《模拟电子技术基础》-CH04 2课件.ppt

1、华中科技大学 张林1刘勃4.2 MOSFET基本共源极放大电路基本共源极放大电路4.2.1 基本共源极放大电路的组成基本共源极放大电路的组成4.2.2 基本共源放大电路的工作原理基本共源放大电路的工作原理4.2.3 放大电路的习惯画法和主要分析法放大电路的习惯画法和主要分析法2华中科技大学 张林刘勃4.2.1 基本共源极放大电路的组成基本共源极放大电路的组成1.1.如何让如何让MOS管工作在饱和区？管工作在饱和区？(1)如何建立沟道？提供栅源电压使提供栅源电压使 vGS VTN3华中科技大学 张林刘勃4.2.1 基本共源极放大电路的组成基本共源极放大电路的组成1.1.如何让如何让MOS管工作在

2、饱和区？管工作在饱和区？(2)如何产生id电流？提供合适的漏源电压，使提供合适的漏源电压，使 vDS vGS-VTN加入加入R调节调节id电流电流4华中科技大学 张林刘勃4.2.1 基本共源极放大电路的组成基本共源极放大电路的组成1.1.如何让如何让MOS管工作在饱和区？管工作在饱和区？(3)如何加载输入？在G极或S极加入输入都可以改变VGS电压，都可以是输入端5华中科技大学 张林刘勃4.2.1 基本共源极放大电路的组成基本共源极放大电路的组成1.1.如何让如何让MOS管工作在饱和区？管工作在饱和区？(4)如何获取输出？在D极或S极都可以获得输出，都可以是输出端6华中科技大学 张林刘勃4.2.

3、1 基本共源极放大电路的组成基本共源极放大电路的组成1.1.如何让如何让MOS管工作在饱和区？管工作在饱和区？(5)如何构成放大组态？A。当G极作为输入端，D极作为输出端特点：以S极作为公共端，称为共源极放大组态。共源极放大电路7华中科技大学 张林刘勃4.2.1 基本共源极放大电路的组成基本共源极放大电路的组成1.1.如何让如何让MOS管工作在饱和区？管工作在饱和区？(5)如何构成放大组态？B。当G极作为输入端，S极作为输出端特点：以D极作为公共端，称为共漏极放大组态。共漏极放大电路8华中科技大学 张林刘勃4.2.1 基本共源极放大电路的组成基本共源极放大电路的组成1.1.如何让如何让MOS管

4、工作在饱和区？管工作在饱和区？(5)如何构成放大组态？C。当S极作为输入端，D极作为输出端特点：以G极作为公共端，称为共栅极放大组态。共栅极放大电路9华中科技大学 张林刘勃4.2.1 基本共源极放大电路的组成基本共源极放大电路的组成1.1.如何让如何让MOS管工作在饱和区？管工作在饱和区？810华中科技大学 张林刘勃4.2.1 基本共源极放大电路的组成基本共源极放大电路的组成1.1.如何让如何让MOS管工作在饱和区？管工作在饱和区？元件作用元件作用VGG：提供栅源电压使提供栅源电压使 vGS VTNVDD和和Rd：提供合适的漏源电压，使提供合适的漏源电压，使 vDS vGS-VTNRd 还兼有

5、将电流转换成电压的作用还兼有将电流转换成电压的作用（VGG vi）通常称通常称VGG和和VDD为三极管的工作电源，为三极管的工作电源，vi为信号。为信号。11华中科技大学 张林刘勃4.2.1 基本共源极放大电路的组成基本共源极放大电路的组成2.2.信号如何通过信号如何通过MOS管传递？管传递？vi 信号由栅源回路输入、漏信号由栅源回路输入、漏源回路输出，即源极是公共端，源回路输出，即源极是公共端，所以称此电路为所以称此电路为共源电路共源电路。也可看作信号由栅极输入、也可看作信号由栅极输入、漏极输出。漏极输出。vGS iD vDS (=vo)饱和区饱和区2TNGSnD)(VKi v由由MOS管的

