模擬電子技術(shù)場效應(yīng)管放大器與功率電子電路ppt課件

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第三章 場效應(yīng)管放大器,第四章 功率電子電路,1,第三章 場效應(yīng)管放大器,絕緣柵場效應(yīng)管 結(jié)型場效應(yīng)管,3.2 場效應(yīng)管放大電路,效應(yīng)管放大器的靜態(tài)偏置 效應(yīng)管放大器的交流小信號模型 效應(yīng)管放大電路,3.1 場效應(yīng)管,2,4.1 概 述,,4.2 乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路,4.3 甲乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路,*4.4 集成功率放大器,第四章 功率電子電路,甲乙類雙電源互補(bǔ)對稱電路,甲乙類單電源互補(bǔ)對稱電路,3,3.1 場效應(yīng)管,BJT是一種電流控制元件(iB~ iC)，工作時，多數(shù)載流子和少數(shù)載流子都參與運(yùn)行，所以被稱為雙極型器件。 場效應(yīng)管（Field Effect Transistor簡稱FET）是一種電壓控制器件(uGS~ iD) ，工作時，只有一種載流子參與導(dǎo)電，因此它是單極型器件。 FET因其制造工藝簡單，功耗小，溫度特性好，輸入電阻極高等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用。,FET分類：,絕緣柵場效應(yīng)管,結(jié)型場效應(yīng)管,,增強(qiáng)型,耗盡型,,N溝道,P溝道,,N溝道,P溝道,,N溝道,P溝道,,4,一. 絕緣柵場效應(yīng)管,絕緣柵型場效應(yīng)管 ( Metal Oxide Semiconductor FET)，簡稱MOSFET。分為： 增強(qiáng)型 ? N溝道、P溝道 耗盡型 ? N溝道、P溝道,1.N溝道增強(qiáng)型MOS管 （1）結(jié)構(gòu) 4個電極：漏極D， 源極S，柵極G和 襯底B。,符號：,5,當(dāng)uGS＞0V時→縱向電場 →將靠近柵極下方的空穴向下排斥→耗盡層。,（2）工作原理,當(dāng)uGS=0V時，漏源之間相當(dāng)兩個背靠背的 二極管，在d、s之間加上電壓也不會形成電流，即管子截止。,再增加uGS→縱向電場↑ →將P區(qū)少子電子聚集到 P區(qū)表面→形成導(dǎo)電溝道，如果此時加有漏源電壓，就可以形成漏極電流id。,①柵源電壓uGS的控制作用,6,定義： 開啟電壓（ UT）——剛剛產(chǎn)生溝道所需的 柵源電壓UGS。,N溝道增強(qiáng)型MOS管的基本特性： uGS ＜ UT，管子截止， uGS ＞UT，管子導(dǎo)通。 uGS 越大，溝道越寬，在相同的漏源電壓uDS作用下，漏極電流ID越大。,7,②轉(zhuǎn)移特性曲線： iD=f(uGS)?uDS=const,可根據(jù)輸出特性曲線作出移特性曲線。 例：作uDS=10V的一條轉(zhuǎn)移特性曲線：,UT,8,一個重要參數(shù)——跨導(dǎo)gm：,gm=?iD/?uGS? uDS=const (單位mS) gm的大小反映了柵源電壓對漏極電流的控制作用。 在轉(zhuǎn)移特性曲線上， gm為的曲線的斜率。 在輸出特性曲線上也可求出gm。,9,2.N溝道耗盡型MOSFET,特點(diǎn)： 當(dāng)uGS=0時，就有溝道，加入uDS，就有iD。 當(dāng)uGS＞0時，溝道增寬，iD進(jìn)一步增加。 當(dāng)uGS＜0時，溝道變窄，iD減小。,在柵極下方的SiO2層中摻入了大量的金屬正離子。所以當(dāng)uGS=0時，這些正離子已經(jīng)感應(yīng)出反型層，形成了溝道。,,定義： 夾斷電壓（ UP）——溝道剛剛消失所需的柵源電壓uGS。,10,3、P溝道耗盡型MOSFET,P溝道MOSFET的工作原理與N溝道 MOSFET完全相同，只不過導(dǎo)電的載流子不同，供電電壓極性不同而已。這如同雙極型三極管有NPN型和PNP型一樣。,11,4. MOS管的主要參數(shù),（1）開啟電壓UT （2）夾斷電壓UP （3）跨導(dǎo)gm ：gm=?iD/?uGS? uDS=const （4）直流輸入電阻RGS ——柵源間的等效電阻。