《模擬電子技術(shù)》場效應(yīng)管放大器與功率電子電路PPT課件

.,1,第三章場效應(yīng)管放大器,第四章功率電子電路,.,2,第三章場效應(yīng)管放大器,絕緣柵場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管,3.2場效應(yīng)管放大電路,效應(yīng)管放大器的靜態(tài)偏置效應(yīng)管放大器的交流小信號模型效應(yīng)管放大電路,3.1場效應(yīng)管,.,3,4.1概述,4.2乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路,4.3甲乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路,*4.4集成功率放大器,第四章功率電子電路,甲乙類雙電源互補(bǔ)對稱電路,甲乙類單電源互補(bǔ)對稱電路,3.1場效應(yīng)管,BJT是一種電流控制元件(iBiC)，工作時(shí)，多數(shù)載流子和少數(shù)載流子都參與運(yùn)行，所以被稱為雙極型器件。場效應(yīng)管（FieldEffectTransistor簡稱FET）是一種電壓控制器件(uGSiD)，工作時(shí)，只有一種載流子參與導(dǎo)電，因此它是單極型器件。FET因其制造工藝簡單，功耗小，溫度特性好，輸入電阻極高等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用。,FET分類：,絕緣柵場效應(yīng)管,結(jié)型場效應(yīng)管,增強(qiáng)型,耗盡型,N溝道,P溝道,N溝道,P溝道,N溝道,P溝道,一.絕緣柵場效應(yīng)管,絕緣柵型場效應(yīng)管(MetalOxideSemiconductorFET)，簡稱MOSFET。分為：增強(qiáng)型N溝道、P溝道耗盡型N溝道、P溝道,1.N溝道增強(qiáng)型MOS管（1）結(jié)構(gòu)4個(gè)電極：漏極D，源極S，柵極G和襯底B。,符號：,當(dāng)uGS0V時(shí)縱向電場將靠近柵極下方的空穴向下排斥耗盡層。,（2）工作原理,當(dāng)uGS=0V時(shí)，漏源之間相當(dāng)兩個(gè)背靠背的二極管，在d、s之間加上電壓也不會形成電流，即管子截止。,再增加uGS縱向電場將P區(qū)少子電子聚集到P區(qū)表面形成導(dǎo)電溝道，如果此時(shí)加有漏源電壓，就可以形成漏極電流id。,柵源電壓uGS的控制作用,定義：開啟電壓（UT）剛剛產(chǎn)生溝道所需的柵源電壓UGS。,N溝道增強(qiáng)型MOS管的基本特性：uGSUT，管子截止，uGSUT，管子導(dǎo)通。uGS越大，溝道越寬，在相同的漏源電壓uDS作用下，漏極電流ID越大。,轉(zhuǎn)移特性曲線：iD=f(uGS)uDS=const,可根據(jù)輸出特性曲線作出移特性曲線。例：作uDS=10V的一條轉(zhuǎn)移特性曲線：,UT,一個(gè)重要參數(shù)跨導(dǎo)gm：,gm=iD/uGSuDS=const(單位mS)gm的大小反映了柵源電壓對漏極電流的控制作用。在轉(zhuǎn)移特性曲線上，gm為的曲線的斜率。在輸出特性曲線上也可求出gm。,2.N溝道耗盡型MOSFET,特點(diǎn)：當(dāng)uGS=0時(shí)，就有溝道，加入uDS，就有iD。當(dāng)uGS0時(shí)，溝道增寬，iD進(jìn)一步增加。當(dāng)uGS0時(shí)，溝道變窄，iD減小。,在柵極下方的SiO2層中摻入了大量的金屬正離子。所以當(dāng)uGS=0時(shí)，這些正離子已經(jīng)感應(yīng)出反型層，形成了溝道。,定義：夾斷電壓（UP）溝道剛剛消失所需的柵源電壓uGS。,3、P溝道耗盡型MOSFET,P溝道MOSFET的工作原理與N溝道MOSFET完全相同，只不過導(dǎo)電的載流子不同，供電電壓極性不同而已。這如同雙極型三極管有NPN型和PNP型一樣。