3场效应管放大电路及多级放大电路.ppt

《3场效应管放大电路及多级放大电路.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《3场效应管放大电路及多级放大电路.ppt（84页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、第三章 场效应管放大电路 及多级放大电路,模拟电子技术基础,3.1、结型场效应管（JFET）,3.2、金属-氧化物-半导体场效应管 （MOSFET）,3.3、场效应管静态工作点的设置方法,3.5、复合管,3.4、场效应管放大电路的动态分析,3.6、多级放大电路,第三章 场效应管及其放大电路,晶体三极管：电流控制电流元件,场效应管：电压控制电流元件,引入场效应管的原因：,晶体管放大电路不能满足ri（M）,在晶体管放大电路中，共集放大电路输入电阻最高,所以引入场效应管来提高输入电阻。,序论,结型,绝缘栅型,小输入电压控制大输出电流，ri高，噪声低，热稳定性好，抗辐射能力强，省电等。,场效应管特点：

2、,场效应管分类：,场效应管有三个极：源极(s)、栅极(g)、漏极(d) 。,1.结构和符号,导电沟道,源极,栅极,漏极,符号,一、(JFET)的结构和工作原理,3.1、结型场效应管（JFET）,N沟道,符号,P沟道,导电沟道,发射极(e)、基极(b)、集电极(c) 。,a、栅-源电压对导电沟道宽度的控制作用,沟道最宽,注意：为什么g-s必须加负电压？,UGS（off）,2.工作原理,(1)当uGS=0，uDS=0时，PN结很窄，导电沟道最宽。,(2)当|uGS |逐渐增大，PN结加反偏电压，PN结变宽，导电沟 道变窄，沟道电阻变大。,(3)当|uGS|=uGS(off)时，两个PN结闭合，导电

3、沟道消失（沟道被夹断），沟道电阻无穷大。,uGS可以控制导电沟道的宽度,b、漏-源电压对漏极电流的影响,场效应管工作在恒流区的条件是什么？,(1)当uGS=0，uDS0时，使沟道中各点与栅极g间电压不再相 等，所以PN上宽下窄。,PN结上宽下窄,预夹断,(2)uGD=uGS-uDS，随着uDS增大，uGD变小耗尽层变宽，导电沟道变窄，iD随uDS线性增加。,(3)uGD=uGS-uDS，随着uDS继续增大，当uGD=uGS（Off）时，为预夹断。,uGDUGS（off）,uGDUGS（off）,b、漏-源电压对漏极电流的影响,场效应管工作在恒流区的条件是什么？,(3)uGD=uGS-uDS，随

4、着uDS继续增大，当uGDuGS（Off）时，夹断加深，此时iD不再随uDS增大而增大，uDS的增大几乎全部用来克服沟道电阻，iD仅取决于uGS大小，此时为恒流区。,uGDUGS（off）,注意：场效应管工作在恒流区的条件是什么？,此时，通过改变uGS大小来改变iD，所以场效应管为电压控制电流元件,(4)uGSuGS(off)，全夹断，iD0,进入夹断区。,综上分析可知,沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电， 所以场效应管也称为单极型三极管。,JFET是电压控制电流器件，iD受uGS控制。,预夹断前iD与uDS呈近似线性关系；预夹断后,iD趋于饱和。,JFET栅极与沟道间的PN结是反向偏置的

5、，因 此iG0，输入电阻很高。,1.输出特性曲线,g-s电压控制d-s的等效电阻,预夹断轨迹，uGDUGS（off）,可变电阻区,恒 流 区,iD几乎仅决定于uGS,击 穿 区,夹断区（截止区）,夹断电压,IDSS,不同型号的管子UGS（off）、IDSS将不同。,低频跨导：,场效应管有三个工作区域：截止区、恒流区、可变电阻区。,二、(JFET)的特性曲线,UGS(off),场效应管工作在恒流区，因而uGSUGS（off）且uGDUGS（off）。,2.转移特性曲线,IDSS为uGS=0，预夹断时的电流。,漏极饱和电流,夹断电压,3.2 金属-氧化物-半导体场效应（MOS）管,MOS管的特点：

