课题七_功率放大电路和场效应管放大电路.ppt

课题7:功率放大电路 和场效应管放大电路,对应教材章节内容: 15.8 互补对称功率放大电路 15.9 场效应管及其放大电路,15.8.1 对功率放大电路的要求,作用： 用作放大电路输出级，向负载提供功率,推动负载工作例： 扩音系统,,如使扬声器发声、继电器动作、 仪表指针偏转等1. 1 功率放大电路的作用,15.8 互补对称功率放大电路,1. 2 功率放大电路与电压放大电路的区别,1）交直共存,和电压放大电路本质相同,2）直流能量被转换为交流能量,和电压放大电路不同,提供大输出功率,输入大信号，信号动态范围大，静态电流接近于0,图解法,1）任务,2）工作特点,3）分析方法,4）动态指标,Po、PT、η等,提高信号幅度,输入小信号，信号动态范围小，有一定静态电流,图解法、小信号法,Av、Ri、Ro等,电压放大电路,功率放大电路,1. 3 对功率放大电路的基本要求,效率要高,失真要小,散热要好,功率要大,1. 4 放大电路工作状态分类,乙类：,甲类：,甲乙类：π< θ < 2π,有直流基础，BJT静态导通,θ=π,无直流基础，BJT静态截止,,整个周期都有 ，功 率管的导电角θ= 2π。

讨论：哪种状态电路作压放最合适?哪种作功放最合适？,1. 5 提高效率的途径,降低静态功耗，即减小静态电流讨论：如何解决效率和失真的关系?,功率与效率,15.8.2 互补对称放大电路,互补对称电路是集成功率放大电路输出级的基本形式当它通过容量较大的电容与负载耦合时，由于省去了变压器而被称为无输出变压器(Output Transformerless)电路，简称OTL电路若互补对称电路直接与负载相连，输出电容也省去，就成为无输出电容(Output Capacitorless)电路，简称OCL电路OTL电路采用单电源供电， OCL电路采用双电源供电1. OTL电路(乙类),(1) 特点,T1、T2的特性一致； 一个NPN型、一个PNP型 两管均接成射极输出器； 输出端有大电容； 单电源供电2) 静态时(ui= 0),, IC1 0， IC2  0,OTL原理电路,电容两端的电压,(3) 动态时,设输入端在UCC/2 直流基础上加入正弦信号T1导通、T2截止； 同时给电容充电,,T2导通、T1截止； 电容放电，相当于电源,若输出电容足够大，其上电压基本保持不变，则负载上得到的交流信号正负半周对称。

ic1,ic2,交流通路,uo,输入交流信号ui的正半周,输入交流信号ui的负半周,(4) 乙类OTL电路问题,交越失真(cross over distortion),,2.甲乙类OTL电路,（1） 静态时： 调整R1、R2 VK =VCC/2,电容两端电压： VC =VK=VCC/2,（2）动态时,,设输入端在VCC/2 直流基础上加入正弦信号T1导通、T2截止； 同时给电容充电,T2导通、T1截止； 电容放电，相当于电源,一般为保证输出稳定，要求： RL C >(5—10)/（2 fL ） （fL 为信号下限频率）,（2）动态时,电容C很大,,,交流短路 电容两端电压不变 VC =VK=VCC/2,复合管的构成,ic1= 1 ib1 ,,ic2=2 ib2 = 2 (1+1 ) ib1,,ic = ic1+ ic2 =[1+2 (1+1 )] ib.,方式 1,ib2= ie1=(1+1 ) ib1 ,,ib= ib1 ,,,(3) 复合管,,复合管的电流放大系数   1  2,复合管的类型与复合管中第一只管子的类型相同,方式2,,3. OCL电路(乙类),ic1,ic2,静态时：,ui = 0V, IC1 0，IC2 0 uo = 0V。

动态时：,ui < 0V,T2导通，T1截止,ui > 0V,T1导通，T2截止,特点：双电源供电、 输出无电容器uo,OCL原理电路,,4. OCL电路(甲乙类),15.8.3 集成功放,特点：工作可靠、使用方便只需在器件外部适当连线，即可向负载提供一定的功率集成功放LM386：,生产厂家：美国半导体器件公司,电路形式：OTL,输出功率：8负载上可得到5W功率,电源电压：最大为18V,集成功放 LM386管脚说明:,6-- 电源端（ Vcc）,4-- 接地端（ GND）,2、3 -- 输入端（一般2脚接地）,5 -- 输出端（经500 电容接负载）,7 -- 接旁路电容（10 ）,1、8 -- 设定放大倍数,五、 集成功放,集成功放 LM386 外部电路典型接法：,调节音量,电源滤波电容,外接旁路电容,低通滤波,去除高频噪声,输入信号,输出耦合大电容,五、集成功放,N沟道,P沟道,增强型,耗尽型,N沟道,P沟道,N沟道,P沟道,,,,,,利用电场效应来控制输出电流的半导体器件,体积小、重量轻、耗电省、寿命长 输入电阻高、噪声低、热稳定性好 制造工艺简单，便于集成化,没有加偏置电压时,没有导电沟道,没有加偏置电压时, 有导电沟道,15.9 场效晶体管及其放大电路,15.9.1 绝缘栅场效应管（MOSFET）,漏极D,栅极和其它电极及硅片之间是绝缘的，称绝缘栅型场效应管。

