，晶体管（和场效应管）各电极间的电流与电压就是Q点。可用解析法或图解法求解。 2.动态分析：就是求解各动态参数和
4、分析输出波形。通常,利用h参数等效电路计算小信号作用时的Au、Ri和Ro，利用图解法分析UOm和失真情况。 放大电路的分析应遵循“先静态、后动态 的原则： 只有静态工作点合适,动态分析才有意义；Q点不但影响电路输出是否失真，而且与动态参数密切相关。,本章小结,六、晶体管（和场效应管）放大电路 晶体管基本放大电路有共射、共集、共基三种接法。 1.共射放大电路：即有电流放大作用又有电压放大作用，输入电阻居三种电路之中，输出电阻较大，适用于一般放大。 2.共集放大电路：只放大电流不放大电压，因输入电阻高而常做为多级放大电路的输入级，因输出电阻低而常做为多级放大电路的输出级，因电压增益接近1而用于信号
5、的跟随。 3.共基电路：只放大电压不放大电流，输入电阻小,高频特性好,适用于宽频带放大电路。 场效应管放大电路：有共源、共漏、共栅接法与晶体管放大电路的共射、共集、共基接法相对应，但其输入电阻高、噪声系数低、电压增益小，适用于做电压放大电路的输入级。,本章小结,七、基本放大电路的派生电路 在基本放大电路不能满足性能要求时,可将放大管采用复合管结构或两种接法结合的方式构成放大电路； 复合管结构：可使等效管的电流放大系数为各管之积； 两种接法结合的放大电路：可集中两种接法的优点于一个电路。,本章小结,学完本章希望能够达到以下要求: (1)掌握以下基本概念和定义: 放大、静态工作点、饱和失真与截止失
6、真、直流通路与交流通路、直流负载线与交流负载线、h参数等效模型、放大倍数、输入电阻和输出电阻、最大不失真输出电压、静态工作点的稳定。 (2)掌握组成放大电路的原则和各种放大电路的工作原理及特点,理解派生电路的特点,能够根据具体要求选择电路的类型。 (3)掌握放大电路的分析方法,能够正确估算基本放大电路的静,态工作点和动态参数AU、Ri和Ro ，正确分析电路的输出波形和产生截止失真、饱和失真的原因。 (4)了解稳定静态工作点的必要性及稳定方法。,本章小结,第三章 场效应管及基本放大电路,MOS场效应管 结型场效应管 场效应管的主要参数和微变等效电路 场效应管基本放大电路,第一节,第二节,第三节,
7、第四节,第一节 MOS场效应极管,场效应管：是仅由一种载流子参与导电的半导体器件，是以输入电压控制输出电流的的半导体器件。,1.根据载流子来划分： N沟道器件：电子作为载流子的。 P沟道器件：空穴作为载流子的。,2.根据结构来划分： 结型场效应管JFET： 绝缘栅型场效应管MOSFET：,(一) 增强型MOSFET结构,D为漏极，相当C； G为栅极，相当B； S为源极，相当E。,一、 N沟道增强型MOS场效应管的工作原理,绝缘栅型场效应管MOSFET分为： 增强型 N沟道、P沟道 耗尽型 N沟道、P沟道,N沟道增强型 MOSFET结构图,栅压为零时 有沟道,栅压为零时 无沟道,P型硅作衬 底浓
8、度较低 引出电极B,在P型衬底上生成 SiO2薄膜绝缘层 引出电极G极,用光刻工艺扩散两 个高掺杂的N型区， 从N型区引出电极： S极和D极,MOSFET=Metal-Oxide-semiconductor Field Effect Transistor,(动画2-3),由于BS短接，G与衬底B间产生电场，GB相当两个平板，电子被正极板吸引，空穴被排斥，出现一薄层负离子的耗尽层。 耗尽层中的少子电子，将向表层运动，但数量有限，不足以形成沟道，所以仍不能形成漏极电流ID。,1栅源电压UGS的控制作用,漏源之间相当两个背靠背的 二极管， 在D、S之间加上电压不会在D、S 间形成电流。即:ID=0,
9、（二） 工作原理,(1).当UGS=0V时:,(2).0UGSUT时:,(3).当UGS=UT:( UT 称为开启电压),1.在UGS=0V时ID=0; 2.只有当UGSUT后才会出现漏极电流，这种MOS管称为增强型MOS管。（电压控制器件）,出现反型层，与N形成一体构成导电沟道; 当UDS0时: D 沟道 S之间形成漏极电流。,(4).当UGS UT:( UT 称为开启电压),随着UGS的继续增加，沟道加厚，沟道电阻，ID将不断,（动画2-4）,（续）工作原理,UGS固定，且UDS很小时： UDS与漏极电流ID之间呈线性关系。,漏源电压UDS对沟道影响,1输出特性曲线,（1）可变电阻区UGS
