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第二章 基本放大电路华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
第二章 基本放大电路
§ 2.1 放大的概念与放大电路的性能指标
§ 2.2 基本共射放大电路的工作原理
§ 2.3 放大电路的分析方法
§ 2.4 静态工作点的稳定
§ 2.5 晶体管放大电路的三种接法
§ 2.6 场效应管及其基本放大电路
§ 2.7 基本放大电路的派生电路华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
§ 2.1 放大的概念与放大电路的性能指标一、放大的概念二、放大电路的性能指标华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
一,放大的概念
放大的对象:变化量
放大的本质:能量的控制
放大的特征:功率放大
放大的基本要求:不失真 —— 放大的前提判断电路能否放大的基本出发点
VCC
至少一路直流电源供电华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
二,性能指标
i
o
U
UAA
uuu?
i
o
I
IAA
iii?
i
o
I
UA
ui?
i
o
U
IA
iu?
1,放大倍数,输出量与输入量之比电压放大倍数是最常被研究和测试的参数信号源信号源内阻输入电压输入电流输出电压输出电流对信号而言,任何放大电路均可看成二端口网络。
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2,输入电阻和输出电阻将输出等效成有内阻的电压源,内阻就是输出电阻。
L
o
'
o
L
o
o
'
o
o )1( RU
U
R
U
UU
R
空载时输出电压有效值带 RL时的输出电压有效值
i
i
i I
UR?
输入电压与输入电流有效值之比。
从输入端看进去的等效电阻华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
3,通频带
4,最大不失真输出电压 Uom,交流有效值。
由于电容、电感及放大管 PN结的电容效应,使放大电路在信号频率较低和较高时电压放大倍数数值下降,并产生相移。
衡量放大电路对不同频率信号的适应能力。
下限频率 上限频率
LHbw fff
5,最大输出功率 Pom和效率 η:功率放大电路的参数华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
§ 2.2 基本共射放大电路的工作原理一、电路的组成及各元件的作用二、设置静态工作点的必要性三、波形分析四、放大电路的组成原则华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
一、电路的组成及各元件的作用
VBB,Rb:使 UBE> Uon,且有合适的 IB。
VCC:使 UCE≥UBE,同时作为负载的能源。
Rc:将 ΔiC转换成 ΔuCE(uo) 。
)( oCEcbI c uuuiiu R动态信号作用时:
输入电压 ui为零时,晶体管各极的电流,b-e间的电压、管压降称为静态工作点 Q,记作 IBQ,ICQ( IEQ)、
UBEQ,UCEQ。
共射华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
二、设置静态工作点的必要性输出电压必然失真!
设置合适的静态工作点,首先要解决失真问题,但 Q点几乎影响着所有的动态参数!
为什么放大的对象是动态信号,却要晶体管在信号为零时有合适的直流电流和极间电压?
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三、基本共射放大电路的波形分析
t
u CE
U C E Q
V CC
O
t
u CE
U C E Q
V CC
O
饱和失真底部失真截止失真顶部失真输出和输入反相!
动态信号驮载在静态之上与 iC变化方向相反要想不失真,就要在信号的整个周期内保证晶体管始终工作在放大区!
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四、放大电路的组成原则
静态工作点合适:合适的直流电源、合适的电路参数。
动态信号能够作用于晶体管的输入回路,在负载上能够获得放大了的动态信号。
对实用放大电路的要求,共地、直流电源种类尽可能少、负载上无直流分量。
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两种实用放大电路,( 1) 直接耦合放大电路问题:
1,两种电源
2,信号源与放大电路不“共地”
共地,且要使信号驮载在静态之上静态时,
b1B E Q RUU?
动态时,VCC和 uI同时作用于晶体管的输入回路。
将两个电源合二为一有直流分量有交流损失
- +U
BEQ
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两种实用放大电路,( 2) 阻容耦合放大电路耦合电容的容量应足够大,即对于交流信号近似为短路。其作用是“隔离直流、通过交流”。
静态时,C1,C2上电压? C E QC2B E QC1 UUUU,
动态时,
C1,C2为耦合电容!
+-
UBEQ
-+
UCEQ
uBE= uI+ UBEQ,信号驮载在静态之上。
负载上只有交流信号。
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§ 2.3 放大电路的分析方法一、放大电路的直流通路和交流通路二、图解法三、等效电路法华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
一、放大电路的直流通路和交流通路
1,直流通路,① Us=0,保留 Rs;② 电容开路;
③电感相当于短路(线圈电阻近似为 0)。
2,交流通路,①大容量电容相当于短路;② 直流电源相当于短路(内阻为 0)。
通常,放大电路中直流电源的作用和交流信号的作用共存,这使得电路的分析复杂化。为简化分析,将它们分开作用,引入直流通路和交流通路的概念。
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cCQCCC E Q
BQCQ
b
B E QBB
BQ
RIVU
II
R
UV
I
-
=
基本共射放大电路的直流通路和交流通路列晶体管输入、输出回路方程,将 UBEQ作为已知条件,
令 ICQ= βIBQ,可估算出静态工作点。
VBB越大,
UBEQ取不同的值所引起的 IBQ
的误差越小。
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cCQCCC E Q
BQCQ
b
B E QCC
BQ
RIVU
II
R
UV
I
-
=
当 VCC>>UBEQ时,
b
CC
BQ R
VI?
已知,VCC= 12V,
Rb= 600kΩ,
Rc= 3kΩ,β
= 100。 Q
=?
直流通路阻容耦合单管共射放大电路的直流通路和交流通路华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
二、图解法 应实测特性曲线
bBBBBE RiVu cCCCCE RiVu
输入回路负载线
Q
IBQ
UBEQ
IBQQICQ
UCEQ
负载线
1,静态分析,图解二元方程华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
2,电压放大倍数的分析符号为“-”。反相,与给定
u
u
Auu
u
u
Auuiiu
IO
I
O
OCECBI )(
bBIBBBE RiuVu
Iu?
