课题七功率放大电路和场效应管放大电路

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1、作用：作用：用作放大电路用作放大电路输出级输出级，向负载提供功率，向负载提供功率,推动负载工作。推动负载工作。例：例：扩音系统扩音系统功功率率放放大大电电压压放放大大信信号号提提取取如使扬声器发声、继电器动作、如使扬声器发声、继电器动作、仪表指针偏转等。仪表指针偏转等。1.1 功率放大电路的作用功率放大电路的作用1.2 功率放大电路与电压放大电路的区别功率放大电路与电压放大电路的区别1）交直共存 和电压放大电路本质相同 2）直流能量被转换为交流能量 和电压放大电路不同 提供大输出功率输入大信号，信号动态范围大，静态电流接近于0 图解法 1）任务 2）工作特点 3）分析方法 4）动态指标 Po、

2、PT、等 提高信号幅度 输入小信号，信号动态范围小，有一定静态电流 图解法、小信号法 Av、Ri、Ro等 电压放大电路功率放大电路1.3 对功率放大电路的基本要求对功率放大电路的基本要求F效率要高效率要高F失真要小失真要小F散热要好散热要好F功率要大功率要大电源供给的直流功率电源供给的直流功率率率负载得到的交流信号功负载得到的交流信号功 1.4 放大电路工作状态分类放大电路工作状态分类乙类：乙类：甲类：甲类：甲乙类：甲乙类：(5(510)/10)/（2 2 f fL L ）（f fL L 为信号下限频率）为信号下限频率）U UCCCCC C（2 2）动态时）动态时电容电容C很大很大交流短路交流

3、短路电容两端电压不变电容两端电压不变 V VC C=V=VK K=V VCCCC/2/2ic1=1 ib1 ,ic2=2 ib2=2(1+1)ib1,ic=ic1+ic2 =1+2(1+1)ib.ib2=ie1=(1+1)ib1,T1NPNT2NPNibicieBECib bic cieNPNib=ib1,(3)复合管复合管EBCT2NPNibicieBCEib bic ciePNPuiuo+UCCT1T2+UCCRLic1ic2uo+UCC-UCCULuiiLRLT1T2R1D1D2R2特点：特点：工作可靠、使用方便。只需在器件外部适工作可靠、使用方便。只需在器件外部适当连线，即可向负载提供

4、一定的功率。当连线，即可向负载提供一定的功率。集成功放集成功放LM386：生产厂家：生产厂家：美国半导体器件公司美国半导体器件公司电路形式：电路形式：OTL输出功率：输出功率：8 负载上可得到负载上可得到5W功率功率电源电压：电源电压：最大为最大为18V 集成功放集成功放 LM386管脚说明管脚说明:6-电源端（电源端（Vcc）4-接地端（接地端（GND）2、3-输入端输入端 （一般（一般2脚接地）脚接地）5-输出端输出端 （经（经500 电容接负载）电容接负载）7-接旁路电容（接旁路电容（10 ）1、8-设定放大倍数设定放大倍数五、五、集成功放集成功放集成功放集成功放 LM386 外部电路典

5、型接法：外部电路典型接法：200+_ 0.047 10 5632710 Vccui8 调节音量调节音量电源滤波电容电源滤波电容外接旁路电容外接旁路电容低通滤波低通滤波,去除高频噪声去除高频噪声输入信号输入信号输出耦合大电容输出耦合大电容五、集成功放五、集成功放N沟道沟道P沟道沟道增强型增强型耗尽型耗尽型N沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道FET场效应管场效应管JFET结型结型MOSFET绝缘栅型绝缘栅型(IGFET)利用电场效应来控制输出电利用电场效应来控制输出电流的半导体器件流的半导体器件漏极漏极D金属电极金属电极栅极栅极G源极源极SSiO2绝缘层绝缘层P P型硅衬底型硅衬底 高掺杂高掺