6、控管的控制关系决定制关系决定由由 iDSiovvvv 可获得信号电压增益可获得信号电压增益 （VGG vi）12华中科技大学 张林刘勃4.2.2 基本共源放大电路的工作原理基本共源放大电路的工作原理1.1.放大电路的静态和动态放大电路的静态和动态 静态：静态：输入信号为零（输入信号为零（vi=0 或或 ii=0）时，放大电路的）时，放大电路的工作状态，也称工作状态，也称直流工作状态直流工作状态。动态：动态：输入信号不为零时，放大电路的工作状态，也输入信号不为零时，放大电路的工作状态，也称称交流工作状态交流工作状态。此时，此时，FET的直流量的直流量ID、VGS、VDS，在输出特性曲线，在输出特

7、性曲线上表示为一个确定的点，习惯上称该点为静态工作点上表示为一个确定的点，习惯上称该点为静态工作点Q。常将上述三个电量写成常将上述三个电量写成IDQ、VGSQ和和VDSQ。13华中科技大学 张林刘勃4.2.2 基本共源放大电路的工作原理基本共源放大电路的工作原理2.2.放大电路的直流通路和交流通路放大电路的直流通路和交流通路仅有直流电流流经的通路为直流通路仅有直流电流流经的通路为直流通路14华中科技大学 张林刘勃4.2.2 基本共源放大电路的工作原理基本共源放大电路的工作原理2.2.放大电路的直流通路和交流通路放大电路的直流通路和交流通路直流电压源内阻为零，交直流电压源内阻为零，交流电流流经直

8、流电压源时流电流流经直流电压源时不产生任何交流压降，不产生任何交流压降，故故直流电压源对交流相当于短路直流电压源对交流相当于短路仅有直流电流流经的通路为直流通路仅有直流电流流经的通路为直流通路15华中科技大学 张林刘勃4.2.2 基本共源放大电路的工作原理基本共源放大电路的工作原理2.2.放大电路的直流通路和交流通路放大电路的直流通路和交流通路仅有交流电流流经的通路为交流通路仅有交流电流流经的通路为交流通路直流电压源对交流相当于短路直流电压源对交流相当于短路16华中科技大学 张林刘勃4.2.2 基本共源放大电路的工作原理基本共源放大电路的工作原理3.3.放大电路的静态工作点估算放大电路的静态工

9、作点估算直流通路直流通路假设假设NMOS管工作于饱和区，则管工作于饱和区，则2TNGSQnDQ)(VVKI VGSQ=VGGVDSQ=VDD-IDQ Rd 当已知当已知VGG、VDD、VTN、Kn、和、和Rd 时，便可求得时，便可求得Q点（点（VGSQ、IDQ、VDSQ）。必须检验是否满足饱和区工作条件：）。必须检验是否满足饱和区工作条件：VDSQ VGSQ-VTN 0。若不满足，则说明工作在可变电阻区，此时漏极电流为若不满足，则说明工作在可变电阻区，此时漏极电流为DSTNGSnD)(2vvVKi 注意：电路结构不同，除注意：电路结构不同，除FET特性方程外，其它电路方程将有差别特性方程外，其

10、它电路方程将有差别17华中科技大学 张林刘勃例例4.2.1假设假设NMOS管工作于饱和区，根据管工作于饱和区，根据2TNGSQnDQ)(VVKI VGSQ=VGGVDSQ=VDD-IDQ Rd已知已知VGG=2V，VDD=5V，VTN=1V，Kn=0.2mA/V2，Rd=12k，求，求Q点。点。求得：求得：VGSQ=2V，IDQ=0.2mA，VDSQ=2.6V满足饱和区工作条件：满足饱和区工作条件：VDSQ VGSQ-VTN 0，结果即为所求。，结果即为所求。解：解：18华中科技大学 张林刘勃4.2.2 基本共源放大电路的工作原理基本共源放大电路的工作原理3.3.放大电路的静态工作点估算放大电

11、路的静态工作点估算饱和区的条件：饱和区的条件：VGSQ VTN,IDQ 0，VDSQ VGSQ-VTN 增强型增强型NMOS管管假设假设NMOS管工作于饱和区，利用管工作于饱和区，利用2TNGSQnDQ)(VVKI 计算计算Q点。点。若：若：VGSQ VTN,NMOS管截止。管截止。若：若：VDSQ VGSQ-VTN，NMOS管可能工作在可变电阻区。管可能工作在可变电阻区。如果初始假设是错误的，则必须作出新的假设，同时重新分析电路。如果初始假设是错误的，则必须作出新的假设，同时重新分析电路。#请归纳其它管型静态工作点的计算方法请归纳其它管型静态工作点的计算方法19华中科技大学 张林刘勃4.2.