10、UT:,反映了漏源电压UDS对漏极电流ID的控制作用：,ID=f(UDS)UGS=const,ID K(UGS -UT)2UDS,上式得: UGS一定时沟道导通电阻：,Ron = dUDS / dID| UGS =const,Ron = L / n COXW (UGS -UT),（三）特性曲线,沟道电子表 面迁移率,K为导电因子,单位面积栅 氧化层电容,结论： UGS恒定时Ron近似为常数。 Ron随UGS而变化，故又称 可变电阻区。,由于UDS的存在，导电沟道不均匀，当UDS = UGS -UT时: 此时漏极端的导电沟道将开始消失（称预夹断）,(2) 恒流区：,UGS一定时：ID随UDS基本
11、不变， ID恒定称恒流区。,当UDS UGS -UT时:随UDS夹断点向移动，耗尽层的电阻很高（高于沟道电阻）所以新增UDS几乎全部降在耗尽层两端，ID不随UDS而变。,(3) 击穿区： 当UDS 增加到一临界值时， ID （急剧）即D与衬底之间击穿。 当UGSUT，且固定为某一值时: UDS对ID的影响的关系曲线称为漏极输出特性曲线。,漏极输出特性曲线,在输出特性曲线上：当UDS固定为某一值时: UGS对ID的影响的关系曲线称为转移特性曲线。,转移特性曲线,转移特性曲线,（三）特性曲线,UGS对ID的控制关系可用如下曲线描述，称为转移特性曲线,ID=f(UGS)UDS=const,2.转移特
12、性曲线,如图所示：,(1).UGSUT时： 沟道未形成， ID =0管子截止状态,(2).UGSUT时： 沟道形成， ID 0,随UGS沟道加厚 ID,UDS正向减小，曲线右移。,在恒流区转移特性曲线中ID 与UDS的关系为：,ID =K(UGS -UT)2 ; 式中K为导电因子,ID =(UGS -UT)2n COXW/2L,短沟道时：ID =K(UGS -UT)2(1+ UDS),沟道电子表 面迁移率,单位面积栅 氧化层电容,沟道长度 调制系数,UGS0时； 随着UGS反向增加，ID逐渐减小。 直至ID=0。 对应ID=0的UGS称为夹断电压，用符号UP 表示。,N沟道耗尽型MOSFET的
13、结构如图所示：,(二)N沟道耗尽型MOSFET,UGS=0时； 正离子已感应出反型层，在漏 源之间形成了沟道。只要有漏 源电压，就有漏极电流存在。 (饱和电流IDss),(a) 结构示意图,在栅极下方的SiO2 绝缘层中掺入了大 量的金属正离子。,当UGS0时； 沟道变宽将使ID进一步增加。,N沟道耗尽型MOSFET的输出特性曲线:,N沟道耗尽型的输出特性曲线,在恒流区仍满足： ID K(UGS -UT)2 ID K(UGS -UT)2(1+ UDS),对耗尽型MOS管还可表示为： ID IDSS(1-UGS/ Up)2,饱和漏极电流的值为： IDSS (nCOXW/2L )Up2,N沟道耗尽
14、型MOSFET转移特性曲线,N沟道耗尽型MOSFET的转移特性曲线:,如图所示：,P沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完全相同。 区别是导电的载流子不同，供电电压极性不同。 同双极型三极管有NPN型和PNP型一样。,(三)P沟道耗尽型MOSFET,场效应管的特性曲线类型比较多：根据导电沟道不同，以及增强型还是耗尽型,可有四种转移特性曲线和输出特性曲线，其电压和电流方向也有所不同。 如果按统一规定正方向，特性曲线就要画在不同的象限。 为便于绘制，将P沟道管子的正方向反过来设定。 有关曲线绘于下图之中。,2. 伏安特性曲线,各类绝缘栅场效应三极管的特性曲线,绝缘栅场效应管,N 沟 道
15、增 强 型,P 沟 道 增 强 型,绝缘栅场效应管,N 沟 道 耗 尽 型,P 沟 道 耗 尽 型,第二节 结型场效应三极管,JFET的结构与MOSFET相似， 工作机理也相似。如图: 在N型半导体硅片的两侧各制造一个PN结，形成两个PN结夹一个N型沟道的结构。 P区即为栅极; N型硅的一端是漏极; 另一端是源极。,结型场效应三极管的结构,(动画2-8）,一.结型场效应三极管的结构:,栅极,漏极,源极,栅源电压对沟道的控制作用,1. 当UGS=0时: 沟道较宽，在 UDS作用下， 产 生的ID较大。,2.当UGS0时（即负压）时: 随UGS增加，沟道变窄，ID减小。,二.结型场效应三极管的工作