BBQB iII
Ci?
CEu?
斜率不变华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
3,失真分析
截止失真消除方法:增大 VBB,即向上平移输入回路负载线。
t截止失真是在输入回路首先产生失真!
减小 Rb能消除截止失真吗?
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饱和失真
消除方法,增大 Rb,减小 Rc,减小 β,减小 VBB,增大 VCC。
''Q
'''Q Rb↑或
β↓或
VBB ↓
Rc↓或 VCC↑
:饱和失真是输出回路产生失真。
2
最大不失真输出电压 Uom:比较 UCEQ与( VCC- UCEQ ),取其小者,除以 。
这可不是好办法!
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讨论一
1,用 NPN型晶体管组成一个在本节课中未见过的共射放大电路。
2,用 PNP型晶体管组成一个共射放大电路。
3,画出图示电路的直流通路和交流通路。
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三、等效电路法
半导体器件的非线性特性使放大电路的分析复杂化。
利用线性元件建立模型,来描述非线性器件的特性。
1,直流模型,适于 Q点的分析理想二极管利用估算法求解静态工作点,实质上利用了直流模型。
cCQC E Q
BQCQ
b
B E QBB
BQ
RIVU
II
R
UV
I
CC
-
=
输入回路等效为恒压源输出回路等效为电流控制的电流源华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
2,晶体管的 h参数等效模型(交流等效模型)
在交流通路中可将晶体管看成为一个二端口网络,输入回路、
输出回路各为一个端口。
)(
)(
CEBC
CEBBE
uifi
uifu
,
,
低频小信号模型华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
ce22b21c
ce12b11be
UhIhI
UhIhU
在低频、小信号作用下的关系式
CE
CE
C
B
B
C
C
CE
CE
BE
B
B
BE
BE
ddd
ddd
BCE
BCE
u
u
i
i
i
i
i
u
u
u
i
i
u
u
IU
IU
交流等效模型(按式子画模型)
电阻 无量纲无量纲 电导华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
h参数的物理意义
be
B
BE11
CE ri
uh
U
BCE
BE12 I
u
uh
CE
B
C21 U
i
ih
ceCE
C22 1
B ru
ih
i
b-e间的动态电阻 内反馈 系数电流放大系数
c-e间的电导分清主次,合理近似!什么情况下 h12和 h22的作用可忽略不计?
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简化的 h参数等效电路-交流等效模型
EQ
T
b b 'eb'b b '
b
be
be )1( I
Urrr
I
Ur
查阅手册基区体电阻发射结电阻发射区体电阻数值小可忽略利用 PN结的电流方程可求得由 IEQ算出在输入特性曲线上,Q点越高,rbe越小!
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3,放大电路的动态分析
)()( bebbbebii rRIrRIU
cco RIU
beb
c
i
o
rR
R
U
UA
u
beb
i
i
i rRI
UR
co RR?
放大电路的交流等效电路华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
阻容耦合共射放大电路的动态分析
be
'
L
beb
Lc
i
o )(
r
R
rI
RRI
U
UA c
u
∥
bebebi rrRR ∥
uu ARR
R
U
U
U
U
U
UA?
is
i
i
o
s
i
s
o
s
co RR?
输入电阻中不应含有
Rs!
输出电阻中不应含有
RL!
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讨论一
1,在什么参数、如何变化时 Q1→ Q2 → Q3 → Q4?
2,从输出电压上看,哪个 Q点下最易产生截止失真?哪个 Q点下最易产生饱和失真?哪个 Q点下 Uom最大?
3,设计放大电路时,应根据什么选择 VCC?
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2,空载和带载两种情况下 Uom分别为多少?
3,在图示电路中,有无可能在空载时输出电压失真,而带上负载后这种失真消除?
4,增强电压放大能力的方法?
讨论二
be
Lc
)(
r
RRA
u
∥
已知 ICQ= 2mA,UCES=
0.7V。
1,在空载情况下,当输入信号增大时,电路首先出现饱和失真还是截止失真?
若带负载的情况下呢?
EQ
T
b b 'be )1( I
Urr
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讨论三,基本共射放大电路的静态分析和动态分析
11)(
beb
Lc
rR
RRA
u
∥
k3co RR
200
80
bb'r
Q
IBQ≈35μA
UBEQ≈0.65V
V8.3
mA8.2
'
cCQ
'
CCC E Q
BQCQ
RIVU
II?
为什么用图解法求解
IBQ和 UBEQ?
k11bebi rRR
9 5 2)1(
EQ
T
b b 'be I
Urr?
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60
)(
1 2 0
)(
be
Lc
is
i
i
o
s
i
s
o
s
be
Lc
r
RR
RR
R
U
U
U
U
U
U
A
r
RR
A
u
u
∥
∥
讨论四,阻容耦合共射放大电路的静态分析和动态分析
k180 ber,?
V2.7
mA6.1
μA20
cCQCCC E Q
BQCQ
b
CC
b
B E QCC
BQ
RIVU
II
R
V
R
UV
I
3k 1k cobebebi RRrrRR ∥
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讨论五,波形分析 失真了吗?如何判断?原因?
饱和失真华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
§ 2.4 静态工作点的稳定一、温度对静态工作点的影响二、静态工作点稳定的典型电路三、稳定静态工作点的方法华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
一、温度对 静态工作 点的影响所谓 Q点稳定,是指 ICQ和 UCEQ在温度变化时基本不变,
这是靠 IBQ的变化得来的。
若温度升高时要 Q’回到 Q,
则只有减小 IBQ
T( ℃ ) →β↑→ICQ↑ →Q’
ICEO↑
若 UBEQ不变 IBQ↑
Q’
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二,静态工作点稳定的 典型电路直流通路?
