1、,課題7:功率放大電路 和場效應(yīng)管放大電路,對應(yīng)教材章節(jié)內(nèi)容: 15.8 互補對稱功率放大電路 15.9 場效應(yīng)管及其放大電路,15.8.1 對功率放大電路的要求,作用： 用作放大電路輸出級，向負(fù)載提供功率,推動負(fù)載工作。,例： 擴音系統(tǒng),如使揚聲器發(fā)聲、繼電器動作、 儀表指針偏轉(zhuǎn)等。,1. 1 功率放大電路的作用,15.8 互補對稱功率放大電路,1. 2 功率放大電路與電壓放大電路的區(qū)別,1）交直共存,和電壓放大電路本質(zhì)相同,2）直流能量被轉(zhuǎn)換為交流能量,和電壓放大電路不同,提供大輸出功率,輸入大信號，信號動態(tài)范圍大，靜態(tài)電流接近于0,圖解法,1）任務(wù),2）工作特點,3）分析方法,4）動態(tài)指

2、標(biāo),Po、PT、等,提高信號幅度,輸入小信號，信號動態(tài)范圍小，有一定靜態(tài)電流,圖解法、小信號法,Av、Ri、Ro等,電壓放大電路,功率放大電路,1. 3 對功率放大電路的基本要求,效率要高,失真要小,散熱要好,功率要大,1. 4 放大電路工作狀態(tài)分類,乙類：,甲類：,甲乙類： 2,有直流基礎(chǔ)，BJT靜態(tài)導(dǎo)通,=,無直流基礎(chǔ)，BJT靜態(tài)截止,整個周期都有 ，功 率管的導(dǎo)電角= 2。,討論：哪種狀態(tài)電路作壓放最合適?哪種作功放最合適？,1. 5 提高效率的途徑,降低靜態(tài)功耗， 即減小靜態(tài)電流。,討論：如何解決效率和失真的關(guān)系?,功率與效率,15.8.2 互補對稱放大電路,互補對稱電路是集成功率放大

3、電路輸出級的基本形式。當(dāng)它通過容量較大的電容與負(fù)載耦合時，由于省去了變壓器而被稱為無輸出變壓器(Output Transformerless)電路，簡稱OTL電路。若互補對稱電路直接與負(fù)載相連，輸出電容也省去，就成為無輸出電容(Output Capacitorless)電路，簡稱OCL電路。 OTL電路采用單電源供電， OCL電路采用雙電源供電。,1. OTL電路(乙類),(1) 特點,T1、T2的特性一致； 一個NPN型、一個PNP型 兩管均接成射極輸出器； 輸出端有大電容； 單電源供電。,(2) 靜態(tài)時(ui= 0), IC1 0， IC2 0,OTL原理電路,電容兩端的電壓,(3) 動態(tài)

4、時,設(shè)輸入端在UCC/2 直流基礎(chǔ)上加入正弦信號。,T1導(dǎo)通、T2截止； 同時給電容充電,T2導(dǎo)通、T1截止； 電容放電，相當(dāng)于電源,若輸出電容足夠大，其上電壓基本保持不變，則負(fù)載上得到的交流信號正負(fù)半周對稱。,ic1,ic2,交流通路,uo,輸入交流信號ui的正半周,輸入交流信號ui的負(fù)半周,(4) 乙類OTL電路問題,交越失真(cross over distortion),2.甲乙類OTL電路,（1） 靜態(tài)時： 調(diào)整R1、R2 VK =VCC/2,電容兩端電壓： VC =VK=VCC/2,（2）動態(tài)時,設(shè)輸入端在VCC/2 直流基礎(chǔ)上加入正弦信號。,T1導(dǎo)通、T2截止； 同時給電容充電,T

