第二章-半导体三极管与分立元件放大电路.pptx

单击此处编辑母版标题样式,abcd,单击此处编辑母版文本样式,abvd,第二级,第三级,第四级,第五级,#,教学目标,1,、了解三极管结构，熟悉电路符号、电流放大作用、特性曲线、主要参数及温度对特性的影响。掌握三极管三种工作状态及其特点。,2,、熟悉放大电路的基本要求及主要性能指标。,3,、熟悉共射基本电路的组成及其工作原理。熟悉静态、动态、直流通路、交流通路的基本概念。,4,、熟悉温度对静态工作的影响,分压式工作点稳定电路组成和工作点稳定原理。,5,、会用工程估算法计算静态工作点。了解直流负载线的作法，熟悉非线性失真及其产生原因和消除方法。,教学目标,6,、掌握三极管简化微变等效电路模型和微变等效电路法，会用微等效电路法求放大电路的主要参数。,7,、熟悉共集电路组成工作原理、性能特点及其应用。,8,、了解共基电路组成、性能及其应用。,9,、了解场效应管结构、分类、工作原理、电路符号，选学主要参数、组成电路及主要参数的求法。,10,、了解多级放大电路的耦合方式及其特点，熟悉多级放大电路,A,u,、,R,i,、,R,o,计算方法。了解常用组合放大电路的组成和特点。,11,、熟悉,BJT,频率参数、单级阻容耦合共射电路频率特性和波特图。了解多级放大电路频率特性。,半导体三极管分为双极型三极管,(Bipolar junction transistor,，,BJT),和单极型三极管。,双极型三极管又称为晶体三极管，简称三极管,(,或晶体管,),，它是多数载流子与少数载流子均参与导电的三极管。,单极型三极管又称为场效应管,(Field effect transistor,，,FET),，它工作时只有多数载流子参与导电。,2.1,双极型半导体三极管,若将两个,PN,结“背靠背”地连接起来（用工艺的办法制成），则组成三极管。,1,三极管的分类,(1),按结构,(,导电类型,),划分：,NPN,和,PNP,。,(2),按所用半导体材料划分：硅管和锗管。,(3),按用途划分：放大管和开关管。,(4),按工作频率划分：低频管和高频管。,(5),按功率大小划分：小功率管、中功率管、大功率管。,2.1.1,三极管的结构、图形符号及分类,2,三极管的结构、电路符号,三极管结构与符号如图,2.1.1,所示。它们有三区：集电区、基区、发射区；三极：各对应引出的电极分别称为集电极,c,（,Collector,）、基极,b,（,Base,）和发射极,e,（,Emitter,）；两结：发射区与基区之间的,PN,结称为发射结,Je,，基区与集电区之间的,PN,结称为集电结,Jc,。,图,2.1.1,三极管的内部结构与符号,（,a,）,NPN,型 （,b,）,PNP,型,三极管实物图片,注意：,(1),两种管子的电路符号用发射极箭头方向的不同以示区别，,箭头方向表示发射结正偏时发射极电流的实际方向,。,(2),三极管具有信号放大作用。,(3),保证放大的制造工艺：,基区很薄且掺杂浓度低，发射区掺杂浓度高，集电结的面积比发射结的面积大等。,(4),在使用时三极管的发射极和集电极不能互换。,一、三极管放大的基本条件,（,1,）放大的偏置条件：,Je,正偏，,Jc,反偏。,（,2,）,NPN,管具有放大作用时的电位关系：,U,C,U,B,U,E,；,PNP,管：,U,C,U,B,U,E,。,2.1.2,三极管的电流放大作用及其放大的基本条件,二、三极管各电极上的电流分配,NPN,型三极管的电流分配实验电路如图,2.1.2,所示，图中，,I,B,为基极电流，,I,C,为集电极电流，,I,E,为发射极电流，它们的方向如图中箭头所示。,U,BE,为发射结的正偏压，,U,CE,为集电极与发射极之间的电压。,图,2.1.2,三极管电流分配实验电路,调节实验电路的电位器,R,P,可以改变,U,BE,并产生相应的基极电流,I,B,，而,I,B,的变化又将引起,I,C,和,I,E,的变化。每产生一个,I,B,值，就有一组,I,C,和,I,E,值与之对应，该实验所得数据见表,2.1.1,。,由上表得出规律：,I,E,=,I,B,+,I,C,，即发射极电流等于基极电流与集电极电流之和。,表,2.1.1,三极管三个电极上的电流分配,三、三极管的电流放大作用,由表,1.3.1,可知，当,I,B,从,0.02mA,变化到,0.03mA,时，,I,C,随之从,1.14mA,变化到了,1.74mA,，则两变化量之比（,1.74-1.14,）,/,（,0.03-0.02,）,=60,，说明此时三极管,I,C,的变化量为,I,B,的变化量的,60,倍。