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FET是Field Effect Transistor的缩写,称为场效应晶体管。它是晶体管的一种。通常所说的晶体管是指双极晶体管。

FET与双极晶体管相对应,有时也叫做单极晶体管。如照片2.1所示,FET的外形与双极晶体管几乎相同。

照片2.1 各种FET(FET的外观与双极晶体管几乎相同。近来,在从小信号到大功率,
从低频到高频的各种类型的器件中得到了广泛应用。外形大的是功率MOS)

虽然同样是晶体管,但是双极晶体管与FET的工作原理却完全不同。FET具有双极晶体管所不具备的优点,也有自身的缺点。将难以理解的问题留到后面,现在先从FET的工作原理开始分析。

2.1放大电路的波形

2.1.1 3倍放大器

图2.1是一个实验电路。整个电路与双极晶体管的发射极接地放大电路相当,只是用FET替换了晶体管。

图2.2是使用双极晶体管的发射极接地放大电路。可以看出两个电路中的电路常数不太相同,图2.1的电路是将图2.2电路中的双极晶体管用FET置换的电路。

【第2章ET放大电路的工作原理】第1节放大电路的波形

图2.1 FET的实验放大电路(单管FET源极接地放大电路,可以认为是发射极接地放大电路中的晶体管被FET置换)

【第2章ET放大电路的工作原理】第1节放大电路的波形

图2.2 使用双极晶体管的发射极接地放大电路(发射极接地放大电路是双极晶体管最基本的放大电路)

与双极晶体管一样,FET也有三个极,即栅极(Gate)、源极(Source)和漏极(Drain)。如果与双极晶体管的各极相对比,如图2.3所示,栅极对应于基极,源极对应于发射极,漏极对应于集电极。

所以,与双极晶体管发射极接地放大电路相对应,图2.1的电路称为源极接地放大电路(Common Source Amlifier)。

照片2.2是装配在普通印刷电路板上的图2.1电路的照片。照片2.3是给它输入1kHz、1V(峰峰)正弦波时的输出波形。 输出约为3V,所以这个放大电路的放大倍数(电压增益)v是3(=3V/1V)。

输入输出的相位关系也与使用双极晶体管的发射极接地放大电路的情况相同,输出与输入间相位相差180°(波形反转)。

【第2章ET放大电路的工作原理】第1节放大电路的波形

图2.3 FET与双极晶体管的各电极(FET与双极晶体管的工作原理完全不同,但是各极间的对应关系可以帮助理解FET的工作原理)

  
照片2.2 FET的实验放大电路(使用小信号N沟面结型FET。看起来与晶体管放大电路相同)

照片2.3 输入电压i与输出电压o的波形(0.5V/div,200s/div)
(i为1V,o为3V,所以是3倍放大器。周期是1ms,所以频率是1kHz,i与o相位相反)

2.1.2 栅极上加偏压

照片2.4是输入信号i与FET的栅极电位的波形。

的交流成分就是能够通过耦合电容1的输入信号i。的直流成分是由1与2形成的1.7V电压。这个电压加在FET的栅极上,叫做栅偏压。与双极晶体管相同,FET也需要在栅极上加直流偏压。

照片2.4输入电压i与栅极电压的波形(1V/div,200s/div)
(的交流成分是i通过1的成分,直流成分是由1与2形成的偏压电压)

2.1.3栅极源极间电压为0.4V

照片2.5是栅极电位与源极电位s的波形。与s都是交流振幅,相位完全相同。如照片2.4所示,和i的交流波形完全相同,所以源极电位s与输入信号i也具有完全相同的交流波形。

照片2.5栅极电位与源极电位s的波形(1V/div,200s/div)
(与s的交流成分完全相同,直流电位相差0.4V。这是FET电路最重要的一点)

可以看出FET的源极接地放大电路与双极晶体管的发射极接地放大电路相同,从源极取出的信号完全没有电压放大作用(电压增益为)。

但是当信号加到栅极,从源极取出信号时,却有电流放大作用。这个电路与双极晶体管的射极跟随器相当,所以称为源极跟随器。

关于源极跟随器将在第4章详细讨论。

照片2.5中示出了FET电路设计中的一个重要问题,就是栅极电位与源极电位s间的电位差。

如照片2.4所示,的直流电位是1.7V,s的直流电位是2.1V,比高0.4V。就是说,在图2.1的电路中,FET栅极与源极之间的电压GS为0.4V。源极电位压比栅极电位高(后面将要讲到并不是所有的FET都是0.4V)。