6、杂N区区GSD 由于栅极是绝缘的，栅极电流几乎为零，输入电阻由于栅极是绝缘的，栅极电流几乎为零，输入电阻很高，最高可达很高，最高可达1014 。漏极漏极D金属电极金属电极栅极栅极G源极源极SSiO2绝缘层绝缘层P P型硅衬底型硅衬底 高掺杂高掺杂N区区 由于金属栅极和半导体之间的绝缘层目前常用二氧由于金属栅极和半导体之间的绝缘层目前常用二氧化硅，故又称金属化硅，故又称金属-氧化物氧化物-半导体场效应管，简称半导体场效应管，简称MOS场效应管。场效应管。P型硅衬底型硅衬底N+N+GSD+UGSUDS+由结构图可见由结构图可见，N+型漏区和型漏区和N+型源区之间被型源区之间被P型型衬底隔开，漏极和

7、源极之间是两个背靠背的衬底隔开，漏极和源极之间是两个背靠背的PN结结。当栅源电压当栅源电压UGS=0时时，不管漏极和源极之间所不管漏极和源极之间所加电压的极性如何，其加电压的极性如何，其中总有一个中总有一个PN结是反向结是反向偏置的，反向电阻很高，偏置的，反向电阻很高，漏极电流近似为零漏极电流近似为零。SDUGSP型硅衬底型硅衬底N+N+GSD+UGSUDS+当当UGS 0 时，时，P P型衬底中的电子受到电场力的吸型衬底中的电子受到电场力的吸引到达表层，填补空穴形成负离子的耗尽层；引到达表层，填补空穴形成负离子的耗尽层；N型导电沟道型导电沟道IDP型硅衬底型硅衬底N+N+GSD+UGSUDS

8、+N型导电沟道型导电沟道 在一定的漏在一定的漏源电压源电压UDS下，使管子由不导通变下，使管子由不导通变为导通的临界栅源电压称为开启电压为导通的临界栅源电压称为开启电压UT T。ID在一定的在一定的UDS下下漏漏极电流极电流ID的大小与的大小与栅源电压栅源电压UGS有关。有关。所以，场效应管是所以，场效应管是一种电压控制电流一种电压控制电流的器件。的器件。工作原理小结工作原理小结1.1.正常放大时各极电压极性正常放大时各极电压极性(N(N沟道增强型沟道增强型)：G G、S S间加正偏压间加正偏压UGG S+GD D、S S间外加偏压间外加偏压UDDDS衬底衬底S2.2.工作原理工作原理:(1)

9、(1)U UGS GS 对对 I ID D的控制作用：的控制作用：UGS =0，无导电沟道无导电沟道 ID=0 UGS 0 垂直电场垂直电场 UGS UT 形成形成导电沟道导电沟道 UGS 导电沟道厚度导电沟道厚度 沟道电阻沟道电阻 ID 开启电压开启电压（刚好形成（刚好形成导电沟道时的导电沟道时的UGS)(2)(2)U UDSDS对导电沟道的影响作用对导电沟道的影响作用：UDS (UDS=UGS-UT)UDS 夹断区增长夹断区增长I ID D不随不随U UDSDS增大而增加增大而增加 U UDS DS I ID D随随U UDSDS增大而增加增大而增加导电沟道倾斜，导电沟道倾斜，预夹断预夹断

10、3.3.U-I U-I 特性曲线及特性方程特性曲线及特性方程const.DSDGS)(vvfi 输出特性输出特性 转移特性转移特性 const.GSDDS)(vvfi FETFET工作区工作区：可变电阻区可变电阻区、饱和区（放大区或恒流区）、饱和区（放大区或恒流区）、截止截止区、击穿区区、击穿区IDOAABBCCDD开启开启电压电压ID/mAUDS/V0 0UGS=1VUGS=2VUGS=3VUGS=4V 条件条件:UGSGS U UT T 特点特点:I ID D=0=0UGS UT，且且UDS（UGSUT）特点特点:UDSID不变不变场效应管相当于一个压控电流源场效应管相当于一个压控电流源

