第3講場效管放大電路和負(fù)反饋(定稿)

1.3場效應(yīng)管及其放大電路場效應(yīng)晶體管是利用電場效應(yīng)來控制電流的一種半導(dǎo)體器件，即是電壓控制元件。它的輸出電流決定于輸入電壓的大小，基本上不需要信號源提供電流，所以它的輸入電阻高，且溫度穩(wěn)定性好。結(jié)型場效應(yīng)管按結(jié)構(gòu)不同場效應(yīng)管有兩種:絕緣柵型場效應(yīng)管本節(jié)僅介紹絕緣柵型場效應(yīng)管按工作狀態(tài)可分為：增強型和耗盡型兩類每類又有N溝道(多子電子導(dǎo)電)和P溝道（多子空穴導(dǎo)電）之分1.3.1絕緣柵場效應(yīng)管漏極D柵極和其它電極及硅片之間是絕緣的，稱絕緣柵型場效應(yīng)管。金屬電極(1)

N溝道增強型管的結(jié)構(gòu)柵極G源極S1.增強型絕緣柵場效應(yīng)管SiO2絕緣層P型硅襯底

高摻雜N區(qū)GSD符號：由于柵極是絕緣的，柵極電流幾乎為零，輸入電阻很高，最高可達(dá)1014

。漏極D金屬電極柵極G源極SSiO2絕緣層P型硅襯底

高摻雜N區(qū)由于金屬柵極和半導(dǎo)體之間的絕緣層目前常用二氧化硅，故又稱金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管，簡稱MOS場效應(yīng)管。(2)N溝道增強型管的工作原理EGP型硅襯底N+N+GSD+–UGSED+–

由結(jié)構(gòu)圖可見，N+型漏區(qū)和N+型源區(qū)之間被P型襯底隔開，漏極和源極之間是兩個背靠背的PN結(jié)。

當(dāng)柵源電壓UGS=0時，不管漏極和源極之間所加電壓的極性如何，其中總有一個PN結(jié)是反向偏置的，反向電阻很高，漏極電流近似為零。SDEGP型硅襯底N+N+GSD+–UGSED+–

當(dāng)UGS>0時，P型襯底中的電子受到電場力的吸引到達(dá)表層，填補空穴形成負(fù)離子的耗盡層；N型導(dǎo)電溝道在漏極電源的作用下將產(chǎn)生漏極電流ID，管子導(dǎo)通。當(dāng)UGS>UGS（th）時，將出現(xiàn)N型導(dǎo)電溝道，將D-S連接起來。UGS愈高，導(dǎo)電溝道愈寬。(2)N溝道增強型管的工作原理EGP型硅襯底N+N+GSD+–UGSED+–N型導(dǎo)電溝道當(dāng)UGS

UGS(th）后，場效應(yīng)管才形成導(dǎo)電溝道，開始導(dǎo)通，若漏–源之間加上一定的電壓UDS，則有漏極電流ID產(chǎn)生。在一定的UDS下漏極電流ID的大小與柵源電壓UGS有關(guān)。所以，場效應(yīng)管是一種電壓控制電流的器件。在一定的漏–源電壓UDS下，使管子由不導(dǎo)通變?yōu)閷?dǎo)通的臨界柵源電壓稱為開啟電壓UGS(th）。(2)N溝道增強型管的工作原理(3)

特性曲線有導(dǎo)電溝道轉(zhuǎn)移特性曲線無導(dǎo)電溝道開啟電壓UGS(th）UDSUGS/ID/mAUDS/VoUGS=1VUGS=2VUGS=3VUGS=4V漏極特性曲線恒流區(qū)可變電阻區(qū)截止區(qū)N型襯底P+P+GSD符號：結(jié)構(gòu)(4)P溝道增強型SiO2絕緣層加電壓才形成P型導(dǎo)電溝道增強型場效應(yīng)管只有當(dāng)UGS

UGS(th）時才形成導(dǎo)電溝道。2.耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管GSD符號：如果MOS管在制造時導(dǎo)電溝道就已形成，稱為耗盡型場效應(yīng)管。(1)N溝道耗盡型管SiO2絕緣層中摻有正離子預(yù)埋了N型導(dǎo)電溝道2.耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管由于耗盡型場效應(yīng)管預(yù)埋了導(dǎo)電溝道，所以在UGS=0時，若漏–源之間加上一定的電壓UDS，也會有漏極電流ID產(chǎn)生。當(dāng)UGS>0時，使導(dǎo)電溝道變寬，ID增大；當(dāng)UGS<0時，使導(dǎo)電溝道變窄，ID減?。籙GS負(fù)值愈高，溝道愈窄，ID就愈小。

