场效应管放大电路及多级放大电路.ppt

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1、第三章第三章 场效应管放大电路场效应管放大电路及多级放大电路及多级放大电路模拟电子技术基础3.1、结型场效应管（、结型场效应管（JFET）3.2、金属、金属-氧化物氧化物-半导体场效应管半导体场效应管 （MOSFET）3.3、场效应管静态工作点的设置方法、场效应管静态工作点的设置方法3.5、复合管、复合管3.4、场效应管放大电路的动态分析、场效应管放大电路的动态分析3.6、多级放大电路、多级放大电路第三章第三章 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路晶体三极管：晶体三极管：电流控制电流元件电流控制电流元件场效应管：场效应管：电压控制电流元件电压控制电流元件引入场效应管的原因：引入场效应管的原

2、因：晶体管放大电路不能满足晶体管放大电路不能满足ri（M）在晶体管放大电路中，共集放大电路输入电阻最高在晶体管放大电路中，共集放大电路输入电阻最高所以引入场效应管来提高输入电阻。所以引入场效应管来提高输入电阻。序论序论场效应管场效应管结型结型N沟道沟道（uGS0）P沟道沟道（uGS0,uDS0时，时，使沟道中各点与栅极使沟道中各点与栅极g间电压不再相间电压不再相 等，所以等，所以PN上宽下窄。上宽下窄。PN结上宽下窄结上宽下窄预夹断预夹断(2)uGD=uGS-uDS，随着随着uDS增大，增大，uGD变小耗尽层变宽，导电沟变小耗尽层变宽，导电沟道变窄，道变窄，iD随随uDS线性增加。线性增加。(

3、3)uGD=uGS-uDS，随着随着uDS继续增大，当继续增大，当uGD=uGS（Off）时，为预时，为预夹断。夹断。uGDUGS（off）uGDUGS（off）3.1 结型结型场效应管场效应管b b、漏漏-源电压对漏极电流的影响源电压对漏极电流的影响场效应管工作在恒流区的条件是什么？场效应管工作在恒流区的条件是什么？(3)uGD=uGS-uDS，随着随着uDS继续增大，当继续增大，当uGDuGS（Off）时，夹断时，夹断加深，此时加深，此时iD不再随不再随uDS增大而增大，增大而增大，uDS的增的增大几乎全部用来克服沟道电阻，大几乎全部用来克服沟道电阻，iD仅取决于仅取决于uGS大小，此时为

4、大小，此时为恒流区。恒流区。uGD0时，时，由于二氧化硅绝缘层则由于二氧化硅绝缘层则ig=0，导电沟，导电沟 道变宽，在道变宽，在uDS作用下，作用下，iD较大较大2 2）当）当ugs0时，时，导电沟道变窄，导电沟道变窄，iD变小，当变小，当ugs=UGS（0ff时，时，出现夹断区，出现夹断区，iD=0.总结：总结：耗尽型耗尽型MOSMOS管可以在管可以在ugs正负电压正负电压下工作，而结型管下工作，而结型管 仅在仅在ugsIDSS，而结型管只能而结型管只能ID IDSS场效应管总结：场效应管总结：工作在恒流区时工作在恒流区时g-sg-s、d-sd-s间的电压极性间的电压极性场效应管的分类：1

5、)1)夹断电压夹断电压UGS(off)：漏极电流约为零时的漏极电流约为零时的uGS值值 。3)3)饱和漏极电流饱和漏极电流IDSS：uGS=0时对应的漏极电流。时对应的漏极电流。三、场效应管的主要参数三、场效应管的主要参数2）开启电压）开启电压UGS（th）：）：仅适用于增强型，使仅适用于增强型，使iD0所需最小的所需最小的 g、s间电压间电压。4 4)直流输入电阻直流输入电阻RGS：对于结型场效应三极管，反偏时对于结型场效应三极管，反偏时RGS约大于约大于10107。1 1、直流参数、直流参数1)1)输出电阻输出电阻rd：2 2、交流参数、交流参数2)2)低频跨导低频跨导gm：或或 低频跨导

