第五章 放大器基礎(chǔ)

第五章放大器基礎(chǔ)第1頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月5.1半導(dǎo)體二極管及其模型電子技術(shù)就是應(yīng)用電子元器件來達(dá)到某種特定目的或完成某項(xiàng)特定任務(wù)的技術(shù)。電子技術(shù)研究的對象是電子元器件和由電子元器件構(gòu)成的各種基本功能電路，以及由某些基本功能電路所組成的有各種用途的裝置或系統(tǒng)。放大電路的作用是將微弱的電信號(hào)（電壓或電流）加以放大，習(xí)慣上稱為放大器，是構(gòu)成其他電子電路的基本單元電路，廣泛應(yīng)用于廣播、通信、測量和自動(dòng)控制系統(tǒng)中。本章首先介紹半導(dǎo)體的基本知識(shí)，討論半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)、工作原理及其模型，然后分析由半導(dǎo)體三極管構(gòu)成的基本放大電路和各種工程實(shí)用電路的結(jié)構(gòu)及工作原理，最后介紹場效應(yīng)管放大電路。下一頁返回第2頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月5.1半導(dǎo)體二極管及其模型5.1.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)1.半導(dǎo)體的特點(diǎn)和分類半導(dǎo)體是指導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)，常見的如四價(jià)元素硅、鍺、硒等，在外界溫度升高、光照或摻入適量雜質(zhì)時(shí)，它們的導(dǎo)電能力大大增強(qiáng)。因此半導(dǎo)體被用來制成熱敏器件、光敏器件和半導(dǎo)體二極管、三極管、場效應(yīng)管等電子元器件。化學(xué)成份純凈的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。在純凈的半導(dǎo)體中摻入適量雜質(zhì)元素的半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體，如果摻入的是三價(jià)元素，稱為P型半導(dǎo)體，如果摻入的是五價(jià)元素，稱為N型半導(dǎo)體。P型半導(dǎo)體的空穴為多數(shù)載流子（簡稱多子），自由電子為少數(shù)載流子（簡稱少子），N型半導(dǎo)體的自由電子為多子，空穴為少子。半導(dǎo)體有兩種載流子（自由電子和空穴）參與導(dǎo)電。2.PN結(jié)及其單向?qū)щ娞匦韵乱豁摲祷厣弦豁摰?頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月5.1半導(dǎo)體二極管及其模型1)PN結(jié)的形成在一塊完整的硅片上，用不同的摻雜工藝使其一邊形成N型半導(dǎo)體，另一邊形成P型半導(dǎo)體，那么在兩種半導(dǎo)體交界面附近就形成了PN結(jié)。在交界面附近因載流子濃度不同，多數(shù)載流子分別向異區(qū)擴(kuò)散，即P區(qū)的空穴向Ｎ區(qū)擴(kuò)散，留下負(fù)離子；圖5-1PN結(jié)的形成N區(qū)的電子向P區(qū)擴(kuò)散，留下正離子。結(jié)果在交界面處多數(shù)載流子因復(fù)合而耗盡形成空間電荷區(qū)，也叫耗盡層，或PN結(jié)，如圖5-1所示。PN結(jié)是構(gòu)成半導(dǎo)體器件的基本單元。2)PN結(jié)的單向?qū)щ娦陨厦嫠懻摰腜N結(jié)處于平衡狀態(tài)，稱為平衡PN結(jié)。PN結(jié)的基本特性只有在外加電壓時(shí)才顯示出來。①外加正向電壓PN結(jié)外加正向偏置電壓簡稱正偏。P區(qū)接電源正極，N區(qū)接電源上一頁返回下一頁第4頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月5.1半導(dǎo)體二極管及其模型負(fù)極，外電場削弱了內(nèi)電場，空間電荷區(qū)變窄，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，漂移運(yùn)動(dòng)減弱，擴(kuò)散大于漂移，形成較大的正向電流IF，稱為PN結(jié)正向?qū)?。②外加反向電壓PN結(jié)外加反向偏置電壓簡稱反偏。P區(qū)接電源負(fù)極，N區(qū)接電源正極，外電場加強(qiáng)了內(nèi)電場，空間電荷區(qū)變寬，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)減弱，漂移運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，漂移大于擴(kuò)散。由于漂移運(yùn)動(dòng)是由少子形成，數(shù)量很少，所以形成的反向電流IR很微弱，幾乎可以忽略不計(jì)，但I(xiàn)R受溫度的影響較大，此時(shí)稱為PN結(jié)反向截止。綜上所述，PN結(jié)正偏導(dǎo)通，反偏截止，即為單向?qū)щ娦浴?/p>