Ce为旁路电容,在交流通路中可视为短路
1,电路组成华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
CC
b21b
1b
BQ VRR
RU?
e
B E QBQ
EQ R
UUI
2,稳定原理为了稳定 Q点,通常 I1>> IB,即
I1≈ I2;因此基本不随温度变化。
设 UBEQ= UBE+ ΔUBE,若 UBQ- UBE>>ΔUBE,则 IEQ稳定。
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Re 的 作用
T(℃ )↑→IC↑→UE ↑→UBE↓( UB基本不变) → IB ↓→ IC↓
Re起直流负反馈作用,其值越大,反馈越强,Q点越稳定。
关于反馈的一些概念:
将输出量通过一定的方式引回输入回路影响输入量的措施称为反馈。
直流通路中的反馈称为直流反馈。
反馈的结果使输出量的变化减小的称为负反馈,反之称为正反馈。
Re有上限值吗?
IC通过 Re转换为 ΔUE影响 UBE
温度升高 IC增大,反馈的结果使之减小华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
3,Q 点分析
b21bb
CC
b21b
1b
BB
RRR
V
RR
R
V
∥?
e
B E QBQ
EQ
CC
b21b
1b
BQ
R
UU
I
V
RR
R
U
)( ecEQCC
eEQcCQCCC E Q
RRIV
RIRIVU
1
EQ
BQ
II
分压式电流负反馈工作点稳定电路
Rb上静态电压是否可忽略不计?
eEQB E QbBQBB RIURIV
)1( eb2b1 RRR∥判断方法:
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4,动态分析
be
'
L
i
o
r
R
U
UA
u
beb2b1i rRRR ∥∥?
co RR?
e
e
)1(
)(
be
'
L
ebeb
Lcb
i
o
Rr
R
RIrI
RRI
U
U
A
u
∥
])1([ ebeb2b1i RrRRR ∥∥
利?弊?
e
'
L
bee)1( R
RArR
u,则若?
无旁路电容 Ce时:
如何提高电压放大能力?
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三、稳定静态工作点的方法
引入直流负反馈
温度补偿:利用对温度敏感的元件,在温度变化时直接影响输入回路。
例如,Rb1或 Rb2采用热敏电阻。 它们的 温度系数?
Bb1
CBBEEC
)(
UR
IIUUIT ℃
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讨论一图示两个电路中是否采用了措施来稳定静态工作点?
若采用了措施,则是什么措施?
SI
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§ 2.5 晶体管放大电路的三种接法一、基本共集放大电路二、基本共基放大电路三、三种接法放大电路的比较华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
一、基本共集放大电路
eEQC E QCC
eEQB E QbBQBB
RIUV
RIURIV
eEQCCC E Q
BQEQ
eb
B E QBB
BQ
)1(
)1(
RIVU
II
RR
UV
I
1,静态分析华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
2,动态分析,电压放大倍数
ebeb
e
eebebb
ee
i
o
)1(
)1(
)(
RrR
R
RIrRI
RI
U
U
A u
。,即,则)+若( 1 1 iobebe UUArRR u
故称之为射极跟随器
Uo< Ui
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2,动态分析,输入电阻的分析
ebeb
b
i
i
i
i )1( RrRI
U
I
UR
Ri与负载有关!
RL
)//)(1( Lebebi RRrRR带负载电阻后从基极看 Re,被增大到( 1+β)倍华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
2,动态分析,输出电阻的分析
1
)1(
beb
e
beb
o
e
o
o
e
o
o
o
o
e
rR
R
rR
U
R
U
U
II
U
I
U
R
R
∥Ro与信号源内阻有关!
3,特点,输入电阻大,输出电阻小;只放大电流,不放大电压;在一定条件下有电压跟随作用!
oU?
令 Us为零,保留 Rs,在输出端加 Uo,产生 Io,。
ooo IUR?
从射极看基极回路电阻,被减小到( 1+β)倍华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
二、基本共基放大电路
e
B E QBB
EQ R
UVI
1
EQ
BQ
II
B E QcEQCCC E Q URIVU
CCB E QC E QeCQ
BBeEQB E Q
VUURI
VRIU
1,静态分析华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
2,动态分析
3,特点,
输入电阻小,频带宽!只放大电压,不放大电流!
1
be
ei
rRR co RR?
ebe
c
bebee
cc
i
o
)1(
Rr
R
rIRI
RI
U
UA
u?
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三、三种接法的比较,空载情况下接法 共射 共集 共基
Au 大 小于 1 大
Ai β 1+ β α
Ri 中 大 小
Ro 大 小 大频带 窄 中 宽华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
讨论一:
图示电路为哪种基本接法的放大电路?它们的静态工作点有可能稳定吗?求解静态工作点、电压放大倍数、输入电阻和输出电阻的表达式。
接法 共射 共集 共基输入 b b e
输出 c e c
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电路如图,所有电容对交流信号均可视为短路。
1,Q为多少?
2,Re有稳定 Q点的作用吗?
3,电路的交流等效电路?
4,V 变化时,电压放大倍数如何变化?
讨论二华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
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))(1(
)(
Debe
Lc
RrRr
RRA
u ∥∥
∥
uu ArV
rr
RR
A
rRR
D
Dbe
Lc
De
)1(
)(
,
∥
时,>>∥当
讨论二改变电压放大倍数华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
§ 2.6 场效应管及其基本放大电路一、场效应管二、场效应管放大电路静态工作点的设置方法三、场效应管放大电路的动态分析华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
一、场效应管(以 N沟道为例)
场效应管有三个极:源极( s),栅极( g)、漏极( d),
对应于晶体管的 e,b,c;有 三个工作区域:截止区、恒流区、
可变电阻区,对应于 晶体 管的截止区、放大区、饱和区。
1,结型场效应管符号结构示意图栅极漏极源极导电沟道单极型管 ∶ 噪声小、抗辐射能力强、低电压工作华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
栅 -源电压对导电沟道宽度的控制作用沟道最宽 沟道变窄 沟道消失称为夹断
uGS可以控制导电沟道的宽度。为什么 g-s必须加负电压?