,（,1,）三极管的电流放大作用就是基极电流,I,B,的微小变化控制了集电极电流,I,C,较大的变化。,（,2,）三极管放大电流时，被放大的,I,C,是由电源,V,CC,提供的，并不是三极管自身生成的，放大的实质是小信号对大信号的控制作用。,（,3,）三极管是一种电流控制器件。,2.1.3,三极管的输入、输出特性曲线,三极管的各个电极上电压和电流之间的关系曲线称为三极管的伏安特性曲线或特性曲线。常用的是输入特性曲线和输出特性曲线。三极管在电路中的连接方式（组态）不同，其特性曲线也不同。,用,NPN,型管组成的共射特性曲线测试电路如图,2.1.3,所示。,图,2.1.3,三极管共射特性曲线测试电路,一、输入特性曲线（,Input characteristic curves,）,共射输入特性曲线方程式：,i,B,=,f,(,u,BE,),u,CE,=,常数。,图,2.1.4,为,NPN,型硅管,3DG4,的共射输入特性曲线。,图,2.1.4,共射输入特性曲线,(1),u,CE,0,：,c,极与,b,极相连，相当于两个二极管并联，输入特性曲线与二极管伏安特性曲线的正向特性相似。,(2),u,CE,1V,：曲线右移。,(3),u,CE,1V,：曲线与,u,CE,=1V,时的曲线近乎重合。实际中，通常就用,u,CE,1V,这条曲线来代表。,(4),三极管放大状态的依据：硅管,u,BE,=0.7V,，锗管,u,BE,=0.2V,。,二、输出特性曲线,（,Output characteristic curves,）,1,方程,输出特性曲线方程式：,i,C,=f(u,BE,),i,B,=,常数。,2,输出特性曲线测试,测试时，先调节,R,P1,使,i,B,为某一值固定不变，再调节,R,P2,，得到与之对应的,u,CE,和,i,C,值，根据所对应的值可在直角坐标系中画出一条曲线。重复上述步骤，可得不同,I,B,值的曲线族，如图,2.1.5,所示。,图,2.1.5,共射输出特性曲线,由图可知：,(1),曲线起始部分较陡，且不同,i,B,曲线的上升部分几乎重合。,(2),对一条曲线而言，,u,CE,增大，,i,C,增大，但当,u,CE,大于,0.3V,左右以后，曲线较平坦，只略有上翘。这说明三极管具有恒流特性。,(3),输出特性曲线不是直线，是非线性的，说明三极管是一种非线性器件。,3,三极管输出特性曲线的四个区,(1),放大区（,Active region,）,(2),饱和区（,Saturation region,）,(3),截止区,(Cutoff region),(4),击穿区,(Breakdown region),4,PNP,管特性曲线,由于电源电压极性和电流方向不同，,PNP,管与,NPN,管的特性曲线是相反、,“,倒置,”,的。,2.1.4,三极管的主要参数及温度对特性的影响,三极管的参数用来表征管子性能优劣和适用范围，它是合理选用三极管的依据。,一、,电流放大系数（,Current amplification factor,）,电流放大系数是表征三极管放大能力的参数。电路工作状态有两种：电路无交流信号输入而工作在直流状态时，称为静态；电路有交流信号输入而工作在交流状态时，称为动态。,1.,共发射极电路直流电流放大系数,它反映静态时集电极电流与基极电流之比值。,温度升高，,值增大。每升高,1,，,值增加,0.5%,1%,，反映在输出特性曲线上就是各条曲线的间距增大。,3.,共基极电路电流放大系数,2.,共发射极电路交流电流放大系数,在共基极电路（即信号从发射极输入，集电极输出，基极为输入输出的公共端）中，三极管的集电极电流,I,C,与发射极电流,I,E,之比称为共基极电路直流电流放大系数。,二、,极间反向电流,（,1,）,I,CBO,指发射极开路时集电极和基极之间的反向饱和电流。,I,CBO,很小，温度升高，,I,CBO,增加。一般硅管热稳定性比锗管好。,图,2.1.6,（,a,）为该参数的测试电路。,（,2,）,I,CEO,是指基极开路时，集电极和发射极之间的反向饱和电流，又称为穿透电流。,I,CEO,=(1+,),I,CBO,。,图,2.1.6,（,b,）为该参数的测试电路。,极间反向电流是由少数载流子形成的，其大小表征了管子的温度特性。