5.1.2半導(dǎo)體二極管1.半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)、符號(hào)及類型 在PN結(jié)的P區(qū)和N區(qū)兩側(cè)各引出一根電極，加以封裝，便形成上一頁返回下一頁第5頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月5.1半導(dǎo)體二極管及其模型半導(dǎo)體二極管，由P區(qū)引出的電極稱為陽極或正極，由N區(qū)引出的電極稱為陰極或負(fù)極。因PN結(jié)具有單向?qū)щ娦裕远O管具有單向?qū)щ娦?。如圖5-2所示為二極管的外形、基本結(jié)構(gòu)示意和符號(hào)。二極管按結(jié)構(gòu)不同，分為點(diǎn)接觸型和面接觸型。點(diǎn)接觸型二極管的PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，一般用于低頻大電流整流電路。按材料的不同，二極管分為硅管和鍺管兩種。按用途不同，二極管有普通管、整流管、變?nèi)莨堋㈤_關(guān)管和檢波管等類型。2.半導(dǎo)體二極管的伏安特性伏安特性反映了二極管外加電壓和流過二極管的關(guān)系，伏安特性是二極管的固有屬性。圖5-3示出了二極管伏安特性關(guān)系曲線的一般形狀。二極管伏安特性可分為正向特性和反向特性兩部分，下面對二極管伏安特性曲線加以說明。1)正向特性上一頁返回下一頁第6頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月5.1半導(dǎo)體二極管及其模型由圖5-3可見，當(dāng)正向電壓很低時(shí)，正向電流幾乎為零，這一部分稱為死區(qū)，相應(yīng)的A（）點(diǎn)的電壓稱為死區(qū)電壓或閾值電壓，硅管約為0.5V，鍺管約為0.1V，如圖5-3中OA（OA’）段。當(dāng)正向電壓超過死區(qū)電壓時(shí)，二極管呈現(xiàn)低電阻值，處于正向?qū)顟B(tài)。正向?qū)ê蟮亩O管管壓降變化較小，硅管為0.6~0.7V，鍺管為0.2~0.3V，如圖5-3中的AB（A’B’）段。2)反向特性對應(yīng)于圖5-3的OC（OC’）段，反向電壓在一定范圍內(nèi)增大時(shí)，反向電流極其微小且基本不變（理想情況認(rèn)為反向電流為零），此電流稱為反向飽和電流，記作IR。3)反向擊穿特性對應(yīng)于圖5-3的CD（C’D’）段，當(dāng)反向電壓增加到一定數(shù)值時(shí)，反向電流急劇增大，此時(shí)對應(yīng)的電壓稱為反向擊穿電壓，此現(xiàn)象稱為反向擊穿。上一頁返回下一頁第7頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月5.1半導(dǎo)體二極管及其模型溫度的變化，會(huì)對伏安特性產(chǎn)生很大的影響。二極管的溫度增加時(shí)，二極管的正向管壓降變小，反向飽和電流顯著增加，而反向擊穿電壓則顯著下降，尤其是鍺管，對溫度更為敏感。3.半導(dǎo)體二極管的主要參數(shù)二極管的參數(shù)反映了二極管的性能優(yōu)劣和使用條件，二極管參數(shù)是正確選擇和使用二極管的依據(jù)。二極管的主要參數(shù)有：1)最大整流電流IFIF是指二極管長時(shí)間工作時(shí)，允許通過的最大正向電流的平均值。2)最高反向工作電壓URMURM是保證二極管不被擊穿所允許施加的最大方向電壓，一般為反向擊穿電壓的1/3~1/23)反向飽和電流IRIR是指在規(guī)定的反向電壓和室溫下所測得的反向電流值。其值越小，表明管子的單向?qū)щ娦阅茉胶?。上一頁返回下一頁?頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月5.1半導(dǎo)體二極管及其模型5.1.３特殊二極管1.穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管是一種特殊的面接觸型硅二極管，其符號(hào)和伏安特性曲線如圖5-4所示。其正向特性曲線與普通二極管基本相同。但反向擊穿特性曲線很陡且穩(wěn)壓管的反向擊穿是可逆的，故它可長期工作在反向擊穿區(qū)而不致?lián)p壞。正常情況下穩(wěn)壓管工作在反向擊穿區(qū)，由于曲線很陡，反向電流在很大范圍內(nèi)變化時(shí)，穩(wěn)壓管兩端的電壓卻幾乎穩(wěn)定不變，穩(wěn)壓管就是利用這一特性在電路中起穩(wěn)壓作用的。只要反向電流不超過其最大穩(wěn)定電流，就不會(huì)引起破壞性的擊穿。因此，在電路中穩(wěn)壓管常與限流電阻串聯(lián)。與一般二極管不同，穩(wěn)壓管的主要參數(shù)如下：上一頁返回下一頁第9頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月5.1半導(dǎo)體二極管及其模型1）穩(wěn)定電壓。穩(wěn)定電壓是指穩(wěn)壓管在正常工作時(shí)管子兩端的電壓。2）穩(wěn)定電流。穩(wěn)定電流是指保持穩(wěn)定電壓時(shí)的工作電流。3）最大穩(wěn)定電流。最大穩(wěn)定電流是指穩(wěn)壓管通過的最大反向電流。穩(wěn)壓管在工作時(shí)電流不應(yīng)超出這個(gè)值。2.發(fā)光二極管發(fā)光二極管簡稱LED，是一種把電能直接轉(zhuǎn)換成光能的固體發(fā)光器件。發(fā)光二極管也是由PN結(jié)構(gòu)成的，具有單向?qū)щ娦裕?dāng)發(fā)光二極管加上正向電壓時(shí)能發(fā)出一定波長的光，采用不同的材料，可發(fā)出紅、黃、綠等不同顏色的光。圖5-5所示為發(fā)光二極管外形及圖形符號(hào)。上一頁返回第10頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月5.2半導(dǎo)體三極管及其模型5.2.1三極管的結(jié)構(gòu)、符號(hào)及類型1.三極管的結(jié)構(gòu)、符號(hào)及類型 三極管是通過一定的工藝，將兩個(gè)PN結(jié)結(jié)合在一起的器件，它是電子電路中的核心器件。三極管有NPN和PNP兩種類型，無論是NPN型還是PNP型三極管，它們內(nèi)部都含有三個(gè)區(qū)，分別稱為發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)，三個(gè)區(qū)引出的電極分別是發(fā)射極（e）、基極（b）和集電極（c），發(fā)射區(qū)和集區(qū)之間的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié)，集電區(qū)和集區(qū)之間的PN結(jié)稱為集電結(jié)。圖5-6所示為三極管的外形、內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖及符號(hào)。三極管內(nèi)部的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：發(fā)射區(qū)摻雜濃度高，即多子濃度高；基區(qū)很薄且摻雜濃度低；集電區(qū)面積大于發(fā)射區(qū)面積，摻雜濃度低。2.三極管的放大原理返回下一頁第11頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月5.2半導(dǎo)體三極管及其模型三極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是三極管能夠?qū)崿F(xiàn)放大作用的內(nèi)部條件，三極管能夠?qū)崿F(xiàn)放大所需要的外部條件是：發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置，為簡要說明三極管的電流分配關(guān)系和放大作用，忽略一些次要因素，以NPN型三極管為例，通過實(shí)驗(yàn)來了解三極管的放大原理和其中的電流分配情況，實(shí)驗(yàn)電路如圖5-7所示。改變可變電阻，則基極電流、集電極電流和發(fā)射極電流都發(fā)生變化，電流方向如圖5-7所示，測試結(jié)果列于表5-1中。3.三極管的伏安特性曲線三極管的伏安特性曲線是指各個(gè)電極間電壓與電流之間的關(guān)系，它們是三極管內(nèi)部載流子運(yùn)動(dòng)規(guī)律在管子外部的表現(xiàn)。以下仍以圖5-7電路為例進(jìn)行分析。（1）輸入特性曲線上一頁返回下一頁第12頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月5.2半導(dǎo)體三極管及其模型輸入特性曲線是指三極管集電極與發(fā)射極間電壓為常數(shù)時(shí)，輸入回路中隨變化的曲線。實(shí)驗(yàn)中，若取不同的，可得到不同的曲線。但當(dāng)≥1時(shí)，輸入特性曲線與=1的輸入特性曲線基本重合，說明此時(shí)對影響甚小。圖5-8(a)是=0時(shí)的輸入特性曲線。（2）輸出特性曲線輸出特性曲線表示輸入電流固定時(shí)，輸出回路中與的關(guān)系，即