6、反映了低频跨导反映了vGS对对iD的控制作用。的控制作用。gm 可以在转移特性曲线上求得，单位是可以在转移特性曲线上求得，单位是mS(毫西门子毫西门子)。2)2)最大漏源电压最大漏源电压：U(BR)DS3)3)最大栅源电压最大栅源电压：U(BR)GS1)1)最大漏极电流：最大漏极电流：IDM4)4)最大漏极功耗最大漏极功耗PDM：3 3、极限参数、极限参数为保证场效应管工作在恒流区，在为保证场效应管工作在恒流区，在g-sg-s、d-sd-s间加极性合适的电源间加极性合适的电源3.3 3.3 场效应管静态工作点的设置方法场效应管静态工作点的设置方法场效应管放大电路：场效应管放大电路：共源共源(S

7、)、共漏、共漏(d)、共栅、共栅(g)共射共射(e)、共集共集(c)、共基共基(b)。正常工作条件：正常工作条件：VGGUGS(th)VDD作用：作用：保证保证d d、s s间电压大于预夹断电压间电压大于预夹断电压为负载提供能源为负载提供能源Rd作用：作用：将变化的将变化的iD转变为电压转变为电压UDS，实现电压放大。，实现电压放大。静态分析：静态分析：公式法：公式法：确定确定所以称为自给偏压电路所以称为自给偏压电路哪种场效应管能够采用这种哪种场效应管能够采用这种电路形式设置电路形式设置Q Q点？点？一、自给偏压电路一、自给偏压电路 1 1、公式法、公式法由于结型管正常工作时必须由于结型管正常

8、工作时必须ugs0由图知静态由图知静态ui=0时时Ig=0，即，即URg=0IgID所以所以自己产生的自己产生的2 2、图解法、图解法QQIDQUGSQUDSQ输出回路负载线输出回路负载线输入回路负载线输入回路负载线为什么加为什么加Rg3?其数值应大些小些？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哪种场效应管能够采用这种电路形式设置Q点？点？二、分压式偏压电路二、分压式偏压电路 典型的典型的Q Q稳定电路稳定电路求求Q Q点点根据根据i iD D的表达式或转移特性可求得的表达式或转移特性可求得gm。与晶体管的与晶体管的h参数等效模型类似：参数等效模型类似：一、场效应管的交流等效模

9、型一、场效应管的交流等效模型3.4 3.4 场效应管放大电路的动态分析场效应管放大电路的动态分析说明说明:(1)(1)以结型、增强型为例以结型、增强型为例ig=0，所以所以g g、s s间断开，但间断开，但ugs0(2)(2)小信号工作时，在恒流区小信号工作时，在恒流区 （常数）用受控源等效。（常数）用受控源等效。(3)(3)在线性区在线性区若若Rd=3k，Rg=5k，gm=2mS，则则 二、基本共源放大电路的动态分析二、基本共源放大电路的动态分析1 1、固定偏置电路、固定偏置电路(与共射电路比较。与共射电路比较。)总结：总结：(2)(2)尽管输入电阻可以达尽管输入电阻可以达，但，但A Au

10、u却仅有却仅有1010倍级左右。倍级左右。(1)(1)共源与共射均为反相放大电路。共源与共射均为反相放大电路。2 2、分压式偏置电路、分压式偏置电路解解：（：（1 1）画微变等效电路画微变等效电路（2 2）求各量值求各量值有旁路电容时：有旁路电容时：无旁路电容时：无旁路电容时：总结：总结：(2)(2)此电路中此电路中C C可以用无极性电容。可以用无极性电容。如果负载小时，如果负载小时，C2要用有极性电容，以减小要用有极性电容，以减小C2上的分压上的分压(1)(1)Rg3作用：进一步提高输入电阻，对直流无影响。作用：进一步提高输入电阻，对直流无影响。若若Rs=3k，gm=2mS，则，则（与共集电