如图2.4所示,双极晶体管基极与发射极间相当于接入一个二极管,晶体管在放大工作时基极发射极间电压BE为0.6~0.7V。而且对于NPN晶体管来说,发射极电位比基极低。

【第2章ET放大电路的工作原理】第1节放大电路的波形

图2.4BE与GS
(晶体管的BE是0.6~0.7V,发射极电位比基极低。图1电路中GS是0.4V,源极电位比栅极高)

这就是双极晶体管电路与FET电路工作上最重要的不同点。

2.1.4FET是电压控制器件

双极晶体管是由基极电流控制集电极与发射极之间电流流动的器件,是由电流控制输出的,所以叫做电流控制器件;FET是由栅极上所加的电压控制漏极与源极之间电流流动的器件,是由电压控制输出的,所以称为电压控制器件。

FET的栅极上没有电流流过(实际上,只有极小的电流流过,比双极晶体管基极电流小得多)。因此在图2.1的电路中,认为漏极电流
d与源极电流s的大小完全相等。

如果换一种理解方法,可以认为图2.1的电路是将如图2.5所示的输入信号i的电压变化量Δi(这时为±0.5V)作为漏极的电流变化量Δd(这时为±0.25mA)输出的可变电流源。

【第2章ET放大电路的工作原理】第1节放大电路的波形

图2.5将电压的变化变为电流的变化
(换一种理解方法,源极接地放大电路的FET是由输入电压i控制的可变电流源)

2.1.5输出是源极电流的变化部分

照片2.6是源极电位s与漏极电位d的波形。这样看到的栅极电位、源极电位s与输入信号i的波形是相同的。像照片2.6那样,FET的漏极上看到的是被放大了的i的波形,但是,d的波形与i的波形相位相反。

FET的源极所连接的电阻是源极电阻S。如照片2.5所示,s的振幅为2.1±0.5V,所以流过S的电流在以1.05mA为中心的±0.25mA范围变化((2.1±0.5)/2kΩ=1.05±0.25mA)。所有从FET
的源极流出的电流都流过S,所以源极电流s为1.05±0.25mA。

这个电流变化量Δ d通过漏极与电源间连接的电阻——— 漏极负载电阻D以电阻上产生的电压降的形式呈现出来,因此输出电压再次返回为电压变化量Δ d的形式,从漏极取出。

照片2.6源极电位s与漏极电位d的波形(2V/div,200s/div)
(s与输入信号i的波形相同,d是放大后的波形。但是,相位是相反的)

2.1.6漏极的相位相反

D连接在漏极与电源之间,所以这里产生的电压降是以电源为基准的。因此,当输入电压i增加,漏极电流也增加时,D上的电压降相对于电源也变大,漏极相对于地的电位d(D与漏极的接点电位)减少。

相反,如果i减少时漏极电流也减少,D上的电压降变小,d相对于GND增加。因此,相对于i,d的相位是反相的 —— 相位变化180°。

由照片2.5和照片2.6可以看出,对于FET源极接地放大电路来说,各极间呈现出的信号的相位关系是栅极源极间同相(相位差为零
),栅极漏极间以及源极漏极间反相。

但是,需要注意的是这只是源极接地时的相位关系,对于后面将要讲到的栅极接地放大电路来说,情况是不同的。这里的情况与双极晶体管发射极接地放大电路相同。照片2.7是漏极电位d与输出电压o的波形。耦合电容2隔断了d的直流成分,取出的输出仅是以0V为中心摆动的交流成分。

照片2.7漏极电位d与输出电压o的波形(5V/div,200s/div)
(由于d的直流成分被耦合电容隔断,所以取出的输出仅是以0V为中心摆动的交流成分)

2.1.7与双极晶体管电路的差别

前面看到的FET的源极接地放大电路是不是与双极晶体管的发射极放大电路完全相同?

实际上几乎是完全相同的,只有一点差别,这就是双极晶体管的基极发射极间电压BE与FET的栅极源极间电压GS在电压、极性上有差别。

这一点对于FET电路是非常重要的。只有搞清楚GS究竟有多大,才能够方便地像使用双极晶体管那样使用FET。

下面将结合FET的工作原理,说明这个GS的大小。

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