第七章場效應(yīng)管放大電路與放大電路的頻率響應(yīng)

第七章場效應(yīng)管放大電路與放大電路的頻率響應(yīng)7.1場效應(yīng)管的外部特性7.2場效應(yīng)管放大電路7.3放大電路的頻率響應(yīng)1第七章場效應(yīng)管放大電路與放大電路的頻率響應(yīng)

FET

分類金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管（MOSFET）即絕緣柵型場效應(yīng)管（MOS管）結(jié)型場效應(yīng)管（JFET）單極型三極管—僅靠半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子導(dǎo)電噪聲小、抗輻射能力強(qiáng)、低電壓工作、低能耗場效應(yīng)三極管(FET)：利用電場效應(yīng)來控制其電流大小的半導(dǎo)體器件。FET

特點(diǎn)重點(diǎn)：增強(qiáng)型MOSFET2第七章場效應(yīng)管放大電路與放大電路的頻率響應(yīng)場效應(yīng)管有三個極：源極（s）、柵極（g）、漏極（d），對應(yīng)于三極管的：e、b、c；有三個工作區(qū)域：截止區(qū)、恒流區(qū)、可變電阻區(qū)，對應(yīng)于三極管的：截止區(qū)、放大區(qū)、飽和區(qū)。場效應(yīng)管具有制造工藝簡單、占用芯片面積小、器件特性便于控制等特點(diǎn)，從而可以用于制造高密度的超大規(guī)模集成電路。3N溝道增強(qiáng)型MOS管

絕緣柵型場效應(yīng)管MOSFET分為

增強(qiáng)型

N溝道、P溝道

耗盡型

N溝道、P溝道7.1.1增強(qiáng)型MOS管1.結(jié)構(gòu)（N溝道）7.1場效應(yīng)管的外部特性圖中襯底箭頭方向是PN結(jié)正偏時的正向電流方向42．伏安特性曲線與電流方程特性測試電路比較5K為常數(shù)，由場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)決定拋物線（1）轉(zhuǎn)移特性6（2）輸出特性曲線①截止區(qū)當(dāng)uGS<Uth

時，導(dǎo)電溝道尚未形成，

iD=0，為截止工作狀態(tài)，又稱為夾斷區(qū)。②可變電阻區(qū)

uDS≤（uGS－Uth）直線斜率的倒數(shù)為D-S間的等效電阻,改變

uGS來改變漏-源電阻的阻值(壓控電阻）2．伏安特性曲線與電流方程7iD近似為電壓uGS控制的電流源,與uDS基本無關(guān)，恒流區(qū)③飽和區(qū)（恒流區(qū)又稱放大區(qū)）利用場效應(yīng)管作放大管時，應(yīng)使其工作在該區(qū)域（2）輸出特性曲線87.1.2耗盡型MOS管的外部特性1．符號uGS=0時就存在導(dǎo)電溝道

耗盡型MOS管在

uGS＞0、uGS

＜0、uGS

＝0時均可導(dǎo)通，由于SiO2絕緣層的存在，在uGS＞0時仍保持g-s間電阻非常大的特點(diǎn)。92．伏安特性與電流方程UP101.符號JFET屬于耗盡型一類。7.1.3結(jié)型場效應(yīng)管（JFET）的外部特性(a)N溝道(b)P溝道11除了結(jié)型場效應(yīng)管必須保證uGS≤0之外，它的特性曲線與N溝道耗盡型MOS管是相似的。

2.伏安特性與電流方程12問題：uGS=0可工作在恒流區(qū)的場效應(yīng)管有哪幾種？

只有uGS＞0才可能工作在恒流區(qū)的場效應(yīng)管有哪幾種？只有uGS＜0才可能工作在恒流區(qū)的場效應(yīng)管有哪幾種？工作在恒流區(qū)時g-s、d-s間的電壓極性

