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第三章 场效应管放大器,第四章 功率电子电路,1,第三章 场效应管放大器,绝缘栅场效应管 结型场效应管,3.2 场效应管放大电路,效应管放大器的静态偏置 效应管放大器的交流小信号模型 效应管放大电路,3.1 场效应管,2,4.1 概 述,4.2 乙类互补对称功率放大电路,4.3 甲乙类互补对称功率放大电路,*4.4 集成功率放大器,第四章 功率电子电路,甲乙类双电源互补对称电路,甲乙类单电源互补对称电路,3,3.1 场效应管,BJT是一种电流控制元件(iB iC)，工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，所以被称为双极型器件。 场效应管（Field Effect Transistor简称FET）是一种电压控制器件(uGS iD) ，工作时，只有一种载流子参与导电，因此它是单极型器件。 FET因其制造工艺简单，功耗小，温度特性好，输入电阻极高等优点，得到了广泛应用。,FET分类：,绝缘栅场效应管,结型场效应管,增强型,耗尽型,N沟道,P沟道,N沟道,P沟道,N沟道,P沟道,4,一. 绝缘栅场效应管,绝缘栅型场效应管 ( Metal Oxide Semiconductor FET)，简称MOSFET。分为： 增强型 N沟道、P沟道 耗尽型 N沟道、P沟道,1.N沟道增强型MOS管 （1）结构 4个电极：漏极D， 源极S，栅极G和 衬底B。,符号：,5,当uGS0V时纵向电场 将靠近栅极下方的空穴向下排斥耗尽层。,（2）工作原理,当uGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的 二极管，在d、s之间加上电压也不会形成电流，即管子截止。,再增加uGS纵向电场 将P区少子电子聚集到 P区表面形成导电沟道，如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流id。,栅源电压uGS的控制作用,6,定义： 开启电压（ UT）刚刚产生沟道所需的 栅源电压UGS。,N沟道增强型MOS管的基本特性： uGS UT，管子截止， uGS UT，管子导通。 uGS 越大，沟道越宽，在相同的漏源电压uDS作用下，漏极电流ID越大。,7,转移特性曲线： iD=f(uGS)uDS=const,可根据输出特性曲线作出移特性曲线。 例：作uDS=10V的一条转移特性曲线：,UT,8,一个重要参数跨导gm：,gm=iD/uGS uDS=const (单位mS) gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。 在转移特性曲线上， gm为的曲线的斜率。 在输出特性曲线上也可求出gm。,9,2.N沟道耗尽型MOSFET,特点： 当uGS=0时，就有沟道，加入uDS，就有iD。 当uGS0时，沟道增宽，iD进一步增加。 当uGS0时，沟道变窄，iD减小。,在栅极下方的SiO2层中掺入了大量的金属正离子。所以当uGS=0时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。,定义： 夹断电压（ UP）沟道刚刚消失所需的栅源电压uGS。,10,3、P沟道耗尽型MOSFET,P沟道MOSFET的工作原理与N沟道 MOSFET完全相同，只不过导电的载流子不同，供电电压极性不同而已。这如同双极型三极管有NPN型和PNP型一样。,11,4. MOS管的主要参数,（1）开启电压UT （2）夹断电压UP （3）跨导gm ：gm=iD/uGS uDS=const （4）直流输入电阻RGS 栅源间的等效电阻。由于MOS管栅源间有sio2绝缘层，输入电阻可达1091015。,12,二. 结型场效应管,1. 结型场效应管的结构（以N沟为例）：,两个PN结夹着一个N型沟道。三个电极： g：栅极 d：漏极 s：源极,符号：,N沟道,P沟道,13,2. 结型场效应管的工作原理,（1）栅源电压对沟道的控制作用,在栅源间加负电压uGS ，令uDS =0 当uGS=0时，为平衡PN结，导电沟道最宽。,当uGS时，PN结反偏，耗尽层变宽，导电沟道变窄，沟道电阻增大。,当uGS到一定值时 ，沟道会完全合拢。,定义： 夹断电压UP使导电沟道完全合拢（消失）所需要的栅源电压uGS。,14,（2）漏源电压对沟道的控制作用,在漏源间加电压uDS ，令uGS =0 由于uGS =0，所以导电沟道最宽。 当uDS=0时， iD=0。,uDSiD 靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，呈楔形分布。