11、路比较）（与共集电路比较）三、基本共漏放大电路的动态分析三、基本共漏放大电路的动态分析输出电阻的分析输出电阻的分析若若Rs=3k，gm=2mS，则，则Ro=?加压求流法：加压求流法：Ro428与共集电路类似：与共集电路类似：（1 1）U U0 0与与U Ui i同相。同相。（2 2）Au1。（3 3）R0较小较小，可以作为多级放大电路的输出级，可以作为多级放大电路的输出级复合管的组成：复合管的组成：多个管子合理连接等效成一个管子。多个管子合理连接等效成一个管子。不同类型的管子复合后，不同类型的管子复合后，其类型决定于其类型决定于T1管。管。目的：目的：增大增大，减小前级驱动电流，改变管子的类型

12、。，减小前级驱动电流，改变管子的类型。iB方向决定复方向决定复合管的类型合管的类型3.5 复合管复合管 工作中常需要工作中常需要很高达上千倍，若用单管则电路很高达上千倍，若用单管则电路稳定性较差，所以采用复合管稳定性较差，所以采用复合管。复合管的组成原则复合管的组成原则:(1)(1)在合适的外加电压下，每只管子的电流都有合适的通在合适的外加电压下，每只管子的电流都有合适的通路，且均工作在放大区或恒流区；路，且均工作在放大区或恒流区；(2)(2)为了实现电流放大，应将第一只管的集电极（漏极）为了实现电流放大，应将第一只管的集电极（漏极）或发射极（源极）电流作为第二只管子的基极电流。或发射极（源极

13、）电流作为第二只管子的基极电流。总之，由于晶体管构成的复合管有很高的电流放大系总之，由于晶体管构成的复合管有很高的电流放大系数，所以只需要很小的输入驱动基极电流，便可获得很大数，所以只需要很小的输入驱动基极电流，便可获得很大的集电极（或发射极）电流的集电极（或发射极）电流。在合适的外加电压下，每只管子的电流都有合适的通路，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。才能组成复合管。讨论一：判断下列各图是否能组成复合管讨论一：判断下列各图是否能组成复合管（）（）（）（）（）（）Ri=?Ro=?讨论二：求下图的输入电阻和输出电阻讨论二：求下图的输入电阻和输出电阻放大电路的选用

14、：放大电路的选用：按下列要求组成两级放大电路：按下列要求组成两级放大电路：Ri12k，Au 的数值的数值3000；Ri 10M，Au的数值的数值300；Ri100200k，Au的数值的数值150；Ri 10M，Au的数值的数值10，Ro100。共源、共集。共源、共集。补充：各种放大器件电路性能比较补充：各种放大器件电路性能比较共射、共射；共射、共射；共源、共射；共源、共射；共集、共射；共集、共射；3.6 多级放大电路多级放大电路(1)(1)单级放大输出达不到要求的输出量级。单级放大输出达不到要求的输出量级。单级放大输出达不到要求的输出量级。单级放大输出达不到要求的输出量级。(2)(2)为从信号

15、源输入更多能量，要求输入级为从信号源输入更多能量，要求输入级为从信号源输入更多能量，要求输入级为从信号源输入更多能量，要求输入级R Ri i；对负载而言，为了获得更多的能量，要求输出级对负载而言，为了获得更多的能量，要求输出级对负载而言，为了获得更多的能量，要求输出级对负载而言，为了获得更多的能量，要求输出级R Ro o00多级放大电路作用：多级放大电路作用：信号源与放大电路之间、两级放大电路之间、放信号源与放大电路之间、两级放大电路之间、放信号源与放大电路之间、两级放大电路之间、放信号源与放大电路之间、两级放大电路之间、放大器与负载之间的连接方式。大器与负载之间的连接方式。大器与负载之间的连

16、接方式。大器与负载之间的连接方式。直接耦合、阻容耦合、变压器耦合等直接耦合、阻容耦合、变压器耦合等直接耦合、阻容耦合、变压器耦合等直接耦合、阻容耦合、变压器耦合等耦合方式：耦合方式：耦合方式：耦合方式：常用的耦合方式：常用的耦合方式：常用的耦合方式：常用的耦合方式：第二级第二级第二级第二级 输入级输入级输入级输入级 输出级输出级输出级输出级多级放大电路的框图多级放大电路的框图多级放大电路的框图多级放大电路的框图输入输入输出输出多级放大电路引入：多级放大电路引入：RB1RCC1C2RB2CERERL+UCCuiuo+RSeS+80K1K3K40K1K3K已知已知rbe=1.2K，=50，求，求A