UGS( off)
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漏 -源电压对漏极电流的影响
uGS> UGS( off) 且不变,VDD增大,iD增大
。
预夹断u
GD= UGS( off)
VDD的增大,几乎全部用来克服沟道的电阻,iD几乎不变,进入恒流区,iD几乎仅仅决定于 uGS。
场效应管工作在恒流区的条件是什么?
uGD>UGS( off)
uGD<UGS( off)
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常量 DS)( GSD Uufi
夹断电压漏极饱和电流转移特性场效应管工作在恒流区,因而 uGS> UGS( off) 且 uGD< UGS( off) 。
uDG>- UGS( off)
G S ( o f f )GSDS Uuu?>
2
G S ( o f f )
GS
D S SD )1( U
u
Ii
在恒流区时华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
常量 GS)( DSD Uufi
g-s电压控制 d-s的等效电阻输出特性常量
DSGS
D
m Uu
ig
预夹断轨迹,uGD= UGS( 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
ΔiD
不同型号的管子 UGS( off),IDSS
将不同。
低频跨导:
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2,绝缘栅型场效应管
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。
SiO2绝缘层衬底耗尽层 空穴高掺杂反型层增强型管大到一定值才开启华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
增强型 MOS管 uDS对 iD的影响用场效应管组成放大电路时应使之工作在恒流区。 N
沟道增强型 MOS管工作在恒流区的条件是什么?
iD随 uDS的增大而增大,可变电阻区
uGD= UGS( th),
预夹断
iD几乎仅仅受控于 uGS,恒流区刚出现夹断
uGS的增大几乎全部用来克服夹断区的电阻华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
耗尽型 MOS管耗尽型 MOS管在 uGS> 0,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
uGS> 0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时就存在导电沟道华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
MOS管的特性
1)增强型 MOS管
2)耗尽型 MOS管开启电压夹断电压
DG S(t h )GSDO
2
G S(t h )
GS
DOD
2
)1(
iUuI
U
u
Ii
时的为式中在恒流区时,
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利用 Multisim测试场效应管的输出特性从输出特性曲线说明场效应管的哪些特点?
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3,场效应管的分类工作在恒流区时 g-s,d-s间的电压极性
)0(P
)0(N
)00(P
)00(N
)00(P
)00(N
DSGS
DSGS
DSGS
DSGS
DSGS
DSGS
<极性任意,沟道
>极性任意,沟道耗尽型
<,<沟道
>,>沟道增强型绝缘栅型
<,>沟道
>,<沟道结型场效应管
uu
uu
uu
uu
uu
uu
uGS=0可工作在恒流区的场效应管有哪几种?
uGS> 0才可能工作在恒流区的场效应管有哪几种?
uGS< 0才可能工作在恒流区的场效应管有哪几种?
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二、场效应管静态工作点的设置方法根据场效应管工作在恒流区的条件,在 g-s,d-s间加极性合适的电源
dDQDDD S Q
2
G S ( t h)
BB
DODQ
BBG S Q
)1(
RIVU
U
V
II
VU
1,基本共源放大电路华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
2,自给偏压电路
sDQSQGQG S Q
sDQSQGQ 0
RIUUU
RIUU
,
2
G S ( o f f )
G S Q
D S SDQ )1( U
UII )( sdDQDDD S Q RRIVU
由正电源获得负偏压称为自给偏压哪种场效应管能够采用这种电路形式设置 Q点?
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3,分压式偏置电路
sDQSQ
DD
g2g1
g1
AQGQ
RIU
V
RR
R
UU
2
G S ( t h )
G S Q
DODQ )1( U
UII
)( sdDQDDD S Q RRIVU
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?
即典型的 Q点稳定电路华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
三、场效应管放大电路的动态分析
DS
GS
D
m Uu
ig
近似分析时可认为其为无穷大!
根据 iD的表达式或转移特性可求得 gm。
与晶体管的 h参数等效模型类比:
1,场效应管的交流等效模型华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
2,基本共源放大电路的动态分析
do
i
dm
gs
dd
i
o
RR
R
Rg
U
RI
U
U
A u
若 R
d=3kΩ,Rg=5kΩ,
gm=2mS,则与共射电路比较。
uA?
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3,基本共漏放大电路的动态分析
i
sm
sm
sdgs
sd
i
o
1
R
Rg
Rg
RIU
RI
U
U
A u
若 Rs=3kΩ,gm=2mS,则
uA?
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基本共漏放大电路输出电阻的分析
m
s
om
s
o
o
o
o
o
1
g
R
Ug
R
U
U
I
U
R ∥?
若 Rs=3kΩ,gm=2mS,
则 Ro=?
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§ 2.7 派生电路一、复合管二、派生电路举例华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
一、复合管复合管的组成:多只管子合理连接等效成一只管子。
21
)1)(1( 211BE ii 不同类型的管子复合后,
其类型决定于 T1管。
目的:增大 β,减小前级驱动电流,改变管子的类型。
iB方向决定复合管的类型华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
讨论一,判断下列各图是否能组成复合管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。
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清华大学 华成英
hchya@tsinghua.edu.cn
Ri=? Ro=?
)]})(1()[1({ Le2be 21be 1bi RRrrRR ∥∥
2
1
sbb e 1
b e 2
eo 1
1
RRr
r
RR
∥
∥
讨论二华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
二、派生电路举例,组合的结果带来什么好处?