,当uDS ，使uGD=uG S- uDS=UP时，在靠漏极处夹断预夹断。,预夹断前， uDSiD 。 预夹断后， iDSiD 几乎不变。,uDS再，预夹断点下移。,（3）栅源电压uGS和漏源电压uDS共同作用,iD=f（ uGS 、uDS）,可用输两组特性曲线来描绘。,15,（1）输出特性曲线： iD=f（ uDS ）uGS=常数,3、 结型场效应三极管的特性曲线,设：UT= -3V,16,四个区：,恒流区的特点： iD / uGS = gm 常数 即： iD = gm uGS （放大原理）,（a）可变电阻区（预夹断前）。,（b）恒流区也称饱和 区（预夹断 后）。,（c）夹断区（截止区）。,（d）击穿区。,可变电阻区,恒流区,截止区,击穿区,17,（2）转移特性曲线： iD=f（ uGS ）uDS=常数,可根据输出特性曲线作出移特性曲线。 例：作uDS=10V的一条转移特性曲线：,18,4 .场效应管的主要参数,(1) 开启电压UT UT 是MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值, 场效应管不能导通。,（2）夹断电压UP UP 是MOS耗尽型和结型FET的参数，当uGS=UP时,漏极电流为零。,（3）饱和漏极电流IDSS MOS耗尽型和结型FET, 当uGS=0时所对应的漏极电流。,（4）输入电阻RGS 结型场效应管，RGS大于107，MOS场效应管, RGS可达1091015。,（5） 低频跨导gm gm反映了栅压对漏极电流的控制作用，单位是mS(毫西门子)。,（6） 最大漏极功耗PDM PDM= UDS ID，与双极型三极管的PCM相当。,19,5 .双极型和场效应型三极管的比较,20,一. 直流偏置电路 保证管子工作在饱和区，输出信号不失真,3. 2 场效应管放大电路,1.自偏压电路,UGS =- IDR,注意：该电路产生负的栅源电压，所以只能用于需要负栅源电压的电路。,计算Q点：UGS 、 ID 、UDS,已知UP ，由,可解出Q点的UGS 、 ID,21,2.分压式自偏压电路,可解出Q点的UGS 、 ID,计算Q点：,已知UP ，由,该电路产生的栅源电压可正可负，所以适用于所有的场效应管电路。,22,二. 场效应管的交流小信号模型,与双极型晶体管一样，场效应管也是一种非线性器件，在交流小信号情况下，也可以由它的线性等效电路交流小信号模型来代替。,其中：gmugs是压控电流源，它体现了输入电压对输出电流的控制作用。 称为低频跨导。 rds为输出电阻，类似于双极型晶体管的rce。,23,三. 场效应管放大电路,1.共源放大电路,24,分析： （1）画出共源放大电路的交流小信号等效电路。,（2）求电压放大倍数,（3）求输入电阻,（4）求输出电阻,则,25,（2）电压放大倍数,（3）输入电阻,得,分析：,（1）画交流小信号等效电路。,由,2.共漏放大电路,26,（4）输出电阻,所以,由图有,27,本章小结,1FET分为JFET和MOSFET两种，工作时只有一种载流子参与导电，因此称为单极性型晶体管。FET是一种压控电流型器件，改变其栅源电压就可以改变其漏极电流。 2FET放大器的偏置电路与BJT放大器不同，主要有自偏压式和分压式两种。 3 FET放大电路也有三种组态：共源、共漏和共栅。 电路的动态分析需首先利用FET的交流模型建立电路的交流等效电路，然后再进行计算，求出电压放大倍数、输入电阻、输出电阻等量。,28,4.1 概 述,4.2 乙类互补对称功率放大电路,4.3 甲乙类互补对称功率放大电路,*4.4 集成功率放大器,第四章 功率电子电路,甲乙类双电源互补对称电路,甲乙类单电源互补对称电路,29,例： 扩音系统,什么是功率放大器？ 在电子系统中，模拟信号被放大后，往往要去推动一个实际的负载。如使扬声器发声、继电器动作、 仪表指针偏转等。推动一个实际负载需要的功率很大。能输出较大功率的放大器称为功率放大器,4.1 概述,30,一. 功放电路的特点,（2） 功放电路中电流、电压要求都比较大，必须注意电路参数不能超过晶体管的极限值: ICM 、UCEM 、 PCM 。,（1）输出功率Po尽可能大,31,(3) 电流、电压信号比较大，必须注意防止波形失真。,(4) 电源提供的能量应尽可能多地转换给负载，尽量减少晶体管及线路上的损失。即注意提高电路的效率（）。,Po: 负载上得到的交流信号功率。 PE ： 电源提供的直流功率。,（5）功放管散热和保护问题,32,二. 甲类功率放大器分析,1.三极管的静态功耗：,若,电源提供的平均功耗：,则,33,2.动态功耗,（当输入信号Ui时）,输出功率:,要想PO大，就要使功率三角形的面积大，即必须使Vom 和Iom 都要大。