,图,2.1.6,极间反向电流的测量,（,a),测量,I,CBO,的电路,（,b),测量,I,CEO,的电路,三、,极限参数,（,1,）集电极最大允许电流,I,CM,(Maximum allowable collector current),：,是指当,下降到正常,值的,2/3,时所对应的,I,C,值。当,I,C,超过这个值时，放大性能下降或损坏管子。,（,2,）反向击穿电压（,Reverse breakdown voltage,）,U,(BR)CBO,：,发射极开路时，集电极基极之间允许施加的最高反向电压，超过此值，集电结发生反向击穿。,U,(BR)EBO,：,集电极开路时，发射极基极之间允许施加的最高反向电压。,U,(BR)CEO,：,基极开路时，集电极与发射极之间所能承受的最高反向电压。为可靠工作，使用时,V,CC,取,U,(BR)CEO,的,1/2,或,2/3,。在输出特性曲线中，,i,B,0,的曲线开始急剧上翘所对应的电压即为,U,(BR)CEO,，其值比,U,(BR)CBO,小。,T,，,U,(BR),。,（,3,）集电极最大允许耗散功率,P,CM,(Maximum allowable power dissipation),：,P,CM,的大小主要决定于允许的集电结结温。一般硅管约为,150,，锗管约为,70,。显然，,P,CM,的大小与管子的散热条件及环境温度有关。且,P,CM,=,i,C,u,CE,，由此可画出三极管的安全工作区。,图,2.1.7,三极管的安全工作区,1.3.5,微型三极管简介,图,2.1.8,微型三极管外形尺寸,（,a,）,SOT-23,封装外形尺寸,(b)SOT-143,封装外形尺寸,附：三极管的引脚判别及性能检测,（一）晶体三极管的引脚判别,用万用表测三极管示意图,1,、基极的判别,2,、集电极、发射极的判别,一、,BJT,放大电路的基本要求,2.2,共射基本放大电路,要使,BJT,放大电路完成预定的放大功能，必须满足以下要求：,(1),有直流电源。三极管,Je,正偏，,Jc,反偏,，工作在放大区。,(2),输入信号能输入。,(3),输出信号能输出。,(4),信号不失真地放大，满足放大电路的性能指标要求。,2.2.1,放大电路的基本要求及主要性能指标,1,放大倍数（,Amplification,）,放大倍数是衡量放大电路放大能力的指标，常用,A,表示。放大倍数可分为电压放大倍数、电流放大倍数和功率放大倍数等。放大电路框图如图,2.2.1,所示。,二、放大电路的主要性能指标,图,2.2.1,放大电路框图,放大电路输出电流与输入电流之比，称为电流放大倍数。,工程上常用对数来表示放大倍数，称为增益,G,，单位为分贝,（,dB,），常用的有,G,u=20lg,A,u,G,i=20lg,A,i,放大电路输出电压与输入电压之比，称为电压放大倍数,相当于信号源的负载，,越大，信号源的电压更多地传输到放大电路的输入端。在电压放大电路中，希望大一些。,2,输入电阻（,Input resistance,）,输入电阻就是向放大电路输入端看进去的交流等效电阻，在数值上等于输入电压与输入电流之比，即,3,输出电阻（,Output resistance,）,图,2.2.2,输出电阻的求法,输出电阻就是从放大电路输出端（不包括负载）看进去的,交流等效电阻。输出电阻的求法如图,2.2.2,所示，即先将信号源,短路，保留内阻，将负载开路，在输出端加一交流电压,u,o,，产,生电流,i,o,，输出电阻等于,u,o,与,i,o,之比，即,图,2.2.3,共射放大电路组成,（,a),双电源电路 （,b),实际电路,2.2.2,共射基本放大电路的组成及工作原理,一、共射基本放大电路的组成,1,静态工作原理,2,动态工作原理,当正弦信号输入时，电路中各处的电压、电流是变动的，电路处于交流状态或动态工作状态，简称动态。简言之，动态就是在静态值的基础上叠加了变化的交流值。,二、工作原理,3,分析放大电路注意事项,（,1,）三极管电流和电压都是在直流量上叠加随输入信号变化的交流量，放大电路中交、直流并存。,（,2,）符号的含义：,小写字母小写下标（如,u,be,，,i,c,）为交流量,；,大写字母大写下标（如,U,BE,，,I,C,）为直流量,；,小写字母大写下标（如,u,BE,，,i,C,）为总的瞬时量（直流交流）,；,大写字母小写下标（如,U,be,，,I,c,）为有效值。