7.1.4各種場效應(yīng)管的特性比較1各種FET特性比較13各種場效應(yīng)管的特性比較（1）結(jié)構(gòu)類型

工作方式

電路符號

轉(zhuǎn)移特性曲線

輸出特性曲線

絕緣柵(MOSFET)N溝道

增強(qiáng)型

耗盡型

14各種場效應(yīng)管的特性比較（2）結(jié)構(gòu)類型

工作方式

電路符號

轉(zhuǎn)移特性曲線

輸出特性曲線

絕緣柵(MOSFET)P溝道

增強(qiáng)型

耗盡型

15各種場效應(yīng)管的特性比較（3）結(jié)構(gòu)類型

工作方式

電路符號

轉(zhuǎn)移特性曲線

輸出特性曲線

結(jié)型(JFET)N溝道耗盡型結(jié)型(JFET)P溝道

耗盡型

16結(jié)構(gòu)類型

絕緣柵(MOSFET)N溝道

絕緣柵(MOSFET)P溝道

結(jié)型(JFET)N溝道

結(jié)型(JFET)P溝道

工作方式

增強(qiáng)型

耗盡型

增強(qiáng)型

耗盡型

耗盡型

耗盡型

電路符號

轉(zhuǎn)移特性曲線

輸出特性曲線

各種場效應(yīng)管的特性比較（4）17【例7.1.1】：已知某場效應(yīng)管的輸出特性曲線如圖所示。試分析該場效應(yīng)管是什么類型的場效應(yīng)管（結(jié)型、絕緣柵型、N溝道、P溝道、增強(qiáng)型、耗盡型）。所以，該管為N溝道增強(qiáng)型MOS管。解：從iD的方向或uDS、uGS可知，該管為N溝道管。從輸出特性曲線可知，開啟電壓Uth=4>0，說明該管為增強(qiáng)型MOS管。

7.1.4各種場效應(yīng)管的特性比較187.2.1場效應(yīng)管的直流偏置及靜態(tài)分析7.2場效應(yīng)管放大電路根據(jù)場效應(yīng)管工作在恒流區(qū)的條件，在g-s、d-s間加極性合適的電源1.基本共源放大電路19由正電源獲得負(fù)偏壓稱為自給偏壓1.自給偏壓電路耗盡型FET適用20

【例7.2.1】

場效應(yīng)管偏置電路及其轉(zhuǎn)移特性曲線如圖所示。試求IDQ、UGSQ及UDSQ的值。解：由圖(b)可讀得：IDSS=2.3mA、UP=－3V。列方程組解方程組得到兩個解：IDQ1=1.01mA、IDQ2=8.9mA，其中IDQ2>IDSS，不合實(shí)際，舍去(?)。1.自給偏壓電路21

故1.自給偏壓電路解方程組得到兩個解：IDQ1=1.01mA、IDQ2=8.9mA，其中IDQ2>IDSS，不合實(shí)際，舍去。(UGSQ<0才合理)22

自給偏壓電路中源極電阻越大，電路靜態(tài)工作點(diǎn)越穩(wěn)定。但是源極電阻太大會使偏置太大，電路的工作點(diǎn)將接近截止點(diǎn)，使得gm和Au隨之減小。增強(qiáng)型場效應(yīng)管只有柵-源電壓先達(dá)到某個開啟電壓Uth時才有漏極電流iD，因此對增強(qiáng)型場效應(yīng)管不能使用自偏壓電路。分壓式偏置電路可克服此缺點(diǎn)。7.2場效應(yīng)管放大電路23即典型的Q點(diǎn)穩(wěn)定電路適合任何類型的場效應(yīng)管構(gòu)成的放大電路。為什么加Rg3?其數(shù)值應(yīng)大些小些？2.分壓式偏置電路242.分壓式偏置電路A25

【例7.2.4】

圖示電路中N溝道增強(qiáng)型MOSFET的參數(shù)為：Uth=1V，K=0.5mA/V2。求UGSQ，UDSQ，IDQ。解：假設(shè)場效應(yīng)管的工作在恒流區(qū)解得：2.分壓式偏置電路26

解得：因?yàn)槭荖溝道增強(qiáng)型MOSFET，舍去負(fù)值得：2.分壓式偏置電路UDS>(UGS?Uth)=1.65V，所以假設(shè)成立。271．場效應(yīng)管的微變等效電路輸入回路中，由于柵-源極之間呈現(xiàn)很高的電阻，基本不從信號源索取電流，故可認(rèn)為柵-源間近似開路。因而可認(rèn)為輸出回路是一個電壓控制的電流源。rds它是輸出特性曲線在靜態(tài)工作點(diǎn)上斜率的倒數(shù)，相當(dāng)于三極管的rce，其數(shù)值通常比較大，可以認(rèn)為是開路。在輸出回路中，漏極電流僅僅決定于柵-源電壓，滿足id=gmugs7.2.2場效應(yīng)管的微變等效電路282．場效應(yīng)管線性化模型的交流參數(shù)①對于耗盡型管在靜態(tài)工點(diǎn)處，用IDQ代入得