6、g与s、g与d间采用si02绝缘层，g与s间电阻 比场效应管大得多，达1010以上。且温度稳定性好，集成化时工艺简单，所以广泛应用于大规模和超大规模集成电路中。,结型场效应管,SiO2绝缘层,耗尽层,高掺杂,（1）增强型管工作原理,1.增强型管,一、(MOS)管的结构和工作原理,当 uGS=0时，无导电沟道，无论外加uds极性如何， id=0.,随uGS增大，反型层（导电沟道）将变厚变长。当反型层将两个N区相接时，形成导电沟道。,衬底,反型层,大到一定值才开启,（1）增强型管工作原理,当 uGS0时，,uGS=UGS（th）,iD随uDS的增大而增大，可变电阻区,uGDUGS（th）,预夹断,

7、iD几乎仅仅受控于uGS，恒流区,刚出现夹断,uDS的增大几乎全部用来克服夹断区的电阻,（1）增强型管工作原理,转移特性,开启电压,输出特性,在恒流区：,可变电阻区,恒 流 区,夹断区（截止区）,（2）增强型管特性曲线,耗尽型MOS管在 uGS0、 uGS 0、 uGS 0时均可导通，且与结型场效应管不同，由于SiO2绝缘层的存在，在uGS0时仍保持g-s间电阻非常大的特点。,加正离子,小到一定值才夹断,uGS=0时就存在导电沟道,2.耗尽型管,（1）耗尽型管工作原理,加正离子,小到一定值才夹断,uGS=0时就存在导电沟道,（1）耗尽型管工作原理,1）当ugs0时，由于二氧化硅绝缘层则ig=0

8、，导电沟 道变宽，在uDS作用下，iD较大,2）当ugs0时，导电沟道变窄，iD变小，当ugs=UGS（0ff时， 出现夹断区，iD=0.,总结：耗尽型MOS管可以在ugs正负电压下工作，而结型管 仅在ugs0时工作，相同点是ig=0,转移特性,夹断电压,输出特性,（2）耗尽型管特性曲线,特点：可以满足iDIDSS， 而结型管只能ID IDSS,场效应管总结：,工作在恒流区时g-s、d-s间的电压极性,场效应管的分类：,1)夹断电压UGS(off)：,漏极电流约为零时的uGS值 。,3) 饱和漏极电流IDSS：,uGS=0时对应的漏极电流。,三、场效应管的主要参数,2）开启电压UGS（th）：

9、仅适用于增强型，使iD0所需最小的 g、s间电压。,1、直流参数,1) 输出电阻rd：,2、交流参数,2) 低频跨导gm：,或,低频跨导反映了vGS对iD的控制作用。gm 可以在转移特性曲线上求得，单位是mS(毫西门子)。,2) 最大漏源电压：U(BR)DS,3) 最大栅源电压：U(BR)GS,1) 最大漏极电流：IDM,4) 最大漏极功耗PDM：,3、极限参数,为保证场效应管工作在恒流区，在g-s、d-s间加极性合适的电源,3.3 场效应管静态工作点的设置方法,场效应管放大电路：,共源(S)、共漏(d)、共栅(g),共射(e)、共集(c)、共基(b) 。,正常工作条件：VGGUGS(th),

10、VDD作用： 保证d、s间电压大于预夹断电压为负载提供能源,Rd作用：将变化的iD转变为电压UDS，实现电压放大。,静态分析：,公式法：,确定,所以称为自给偏压电路,哪种场效应管能够采用这种电路形式设置Q点？,一、自给偏压电路,1、公式法,由于结型管正常工作时必须ugs0,由图知静态ui=0时Ig=0，即URg=0,Ig,ID,所以,自己产生的,2、图解法,输出回路负载线,输入回路负载线,为什么加Rg3?其数值应大些小些？,哪种场效应管能够采用这种电路形式设置Q点？,二、分压式偏压电路 典型的Q稳定电路,根据iD的表达式或转移特性可求得gm。,与晶体管的h参数等效模型类似：,一、场效应管的交流

