由于互补对称功率放大电路,频率响应好、体积小、结构简单易于集成,因而被广泛应用于集成电路中。例如国产D2002型集成功率放大电路,其输出级为复合管互以对称电路,并具有推动级。这种集成功放电路只要很少的外接元件,电源电压可在8~18V的范围内选用,静态工作点无需调整,并具有电流容量大、失真小、噪声低等特点。图7-37所示是D2002型集成功放的外形,它只有5个引脚。使用时应紧固在散热片上。图7-38所示为用D2002型集成功放组成的低频功率放大电路,图中C1和C3分别为输入和输出耦合电容;电阻R1、R2和C3组成负反馈电路以提高放大电路工作的稳定性,并可改善其性能;R3、C4组成高通电路,用来改善高频时放大电路的特性,防止可能出现的高频自激。负载为4的扬声器,这种功率放大电路的不失真输出功率可达5W。
7-10场效应管及其放大电路
场效应管是一种新型半导体器件,它具有输入电阻大(可高达106~1012)、噪声低、热稳定性好和耗电少等优点,因此场效应管被广泛应用于各种电子线路中。场效应管按其结构不同,可分为结型和绝缘栅型两大类。由于后者制造工艺简单,目前又已大量集成化,应用于集成电路中。这里只以绝缘栅型场效应管为例,介绍其结构、性能和应用。
7-10-1绝缘栅场效应管
绝缘栅场效应管按其制造工艺可分为增强型和耗尽型两类,每类又有N型沟道和P型沟道之分。下面以N沟道为例,简述场效应管的工作原理。
1-增强型绝缘栅场效应管
1)N沟道增强型场效应管
图7-39是N沟道增强型绝缘栅场效应管的结构示意图和图形符号。它用一块杂质浓度很低的P型薄硅片做衬底,在硅片上扩散两个掺杂浓度很高的N型区。在两个N型区上,分别引出电极作为源极(S)和漏极(D)。又在两个N型区的间隙表面上用热氧化的方法,在硅表面生成一层二氧化硅的绝缘层,其上再覆盖一层金属铝,并引出电极作为栅极(G)。由于这种场效应管的栅极和其他两个电极是彼此绝缘的,故称为绝缘栅型场效应管。又由于它是由金属铝层,二氧化硅和半导体硅组成,所以又称为MOS场效应管。在制造场效应管时如果在二氧化硅中,掺入的正离子的数量较少,在UGS=0时,漏-源极间无沟道,即UGS0时才存在导电沟道的场效应管,称为增强型场效应管。
2)工作原理
当UGS=0时,漏-源极之间,并不存在导电沟道。因此,当UGS=0时,如果在漏-源极间加上一个正向电压UDS,如图7-39所示。由于漏极和衬底之间的PN结处于反向偏置,所以漏-源极之间不能导通,即ID=0。当UGS0时,栅极正电压所产生的电场,与二氧化硅绝缘层中正离子所产生的电场方向相同,从而加强了总的电场。因此,在二氧化硅绝缘层和P型衬底的界面层,感应出大量的负电荷。如果UGS较低,则感应出的少量负电荷将被P型衬底中的多数载流子——空穴复合。最后,源-漏极间仍无电流。当UGS继续增加到某一定数值时,由于电场的加强,将开始积累负电荷,如图7-40所示。且UGS越大积累的负电荷也越多。当积累足够多的负电荷时,将两个分离的高掺杂N+区沟通,就是在漏-源极间开始形成导电沟道,由于该导电沟道是由电子形成的,故称为N型导电沟道,此时有ID流过,如图7-41所示。这个使漏-源极间开始有电流ID的栅极电压,称栅-源开启电压,用UGS(th)表示。
3)转移特性和输出特性
图7-42和图7-43分别是增强型场效应管的转移特性和输出特性。从转移特性曲线可见,当UGSUGS(th)时,ID=0;当UGSUGS(th)时,随UGS的增加ID将迅速增加。从以上分析可知,在0UGSUGS(th)的范围内,漏-源极间导电沟道尚未沟通,ID=0,只有当UGSUGS(th)时,随栅极电压的变化,ID也随之变化。这就是说,增强型场效应管只有当UGSUGS(th)时,才起控制漏极电流ID的作用。不难看出,所谓转移特性,就是栅源电压UGS对漏极电流ID的控制特性,输出特性的恒流区是场效应管的放大工作区。
绝缘栅管的转移特性曲线
2-耗尽型绝缘栅场效应管
1)N沟道耗尽型场效应管
在制造场效应管时,可在二氧化硅的绝缘层中掺入大量的正离子。如果掺入的正离子浓度足够高,当它产生的正电场足够大时,就会在P型衬底的硅表面层排斥多数载流子——空穴,而感应出大量负电荷,此负电荷沟通了漏-源极,在漏-源极间形成了导电沟道,同样,由于该导电沟道是由电子形成的,故称为N型导电沟道,简称N沟道。这种当UGS=0时,漏-源极之间就存在固有导电沟道的,称为耗尽型场效应管,如图7-44为它的结构及图形符号。工作时,漏极和源极之间接有正向电压UDS,源极又常与衬底相连接并接地。
