电子电路基础课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,北京邮电大学出版社,电子电路基础,林家儒 编著,北京邮电大学出版社,目 录,第一章 半导体器件基础,第二章 放大电路分析基础,第三章 放大电路的频率特性分析,第四章 场效应管放大电路特性分析,第五章 负反馈放大电路,第六章 功率放大电路,第七章 差动放大电路,第八章 运算放大器和电压比较器,第九章 正弦波振荡器,第十章 直流电源,北京邮电大学出版社,第一章 半导体器件基础,1.1,半导体及其特性,1.2 PN,结及其特性,1.3,半导体二极管,1.4,半导体三极管及其工作原理,1.5,三极管的共射特性曲线及主要参数,北京邮电大学出版社,1.1,半导体及其特性,1.1.1,本征半导体及其特性,定义：纯净的半导体经过一定的工艺过程制成单晶体，称为本征半导体。,晶体中的共价键具有很强的结合力，在常温下仅有极少数的价电子受热激发得到足够的能量，挣脱共价键的束缚变成为自由电子。与此同时，在共价键中留下一个空穴。,北京邮电大学出版社,1.1,半导体及其特性,运载电流的粒子称为,载流子,。在本征半导体中，自由电子和空穴都是载流子，这是半导体导电的特殊性质。,半导体在受热激发下产生自由电子和空穴对的现象称为,本征激发,。,在一定温度下，本征半导体中载流子的浓度是一定的，并且自由电子与空穴的浓度相等。,北京邮电大学出版社,1.1,半导体及其特性,1.1.2,杂质半导体及其特性,定义：掺入杂质的本征半导体称为,杂质半导体,。,根据掺入杂质元素的不同，可形成,N,（,Negative,）型半导体和,P,（,Positive,）型半导体。,北京邮电大学出版社,1.1,半导体及其特性,N,型半导体,：,在本征半导体中掺入少量的五价元素，如磷、砷和钨，使每一个五价元素取代一个四价元素在晶体中的位置，形成,N,型半导体。,由于五价元素很容易贡献出一个电子，称之为,施主杂质,。,北京邮电大学出版社,1.1,半导体及其特性,在,N,型半导体中，由于掺入了五价元素，自由电子的浓度大于空穴的浓度。半导体中导电以电子为主，故自由电子为多数流子，简称为多子；空穴为少数载流子，简称为,少子,。,由于杂质原子可以供电子，故称之为,施主原子,。,北京邮电大学出版社,1.1,半导体及其特性,P,型半导体：,在本征半导体中掺入少量的三价元素，如硼、铝和铟，使之取代一个四价元素在晶体中的位置，形成,P,型半导体,。,由于杂质原子中的空位吸收电子，故称之为,受主杂质,。,在,P,型半导体中，空穴为多子，自由电子为少子，主要靠空穴导电。,北京邮电大学出版社,1.2 PN,结及其特性,1.2.1,PN,结的原理,采用不同的掺杂工艺，将,P,型半导体与,N,型半导体制作在一起，使这两种杂质半导体在接触处保持晶格连续，在它们的交界面就形成,PN,结。,北京邮电大学出版社,1.2 PN,结及其特性,在,PN,结中，由于,P,区的空穴浓度远远高于,N,区，,P,区的空穴越过交界面向,N,区移动；同时,N,区的自由电子浓度也远远高于,P,区，,N,区的电子越过交界面向,P,区移动；在半导体物理中，将这种移动称作,扩散运动,空穴,P,区,N,区,负离子,正离子,自由电子,图,1-4a PN,结载流子扩散运动,北京邮电大学出版社,1.2 PN,结及其特性,扩散到,P,区的自由电子与空穴复合，而扩散到,N,区的空穴与自由电子复合，在,PN,结的交界面附近多子的浓度下降，,P,区出现负离子区，,N,区出现正离子区，它们是不能移动的，人们称此正负电荷区域为,势垒区,总的电位差称为,势垒高度,P,区,N,区,势垒区,图,1-4b PN,结势垒形成示意图,图,1-4c PN,结势垒分布示意图,势垒高度,x,0,北京邮电大学出版社,1.2 PN,结及其特性,在势垒区两侧半导体中的少数载流子，由于杂乱无章的运动而进入势垒区时，势垒区的电场使这些少子作定向运动。少子在电场作用下的定向运动称作漂移运动。,在无外电场和无其它激发作用下，参与扩散运动的多子数目等于参与漂移运动的少子数目，从而达到动态平衡。,北京邮电大学出版社,1.2 PN,结及其特性,1.2.2,PN,结的导电特性,PN,结外加正向电压时处于导通状态,PN,结外加反向电压时处于截止状态,图,1-5 PN,结加正向电压处于导通状态,P,区,N,区,势垒区,V,R,I,P,区,N,区,势垒区,图,1-6 PN,结加反向电压处于截止状态,V,R,I,S,北京邮电大学出版社,1.3,半导体二极管,将,PN,结用外壳封装起来，并加上电极引线就构成了半导体二极管，简称二极管。