11、UGS UT，且且UDS（UGSUT）特点特点:UDSID 场效应管相当于一个压控可变电阻场效应管相当于一个压控可变电阻2TGSnD)(UUKIDSTGSnD)(2UUUKIN型衬底型衬底P+P+GSD符号：符号：结构结构加电压才形成加电压才形成 P型导电沟道型导电沟道增强型场效应管只有当增强型场效应管只有当时才形成导电沟道。时才形成导电沟道。结构结构GSD符号：符号：SiO2绝缘层中绝缘层中掺有正离子掺有正离子预埋了预埋了N型型 导电沟道导电沟道UGS=0，ID=。当当UGS达到一定达到一定负值时，负值时，N型导电沟道消失，型导电沟道消失，ID=0，称为场效应管处于夹断状态（即截止）。称为场

12、效应管处于夹断状态（即截止）。这时的这时的UGS称为夹断电压，用称为夹断电压，用UP表示。表示。夹断电压夹断电压 耗尽型的耗尽型的MOSMOS管管vGSGS=0=0时就有导电沟道，加反向时就有导电沟道，加反向电压到一定值时才能夹断。电压到一定值时才能夹断。UP转移特性曲线转移特性曲线0ID/mA UGS/V-1-2-34812161 2U DSUGS=0UGS0输出特性曲线输出特性曲线0ID/mA16 201248121648IDSS2PGSDSSD)1(UUIIN型衬底型衬底P+结构结构P+符号：符号：GSD预埋了预埋了P P型型 导电沟道导电沟道SiO2绝缘层中绝缘层中掺有负离子掺有负离子

13、GSDGSDN沟道沟道GSDGSDP沟道沟道源源极极漏漏极极栅栅极极1)开启电压开启电压 UT：增强型增强型MOS管的参数管的参数2)夹断电压夹断电压 UP：3)饱和漏电流饱和漏电流 IDSS：耗尽型耗尽型MOS管的参数管的参数4)低频跨导低频跨导 gm：表示栅源电压对漏极电流表示栅源电压对漏极电流 的控制能力的控制能力极限参数：极限参数：最大漏极电流、耗散功率、击穿电压。最大漏极电流、耗散功率、击穿电压。DSGSm UDUIg 电流控制电流控制 电压控制电压控制 控制方式控制方式电子和空穴两种载电子和空穴两种载流子同时参与导电流子同时参与导电电子或空穴中一种电子或空穴中一种载流子参与导电载流

14、子参与导电类类 型型 NPN和和PNP N沟道和沟道和P沟道沟道20020 mA/V51m g rce很高很高 rds很高很高 输入输入421010 较低较低1471010 较高较高热稳定性热稳定性 差差 好好制造工艺制造工艺 较复杂较复杂 简单，成本低简单，成本低对应电极对应电极 BEC GSDMOS场场效效应应管管N沟沟道道增增强强型型P沟沟道道增增强强型型1.5 1.5 各种各种FETFET特性比较特性比较1.5 1.5 各种各种FETFET特性比较特性比较MOS场效应管 N沟沟道道耗耗尽尽型型P 沟沟道道耗耗尽尽型型CEBJTFETCSCCCDCBCG(较少使用较少使用)1 耦合电容耦

15、合电容Cb1 用普通电容，通常用普通电容，通常0.01uF。2 电源电压电源电压VDD较高（较高（+18V）。）。3 电路中输入端所用电阻电路中输入端所用电阻Rg较高较高(M）。）。4 电路需设静态工作点电路需设静态工作点Q（VGS、VDS、ID）FETFET放大电路特点：放大电路特点：栅源电压栅源电压UGS是由场效应管自身的电流提供的，故称自是由场效应管自身的电流提供的，故称自给偏压。给偏压。+UDD RSCSC2C1RDRG+T+_ _+_ _uiuOIS+_ _UGST为为N沟道耗尽型场效应管沟道耗尽型场效应管该电路对于增强型该电路对于增强型FETFET不不能适用！能适用！注意啦该电路适