图7-44N沟道耗尽型绝缘栅场效应管2)工作原理当UGS=0时,漏极和源极之间已存在导电沟道,此时有很大的漏极电流ID,由电源正极流向漏极,称为原始导电沟道的饱和电流IDSS。
当UGS0时,由于绝缘层的存在,并不产生栅极电流IG,而在N型沟道内感应的负电荷增加,使ID随UGS的增加而增大。
当UGS0时,在N型沟道内,感应的负电荷减小,导电沟道缩小,ID减小。UGS越负,导电沟道越小,ID也就越小。当UGS达到某一定值时,N型沟道内载流子耗尽,即ID0。
此时栅-源极间电压,称为夹断电压UGS(off)。
可见,漏极电流ID的大小,是随栅源间的电压UGS大小而变化,也就是受控于UGS。实际上,UGS的微小变化,便会引起ID明显的变化,也就是说,场效应管是一种电压控制元件。
同时,耗尽型场效应管不论栅极电压UGS是正、负或是零,都能控制ID。这个特点使得它的应用具有更大的灵活性,通常,这类管子工作在UGS0的状态。
3)转移特性和输出特性
(1)转移特性。N沟道耗尽型管的转移特性如图7-45所示。它是指漏源电压UDS为常数时,栅压UGS和漏极电流之间的关系曲线。
由图可见,当UGS=0时,由于具有原始导电沟道,故漏源极已导通,流过漏极的电流为饱和漏极电流IDSS。
当UGS0时,由于UGS的增加,N型沟道内感应出的负电荷增加,ID随着UGS的增加而增大。当UGS0时,导电沟道缩小,UGS越负,沟道越小,ID也随之越小。当UGS等于夹断电压UGS(off)时,沟道被夹断,ID0。可见耗尽型场效应管,在正、负偏置或零栅压时,都能控制ID。
(2)输出特性。N沟道耗尽型管的输出特性如图7-46所示。从曲线上看,场效应管的工作可分为三个区域:可变电阻区、线性放大区和击穿区。在放大区中,漏极电流ID几乎不随漏-源电压UDS变化,输出电阻很高。但漏极电流ID随栅-源电压UGS线性增长,即受控于UGS。场效应管作为放大用时,都工作在放大区。实际应用中,为了避免管子损坏,应注意不要进入击穿区。
综上所述,可得如下结论。
(1)场效应管和普通三极管在外形上是相似的,也有三个极,其栅极相当于普通三极管的基极,源极相当于发射极,漏极相当于集电极。
(2)场效应管和普通三极管在性能上的主要区别是①普通三极管,是以基极电流控制集电极电流,是电流控制元件,其输入电阻较低;场效应管是以栅极电压UGS控制漏极电流,是电压控制元件,栅极回路基本上不取用电流,即IG=0。因此,输入电阻很高。②普通三极管中,运动的载流子有电子和空穴两种载流子,称为双极型晶体管;而场效应管中,只有一种载流子运动,称为单极型晶体管。
(3)N沟道增强型场效应管和耗尽型场效应管主要区别在于:是否有原始导电沟道,如果判别一个没有型号的绝缘栅型场效应管是增强型还是耗尽型,只要检查它在零栅偏压下,在漏、源极加正向电压时是否导通,就可做出正确判别。
7-10-2场效应管的主要参数
1-跨导
漏、源极间的电压为定值时,漏极电流的变化量ΔID对引起这一变化的栅-源电压的增量ΔUGS的比值称为跨导,用gm表示。它是衡量场效应管放大能力的重要参数。跨导的一般表示式为它的大小是转移特性曲线在工作点的斜率。因此,也可从转移特性曲线上求得。显然,跨导的大小与工作点位置有关,gm的单位为西门子(s)。
2-击穿电压
UDS(BR)和UGS(BR)分别表示当管子工作时,漏-源极间和栅-源极间允许加的最高电压值。显然,为了避免管子损坏,正常工作时,不允许超过该值。
3-输入电阻
在栅-源极间的电压为定值时,栅-源极间的直流电阻值,称为输入电阻,用RGS表示。
一般场效应管的RGS都很大。绝缘栅型场效应管高达108以上。
7-10-3单管交流电压放大电路
1-电路
图7-47是常用的共源极分压式场效应管交流电压放大电路。和普通三极管一样,为了保证放大电路正常工作,场效应管放大电路也必须设置合适的静态工作点。在图7-47中,RG1,RG2和Rs是用来设置静态工作点的。RG为栅极电阻,其值较大,以便提高放大电路的输入电阻。
普通三极管是以基极电流为参变量。因此,合适的静态工作点,主要靠适当调节基极电流IB来得到。场效应管栅极电流IG0,它是以栅-源电压为参变量。因此,主要靠给栅极提供合适的偏置电压来获得合适的静态工作点。
2-估算电压放大倍数