電路與模擬電子第三章

電路與模擬電子第三章第1頁，共57頁，2023年，2月20日，星期二

3.1場效應(yīng)管BJT是一種電流控制元件(iB~iC)，工作時，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(uGS~iD)，工作時，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溝道第2頁，共57頁，2023年，2月20日，星期二一.絕緣柵場效應(yīng)管

絕緣柵型場效應(yīng)管(MetalOxide

SemiconductorFET)，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個電極：漏極D，源極S，柵極G和襯底B。符號：第3頁，共57頁，2023年，2月20日，星期二

當(dāng)uGS＞0V時→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，漏源之間相當(dāng)兩個背靠背的二極管，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，如果此時加有漏源電壓，就可以形成漏極電流id。①柵源電壓uGS的控制作用第4頁，共57頁，2023年，2月20日，星期二

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：

uGS＜UT，管子截止，uGS＞UT，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。第5頁，共57頁，2023年，2月20日，星期二

②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第6頁，共57頁，2023年，2月20日，星期二

一個重要參數(shù)——跨導(dǎo)gm：gm=iD/uGS

uDS=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。第7頁，共57頁，2023年，2月20日，星期二

2.N溝道耗盡型MOSFET特點(diǎn)：

當(dāng)uGS=0時，就有溝道，加入uDS，就有iD。當(dāng)uGS＞0時，溝道增寬，iD進(jìn)一步增加。

當(dāng)uGS＜0時，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，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。第8頁，共57頁，2023年，2月20日，星期二

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。第9頁，共57頁，2023年，2月20日，星期二4.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)109～1015。

第10頁，共57頁，2023年，2月20日，星期二二.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PN結(jié)夾著一個N型溝道。三個電極：g：柵極d：漏極s：源極符號：N溝道P溝道第11頁，共57頁，2023年，2月20日，星期二

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

①當(dāng)uGS=0時，為平衡PN結(jié)，導(dǎo)電溝道最寬。②當(dāng)│uGS│↑時，PN結(jié)反偏，耗盡層變寬，導(dǎo)電溝道變窄，溝道電阻增大。③當(dāng)│uGS│↑到一定值時，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。

第12頁，共57頁，2023年，2月20日，星期二（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。

①當(dāng)uDS=0時，iD=0。②uDS↑→iD↑

→靠近漏極處的耗盡層加寬，溝道變窄，呈楔形分布。③當(dāng)uDS↑，使uGD=uGS-

uDS=UP時，在靠漏極處夾斷——預(yù)夾斷。預(yù)夾斷前，uDS↑→iD↑。預(yù)夾斷后，iDS↑→iD幾乎不變。④uDS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。

第13頁，共57頁，2023年，2月20日，星期二（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uGS=0VuGS=-1V設(shè)：UT=

-3V第14頁，共57頁，2023年，2月20日，星期二四個區(qū)：恒流區(qū)的特點(diǎn)：△iD/△uGS=gm≈常數(shù)

即：△iD=gm△uGS

（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)?？勺冸娮鑵^(qū)恒流區(qū)截止區(qū)擊穿區(qū)第15頁，共57頁，2023年，2月20日，星期二（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：第16頁，共57頁，2023年，2月20日，星期二4.場效應(yīng)管的主要參數(shù)(1)開啟電壓UT

UT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UP

UP是MOS耗盡型和結(jié)型FET的參數(shù)，當(dāng)uGS=UP時,漏極電流為零。

（3）飽和漏極電流IDSS

MOS耗盡型和結(jié)型FET,當(dāng)uGS=0時所對應(yīng)的漏極電流。

（4）輸入電阻RGS結(jié)型場效應(yīng)管，RGS大于107Ω，MOS場效應(yīng)管,RGS可達(dá)109～1015Ω。（5）低頻跨導(dǎo)gm

gm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PDM

PDM=UDSID，與雙極型三極管的PCM相當(dāng)。第17頁，共57頁，2023年，2月20日，星期二5.雙極型和場效應(yīng)型三極管的比較雙極型三極管單極型場效應(yīng)管載流子多子擴(kuò)散少子漂移少子漂移輸入量電流輸入電壓輸入控制電流控制電流源電壓控制電流源輸入電阻幾十到幾千歐幾兆歐以上噪聲較大較小靜電影響不受靜電影響易受靜電影響制造工藝不宜大規(guī)模集成適宜大規(guī)模和超大規(guī)模集成第18頁，共57頁，2023年，2月20日，星期二一.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。計算Q點(diǎn)：UGS、ID、UDS已知UP，由UGS=-IDR可解出Q點(diǎn)的UGS、IDUDS=VDD-ID(Rd+R)再求：ID