當(dāng)UGS達(dá)到一定負(fù)值時，N型導(dǎo)電溝道消失，ID=0，稱為場效應(yīng)管處于夾斷狀態(tài)（即截止）。這時的UGS稱為夾斷電壓，用UGS(off）表示。

這時的漏極電流用

IDSS表示，稱為飽和漏極電流。(2)耗盡型N溝道MOS管的特性曲線夾斷電壓耗盡型的MOS管UGS=0時就有導(dǎo)電溝道，加反向電壓到一定值時才能夾斷。UGS(off)轉(zhuǎn)移特性曲線0ID/mA

UGS/V-1-2-348121612UDS=常數(shù)UDSUGS=0UGS<0UGS>0漏極特性曲線0ID/mA16201248121648IDSS2.耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管(3)P溝道耗盡型管符號：GSD預(yù)埋了P型導(dǎo)電溝道SiO2絕緣層中摻有負(fù)離子耗盡型GSDGSD增強型N溝道P溝道GSDGSDN溝道P溝道G、S之間加一定電壓才形成導(dǎo)電溝道在制造時就具有原始導(dǎo)電溝道3.場效應(yīng)管的主要參數(shù)(1)開啟電壓UGS(th)：是增強型MOS管的參數(shù)(2)夾斷電壓UGS(off)：(3)飽和漏電流IDSS：是結(jié)型和耗盡型MOS管的參數(shù)(4)低頻跨導(dǎo)gm：表示柵源電壓對漏極電流的控制能力極限參數(shù)：最大漏極電流、耗散功率、擊穿電壓。場效應(yīng)管與晶體管的比較電流控制電壓控制控制方式電子和空穴兩種載流子同時參與導(dǎo)電載流子電子或空穴中一種載流子參與導(dǎo)電類型

NPN和PNPN溝道和P溝道放大參數(shù)

rce很高

rds很高輸出電阻輸入電阻較低較高雙極型三極管單極型場效應(yīng)管熱穩(wěn)定性差好制造工藝較復(fù)雜簡單，成本低對應(yīng)電極

B—E—CG—S—D2.1.5

場效應(yīng)管放大電路

場效應(yīng)晶體管具有輸入電阻高、噪聲低等優(yōu)點，常用于多級放大電路的輸入級以及要求噪聲低的放大電路。場效應(yīng)管的源極、漏極、柵極相當(dāng)于雙極型晶體管的發(fā)射極、集電極、基極。場效應(yīng)管的共源極放大電路和源極輸出器與雙極型晶體管的共發(fā)射極放大電路和射極輸出器在結(jié)構(gòu)上也相類似。場效應(yīng)管放大電路的分析與雙極型晶體管放大電路一樣，包括靜態(tài)分析和動態(tài)分析。1.自給偏壓式偏置電路2.1.5

場效應(yīng)管放大電路柵源電壓UGS是由場效應(yīng)管自身的電流提供的，故稱自給偏壓。UGS

=–RSIS

=–RSID+UDD

RSCSC2C1RDRG+T+_+_uiuoIS

+_UGST為N溝道耗盡型場效應(yīng)管增強型MOS管因UGS=0時，ID

0，故不能采用自給偏壓式電路。2.1.5

場效應(yīng)管放大電路2.小信號模型分析（1）模型RB1RCC1C2RB2RERL+++UCCuiuo++––一、什么是放大電路中的負(fù)反饋反饋：將放大電路輸出端的信號(電壓或電流)的一部分或全部通過某種電路引回到輸入端。2.1.7放大電路中的負(fù)反饋esRB+UCCC1C2RERLui+–uo+–+++–RS通過RE將輸出電壓反饋到輸入通過RE將輸出電流反饋到輸入反饋放大電路的三個環(huán)節(jié)：基本放大電路比較環(huán)節(jié)反饋放大電路的方框圖反饋電路輸出信號輸入信號反饋信號反饋系數(shù)凈輸入信號放大倍數(shù)反饋電路F–基本放大電路A+反饋放大電路的方框圖凈輸入信號若三者同相，則

Xd=Xi–Xf可見Xd<Xi，即反饋信號起了削弱凈輸入信號的作用（負(fù)反饋）。反饋電路F–基本放大電路A+直流反饋：反饋只對直流分量起作用，反饋元件只能傳遞直流信號。負(fù)反饋：反饋削弱凈輸入信號，使放大倍數(shù)降低。在振蕩器中引入正反饋，用以產(chǎn)生波形。交流反饋：反饋只對交流分量起作用，反饋元件只能傳遞交流信號。在放大電路中，出現(xiàn)正反饋將使放大器產(chǎn)生自激振蕩，使放大器不能正常工作。正反饋：反饋增強凈輸入信號，使放大倍數(shù)提高。引入交流負(fù)反饋的目的：改善放大電路的性能引入直流負(fù)反饋的目的：穩(wěn)定靜態(tài)工作點二、負(fù)反饋的類型1.反饋的分類