由于MOS管柵源間有sio2絕緣層，輸入電阻可達(dá)109～1015。,,,,,12,二. 結(jié)型場效應(yīng)管,1. 結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)（以N溝為例）：,兩個PN結(jié)夾著一個N型溝道。三個電極： g：柵極 d：漏極 s：源極,符號：,N溝道,P溝道,13,2. 結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理,（1）柵源電壓對溝道的控制作用,在柵源間加負(fù)電壓uGS ，令uDS =0 ①當(dāng)uGS=0時，為平衡PN結(jié)，導(dǎo)電溝道最寬。,②當(dāng)│uGS│↑時，PN結(jié)反偏，耗盡層變寬，導(dǎo)電溝道變窄，溝道電阻增大。,③當(dāng)│uGS│↑到一定值時 ，溝道會完全合攏。,定義： 夾斷電壓UP——使導(dǎo)電溝道完全合攏（消失）所需要的柵源電壓uGS。,14,（2）漏源電壓對溝道的控制作用,在漏源間加電壓uDS ，令uGS =0 由于uGS =0，所以導(dǎo)電溝道最寬。 ①當(dāng)uDS=0時， iD=0。,②uDS↑→iD ↑ →靠近漏極處的耗盡層加寬，溝道變窄，呈楔形分布。,③當(dāng)uDS ↑，使uGD=uG S- uDS=UP時，在靠漏極處夾斷——預(yù)夾斷。,預(yù)夾斷前， uDS↑→iD ↑。 預(yù)夾斷后， iDS↑→iD 幾乎不變。,④uDS再↑，預(yù)夾斷點(diǎn)下移。,（3）柵源電壓uGS和漏源電壓uDS共同作用,iD=f（ uGS 、uDS）,可用輸兩組特性曲線來描繪。,15,（1）輸出特性曲線： iD=f（ uDS ）│uGS=常數(shù),3、 結(jié)型場效應(yīng)三極管的特性曲線,設(shè)：UT= -3V,16,四個區(qū)：,恒流區(qū)的特點(diǎn)： △ iD /△ uGS = gm ≈常數(shù) 即： △ iD = gm △ uGS （放大原理）,（a）可變電阻區(qū)（預(yù)夾斷前）。,（b）恒流區(qū)也稱飽和 區(qū)（預(yù)夾斷 后）。,（c）夾斷區(qū)（截止區(qū)）。,（d）擊穿區(qū)。,可變電阻區(qū),恒流區(qū),截止區(qū),擊穿區(qū),17,（2）轉(zhuǎn)移特性曲線： iD=f（ uGS ）│uDS=常數(shù),可根據(jù)輸出特性曲線作出移特性曲線。 例：作uDS=10V的一條轉(zhuǎn)移特性曲線：,18,4 .場效應(yīng)管的主要參數(shù),(1) 開啟電壓UT UT 是MOS增強(qiáng)型管的參數(shù)，柵源電壓小于開啟電壓的絕對值, 場效應(yīng)管不能導(dǎo)通。,（2）夾斷電壓UP UP 是MOS耗盡型和結(jié)型FET的參數(shù)，當(dāng)uGS=UP時,漏極電流為零。,（3）飽和漏極電流IDSS MOS耗盡型和結(jié)型FET, 當(dāng)uGS=0時所對應(yīng)的漏極電流。,（4）輸入電阻RGS 結(jié)型場效應(yīng)管，RGS大于107Ω，MOS場效應(yīng)管, RGS可達(dá)109～1015Ω。,（5） 低頻跨導(dǎo)gm gm反映了柵壓對漏極電流的控制作用，單位是mS(毫西門子)。,（6） 最大漏極功耗PDM PDM= UDS ID，與雙極型三極管的PCM相當(dāng)。,19,5 .雙極型和場效應(yīng)型三極管的比較,20,一. 直流偏置電路 保證管子工作在飽和區(qū)，輸出信號不失真,3. 2 場效應(yīng)管放大電路,1.自偏壓電路,UGS =- IDR,注意：該電路產(chǎn)生負(fù)的柵源電壓，所以只能用于需要負(fù)柵源電壓的電路。,計算Q點(diǎn)：UGS 、 ID 、UDS,已知UP ，由,可解出Q點(diǎn)的UGS 、 ID,,21,2.分壓式自偏壓電路,,可解出Q點(diǎn)的UGS 、 ID,計算Q點(diǎn)：,已知UP ，由,該電路產(chǎn)生的柵源電壓可正可負(fù)，所以適用于所有的場效應(yīng)管電路。,22,,,二. 場效應(yīng)管的交流小信號模型,與雙極型晶體管一樣，場效應(yīng)管也是一種非線性器件，在交流小信號情況下，也可以由它的線性等效電路—交流小信號模型來代替。