圖5-8(b)為NPN型硅管共射極輸出特性曲線，當(dāng)改變時(shí)，可得一族曲線。由特性曲線可見，輸出特性曲線劃分為放大區(qū)、飽和區(qū)和截止區(qū)三個(gè)區(qū)域。1)截止區(qū)上一頁返回下一頁第13頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月5.2半導(dǎo)體三極管及其模型=0的特性曲線以下區(qū)域?yàn)榻刂箙^(qū)。此時(shí)三極管的集電結(jié)處于反偏，發(fā)射結(jié)電壓≤0，發(fā)射結(jié)也反偏。2)飽和區(qū)指曲線上升和彎曲處的陰影部分。此時(shí)﹤，集電極處于正偏狀態(tài)，因此影響了集電極收集載流子的能力，即使增大，也不會(huì)變化，不再受控制，三極管處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)。3)放大區(qū)指曲線族的平直部分，此時(shí)﹥0，﹥1V。三極管工作在放大區(qū)的特點(diǎn)是：只受的控制，與無關(guān)，呈現(xiàn)恒流特性。上一頁返回下一頁第14頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月5.2半導(dǎo)體三極管及其模型4．三極管的主要參數(shù)主要參數(shù)是設(shè)計(jì)三極管電路和選用三極管的依據(jù)，也是表征三極管性能的主要指標(biāo)。主要參數(shù)有以下幾個(gè)：（1)電流放大系數(shù)電流放大系數(shù)的概念前已闡述。工程實(shí)際使用中，要注意由于三極管制造工藝的限制，半導(dǎo)體器件有較大的分散性，同一種型號(hào)三極管的電流放大系數(shù)β也有很大的差別。常用的小功率三極管，β值在40～150。在選擇三極管時(shí)，如果值β太小，電流放大能力差；β值太大，對溫度的穩(wěn)定性又太差。通常小功率三極管以β=20～100為宜。（2)極間反向飽和電流ICBO和ICEO集基反向飽和電流ICBO是指發(fā)射極開路，集電結(jié)加反向電壓時(shí)，流過集電結(jié)的反向飽和電流。穿透電流ICEO是指基極開路，集電極與發(fā)射極之間的反向電流。兩者的關(guān)系為：ICEO=上一頁返回下一頁第15頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月5.2半導(dǎo)體三極管及其模型（1+β）ICBO。穿透電流ICEO也是衡量管子質(zhì)量的一個(gè)指標(biāo)。當(dāng)管子的穿透電流逐漸增大時(shí)，意味著管子已臨近使用期限，必須更換。（3)極限參數(shù)1)集電極最大允許電流ICM當(dāng)三極管的集電極電流超過一定值時(shí)，三極管的電流放大系數(shù)β值下降。ICM表示β值下降到正常值2/3時(shí)的集電極電流。為了使三極管在放大電路中能正常工作，iC不應(yīng)超過ICM。2)集電極最大耗散功率PCM集電極最大耗散功率是指三極管正常工作時(shí)最大允許消耗的功率。三極管消耗的功率PCM=UCEIC轉(zhuǎn)化為熱能損耗于管內(nèi)，并主要表現(xiàn)為溫度升高。所以，當(dāng)三極管消耗的功率超過PCM值時(shí)，其發(fā)熱量將使管子性能變差，甚至燒壞管子。因此，在使用三極管時(shí)，必須小于PCM才能保證管子正常工作。3)反向擊穿電壓U(BR)CEO反向擊穿電壓U(BR)CEO是指基極開路時(shí)，加于集電極與發(fā)射極之間的最大反向電壓。當(dāng)溫度上升時(shí)，擊穿電壓U(BR)CEO要上一頁返回下一頁第16頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月5.2半導(dǎo)體三極管及其模型下降，在實(shí)際使用中，必須滿足uCE<U(BR)CEO。5.三極管的小信號(hào)等效模型由于三極管屬于非線性元件，直接分析計(jì)算三極管構(gòu)成的電路比較復(fù)雜。當(dāng)三極管輸入微小變化的交流信號(hào)時(shí)，三極管的電壓和電流近似為線性關(guān)系。因此，在小信號(hào)輸入時(shí)，為計(jì)算方便，將三極等效為一個(gè)線性元件，稱為三極管的微變等效模型。1)三極管基極與發(fā)射極間的等效放大電路正常工作時(shí)，發(fā)射結(jié)導(dǎo)通，即基極與發(fā)射極之間相當(dāng)于一個(gè)導(dǎo)通的PN結(jié)，三極管的輸入二端口等效為一個(gè)交流電阻rbe，如圖5-9(b)所示。它是三極管輸入特性曲線上工作點(diǎn)Q附近的電壓微小變化量與電流微小變化量之比。根據(jù)三極管輸入回路結(jié)構(gòu)分析，rbe的數(shù)值可以用下列公式計(jì)算：(5-4)

式中，r’bb是基區(qū)體電阻，對于低頻小功率管，r’bb’約為100～500Ω，如果無特別說明，一般取r’bb=300Ω；IEQ為發(fā)射極靜態(tài)電流。上一頁返回下一頁第17頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月5.2半導(dǎo)體三極管及其模型2)三極管集電極與發(fā)射極間的等效當(dāng)三極管工作在放大區(qū)時(shí)，ic的大小只受ib的控制，ic=βib，即實(shí)現(xiàn)了三極管的受控恒流特性。所以，三極管集電極與發(fā)射極間可等效為一個(gè)理想受控電流源，大小為βib，如圖5-9(c)所示。將圖5-9(b)和圖5-9(c)組合，即可得到三極管的微變等效模型，如圖5-9(d)所示。上一頁返回第18頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月5.3放大電路的基本知識(shí)

5.3.1放大電路的一般概念1.放大的概念 放大電路的作用是將微弱的電信號(hào)放大到能夠驅(qū)動(dòng)負(fù)載工作所需的數(shù)值，從表面上看是將信號(hào)由小變大，實(shí)質(zhì)上，放大的過程是實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的過程。放大電路一般由電壓放大和功率放大兩部分組成。電壓放大電路將微弱的電壓信號(hào)放大到足夠的幅值，然后推動(dòng)功率放大電路，由功率放大電路輸出足夠的功率，去推動(dòng)負(fù)載（如揚(yáng)聲器、顯像管、繼電器、指示儀表等）工作。單級(jí)放大電路的放大能力不夠時(shí)，可以多級(jí)串聯(lián)構(gòu)成多級(jí)放大電路。擴(kuò)音機(jī)是放大電路應(yīng)用的一個(gè)典型例子，擴(kuò)音機(jī)由話筒、放大電路和揚(yáng)聲器三部分組成，如圖5-10所示。話筒是信號(hào)源，它將物理量聲音轉(zhuǎn)變成約幾百微伏到幾毫伏微弱的電信號(hào)，放大電路將此信號(hào)加以放大，并且輸出足夠大的能量，驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器工作。2.放大器的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)返回下一頁第19頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月5.3放大電路的基本知識(shí)放大電路放大的對象是變化量，研究放大電路除了要保證放大電路具有合適的靜態(tài)工作點(diǎn)外，更重要的是研究其放大性能。衡量放大電路性能的主要指標(biāo)有放大倍數(shù)、輸入電阻ri和輸出電阻ro。為了說明各指標(biāo)的含義，將放大電路用圖5-11所示有源線性四端網(wǎng)絡(luò)表示。圖5-11中，1-2端為放大電路的輸入端，rs為信號(hào)源內(nèi)阻，us為信號(hào)源電壓，此時(shí)放大電路的輸入電壓和電流分別為ui和ii。3-4端為放大電路的輸出端，接實(shí)際負(fù)載電阻RL，uo、io分別為電路的輸出電壓和輸出電流。1)放大倍數(shù)放大倍數(shù)是衡量放大電路放大能力的指標(biāo)。放大倍數(shù)是指輸出信號(hào)與輸入信號(hào)之比,有電壓放大倍數(shù)、電流放大倍數(shù)和功率放大倍數(shù)等表示方法，其中電壓放大倍數(shù)最常用。放大電路的輸出電壓uo和輸入電壓ui之比，稱為電壓放大倍數(shù)Au，即(5-5)上一頁返回下一頁第20頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月5.3放大電路的基本知識(shí)放大電路的輸出電流io和輸入電流ii之比，稱為電流放大倍數(shù)Ai，即(5-6)放大電路的輸出功率Po和輸入功率Pi之比，稱為功率放大倍數(shù)Ap，即(5-7)2)輸入電阻ri放大電路的輸入電阻是從輸入端1-2向放大電路看進(jìn)去的等效電阻，它等于放大電路輸出端接實(shí)際負(fù)載電阻RL后，輸入電壓ui與輸入電流ii之比,即(5-8)對于信號(hào)源來說，ri就是它的等效負(fù)載，如圖5-12所示。由圖可得(5-9)3)輸出電阻ro從輸出端向放大電路看入的等效電阻，稱為輸出電阻ro，如圖5-13所示。