正反饋與負(fù)反饋的判斷--瞬時極性法判斷++－+(1)設(shè)接“地”參考點的電位為零，在某點對“地”電壓（即電位）的正半周，該點交流電位的瞬時極性為正；在負(fù)半周則為負(fù)。(2)設(shè)基極瞬時極性為正，根據(jù)集電極瞬時極性與基極相反、發(fā)射極(接有發(fā)射極電阻而無旁路電容時)瞬時極性與基極相同的原則，標(biāo)出相關(guān)各點的瞬時極性。正反饋與負(fù)反饋的判斷--瞬時極性法判斷++－

－

(3)若反饋信號與輸入信號加在同一電極上，

(4)若反饋信號與輸入信號加在兩個電極上，兩者極性相反為負(fù)反饋；極性相同為正反饋。兩者極性相同為負(fù)反饋；極性相反為正反饋。1)

串聯(lián)反饋與并聯(lián)反饋由反饋網(wǎng)絡(luò)在放大電路輸入端的連接方式判定串聯(lián)串聯(lián)：輸入以電壓形式求和（KVL）

-vi+vid+vf=0

即vid=vi-

vf并聯(lián)：輸入以電流形式求和（KCL）

ii-iid-if=0

即iid=ii-if并聯(lián)1.反饋的類型2)電壓反饋與電流反饋電壓反饋與電流反饋由反饋網(wǎng)絡(luò)在放大電路輸出端的取樣對象決定電壓反饋：反饋信號xf和輸出電壓成比例，即xf=Fvo電流反饋：反饋信號xf與輸出電流成比例，即xf=Fio

并聯(lián)結(jié)構(gòu)串聯(lián)結(jié)構(gòu)1.負(fù)反饋的類型電壓反饋與電流反饋電壓負(fù)反饋RL

vo

xf

xid

vo

電壓負(fù)反饋穩(wěn)定輸出電壓xf=Fvo，

xid=xi－xf電壓反饋與電流反饋電流負(fù)反饋RL

io

xf

xid

io

電流負(fù)反饋穩(wěn)定輸出電流xf=Fio，

xid=xi－xf電壓反饋與電流反饋判斷方法：輸出電壓短路法將輸出電壓短路，反饋量仍然存在——電流反饋。將輸出電壓短路，反饋量為零——電壓反饋。電壓反饋電流反饋反饋通路反饋通路電壓反饋與電流反饋電壓反饋反饋通路負(fù)反饋交流反饋直流反饋電壓串聯(lián)負(fù)反饋電壓并聯(lián)負(fù)反饋電流串聯(lián)負(fù)反饋電流并聯(lián)負(fù)反饋負(fù)反饋的類型穩(wěn)定靜態(tài)工作點3.負(fù)反饋類型的判別步驟3)判別是否負(fù)反饋？2)判別是交流反饋還是直流反饋？4)是負(fù)反饋！判斷是何種類型的負(fù)反饋？1)找出反饋網(wǎng)絡(luò)（一般是電阻、電容）。

1)判別反饋元件（一般是電阻、電容）(1)連接在輸入與輸出之間的元件。(2)為輸入回路與輸出回路所共有的元件。發(fā)射極電阻RE為輸入回路與輸出回路所共有，所以RE是反饋元件。例1：RB1RCC1C2RB2RERL+++UCCuiuo++––RSeS+–RB1RCC1C2RB2RERL+++UCCuiuo++––RSeS+–2)判斷是交流反饋還是直流反饋交、直流分量的信號均可通過RE，所以RE引入的是交、直流反饋。

如果有發(fā)射極旁路電容，RE中僅有直流分量的信號通過，這時RE引入的則是直流反饋。ＣE例1：例1：3)判斷反饋類型凈輸入信號：

ui

與

uf串聯(lián),以電壓形式比較——串聯(lián)反饋

ui正半周時,uf也是正半周,即兩者同相——負(fù)反饋

uf正比于輸出電流——電流反饋——電流串聯(lián)負(fù)反饋+uf–+–RB1RCC1C2RB2RERL+++UCCuiuo++––RSeS+–ieube

ube

=ui-

uf

uf

=ieRE

Ube

=Ui-

Uf

可見

Ube

<

Ui,反饋電壓Uf削弱了凈輸入電壓

icRC結(jié)論：反饋過程：電流負(fù)反饋具有穩(wěn)定輸出電流的作用