16、原理,耗尽层,N沟道,耗尽层,3.若UGS再增加，增至UGS=Up时，耗尽层在源极附近相遇， 称为全加断。此时ID=0。,当UGS增加到UGD=UP（夹断电压） 耗尽层在漏极附近相遇，称为预夹断,（动画2-9）,(三)结型场效应的特性曲线,与NMOSFET的转移特性曲线很相似； 区别在于NMOSFET的栅压可正可负， 而NJFET的栅压只能为负电压。,1.NJFET转移特性曲线(如图)_,同理PJFET 的栅压只能为正电压。,UDS=常数,栅源电压对沟道的控制作用,4.当漏极电流为零时:所对应的栅源电压UGS称为夹断电压UP、这一过程如动画所示。,1. 当UGS=0时: 沟道宽，沟道电阻小，N
17、区电子随UDS ，产生 ID并。,2.当UGS0时（即负压）时: PN结反偏，形成耗尽层，漏源间的沟道将变窄，ID将减小。,3.当UGS继续减小（即负压 ）： 沟道继续变窄，并在极附近耗尽层相遇，称预夹断，ID继续减小直至为0。,漏源电压对沟道的控制作用,（动画2-9）,(三)结型场效应三极管的特性曲线,它与耗尽型MOSFET的特性曲线基本相同，只不过MOSFET的栅压可正可负， 而结型场效应三极管的栅压只能是P沟道的为正或N沟道的为负。,JFET的特性曲线有两条：,转移特性曲线：,输出特性：,(a)漏极输出特性曲线（动画2-6） (b)转移特性曲线（动画2-7）,结型场效应三极管的特性曲线,
18、JFET的特性曲线：,结型场效应管,N 沟 道 耗 尽 型,P 沟 道 耗 尽 型,第三节 场效应管的主要参数和微变等效电路,一 场效应管的直流参数 二 场效应管的微变参数 三 场效应管的型号 四 场效应管的微变等效电路,开启电压是MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电的绝对值，场效应管不能导通(即IG =0)。,夹断电压是耗尽型FET的参数，当漏极电流为零时, UGS=U P,耗尽型场效应三极管当UGS=0时所对应的漏极电流。,一 场效应三极管的直流参数,开启电压 UT,夹断电压UP,饱和漏极电流IDSS,场效应管栅源输入电阻RGS： 栅源间加固定电压UGS栅极电流IGS之比，输入电阻的典
19、型值: 结型场效应管，反偏时RGS约大于107， 绝缘栅场效应管RGS约是1091015。,漏源、栅源击穿电压BUDS 、 B UGS,低频跨导gm 低频跨导反映了栅源电压对漏极电流的控制作用，gm可以在转 移 特性曲线上求取，单位是mA/V或mS(毫西门子)。,二 场效应管的微变参数,(1).图解法求解：在曲线上作切线，其斜率为gm,(2).解析法求解：,增强型MOSFET: gm =1/ Ron,耗尽型MOSFET: gm =-(1- UGS / Up )2 IDSS/ Up,衬底跨导gmb,漏极电阻rdS ：可在输出特性曲线上求解,导通电阻Ron：,极间电容: 包括CgS 、 Cgd、
20、Cgb 、 Csd 、 Csb 、 Cdb。,在恒流区（即可变电阻区）：,下表列出了MOS管参数,表3-2 常用场效应三极管的参数,三 场效应管的微变等效电路,1.低频等效电路：,FET低频微变等效电路（ dUBS=0）,2.高频等效电路：,FET高频微变等效电路（ dUBS=0）,四 场效应三极管的型号,1.与双极型三极管相同： 第三位字母 J 代表结型场效应管，O 代表绝缘栅型场效应管。 第二位字母代表材料，D是P型硅，反型层是N沟道；C是N型硅P沟道。 例如3DJ6D是结型N沟道场效应三极管，3DO6C是绝缘栅型N沟道场效应三极管。,CS代表场效应管，以数字代表型号的序号，#用字母代表同
21、一型号中的不同规格。 例如CS14A、CS45G等。,场效应三极管的型号现行有两种命名方法：,2.第二种命名方法是CS#：,双极型和场效应型三极管的比较,双极型和场效应型三极管的比较(续),第四节 场效应管的基本放大电路,一 场效应管的偏置电路 二 外加偏置电路 三 三种基本放大电路 四 三种接法基本放大电路的比较,一 场效应管的偏置电路,（一）自给偏置电路：,(1). UGS = 0时： IS = ID,RS两端电压为： US = IS RS,(2). 由于 IG=0; UG =0: UGS = -IS RS = -ID RS,由此构成直流偏压，所以称为自给偏压式。,1.基本型自给偏置电路：