上一頁返回下一頁第21頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月5.3放大電路的基本知識(shí)由圖可得，(5-10)等效輸出電阻用戴維南定理分析：將輸入信號(hào)源us短路（電流源開路），但要保留其信號(hào)源內(nèi)阻rs，用電阻串并聯(lián)方法加以化簡，計(jì)算放大電路的等效輸出電阻。實(shí)驗(yàn)方法計(jì)算輸出電阻的步驟：(1)將負(fù)載RL開路，測放大電路輸出端的開路電壓，即放大電路3-4端的開路電壓，測得有效值為U’o。(2)將負(fù)載RL接入，測量放大電路3-4端的電壓，測得有效值為Uo。(3)放大電路的輸出電阻為(5-11)由式(5-11)可以看出，ro越小，輸出電壓受負(fù)載的影響就越小，放大電路帶負(fù)載能力越強(qiáng)。因此，ro的大小反映了放大電路帶負(fù)載能力的強(qiáng)弱。上一頁返回下一頁第22頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月5.3放大電路的基本知識(shí)3.基本放大器的組成原則及工作原理圖5-14所示為基本共射放大電路，本電路采用的是NPN管。為保證放大電路能夠不失真地放大交流信號(hào)，放大電路的組成應(yīng)遵循以下原則：1)保證三極管工作在放大區(qū)

圖5-14中，直流電源VCC和基極偏置電阻Rb為了保證三極管發(fā)射結(jié)正偏，直流電源VCC和集電極電阻Rc為了保證三極管集電結(jié)反偏，此時(shí)為保證三極管集電結(jié)反偏，基極偏置電阻Rb（一般為幾十千歐至幾百千歐）應(yīng)遠(yuǎn)大于集電極電阻Rc（一般為幾千歐至幾十千歐）。

圖5-14中，直流電源VCC除了為三極管正常工作在放大區(qū)提供合適的偏置外，另一個(gè)作用是提供信號(hào)放大所需要的能量。電阻Rb決定基極偏置電流IB的大小，稱為基極偏置電阻，調(diào)整Rb可以得到合適的基極偏置電流。集電極電阻Rc能夠?qū)⒓姌O電流的變化轉(zhuǎn)換為集電極電壓的變化。上一頁返回下一頁第23頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月5.3放大電路的基本知識(shí)2)保證信號(hào)有效的傳輸

圖5-14中，電容C1、C2為耦合電容，起隔直、通交的作用，即隔斷放大電路與信號(hào)源、放大電路與負(fù)載之間的直流通路，溝通交流信號(hào)源、放大電路、負(fù)載三者之間的交流通路。耦合電容一般采用有極性的電解電容，使用時(shí)注意正負(fù)極性。放大電路由直流電源提供偏置，保證三極管正常工作在放大區(qū)，電路中存在一組直流分量。放大電路要放大的是交流信號(hào)，電路中存在一組交流分量，即電路中交、直流分量并存。下面分析圖5-14所示基本共射放大電路的工作原理。1）靜態(tài)工作情況所謂直流通路，是指當(dāng)輸入信號(hào)ui=0時(shí)，電路在直流電源VCC的作用下，直流電流所流過的路徑。在畫直流通路時(shí)，將電路中的電容開路，電感短路。圖5-14所對應(yīng)的直流通路如圖5-15(a)所示。所謂靜態(tài)，是指交流輸入信號(hào)ui=0時(shí)放大電路的工作狀態(tài)，此時(shí)上一頁返回下一頁第24頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月5.3放大電路的基本知識(shí)電路中只有直流分量。在直流電源的作用下，三極管的基極回路和集電極回路均存在著直流電流和直流電壓，即IBQ、UBEQ、ICQ、UCEQ。這四個(gè)數(shù)值分別對應(yīng)于三極管輸入、輸出特性曲線上的一個(gè)點(diǎn)“Q”，即輸入特性曲線上的點(diǎn)Q（UBEQ，IBQ），輸出特性曲線上的點(diǎn)Q（UCEQ，ICQ），如圖5-15(b)所示，習(xí)慣上稱這個(gè)“Q”點(diǎn)為放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。為了使放大電路能夠正常工作，三極管必須處于放大狀態(tài)。因此，要求三極管必須具有合適的靜態(tài)工作點(diǎn)“Q”。當(dāng)電路中的VCC、Rc、Rb確定以后，IBQ、UBEQ、ICQ、UCEQ也就隨之確定了。為了表明對應(yīng)于“Q”點(diǎn)的各參數(shù)IB、UBE、IC、UCE是靜態(tài)參數(shù)，習(xí)慣上將其分別記作IBQ、UBEQ、ICQ和UCEQ。由直流通路得基極靜態(tài)電流IBQ：

(5-12)上一頁返回下一頁第25頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月5.3放大電路的基本知識(shí)其中，UBEQ為發(fā)射結(jié)正向電壓，三極管導(dǎo)通時(shí)，UBEQ的變化很小，可近似認(rèn)為硅管UBEQ=0.6～0.8V，取0.7V鍺管UBEQ=0.1～0.3V，取0.3V當(dāng)VCC>>UBEQ時(shí)，IBQ≈VCC/Rb。根據(jù)三極管的電流放大特性，得集電極靜態(tài)電流ICQ：(5-13)再根據(jù)集電極回路可求出集電極-發(fā)射極之間的電壓UCEQ

：(5-14)注意：實(shí)際工作中如果UCEQ

的值小于1V，三極管工作在飽和區(qū)，ICQ≠βIBQ，此時(shí)三極管的集電極電流ICQ稱為飽和電流，用ICS表示，三極管集電極-發(fā)射極之間的電壓為飽和壓降，用UCES表示，則(5-15)上一頁返回下一頁第26頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月5.3放大電路的基本知識(shí)當(dāng)三極管處于臨界飽和狀態(tài)時(shí)，仍然滿足IC=βIB，此時(shí)的基極電流稱為基極臨界飽和電流，用IBS表示，則(5-16)在判斷三極管的工作狀態(tài)時(shí)，如果IBQ>IBS，認(rèn)為三極管處于飽和狀態(tài)。