5、2導(dǎo)通、T1截止； 電容放電，相當(dāng)于電源,一般為保證輸出穩(wěn)定，要求： RL C (510)/（2 fL ） （fL 為信號下限頻率）,（2）動態(tài)時,電容C很大,交流短路電容兩端電壓不變 VC =VK=VCC/2,復(fù)合管的構(gòu)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) 復(fù)合管,復(fù)合管的電流放大系數(shù) 1 2,復(fù)合管的類型與復(fù)合管中第一只管子的類型相同,方式2,3. OCL電路(乙類),ic1,ic2,靜態(tài)時：,ui = 0V, I

6、C1 0，IC2 0 uo = 0V。,動態(tài)時：,ui 0V,T2導(dǎo)通，T1截止,ui 0V,T1導(dǎo)通，T2截止,特點： 雙電源供電、 輸出無電容器。,uo,OCL原理電路,4. OCL電路(甲乙類),15.8.3 集成功放,特點：工作可靠、使用方便。只需在器件外部適當(dāng)連線，即可向負(fù)載提供一定的功率。,集成功放LM386：,生產(chǎn)廠家：美國半導(dǎo)體器件公司,電路形式：OTL,輸出功率：8負(fù)載上可得到5W功率,電源電壓：最大為18V,集成功放 LM386管腳說明:,6- 電源端（ Vcc）,4- 接地端（ GND）,2、3 - 輸入端 （一般2腳接地）,5 - 輸出端 （經(jīng)500 電容接負(fù)載）,7

7、- 接旁路電容（10 ）,1、8 - 設(shè)定放大倍數(shù),五、 集成功放,集成功放 LM386 外部電路典型接法：,調(diào)節(jié)音量,電源濾波電容,外接旁路電容,低通濾波,去除高頻噪聲,輸入信號,輸出耦合大電容,五、集成功放,N溝道,P溝道,增強型,耗盡型,N溝道,P溝道,N溝道,P溝道,利用電場效應(yīng)來控制輸出電流的半導(dǎo)體器件,體積小、重量輕、耗電省、壽命長 輸入電阻高、噪聲低、熱穩(wěn)定性好 制造工藝簡單，便于集成化,沒有加偏置電壓時,沒有導(dǎo)電溝道,沒有加偏置電壓時, 有導(dǎo)電溝道,15.9 場效晶體管及其放大電路,15.9.1 絕緣柵場效應(yīng)管（MOSFET）,漏極D,柵極和其它電極及硅片之間是絕緣的，稱絕緣柵

8、型場效應(yīng)管。,1) N溝道增強型管的結(jié)構(gòu),柵極G,源極S,1.1 增強型絕緣柵場效應(yīng)管,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 。,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分析,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。,2）N溝道增強型管的工作原理分析,當(dāng)UGS 0 時，P型襯底中的

9、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 UT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分析,N型導(dǎo)電溝道,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UT。,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。,工作原理小結(jié),1. 正常放大時各極電壓極性(N溝道增強型)：,G、S間加正偏壓,D、S間外加偏壓,2. 工作原理:,(1)UGS 對 ID的控制作用：, UGS =

10、0， 無導(dǎo)電溝道 ID =0, UGS 0 垂直電場,UGS UT 形成導(dǎo)電溝道,UGS 導(dǎo)電溝道厚度 溝道電阻 ID ,開啟電壓（剛好形成導(dǎo)電溝道時的UGS ),(2)UDS對導(dǎo)電溝道的影響作用：,UDS (UDS=UGS-UT ),UDS 夾斷區(qū)增長ID不隨UDS增大而增加,UDS ID隨UDS增大而增加,導(dǎo)電溝道傾斜，,預(yù)夾斷,3.U-I 特性曲線及特性方程, 輸出特性, 轉(zhuǎn)移特性, FET工作區(qū)：,可變電阻區(qū)、飽和區(qū)（放大區(qū)或恒流區(qū)）、截止區(qū)、擊穿區(qū),IDO,開啟電壓,可變電阻區(qū),恒流區(qū),截止區(qū),(1) 截止區(qū) 條件:UGS UT 特點:ID=0,(3) 放大區(qū)（恒流區(qū)） UGS UT