由,P,区引出的电极为正极，由,N,区引出的电极为负极,一般来说，有三种方法来定量地分析一个电子器件的特性，即特性曲线图示法、解析式表示法和参数表示法,二极管符号,北京邮电大学出版社,1.3,半导体二极管,1.3.1,二极管的特性曲线,在二极管加有反向电压，当电压值较小时，电流极小，其电流值为反向饱和电流,IS,。当反向电压超过超过某个值时，电流开始急剧增大，称之为反向击穿，称此电压为二极管的反向击穿电压，用符号,UER,表示。,北京邮电大学出版社,1.3,半导体二极管,反向击穿按机理分为齐纳击穿和雪崩击穿两种情况。,在高掺杂浓度的情况下，因势垒区宽度很小，反向电压较大时，破坏了势垒区内共价键结构，使价电子脱离共价键束缚，产生电子,空穴对，致使电流急剧增大，这种击穿称为,齐纳击穿,。,另一种击穿为雪崩击穿。当反向电压增加到较大数值时，外加电场使少子漂移速度加快，从而与共价键中的价电子相碰撞，把价电子撞出共价键，产生新的电子,空穴对。新产生的电子,空穴被电场加速后又撞出其它价电子，载流子雪崩式地增加，致使电流急剧增加，这种击穿称为,雪崩击穿,。,北京邮电大学出版社,1.3.2,二极管特性的解析式,理论分析得到二极管的伏安特性表达式为,:,式中,IS,为反向饱和电流，,q,为电子的电量，其值为,1.60210-19,库仑；,k,是为玻耳兹曼常数，其值为,1.3810-23J/K,；,T,为绝对温度，在常温（,20,C,）相当于,K,293,K,令,则二极管的伏安特性表达式为：,北京邮电大学出版社,1.3.3,二极管的等效电阻,直流等效电阻也称静态等效电阻。如图,1-9,所示，在二极管的两端加直流电压,UQ,、产生直流电流,IQ,，此时直流等效电阻,RD,定义为,交流等效电阻表示，在二极管直流工作点确定后，交流小信号作用于二极管所产生的交流电流与交流电压的关系。在直流工作点,Q,一定，在二极管加有交流电压,u,，产生交流电流,i,，交流等效电阻,r,D,定义为,北京邮电大学出版社,1.3.3,二极管的等效电阻,当二极管上的直流电压,U,D,足够大时,在常温情况下，二极管在直流工作点,Q,的交流等效电阻,r,D,为,北京邮电大学出版社,1.3.3,二极管的等效电阻,图,1-9(a),中的,Q,点，称为二极管的直流工作点，对应的直流电压,U,Q,和直流电流,I,Q,。当二极管的直流工作点,Q,确定后，直流等效电阻,R,D,等于直线,O,Q,斜率的倒数，,R,D,值随工作点改变而发生变化,北京邮电大学出版社,1.3.4,二极管的主要参数,器件的参数是用以说明器件特性的数据。为了描述二极管的性能，通常引用以下几个主要参数,:,(1),最大整流电流,IM,：,IM,是二极管长期运行时允许通过的最大正向平均电流，其值与,PN,结面积及外部散热条件等有关。在规定散热条件下，二极管正向平均电流若超过此值，则将因为,PN,结的温度过高而烧坏。,(2),反向击穿电压,UBR,：,UBR,是二极管反向电流明显增大，超过某个规定值时的反向电压。,(3),反向电流,IS,：,IS,是二极管未击穿时的反向饱和电流。,IS,愈小，二极管的单向导电性愈好，,IS,对温度非常敏感。,(4),最高工作频率,fM,：,fM,是二极管工作的上限频率,。,北京邮电大学出版社,例,1-1,图,10(a),是由理想二极管,D,组成的电路，理想二极管是指二极管的导通电压,U,D,为,0,、反向击穿电压,U,BR,为,，设电路的输入电压,u,i,如图,10(b),所示，试画出输出,u,o,的波形,解：,由二极管的单向导电特性，输入信号正半周时二极管导通，负半周截止，故输出,u,o,的波形如右图所示。,北京邮电大学出版社,1.3.5,稳压二极管,稳压二极管是一种硅材料制成的面接触型晶体二极管，简称稳压管。稳压管在反向击穿时，在一定的电流范围内,(,或者说在一定的功率损耗范围内,),，端电压几乎不变，表现出稳压特性，因而广泛用于稳压电源与限幅电路之中。,稳压管的伏安特性及符号,北京邮电大学出版社,1.3.5,稳压二极管,稳压管的主要参数,:,(1),稳定电压,U,Z,：,U,Z,是在规定电流下稳压管的反向击穿电压。