第二章 基本放大电路华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
第二章 基本放大电路
§ 2.1 放大的概念与放大电路的性能指标
§ 2.2 基本共射放大电路的工作原理
§ 2.3 放大电路的分析方法
§ 2.4 静态工作点的稳定
§ 2.5 晶体管放大电路的三种接法
§ 2.6 场效应管及其基本放大电路
§ 2.7 基本放大电路的派生电路华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
§ 2.1 放大的概念与放大电路的性能指标一、放大的概念二、放大电路的性能指标华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
一,放大的概念
放大的对象:变化量
放大的本质:能量的控制
放大的特征:功率放大
放大的基本要求:不失真 —— 放大的前提判断电路能否放大的基本出发点
VCC
至少一路直流电源供电华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
二,性能指标
i
o
U
UAA
uuu?
i
o
I
IAA
iii?
i
o
I
UA
ui?
i
o
U
IA
iu?
1,放大倍数,输出量与输入量之比电压放大倍数是最常被研究和测试的参数信号源信号源内阻输入电压输入电流输出电压输出电流对信号而言,任何放大电路均可看成二端口网络。
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2,输入电阻和输出电阻将输出等效成有内阻的电压源,内阻就是输出电阻。
L
o
'
o
L
o
o
'
o
o )1( RU
U
R
U
UU
R
空载时输出电压有效值带 RL时的输出电压有效值
i
i
i I
UR?
输入电压与输入电流有效值之比。
从输入端看进去的等效电阻华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
3,通频带
4,最大不失真输出电压 Uom,交流有效值。
由于电容、电感及放大管 PN结的电容效应,使放大电路在信号频率较低和较高时电压放大倍数数值下降,并产生相移。
衡量放大电路对不同频率信号的适应能力。
下限频率 上限频率
LHbw fff
5,最大输出功率 Pom和效率 η:功率放大电路的参数华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
§ 2.2 基本共射放大电路的工作原理一、电路的组成及各元件的作用二、设置静态工作点的必要性三、波形分析四、放大电路的组成原则华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
一、电路的组成及各元件的作用
VBB,Rb:使 UBE> Uon,且有合适的 IB。
VCC:使 UCE≥UBE,同时作为负载的能源。
Rc:将 ΔiC转换成 ΔuCE(uo) 。
)( oCEcbI c uuuiiu R动态信号作用时:
输入电压 ui为零时,晶体管各极的电流,b-e间的电压、管压降称为静态工作点 Q,记作 IBQ,ICQ( IEQ)、
UBEQ,UCEQ。
共射华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
二、设置静态工作点的必要性输出电压必然失真!
设置合适的静态工作点,首先要解决失真问题,但 Q点几乎影响着所有的动态参数!
为什么放大的对象是动态信号,却要晶体管在信号为零时有合适的直流电流和极间电压?
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三、基本共射放大电路的波形分析
t
u CE
U C E Q
V CC
O
t
u CE
U C E Q
V CC
O
饱和失真底部失真截止失真顶部失真输出和输入反相!
动态信号驮载在静态之上与 iC变化方向相反要想不失真,就要在信号的整个周期内保证晶体管始终工作在放大区!
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四、放大电路的组成原则
静态工作点合适:合适的直流电源、合适的电路参数。
动态信号能够作用于晶体管的输入回路,在负载上能够获得放大了的动态信号。
对实用放大电路的要求,共地、直流电源种类尽可能少、负载上无直流分量。
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两种实用放大电路,( 1) 直接耦合放大电路问题:
1,两种电源
2,信号源与放大电路不“共地”
共地,且要使信号驮载在静态之上静态时,
b1B E Q RUU?
动态时,VCC和 uI同时作用于晶体管的输入回路。
将两个电源合二为一有直流分量有交流损失
- +U
BEQ
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两种实用放大电路,( 2) 阻容耦合放大电路耦合电容的容量应足够大,即对于交流信号近似为短路。其作用是“隔离直流、通过交流”。
静态时,C1,C2上电压? C E QC2B E QC1 UUUU,
动态时,
C1,C2为耦合电容!
+-
UBEQ
-+
UCEQ
uBE= uI+ UBEQ,信号驮载在静态之上。
负载上只有交流信号。
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§ 2.3 放大电路的分析方法一、放大电路的直流通路和交流通路二、图解法三、等效电路法华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
一、放大电路的直流通路和交流通路
1,直流通路,① Us=0,保留 Rs;② 电容开路;
③电感相当于短路(线圈电阻近似为 0)。
2,交流通路,①大容量电容相当于短路;② 直流电源相当于短路(内阻为 0)。
通常,放大电路中直流电源的作用和交流信号的作用共存,这使得电路的分析复杂化。为简化分析,将它们分开作用,引入直流通路和交流通路的概念。
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cCQCCC E Q
BQCQ
b
B E QBB
BQ
RIVU
II
R
UV
I
-
=
基本共射放大电路的直流通路和交流通路列晶体管输入、输出回路方程,将 UBEQ作为已知条件,
令 ICQ= βIBQ,可估算出静态工作点。
VBB越大,
UBEQ取不同的值所引起的 IBQ
的误差越小。
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cCQCCC E Q
BQCQ
b
B E QCC
BQ
RIVU
II
R
UV
I
-
=
当 VCC>>UBEQ时,
b
CC
BQ R
VI?
已知,VCC= 12V,
Rb= 600kΩ,
Rc= 3kΩ,β
= 100。 Q
=?
直流通路阻容耦合单管共射放大电路的直流通路和交流通路华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
二、图解法 应实测特性曲线
bBBBBE RiVu cCCCCE RiVu
输入回路负载线
Q
IBQ
UBEQ
IBQQICQ
UCEQ
负载线
1,静态分析,图解二元方程华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
2,电压放大倍数的分析符号为“-”。反相,与给定
u
u
Auu
u
u
Auuiiu
IO
I
O
OCECBI )(
bBIBBBE RiuVu
Iu?