,2.2.3,直流通路与交流通路,放大电路的分析包括静态分析（,Quiescent analysis,）和动态分析（,Dynamic analysis,）。两者比较如下表所示。,直流、交流通路及其画法,图,2.2.4,共射基本放大电路及其直流通路,（,a),共射放大电路 （,b,）直流通路,图,2.2.5,共射基本放大电路的交流通路,将,BJT,随意组成电路不一定能起放大作用。能否放大，一般通过直流通路和交流通路对照放大电路基本要求加以判别。,例,2.2.1,当输入电压为正弦波时，图,2.2.6,所示三极管有无放大作用？,解：在图（,a,）的电路中，,V,BB,经,R,b,向三极管的发射结提供正偏电压，,V,CC,经,R,C,向集电结提供反偏电压，因此三极管工作在放大区，但是，由于,V,BB,为恒压源，对交流信号起短路作用，因此输入信号加不到三极管的发射结，放大器没有放大作用。,图（,b,）的电路，由于,C,1,的隔断直流作用，,V,CC,不能通过,R,b,使管子的发射结正偏即发射结零偏，因此三极管不工作在放大区，无放大作用。,2.2.4,共射基本电路的静态工作点,一般，三极管的,U,BE,可视为已知量，硅管,U,BE,取,0.7V,，锗管,U,BE,取,0.2V,，,V,CC,U,BE,。,(1),从图,2.2.4,（,b,）所示共射基本电路的直流通路输入回路可得：,V,CC,=,I,B,R,b,+,U,BE,，则,I,BQ,=,（,V,CC,U,BEQ,）,/,R,b,V,CC,/,R,b,当,V,CC,和,R,b,选定后，偏流,I,B,即为固定值，故共射基本电路又称为固定偏流电路。,(2),若三极管工作在放大区，且忽略,I,CEO,，则,I,CQ,I,BQ,，,(3),从输出回路可得：,U,CEQ,=,V,CC,I,CQ,R,c,2.3.1,温度对静态工作点的影响,2.3,分压式工作点稳定电路,1,温度升高使反向饱和电流,I,CBO,增大,2,温度升高使电流放大系数,增大,3,温度升高使发射结电压,U,BE,减小,2.3.2,分压式工作点稳定电路的组成,图,2.3.1,分压式射极偏置电路,图中，,R,b1,为上偏置电,阻，,R,b2,为下偏置电阻，,R,e,为发射极电阻，,C,e,为射极旁,路电容，它的作用使电路的,交流信号放大能力不因,R,e,存,在而降低。,2.3.3,分压式工作点稳定电路的工作原理,当,R,b1,、,R,b2,选择适当，使流过,R,b1,的电流,I,1,I,B,时，流过,R,b2,的电流,I,2,I,1,I,B,I,1,，则,若电路满足,I,1,（,510,）,I,B,，,U,B,（,510,）,U,BE,由上式可知，,U,B,由,R,b1,、,R,b2,分压而定，与温度变化基本无关。,如果温度升高使,I,C,增大，则,I,E,增大，发射极电位,U,E,=,I,E,R,e,升高，结果使,U,BE,=,U,B,U,E,减小，,I,B,相应减小，从而限制了,I,C,的增大，使,I,C,基本保持不变。上述稳定工作点的过程可表示为,要提高工作点的热稳定性，应要求,I,1,I,B,和,U,B,U,BE,。,静态工作点估算,应当指出，分压式工作点稳定电路只能使工作点基本不变。实际上，当温度变化时，由于,变化，,I,C,也会有变化。在热稳定性中，,随温度变化的影响最大，利用,R,e,可减小,对,Q,点的影响。也可采用温度补偿的方法减小温度变化的影响,。,2.4.1,工程估算法,2.4,分立元件放大电路的分析方法,工程估算法也称近似估算法（,Approximata evaluation,），是在静态直流分析时，列出回路中的电压或电流方程用来近似估算工作点的方法，上两节图,2.2.4,、图,2.3.1,的静态工作点求解，就应用了近似工程算法。,2.4.2,放大电路的图解分析,在三极管的特性曲线上直接用作图的方法来分析放大电路的工作情况，称之为特性曲线图解法，简称图解法（,Graphical analysis method,）。它既可作静态分析，也可作动态分析。,一、静态分析,图,2.4.1,放大电路的静态工作图解,（,a),直流通路的分割 （,b),图解分析,(1),列输入回路方程，求,I,B,。,(2),在三极管的输出特性曲线上找出 对应的曲线。,本例就是如图,2.4.1,（,b,）,所示,i,B,=,I,B,=,40A,的那一条输出特性曲线。,(3),根据,KVL,可列出输出回路方程，亦即输出回路的直流负载线方程。