根據(jù)iD的表達(dá)式或轉(zhuǎn)移特性可求得gm。(1)低頻互導(dǎo)gm292．場效應(yīng)管線性化模型的交流參數(shù)

②對于增強(qiáng)型管可見，gm與Q點(diǎn)密切相關(guān)，與三極管放大電路一樣，Q點(diǎn)不僅影響電路是否會產(chǎn)生失真，而且影響著電路的動態(tài)參數(shù)。①對于耗盡型管302．場效應(yīng)管線性化模型的交流參數(shù)輸出特性曲線上某一點(diǎn)切線斜率的倒數(shù)體現(xiàn)了uDS對iD的影響(3)極限參數(shù)①最大漏極電流IDM場效應(yīng)管正常工作時漏極電流的上限值②擊穿電壓最大漏-源電壓U(BR)DS最大柵-源極電壓U(BR)GS

(2)交流輸出電阻rds317.2.3共源放大電路的動態(tài)分析32

【例7.2.4】在圖(a)所示電路中，已知Uth=2V，MOS管的K=0.5mA/V2解：（1）首先畫出直流通路如圖(b)所示：7.2.3共源放大電路的動態(tài)分析（1）求靜態(tài)工作點(diǎn)Q；（2）求33

解：聯(lián)立求解，得出舍去負(fù)值，得出合理解為7.2.3共源放大電路的動態(tài)分析34低頻等效跨導(dǎo)為（2）畫出放大電路的微變等效電路357.2.3共源放大電路的動態(tài)分析【例7.2.5】參數(shù)同例7.2.4，但沒有旁路電容CS，電路如圖(a)所示求解：微變等效電路如圖(b)所示367.2.4共漏極放大電路的動態(tài)分析(1)靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算方法與共源電路類似共漏放大電路也稱為源極輸出器或源極跟隨器。377.2.4共漏極放大電路的動態(tài)分析(2)動態(tài)分析,畫出微變等效電路共漏放大電路也稱為源極輸出器或源極跟隨器。38由于共漏極放大電路的特點(diǎn)與共集電極放大電路相似.外施電源法求輸出電阻(3)求輸出電阻采用外加電源法求輸出電阻，將輸入端短路，在輸出端加交流電壓源397.2.4共漏極放大電路的動態(tài)分析【例7.2.6】電路如圖(a)所示，已知Uth=1.6V，Kn=4mA/V2，λ=0.01V?1，求解：(1)直流分析解出合理解為：407.2.4共漏極放大電路的動態(tài)分析(2)畫出微變等效電路如圖(b):417.2.4共漏極放大電路的動態(tài)分析(3)動態(tài)分析427.3放大電路的頻率響應(yīng)7.3.1三極管的高頻等效模型

7.3.2單管共射極放大電路的頻率特性分析7.3.3場效應(yīng)管的頻率響應(yīng)7.3..4多級放大電路的頻率特性43一、頻率響應(yīng)的有關(guān)概念放大電路對信號頻率的適應(yīng)程度，即信號頻率對放大倍數(shù)的影響。由于放大電路中耦合電容、旁路電容、半導(dǎo)體器件極間電容的存在，使放大倍數(shù)為頻率的函數(shù)。在使用一個放大電路時應(yīng)了解其信號頻率的適用范圍，在設(shè)計(jì)放大電路時，應(yīng)滿足信號頻率的范圍要求。1.要研究的問題44

在低頻段，隨著信號頻率逐漸降低，耦合電容、旁路電容等的容抗增大，使動態(tài)信號損失，放大能力下降。高通電路低通電路

在高頻段，隨著信號頻率逐漸升高，三極管極間電容和分布電容、寄生電容等雜散電容的容抗減小，使動態(tài)信號損失，放大能力下降。2.放大電路中的頻率參數(shù)下限頻率上限頻率45(1)模型的建立：由結(jié)構(gòu)而建立，形狀像Π，參數(shù)量綱各不相同。1．三極管的混合π型等效模型7.3.1三極管的高頻等效模型阻值大不再是βib

gm為跨導(dǎo)，它不隨信號頻率的變化而變。46連接了輸入回路和輸出回路1．三極管的混合π型等效模型想辦法把Cb'c分別折合到輸入回路和輸出回路472.混合π模型的單向化（使信號單向傳遞）等效變換后電流不變48所以忽略CM2Cb'e從手冊中查出2.三極管簡化的高頻等效電路近似計(jì)算時，取中頻時的值，即有：49（1）適于頻率從0至無窮大的表達(dá)式3．電流放大系數(shù)β的頻率響應(yīng)50（2）電流放大倍數(shù)的頻率特性曲線共射極截止頻率51（3）電流放大倍數(shù)的波特圖:采用對數(shù)坐標(biāo)系