,(2),稳定电流,I,Z,：,I,Z,是稳压管工作在稳压状态时的参考电流，电流低于此值时稳压效果变坏，甚至不稳压。,(3),最大稳定电流,I,ZM|,：稳压管的电流超过此值时，会因结温升过高而损坏。,(4),动态电阻,r,D,：,r,D,是稳压管工作在稳压区时，端电压变化量与其电流变化量之比。,r,D,愈小，稳压管的稳压特性愈好。对于不同型号的管子，,r,D,将不同，从几欧到几十欧。对于同一只管子来说，工作电流愈大，,r,D,愈小。,北京邮电大学出版社,例,1-3,图,13,是由稳压二极管,D,Z,组成的电路，其稳压值为,U,Z,。设电路的直流输入电压,U,i,，试讨论输出,Uo,的值。,解：,由戴维南电源等效定理，图,13,等效的等效定理如右图所示，其中,当 时，稳压管稳压，输出 ；当 时，稳压管截止，输出 。所以，时，输出 ；否则，。,北京邮电大学出版社,1.4,半导体三极管及其工作原理,1.4.1,三极管的结构及符号,北京邮电大学出版社,1.4.1,三极管的结构及符号,发射区与基区间的,PN,结称为发射结（简称,E,结），基区与集电区间的,PN,结称为集电结（简称,C,结）。,半导体三极管并不是简单地将两个,PN,结背靠背地连接起来。关键在于两个,PN,结连接处的半导体晶体要保持连续性，并且中间的基区面积很小且杂质浓度非常低；此外，发射区的掺杂浓度很高且面积比基区大得多，但比集电区小；集电区面积很大，掺杂浓度比基区高得多，但比发射区低得多。,北京邮电大学出版社,1.4.2,三极管的电流放大原理,放大电路的组成,图所示的是由,NPN,型三极管组成的基本共射放大电路。,u,i,为交流输入电压信号，它接入基极,-,发射极回路，称为输入回路；放大后的信号在集电极,-,发射极回路，称为输出回路。由于发射极是两个回路的公共端，故称该电路为共射放大电路。为了使三极管工作处在放大状态，在输入回路加基极直流电源,V,BB,，在输出回路加集电极直流电源,V,CC,，且,V,CC,大于,V,BB,，使发射结正向偏置、集电结反向偏置。,北京邮电大学出版社,PNP,型三极管组成的基本共射放大电路如图,1-17,所示。比较图,1-17,和图,1-16,可以看到，为了使三极管工作处在放大状态，要求发射结正向偏置、集电结反向偏置，为此在图,1-17,中，在输入回路所加基极直流电源,V,BB,及输出回路所加集电极直流电源,V,CC,反向了，相应的直流电流,I,B,、,I,C,和,I,E,也都反向了，这也是,NPN,型和,PNP,型三极管符号中发射极指示方向不同的含义所在。对于交流信号，这两种电路没有任何区别,北京邮电大学出版社,1.4.2,三极管的电流放大原理,电流放大原理,三极管的电流放大表现为小的基极电流变化，引起较大的集电极电流变化。,北京邮电大学出版社,当交流输入电压信号,ui,0,时，直流电源,VBB,和,VCC,分别作用于放大电路的输入回路和输出回路，使发射结正向偏置、集电结反向偏置。因为发射结加正向电压，并且大于发射结的开启电压，使发射结的势垒变窄，又因为发射区杂质浓度高，所以有大量自由电子因扩散运动源源不断地越过发射结到达基区，从而形成了发射极电流,IE,。,由于基区面积很小，且掺杂浓度很低，从发射区扩散到基区的电子中只有,极少部分与空穴复合，形成基极电流,IB,，由此可见,IBIE,。,绝大部分从发射区扩散到基区的电子在电源,VCC,的作用下，克服集电结的阻力，越过集电结到达集电区，形成集电极电流,IC,。因此,IBICIE,。,通过上面的分析得到，在输入回路中输入较小的电流,IB,，可以在输出回路得到较大的电流,IC,，也就是说电流放大了。,当交流输入,ui,0,为小信号时，因为此时交流信号是叠加在直流上，如图,1-18(b),所示，在输入回路产生直流电流,IB,与交流电流,i B,之和，由上面的分析，在输出回路得到直流电流,IC,与交流电流,iC,之和，同时交流电流,i BI,B,（大,10,倍以上），三极管基极电压,U,B,几乎不受基极电流,I,B,的影响，,U,B,可以认为是由,R,b1,和,R,b2,决定的。如此忽略,I,B,对基极电压,U,B,的影响，基极电压,U,B,为,北京邮电大学出版社,2.3.1,三极管的直流模型及静态工作点的估算,利用三极管的直流模型，三极管发射极电压,UE,为,发射极电流,IEQ,为,基极电流,IBQ,为,三极管,C-E,间电压,UCEQ,为,北京邮电大学出版社,例,2-1,在图,2-20(a),所示的直接耦合放大电路中，三极管发射极的导通电压,UD=0.7V,、,100,、输出特性曲线如图,2-20(b),，,VCC=12V,，,Rb1=15.69k,，,Rb2=1k,，,RC=3k,，试计算其工作点、画出直流负载线、标出工作点。