11、等效模型,3.4 场效应管放大电路的动态分析,说明: (1)以结型、增强型为例ig=0，所以g、s间断开，但ugs0,(2)小信号工作时，在恒流区 （常数）用受控源等效。,(3)在线性区,若Rd=3k， Rg=5k， gm=2mS， 则,二、基本共源放大电路的动态分析,1、固定偏置电路,(与共射电路比较。),总结：,(2)尽管输入电阻可以达，但Au却仅有10倍级左右。,(1)共源与共射均为反相放大电路。,2、分压式偏置电路,解：（1）画微变等效电路,（2）求各量值,有旁路电容时：,无旁路电容时：,总结：,(2)此电路中C可以用无极性电容。 如果负载小时，C2要用有极性电容，以减小C2上的分压,

12、(1)Rg3作用：进一步提高输入电阻，对直流无影响。,三、基本共漏放大电路的动态分析,输出电阻的分析,若Rs=3k，gm=2mS，则Ro=?,加压求流法：,Ro428,与共集电路类似：,（1）U0与Ui同相。,（2）Au1。,（3）R0较小，可以作为多级放大电路的输出级,复合管的组成：多个管子合理连接等效成一个管子。,不同类型的管子复合后，其类型决定于T1管。,目的：增大，减小前级驱动电流，改变管子的类型。,3.5 复合管,工作中常需要很高达上千倍，若用单管则电路稳定性较差，所以采用复合管。,复合管的组成原则:,(1) 在合适的外加电压下，每只管子的电流都有合适的通路，且均工作在放大区或恒流区

13、；,(2) 为了实现电流放大，应将第一只管的集电极（漏极）或发射极（源极）电流作为第二只管子的基极电流。,总之，由于晶体管构成的复合管有很高的电流放大系数，所以只需要很小的输入驱动基极电流，便可获得很大的集电极（或发射极）电流。,在合适的外加电压下，每只管子的电流都有合适的通路，才能组成复合管。,讨论一：判断下列各图是否能组成复合管,（）,（）,（）,（）,（）,（）,Ri=? Ro=?,讨论二：求下图的输入电阻和输出电阻,放大电路的选用：,按下列要求组成两级放大电路： Ri12k，Au 的数值3000； Ri 10M，Au的数值300； Ri100200k，Au的数值150； Ri 10M

14、，Au的数值10，Ro100。,共源、共集。,补充：各种放大器件电路性能比较,共射、共射；,共源、共射；,共集、共射；,3.6 多级放大电路,(1)单级放大输出达不到要求的输出量级。,(2)为从信号源输入更多能量，要求输入级Ri； 对负载而言，为了获得更多的能量，要求输出级Ro0,多级放大电路作用：,信号源与放大电路之间、两级放大电路之间、放大器与负载之间的连接方式。,直接耦合、阻容耦合、变压器耦合等,耦合方式：,常用的耦合方式：,多级放大电路引入：,已知rbe=1.2K，=50，求AVO、AV、AVS,解：,分析：分别在不带负载、带负载、考虑信号源内阻时，放大倍 数大大降低。,解决方法：采用

15、多级放大电路。,空载时,考虑信号源内阻时,改进电路：,已知rbe1=rbe3= 1.5K，1=3= 50，求AVO、AV、AVS,既是第一级的集电极电阻，又是第二级的基极电阻,特点：能够放大变化缓慢的信号，便于集成化， Q点相互影响，存在零点漂移现象。,零漂的原因：当输入信号为零时，前级由温度变化所引起的电流、电位的变化会逐级放大。,第二级,第一级,1、直接耦合,输入为零，输出产生变化 的现象称为零点漂移,一、多级放大电路的静态分析,Re,Q1合适吗？,对哪些动态参数产生影响？,用什么元件取代Re既可设置合适的Q点，又可使第二级放大倍数不至于下降太大？,二极管导通电压UD小，动态电阻rd小，静