17、VO、AV、AVS解：解：分析：分析：分别在不带负载、带负载、考虑信号源内阻时，放大分别在不带负载、带负载、考虑信号源内阻时，放大倍倍 数大大降低。数大大降低。解决方法：解决方法：采用多级放大电路。采用多级放大电路。空载时空载时考虑信号源内阻时考虑信号源内阻时RB1RCC1C2RB2CERERL+UCCuiuo+RSeS+80K1K3K40K1K3K+C2+RB82KRE13KRB382KRE23K改进电路：改进电路：已知已知rbe1=rbe3=1.5K，1=3=50，求，求AVO、AV、AVS既是第一级的集电极电阻，既是第一级的集电极电阻，又是第二级的基极电阻又是第二级的基极电阻特点：特点：

18、能够放大变化缓慢的能够放大变化缓慢的信号，便于集成化，信号，便于集成化，Q Q点相点相互影响，互影响，存在零点漂移现象。存在零点漂移现象。零漂的原因：零漂的原因：当输入信号为零时，前级由温度变化所引起当输入信号为零时，前级由温度变化所引起的电流、电位的变化会逐级放大。的电流、电位的变化会逐级放大。第二级第二级第一级第一级1 1、直接耦合、直接耦合输入为零，输出产生变化输入为零，输出产生变化的现象称为的现象称为零点漂移零点漂移一、多级放大电路的静态分析一、多级放大电路的静态分析ReQ1合适吗合适吗？对哪些动态参对哪些动态参数产生影响？数产生影响？用什么元件取代用什么元件取代Re既可设置合适的既可

19、设置合适的Q点，又可使第二点，又可使第二级放大倍数不至于下降太大？级放大倍数不至于下降太大？二极管导通电压二极管导通电压U UD D小，动态电阻小，动态电阻r rd d小，静动态均解决小，静动态均解决直接耦合特点：直接耦合特点：UCE1=UBE2=0.7V，则则T1 的的Q点太低，已进入饱和区。点太低，已进入饱和区。解决方法：解决方法：接接RE：静态可解决，但动态静态可解决，但动态A AV V损失大。损失大。接接D：UCEQ1太小太小加加Re（Au2数值数值）改用改用D若要若要UCEQ1大，大，则改用则改用DZ。稳压管稳压管伏安特性伏安特性限流电阻限流电阻rzu/i，小功率管多为几欧至二十几欧

20、。，小功率管多为几欧至二十几欧。若要使若要使UCEQ15V，采用什么方式解决？，采用什么方式解决？举例：直接耦合两级放大电路，静态工作点的求解。举例：直接耦合两级放大电路，静态工作点的求解。特点：特点：Q Q点相互独立点相互独立。不能放大变化缓慢的信号，低频特性差，不能放大变化缓慢的信号，低频特性差，不能集成化。不能集成化。共射电路共射电路共集电路共集电路有零点漂移吗？有零点漂移吗？利用电容连接信号利用电容连接信号源与放大电路、放大源与放大电路、放大电路的前后级、放大电路的前后级、放大电路与负载，称为电路与负载，称为阻阻容耦合。容耦合。2 2、阻容耦合阻容耦合1.1.电压放大倍数电压放大倍数2

21、.2.输入电阻输入电阻3.3.输出电阻输出电阻 对电压放大电路的要求：对电压放大电路的要求：Ri大，大，Ro小，小，Au的数值大，最大的数值大，最大不失真输出电压大。不失真输出电压大。二、多级放大电路的动态分析二、多级放大电路的动态分析三、分析举例三、分析举例两级放大电路如图所示，已知三极管的两级放大电路如图所示，已知三极管的 场效应管的场效应管的 ，写出两级放大电路的组态，并求出，写出两级放大电路的组态，并求出 输入电阻、输出电阻及电压放大倍数输入电阻、输出电阻及电压放大倍数 例例1 1：解：此为解：此为共源共源-共集共集放大电路放大电路图图示示电电路的静路的静态态工作点合适，画出它的交流等