,北京邮电大学出版社,解,:,画出该放大电路的直流通路如右图所示,U,CEQ,=V,CC,/2,，说明静态工作点比较合适。,根据电路回路方程，直流负载线满足直线方程,U,CE,=V,CC,I,C,R,C,，当,I,C,0,时，,U,CE,=V,CC,=12V,，当,U,CE,0,时，,I,C,V,CC,/R,C,=4mA,，所以直流负载线及工作点,Q,如下图所示。,北京邮电大学出版社,2.3.2,三极管共射,h,参数等效模型,北京邮电大学出版社,2.3.2,简化,h,参数等效模型及,r,be,的表达式,1.,简化,h,参数等效模型,北京邮电大学出版社,2.,r,be,的表达式,当三极管处于放大状态时，在,Q,点附近，三极管的发射结可用一个电阻来等效，其等效结构如图,(a),所示。,三极管的输入回路的等效电路如图,(b),所示。,北京邮电大学出版社,2.3.2,动态参数分析,下面以图,(a),所示阻容耦合共射放大电路为例，介绍利用,h,参数等效电路来分析放大电路的动态特性。,北京邮电大学出版社,1.,电压放大倍数,Au,u,i,i,B,r,be,，,u,o,-,i,B,R,C,/R,L,2.,源电压放大倍数,A,S,北京邮电大学出版社,3.,输入电阻,R,i,R,i,是从放大电路输入端看进去的等效电阻,4.,输出电阻,R,o,首先令信号源电压,u,S,0,，在放大电路的输出端加电压,u,o,，产生电流,i,C,，由于输出端电压,u,o,不能作用到输入回路，所以在输入回路中,i,B,0,，在输出回路中,i,B,0,，由此,i,C,u,o,/R,C,。输出电阻,R,o,为,北京邮电大学出版社,例,2-5,如图,(a),所示的基本阻容耦合放大电路，设三极管发射极的导通电压,U,D,=0.7V,、,r,bb,=133,、,100,，,V,CC,=12V,，,R,S,=1.23k,，,R,b,=377k,，,R,C,=2k,，,R,L,=2k,，各电容值足够大，试,(1),计算工作点、,(2),计算电压放大倍数,A,u,、源电压放大倍数,A,S,、输入电阻,R,i,、输出电阻,R,o,。,北京邮电大学出版社,解,:,(1),画出该放大电路的直流如右图所示。,北京邮电大学出版社,(2),(k,),北京邮电大学出版社,2.4,共集放大电路,2.4.1,电路组成,北京邮电大学出版社,2.4.2,静态特性分析,基极电流,IBQ,发射极电流,IEQ,为,三极管,C-E,间电压,UCEQ,为,北京邮电大学出版社,2.4.3,动态特性分析,1.,电压放大倍数,u,o,(1+,)i,B,R,E,，,u,i,i,B,r,be,+u,o,i,B,r,be,+(1+,)i,B,R,E,当,(1+,)R,E,r,be,时，,Au,1,，即,uoui,。电路无电压放大能力，但是输出电流,i,E,远大于输入电流,i,B,，所以电路仍有功率放大作用。,北京邮电大学出版社,2.,输入电阻,R,i,3.,输出电阻,R,o,共集放大电路输入电阻大、输出电阻小，因而从信号源索取的电流小而且带负载能力强，所以常用于多级放大电路的输入级和输出级,北京邮电大学出版社,例,2-7,在图,2-27(a),所示电路中，,VCC=12V,，,RS=1k,，,Rb,=265k,，,RE=3k,；三极管的导通电压,UD=0.7V,，,rbb,=200,，,=99,。试计算静态工作点、,Au,、,Ri,和,Ro,。,解,:,由式,(2.32),(2.34),北京邮电大学出版社,2.4,共基放大电路,2.4.1,电路组成：,北京邮电大学出版社,2.4.1,静态特性分析,发射极电流,IEQ,为,集电极电流,ICQ,为,基极电流,IBQ,为,三极管发射极电压,UE,为,三极管集电极电压,UC,为,三极管,C-E,间电压,UCEQ,为,北京邮电大学出版社,2.4.2,动态特性分析,1.,电压放大倍数,Au,2.,输入电阻,Ri,3.,输出电阻,Ro,北京邮电大学出版社,2.4.3,三种基本电路比较,共射电路既有放大电流能力，又有能放大电压能力；输入电阻在三种电路中居中，输出电阻较大，频带较窄。常作为低频电压放大电路的单元电路。