12、2 基本共源放大电路的工作原理基本共源放大电路的工作原理4.4.放大电路的动态工作情况放大电路的动态工作情况在静态基础上加入小信号在静态基础上加入小信号vi此时电路中的总电压和电流为此时电路中的总电压和电流为vGS=VGSQ+vi iD=IDQ+idvDS=vDSQ+vds 其中其中id和和vds为为交流量交流量2TNGSnD)(VKi vvDS=VDD-iDRd 20华中科技大学 张林刘勃4.2.3 放大电路的习惯画法和主要分析法放大电路的习惯画法和主要分析法 省略工作电源的直流电压符号，仅保留电压源非接省略工作电源的直流电压符号，仅保留电压源非接“地地”端子，并标注电压源名称。端子，并标注

13、电压源名称。习惯画法习惯画法1.1.习惯画法习惯画法21华中科技大学 张林刘勃4.2.3 放大电路的习惯画法和主要分析法放大电路的习惯画法和主要分析法1.1.习惯画法习惯画法22华中科技大学 张林刘勃耦合电容的作用耦合电容的作用电容后的波形应该是什么样的？Q等效电路：注意：红框里的电路是等效的，但右边电路省去一个电源，用电注意：红框里的电路是等效的，但右边电路省去一个电源，用电阻分压和电容隔直达到左边电路的效果。阻分压和电容隔直达到左边电路的效果。24华中科技大学 张林刘勃耦合电容的作用耦合电容的作用电容后的波形应该是什么样的？输入输出波形要一致25华中科技大学 张林刘勃4.2.3 放大电路的

14、习惯画法和主要分析法放大电路的习惯画法和主要分析法2.2.主要分析法主要分析法图解法图解法小信号模型分析法小信号模型分析法华中科技大学 张林26刘勃4.3 图解分析法图解分析法4.3.1 用图解方法确定静态工作点用图解方法确定静态工作点Q4.3.2 动态工作情况的图解分析动态工作情况的图解分析4.3.3 图解分析法的适用范围图解分析法的适用范围27华中科技大学 张林刘勃4.3.1 用图解方法确定静态工作点用图解方法确定静态工作点Q 采用图解法分析静态工作点，必须已知采用图解法分析静态工作点，必须已知FET的输出特性的输出特性曲线。曲线。静态：静态：vi=0 输入回路输入回路vGS=VGG=VG

15、SQ 输出回路输出回路vDS=VDDiDRd （直流负载线）（直流负载线）输出回路左侧的输出回路左侧的FET端口可用输出特性曲线描述端口可用输出特性曲线描述 共源放大电路共源放大电路28华中科技大学 张林刘勃4.3.1 用图解方法确定静态工作点用图解方法确定静态工作点Q得到静态工作点：得到静态工作点：VGSQ、IDQ、VDSQvGS=VGG=VGSQ直流负载线：直流负载线：vDS=VDDiDRd 共源放大电路共源放大电路29华中科技大学 张林刘勃4.3.2 动态工作情况的图解分析动态工作情况的图解分析 共源放大电路共源放大电路vGS=VGSQ+vi 工作点沿负载线移动工作点沿负载线移动1.1.