BBQB iII
Ci?
CEu?
斜率不变华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
3,失真分析
截止失真消除方法:增大 VBB,即向上平移输入回路负载线。
t截止失真是在输入回路首先产生失真!
减小 Rb能消除截止失真吗?
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饱和失真
消除方法,增大 Rb,减小 Rc,减小 β,减小 VBB,增大 VCC。
''Q
'''Q Rb↑或
β↓或
VBB ↓
Rc↓或 VCC↑
:饱和失真是输出回路产生失真。
2
最大不失真输出电压 Uom:比较 UCEQ与( VCC- UCEQ ),取其小者,除以 。
这可不是好办法!
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讨论一
1,用 NPN型晶体管组成一个在本节课中未见过的共射放大电路。
2,用 PNP型晶体管组成一个共射放大电路。
3,画出图示电路的直流通路和交流通路。
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三、等效电路法
半导体器件的非线性特性使放大电路的分析复杂化。
利用线性元件建立模型,来描述非线性器件的特性。
1,直流模型,适于 Q点的分析理想二极管利用估算法求解静态工作点,实质上利用了直流模型。
cCQC E Q
BQCQ
b
B E QBB
BQ
RIVU
II
R
UV
I
CC
-
=
输入回路等效为恒压源输出回路等效为电流控制的电流源华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
2,晶体管的 h参数等效模型(交流等效模型)
在交流通路中可将晶体管看成为一个二端口网络,输入回路、
输出回路各为一个端口。
)(
)(
CEBC
CEBBE
uifi
uifu
,
,
低频小信号模型华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
ce22b21c
ce12b11be
UhIhI
UhIhU
在低频、小信号作用下的关系式
CE
CE
C
B
B
C
C
CE
CE
BE
B
B
BE
BE
ddd
ddd
BCE
BCE
u
u
i
i
i
i
i
u
u
u
i
i
u
u
IU
IU
交流等效模型(按式子画模型)
电阻 无量纲无量纲 电导华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
h参数的物理意义
be
B
BE11
CE ri
uh
U
BCE
BE12 I
u
uh
CE
B
C21 U
i
ih
ceCE
C22 1
B ru
ih
i
b-e间的动态电阻 内反馈 系数电流放大系数
c-e间的电导分清主次,合理近似!什么情况下 h12和 h22的作用可忽略不计?
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简化的 h参数等效电路-交流等效模型
EQ
T
b b 'eb'b b '
b
be
be )1( I
Urrr
I
Ur
查阅手册基区体电阻发射结电阻发射区体电阻数值小可忽略利用 PN结的电流方程可求得由 IEQ算出在输入特性曲线上,Q点越高,rbe越小!
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3,放大电路的动态分析
)()( bebbbebii rRIrRIU
cco RIU
beb
c
i
o
rR
R
U
UA
u
beb
i
i
i rRI
UR
co RR?
放大电路的交流等效电路华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
阻容耦合共射放大电路的动态分析
be
'
L
beb
Lc
i
o )(
r
R
rI
RRI
U
UA c
u
∥
bebebi rrRR ∥
uu ARR
R
U
U
U
U
U
UA?
is
i
i
o
s
i
s
o
s
co RR?
输入电阻中不应含有
Rs!
输出电阻中不应含有
RL!
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讨论一
1,在什么参数、如何变化时 Q1→ Q2 → Q3 → Q4?
2,从输出电压上看,哪个 Q点下最易产生截止失真?哪个 Q点下最易产生饱和失真?哪个 Q点下 Uom最大?
3,设计放大电路时,应根据什么选择 VCC?
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2,空载和带载两种情况下 Uom分别为多少?
3,在图示电路中,有无可能在空载时输出电压失真,而带上负载后这种失真消除?
4,增强电压放大能力的方法?
讨论二
be
Lc
)(
r
RRA
u
∥
已知 ICQ= 2mA,UCES=
0.7V。
1,在空载情况下,当输入信号增大时,电路首先出现饱和失真还是截止失真?
若带负载的情况下呢?
EQ
T
b b 'be )1( I
Urr
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讨论三,基本共射放大电路的静态分析和动态分析
11)(
beb
Lc
rR
RRA
u
∥
k3co RR
200
80
bb'r
Q
IBQ≈35μA
UBEQ≈0.65V
V8.3
mA8.2
'
cCQ
'
CCC E Q
BQCQ
RIVU
II?
为什么用图解法求解
IBQ和 UBEQ?
k11bebi rRR
9 5 2)1(
EQ
T
b b 'be I
Urr?
华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
60
)(
1 2 0
)(
be
Lc
is
i
i
o
s
i
s
o
s
be
Lc
r
RR
RR
R
U
U
U
U
U
U
A
r
RR
A
u
u
∥
∥
讨论四,阻容耦合共射放大电路的静态分析和动态分析
k180 ber,?
V2.7
mA6.1
μA20
cCQCCC E Q
BQCQ
b
CC
b
B E QCC
BQ
RIVU
II
R
V
R
UV
I
3k 1k cobebebi RRrrRR ∥
华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
讨论五,波形分析 失真了吗?如何判断?原因?
饱和失真华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
§ 2.4 静态工作点的稳定一、温度对静态工作点的影响二、静态工作点稳定的典型电路三、稳定静态工作点的方法华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
一、温度对 静态工作 点的影响所谓 Q点稳定,是指 ICQ和 UCEQ在温度变化时基本不变,
这是靠 IBQ的变化得来的。
若温度升高时要 Q’回到 Q,
则只有减小 IBQ
T( ℃ ) →β↑→ICQ↑ →Q’
ICEO↑
若 UBEQ不变 IBQ↑
Q’
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二,静态工作点稳定的 典型电路直流通路?
