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1、第三章 场效应管放大器第三章 场效应管放大器绝缘栅场效应管结型场效应管 3.2 场效应管放大电路效应管放大器的静态偏置效应管放大器的交流小信号模型效应管放大电路3.1 场效应管4.1 概 述4.2 乙类互补对称功率放大电路 4.3 甲乙类互补对称功率放大电路*4.4 集成功率放大器u 甲乙类双电源互补对称电路u 甲乙类单电源互补对称电路3.1 场效应管BJT是一种电流控制元件(iB iC)，工作时，多数载流 子和少数载流子都参与运行，所以被称为双极型器件。场效应管（Field Effect Transistor简称FET）是一种 电压控制器件(uGS iD) ，工作时，只有一种载流子参与 导电
2、，因此它是单极型器件。FET因其制造工艺简单，功耗小，温度特性好，输入 电阻极高等优点，得到了广泛应用。FET分类： 绝缘栅场效应管结型场效应管增强型耗尽型N沟道 P沟道 N沟道 P沟道N沟道 P沟道一. 绝缘栅场效应管绝缘栅型场效应管 ( Metal Oxide Semiconductor FET) ，简称MOSFET。分为：增强型 N沟道、P沟道耗尽型 N沟道、P沟道1.N沟道增强型MOS管（1）结构 4个电极：漏极D， 源极S，栅极G和 衬底B。符号：当uGS0V时纵向电场将靠近栅极下方的空穴向 下排斥耗尽层。（2）工作原理当uGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的 二极管，在 d、s之
3、间加上电压也不会形成电流，即管子截止。再增加uGS纵向电场将P区少子电子聚集到P区表面形成导电沟道，如果此时加有漏源电压， 就可以形成漏极电流id。栅源电压uGS的控制作用定义：开启电压（ UT）刚刚产生沟道所需的栅源电压UGS。N沟道增强型MOS管的基本特性：uGS UT，管子截止，uGS UT，管子导通。uGS 越大，沟道越宽，在相同的漏源电压uDS作用下，漏极电流ID越大。转移特性曲线： iD=f(uGS)uDS=const可根据输出特性曲线作出移特性曲线。例：作uDS=10V的一条转移特性曲线：UT一个重要参数跨导gm：gm=iD/uGS uDS=const (单位mS)gm的大小反映
4、了栅源电压对漏极电流的控制作用。 在转移特性曲线上， gm为的曲线的斜率。在输出特性曲线上也可求出gm。2.N沟道耗尽型MOSFET特点：当uGS=0时，就有沟道， 加入uDS，就有iD。当uGS0时，沟道增宽 ，iD进一步增加。当uGS0时，沟道变窄 ，iD减小。在栅极下方的SiO2层中掺入了大量的金属正离子。所以当 uGS=0时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。定义：夹断电压（ UP）沟道刚刚消失所需的栅源电压uGS。3、P沟道耗尽型MOSFETP沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完全相同，只不过导电的载流子不同，供电电压极性不同而已。这如同 双极型三极管有NPN型和P
5、NP型一样。4. MOS管的主要参数（1）开启电压UT（2）夹断电压UP（3）跨导gm ：gm=iD/uGS uDS=const （4）直流输入电阻RGS 栅源间的等效电阻。由于MOS管栅源间有sio2绝缘层，输入电阻可达1091015。二. 结型场效应管1. 结型场效应管的结构（以N沟为例）：两个PN结夹着一个N型沟道。 三个电极：g：栅极d：漏极s：源极符号：N沟道P沟道2. 结型场效应管的工作原理（1）栅源电压对沟道的控制作用在栅源间加负电压uGS ，令 uDS =0当uGS=0时，为平衡PN结，导电 沟道最宽。当uGS时，PN结反偏，耗尽层 变宽，导电沟道变窄，沟道电阻 增大。当uGS