,4.MOS管的主要參數(shù),（1）開啟電壓UT（2）夾斷電壓UP（3）跨導(dǎo)gm：gm=iD/uGSuDS=const（4）直流輸入電阻RGS柵源間的等效電阻。由于MOS管柵源間有sio2絕緣層，輸入電阻可達(dá)1091015。,二.結(jié)型場效應(yīng)管,1.結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)（以N溝為例）：,兩個(gè)PN結(jié)夾著一個(gè)N型溝道。三個(gè)電極：g：柵極d：漏極s：源極,符號：,N溝道,P溝道,2.結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理,（1）柵源電壓對溝道的控制作用,在柵源間加負(fù)電壓uGS，令uDS=0當(dāng)uGS=0時(shí)，為平衡PN結(jié)，導(dǎo)電溝道最寬。,當(dāng)uGS時(shí)，PN結(jié)反偏，耗盡層變寬，導(dǎo)電溝道變窄，溝道電阻增大。,當(dāng)uGS到一定值時(shí)，溝道會完全合攏。,定義：夾斷電壓UP使導(dǎo)電溝道完全合攏（消失）所需要的柵源電壓uGS。,（2）漏源電壓對溝道的控制作用,在漏源間加電壓uDS，令uGS=0由于uGS=0，所以導(dǎo)電溝道最寬。當(dāng)uDS=0時(shí)，iD=0。,uDSiD靠近漏極處的耗盡層加寬，溝道變窄，呈楔形分布。,當(dāng)uDS，使uGD=uGS-uDS=UP時(shí)，在靠漏極處夾斷預(yù)夾斷。,預(yù)夾斷前，uDSiD。預(yù)夾斷后，iDSiD幾乎不變。,uDS再，預(yù)夾斷點(diǎn)下移。,（3）柵源電壓uGS和漏源電壓uDS共同作用,iD=f（uGS、uDS）,可用輸兩組特性曲線來描繪。,（1）輸出特性曲線：iD=f（uDS）uGS=常數(shù),3、結(jié)型場效應(yīng)三極管的特性曲線,設(shè)：UT=-3V,四個(gè)區(qū)：,恒流區(qū)的特點(diǎn)：iD/uGS=gm常數(shù)即：iD=gmuGS（放大原理）,（a）可變電阻區(qū)（預(yù)夾斷前）。,（b）恒流區(qū)也稱飽和區(qū)（預(yù)夾斷后）。,（c）夾斷區(qū)（截止區(qū)）。,（d）擊穿區(qū)。,可變電阻區(qū),恒流區(qū),截止區(qū),擊穿區(qū),（2）轉(zhuǎn)移特性曲線：iD=f（uGS）uDS=常數(shù),可根據(jù)輸出特性曲線作出移特性曲線。例：作uDS=10V的一條轉(zhuǎn)移特性曲線：,4.場效應(yīng)管的主要參數(shù),(1)開啟電壓UTUT是MOS增強(qiáng)型管的參數(shù)，柵源電壓小于開啟電壓的絕對值,場效應(yīng)管不能導(dǎo)通。,（2）夾斷電壓UPUP是MOS耗盡型和結(jié)型FET的參數(shù)，當(dāng)uGS=UP時(shí),漏極電流為零。,（3）飽和漏極電流IDSSMOS耗盡型和結(jié)型FET,當(dāng)uGS=0時(shí)所對應(yīng)的漏極電流。,（4）輸入電阻RGS結(jié)型場效應(yīng)管，RGS大于107，MOS場效應(yīng)管,RGS可達(dá)1091015。,（5）低頻跨導(dǎo)gmgm反映了柵壓對漏極電流的控制作用，單位是mS(毫西門子)。,（6）最大漏極功耗PDMPDM=UDSID，與雙極型三極管的PCM相當(dāng)。,5.雙極型和場效應(yīng)型三極管的比較,一.直流偏置電路保證管子工作在飽和區(qū)，輸出信號不失真,3.2場效應(yīng)管放大電路,1.自偏壓電路,UGS=-IDR,注意：該電路產(chǎn)生負(fù)的柵源電壓，所以只能用于需要負(fù)柵源電壓的電路。,計(jì)算Q點(diǎn)：UGS、ID、UDS,已知UP，由,可解出Q點(diǎn)的UGS、ID,2.分壓式自偏壓電路,可解出Q點(diǎn)的UGS、ID,計(jì)算Q點(diǎn)：,已知UP，由,該電路產(chǎn)生的柵源電壓可正可負(fù)，所以適用于所有的場效應(yīng)管電路。