Ce为旁路电容,在交流通路中可视为短路
1,电路组成华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
CC
b21b
1b
BQ VRR
RU?
e
B E QBQ
EQ R
UUI
2,稳定原理为了稳定 Q点,通常 I1>> IB,即
I1≈ I2;因此基本不随温度变化。
设 UBEQ= UBE+ ΔUBE,若 UBQ- UBE>>ΔUBE,则 IEQ稳定。
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Re 的 作用
T(℃ )↑→IC↑→UE ↑→UBE↓( UB基本不变) → IB ↓→ IC↓
Re起直流负反馈作用,其值越大,反馈越强,Q点越稳定。
关于反馈的一些概念:
将输出量通过一定的方式引回输入回路影响输入量的措施称为反馈。
直流通路中的反馈称为直流反馈。
反馈的结果使输出量的变化减小的称为负反馈,反之称为正反馈。
Re有上限值吗?
IC通过 Re转换为 ΔUE影响 UBE
温度升高 IC增大,反馈的结果使之减小华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
3,Q 点分析
b21bb
CC
b21b
1b
BB
RRR
V
RR
R
V
∥?
e
B E QBQ
EQ
CC
b21b
1b
BQ
R
UU
I
V
RR
R
U
)( ecEQCC
eEQcCQCCC E Q
RRIV
RIRIVU
1
EQ
BQ
II
分压式电流负反馈工作点稳定电路
Rb上静态电压是否可忽略不计?
eEQB E QbBQBB RIURIV
)1( eb2b1 RRR∥判断方法:
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4,动态分析
be
'
L
i
o
r
R
U
UA
u
beb2b1i rRRR ∥∥?
co RR?
e
e
)1(
)(
be
'
L
ebeb
Lcb
i
o
Rr
R
RIrI
RRI
U
U
A
u
∥
])1([ ebeb2b1i RrRRR ∥∥
利?弊?
e
'
L
bee)1( R
RArR
u,则若?
无旁路电容 Ce时:
如何提高电压放大能力?
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三、稳定静态工作点的方法
引入直流负反馈
温度补偿:利用对温度敏感的元件,在温度变化时直接影响输入回路。
例如,Rb1或 Rb2采用热敏电阻。 它们的 温度系数?
Bb1
CBBEEC
)(
UR
IIUUIT ℃
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讨论一图示两个电路中是否采用了措施来稳定静态工作点?
若采用了措施,则是什么措施?
SI
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§ 2.5 晶体管放大电路的三种接法一、基本共集放大电路二、基本共基放大电路三、三种接法放大电路的比较华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
一、基本共集放大电路
eEQC E QCC
eEQB E QbBQBB
RIUV
RIURIV
eEQCCC E Q
BQEQ
eb
B E QBB
BQ
)1(
)1(
RIVU
II
RR
UV
I
1,静态分析华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
2,动态分析,电压放大倍数
ebeb
e
eebebb
ee
i
o
)1(
)1(
)(
RrR
R
RIrRI
RI
U
U
A u
。,即,则)+若( 1 1 iobebe UUArRR u
故称之为射极跟随器
Uo< Ui
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2,动态分析,输入电阻的分析
ebeb
b
i
i
i
i )1( RrRI
U
I
UR
Ri与负载有关!
RL
)//)(1( Lebebi RRrRR带负载电阻后从基极看 Re,被增大到( 1+β)倍华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
2,动态分析,输出电阻的分析
1
)1(
beb
e
beb
o
e
o
o
e
o
o
o
o
e
rR
R
rR
U
R
U
U
II
U
I
U
R
R
∥Ro与信号源内阻有关!
3,特点,输入电阻大,输出电阻小;只放大电流,不放大电压;在一定条件下有电压跟随作用!
oU?
令 Us为零,保留 Rs,在输出端加 Uo,产生 Io,。
ooo IUR?
从射极看基极回路电阻,被减小到( 1+β)倍华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
二、基本共基放大电路
e
B E QBB
EQ R
UVI
1
EQ
BQ
II
B E QcEQCCC E Q URIVU
CCB E QC E QeCQ
BBeEQB E Q
VUURI
VRIU
1,静态分析华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
2,动态分析
3,特点,
输入电阻小,频带宽!只放大电压,不放大电流!
1
be
ei
rRR co RR?
ebe
c
bebee
cc
i
o
)1(
Rr
R
rIRI
RI
U
UA
u?
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三、三种接法的比较,空载情况下接法 共射 共集 共基
Au 大 小于 1 大
Ai β 1+ β α
Ri 中 大 小
Ro 大 小 大频带 窄 中 宽华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
讨论一:
图示电路为哪种基本接法的放大电路?它们的静态工作点有可能稳定吗?求解静态工作点、电压放大倍数、输入电阻和输出电阻的表达式。
接法 共射 共集 共基输入 b b e
输出 c e c
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电路如图,所有电容对交流信号均可视为短路。
1,Q为多少?
2,Re有稳定 Q点的作用吗?
3,电路的交流等效电路?
4,V 变化时,电压放大倍数如何变化?
讨论二华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
清华大学 华成英
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))(1(
)(
Debe
Lc
RrRr
RRA
u ∥∥
∥
uu ArV
rr
RR
A
rRR
D
Dbe
Lc
De
)1(
)(
,
∥
时,>>∥当
讨论二改变电压放大倍数华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
§ 2.6 场效应管及其基本放大电路一、场效应管二、场效应管放大电路静态工作点的设置方法三、场效应管放大电路的动态分析华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
一、场效应管(以 N沟道为例)
场效应管有三个极:源极( s),栅极( g)、漏极( d),
对应于晶体管的 e,b,c;有 三个工作区域:截止区、恒流区、
可变电阻区,对应于 晶体 管的截止区、放大区、饱和区。
1,结型场效应管符号结构示意图栅极漏极源极导电沟道单极型管 ∶ 噪声小、抗辐射能力强、低电压工作华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
栅 -源电压对导电沟道宽度的控制作用沟道最宽 沟道变窄 沟道消失称为夹断
uGS可以控制导电沟道的宽度。为什么 g-s必须加负电压?