第19頁，共57頁，2023年，2月20日，星期二2.分壓式自偏壓電路可解出Q點(diǎn)的UGS、ID

計算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。UDS=VDD-ID(Rd+R)再求：第20頁，共57頁，2023年，2月20日，星期二二.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。第21頁，共57頁，2023年，2月20日，星期二三.場效應(yīng)管放大電路1.共源放大電路第22頁，共57頁，2023年，2月20日，星期二分析：（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）求輸出電阻則第23頁，共57頁，2023年，2月20日，星期二（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.共漏放大電路第24頁，共57頁，2023年，2月20日，星期二（4）輸出電阻所以由圖有第25頁，共57頁，2023年，2月20日，星期二第3章基本放大電路

3.1放大電路的基本概念3.2基本放大電路的靜態(tài)分析3.3基本放大電路的圖解分析3.4基本放大電路的動態(tài)分析3.5場效應(yīng)三極管放大電路的分析方法第26頁，共57頁，2023年，2月20日，星期二

1．放大電路主要利用三極管或場效應(yīng)管的控制作用放大微弱信號，輸出信號在電壓或電流的幅度上得到了放大，輸出信號的能量得到了加強(qiáng)。

3.1放大電路的基本概念3.1.1放大的概念

基本放大電路一般是指由一個三極管或場效應(yīng)管組成的放大電路，可以將基本放大電路看成一個雙端口網(wǎng)絡(luò)。2．輸出信號的能量實際上是由直流電源提供的，只是經(jīng)過三極管的控制，使之轉(zhuǎn)換成信號能量，提供給負(fù)載。第27頁，共57頁，2023年，2月20日，星期二3.1.2基本放大電路的組成及工作原理

3.1.2.1共射組態(tài)基本放大電路的組成以共射組態(tài)基本放大電路為例加以說明。電路如下所示。

構(gòu)成放大電路必須保證三極管處于放大狀態(tài)，即發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏；保證輸入信號可以加到三極管的輸入回路，同時經(jīng)三極管放大的信號，可以輸送到負(fù)載上去。

基本放大電路的組成包括：1。三極管2。偏置電阻3。負(fù)載電阻4。耦合電容5。直流電源第28頁，共57頁，2023年，2月20日，星期二三極管VT：放大信號，起的能量控制的作用；偏置電路Rb1、Rb2、Re

：使三極管發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，保證三極管具有放大能力；負(fù)載電阻：包括三極管的集電極負(fù)載電阻Rc，放大電路的負(fù)載電阻RL；耦合電容C1、C2：耦合電容對放大的交流信號可視為短路，C1、Ce可保證信號加到發(fā)射結(jié)，Ce稱旁路電容。C2可保證信號加到負(fù)載電阻RL上；直流電源VCC：向基本放大電路提供工作電流，以及在三極管的控制之下向負(fù)載輸送轉(zhuǎn)換成的信號能量。第29頁，共57頁，2023年，2月20日，星期二

3.2.1.1靜態(tài)和動態(tài)靜態(tài)——時，放大電路的工作狀態(tài)，也稱直流工作狀態(tài)。放大電路建立正確的靜態(tài)，是保證動態(tài)工作的前提。分析放大電路必須要正確地區(qū)分靜態(tài)和動態(tài)，正確地區(qū)分直流通道和交流通道。動態(tài)——時，放大電路的工作狀態(tài)，也稱交流工作狀態(tài)。第30頁，共57頁，2023年，2月20日，星期二1.RC的改變

二、放大電路參數(shù)改變對工作點(diǎn)的影響第31頁，共57頁，2023年，2月20日，星期二2.VCC的改變第32頁，共57頁，2023年，2月20日，星期二3.IB的改變第33頁，共57頁，2023年，2月20日，星期二

直流通道

交流通道

直流電源和耦合電容對交流相當(dāng)于短路即能通過直流的通道。從C、B、E向外看，有直流負(fù)載電阻，Rc、Re、Rb1、Rb1。能通過交流的電路通道。如從C、B、E向外看，有等效的交流負(fù)載電阻，

Rc//RL和偏置電阻Rb1、Rb2。若直流電源內(nèi)阻為零，交流電流流過直流電源時，沒有壓降。設(shè)C1、C2

足夠大，對信號而言，其上的交流壓降近似為零。在交流通道中，可將直流電源和耦合電容短路。3.2.1.2直流通路和交流通路

第34頁，共57頁，2023年，2月20日，星期二第3章基本放大電路3.1放大電路的基本概念

3.2基本放大電路的靜態(tài)分析3.3基本放大電路的圖解分析

第35頁，共57頁，2023年，2月20日，星期二3.2基本放大電路的靜態(tài)分析

放大電路的靜態(tài)是指輸入信號為零時的狀態(tài)，電路中只包含直流量，因此可以用放大電路的直流通路來分析。具體的分析方法有計算法和圖解法的方法。

由于三極管的特性曲線是非線性的，不能用數(shù)學(xué)表達(dá)式來描述，只能用特性曲線來表示。在分析放大電路時可采用圖解的方法。

在放大電路的輸入回路，三極管的一方，可以用三極管的輸入特性曲線表示；外電路的一方，可以用基極回路直流通路方程式來描述。

在放大電路的輸出回路，可以用三極管的輸出特性曲線和輸出側(cè)直流通路的方程式來描述。第36頁，共57頁，2023年，2月20日，星期二

3.2.1靜態(tài)和動態(tài)