,共集电路只能放大电流不能放大电压在三种基本电路中，输入电阻最大、输出电阻最小，并具有电压跟随的特点。常用于电压放大电路的输人级和输出级，在功率放大电路中也常采用射极输出的形式。,共基电路只能做电压放大，不能放大电流；输入电阻小，电压放大倍数和输出电阻与共射电路相当；频率特性是三种接法中最好的电路。常用于宽频带放大电路。,北京邮电大学出版社,第三章 放大电路的频率特性分析,第一节 频率特性分析基础,第二节 三极管的高频等效模型,第三节 三极管交流放大倍数,的频率特性,第四节 单管放大电路的频率特性,北京邮电大学出版社,3.1,频率特性分析基础,3.1.1,低通电路,传递函数为,北京邮电大学出版社,定义电路的时间常数,RC,，令,H,1/,，则,的幅值和相角可表示为,称,fH,为低通电路的上截止频率。,北京邮电大学出版社,3.1.2,高通电路,传递函数为,与低通电路相同，电路的时间常数,RC,，令,L,1/,，则,称,fL,为高通电路的下截止频率。,北京邮电大学出版社,的幅值和相角可表示为,对于放大电路，其上截止频率,fH,与下截止频率,fL,之差即是它的通频带,Bw,，即,北京邮电大学出版社,3.1.2,波特图,在研究电路的频率特性时，采用对数坐标系画出电路的幅频特性曲线和相频特性曲线，称之为波特图。,1.,低通电路频率特性的波特图,对低通电路的幅频特性表达式取以,10,为底的对数得到：,北京邮电大学出版社,2.高通电路频率特性的波特图,对于高通电路，对数幅频特性和对数相频特性的表达式为：,北京邮电大学出版社,3.2,三极管的高频等效模型,3.2.1,三极管的,PN,结电容效应及其等效高频结构,PN,结的势垒区，对,PN,结以外的电路来说，等效为电容，称之为势垒电容。,当,PN,结处于正向偏置时，,PN,结两边半导体内的多子扩散作用加强，即从,P,区扩散到,N,区的空穴和从,N,区扩散到,P,区的电子数量增多。此时，在,P,区和,N,区内将形成一定数量的瞬间空穴电子对（如图,3-5,所示），空穴电子对的数量与外加正向电压成正比。,PN,结的这种特性对于外电路来说，也等效为电容，称之为扩散电容。,PN结的等效电容特性在外加信号频率较低时，作用甚微，因此忽略。但在分析电路的高频特性时，不容忽视。,北京邮电大学出版社,3.2.1,三极管的,PN,结电容效应及其等效高频结构,PN,结电容效应,三极管高频等效结构,北京邮电大学出版社,3.2.2,共射混合,模型,由半导体物理的理论，三极管的受控电流,i,C,与发射结电压,u,b,e,成线性关系，且与信号频率无关。因此，在高频混合,模型中引入了一个新参数,g,m,，称为跨导。,g,m,是一个常量，表明,u,b,e,对,i,C,的控制关系，,i,C,g,m,u,b,e,。,北京邮电大学出版社,3.2.3,简化单向化混合,模型,将电容,Cb,c,等效到输入和输出回路,因为电容,Cbc,的容值很小，忽略在输出回路的作用，得到三极管简化的单向化混合模型,CM,被称为密勒电容。,北京邮电大学出版社,3.3,三极管交流放大倍数,的频率特性,在高频段，当信号频率变化时,i,C,与,i,B,的关系也随之变化，即交流电流放大倍数,不再是常量，而是频率的函数。,（,C,C,b,e,C,b,c,）,定义（上）截止频率：,北京邮电大学出版社,(,jf,),对数幅频特性和对数相频特性分别为,北京邮电大学出版社,定义,fT,是,|,(,jf,)|,1,时所对应的频率，,fT,即为三极管的特征频率。,令式,(3.28),中,|,(,jf,)|,1,（,0dB,），则考虑到,0,的平方远远大于,1,，得到三极管特征频率,fT,的表达式为,北京邮电大学出版社,3.4,单管放大电路的频率特性,3.4.1,中频源电压放大倍数,在,3-14(b),所示的中频混合,等效电路中，输入电阻,R,i,R,b,/(r,bb,+r,b,e,),R,b,/r,be,，从而该电路的中频源电压放大倍数,A,SM,为,北京邮电大学出版社,3.4.2,低频段频率特性,该电路的低频源电压放大倍数,A,SL,为,北京邮电大学出版社,对上式整理得到,上式是一个高通特性表达式，所以下截止频率,f,L,为,该放大电路的低频源电压放大倍数,A,SL,为,北京邮电大学出版社,相应的对数幅频特性及相频特性的表达式为,北京邮电大学出版社,3.4.3,高频段频率特性,上截止频率,fH,为,所以,北京邮电大学出版社,相应的对数幅频特性及相频特性的表达式为,北京邮电大学出版社,3.4.4,全频段频率特性,北京邮电大学出版社,3.4.5,放大电路的增益带宽积,具有一阶低通和一阶高通特性的放大电路的对数幅频特性如图所示。