UGS( off)
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漏 -源电压对漏极电流的影响
uGS> UGS( off) 且不变,VDD增大,iD增大
。
预夹断u
GD= UGS( off)
VDD的增大,几乎全部用来克服沟道的电阻,iD几乎不变,进入恒流区,iD几乎仅仅决定于 uGS。
场效应管工作在恒流区的条件是什么?
uGD>UGS( off)
uGD<UGS( off)
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常量 DS)( GSD Uufi
夹断电压漏极饱和电流转移特性场效应管工作在恒流区,因而 uGS> UGS( off) 且 uGD< UGS( off) 。
uDG>- UGS( off)
G S ( o f f )GSDS Uuu?>
2
G S ( o f f )
GS
D S SD )1( U
u
Ii
在恒流区时华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
常量 GS)( DSD Uufi
g-s电压控制 d-s的等效电阻输出特性常量
DSGS
D
m Uu
ig
预夹断轨迹,uGD= UGS( 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
ΔiD
不同型号的管子 UGS( off),IDSS
将不同。
低频跨导:
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2,绝缘栅型场效应管
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。
SiO2绝缘层衬底耗尽层 空穴高掺杂反型层增强型管大到一定值才开启华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
增强型 MOS管 uDS对 iD的影响用场效应管组成放大电路时应使之工作在恒流区。 N
沟道增强型 MOS管工作在恒流区的条件是什么?
iD随 uDS的增大而增大,可变电阻区
uGD= UGS( th),
预夹断
iD几乎仅仅受控于 uGS,恒流区刚出现夹断
uGS的增大几乎全部用来克服夹断区的电阻华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
耗尽型 MOS管耗尽型 MOS管在 uGS> 0,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
uGS> 0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时就存在导电沟道华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
MOS管的特性
1)增强型 MOS管
2)耗尽型 MOS管开启电压夹断电压
DG S(t h )GSDO
2
G S(t h )
GS
DOD
2
)1(
iUuI
U
u
Ii
时的为式中在恒流区时,
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利用 Multisim测试场效应管的输出特性从输出特性曲线说明场效应管的哪些特点?
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3,场效应管的分类工作在恒流区时 g-s,d-s间的电压极性
)0(P
)0(N
)00(P
)00(N
)00(P
)00(N
DSGS
DSGS
DSGS
DSGS
DSGS
DSGS
<极性任意,沟道
>极性任意,沟道耗尽型
<,<沟道
>,>沟道增强型绝缘栅型
<,>沟道
>,<沟道结型场效应管
uu
uu
uu
uu
uu
uu
uGS=0可工作在恒流区的场效应管有哪几种?
uGS> 0才可能工作在恒流区的场效应管有哪几种?
uGS< 0才可能工作在恒流区的场效应管有哪几种?
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二、场效应管静态工作点的设置方法根据场效应管工作在恒流区的条件,在 g-s,d-s间加极性合适的电源
dDQDDD S Q
2
G S ( t h)
BB
DODQ
BBG S Q
)1(
RIVU
U
V
II
VU
1,基本共源放大电路华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
2,自给偏压电路
sDQSQGQG S Q
sDQSQGQ 0
RIUUU
RIUU
,
2
G S ( o f f )
G S Q
D S SDQ )1( U
UII )( sdDQDDD S Q RRIVU
由正电源获得负偏压称为自给偏压哪种场效应管能够采用这种电路形式设置 Q点?
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3,分压式偏置电路
sDQSQ
DD
g2g1
g1
AQGQ
RIU
V
RR
R
UU
2
G S ( t h )
G S Q
DODQ )1( U
UII
)( sdDQDDD S Q RRIVU
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?
即典型的 Q点稳定电路华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
三、场效应管放大电路的动态分析
DS
GS
D
m Uu
ig
近似分析时可认为其为无穷大!
根据 iD的表达式或转移特性可求得 gm。
与晶体管的 h参数等效模型类比:
1,场效应管的交流等效模型华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
2,基本共源放大电路的动态分析
do
i
dm
gs
dd
i
o
RR
R
Rg
U
RI
U
U
A u
若 R
d=3kΩ,Rg=5kΩ,
gm=2mS,则与共射电路比较。
uA?
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3,基本共漏放大电路的动态分析
i
sm
sm
sdgs
sd
i
o
1
R
Rg
Rg
RIU
RI
U
U
A u
若 Rs=3kΩ,gm=2mS,则
uA?
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基本共漏放大电路输出电阻的分析
m
s
om
s
o
o
o
o
o
1
g
R
Ug
R
U
U
I
U
R ∥?
若 Rs=3kΩ,gm=2mS,
则 Ro=?
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§ 2.7 派生电路一、复合管二、派生电路举例华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
一、复合管复合管的组成:多只管子合理连接等效成一只管子。
21
)1)(1( 211BE ii 不同类型的管子复合后,
其类型决定于 T1管。
目的:增大 β,减小前级驱动电流,改变管子的类型。
iB方向决定复合管的类型华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
讨论一,判断下列各图是否能组成复合管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。
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Ri=? Ro=?
)]})(1()[1({ Le2be 21be 1bi RRrrRR ∥∥
2
1
sbb e 1
b e 2
eo 1
1
RRr
r
RR
∥
∥
讨论二华成英 hchya@tsinghua.edu.cn
二、派生电路举例,组合的结果带来什么好处?