,最大输出功率:,34,电源提供的功率,此电路的最高效率,甲类功率放大器存在的缺点：,输出功率小 静态功率大，效率低,35,三. BJT的几种工作状态,甲类：Q点适中，在正弦信号的整个周期内均有电流流过BJT。,甲乙类：介于两者之间，导通角大于180,动画演示,乙类：静态电流为0，BJT只在正弦信号的半个周期内均导通。,36,一. 结构,互补对称： 电路中采用两个晶体管：NPN、PNP各一支； 两管特性一致。组成互补对称式射极输出器。,4.2 乙类互补对称功率放大电路,37,二、工作原理（设ui为正弦波）,静态时：,ui = 0V ic1、ic2均=0（乙类工作状态） uo = 0V,动态时：,ui 0V,T1截止，T2导通,ui 0V,T1导通，T2截止,iL= ic1 ;,iL=ic2,T1、T2两个管子交替工作，在负载上得到完整的正弦波。,38,输入输出波形图,死区电压,39,组合特性分析图解法,负载上的最大不失真电压为Uom=VCC- UCES,40,最大不失真输出功率Pomax,1.输出功率Po,三、分析计算,动画演示,41,一个管子的管耗,2.管耗PT,两管管耗,42,3.电源供给的功率PE,当,4.效率,最高效率max,43,四三极管的最大管耗,问：Uom=？ PT1最大, PT1max=？,用PT1对Uom求导，并令导数=0，得出： PT1max发生在Uom=0.64VCC处。 将Uom=0.64VCC代入PT1表达式：,44,选功率管的原则：,1. PCM PT1max =0.2PoM,2,45,存在交越失真,乙类互补对称功放的缺点,46,静态时: T1、T2两管发射结电压分别为二极管D1、 D2的正向导通压降，致使两管均处于微弱导通状态甲乙类工作状态,动态时：设 ui 加入正弦信号。正半周 T2 截止，T1 基极电位进一步提高，进入良好的导通状态；负半周T1截止，T2 基极电位进一步降低，进入良好的导通状态。,电路中增加 R1、D1、D2、R2支路,1.基本原理,4.3 甲乙类互补对称功率放大电路,一. 甲乙类双电源互补对称电路,47,波形关系：,特点：存在较小的静态电流 ICQ 、IBQ 。每管导通时间大于半个周期，基本不失真。,EWB演示功放的交越失真,48,2.带前置放大级的功率放大器,动画演示,（甲乙类互补对称电路的计算同乙类）,49,3. 电路中增加复合管,增加复合管的目的：扩大电流的驱动能力。, 1 2,晶体管的类型由复合管中的第一支管子决定。,复合NPN型,复合PNP型,50,4. 带复合管的OCL互补输出功放电路：,T1：电压推动级（前置级）,T2、R1、R2：UBE扩大电路,T3、T4、T5、T6： 复合管构成互补对称功放,输出级中的T4、T6均为NPN型晶体管，两者特性容易对称。,合理选择R1、R2，b3、b5间可得到 UBE2 任意倍的电压。,51,1、基本原理,. 单电源供电；,. 输出加有大电容。,（1）静态偏置,二. 甲乙类单电源互补对称电路,调整RW阻值的大小，可使,此时电容上电压,52,（2）动态分析,（电容起到了负电源的作用）,Ui负半周时， T1导通、T2截止；,Ui正半周时， T1截止、T2导通。,动画演示,53,（3）输出功率及效率,若忽略交越失真的影响。则：,此电路存在的问题：,输出电压正方向变化的幅度受到限制，达不到VCC/2。,54,2. 带自举电路的单电源功放,静态时,C1充电后，其两端有一固定电压,动态时,由于C1很大，两端电压基本不变，使C1上端电位随输出电压升高而升高。保证输出幅度达到VCC/2。,C1、R7为自举电路,55,3.带运放前置放大级的功率放大电路,运放A接成同相输入方式作前置放大级。引入了电压 串联负反馈。整个电路的电压放大倍数：,56,总结：互补对称功放的类型,57,4.4 集成功率放大器,集成功率放大器DG4100简介：,58,集成功放DG4100的外部接线图：,59,1功率放大器的特点：工作在大信号状态下，输出电压和输出电流都很大。要求在允许的失真条件下，尽可能提高输出功率和效率。 2为了提高效率，在功率放大器中，BJT常工作在乙类和甲乙类状态下，并用互补对称结构使其基本不失真。这种功率放大器理论上的最大输出效率可以达到78.5。 3互补对称功率放大器的几种主要结构： OCL（双电源）乙类 甲乙类。 OTL（单电源）乙类 甲乙类。 4随着半导体工艺、技术的不断发展，输出功率几十瓦以上的集成放大器已经得到了广泛的应用。功率VMOS管的出现，也给功率放大器的发展带来了新的生机。,本章小结,60,
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