16、动态均解决,直接耦合特点：,UCE1=UBE2=0.7V，则T1 的Q点太低，已进入饱和区。,解决方法：,接RE：,静态可解决，但动态AV损失大。,接D：,UCEQ1太小加Re（Au2数值）改用D若要UCEQ1大，则改用DZ。,稳压管 伏安特性,限流电阻,rzu /i，小功率管多为几欧至二十几欧。,若要使UCEQ15V，采用什么方式解决？,举例：直接耦合两级放大电路，静态工作点的求解。,特点：Q点相互独立。 不能放大变化缓慢的信号，低频特性差， 不能集成化。,共射电路,共集电路,有零点漂移吗？,利用电容连接信号源与放大电路、放大电路的前后级、放大电路与负载，称为阻容耦合。,2、阻容耦合,1.电

17、压放大倍数,2.输入电阻,3.输出电阻,对电压放大电路的要求：Ri大， Ro小，Au的数值大，最大不失真输出电压大。,二、多级放大电路的动态分析,三、分析举例,两级放大电路如图所示，已知三极管的 场效应管的 ，写出两级放大电路的组态，并求出 输入电阻、输出电阻及电压放大倍数,例1：,解：此为共源-共集放大电路,例2：,解：此为共源-共射放大电路，交流等效电路如图：,零点漂移现象：uI0，uO0的现象。,产生原因：温度变化，直流电源波动，元器件老化。其中晶体管的特性对温度敏感是主要原因，故也称零漂为温漂。,克服温漂的方法：引入直流负反馈，温度补偿。 典型电路：差分放大电路,差分放大电路的作用：克

18、服零点漂移现象。,3.3 差分放大电路,一、简单的差分放大电路,1、抑制零漂的原理,电路结构对称，各元件参数相同。,电路特点：,静态时，ui1 = ui2 = 0,IC1VC1,IC2VC2,当温度升高时，虽然两个管子都产生漂移，但集电极电位的变化是相同的，所以Uo=0,2. 信号输入,所以电路对共模信号无放大作用，即AC=0,ui1 = ui2（大小相等、极性相同）,差分电路抑制共模信号能力的大小，反映了它对零点漂移的抑制水平。,(1) 共模输入：,uo = 0,ui1 = ui2(大小相等、极性相反),电路对差模信号有较大的放大能力。,(2) 差模输入:,设ui10，ui20,ui1ic1

19、uc1,ui2ic2uc2,差模信号 是有用信号,共模信号 需要抑制,(3) 比较输入：,ui1 、ui2 大小和极性是任意的。,可分解成: ui1 =uic + (1/2) uid,可分解为一对共模信号叠加一对差模信号,ui2 =uic - (1/2) uid,差分放大电路中的一般概念,差模信号,共模信号,差模电压增益,共模电压增益,用差模信号和共模 信号表示输入信号,二、长尾式差分放大电路,RE：稳定静态工作点，限制每个管子的漂移。,EE：用于补偿RE上的压降，以获得合适的工作点。,原因：,(1)完全对称的理想差分放大电路并不存在，单靠对称性抑制零漂是有限度的。,(2)电路中每个管子的零漂

20、仍存在，若用单管输出，漂移仍存在,RE:共模负反馈电阻,作用：近一步抑制零漂,IC1IE1,IC2IE2,IC1,IC2,RE对共模信号有强烈的抑制作用，但对差模信号无影响,2、静态分析,静态时输出电压为零。,静态时由于UC1=UC2,3、动态分析,一对大小相等方向相反的信号,一管电流增加、一管电流减小,a、输入信号为差模信号,差模输出电压不为零。,一对大小相等方向相同的信号,两管电流同时增加,b、输入信号为共模信号,共模输出电压为零。,干扰信号和温漂以共模形式出现， 可以被抑制，所以不出现在输出中。,3、动态分析,三、差分放大电路主要技术指标计算,1.双端输入、双端输出,1）差模输入,？,差