6、到一定值时 ，沟道会完 全合拢。定义：夹断电压UP使导电沟道完全合拢（消失）所需要的栅源电压 uGS。 （2）漏源电压对沟道的控制作用在漏源间加电压uDS ，令uGS =0由于uGS =0，所以导电沟道最宽。当uDS=0时， iD=0。uDSiD 靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，呈楔形分布。当uDS ，使uGD=uG S- uDS=UP时， 在靠漏极处夹断预夹断。预夹断前， uDSiD 。 预夹断后， iDSiD 几乎不变。uDS再，预夹断点下移。（3）栅源电压uGS和漏源电压uDS共同作用iD=f（ uGS 、uDS）,可用输两组特性曲线来描绘。 （1）输出特性曲线： iD=f（ uDS
7、）uGS=常数3、 结型场效应三极管的特性曲线uGS=0VuGS=-1V设：UT= -3V四个区 ：恒流区的特点： iD / uGS = gm 常数即： iD = gm uGS（放大原理）（a）可变电阻区（预夹断前）。 （b）恒流区也称饱和区（预夹断 后）。 （c）夹断区（截止区）。 （d）击穿区。可变电阻区恒流区截止区击穿区（2）转移特性曲线： iD=f（ uGS ）uDS=常数可根据输出特性曲线作出移特性曲线。 例：作uDS=10V的一条转移特性曲线：4 .场效应管的主要参数(1) 开启电压UTUT 是MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值, 场效应管不 能导通。 （2）夹断电
8、压UPUP 是MOS耗尽型和结型FET的参数，当uGS=UP时,漏极电流为零。（3）饱和漏极电流IDSSMOS耗尽型和结型FET, 当uGS=0时所对应的漏极电流。（4）输入电阻RGS结型场效应管，RGS大于107，MOS场效应管, RGS可达1091015。（5） 低频跨导gm gm反映了栅压对漏极电流的控制作用，单位是mS(毫西门子)。（6） 最大漏极功耗PDMPDM= UDS ID，与双极型三极管的PCM相当。5 .双极型和场效应型三极管的比较双极型三极管 单单极型场场效应应管载载流子多子扩扩散少子漂移 少子漂移输输入量电电流输输入电压输电压输 入控制电电流控制电电流源电压电压 控制电电
9、流源输输入电电阻几十到几千欧几兆欧以上噪声较较大较较小静电电影响不受静电电影响易受静电电影响制造工艺艺不宜大规规模集成适宜大规规模和超大 规规模集成一. 直流偏置电路保证管子工作在饱和区，输出信 号不失真 3. 2 场效应管放大电路1.自偏压电路UGS =- IDR 注意：该电路产生负的栅源电压，所以只能用于需要负栅源电压的电路 。计算Q点：UGS 、 ID 、UDS已知UP ，由UGS =- IDR可解出Q点的UGS 、 IDUDS =VDD- ID (Rd + R )再求 ：ID 2.分压压式自偏压电路可解出Q点的UGS 、 ID 计算Q点：已知UP ，由该电路产生的栅源电压可正 可负，所
10、以适用于所有的场 效应管电路。UDS =VDD- ID (Rd + R )再求 ：二. 场效应管的交流小信号模型 与双极型晶体管一样，场效应管也是一种非线性器件，在交流小信号情况下，也可以由它的线性等效电路交流小信号模型来代替。 其中：gmugs是压控电流源，它体现了输入电压对输出电流的控制作用。称为低频跨导。rds为输出电阻，类似于双极型晶体管的rce。三. 场效应管放大电路1.共源放大电路分析： （1）画出共源放大电路的交流小信号等效电路。 （2）求电压放大倍数（3）求输入电阻（4）求输出电阻则（2）电压放大倍数（3）输入电阻得分析 ：（1）画交流小信号等效电路。 由2.共漏放大电路（4）