,（,5,）,连接,M,、,N,得到直线,MN,，即直流负载线。,其斜率为（,1/,R,c,）。,（,6,）,直流负载线与,那条输出特性曲线的交点,Q,，就是,静态工作点,Q,。,（,7,）从图上读,Q,点所对应的电流、电压值就是静态工作点的,I,CQ,、,U,CEQ,值。,由图,2.4.1,（,b,）,可读得,U,CEQ,=6V,，,I,CQ,=1.5mA,。,（,4,）求特殊点,设,i,C,=0,，则,u,CE,=,V,cc=12V,，横坐标轴上得截点,M,（,12V,，,0,）；设,u,CE,=0,，,则,i,C,=,V,cc/,R,c,=3mA,，在纵坐标轴上得截点,N,（,0,，,3mA,）。,*,二、动态分析,图,2.4.2,动态工作图解,（,a,）由输入特性求,i,B,（,b,）由输出特性求,i,C,、,u,CE,三、静态工作点对输出波形的影响,输出信号波形与输入信号波形存在差异称为失真。由于三极管特性的非线性造成的失真称为非线性失真（,Nonlinear distortion,），分为截止失真和饱和失真。,由于三极管在部分时间内截止而引起的失真，称为截止失真。,由于三极管在部分时间内饱和而引起的失真，称为饱和失真。,图,2.4.3,波形失真,（,a),截止失真,（,b,）饱和失真,（,c,）截顶失真,由此可知，,Q,点选择不当会引起失真，概括如下表：,为了减小或避免非线性失真，必须合理选择静态工作点位置，一般选在交流负载线的中点附近，同时限制输入信号的幅度。,四、图解法的适用范围,图解法的优点是能直观形象地反映三极管工作情况，但必须实测所用管子的特性曲线，且用它进行定量分析时误差较大，此外仅能反映信号频率较低时的电压、电流关系。,因此，图解法一般适用于输出幅值较大而频率不高时的电路分析。在实际应用中，多用于分析,Q,点位置、最大不失真输出电压、失真情况及低频功放电路等。,2.4.3,微变等效电路分析法,一、三极管的微变等效模型（,Small signal equivalent circuit,）,所谓“微变”是指微小变化的信号，即小信号。在低频小信号,条件下,工作在放大状态的三极管在放大区的特性可近似看成线性,的。这时，具有非线性的三极管可用一线性电路来等效,称之为微,变等效模型。,图,2.4.4,从输入特性曲线求等效电阻,称为三极管的共射输入电阻，通常用下式估算,对于低频小功率管，,估算式可写成,是动态电阻，只能用于计算交流量,r,be,与,Q,点有关，可用图示仪测出。,一般也用公式估算,r,be,r,be,=,r,b,+(1+,),r,e,则,而,(,T,=300K),对于低频小功率管,r,b,(100,300,）,三极管集电极与发射极之间等效为受控电流源,图,2.4.5,三极管简化微变等效电路,二、三极管放大电路的微变等效电路分析,三极管的微变等效电路分析法只能用于放大电路的动态分析，而不能用于静态分析。,图,2.4.6,基本共射电路的微变等效电路,1,、电压放大倍数的估算,2,、输入电阻和输出电阻的估算公式,R,i,=,R,b,r,be,r,be,R,o,=,R,c,2.5.1,共集电路的组成、工作原理及其应用,共集电极电路电原理图和交流通路如图,2.5.1,所示。,从交流通路中可以看出，信号从基极输入，从发射极输出，集电极是输入、输出回路的公共端，故称为共集电极电路。由于被放大的信号从发射极输出，故又名,“,射极输出器,”,。,2.5,共集电路和共基电路,一、电路组成,图,2.5.1,共集电路,（,a,）原理电路 （,b,）交流通路,二、工作原理,电源,V,CC,给三极管,V,的集电结提供反偏电压，又通过,R,b,给发射结提供正偏电压，使,V,工作在放大区。,u,i,通过输入耦合电容,C,1,加,到,V,的基极，,u,o,通过输出耦合电容,C,2,送到负载,R,L,上。,三、电路静态分析,V,CC,I,B,R,b,U,BE,I,E,R,e,，又,I,E,=(1+,),I,B,则,I,C,=,I,B,U,CE,=,V,CC,I,E,R,e,V,CC,I,C,R,e,共集电路求,Q,点思路：,I,B,(,I,E,),I,C,U,CE,。,R,e,有稳定静态工作点的作用，当,I,C,因温度升高而增大时，,R,e,上的压降（,I,E,R,e,）上升，导致,U,BE,下降，牵制了,I,C,的上升。,四、共集电路性能指标估算及其应用,（,1,）由于输入电阻高，故用作高输入电阻的输入级。