22、效工作点合适，画出它的交流等效电电路，路，并写出并写出、Ri和和Ro的表达式。的表达式。例例2 2：解：此为解：此为共源共源-共射共射放大电路，交流等效电路如图：放大电路，交流等效电路如图：零点漂移现象：零点漂移现象：uI0，uO0的现象。的现象。产生原因：产生原因：温度变化，直流电源波动，元器件老化。其中晶温度变化，直流电源波动，元器件老化。其中晶体管的特性对温度敏感是主要原因，故也称零漂为温漂。体管的特性对温度敏感是主要原因，故也称零漂为温漂。克服温漂的方法：克服温漂的方法：引入直流负反馈，温度补偿。引入直流负反馈，温度补偿。典型电路：典型电路：差分放大电路差分放大电路差分放大电路的作用：

23、差分放大电路的作用：克服零点漂移现象克服零点漂移现象。3.3 3.3 差分放大电路差分放大电路一、简单的一、简单的一、简单的一、简单的差分放大电路差分放大电路差分放大电路差分放大电路1 1、抑制零漂的原理抑制零漂的原理抑制零漂的原理抑制零漂的原理电路结构对称，各元件参数相同。+UCCuoui1RCRB2T1RB1RCui2RB2RB1+T2电路特点：电路特点：静态时，ui1=ui2 =0IC1VC1 TIC2VC2 uo=VC1 VC2 =0 当温度升高时，虽然两个管子都产生漂移，但集电极电位的当温度升高时，虽然两个管子都产生漂移，但集电极电位的变化是相同的，所以变化是相同的，所以U Uo o

24、=0=02.2.信号输入信号输入信号输入信号输入所以电路对共模信号无放大作用，即所以电路对共模信号无放大作用，即A AC C=0=0u ui1 i1=u ui2i2（大小相等、极性相同）（大小相等、极性相同）差分电路抑制共模信号能力的大小，反映了它对零点漂移的差分电路抑制共模信号能力的大小，反映了它对零点漂移的抑制水平。抑制水平。(1)(1)共模输入：共模输入：u uo o=0=0u ui1 i1=u ui2i2(大小相等、极性相反大小相等、极性相反)电路对差模信号有较大的放大能力。电路对差模信号有较大的放大能力。(2)(2)差模输入差模输入:设设u ui1i10 0，u ui2i20 0u

25、ui1i1i ic1c1 u uc1c1 u ui2i2i ic2c2 u uc2c2 u uo o=u uc1c1-u uc2c2=2=2u uc1c1差模信号 是有用信号共模信号需要抑制(3)(3)比较输入：比较输入：u ui1 i1、u ui2 i2 大小和极性是任意的大小和极性是任意的。可分解成:ui1=uic +(1/2)uid可分解为一对共模信号叠加一对差模信号ui2=uic -(1/2)uid差分放大电路中的一般概念差模信号共模信号差模电压增益共模电压增益用差模信号和共模信号表示输入信号二、长尾式差分放大电路二、长尾式差分放大电路二、长尾式差分放大电路二、长尾式差分放大电路R R

26、E E：稳定静态工作点，限制每个管子的漂移。EE：用于补偿RE上的压降，以获得合适的工作点。原因：原因：(1)(1)完全对称的理想差分放大电路并不存在，单靠对称性抑制零完全对称的理想差分放大电路并不存在，单靠对称性抑制零漂是有限度的。漂是有限度的。(2)(2)电路中每个管子的零漂仍存在，若用单管输出，漂移仍存在电路中每个管子的零漂仍存在，若用单管输出，漂移仍存在+UCCCCuoui1RCT1RBRCui2RERB+T2 2EE+RE:共模负反馈电阻作用：近一步抑制零漂作用：近一步抑制零漂T TI IC1C1I IE1E1 I IC2C2I IE2E2 I IE EU UREREU UBE1BE