21、模放大倍数,2）共模输入,共模放大倍数AC=0.,共模抑制比KCMR：综合考察差分放大电路放大差模信 号的能力和抑制共模信号的能力。,在实际应用时，信号源需要有“ 接地”点，以避免干扰；或负载需要有“ 接地”点，以安全工作。,根据信号源和负载的接地情况，差分放大电路有四种接法：双端输入-双端输出、双端输入-单端输出、单端输入-双端输出、单端输入-单端输出。,或,电路对称理想时，双端输出的KCMR为无穷大。,差分放大电路主要技术指标计算,2.双端输入、单端输出,1）差模输入,输入回路没变，输出回路改变。,若RL接T2管，则,？,2）双入单出-共模输入,又由,很大,Ric为T1与T2并联后电阻：,

22、（1）T2的Rc可以短路吗？ （2）什么情况下Ad为“”？ （3）双端输出时的Ad是单端输出时的2倍吗？,3）双入单出分析,输入差模信号的同时总是伴随着共模信号输入：,3.单端输入、双端输出,分析方法与双入双出一致， 结果也一致。,4.单端输入、单端输出,静态时的值,问题讨论： （1）UOQ产生的原因？ （2）如何减小共模输出电压？,输出方式：Q点、Ad、 Ac、 KCMR、Ro均与之有关。,输入方式：电路的性能指标与输入方式无关，因此输入电阻不变，但是输入信号的分量不同。单端输入时必有共模信号分量和差模信号分量输入。,四种接法比较（条件：电路参数对称）,为什么要采用电流源？,Re 越大，共模

23、负反馈越强，单端输出时的Ac越小，KCMR越大，差分放大电路的性能越好。 为使静态电流不变，Re 越大，VEE也要增大，以至于Re太大不合理。 需要寻找既能合理偏置静态电流，又能在交流时等效无穷大的Re。,解决方法：用电流源替代Re！,四、具有恒流源的差分放大电路,等效电阻为无穷大,近似为 恒流源,静态时：,若UBEQ3变化忽略不计，则IC3基本不受温度影响，且无动态信号作用于T3，所以IC3基本为恒流。,所以I1I2,交流分析时用电流源的交流等效电阻Ro取代原来的Re。,等效电阻,提高了单端输出的共模抑制比。,近似为 恒流源,动态时：,五、具有调零电阻的差分放大电路,1) RW取值应大些？还

24、是小些？ 2) RW对动态参数的影响？ 3) 若RW滑动端在中点，写出Ad、Ri、Ro表达式。,调零电阻,实际电路中，由于难以做到参数理想对称，常用一个阻值很小的电阻调节，使ui1=ui2=0时u0=0.,六、场效应管差分放大电路,负载RL开路时：,带负载RL时：,与三极管差分放大电路一样也有四种输入输出方式，分析方法类似，请自己学习。,(4)当输出接一12k负载时的电压增益.,电路参数如图所示，已知三极管的参数,求：,差分放大电路举例 1,解：,(1) 静态,(2) 电压增益,(4),(3),因为差分放大器射极采用恒流源，所以共模信号近似为零。,差分放大电路举例 2,电路参数如图所示，已知结型场效应管参数gm=2mS，三极管参数rce=200k, =100，试求场效应管漏极静态电流ID2以及电路的各交流参数。,解：T1、T2为场效应管组成的差分放大器，源极采用恒流源，T3、T4组成比例电流源。,(1) 静态,源极等效电阻,(2) 交流参数,七、差分放大电路的传输特性,线性区,