,（,2,）由于输出电阻低，可提高带负载能力，稳定输出电压，故用作低输出电阻的输出级。,（,3,）因,A,u,1,，可以隔离前后级的影响，起阻抗变换和缓冲作用，故用作多级放大电路的中间级,。,2.5.2,共基电路,图,2.5.2,共基电路,（,a,）原理电路 （,b,）交流通路,R,c,为集电极电阻，,R,e,为发射极偏置电阻，,R,b1,、,R,b2,为基极分压偏置电阻，构成分压式偏置电路。大电容,C,b,使基极对地交流短路。,其交流通路如图,2.5.2,（,b,）所示，信号从发射极输入，从集电极输出，基极是输入、输出回路的公共端。,1,求,Q,点,共基电路的直流通路与共射分压式工作点稳定电路的直流通路完全相同，静态工作点的求法与之相同。,思路：,U,B,I,E,I,C,U,CE,。,2,共基电路的性能指标估算,3,特点及适用场合,共基电路允许的工作频率较高，高频特性较好，多用于高频和宽频带电路和恒流源电路中。,R,o,=,R,c,共射、共基、共集电路比较,场效应晶体管,(Field effect transistor,，简称,FET),是仅由多数载流子参与导电的半导体有源器件，它是一种由输入信号电压来控制其输出电流大小的半导体三极管，为电压控制器件。,(1)FET,的主要特点,输入电阻非常高，输入端基本不取电流，噪声低，受温度、辐射影响小，制造工艺简单，便于大规模集成。,2.6,场效应晶体管及其放大电路,(2)FET,的分类,按结构划分：结型场效应管（,Junction field effect transistor,简称,JFET,）和绝缘栅型场效应管（,Insulated gate field effect transistor,，简称,IGFET,）。绝缘栅型场效应管有增强型和耗尽型两类。不论结型或增强型耗尽型绝缘栅场效应管，它们又有,N,沟道和,P,沟道两种。,2.6.1,增强型绝缘栅型场效应晶体管的结构、图形符号及其工作原理,一、结构和图形符号,增强型绝缘栅场效应管的结构示意图和电路符号如图,2.6.1,所示。其中图（,a,）为,N,沟道结构示意图。,图,2.6.1,增强型,MOS,管的结构与符号,（,a,）,N,沟道管结构示意图,（,b,）,N,沟道管符号（,c,）,P,沟道管符号,它以一块掺杂浓度较低的,P,型硅片作为衬底，利用扩散工艺在,P,型衬底上面的左右两侧制成两个高掺杂的,N,区，并用金属铝在两个,N,区引出电极，分别作为源极（,Source,）,s,和漏极（,Drain,）,d,；然后在,P,型硅片表面覆盖一层很薄的二氧化硅（,SiO,2,）绝缘层，在漏源极之间的绝缘层上再喷一层金属铝作为栅极（,Gate,）,g,；,另外在衬底引出衬底引线（,Substrate,）,B,（它通常在管内与源极,s,相连接）。可见这种管子的源极、漏极是绝缘的，故称绝缘栅场效应管。,这种管子由金属（,Metal,）、氧化物,(Oxide),和半导体,(Semiconductor),制成，故称为,MOSFET,，简称,MOS,管。,N,沟道,MOS,管称,NMOS,管，,P,沟道,MOS,管称,PMOS,管。,图,2.6.1,（,b,）,是,N,沟道增强型,MOS,管的电路符号。图中，衬底,B,的箭头方向是,PN,结正偏时的正向电流方向。,二、工作原理,本节以,N,沟道增强型,MOS,管为例讨论其工作原理。,1,、工作原理,工作时，,N,沟道增强型,MOS,管的栅源电压,u,GS,和漏源电压,u,DS,均为正向电压。,图,2.6.2 N,沟道增强型,MOS,管工作原理示意图,2.6.2,耗尽型绝缘栅场效应晶体管的结构、图形符号及其工作原理,一、结构和图形符号,图,2.6.3,耗尽型,MOS,管的结构与符号,（,a,）,N,沟道管的结构示意图 （,b,）,N,沟道管符号 （,c)P,沟道管符号,二、工作原理,当,u,GS,0,时，只要加上正向电压,u,DS,，就有,i,D,产生。,当,u,GS,由零向正值增大时，则加强了绝缘层中的电场，将吸引,更多的电子至衬底表面，使沟道加宽，,i,D,增大。,反之，,u,GS,由零向负值增大时，则削弱了绝缘层中的电场，使,沟道变窄，,i,D,减小。,当,u,GS,负向增加到某一数值时，导电沟道消失，,i,D,0,，管子截,止，此时所对应的栅源电压称为夹断电压（,Pinch off voltage,），,用,U,GS(off),表示。