第5章晶體管基本放大電路3

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1.

場(chǎng)效應(yīng)管的原理及其放大電路

重點(diǎn)：2.

多級(jí)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5.5.2

場(chǎng)效應(yīng)管微變等效模型5.5.3場(chǎng)效應(yīng)管放大電路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)體器件場(chǎng)效應(yīng)管緊靠多數(shù)載流子導(dǎo)電，又稱(chēng)單極型晶體管體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)輸入內(nèi)阻高：107～1012Ω耗電省

單極型晶體管—場(chǎng)效應(yīng)管5.5場(chǎng)效應(yīng)管放大電路場(chǎng)效應(yīng)管分類(lèi)N溝道P溝道N溝道P溝道增強(qiáng)型耗盡型增強(qiáng)型耗盡型結(jié)型絕緣柵型

單極型晶體管—場(chǎng)效應(yīng)管5.5場(chǎng)效應(yīng)管放大電路dsgNN溝道結(jié)型結(jié)構(gòu)示意圖這樣既保證了柵-源之間的電阻很高，又實(shí)現(xiàn)了UGS對(duì)溝道電流iD的控制。正常工作時(shí)：在柵-源之間加負(fù)向電壓，(保證耗盡層承受反向電壓)P區(qū)和N區(qū)的交界面形成耗盡層。耗盡層

N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(chēng)為導(dǎo)電溝道。漏-源之間加正向電壓，(以形成漏極電流）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)窮大。夾斷電壓UGS(off)

N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)uDS0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中某一固定值，uDS對(duì)漏極電流iD的影響uGSDSGiDuDS5.5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中某一固定值，uDS對(duì)漏極電流iD的影響uGSDSGiDuDS5.5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(chēng)為預(yù)夾斷。此時(shí)的

iD稱(chēng)為“飽和漏極電流iDSS”uGS為UGS(off)～0中某一固定值，uDS對(duì)漏極電流iD的影響uGSDSGiDuDS5.5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(chēng)為預(yù)夾斷。此時(shí)的

iD稱(chēng)為“飽和漏極電流iDSS”若uDS繼續(xù)增大，即uGD<UGS(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中某一固定值，uDS對(duì)漏極電流iD的影響uGSDSGiDuDS5.5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)uGD<UGS(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?？梢园裪D近似看成uGS控制的電流源uGS為UGS(off)～0中某一固定值，uDS對(duì)漏極電流iD的影響uGSDSGiDuDS5.5場(chǎng)效應(yīng)管放大電路

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)

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管轉(zhuǎn)移特性曲線：當(dāng)漏源電壓不變時(shí)，漏極電流iD與柵源電壓uGS之間的關(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iD與漏源電壓uDS之間的關(guān)系。iD=f(uGS)uDS

=

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(chēng)為增強(qiáng)型。柵-源電壓為零時(shí)漏極電流不為零的管子稱(chēng)為耗盡型。MOS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(chēng)為MOS管。

絕緣柵型場(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.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BN+N+源極S柵極G漏極D

SiO2

N溝道增強(qiáng)型MOS管5.5場(chǎng)效應(yīng)管放大電路1)uGS

=0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。

N溝道增強(qiáng)型MOS管2.工作原理P襯底BN+SGDN+5.5場(chǎng)效應(yīng)管放大電路

N溝道增強(qiáng)型MOS管2.工作原理2)uGS

>0,uDS

=0：P襯底BN+SGDN+耗盡層由于絕緣層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

N溝道增強(qiáng)型MOS管2.工作原理P襯底BN+SGDN+3)

uGS繼續(xù)增加，uDS=0：使導(dǎo)電溝道剛剛形成的柵-源電壓稱(chēng)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型薄層，稱(chēng)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。

反型層5.5場(chǎng)效應(yīng)管放大電路

N溝道增強(qiáng)型MOS管2.工作原理4)uGS>uGS(th)

，uDS>0：P襯底BN+SGDN+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

N溝道增強(qiáng)型MOS管2.工作原理P襯底BN+SGDN+5)uGS

>uGS(th),uGD

=uGS(th)

：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(chēng)為預(yù)夾斷。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)。

N溝道增強(qiáng)型MOS管2.工作原理P襯底BN+SGDN+5)uGS

>uGS(th),uGD

=uGS(th)

：iD幾乎僅僅決定于uGS

。此時(shí)可以把iD

近似看成uGS

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uGS

=0，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uDS

，就會(huì)產(chǎn)生iD。結(jié)構(gòu)示意圖P源極S漏極D

柵極GBN+N+正離子反型層SiO2只有當(dāng)uGS小于某一值時(shí)，才會(huì)使導(dǎo)電溝道消失，此時(shí)的uGS

稱(chēng)為夾斷電壓uGS(off)