11、输出电阻所以由图有本章小结1FET分为JFET和MOSFET两种，工作时只有一种载流子参与导电，因此称为单极性型晶体管。FET是一种压控电流型器件，改变其栅源电压就可以改变其漏极电流。2FET放大器的偏置电路与BJT放大器不同，主要有自偏压式和分压式两种。3 FET放大电路也有三种组态：共源、共漏和共栅。电路的动态分析需首先利用FET的交流模型建立电路的交流等效电路，然后再进行计算，求出电压放大倍数、输入电阻、输出电阻等量。4.1 概 述4.2 乙类互补对称功率放大电路 4.3 甲乙类互补对称功率放大电路*4.4 集成功率放大器u 甲乙类双电源互补对称电路u 甲乙类单电源互补对称电路例： 扩音
12、系统实际负载什么是功率放大器？ 在电子系统中，模拟信号被放大后，往往要去推动一个实际的负载。如使扬声器发声、继电器动 作、 仪表指针偏转等。推动一个实际负载需要的功率很大。 能输出较大功率的放大器称为功率放大器4.1 概述功 率 放 大电 压 放 大信 号 提 取一. 功放电路的特点（2） 功放电路中电流、电压要求都比较大，必须 注意电路参数不能超过晶体管的极限值: ICM 、 UCEM 、 PCM 。 ICMPCMUCEM（1）输出功率Po尽可能大Icuce(3) 电流、电压信号比较大，必须注意防止波形失真。(4) 电源提供的能量应尽可能多地转换给负载，尽量减少晶体管及线路上的损失。即注意提
13、高电路的 效率（）。Po: 负载上得到的交流信号功率。PE ： 电源提供的直流功率。（5）功放管散热和保护问题二. 甲类功率放大器分析1.三极管的静态功耗 ：若电源提供的平均功耗：则IcuceQuceQIcQ2.动态功耗（当输入信号Ui时）输出功率:要想PO大，就要使功率三角形的面积 大，即必须使Vom 和Iom 都要大。最大输出功率:MNUomIom功率三角形 iCuCEQUCEQICQVCC电源提供的功率此电路的最高效率甲类功率放大器存在的缺点 ： 输出功率小 静态功率大，效率低三. BJT的几种工作状态 甲类：Q点适中，在正弦信号的整个周期内均有电流流过BJT。甲乙类：介于两者之间，导通
14、角大于180动画演示 iCuCEQ1UCEQICQVCCiCuCEQ3ICQ VCC乙类：静态电流为0，BJT只在正弦信号的半个周期内均导通。iCuCEQ2ICQVCC一. 结构互补对称：电路中采用两个晶体管：NPN、PNP各一支；两管特性一致。组成互补对称式射极输出器。4.2 乙类互补对称功率放大电路 二、工作原理（设ui为正弦波）ic1ic2静态时：ui = 0V ic1、ic2均=0（乙 类工作状态） uo = 0V动态时：ui 0VT1截止，T2导通ui 0VT1导通，T2截止 iL= ic1 ;iL=ic2T1、T2两个管子交替工作，在负载上得到完整的正弦波 。输入输出波形图uiuo
15、uouo 交越失真死区电压组合特性分析图解法负载上的最大不失真电压为Uom=VCC- UCESiC1uCEiC2Q VCCUCESUCESUom最大不失真输出功率Pomax1.输出功率Po三、分析计算动画演示一个管子的管耗2.管耗PT两管管耗3.电源供给的功率PE当4.效率最高效率max四三极管的最大管耗 问：Uom=？ PT1最大, PT1max=？用PT1对Uom求导，并令导数=0，得出：PT1max发生在Uom=0.64VCC处。将Uom=0.64VCC代入PT1表达式：选功率管的原则：1. PCM PT1max =0.2PoM2 tuo交越失真ui t存在交越失真乙类互补对称功放的缺点静态时: T1、T2两管发射结电压分 别为二极管D1、 D2的正向导通 压降，致使两管均处于微弱导 通状态甲乙类工作状态动态时：设 ui 加入正弦信号。正半 周 T2 截止，T1 基极电位进一步 提高，进入良好的导通状态；负 半周T1截止，T2 基极电位进一步 降低，进入良好的导通状态。电路中增加 R1、D1、D2、R2支路1.基本原理 4.3 甲乙类互补对称功率放大电路一. 甲乙类双电源互补对称电路uB1tUTtiBIBQ波形关系：ICQiCuBEiBib特点：