圖5-14所示的基本共射極放大電路具有電路簡單的優(yōu)點(diǎn)，其基極電流IBQ=(VCC-UBEQ)/Rb是固定的，所以也稱此電路為固定偏置式電路。當(dāng)更換三極管或環(huán)境溫度變化引起三極管參數(shù)變化時(shí)，電路的靜態(tài)工作點(diǎn)會(huì)隨之變化，甚至可能移到不合適的位置而導(dǎo)致放大電路無法正常工作，如圖5-15（b)中的工作點(diǎn)，如果選的太低，即使輸入信號(hào)為正弦波，但在的負(fù)半周，由于三極管接近截止區(qū)，的負(fù)半周的波形將被削底而產(chǎn)生截止失真。若工作點(diǎn)選的過高，在的正半周，由于三極管接近飽和區(qū)，的正半周的波形將被削頂而產(chǎn)生飽和失真。飽和失真和截止失真統(tǒng)稱為非線性失真。上一頁返回下一頁第27頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月5.3放大電路的基本知識(shí)例5-1基本共射放大電路如圖5-14所示，已知VCC=12V，Rb=300kΩ，Rc=3kΩ，三極管的β=60。試估算放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)Q（忽略UBEQ）。解：根據(jù)式(5-12)，(5-13)，(5-14)可得2)動(dòng)態(tài)工作情況當(dāng)放大電路中加入正弦交流信號(hào)ui時(shí)，電路中各極的電壓、電流產(chǎn)生一組交流量。在交流輸入信號(hào)ui的作用下，只有交流電流所流過的路徑，稱為交流通路。畫交流通路時(shí)，放大電路中的耦合電容短路；由于直流電源VCC的內(nèi)阻很小（理想電壓源內(nèi)阻近似為零），對交流變化量幾乎不起作用，所以直流電源對交流視為短路。圖5-14所示基本共射放大電路的交流通路如圖5-16所示。上一頁返回下一頁第28頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月5.3放大電路的基本知識(shí)所謂動(dòng)態(tài)，是指放大電路輸入信號(hào)ui不為零時(shí)的工作狀態(tài)。當(dāng)放大電路中加入正弦交流信號(hào)ui時(shí)，電路中各極的電壓、電流都是在直流量的基礎(chǔ)上發(fā)生變化，即瞬時(shí)電壓和瞬時(shí)電流都是由直流量和交流量疊加而成的，其波形如圖5-17所示。在圖5-14中，輸入信號(hào)ui通過耦合電容C1傳送到三極管的基極與發(fā)射極之間，使得基極與發(fā)射極之間的電壓為(5-17)輸入信號(hào)ui變化時(shí)，會(huì)引起uBE隨之變化，相應(yīng)的基極電流也在原來IBQ的基礎(chǔ)上疊加了因ui變化產(chǎn)生的變化量ib。這時(shí)，基極的總電流則為直流和交流的疊加，即(5-18)經(jīng)三極管放大后得集電極電流(5-19)上一頁返回下一頁第29頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月5.3放大電路的基本知識(shí)集電極-發(fā)射極之間的電壓(5-20)

由式(5-20)可以看出，電壓uCE由兩部分組成，一部分為靜態(tài)電壓UCEQ=VCC-ICQRc，另一部分為交流動(dòng)態(tài)電壓uce=-icRc

，其中靜態(tài)電壓被耦合電容C2隔斷，交流電壓經(jīng)C2耦合到輸出端，得uo=uce=-icRc(5-21)

式中“-”表示uo與ui反相，即共射放大電路的輸出與輸入信號(hào)的相位相反。共射放大電路也稱反相器或倒相器。上一頁返回第30頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月5.4放大電路的三種基本組態(tài)

5.4.1共射極放大器1.電路基本組成及各元件作用 實(shí)用的共射放大電路如圖5-18(a)所示，為了分析動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，首先畫出放大電路的交流通路，如圖5-18(b)所示。然后將電路中的非線性元件----三極管用微變等效模型代換，得到圖5-18(c)所示的放大電路的微變等效電路。1)電壓放大倍數(shù)（有載），由圖5-18(c)可得(5-22)(5-23)(5-24)得(5-25)式中“-”表示輸入信號(hào)與輸出信號(hào)相位相反。返回下一頁第31頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月5.4放大電路的三種基本組態(tài)2)輸入電阻ri(5-26)當(dāng)Rb>>rbe時(shí)，(5-27)3)輸出電阻ro在圖5-18(c)中，根據(jù)戴維南定理等效電阻的計(jì)算方法，將信號(hào)源us=0，則ib=0，βib=0，可得輸出電阻(5-28)

5.4.2共集電極放大電路1.電路基本組成及各元件作用 電路如圖5-19(a)所示，圖5-19(b)、(c)分別是它的直流通路和交流通路。由交流通路可以看到，信號(hào)從基極輸入、發(fā)射極輸出，集電極是交流接地，是輸入回路和輸出回路的公共端，故該上一頁返回下一頁第32頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月5.4放大電路的三種基本組態(tài)電路稱為共集電極電路。由于共集電極電路的輸出信號(hào)取自發(fā)射極，故該電路又稱為射極輸出器。2.靜態(tài)分析1)共集電極放大電路的直流通路如圖5-19(b)所示。2)靜態(tài)工作點(diǎn)的估算(5-29)(5-30)(5-31)3.動(dòng)態(tài)分析共集電極放大電路的交流通路如圖5-19(c)所示，微變等效電路如圖5-19(d)所示。1)電壓放大倍數(shù)Au的估算(5-32)（其中）上一頁返回下一頁第33頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月5.4放大電路的三種基本組態(tài)(5-33)則(5-34)由于(1+β)R’L>>rbe，所以Au≈1，但略小于1。Au為正值，所以uo與ui同相。由此說明uo≈ui，即輸出信號(hào)的變化跟隨輸入信號(hào)的變化，故該電路又稱為射極跟隨器。2)輸入電阻ri的估算。由圖5-19(d)可得（5-35）

則（5-36）R’L上流過的電流是ib的(1+β)倍，為了保證等效前后的電壓不變，故把R’L折算到基極回路時(shí)應(yīng)擴(kuò)大(1+β)倍。由式（5-36）可見，共集電極電路的輸入電阻比共發(fā)射極放大上一頁返回下一頁第34頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月5.4放大電路的三種基本組態(tài)電路的輸入電阻大得多，對信號(hào)源影響程度小，這是射極輸出器的特點(diǎn)之一。3)輸出電阻ro的估算圖5-20求ro的微變等效電路根據(jù)放大電路輸出電阻的定義，在圖5-19(d)中，令us=0，并去掉負(fù)載RL，在輸出端外加一測試電壓uP，可得如圖5-20所示的微變等效電路。由圖可得(5-37)

由式(5-37)可知，基極回路的總電阻rbe+rs//Rb折算到發(fā)射極回路，需除以(1+β)。射極輸出器的輸出電阻由較大的Re和很小的r’o并聯(lián)，因而ro很小，射極輸出器帶負(fù)載能力比較強(qiáng)。上一頁返回下一頁第35頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月5.4放大電路的三種基本組態(tài)綜上所述，射極輸出器是一個(gè)具有高輸入電阻、低輸出電阻、電壓放大倍數(shù)近似為1的放大電路。射極輸出器在多級(jí)放大電路中常用作輸入級(jí)，提高電路的帶負(fù)載能力，也可作為緩沖級(jí)，用來隔離前后兩級(jí)電路的相互影響。例5-3放大電路如圖5-19(a)所示，已知Rb=240kΩ，Re=5.6kΩ，RL=5.6kΩ，VCC=10V，rs=10kΩ，硅三極管的β=40，UBE=0.7V，試求：(1)靜態(tài)工作點(diǎn)；(2)Au、ri和ro值；解：(1)