。

N溝道耗盡型MOS管5.5場(chǎng)效應(yīng)管放大電路dN溝道符號(hào)BsgP溝道符號(hào)dBsgdBsgN溝道符號(hào)dBsgP溝道符號(hào)耗盡型MOS管符號(hào)增強(qiáng)型MOS管符號(hào)

N溝道耗盡型MOS管5.5場(chǎng)效應(yīng)管放大電路FETgds+UGS–iDiGiSiD=f(uGS，uDS)iG=

0簡(jiǎn)化的微變等效電路+ugs–+uds–gmugs5.5場(chǎng)效應(yīng)管放大電路FET的微變等效電路+ugs–gmugsrds+uds–

場(chǎng)效應(yīng)管微變等效模型1.

電壓控制元件VS

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VS

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

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uiuO自偏壓式偏置電路分壓式偏置電路+_+++_++UDDCSRGRSRLRD+_+++_++UDDCSRG1RSRLRDRG2uiuO

場(chǎng)效應(yīng)管放大電路的三種接法5.5場(chǎng)效應(yīng)管放大電路uiuO_+++_++UDDRGRSRL_+++_++UDDRG1RSRLRG2uiuO

場(chǎng)效應(yīng)管放大電路的三種接法5.5場(chǎng)效應(yīng)管放大電路uiuO_+++_++UDDRSRLRD

場(chǎng)效應(yīng)管放大電路的三種接法+_T+_++++UDDCgRSRG2RLRDRG1uiuO5.5場(chǎng)效應(yīng)管放大電路微變等效電路gmugsRGui_+iigdsugs_+RDRLuO_+

共源放大電路分析uiuO+_+++_++UDDCSRGRSRLRD5.5場(chǎng)效應(yīng)管放大電路1、電壓放大倍數(shù)2、輸入、輸出電阻ui=ugsuo=-

gmugs

(RD//RL)Au=uoui=-

gm(RD//RL)rirori=RGro=RD

共源放大電路分析gmugsRGui_+iigdsugs_+RDRLuO_+5.6多級(jí)放大電路5.6.1

多級(jí)放大電路的耦合方式5.6.2

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(chēng)為一級(jí)，級(jí)與級(jí)之間的連接稱(chēng)為級(jí)間耦合。5.6多級(jí)放大電路耦合第1級(jí)第2級(jí)第n-1級(jí)第n級(jí)輸入輸出···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

多級(jí)放大電路的耦合方式5.6多級(jí)放大電路特點(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）。uiuORc1Rb1+UCCT1Rc2T2_+_+

直耦合放大電路5.6多級(jí)放大電路改進(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。uiuORc1Rb1+UCCT1Rc2T2_+_+Re2Rc1Rb1+UCCT1Re2Rc2T2ui_+_+uONPN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。

直耦合放大電路5.6多級(jí)放大電路C1RC1Rb1+UCCC2RL+T1+Rc2Rb2C3T2+uiuO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。

阻容耦合放大電路5.6多級(jí)放大電路特點(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。

變壓器耦合放大電路5.6多級(jí)放大電路特點(diǎn)：用于電氣隔離或進(jìn)行遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸?shù)碾娐?；各?jí)放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)相互獨(dú)立；抗干擾能力強(qiáng)。

光電耦合放大電路5.6多級(jí)放大電路電壓放大倍數(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、輸出電阻輸入電阻就是輸入級(jí)的輸入電阻；輸出電阻就是輸出級(jí)的輸出電阻。

多級(jí)放大電路的動(dòng)態(tài)分析Au=Au1·Au2

···

Aun5.6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)。RB1C1C2RE1+++–RC2C3CE+++24V+–T1T21M27k82k43k7.5k51010kUOUi

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。

多級(jí)放大電路的動(dòng)態(tài)分析RB1C1C2RE1+++–RC2C3CE+++24V+–T1T21M27k82k43k7.5k51010kUOUi5.6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。RB1C1C2RE1+++–+24VT11M27kUi

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。

多級(jí)放大電路的動(dòng)態(tài)分析C2+RC2C3CE+++24V+–T282k43k7.5k51010kUO5.6多級(jí)放大電路第一級(jí)是射極輸出器，它的輸入電阻ri1與負(fù)載有關(guān)。

ri1=RB1//[rbe1+(1+

β)(RE1//ri2)