,1,结型场效应管也分为,N,沟道和,P,沟道两种。,2.6.3,结型场效应晶体管简介,2,结型场效应管中存在原始沟道，故属于耗尽型。,图,2.6.4,结型场效应晶体管,3,N,沟道结型场效应管正常工作时，栅源之间加反向电压，即,u,GS,0,，使两个,PN,结反偏；漏源之间加正向电压，即,u,DS,0,，形成漏极电流,i,D,。,2.6.4,各类场效应晶体管的比较,一、性能参数,2.6.5,场效应晶体管的主要参数及使用注意事项,1,、开启电压,U,GS(th),和夹断电压,U,GS(off),2,、饱和漏极电流,I,DSS,3,、直流输入电阻,R,GS,4,、低频跨导,(,互导,),g,m,二、极限参数,1,、最大漏极电流,I,DM,2,、最大耗散功率,P,DM,3,、漏源击穿电压,U,（,BR,）,DS,4,、栅源击穿电压,U,（,BR,）,GS,三、,使用注意事项,1,场效应管的漏极和源极一般可互换，但有的,MOSFET,出厂前已将源极与衬底互连，则不能互换。,2,JFET,的栅源极之间必须加反偏电压，以保证有高的输入电阻。,3,MOSFET,应防止栅极悬空，以免产生高的感应电压而击穿绝缘层，故在保存时应将栅源极间短接。,4,MOSFET,焊接时所用电烙铁外壳必须接地，应在焊接时将烙铁拔离交流电源后再焊接。,*2.6.6,场效应晶体管的偏置电路,和三极管放大电路一样，场效应管放大电路也应由偏置电路提供合适的偏压，建立一个合适而稳定的静态工作点，使管子工作在放大区。另外，不同类型的场效应管对偏置电压的极性有不同的要求。,一、自偏压电路,图,2.6.5,自偏压电路,图,2.6.5,所示的自偏压电路中，漏极电流在,R,s,上产生的源极电位,U,S,=,I,D,R,s,。由于栅极基本不取电流，,R,g,上没有压降，栅极电位,U,G,=,0,，所以栅源电压,U,GS,U,G,U,S,I,D,R,s,可见，这种栅偏压是依靠场效应管自身电流,I,D,产生的，故称为自偏压电路。显然，自偏压电路只能产生反向偏压，所以它仅适用于耗尽型,MOS,管和,JFET,管，而不能用于,U,GS,U,GS(th),时才有漏极电流的增强型,MOS,管。,二、,分压式自偏压电路,图,2.6.6,所示是在自偏压电路的基础上加接分压电阻后组成的。这种偏置电路适用于各种类型的场效应管。,为增大输入电阻，一般,R,g3,选得很大，可取几兆欧。,图,2.6.6,分压式自偏压电路,静态时，源极电位,U,S,=,I,D,R,s,。由于栅极电流为零，,R,g3,上没有电压降，故栅极电位,则栅偏压,由上式可见，适当选取,R,g1,、,R,g2,和,R,s,值，就可得到各类场效应管放大工作时所需的正、零或负的偏压。,*2.6.7,场效应晶体管放大电路及其性能指标估算,一、,场效应管的简化微变等效模型,图,2.6.7,场效应管的简化微变等效模型,从输入回路看，因为场效应管的输入电阻极高，栅极电流趋于,0,，可认为场效应管的输入回路,(g,、,s,极间,),开路。从输出回路看，场效应管的漏极电流,i,d,受栅源电压,u,gs,控制，,i,d,g,m,u,gs,，故输出回路可用一个受控电流源,g,m,u,gs,表示。,二、场效应晶体管共源放大电路的性能指标估算,图,2.6.8,自偏压共源放大电路微变等效电路,R,i,R,g,R,o,R,d,2.7.1,级间耦合方式,多级放大器内部各级之间的连接方式，称为耦合方式。,2.7,多级放大电路,常用的有,：,阻容耦合（,Resistor capacitor coupled,）,；,变压器耦合（,Transformer coupled,）,；,直接耦合（,Direct coupled,）,；,光电耦合（,Photo coupled,）。,一、阻容耦合,图,2.7.1,是用电容,2,将两个单级放大器连接起来的两级放大器。可以看出，第一级的输出信号是第二级的输入信号，第二级的输入电阻,R,i2,是第一级的负载。这种通过电容和下一级输入电阻连接起来的方式，称为阻容耦合。,图,2.7.1,两级阻容耦合放大器,阻容耦合的优点：,电容隔直，每一级的,Q,点各自独立，互不影响，这样就给电路的设计、调试和维修带来很大的方便。,只要耦合电容选得足够大，就可将前一级的输出信号在相应频率范围内几乎不衰减地传输到下一级，使信号得到充分利用。,缺点：它不能用于直流或缓慢变化信号的放大。,二、变压器耦合,级与级之间通过变压器连接的方式，称为变压器耦合。