,该放大电路在中频增益为,A,0,时，对应的上下截止频率和通频带分别为,f,H0,、,f,L0,和,B,W0,。如果把增益降低，通频带加宽。设在中频增益为,A,1,时，对应的上下截止频率和通频带分别为,f,H1,、,f,L1,和,B,W1,。放大电路的增益与带宽满足一定的关系。,在图中，由直角三角形,abc,的边角关系得到,整理后得到,f,T0,为放大电路的,0dB,带宽,（,|A|,1,）,北京邮电大学出版社,同样在下截止频率时,一般情况下，放大电路的下截止频率很低（只有几赫兹到几十赫兹），尤其是直接耦合放大电路，下截止频率为,0,，为此放大电路的通频带近似为,所以：,北京邮电大学出版社,第四章 场效应管放大电路特性分析,第一节 场效应管特性,第二节 场效应管的工作点设置及静态特性分析,第三节 场效应管的动态特性分析,北京邮电大学出版社,4.1,场效应管特性,4.1.1,结型场效应管符号及特性,1,.,符号,结型场效应管有,N,沟道型和,P,沟道型之分，与晶体三极管的,NPN,型和,PNP,型类似，其符号分别如图,4-1(a),和,(b),所示。三个极分别称为栅极，用符号,G,（,Grid,）表示；漏极，用符号,D,（,Drain,）表示；源极，用符号,S,（,Source,）表示。,2.,转移特性,为了使场效应管正常工 作，需要在场效应管栅源极之间加电压,U,GS,(,直流和交流,),和在漏源极之间加电压,U,DS,(,直流和交流,),北京邮电大学出版社,由于场效应管的输入电阻非常大，认为栅极电流,I,G,0,。漏极电流,I,D,受栅源极间电压,U,GS,控制，在,U,GS,0,时，,I,D,最大，随着,U,GS,的减小（负压），,I,D,减小。理论分析表明，当漏源极间电压,U,GS,足够大时，漏极电流,I,D,与栅源极间电压,U,GS,呈平方关系,I,D=,IDSO(1-,U,GS/,UGS(off)2,其中,I,DSO,为,U,GS,0,时的漏极电流，,U,GS,(off,),称为夹断电压。图,(b),给出了常见结型,N,沟道型场效应管的转移特性曲线。,北京邮电大学出版社,3.,输出特性,图,4-2(c),给出了常见结型场效应管的输出特性曲线。在输出特性曲线中，分为不饱和区、饱和区和击穿区。在不饱和区，漏源极间电压,U,DS,较小，此时漏极电流,I,D,随着,U,DS,的增加近似线性增加。在饱和区，漏源极间电压,U,DS,足够大，此时漏极电流,I,D,随着,U,DS,的增加而增加甚微，,I,D,主要受栅源极间电压,U,GS,控制，它们之间呈平方关系。当,U,DS,很大时，出现击穿区，,I,D,随着,U,DS,的增加而迅猛增加。,北京邮电大学出版社,4.1.2,结型场效应管主要参数,1.,直流参数,结型场效应管的直流参数主要有：,(1),栅源（交流）短路电流,IDSO,：结型场效应管在饱和区、,UGS,0,时的漏极电流，它实际上是漏极电流,ID,的最大值。,(2),夹断电压,UGS(off,),：在饱和区结型场效应管的漏极电流,ID,0,（通常规定,ID,50uA,）所对应的栅源间的电压值。,(3),栅源间电阻,RGS,：漏源极短路时，栅源极在一定条件下的等效电阻，,RGS,可达十几兆欧。,2.,小信号交流参数,结型场效应管的小信号交流参数主要有：,(1),正向跨导,gm,：在饱和区，固定漏极电压，漏极电流,iD,的变化量与栅源极间电压,uGS,的变化量之比，即 。,gm,的大小表明了栅极电压对漏极电流的控制能力。,北京邮电大学出版社,正向跨导,gm,可表示为,(2),漏源等效电阻,rDS,：固定栅源极间电压，漏源极间的等效电阻。在不饱和区，,rDS,较小，在百欧的量级。在饱和区，,rDS,较大，在几十千欧左右。,北京邮电大学出版社,4.1.3,绝缘栅场效应管符号及特性,1.,符号,图,4-3,绝缘栅场效应管符号,G,S,D,G,S,D,G,S,D,G,S,D,N,沟道增强型,N,沟道耗尽型,P,沟道增强型,P,沟道耗尽型,符号,绝缘栅场效应管，简称,MOS,场效应管（,MOS,：,Metal Oxide Semiconductor,，金属氧化物半导体），由于工艺和材料上的区别，有四种不同的类型：,N,沟道增强型和耗尽型、,P,沟道增强型和耗尽型，其符号分别如图,4-3,所示。