,其中：gmugs是壓控電流源，它體現(xiàn)了輸入電壓對輸出電流的控制作用。 稱為低頻跨導(dǎo)。 rds為輸出電阻，類似于雙極型晶體管的rce。,,23,,三. 場效應(yīng)管放大電路,1.共源放大電路,24,分析： （1）畫出共源放大電路的交流小信號等效電路。,（2）求電壓放大倍數(shù),（3）求輸入電阻,（4）求輸出電阻,則,25,（2）電壓放大倍數(shù),（3）輸入電阻,得,分析：,（1）畫交流小信號等效電路。,由,2.共漏放大電路,26,,（4）輸出電阻,所以,由圖有,27,本章小結(jié),1．FET分為JFET和MOSFET兩種，工作時只有一種載流子參與導(dǎo)電，因此稱為單極性型晶體管。FET是一種壓控電流型器件，改變其柵源電壓就可以改變其漏極電流。 2．FET放大器的偏置電路與BJT放大器不同，主要有自偏壓式和分壓式兩種。 3． FET放大電路也有三種組態(tài)：共源、共漏和共柵。 電路的動態(tài)分析需首先利用FET的交流模型建立電路的交流等效電路，然后再進(jìn)行計算，求出電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻等量。,28,4.1 概 述,,4.2 乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路,4.3 甲乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路,*4.4 集成功率放大器,第四章 功率電子電路,甲乙類雙電源互補(bǔ)對稱電路,甲乙類單電源互補(bǔ)對稱電路,29,,,例： 擴(kuò)音系統(tǒng),什么是功率放大器？ 在電子系統(tǒng)中，模擬信號被放大后，往往要去推動一個實(shí)際的負(fù)載。如使揚(yáng)聲器發(fā)聲、繼電器動作、 儀表指針偏轉(zhuǎn)等。推動一個實(shí)際負(fù)載需要的功率很大。能輸出較大功率的放大器稱為功率放大器,4.1 概述,30,一. 功放電路的特點(diǎn),（2） 功放電路中電流、電壓要求都比較大，必須注意電路參數(shù)不能超過晶體管的極限值: ICM 、UCEM 、 PCM 。,（1）輸出功率Po盡可能大,31,,(3) 電流、電壓信號比較大，必須注意防止波形失真。,(4) 電源提供的能量應(yīng)盡可能多地轉(zhuǎn)換給負(fù)載，盡量減少晶體管及線路上的損失。即注意提高電路的效率（?）。,Po: 負(fù)載上得到的交流信號功率。 PE ： 電源提供的直流功率。,（5）功放管散熱和保護(hù)問題,32,二. 甲類功率放大器分析,1.三極管的靜態(tài)功耗：,若,電源提供的平均功耗：,則,33,2.動態(tài)功耗,（當(dāng)輸入信號Ui時）,輸出功率:,要想PO大，就要使功率三角形的面積大，即必須使Vom 和Iom 都要大。,最大輸出功率:,34,電源提供的功率,此電路的最高效率,甲類功率放大器存在的缺點(diǎn)：,輸出功率小 靜態(tài)功率大，效率低,35,三. BJT的幾種工作狀態(tài),甲類：Q點(diǎn)適中，在正弦信號的整個周期內(nèi)均有電流流過BJT。,甲乙類：介于兩者之間，導(dǎo)通角大于180°,動畫演示,乙類：靜態(tài)電流為0，BJT只在正弦信號的半個周期內(nèi)均導(dǎo)通。,36,一. 結(jié)構(gòu),互補(bǔ)對稱： 電路中采用兩個晶體管：NPN、PNP各一支； 兩管特性一致。組成互補(bǔ)對稱式射極輸出器。,4.2 乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路,37,二、工作原理（設(shè)ui為正弦波）,,,靜態(tài)時：,ui = 0V ? ic1、ic2均=0（乙類工作狀態(tài)） ? uo = 0V,動態(tài)時：,ui ? 0V,,T1截止，T2導(dǎo)通,,ui 0V,,T1導(dǎo)通，T2截止,iL= ic1 ;,,iL=ic2,T1、T2兩個管子交替工作，在負(fù)載上得到完整的正弦波。,38,輸入輸出波形圖,,,,,死區(qū)電壓,39,組合特性分析——圖解法,負(fù)載上的最大不失真電壓為Uom=VCC- UCES,40,最大不失真輸出功率Pomax,1.輸出功率Po,三、分析計算,動畫演示,41,一個管子的管耗,2.