16、用于该电路适用于所所有的有的场效应管电路！场效应管电路！注意啦+VDD +RSCSC2C1RG1RDRG2+RLuu2.2 FET2.2 FET放大电路的静态分析放大电路的静态分析(估算法估算法)2GS(OFF)GSDSSD)1(UUII 2GSD)41(8 UISDDDG2G1G2GSRIURRRU 2GS(OFF)GSDSSD)1(UUII 四四 FETFET放大电路的动态分析放大电路的动态分析(小信号模型分析法小信号模型分析法)2.2.应用小信号模型法分析应用小信号模型法分析FETFET放大电路放大电路 思思 路：路：电路原理图电路原理图小信号等效电路小信号等效电路VARiRo例例1:1

17、:求解共源电路（求解共源电路（CSCS）动态指标：）动态指标：(P218:5.2.5)(P218:5.2.5)解：解：画小信号等效电路：画小信号等效电路：电压增益：电压增益：(1)igsmgsgsmVVg VRVg RomgsdVg VR oViVAV6.7(1)1mgsdmdVgsmmg V Rg RAVg Rg R 反相放大电路反相放大电路+_TVTI输入电阻：输入电阻：iiiVRIg1g2/35.8RRK输出电阻：输出电阻：To0sLsTVRRVRI保留dR10K源电压增益：源电压增益：ooiVSsisVV VAVV V 61mimiSgRg R RR 例例2:2:求解共漏电路（求解共漏

18、电路（CDCD）动态指标：）动态指标：(P219:5.2.6)(P219:5.2.6)解解：小信号等效电路小信号等效电路21/gggRRR RL 电压增益电压增益 iVgsVmgsL(/)Sg VRRgsmL1(/)sVgRR oVmgsL(/)Sg VRRVA mLmL(/)1(/)ssgRRgRRioVV1 电压跟电压跟随器随器 输入电阻输入电阻igRRTVRsI 输出电阻输出电阻 oRm11SgRTTIVm1/Rsg输出电阻小输出电阻小TI练习练习1:1:求解共源电路（求解共源电路（CSCS）动态指标：）动态指标：（2 2）电压增益）电压增益 iVgsVRVggsm)1(mgsRgV o

19、VdgsmRVg iOVVVARgRgmdm1 iIgII.（1 1）画小信号等效电路）画小信号等效电路（3 3）输入电阻）输入电阻iiIVRi)/(g2g1g3iRRRR iIgI（4 4）输出电阻）输出电阻doRR Ri0IIIIggiIIi2g1g3gR/RRViI.方法：方法：LssR,R,0VTTOIVRTI+_TV（2 2）电压增益）电压增益（3 3）输入电阻）输入电阻 iVgsV)/(LgsmRRVg )/(1LmgsRRgV oV)/(LgsmRRVgVA)/(1)/(LmLmRRgRRg )/(g2g1g3iRRRR （1 1）小信号等效电路）小信号等效电路ioVV1 练习练

20、习2 2 共漏极电路（共漏极电路（CDCD）：）：（4 4）输出电阻）输出电阻 TIRIgsmVg gsVTV oRm11gR TTIVRVT gsmVg m1/gR 方法：方法：LssR,R,0VTTOIVR)R/RR/(RR2g1g3gss五、五、各种放大器件电路性能比较各种放大器件电路性能比较(P240(P240 表表5.5.2)5.5.2)vFET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。共栅电路输入阻抗小，优点被淹没了，所以共栅电路输入阻抗小，优点被淹没了，所以实际应用时基本上不用。实际应用时基本上不用。P251 5.2.9P251 5.2.9