图,2.7.2,为变压器耦合两级放大电路，第一级与第二级、第二级与负载之间均采用变压器耦合方式。,图,2.7.2,变压器耦合两级放大器,变压器耦合有以下优点：,变压器隔直，各级的,Q,点相互独立。,在传输信号的同时，变压器还有阻抗变换作用，以实现阻抗匹配。,缺点：它的频率特性较差，常用于选频放大或要求不高的功率放大电路。,三、直接耦合,前级的输出端直接与后级的输入端相连接的方式，称为直接耦合。如图,2.7.3,所示。,图,2.7.3,直接耦合两级放大器,直接耦合放大电路存在问题：,各级的,Q,点不独立，相互影响，相互牵制；,需要合理地安排各级的直流电平，使它们之间能正确配合；,易产生零点漂移。,零点漂移就是当放大电路的输入信号为零时，输出端还有缓慢变化的电压产生。,优点：低频特性好，可用于直流和交流以及变化缓慢信号的放大。图,2.6.3,中采用了双电源和,NPN,与,PNP,两种管型互补直接耦合方式。由于电路中只有半导体管和电阻，便于集成，故直接耦合在集成电路中获得广泛应用。,四、光电耦合,级与级之间通过光电耦合器相连接的方式，称为光电耦合。由光敏三极管作为接收管的光电耦合器和由光敏二极管作为接收端的光电耦合器如下图所示。,光耦合器还有达林顿型、高速型、双向晶闸管型、集成电路光耦合器等。,由于它是通过电,-,光,-,电的转换来实现级间的耦合，优点：各级的直流工作点相互独立。采用光电耦合，可以提高电路的抗干扰能力。,2.7.2,多级放大电路性能参数的估算,单级放大器的某些性能指标可作为分析多级放大器的依据。多级放大器的主要性能指标采用以下方法估算。,一、电压放大倍数,由于前级的输出电压就是后级的输入电压，因此，多级放大器的电压放大倍数等于各级放大倍数之积，对于,n,级放大电路，,注意：在计算末级以外各级的电压放大倍数时，应将后级的输入电阻作为前级的负载。,二、输入电阻,多级放大器的输入电阻,R,i,就是第一级的输入电阻,R,i1,，即,R,i,=,R,i1,。,三、输出电阻,多级放大器的输出电阻等于最后一级（第,n,级）的输出电阻,R,on,，即,R,o,=,R,on,。,2.8,共射放大电路的频率特性,放大电路的频率特性可用电压放大倍数与频率的关系来描述，,即,2.8.1,频率响应的基本概念和波特图,放大倍数模值与频率之间的关系，称为幅频特性，用,A,u,(f),表示。电压放大倍数的相位与频率之间的关系，称为相频特性，用,(f),表示。,幅频特性和相频特性统称为放大电路的频率特性。,一、幅频和相频特性曲线的定性分析,图,2.8.1,考虑极间电容时的共射放大电路,1,、上、下限截止频率,当信号频率下降或上升而使电压放大倍数下降到中频区的,0.707,倍时所对应的频率分别称为下限截止频率,f,L,和上限截止频率,f,H,。这时相应的附加相移分别为,+45,和,45,。,2,、通频带,f,L,与,f,H,之间的频率范围称为通频带，用,BW,表示，即,BW,f,H,f,L,。,3,、频率特性曲线,共射放大电路频率特性曲线如下图所示，可将频率范围划分成三个区域分析。,(1),中频区,(,f,L,f,f,H,),(2),低频区,(,f,f,L,),(3),高频区,(,f,f,H,),图,2.8.2,共射放大电路频率特性曲线,（,a,）幅频特性 （,b,）相频特性,二、频率失真,幅度失真：由于放大电路对不同频率分量的放大倍数不同引起输出信号的波形失真。,相位失真：由于放大电路对不同频率分量的相移不同而造成输出信号的波形失真。,1,、幅度失真和相位失真统称为频率失真，产生原因是放大电路的通频带,BW,不够宽。,2,、失真分为线性失真和非线性失真。,频率失真为线性失真。避免方法：应使信号的频率范围在放大电路的通频带内。,非线性失真：因放大器件的非线性，工作在非线性区引起,(,截止、饱和、截顶,),失真。避免方法：使放大器件有合适,Q,点；输入信号不能过大。,三、共射基本放大电路波特图,图,2.8.3,共射基本放大电路的频率特性波特图,（,a,）幅频特性 （,b,）相频特性,工程上将幅频特性和相频特性曲线的横坐标采用对数刻度，以扩展频率范围；而纵坐标上的电压放大倍数用电压增益分贝数表示，相位差仍用线性刻度，这种对数频率特性曲线称为波特图。,一、三极管的频率参数,1,、共射截止频率,f,设三极管低频共射电流放大系数为,0,。由于三极管极间电容的存在，,值将随工作频率升高而减小。当,值下降到,0,的