,二.場效應(yīng)管的交流小信號模型,與雙極型晶體管一樣，場效應(yīng)管也是一種非線性器件，在交流小信號情況下，也可以由它的線性等效電路交流小信號模型來代替。,其中：gmugs是壓控電流源，它體現(xiàn)了輸入電壓對輸出電流的控制作用。稱為低頻跨導(dǎo)。rds為輸出電阻，類似于雙極型晶體管的rce。,三.場效應(yīng)管放大電路,1.共源放大電路,分析：（1）畫出共源放大電路的交流小信號等效電路。,（2）求電壓放大倍數(shù),（3）求輸入電阻,（4）求輸出電阻,則,（2）電壓放大倍數(shù),（3）輸入電阻,得,分析：,（1）畫交流小信號等效電路。,由,2.共漏放大電路,（4）輸出電阻,所以,由圖有,本章小結(jié),1FET分為JFET和MOSFET兩種，工作時(shí)只有一種載流子參與導(dǎo)電，因此稱為單極性型晶體管。FET是一種壓控電流型器件，改變其柵源電壓就可以改變其漏極電流。2FET放大器的偏置電路與BJT放大器不同，主要有自偏壓式和分壓式兩種。3FET放大電路也有三種組態(tài)：共源、共漏和共柵。電路的動態(tài)分析需首先利用FET的交流模型建立電路的交流等效電路，然后再進(jìn)行計(jì)算，求出電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻等量。,.,29,4.1概述,4.2乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路,4.3甲乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路,*4.4集成功率放大器,第四章功率電子電路,甲乙類雙電源互補(bǔ)對稱電路,甲乙類單電源互補(bǔ)對稱電路,.,30,例：擴(kuò)音系統(tǒng),什么是功率放大器？在電子系統(tǒng)中，模擬信號被放大后，往往要去推動一個(gè)實(shí)際的負(fù)載。如使揚(yáng)聲器發(fā)聲、繼電器動作、儀表指針偏轉(zhuǎn)等。推動一個(gè)實(shí)際負(fù)載需要的功率很大。能輸出較大功率的放大器稱為功率放大器,4.1概述,.,31,一.功放電路的特點(diǎn),（2）功放電路中電流、電壓要求都比較大，必須注意電路參數(shù)不能超過晶體管的極限值:ICM、UCEM、PCM。,（1）輸出功率Po盡可能大,.,32,(3)電流、電壓信號比較大，必須注意防止波形失真。,(4)電源提供的能量應(yīng)盡可能多地轉(zhuǎn)換給負(fù)載，盡量減少晶體管及線路上的損失。即注意提高電路的效率（）。,Po:負(fù)載上得到的交流信號功率。PE：電源提供的直流功率。,（5）功放管散熱和保護(hù)問題,.,33,二.甲類功率放大器分析,1.三極管的靜態(tài)功耗：,若,電源提供的平均功耗：,則,.,34,2.動態(tài)功耗,（當(dāng)輸入信號Ui時(shí)）,輸出功率:,要想PO大，就要使功率三角形的面積大，即必須使Vom和Iom都要大。,最大輸出功率:,.,35,電源提供的功率,此電路的最高效率,甲類功率放大器存在的缺點(diǎn)：,輸出功率小靜態(tài)功率大，效率低,.,36,三.BJT的幾種工作狀態(tài),甲類：Q點(diǎn)適中，在正弦信號的整個(gè)周期內(nèi)均有電流流過BJT。,甲乙類：介于兩者之間，導(dǎo)通角大于180,動畫演示,乙類：靜態(tài)電流為0，BJT只在正弦信號的半個(gè)周期內(nèi)均導(dǎo)通。,.,37,一.結(jié)構(gòu),互補(bǔ)對稱：電路中采用兩個(gè)晶體管：NPN、PNP各一支；兩管特性一致。組成互補(bǔ)對稱式射極輸出器。,4.2乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路,.,38,二、工作原理（設(shè)ui為正弦波）,靜態(tài)時(shí)：,ui=0Vic1、ic2均=0（乙類工作狀態(tài)）uo=0V,動態(tài)時(shí)：,ui0V,T1截止，T2導(dǎo)通,ui0V,T1導(dǎo)通，T2截止,iL=ic1;,iL=ic2,T1、T2兩個(gè)管子交替工作，在負(fù)載上得到完整的正弦波。