(2)上一頁返回下一頁第36頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月5.4放大電路的三種基本組態(tài)

上述估算結(jié)果表明，共集電極放大電路的特點(diǎn)有：(1)電壓放大倍數(shù)約為1，但略小于1；(2)輸入電阻很大；(3)輸出電阻很小。

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5.4.3共基極放大電路1.電路基本組成及各元件作用 共基極放大電路如圖5-21所示，圖5-22、5-23分別是它的直流通路和微變等效電路。交流信號(hào)ui經(jīng)耦合電容C1從發(fā)射極輸入，放大后從集電極經(jīng)耦合電容C2輸出，Cb為基極旁路電容，使基極交流接地，基極是輸入回路和輸出回路的公共端，因此稱為共基極放大電路。2.靜態(tài)工作情況由圖5-22所示的直流通路可知，該放大電路的直流偏置方式為分壓式偏置電路，靜態(tài)工作點(diǎn)的估算略。3.動(dòng)態(tài)工作情況由圖5-23的微變等效電路，得

上一頁返回下一頁第38頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月5.4放大電路的三種基本組態(tài)電壓放大倍數(shù)(5-37)

輸入電阻(5-38)

輸出電阻(5-39)表5-2三種基本組態(tài)放大電路的性能比較上一頁返回第39頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月5.5工程實(shí)用放大電路的構(gòu)成原理及特點(diǎn)5.5.1差動(dòng)放大電路在半導(dǎo)體制造工藝的基礎(chǔ)上，把整個(gè)電路中的元器件制作在一塊硅基片上，構(gòu)成特定功能的電子電路，稱為集成電路。在模擬集成電路中，集成運(yùn)算放大器（簡稱集成運(yùn)放）是應(yīng)用極為廣泛的一種，而集成運(yùn)放的輸入級(jí)由差分式放大電路（差動(dòng)放大電路）組成。在放大電路中，由于電源電壓的波動(dòng)，元器件參數(shù)的變化，環(huán)境溫度的變化等，放大器的輸出電壓往往會(huì)偏離初始靜態(tài)值，出現(xiàn)緩慢的、無規(guī)則的漂移，這種漂移會(huì)被逐級(jí)放大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)淹沒有用信號(hào)，使放大電路無法工作。這種現(xiàn)象稱為零點(diǎn)漂移，差動(dòng)放大電路能夠抑制零點(diǎn)漂移。1.電路組成返回下一頁第40頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月5.5工程實(shí)用放大電路的構(gòu)成原理及特點(diǎn)圖5-24(a)所示為基本差動(dòng)放大電路，它由兩個(gè)參數(shù)對稱、特性相同的單管共射放大電路組成。圖中所示電路有兩個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端，稱為雙端輸入、雙端輸出差動(dòng)放大電路。圖5-24差動(dòng)放大電路2.工作原理（恒流源差放電路）1)靜態(tài)分析2)動(dòng)態(tài)分析當(dāng)在電路的兩個(gè)輸入端各加一個(gè)大小相等、極性相反的信號(hào)電壓，即時(shí)，一管電流將增加，另一管電流則減小，所以輸出信號(hào)電壓0，即在兩輸出端間有信號(hào)電壓輸出。這種大小相等、極性相反的輸入信號(hào)稱為差模信號(hào)，用uid表示。這種輸入方式稱為差模輸入。3.抑制零點(diǎn)漂移的原理在差分式放大電路中，無論是溫度變化，還是電源電壓的波動(dòng)都會(huì)引起兩管集電極電流以及相應(yīng)的集電極電壓相同的變化，其效果相當(dāng)于在兩個(gè)輸入端加入了大小相等、極性相同的信號(hào)，稱為共模信號(hào)上一頁返回下一頁第41頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月5.5工程實(shí)用放大電路的構(gòu)成原理及特點(diǎn)4.主要技術(shù)指標(biāo)的計(jì)算在圖5-24(b)所示電路中，若輸入為差模信號(hào)，即ui1=-ui2=uid/2，則因一管的電流增加，另一管的電流減小，在電路完全對稱的條件下，iC1的增加量等于iC2的減小量，所以流過恒流源的電流不I變，ue=0，故交流通路如圖5-25所示。

5.5.2多級(jí)共射放大電路多級(jí)放大電路的組成可用圖5-26所示的框圖來表示。其中，輸入級(jí)和中間級(jí)的主要作用是實(shí)現(xiàn)電壓放大，輸出級(jí)的主要作用是功率放大，以推動(dòng)負(fù)載工作。在多級(jí)放大電路中，通常把級(jí)與級(jí)之間的連接方式稱為耦合方式。上一頁返回下一頁第42頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月5.5工程實(shí)用放大電路的構(gòu)成原理及特點(diǎn)1.多級(jí)電壓放大倍數(shù)現(xiàn)以圖5-27所示的兩級(jí)阻容耦合放大電路為例，說明多級(jí)放大電路電壓放大倍數(shù)的計(jì)算方法。在圖5-27中，由，，且，得兩級(jí)放大電路電壓放大倍數(shù)為(5-41)推廣到n級(jí)放大電路，其電壓放大倍數(shù)為(5-42)即多級(jí)放大電路的電壓放大倍數(shù)為各級(jí)電壓放大倍數(shù)之乘積。2.輸入電阻與輸出電阻輸入電阻：多級(jí)放大電路的輸入電阻，就是輸入級(jí)的輸入電阻。輸出電阻：多級(jí)放大電路的輸出電阻，就是輸出級(jí)的輸出電阻。級(jí)與級(jí)之間耦合時(shí)，需要滿足：(1)耦合后，各級(jí)放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)合適；上一頁返回下一頁第43頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月5.5工程實(shí)用放大電路的構(gòu)成原理及特點(diǎn)(2)耦合后，多級(jí)放大電路的性能指標(biāo)滿足實(shí)際工作要求；(3)前一級(jí)的輸出信號(hào)能夠順利地傳輸?shù)胶笠患?jí)的輸入端。為了滿足上述要求，一般常用的耦合方式有阻容耦合、直接耦合、變壓器耦合。放大電路級(jí)與級(jí)之間通過電容連接的耦合方式稱為阻容耦合。兩級(jí)阻容耦合共射放大電路如圖5-27所示，電容C3連接第一級(jí)放大電路的輸出端和第二級(jí)放大電路的輸入端，即將V1集電極的輸出信號(hào)耦合到V2的基極。阻容耦合多級(jí)放大電路的特點(diǎn)：①優(yōu)點(diǎn)：因電容的“隔直流”作用，前后兩級(jí)放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)相互獨(dú)立，互不影響，所以阻容耦合放大電路的分析、設(shè)計(jì)和調(diào)試方便。②缺點(diǎn)：因耦合電容對交流信號(hào)具有一定的容抗，在傳輸過程中，信號(hào)會(huì)受到一定的衰減。上一頁返回下一頁第44頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月5.5工程實(shí)用放大電路的構(gòu)成原理及特點(diǎn)5.5.3功率放大器多級(jí)放大器一般包括三部分：輸入級(jí)、中間級(jí)、輸出級(jí)。輸出級(jí)要帶一定的負(fù)載，負(fù)載的形式多種多樣，如揚(yáng)聲器、電動(dòng)機(jī)、顯像管的偏轉(zhuǎn)線圈、記錄儀等。為使負(fù)載能正常工作，就要求輸出級(jí)能夠向負(fù)載提供足夠大的功率，即要求輸出級(jí)向負(fù)載提供足夠大的電壓和電流，這種以輸出功率為主要任務(wù)的放大電路稱為功率放大電路，簡稱功放。雙電源互補(bǔ)對稱功率放大電路由于靜態(tài)時(shí)輸出端電位為零，負(fù)載可以直接連接，不需要耦合電容，因而OCL電路具有低頻響應(yīng)好、輸出功率大、便于集成等優(yōu)點(diǎn)，但需要雙電源供電，使用起來有時(shí)會(huì)感到不便。如果采用單電源供電，只要在兩管發(fā)射極與負(fù)載之間接入一個(gè)大容量電容即可。這種電路通常稱為無輸出變壓器電路，簡稱OTL上一頁返回下一頁第45頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月5.5工程實(shí)用放大電路的構(gòu)成原理及特點(diǎn)電路，如圖5-28所示。1.電路組成