靜態(tài)——時，放大電路的工作狀態(tài)，也稱直流工作狀態(tài)。放大電路建立正確的靜態(tài)，是保證動態(tài)工作的前提。分析放大電路必須要正確地區(qū)分靜態(tài)和動態(tài)，正確地區(qū)分直流通道和交流通道。動態(tài)——時，放大電路的工作狀態(tài)，也稱交流工作狀態(tài)。第37頁，共57頁，2023年，2月20日，星期二

直流通道

交流通道

直流電源和耦合電容對交流相當(dāng)于短路

即能通過直流的通道。從C、B、E向外看，有直流負(fù)載電阻，Rc、Re、Rb1、Rb1。

能通過交流的電路通道。如從C、B、E向外看，有等效的交流負(fù)載電阻，

Rc//RL和偏置電阻Rb1、Rb2。

若直流電源內(nèi)阻為零，交流電流流過直流電源時，沒有壓降。設(shè)C1、C2

足夠大，對信號而言，其上的交流壓降近似為零。在交流通道中，可將直流電源和耦合電容短路。3.2.2直流通路和交流通路

第38頁，共57頁，2023年，2月20日，星期二3.2.3靜態(tài)工作狀態(tài)的分析法

對基極偏置回路用戴文寧定理進(jìn)行變換，使基極偏置電路只具有一個網(wǎng)眼，以方便求解基極電流。

靜態(tài)分析是在輸入信號等于零的情況下進(jìn)行的，因此和放大電路的直流通路打交道。

以共射分壓偏置基本放大電路為例加以說明,根據(jù)直流通道可對放大電路的靜態(tài)進(jìn)行計算。用戴文寧定理進(jìn)行變換具體變換過程如下第39頁，共57頁，2023年，2月20日，星期二

1.靜態(tài)工作狀態(tài)的計算方法如下:

IB表達(dá)式中UBE是變量，對硅管UBE

0.6~0.8V，對鍺管UBE0.2~0.3V，

而V’CC一般在幾伏，可滿足V’CC>>UBE的條件。所以可以將UBE用固定值替代，這既簡化了計算，又不會造成太大的誤差。

IB、IC和UCE這些量代表的工作狀態(tài)稱為靜態(tài)工作點(diǎn)，用Q表示。往往將IB、IC和UCE改寫為IBQ、ICQ和UCEQ。第40頁，共57頁，2023年，2月20日，星期二2.靜態(tài)工作狀態(tài)的圖解分析法圖3-2-3放大電路靜態(tài)工作狀態(tài)的圖解分析

上述靜態(tài)工作點(diǎn)的計算，是將UBE視為常數(shù)，如果不視為常數(shù)，則需要用圖解法來求解靜態(tài)工作點(diǎn)。由于三極管的非線性，所以可以使用輸入特性曲線來表示，與基極回路的直流通方程式進(jìn)行圖解，見圖3-2-3。第41頁，共57頁，2023年，2月20日，星期二圖3-2-4放大電路靜態(tài)工作狀態(tài)的圖解分析

由于三極管的非線性，所以可以使用圖解的方法對放大電路進(jìn)行分析。放大電路的靜態(tài)工作狀態(tài)的圖解分析如圖3-2-4所示。兩個特殊點(diǎn)兩個特殊點(diǎn)第42頁，共57頁，2023年，2月20日，星期二3.在輸出回路由直流負(fù)載列出方程

UCE=VCC－IC(Rc+Re)4.在輸出特性曲線上確定兩個特殊點(diǎn)，即可畫出直流負(fù)載線。

直流負(fù)載線的確定方法：VCC、VCC/(Rc+Re)1.在輸入回路列方程式V’CC－UBE=IB[R’b+

(1+)Re]2.在輸入特性曲線上，作出輸入負(fù)載線，兩線的交點(diǎn)即是Q，由此可確定IBQ

。IBQ也可通過計算得到。5.得到Q點(diǎn)的參數(shù)IBQ、ICQ和UCEQ。第43頁，共57頁，2023年，2月20日，星期二

3.2.4電阻歸算的概念

IB表達(dá)式中分母中的(1+β)Re的物理概念可以這樣理解。所以將Re乘以(1+β)，是因為對于上圖，寫列基極電流方程時，在基極電流流過的電路網(wǎng)眼中電流不等，在基極是IB，在發(fā)射極是IE，為了保證基極電流流過Re，產(chǎn)生的電壓降與IE流過時一樣，所以要將Re乘以(1+β)。這是放大電路中經(jīng)常使用的電阻歸算的概念，將發(fā)射極回路的電阻歸算到基極回路，要乘以(1+β)；將電阻從基極回路歸算到發(fā)射極回路要除以(1+β)。以上在推導(dǎo)基極電流表達(dá)式時第44頁，共57頁，2023年，2月20日，星期二