16、正常工作情况正常工作情况30华中科技大学 张林刘勃4.3.2 动态工作情况的图解分析动态工作情况的图解分析图解分析可得如下结论：图解分析可得如下结论：1.vi vGS iD vDS|vds(vo)|(vi正半周时正半周时)2.vds与与vi相位相反；相位相反；3.可以测量出放大电路的可以测量出放大电路的电压放大倍数；电压放大倍数；4.可以确定最大不失真输可以确定最大不失真输出幅度出幅度。1.1.正常工作情况正常工作情况31华中科技大学 张林刘勃4.3.2 动态工作情况的图解分析动态工作情况的图解分析2.2.静态工作点对波形失真的影响静态工作点对波形失真的影响截止失真截止失真（NMOS）输入回路

17、设定的工作点太低所致。32华中科技大学 张林刘勃4.3.2 动态工作情况的图解分析动态工作情况的图解分析饱和失真饱和失真（NMOS）2.2.静态工作点对波形失真的影响静态工作点对波形失真的影响输入回路设定的工作点太太低所致。33华中科技大学 张林刘勃4.3.2 动态工作情况的图解分析动态工作情况的图解分析饱和失真饱和失真（NMOS）2.2.静态工作点对波形失真的影响静态工作点对波形失真的影响负载线斜率太小所致。34华中科技大学 张林刘勃4.3.2 动态工作情况的图解分析动态工作情况的图解分析3.交流负载线及图解分析RL直流负载线：直流负载线：vDS=VDDiDRd交流负载线：交流负载线：vDS

18、=VDSQiD(Rd/RL)35华中科技大学 张林刘勃4.3.3 图解分析法的适用范围图解分析法的适用范围幅度较大而工作频率不太高的情况幅度较大而工作频率不太高的情况优点：优点：直观、形象。有助于建立和理解交、直流共存，静态和直观、形象。有助于建立和理解交、直流共存，静态和动态等重要概念；有助于理解正确选择电路参数、合理设置动态等重要概念；有助于理解正确选择电路参数、合理设置静态工作点的重要性。能全面地分析放大电路的静态、动态静态工作点的重要性。能全面地分析放大电路的静态、动态工作情况。工作情况。缺点：缺点：不能分析工作频率较高时的电路工作状态，也不能用来不能分析工作频率较高时的电路工作状态，

19、也不能用来分析放大电路的输入电阻、输出电阻等动态性能指标。分析放大电路的输入电阻、输出电阻等动态性能指标。华中科技大学 张林36刘勃4.4 小信号模型分析法小信号模型分析法4.4.1 MOSFET的小信号模型的小信号模型4.4.2 用小信号模型分析共源放大电路用小信号模型分析共源放大电路4.4.3 带源极电阻的共源极放大电路分析带源极电阻的共源极放大电路分析4.4.4 小信号模型分析法的适用范围小信号模型分析法的适用范围37华中科技大学 张林刘勃4.4 小信号模型分析法小信号模型分析法建立小信号模型的意义建立小信号模型的意义建立小信号模型的思路建立小信号模型的思路 当放大电路的输入信号幅值较小

20、时，就可以把三极当放大电路的输入信号幅值较小时，就可以把三极管小范围内的特性曲线近似地用直线来代替，从而可以管小范围内的特性曲线近似地用直线来代替，从而可以把三极管这个非线性器件所组成的电路当作线性电路来把三极管这个非线性器件所组成的电路当作线性电路来处理。处理。由于场效应管是非线性器件，所以分析起来非常复由于场效应管是非线性器件，所以分析起来非常复杂。建立小信号模型，就是在特定条件下将非线性器件杂。建立小信号模型，就是在特定条件下将非线性器件做线性化近似处理，从而简化由其构成的放大电路的分做线性化近似处理，从而简化由其构成的放大电路的分析和设计。析和设计。38华中科技大学 张林刘勃4.4.1

21、 MOSFET的小信号模型的小信号模型1.1.=0=0时时在饱和区内有在饱和区内有（以增强型（以增强型NMOS管为例）管为例）FET双口网络双口网络2TGSnD)(VKi v2TgsGSQn)(VVK v2gsTGSQn)(v VVK2gsngsTGSQn2TGSQn)(2)(vvKVVKVVK DQI gsmvg 2gsnvK 静态值静态值（直流）（直流）动态值动态值（交流）（交流）非线性失非线性失真项真项 当当，vgs 2(VGSQ-VTN)时，时，DQDIi gsmvg dDQiI 其中其中)(2TNGSQnmVVKg 39华中科技大学 张林刘勃4.4.1 MOSFET的小信号模型的小信