管耗PT,兩管管耗,42,3.電源供給的功率PE,當(dāng),4.效率?,最高效率?max,43,四．三極管的最大管耗,問：Uom=？ PT1最大, PT1max=？,用PT1對Uom求導(dǎo)，并令導(dǎo)數(shù)=0，得出： PT1max發(fā)生在Uom=0.64VCC處。 將Uom=0.64VCC代入PT1表達(dá)式：,44,選功率管的原則：,1. PCM? PT1max =0.2PoM,2．,45,存在交越失真,乙類互補(bǔ)對稱功放的缺點(diǎn),46,靜態(tài)時: T1、T2兩管發(fā)射結(jié)電壓分別為二極管D1、 D2的正向?qū)▔航担率箖晒芫幱谖⑷鯇?dǎo)通狀態(tài)——甲乙類工作狀態(tài),動態(tài)時：設(shè) ui 加入正弦信號。正半周 T2 截止，T1 基極電位進(jìn)一步提高，進(jìn)入良好的導(dǎo)通狀態(tài)；負(fù)半周T1截止，T2 基極電位進(jìn)一步降低，進(jìn)入良好的導(dǎo)通狀態(tài)。,電路中增加 R1、D1、D2、R2支路,1.基本原理,4.3 甲乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路,一. 甲乙類雙電源互補(bǔ)對稱電路,47,,,波形關(guān)系：,特點(diǎn)：存在較小的靜態(tài)電流 ICQ 、IBQ 。每管導(dǎo)通時間大于半個周期，基本不失真。,EWB演示——功放的交越失真,48,2.帶前置放大級的功率放大器,動畫演示,（甲乙類互補(bǔ)對稱電路的計算同乙類）,49,3. 電路中增加復(fù)合管,增加復(fù)合管的目的：擴(kuò)大電流的驅(qū)動能力。,?? ? ?1 ?2,晶體管的類型由復(fù)合管中的第一支管子決定。,復(fù)合NPN型,復(fù)合PNP型,,,,,,,50,4. 帶復(fù)合管的OCL互補(bǔ)輸出功放電路：,T1：電壓推動級（前置級）,T2、R1、R2：UBE擴(kuò)大電路,T3、T4、T5、T6： 復(fù)合管構(gòu)成互補(bǔ)對稱功放,輸出級中的T4、T6均為NPN型晶體管，兩者特性容易對稱。,合理選擇R1、R2，b3、b5間可得到 UBE2 任意倍的電壓。,51,1、基本原理,. 單電源供電；,. 輸出加有大電容。,（1）靜態(tài)偏置,二. 甲乙類單電源互補(bǔ)對稱電路,調(diào)整RW阻值的大小，可使,此時電容上電壓,52,（2）動態(tài)分析,（電容起到了負(fù)電源的作用）,Ui負(fù)半周時， T1導(dǎo)通、T2截止；,Ui正半周時， T1截止、T2導(dǎo)通。,動畫演示,53,（3）輸出功率及效率,若忽略交越失真的影響。則：,此電路存在的問題：,輸出電壓正方向變化的幅度受到限制，達(dá)不到VCC/2。,54,2. 帶自舉電路的單電源功放,靜態(tài)時,C1充電后，其兩端有一固定電壓,動態(tài)時,由于C1很大，兩端電壓基本不變，使C1上端電位隨輸出電壓升高而升高。保證輸出幅度達(dá)到VCC/2。,C1、R7為自舉電路,55,3.帶運(yùn)放前置放大級的功率放大電路,運(yùn)放A接成同相輸入方式作前置放大級。引入了電壓 串聯(lián)負(fù)反饋。整個電路的電壓放大倍數(shù)：,56,總結(jié)：互補(bǔ)對稱功放的類型,57,4.4 集成功率放大器,集成功率放大器DG4100簡介：,58,集成功放DG4100的外部接線圖：,59,1．功率放大器的特點(diǎn)：工作在大信號狀態(tài)下，輸出電壓和輸出電流都很大。要求在允許的失真條件下，盡可能提高輸出功率和效率。 2．為了提高效率，在功率放大器中，BJT常工作在乙類和甲乙類狀態(tài)下，并用互補(bǔ)對稱結(jié)構(gòu)使其基本不失真。這種功率放大器理論上的最大輸出效率可以達(dá)到78.5％。 3．互補(bǔ)對稱功率放大器的幾種主要結(jié)構(gòu)： OCL（雙電源）——乙類 甲乙類。 OTL（單電源）——乙類 甲乙類。 4．隨著半導(dǎo)體工藝、技術(shù)的不斷發(fā)展，輸出功率幾十瓦以上的集成放大器已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。功率VMOS管的出現(xiàn)，也給功率放大器的發(fā)展帶來了新的生機(jī)。,本章小結(jié),60,