圖示共射組態(tài)分壓偏置基本放大電路，它有穩(wěn)定工作點(diǎn)的特點(diǎn)，這是因為三極管是一種對溫度非常敏感的半導(dǎo)體元件。溫度升高，集電極電流增大；溫度降低，集電極電流減小。這將造成靜態(tài)工作點(diǎn)的移動，有可能使輸出信號產(chǎn)生失真。在實際電路中，要求流過Rb1和Rb2串聯(lián)支路的電流遠(yuǎn)大于基極電流IB。3.2.5分壓偏置的優(yōu)點(diǎn)

UBUBUBUB

這樣溫度變化引起的IB的變化，對基極電位就沒有多大的影響了，就可以用Rb1和Rb2的分壓來確定基極電位。

Re的串入有穩(wěn)定工作點(diǎn)的作用。如果集電極電流隨溫度升高而增大，則發(fā)射極對地電位升高，因基極電位基本不變，故UBE減小。從輸入特性曲線可知，UBE的減小基極電流將隨之下降，根據(jù)三極管的電流控制原理，集電極電流將下降，反之亦然。這就在一定程度上穩(wěn)定了工作點(diǎn)。分壓偏置基本放大電路具有穩(wěn)定工作點(diǎn)的條件，是流過Rb1和Rb2串聯(lián)支路的電流遠(yuǎn)大于基極電流IB（一般大于十倍以上）?？梢杂孟铝蟹椒ㄓ嬎愎ぷ鼽c(diǎn)的參數(shù)值第45頁，共57頁，2023年，2月20日，星期二第3章基本放大電路3.1放大電路的基本概念3.2基本放大電路的靜態(tài)分析

3.3基本放大電路的圖解分析3.4基本放大電路的動態(tài)分析3.5場效應(yīng)三極管放大電路的分析方法第46頁，共57頁，2023年，2月20日，星期二3.3.1放大電路的動態(tài)圖解分析

放大電路加入輸入信號的工作狀態(tài)稱為動態(tài)。動態(tài)時，電路中的電流和電壓將在靜態(tài)直流量的基礎(chǔ)上疊加交流量。可以采用交、直流分開的分析方法，即人為地把直流和交流分量分開后單獨(dú)分析，然后再把它們疊加起來。

3.3基本放大電路的圖解分析UBEubeuBE分析直流分量時，用前面剛剛講過的靜態(tài)分析；分析交流分量時，利用放大電路的交流通道。放大電路工作時直流分量和交流分量二者疊加在一起，我們用UBE表示直流量、ube表示交流量、uBE表示交直流量的總合。第47頁，共57頁，2023年，2月20日，星期二1.作出放大電路的交流通道，將大容量電容器短路，直流電源對地短路，可得到放大電路的交流通道。2.確定輸出回路交流通道的交流負(fù)載電阻為

R'L=RL∥Rc

共射基本放大電路交流通道3.3.1.1交流負(fù)載線

以分壓偏置共射組態(tài)基本放大電路為例說明這個問題：

第48頁，共57頁，2023年，2月20日，星期二3.通過輸出特性曲線上的Q點(diǎn)做一條直線，其斜率為-1/R'L。4.R'L=RL∥Rc，是交流負(fù)載電阻。

5.交流負(fù)載線是有交流輸入信號時Q點(diǎn)的運(yùn)動軌跡。

6.交流負(fù)載線與直流負(fù)載線相交Q點(diǎn)。第49頁，共57頁，2023年，2月20日，星期二關(guān)于交流負(fù)載線歸納如下：1．確定基本放大電路集電極輸出回路的交流負(fù)載電阻，本例是R’L=RL∥Rc。2．通過輸出特性曲線上的Q點(diǎn)做一直線，其斜率為1/R’L，這條線即是交流負(fù)載線。3．交流負(fù)載線與直流負(fù)載線相交，且通過Q點(diǎn)。4．交流負(fù)載線是有交流輸入信號時，工作點(diǎn)Q的運(yùn)動軌跡。

第50頁，共57頁，2023年，2月20日，星期二圖03.12放大電路的動態(tài)圖解分析（動畫3-1）3.3.1.2交流工作狀態(tài)的圖解分析

圖解分析的過程如下：1.首先畫出輸入電壓波形u