,2.,转移特性,与结型场效应管类似，为了使场效应管正常工作，需要在绝缘栅场效应管栅源极之间加电压,U,GS,和在漏源极之间加电压,U,DS,，如图,(a),所示。,3.,输出特性,图,(c),给出了常见绝缘栅,N,沟道增强型场效应管的输出特性曲线。与结型场效应管的输出特性曲线没有多大区别。,北京邮电大学出版社,4.1.3,绝缘栅场效应管符号及特性,北京邮电大学出版社,4.1.4,绝缘栅效应管主要参数,1.,直流参数,绝缘栅场效应管的直流参数主要有：,(1),栅源（交流）短路电流,I,DSX,：结型场效应管在饱和区、,U,GS,U,GSX,时的漏极电流。,I,DSX,与结型场效应管的,I,DSO,略有区别，,I,DSX,不表示绝缘栅场效应管的漏极电流的最大值。,(2),开启电压,U,GS(th,),：与结型场效应管的夹断电压,U,GS(off,),相同。,(3),栅源间电阻,R,GS,：与结型场效应管相同。绝缘栅场效应管的R,GS,比结型场效应管的要大，绝缘栅的,R,GS,可达几千兆欧。,2.,小信号交流参数,绝缘栅场效应管的正向跨导,g,m,与结型的相同。漏源等效电阻,r,DS,与结型的相同。,北京邮电大学出版社,4.2,场效应管的工作点设置及静态特性分析,4.2.1,共源放大电路,图,4-6,共源放大电路,图,4-7,直流通路,北京邮电大学出版社,北京邮电大学出版社,4.2.2,自生偏置电路,由于结型和绝缘栅增强型场效应管可以工作在栅源极间电压,U,GS,为负压状态，放大电路可以自生偏置电压。,北京邮电大学出版社,北京邮电大学出版社,4.3,场效应管的动态特性分析,在小信号时，有了场效应管的等效模型，分析场效应管放大电路的动态特,性和频率特性与前几章介绍的分析方法没有什么不同。,北京邮电大学出版社,北京邮电大学出版社,第五章 负反馈放大电路,第一节 反馈基本概念及判断方法,第二节 负反馈放大电路的特性分析,第三节 负反馈对放大电路性能的影响,北京邮电大学出版社,5.1,反馈基本概念及判断方法,5.1.1,基本概念,1.,反馈的概念,反馈，也称回授，是指在一个系统中，系统的输出量的部分或全部回送到输入端，用于调整输入量，改变系统的运行状态的过程。,引入反馈的放大电路，称为反馈放大电路。,引入反馈的放大电路所对应的放大倍数称为闭环放大倍数，或闭环增益。没有引入反馈的放大电路所对应的放大倍数称为开环放大倍数，或开环增益。,图,5-1,反馈放大电路组成,北京邮电大学出版社,2.,反馈放大电路中的正、负反馈,在反馈放大电路中，如果反馈量,X,f,使基本放大电路的净输入量,X,id,在输入量,X,i,的基础上增大，即,X,id,X,i,X,f,，称电路中的反馈为,正反馈,，同时称反馈放大电路为,正反馈放大电路,；反之，反馈量,X,f,使净输入量,X,id,在输入量,X,i,的基础上减小，即,X,id,X,i,X,f,，称电路中的反馈为,负反馈,，同时称反馈放大电路为,负反馈放大电路,。,3.,反馈放大电路中的直流反馈和交流反馈,在直流通路中存在的反馈称为,直流反馈,。在交流通路中存在的反馈称为交流反馈,。,北京邮电大学出版社,5.1.2,负反馈放大电路的四种组态,输入量,i,i,、净输入量,i,B,和反馈量,i,f,所对应的三个支路是并联关系，称为（输入）并联反馈。,输入量,u,i,、净输入量,u,BE,和反馈量,u,f,所对应的三个支路是串联关系，称为（输入）串联反馈。,反馈量是随着输出电压变化而改变的，输出量是电压,uo,，称为（输出）电压反馈。,反馈量是随着输出电流变化而改变的，输出量是电流,i,E,（或,i,C,），称为（输出）电流反馈。,因此，在负反馈放大电路中，有四种组态（组合状态）：电压串联负反馈、电压并联负反馈、电流串联负反馈、电流并联负反馈。,北京邮电大学出版社5.1.3,四种组态的判断,1.,输入回路形式的判断,反馈放大电路在输入回路的形式,并联或串联的判断较为简单，主要看反馈量对应的支路与输入量和净输入量所对应的支路的关系是并联还是串联。,2.,输出回路形式的判断,反馈放大电路在输出回路的形式,电压或电流的判断，要看何种输出量（电压还是电流）直接影响反馈量。在电压反馈电路中，因为反馈量是随着输出电压,uo,变化而变化的，所以，若输出电压,uo,0,，则反馈量与输出无关，即反馈消失。