22、,基本型自给偏置电路,2.改进型自给偏置电路：,上述电路中RS起直流反馈作用，RS大，Q稳定； 但RS大Q点低。 问题：Q点低不仅使A，且由于接近夹断，非线性失真加大。,(1). 由R1 = R2分压，给RG一个固定偏压。 RG很大以减小对输入电阻的影响。,(2).对于耗尽型FET： UGS = EDR2 /(R1 + R2) -ID RS,此时： RS大Q点不会低。,显然对于JFET,当|US | |UG|时，放大器具有正确的偏压。,改进型自给偏置电路,ID= IDSS1(UGS /Up)2,（二）外加偏置电路：,外加偏置电路,对于增强型MOSFET: UGS = 0时： ID =0,(1)
23、. 此时靠外加偏压： UGS = EDRL /(R1 + R2),RG很大以减小对输入 电阻的影响。,(2). 改进型外加偏压：,UGS = EDRL /(R1 + R2) -ID RS,对于JFET,须保证|US | |UG|时，放大器具有正确的偏压。,耗尽型以自给偏压为主,UG=UDDR2/(R1+R2) UGS= UGUS= UGIDR ID= IDSS1(UGS /Up)2 UDS= UDDID(Rd+R),共源基本放大 电路的直流通道,根据图可写出下列方程：,于是可以解出UGS、ID和UDS。,二 三种基本放大电路,（一） 共源组态基本放大器,(1)直流分析,二 三种基本放大电路,结
24、型共源放大器电路,电压增益为:,1.未接CS时:等效电路如图:,一般 rds RD RL RS; rds可忽略。,（一） 共源组态基本放大器,放大器的输入电阻为:,放大器的输出电阻为:,ri=RG+(R1/ R2) RG,ro RD,2 . 接入CS时:,AU - gm RD,ri=RG+(R1/ R2) RG,ro =RD / rds RD,结型共漏放大器电路,电压增益为:,其等效电路如图:,（二） 共漏组态基本放大器,共漏放大器电路如图:,与射极输出器类似: 输出阻抗低 电压增益近似为1,ri= RG,输入电阻为:,式中: Rs=rds/Rs / RL Rs / RL 1,求输出电阻:,1
25、.画等效电路：令Ui=0、 RL开路；在输出端加测试电压Uot,2.求输入电阻:,Ugs= - Uot ;,Iot= Uot /Rs- gm Ugs = Uot (1/ Rs + gm),根据输出电阻的定义：,ro = Uot / Iot =1 / (1/ Rs + gm)= Rs / （1/ gm ）,（三） 共栅组态基本放大器,其等效电路如图:,共栅放大器电路如图:,与共基放大器类似: 输入阻抗低 输出阻抗高 电压增益高,3-24. 共栅放大器典型电路,电压增益为:,式中:RD=RD / RL,共栅放大器等效电路(电流源),共栅放大器等效电路(电压源),ri= Rs / ri,输入电阻为:
26、,3-22.共栅放大器等效电路(电压源),ri,ri= Ui / Id1/ gm,当rds RD , gm rds 1时：,所以： ri Rs / （1/ gm）,输出电阻为:,ro RD / rds RD,ro,(四)三种接法基本放大电路的比较,三种基本放大电路的比较如下,组态对应关系 CE / CB / CC CS / CG / CD,电压增益,三种基本放大电路的比较如下,组态对应关系 CE / CB / CC CS / CG / CD,输入电阻Ri,三种基本放大电路的比较如下,组态对应关系 CE / CB / CC CS / CG / CD,输出电阻Ro,CS：rds / RD CD：R
27、s/(1/gm) CG：RD,表3-3 FET 三种组态性能比较,以上表格中参数是在下列条件 下求得的： gm = 1.5mA; rds = 100k RD = Rs = 10k;RG= 5M,1.场效应管的种类： 结型(分N沟道和P沟道两种和绝缘栅型(又称M0SFET）； 分N沟道耗尽型和增强型,P沟道耗尽型和增强型两大类。 2.场效应管特点： 是单极型电压控制器件； 是输入电阻极高，一般可达102M0以上，因而可组成多级放大器的输入级，同时在作中间级放大器时，不需考虑对前级的负载作用。,本章小结,三种基本组态共源、共漏和共栅)，其特性和双极型晶体三极管的三种基本组态(共射、共集和共基相似。 场效应管放大器的交流分析与双极型晶体三极管放大器基本相似； 场效应管的直流偏置电路分析有其不同之处。,本章小结,3.场效应管放大器也可连接成三种基本组态：,