22、号模型FET双口网络双口网络DQDIi gsmvg dDQiI gsmdvgi 纯交流纯交流电路模型电路模型1.1.=0=0时时 gmvgs 是受控源是受控源，且为电，且为电压控制电流源压控制电流源(VCCS)。电流方向与电流方向与vgs的极性是关的极性是关联的。联的。40华中科技大学 张林刘勃4.4.1 MOSFET的小信号模型的小信号模型FET双口网络双口网络d、s端口看入有一电阻端口看入有一电阻rds电路模型电路模型2.2.0 0时时GSQDDSdsVir vDQADQ2TNGSQn1)(1IVIVVK 41华中科技大学 张林刘勃4.4.1 MOSFET的小信号模型的小信号模型gm 低频

23、互导低频互导 转移特性曲线转移特性曲线Q点上点上切线的斜率切线的斜率3.3.参数的物理意义参数的物理意义)(2TNGSQnVVK DSQGSDmVigv 42华中科技大学 张林刘勃4.4.1 MOSFET的小信号模型的小信号模型3.3.参数的物理意义参数的物理意义GSQDDSdsVir v2TNGSQn)(1VVK rds 输出电阻输出电阻DQADQ1IVI 输出特性曲线输出特性曲线Q点上切线斜率的倒数点上切线斜率的倒数43华中科技大学 张林刘勃4.4.1 MOSFET的小信号模型的小信号模型4.4.模型应用的前提条件模型应用的前提条件)(2TNGSQnmVVKg =0=0 0 0 参数都是小

24、信号参数，即微变参数或交参数都是小信号参数，即微变参数或交流参数。流参数。与静态工作点有关，在放大区基本不变。与静态工作点有关，在放大区基本不变。只适合对交流信号（变化量）的分析。只适合对交流信号（变化量）的分析。未包含结电容的影响，不能用于分析高未包含结电容的影响，不能用于分析高频情况。频情况。vgs rds 为便于分析，先考虑为便于分析，先考虑 0时的情况时的情况 dsmsdsdto11rgRriRv所以当所以当=0时，时，oRddoo|RRRR 当当 0时，若时，若rds Rd，则，则oR59华中科技大学 张林刘勃4.4.3 带源极电阻的共源极放大电路分析带源极电阻的共源极放大电路分析s

25、mdmio1RgRgA vvv电压增益电压增益1.7 例例4.4.260华中科技大学 张林刘勃4.4.3 带源极电阻的共源极放大电路分析带源极电阻的共源极放大电路分析例例4.4.3 双电源供电，电流源偏置双电源供电，电流源偏置静态时，静态时，vI0 0，VG 0，IDQ I又又 VSVGVGSQ dDQDDDRIVV SDDSQVVV 根据根据可求得可求得 VGSQ则则2TNGSQnDQ)(VVKI （饱和区）（饱和区）动态时动态时61华中科技大学 张林刘勃4.4.4 小信号模型分析法的适用范围小信号模型分析法的适用范围 放大电路的输入信号幅度较小，放大电路的输入信号幅度较小，FET工作在其工

26、作在其I-V 特性特性曲线的饱和区（即近似线性范围）内。模型参数的值是在静曲线的饱和区（即近似线性范围）内。模型参数的值是在静态工作点上求得的。所以，放大电路的动态性能与静态工作态工作点上求得的。所以，放大电路的动态性能与静态工作点位置及稳定性密切相关。点位置及稳定性密切相关。优点优点：分析放大电路的动态性能指标分析放大电路的动态性能指标(Av、Ri和和Ro等等)非常方便，非常方便，且适用于频率较高时（用高频模型）的分析。且适用于频率较高时（用高频模型）的分析。缺点缺点：在放大电路的小信号等效电路中，电压、电流等电量及在放大电路的小信号等效电路中，电压、电流等电量及模型参数均是针对变化量模型参数均是针对变化量(交流量交流量)而言的，不能用来分析计而言的，不能用来分析计算静态工作点。算静态工作点。