,因此，负反馈放大电路在输出回路的形式,电压或电流的判断方法为：令反馈放大电路的输出电压,uo,为零，若反馈消失（反馈量与输出无关），则说明电路中引入了电压反馈；若反馈依然存在，则说明电路中引入了电流反馈。,例如在图,5-2(b),中，令输出电压,uo,0,，反馈量,if,uBE/Rf,，与输出无关，是电压反馈；在图,5-4(c),）中，令输出电压,uo,0,，输出电流,iE,（或,iC,）亦然存在，反馈量,uf,iERf,不变，是电流反馈。,北京邮电大学出版社,5.1.4,正、负反馈的判断,在分析反馈放大电路的动态特性过程中，比较直观和不容易出错的方法是首先画出交流通路，在交流通路的基础上判断放大电路的反馈组态，根据组态选择输入量、净输入量以及反馈量的形式是电压还是电流，然后进行正、负反馈的判断。,1.,输入量、净输入量和反馈量的选择,在决定了反馈放大电路的组态组态基础上，选择输入量、净输入量和反馈量形式的原则是：并联反馈选择电流、串联反馈选择电压。,2.,正、负反馈的判断,判断正、负反馈的基本方法是：在放大电路的交流通路中，规定输入量瞬间对地的极性，并以此为依据，逐级判断各相关点电流的方向和电位的极性，得到输出量的极性；然后根据输出量的极性判断出反馈量的极性；若反馈量使净输入量增大，则为正反馈；若反馈量使净输入量减小，则为负反馈。,北京邮电大学出版社,北京邮电大学出版社,北京邮电大学出版社,5.1.5,集成放大电路的反馈,图,5-11,电流串联负反馈电路,图,5-10,电压串联负反馈电路,图,5-12,电流并联负反馈电路,图,5-13,电压串联正反馈电路,北京邮电大学出版社,5.2,负反馈放大电路的特性分析,5.2.1,负反馈放大电路的基本表达形式,北京邮电大学出版社,北京邮电大学出版社,当,AF+11,时，称电路为深度负反馈放大电路。,在深度负反馈放大电路中，由式,(5.6),得到,上式表明，在深度负反馈放大电路中，可以认为放大倍数,A,f,仅取决于电路的反馈系数,F,。由于在深度负反馈放大电路中，与式,(5.4),比较发现，此时,X,i,X,f,，在负反馈放大电路中，净输入量等于输入量与输出量之差,得到,X,id,0,。也就是说，在深度负反馈放大电路中，净输入量远远小于输入量或反馈量，可以认为净输入量等于,0,，这就是在之后分析深度负反馈放大电路（包括引入负反馈的集成放大电路）过程中，引入虚短路和虚开路概念的基础。,北京邮电大学出版社,5.2.2,电压串联负反馈放大电路的特性,1.,基本形式,电压串联负反馈放大电路的基本形式如图,5-15,所示，净输入量、输入量与反馈量分别是,uid,、,ui,和,uf,，基本放大电路的放大倍数为,Au,uo,/,uid,、反馈系数为,Fu,uf,/,uo,。在深度负反馈时，电压串联负反馈放大电路的电压放大倍数,Auf,为,2.,输入电阻图,如图,5-16,所示，基本放大电路的输入电阻,Ri,uid,/ii,，整个电路的输入电阻为,图,5-16,电压串联负反馈,放大电路输入电阻,图,5-15,电压串联负反馈,放大电路基本形式,(5.8),(5.9),北京邮电大学出版社,3.,输出电阻,一般情况，由于反馈网络所引起的电流,i,远远小于电流,io,，可以忽略。电流,io,为,整个电路的输出电阻,Rof,为,上式表明引人电压负反馈后输出电阻仅为其基本放大电路输出电阻的,(1+AuFu),分之一，,1+AuFu,，,Rof,0,，因此深度电压负反馈电路的输出可近似认为恒压源。,(5.10),北京邮电大学出版社,北京邮电大学出版社,北京邮电大学出版社,5.2.3,电流并联负反馈放大电路的特性,5.2.4,电压并联负反馈放大电路的特性,5.2.5,电流串联负反馈放大电路的特性,北京邮电大学出版社,5.3,负反馈对放大电路性能的影响,5.3.1,对输入回路的影响,1.,对信号源的要求,并联负反馈适合信号源为恒流源或近似恒流源。串联负反馈适合信号源为恒压源或近似恒压源。,2.,对输入电阻的影响,串联负反馈电路输入电阻的表达式为,并联负反馈放大电路，输入电阻,R,if,的表达式为,北京邮电大学出版社,5.3.2,对输出回路的影响,1.,对输出量的影响,在电压负反馈放大电路中，电压负反馈使电路的输出电压更加稳定。,在电流负反馈放大电路中，电流负反馈使电路的输出电流更加稳定。,2.,对输出电阻的影响,电压负反馈电路输出电阻的近似表达式为,在电流负反馈放大电路中，电路输出电阻的近