采用對數(shù)坐標(biāo)系，橫軸為lg

f，可開闊視野；縱軸為單位為“分貝”dB。lg

f注意折線化曲線的誤差－20dB/十倍頻折線化近似畫法523.三極管的頻率參數(shù)

使下降到1的頻率為fT特征頻率533.三極管的頻率參數(shù)共基截止頻率54共射截止頻率共基截止頻率特征頻率集電結(jié)電容3.三極管的頻率參數(shù)手冊查得553.三極管的頻率參數(shù)通過以上分析得出的結(jié)論：①低頻段和高頻段電流放大倍數(shù)的表達(dá)式；②截止頻率與時間常數(shù)的關(guān)系；③波特圖及其折線畫法；④Cb'e的求法。手冊查得56適用于信號頻率從0～∞的交流等效電路中頻段：Cb

短路，C

開路。低頻段：考慮Cb的影響，C開路。高頻段：考慮C

的影響，Cb短路。7.3.2放大電路的頻率響應(yīng)分析（單管共射放大電路）571.中頻電壓放大倍數(shù)58低通電路2.高頻電壓放大倍數(shù)592.

高頻電壓放大倍數(shù)：高頻段頻率響應(yīng)分析。602.

高頻電壓放大倍數(shù)：高頻段頻率響應(yīng)分析與RC低通電路相似幅頻特性曲線在Y軸方向向上移動相頻特性曲線在Y軸方向向下移動61例7.3.1設(shè)圖所示電路在室溫（300K）下運(yùn)行，且三極管的UBEQ=0.65V ，試計(jì)算該電路的中頻源電壓增益及上限頻率。解：先求靜態(tài)電流623.低頻電壓放大倍數(shù)在低頻段，耦合電容不能忽略，相當(dāng)于RC高通電路，有下限截止頻率。采用短路時間常數(shù)法求下限截止頻率。R為低頻等效電路中從電容C端口視入的戴維南等效電阻（其他電容全部短路，電壓源短路，電流源開路）。633.低頻電壓放大倍數(shù)：低頻段頻率響應(yīng)分析首先求由耦合電容Cb1決定的短路時間常數(shù)τCb1

。Cb1單獨(dú)作用時，其他電容(Cb2,

Ce)短路，電壓源uS也短路，從電容Cb1端口視入的等效電路如圖所示。其等效電阻為其短路時間常數(shù)為對應(yīng)的轉(zhuǎn)折角頻率643.低頻電壓放大倍數(shù)：低頻段頻率響應(yīng)分析其等效電阻為其短路時間常數(shù)為對應(yīng)的轉(zhuǎn)折角頻率然后求由耦合電容Cb2決定的短路時間常數(shù)τCb2

。Cb2單獨(dú)作用時，其他電容(Cb1,

Ce)短路，電壓源uS也短路，從電容Cb2端口視入的等效電路如圖所示。653.低頻電壓放大倍數(shù)：低頻段頻率響應(yīng)分析求由旁路電容Ce決定的短路時間常數(shù)τCe

。Ce單獨(dú)作用時，其他電容(Cb1,

Cb2)短路，電壓源uS也短路，從電容Ce端口視入的等效電路如圖所示。其等效電阻為其短路時間常數(shù)為對應(yīng)的轉(zhuǎn)折角頻率663.低頻電壓放大倍數(shù)：低頻段頻率響應(yīng)分析下限截止頻率則在低頻段電壓放大倍數(shù)為67例7.3.2在圖所示電路中，設(shè)三極管的rbe=1.5kΩ，試估算該電路下限頻率。解：

687.3.2放大電路的頻率響應(yīng)分析（單管共射放大電路）(1)當(dāng)fL<<f<<fH時，中頻段的對數(shù)幅頻特性和相頻特性為：中頻電壓放大系數(shù)697.3.2放大電路的頻率響應(yīng)分析（單管共射放大電路）(1)當(dāng)fL≈

f時，有f/fH=0低頻段的