1) N沟道增强型管的结构,栅极G,源极S,1.1 增强型绝缘栅场效应管,符号：,由于栅极是绝缘的，栅极电流几乎为零，输入电阻很高，最高可达1014 由于金属栅极和半导体之间的绝缘层目前常用二氧化硅，故又称金属-氧化物-半导体场效应管，简称MOS场效应管2）N沟道增强型管的工作原理分析,由结构图可见，N+型漏区和N+型源区之间被P型衬底隔开，漏极和源极之间是两个背靠背的PN结当栅源电压UGS = 0时，不管漏极和源极之间所加电压的极性如何，其中总有一个PN结是反向偏置的，反向电阻很高，漏极电流近似为零2）N沟道增强型管的工作原理分析,当UGS > 0 时，P型衬底中的电子受到电场力的吸引到达表层，填补空穴形成负离子的耗尽层；,,N型导电沟道,,在漏极电源的作用下将产生漏极电流ID，管子导通当UGS >UT时，将出现N型导电沟道，将D-S连接起来UGS愈高，导电沟道愈宽2）N沟道增强型管的工作原理分析,,N型导电沟道,在一定的漏–源电压UDS下，使管子由不导通变为导通的临界栅源电压称为开启电压UT在一定的UDS下漏极电流ID的大小与栅源电压UGS有关所以，场效应管是一种电压控制电流的器件。

工作原理小结,1. 正常放大时各极电压极性(N沟道增强型)：,G、S间加正偏压,D、S间外加偏压,2. 工作原理:,(1)UGS 对 ID的控制作用：,, UGS =0， 无导电沟道 ID =0, UGS >0 垂直电场,UGS ≥ UT 形成导电沟道,UGS   导电沟道厚度   沟道电阻   ID  ,,开启电压（刚好形成导电沟道时的UGS ),(2)UDS对导电沟道的影响作用：,UDS    (UDS=UGS-UT ),UDS    夹断区增长 ID不随UDS增大而增加,UDS   ID随UDS增大而增加,导电沟道倾斜，,预夹断,3.U-I 特性曲线及特性方程, 输出特性, 转移特性, FET工作区：,可变电阻区、饱和区（放大区或恒流区）、截止区、击穿区,IDO,开启电压,可变电阻区,,恒流区,截止区,(1) 截止区条件:UGS UT 特点:ID=0,(3) 放大区（恒流区） UGS >UT ，且UDS≥（UGS－UT）特点: UDSID不变 场效应管相当于一个压控电流源,(2) 可变电阻区UGS >UT ，且UDS≤（UGS－UT） 特点: UDSID 场效应管相当于一个压控可变电阻,,符号：,结构,3) P沟道增强型,加电压才形成P型导电沟道,增强型场效应管只有当UGS  UT时才形成导电沟道。

1.2 耗尽型绝缘栅场效应管,符号：,SiO2绝缘层中 掺有正离子,预埋了N型导电沟道,如果MOS管在制造时导电沟道就已形成，称为耗尽型场效应管1 ) N沟道耗尽型管结构,2） N沟道耗尽型管工作原理,UGS= 0，ID =IDSSUGS < 0时，使导电沟道变窄， ID 减小； UGS负值愈高，沟道愈窄， ID就愈小当UGS达到一定负值时，N型导电沟道消失， ID= 0，称为场效应管处于夹断状态（即截止）这时的UGS称为夹断电压，用UP表示UGS > 0，导电沟道变宽， ID 增大；,3) N沟道耗尽型MOS管的特性曲线,夹断电压,耗尽型的MOS管vGS= 0时就有导电沟道，加反向电压到一定值时才能夹断UP,IDSS,截止区,恒流区,4) P 沟道耗尽型管,预埋了P型导电沟道,SiO2绝缘层中 掺有负离子,耗尽型,,G、S之间加一定 电压才形成导电沟道,在制造时就具有 原始导电沟道,源极,漏极,栅极,1.3 MOSFET的主要参数,1) 开启电压 UT：增强型MOS管的参数 2) 夹断电压 UP： 3) 饱和漏电流 IDSS：,4) 低频跨导 gm：表示栅源电压对漏极电流的控制能力,极限参数：最大漏极电流、耗散功率、击穿电压。

1.4场效应管与晶体管的比较,,双极型三极管 单极型场效应管,,,,,,,,,,,,类 型 NPN和PNP N沟道和P沟道,放大参数,,,,,,,,MOS场效应管,N 沟 道 增 强 型,P 沟 道 增 强 型,,1.5 各种FET特性比较,1.5 各种FET特性比较,,,,,,MOS场效应管,,N 沟 道 耗 尽 型,P 沟 道 耗 尽 型,CE,BJT,FET,CS,,CC,CD,,CB,CG(较少使用),,,1 耦合电容Cb1 用普通电容，通常0.01uF2 电源电压VDD较高（+18V）3 电路中输入端所用电阻Rg较高(M）4 电路需设静态工作点Q（VGS、VDS、ID）,FET放大电路特点：,15.9.2 场效应管放大电路,1. 自给偏压式偏置电路,栅源电压UGS是由场效应管自身的电流提供的，故称自给偏压UGS = –RSIS= –RSID,T为N沟道耗尽型场效应管,2.1 FET的直流偏置电路,2. 分压式偏置电路,2.2 FET放大电路的静态分析(估算法),估算法：,UGS = – RSID,,UDS= UDD –ID(RD+ RS),1. 自给偏压式偏置电路,例：已知UDD =20V、RD=3k、 RS=1k、 RG=500k、UGS(off)= –4V、IDSS=8mA， 确定静态工作点。

解：用估算法,UGS = – 1 ID,,UDS= 20 – 2（ 3 + 1 ）= 12 V,列出关系式,解出 UGS1 = –2V、UGS2 = –8V、ID1=2mA、ID2=8mA,因UGS2