圖5-28中，V1、V2組成互補(bǔ)對稱輸出級(jí)，R1、R2、V3、V4保證電路工作于甲乙類狀態(tài)，C2為大電容。靜態(tài)時(shí)，適當(dāng)選擇偏置電阻R1、R2的阻值，使兩功放管發(fā)射極電壓為UCC/2，電容C2兩端電壓也穩(wěn)定在UCC/2，這樣兩管的集、射極之間如同分別加上了UCC/2和―UCC/2的電源電壓。2.工作原理在輸入信號(hào)ui正半周，V1導(dǎo)通，V2截止，V1以射極輸出器形式將正向信號(hào)傳送給負(fù)載，同時(shí)對電容C2充電；在輸入信號(hào)ui負(fù)半周，V1截止，V2導(dǎo)通，已充電的電容C2代替負(fù)電源向V2供電，使V2也以射極輸出器形式將負(fù)向信號(hào)傳送給負(fù)載。上一頁返回第46頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月5.6場效應(yīng)管放大電路

5.6.1場效應(yīng)管的種類及其特晶體三極管是利用輸入電流控制輸出電流的半導(dǎo)體器件，因而稱為電流控制型器件。場效應(yīng)管是一種利用電場效應(yīng)來控制其電流大小的半導(dǎo)體器件，稱為電壓控制型器件。場效應(yīng)管不僅兼有體積小、重量輕、耗電省、壽命長等特點(diǎn)，而且還有輸入阻抗高、噪聲低、熱穩(wěn)定小、抗輻射能力強(qiáng)和制造工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)，因而大大擴(kuò)展了它的應(yīng)用范圍，特別是大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路中得到了廣泛的應(yīng)用。1.場效應(yīng)管的類型及結(jié)構(gòu)場效應(yīng)管類型較多，電壓極性要求和特性曲線各不相同，工程上可方便靈活選用，以適合不同的場合和要求。按結(jié)構(gòu)的不同，場效應(yīng)管可分為絕緣柵型和結(jié)型兩大類，絕緣柵型制造工藝簡單，便于集成化，在分立元件或是在集成電路中，返回下一頁第47頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月5.6場效應(yīng)管放大電路其應(yīng)用范圍遠(yuǎn)廣于結(jié)型場效應(yīng)管，本節(jié)以介紹絕緣柵型場效應(yīng)管為主。按導(dǎo)電溝道類型的不同，場效應(yīng)管可分為N型溝道和P型溝道兩種，分別簡稱為NMOS管和PMOS管。NMOS管的導(dǎo)電溝道是電子型的，PMOS管的導(dǎo)電溝道是空穴型的。按導(dǎo)電溝道形成方式的不同，場效應(yīng)管可分為增強(qiáng)型和耗盡型兩種。下面以增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管為例介紹場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)及工作原理。

圖5-29(a)所示為N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)圖，它是用摻雜濃度較低的P型硅片作襯底，在P襯底上制成兩個(gè)摻雜濃度很高的N型區(qū)域（用N+表示），從兩個(gè)N+區(qū)分別引出源極s和漏極d兩個(gè)電極，然后在上層表面生成一層二氧化碳的絕緣層，并在源極與漏極之間的二氧化碳絕緣層表面上覆蓋一層金屬鋁膜，引出柵極g。由于柵極與其他電極是絕緣的，所以稱為絕緣柵型場效應(yīng)上一頁返回下一頁第48頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月5.6場效應(yīng)管放大電路管。因?yàn)樯鲜鼋Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，場效應(yīng)管簡稱為MOS管（金屬-氧化物-半導(dǎo)體）。N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管電路符號(hào)如圖5-29(b)所示，P溝道增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管電路符號(hào)如圖5-29(c)所示。2.場效應(yīng)管的特性曲線增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管當(dāng)uGS=0時(shí)，漏極與源極之間不存在導(dǎo)電溝道，因而當(dāng)漏、源極間加上直流電壓UDS時(shí)，漏極電流iD=0。只有uGS>0，且增大到某一值時(shí)，在P型襯底表面由于外加電場而感應(yīng)出一個(gè)N型薄層，溝通了漏、源極間的導(dǎo)電溝道，電路中才有iD。對應(yīng)此時(shí)的uGS稱為增強(qiáng)型場效應(yīng)管的開啟電壓，用UGS(th)表示。一定的UDS下，uGS值越大，電場作用越強(qiáng)，感應(yīng)層越寬，導(dǎo)電溝道越寬，溝道電阻越小，iD就越大，這就是增強(qiáng)型管子的含義。N溝道MOS管的轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線如圖5-30(a)和5-30(b)所示。輸出特性的恒流區(qū)是場效應(yīng)管的放大工作區(qū)。在恒流區(qū)工作時(shí)，漏極電流iD與uGS之間的關(guān)系可用下式近似表示：(uGS≥UGS(th))

上一頁返回下一頁第49頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月5.6場效應(yīng)管放大電路式中，ID0是uGS=2UGS(th)時(shí)的值。