11、 ，且UDS（UGSUT） 特點: UDSID不變 場效應(yīng)管相當(dāng)于一個壓控電流源,(2) 可變電阻區(qū) UGS UT ，且UDS（UGSUT） 特點: UDSID 場效應(yīng)管相當(dāng)于一個壓控可變電阻,符號：,結(jié)構(gòu),3) P溝道增強型,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 UT時才形成導(dǎo)電溝道。,1.2 耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管,符號：,SiO2絕緣層中 摻有正離子,預(yù)埋了N型 導(dǎo)電溝道,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溝道耗盡型管結(jié)構(gòu),2） N溝道耗盡型管工作原理,UGS= 0，ID =IDSS。,UGS 0時，使導(dǎo)電溝道變窄， ID 減??； UG

12、S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UP表示。,UGS 0，導(dǎo)電溝道變寬， ID 增大；,3) N溝道耗盡型MOS管的特性曲線,夾斷電壓,耗盡型的MOS管vGS= 0時就有導(dǎo)電溝道，加反向電壓到一定值時才能夾斷。,UP,IDSS,截止區(qū),恒流區(qū),4) P 溝道耗盡型管,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,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,源極,漏極,柵極,1.3 MOSFET的主要參數(shù),1) 開啟電壓 UT：增強型M

13、OS管的參數(shù) 2) 夾斷電壓 UP： 3) 飽和漏電流 IDSS：,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。,1.4場效應(yīng)管與晶體管的比較,雙極型三極管 單極型場效應(yīng)管,類 型 NPN和PNP N溝道和P溝道,放大參數(shù),MOS場效應(yīng)管,N 溝 道 增 強 型,P 溝 道 增 強 型,1.5 各種FET特性比較,1.5 各種FET特性比較,MOS場效應(yīng)管,N 溝 道 耗 盡 型,P 溝 道 耗 盡 型,CE,BJT,FET,CS,CC,CD,CB,CG(較少使用),1 耦合電容Cb1 用普通電容，通常0.01uF。,2 電源電壓VDD

14、較高（+18V）。,3 電路中輸入端所用電阻Rg較高(M）。,4 電路需設(shè)靜態(tài)工作點Q（VGS、VDS、ID）,FET放大電路特點：,15.9.2 場效應(yīng)管放大電路,1. 自給偏壓式偏置電路,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,T為N溝道耗盡型場效應(yīng)管,2.1 FET的直流偏置電路,2. 分壓式偏置電路,2.2 FET放大電路的靜態(tài)分析(估算法),估算法：,UGS = RSID,UDS= UDD ID(RD+ RS),1. 自給偏壓式偏置電路,例：已知UDD =20V、RD=3k、 RS=1k、 RG=500k、UGS(off)= 4

15、V、IDSS=8mA， 確定靜態(tài)工作點。,解：用估算法,UGS = 1 ID,UDS= 20 2（ 3 + 1 ）= 12 V,列出關(guān)系式,解出 UGS1 = 2V、UGS2 = 8V、ID1=2mA、ID2=8mA,因UGS2 UGS(off) 故舍去 ， 所求靜態(tài)解為UGS = 2V ID=2mA、,2. 分壓式偏置電路,估算法：,UDS= UDD ID(RD+ RS),流過 RG 的電流為零,四 FET放大電路的動態(tài)分析(小信號模型分析法),1.FET小信號模型(低頻模型),2. 應(yīng)用小信號模型法分析FET放大電路,思 路：,電路原理圖,例1: 求解共源電路（CS）動態(tài)指標(biāo)：(P218:5.2.5),解：畫小信號等效電路：,電壓增益：,反相放大電路,輸入電阻：,輸出電阻：,源電壓增益：,例2: 求解共漏電路（CD）動態(tài)指標(biāo)：(P219:5.2.6),解： 小信號等效電路, 電壓增益,電壓跟隨器, 輸入電阻, 輸出電阻,輸出電阻小,練習(xí)1: 求解共源電路（CS）動態(tài)指標(biāo)：,（2）電壓增益,（1）畫小信號