,.,39,輸入輸出波形圖,死區(qū)電壓,.,40,組合特性分析圖解法,負(fù)載上的最大不失真電壓為Uom=VCC-UCES,.,41,最大不失真輸出功率Pomax,1.輸出功率Po,三、分析計(jì)算,動畫演示,.,42,一個(gè)管子的管耗,2.管耗PT,兩管管耗,.,43,3.電源供給的功率PE,當(dāng),4.效率,最高效率max,.,44,四三極管的最大管耗,問：Uom=？PT1最大,PT1max=？,用PT1對Uom求導(dǎo)，并令導(dǎo)數(shù)=0，得出：PT1max發(fā)生在Uom=0.64VCC處。將Uom=0.64VCC代入PT1表達(dá)式：,.,45,選功率管的原則：,1.PCMPT1max=0.2PoM,2,.,46,存在交越失真,乙類互補(bǔ)對稱功放的缺點(diǎn),.,47,靜態(tài)時(shí):T1、T2兩管發(fā)射結(jié)電壓分別為二極管D1、D2的正向?qū)▔航?，致使兩管均處于微弱?dǎo)通狀態(tài)甲乙類工作狀態(tài),動態(tài)時(shí)：設(shè)ui加入正弦信號。正半周T2截止，T1基極電位進(jìn)一步提高，進(jìn)入良好的導(dǎo)通狀態(tài)；負(fù)半周T1截止，T2基極電位進(jìn)一步降低，進(jìn)入良好的導(dǎo)通狀態(tài)。,電路中增加R1、D1、D2、R2支路,1.基本原理,4.3甲乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路,一.甲乙類雙電源互補(bǔ)對稱電路,.,48,波形關(guān)系：,特點(diǎn)：存在較小的靜態(tài)電流ICQ、IBQ。每管導(dǎo)通時(shí)間大于半個(gè)周期，基本不失真。,EWB演示功放的交越失真,.,49,2.帶前置放大級的功率放大器,動畫演示,（甲乙類互補(bǔ)對稱電路的計(jì)算同乙類）,.,50,3.電路中增加復(fù)合管,增加復(fù)合管的目的：擴(kuò)大電流的驅(qū)動能力。,12,晶體管的類型由復(fù)合管中的第一支管子決定。,復(fù)合NPN型,復(fù)合PNP型,.,51,4.帶復(fù)合管的OCL互補(bǔ)輸出功放電路：,T1：電壓推動級（前置級）,T2、R1、R2：UBE擴(kuò)大電路,T3、T4、T5、T6：復(fù)合管構(gòu)成互補(bǔ)對稱功放,輸出級中的T4、T6均為NPN型晶體管，兩者特性容易對稱。,合理選擇R1、R2，b3、b5間可得到UBE2任意倍的電壓。,.,52,1、基本原理,.單電源供電；,.輸出加有大電容。,（1）靜態(tài)偏置,二.甲乙類單電源互補(bǔ)對稱電路,調(diào)整RW阻值的大小，可使,此時(shí)電容上電壓,.,53,（2）動態(tài)分析,（電容起到了負(fù)電源的作用）,Ui負(fù)半周時(shí)，T1導(dǎo)通、T2截止；,Ui正半周時(shí)，T1截止、T2導(dǎo)通。,動畫演示,.,54,（3）輸出功率及效率,若忽略交越失真的影響。則：,此電路存在的問題：,輸出電壓正方向變化的幅度受到限制，達(dá)不到VCC/2。,.,55,2.帶自舉電路的單電源功放,靜態(tài)時(shí),C1充電后，其兩端有一固定電壓,動態(tài)時(shí),由于C1很大，兩端電壓基本不變，使C1上端電位隨輸出電壓升高而升高。保證輸出幅度達(dá)到VCC/2。,C1、R7為自舉電路,.,56,3.帶運(yùn)放前置放大級的功率放大電路,運(yùn)放A接成同相輸入方式作前置放大級。引入了電壓串聯(lián)負(fù)反饋。整個(gè)電路的電壓放大倍數(shù)：,.,57,總結(jié)：互補(bǔ)對稱功放的類型,.,58,4.4集成功率放大器,集成功率放大器DG4100簡介：,.,59,集成功放DG4100