圖5-31為N溝道耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)圖，其結(jié)構(gòu)與增強(qiáng)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)相似，不同的是這種管子在制造時(shí)，就在兩個(gè)N+區(qū)之間形成原始導(dǎo)電溝道（在二氧化硅絕緣層中摻入大量的正離子，使兩個(gè)N+區(qū)之間的P型襯底中感應(yīng)較多的自由電子），因此，在uGS=0時(shí)，只要在漏、源極之間加上正向電壓UDS，就會(huì)產(chǎn)生漏極電流iD。通常將uGS=0時(shí)的漏極電流iD稱為飽和漏極電流，用IDSS表示。當(dāng)uGS<0時(shí)，溝道中感應(yīng)的負(fù)電荷減少，原始溝道變窄，從而使iD減小。當(dāng)uGS減小到某一負(fù)電壓時(shí)，原始導(dǎo)電溝道因外電場作用下“耗盡”而夾斷，此時(shí)，iD=0，此時(shí)的uGS稱為夾斷電壓，用UGS(off)表示。N溝道耗盡型場效應(yīng)管的特性曲線如圖5-32所示。這種管子的uGS不論是正是負(fù)或者是零都可以控制iD，這使它的使用更具有較大的靈活性。在uGS≥UGS(off))時(shí)，iD與uGS的關(guān)系可用下式表示：上一頁返回下一頁第50頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月5.6場效應(yīng)管放大電路3.場效應(yīng)管的主要參數(shù)1)直流參數(shù)夾斷電壓UGS(off)或開啟電壓UGS(th)當(dāng)漏源電壓uDS為某固定值時(shí)，使耗盡型管子的漏極電流iD減小到某一微小值（例如10μA）時(shí)，所需施加的柵源電壓即為夾斷電壓UGS(off)。當(dāng)漏源電壓uDS為某一固定值時(shí)，增強(qiáng)型場效應(yīng)管開始導(dǎo)通（iD達(dá)到某一定值，如20μA）時(shí)，所需施加的柵源電壓即為開啟電壓UGS(th)。(2)飽和漏極電流IDSS當(dāng)uDS為某固定值時(shí)，柵源電壓為零時(shí)的漏極電流稱為飽和漏極電流IDSS。(3)直流輸入電阻RGS

上一頁返回下一頁第51頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月5.6場效應(yīng)管放大電路RGS是指柵、源間所加的一定電壓與柵極電流的比值。因?yàn)镸OS管柵、源極之間存在SiO2絕緣層，故RGS數(shù)值很大，一般在1015Ω左右。2)交流參數(shù)(1)跨導(dǎo)gm在uDS為定值的條件下，漏極電流變化量與引起這個(gè)變化的柵源電壓變化量之比，稱為跨導(dǎo)或互導(dǎo)，即gm是表征柵、源電壓對漏極電流控制作用大小的一個(gè)參數(shù)。的單位是西門子（s）或（ms）。gm是轉(zhuǎn)移特性曲線上某點(diǎn)的斜率。(2)極間電容場效應(yīng)管三個(gè)電極間的電容為柵、源電容CGS和柵、漏電容CGD，它們一般為（1~3）pF，漏、源電容CDS約在(0.1~1）pF之間。極間電容與管子的工作頻率和工作速度有關(guān)。

上一頁返回下一頁第52頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月5.6場效應(yīng)管放大電路3)極限參數(shù)(1)最大漏極電流IDM是管子工作時(shí)允許的最大漏極電流。(2)最大耗散功率PDM是由管子工作時(shí)允許的最高溫升所決定的參數(shù)。(3)漏、源擊穿電壓U(BR)DS是UDS增大時(shí)使ID急劇上升時(shí)的UDS值。(4)柵、源擊穿電壓U(BR)GS是使二氧化硅絕緣層擊穿時(shí)對應(yīng)的電壓，一旦絕緣層擊穿，將造成短路現(xiàn)象，使管子損壞。4.場效應(yīng)管的模型對場效應(yīng)管放大電路進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析也可以采用圖解法和微變等效電路法。圖解法分析過程與晶體管放大電路相同，這里不再介紹。下面主要討論微變等效電路法。在小信號(hào)作用下，工作在恒流區(qū)的場效應(yīng)管可用一個(gè)線性有源二端網(wǎng)絡(luò)來等效。從輸入回路看，由于場效應(yīng)管輸入電阻很高，可看作開路；從輸出回路看，由于id=gmugs，可等效為上一頁返回下一頁第53頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月5.6場效應(yīng)管放大電路受控電流源，這樣場效應(yīng)管的等效模型如圖5-33所示。

5.6.2場效應(yīng)管放大器的構(gòu)成由于場效應(yīng)管也具有放大作用，如不考慮物理本質(zhì)上的區(qū)別，可把場效應(yīng)管的柵極(G)、源極(S)、漏極(D)分別與晶體三極管的基極(B)、發(fā)射極(E)、集電極(C)相對應(yīng)，所以場效應(yīng)管也可構(gòu)成三種基本組態(tài)電路，分別稱為共源、共漏和共柵極放大電路。下面主要介紹共源和共漏兩種放大電路。1.共源放大電路1)直流偏置及靜態(tài)分析場效應(yīng)管放大電路的組成原則和晶體管放大電路一樣，為了使輸出波形不失真，管子也必須工作在輸出特性曲線的放大區(qū)域內(nèi)，即也要設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。為此，柵源之間要加上合適的直流電壓，通常稱為柵極偏置電壓。常用的偏置電路有下面兩種形式。上一頁返回下一頁第54頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月5.6場效應(yīng)管放大電路(1)固定偏壓電路

圖5-34(a)是由N溝道耗盡型場效應(yīng)管組成的共源放大電路，C1、C2為耦合電容,Rd為漏極負(fù)載電阻，Rg為柵極電阻，Rs為源極電阻，Cs為源極旁路電容。該電路利用漏極電流IDQ在源極電阻Rs上產(chǎn)生的壓降來獲得所需的偏置電壓。由于場效應(yīng)管的柵極不吸取電流，Rg中無電流通過，因此柵極g和源極s之間的偏壓UGSQ=-IDQRs。這種偏置方式稱為自給偏壓，也稱自偏壓電路。必須指出，自給偏壓電路只能產(chǎn)生反向偏壓；所以它只適用于耗盡型場效應(yīng)管，而不適于增強(qiáng)型場效應(yīng)管，因?yàn)樵鰪?qiáng)型場效應(yīng)管的柵源電壓只有達(dá)到開啟電壓后才能產(chǎn)生漏極電流。所以增強(qiáng)型場效應(yīng)管構(gòu)成的放大電路采用圖5-34(b)所示的分壓式偏壓電路。圖中Rg1、Rg2為分壓電阻，將UDD分壓后，取Rg2上的壓降供給場效應(yīng)管柵極偏壓。由于Rg3中沒有電流，它對靜態(tài)工作點(diǎn)沒有影響，所以，由圖得(5-43)上一頁返回下一頁第55頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月5.6場效應(yīng)管放大電路由式(5-43)可見，UGSQ可正、可負(fù)，所以這種偏置方式也適用于耗盡型場效應(yīng)管。2)動(dòng)態(tài)分析對場效應(yīng)管放大電路進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析也可以采用圖解法和微變等效電路法。圖解法分析過程與晶體管放大電路相同，這里不再介紹。下面用微變等效電路法分析電路。分壓式偏置共源放大電路的微變等效電路如圖5-35所示。由圖5-35的微變等效電路，可得電壓放大倍數(shù)為：

(5-44)輸入電阻為：(5-45)上一頁返回下一頁第56頁，課件共110頁，創(chuàng)作于2023年2月5.6場效應(yīng)管放大電路由式(5-45)可以看出，Rg3是用來提高放大電路的輸入電阻的。輸出電阻：由戴維南定理可知，當(dāng)ui=0，即ugs=0時(shí)，受控電流源gmugs=0，相當(dāng)于開路，所以得放大電路的輸出電阻為(5-46)例5-4在圖5-34(b)所示的分壓式偏置共源放大電路中，已知Rg1=200kΩ，Rg2=30kΩ，R