27、1I IB1B1 U UBE2BE2I IB2B2 I IC1C1 I IC2C2 R RE E对共模信号有强烈的抑制作用，但对差模信号无影响对共模信号有强烈的抑制作用，但对差模信号无影响+UCCCCuoui1RCT1RBRCui2RERB+T2 2EE+2、静态分析静态时输出电压为零。静态时由于UC1=UC23、动态分析一对大小相等方向相反的信号一管电流增加、一管电流减小a、输入信号为差模信号差模输出电压不为零。一对大小相等方向相同的信号两管电流同时增加b、输入信号为共模信号共模输出电压为零。干扰信号和温漂以共模形式出现，可以被抑制，所以不出现在输出中。3、动态分析三、差分放大电路主要技术指

28、标计算1.双端输入、双端输出1）差模输入？差模放大倍数2）共模输入共模放大倍数AC=0.共模抑制比共模抑制比KCMR：综合考察差分放大电路放大差模信综合考察差分放大电路放大差模信 号的能力和抑制共模信号的能力。号的能力和抑制共模信号的能力。在实际应用时，信号源需要有“接地”点，以避免干扰；或负载需要有“接地”点，以安全工作。根据信号源和负载的接地情况，差分放大电路有四种接法：双端输入-双端输出、双端输入-单端输出、单端输入-双端输出、单端输入-单端输出。或电路对称理想时，双端输出的KCMR为无穷大。差分放大电路主要技术指标计算2.双端输入、单端输出1）差模输入输入回路没变，输出回路改变。若RL

29、接T2管，则？2）双入单出-共模输入又由很大Ric为T1与T2并联后电阻：（1）T2的Rc可以短路吗？（2）什么情况下Ad为“”？（3）双端输出时的Ad是单端输出时的2倍吗？3）双入单出分析共模输入电压差模输入电压输入差模信号的同时总是伴随着共模信号输入：3.单端输入、双端输出差模输出共模输出分析方法与双入双出一致，结果也一致。4.单端输入、单端输出静态时的值差模输出共模输出问题讨论：（1）UOQ产生的原因？（2）如何减小共模输出电压？输出方式：Q点、Ad、Ac、KCMR、Ro均与之有关。输入方式：电路的性能指标与输入方式无关，因此输入电阻不变，但是输入信号的分量不同。单端输入时必有共模信号分

30、量和差模信号分量输入。四种接法比较（条件：电路参数对称）为什么要采用电流源？Re 越大，共模负反馈越强，单端输出时的Ac越小，KCMR越大，差分放大电路的性能越好。为使静态电流不变，Re 越大，VEE也要增大，以至于Re太大不合理。需要寻找既能合理偏置静态电流，又能在交流时等效无穷大的Re。解决方法：用电流源替代Re！四、具有恒流源的差分放大电路等效电阻为无穷大近似为恒流源静态时：若UBEQ3变化忽略不计，则IC3基本不受温度影响，且无动态信号作用于T3，所以IC3基本为恒流。所以I1I2交流分析时用电流源的交流等效电阻Ro取代原来的Re。等效电阻提高了单端输出的共模抑制比。近似为恒流源动态时

31、：五、具有调零电阻的差分放大电路1)RW取值应大些？还是小些？2)RW对动态参数的影响？3)若RW滑动端在中点，写出Ad、Ri、Ro表达式。调零电阻 实际电路中，由于难以做到参数理想对称，常用一个阻值很小的电阻调节，使ui1=ui2=0时u0=0.六、场效应管差分放大电路负载RL开路时：带负载RL时：与三极管差分放大电路一样也有四种输入输出方式，分析方法类似，请自己学习。(4)当输出接一12k负载时的电压增益.电路参数如图所示，已知三极管的参数求：差分放大电路举例 1解：(1)静态(2)电压增益(4)(3)因为差分放大器射极采用恒流源，所以共模信号近似为零。差分放大电路举例 2电路参数如图所示，已知结型场效应管参数gm=2mS，三极管参数rce=200k,=100，试求场效应管漏极静态电流ID2以及电路的各交流参数。解：T1、T2为场效应管组成的差分放大器，源极采用恒流源，T3、T4组成比例电流源。(1)静态源极等效电阻(2)交流参数七、差分放大电路的传输特性线性区