模擬電路第4章場效應(yīng)管放大電路.ppt

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1、1 第四章 場效應(yīng)管放大電路 BJT的缺點:輸入電阻較低 , 溫度特性差。 場效應(yīng)管 (FET):利用電場效應(yīng)控制其電流的半導(dǎo)體 器件。 優(yōu)點: 輸入電阻非常高 (高達 1071015歐姆 ), 噪聲低, 熱穩(wěn)定性好, 抗輻射能力強,工藝簡單,便于集成。 根據(jù)結(jié)構(gòu)不同分為: 結(jié)型 場效應(yīng)管 (JFET); 絕緣柵型 場效應(yīng)管 (MOSFET) 根據(jù)溝道性質(zhì)分為: N溝道 ; P溝道 根據(jù)偏壓為零時溝道能否導(dǎo)電分為: 耗盡型,增強型 場效應(yīng)管工作時,只有一種極性的載流子參與導(dǎo)電, 所以場效應(yīng)管又稱為 單極型晶體管 。 2 4.1 結(jié)型場效應(yīng)管 4.1.1 JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理 1. 結(jié)構(gòu) :

2、 N d g s 高攙雜 的 P型區(qū) . N溝道 JEFT的示意圖 N型導(dǎo)電 溝道 符號 g d s 對于 N溝道 JEFT 工作于放大狀態(tài), vGS0 g柵極, s源極, d漏極 3 P d g s 高攙雜的 N型區(qū) . P型導(dǎo)電 溝道 P溝道 JEFT的示意圖 對于 P溝道 JEFT 工作于放大狀態(tài), vGS 0. vDS 0 g d s 符號 4 2. 工作原理 (1) vGS對 iD的控制作用 vGS=0 VpvGSVP且不變 vDS=0, 耗盡層均勻 vGSVp vGDVp :溝道呈電阻性, iD隨 vDS升高幾乎成正比例的增加。 vDS不為 0時, 耗盡層變成鍥型。 vDS增加,鍥

3、型的斜率加大。 N d g s N d g s 耗盡層 iD 7 vGD=vGS-vDS vDS , vGD 當 vGD=VP時, 靠近 D端兩邊的耗盡層 相接觸 預(yù)夾斷 。 iD達到了最大值 IDSS。 此時: vDS=vGS-VP vDS再加大, vGD vGS-VP) 耗盡層兩邊相接觸的長度 增加, iD基本上不隨 vDS的 增加而上升,漏極電流趨于 飽和 飽和區(qū),恒流區(qū)。 N d g s N g d s 預(yù)夾 斷 夾斷 長度 增加 8 4-1-2 N溝道, JFET的特性曲線 (1) 輸出特性 iD=f(vDS)|vGS=常數(shù) 在該區(qū) FET 可以看 成一個壓控電阻。 特點 : vGS

4、越負,耗盡層越寬, 漏源間的電阻越大,輸 出曲線越傾斜。 iD與 vDS 幾乎成線性關(guān) 系。 1區(qū) : 可變電阻區(qū) 0vGSVP , 0vGDVp 9 2區(qū) :飽和區(qū) (恒流區(qū),線性放大區(qū) ) 0 vGS Vp, vGDVp 特點 : iD 隨 vGS下降而減少 , iD受 vGS 的控制。 vDS 增加時, iD基本保 持不變,成 恒流特性 。 在該區(qū)域,場效應(yīng)管等效成 一個 受 vGS控制的恒流源 。 場效應(yīng)管作放大器 時工作在該區(qū)域。 10 4區(qū): 擊穿區(qū) vDS太大,致使柵漏 PN結(jié)雪崩擊穿, FET 處于擊穿狀態(tài) .。場 效應(yīng)管一般不能工作 在該區(qū)域內(nèi)。 3區(qū): 截止區(qū) vGSVP

5、, vGDVP iD=0 場效應(yīng)管截止 11 (2) 轉(zhuǎn)移特性曲線 iD= f (vGS)|vDS= 常數(shù) 表征柵源電壓 vGS對漏極電流的控制作用, 場效應(yīng)管是電壓控制器件。 在飽和區(qū)內(nèi), FET可看 作壓控電流源。 轉(zhuǎn)移特性方程: iD=IDSS(1-vGS/VP)2 VP IDSS vGS - 0.8 0.4 vGS 12 ( 3)主要參數(shù) 夾斷電壓: VP 當導(dǎo)電溝道剛好完全被關(guān)閉時,柵源所對應(yīng)的電 壓 vGS 稱為夾斷電壓。 夾斷電壓與半導(dǎo)體的攙雜濃度有關(guān)。 飽和漏電流: IDSS 場效應(yīng)管處于 飽和區(qū), 且 vGS=0 時的漏極電流,對 于結(jié)型場效應(yīng)管,為最大工作電流。 低頻互導(dǎo):

6、 gm gm=diD/dvGS|vDS=常數(shù) 反映了柵源電壓對漏極電流的控制能力,是轉(zhuǎn)移 特性曲線上,靜態(tài)工作點處的斜率。 13 輸出電阻: rd 輸出電阻反映了 vDS對 iD的影響,是輸出特性上,靜 態(tài)工作點處切線斜率的倒數(shù)。 在飽和區(qū)內(nèi), iD隨 vDS改變很小,因此 rd 數(shù)值很大。 最大漏源電壓: V(BR)DS 最大耗散功率: PDM GS P GS D S S GS D m dv V v dI dv di g 2)1( )1(2 P GS P D S S m V v V Ig 14 4.3 金屬 -氧化物 -半導(dǎo)體場效應(yīng)管 4.3.1 N溝道增強型 MOSFET 金屬柵極、 Si

7、O2絕緣層、半 導(dǎo)體,構(gòu)成平板電容器。 MOSFET 利用柵源電壓的大 小,來改變襯底 b表面感生 電荷的多少,從而控制漏 極電流的大小。 N溝道增強型 MOS管示意圖 N溝道增強型 MOS管符號 s g d 襯底 b P N+ N+ 鋁 SiO2 MOS場效應(yīng)管的類型: 增強型 :包括 N溝道和 P溝道 耗盡型 :包括 N溝道和 P溝道 d s g b P溝道增強型 MOS管符號 d s g b 15 1、溝道形成原理 vDS=0時, vGS 的作用 在 SiO2絕緣層中產(chǎn)生垂直向下的電場, 該電場排斥 P區(qū)中的多子空穴,而將少 子電子吸向襯底表面。 vGS不夠大時 ,吸向襯底表面的電子將與

8、 空穴復(fù)合而消失,襯底表面留下了負離 子的空間電荷區(qū) 耗盡層,并與兩個 PN 結(jié)的耗盡層相連,此時源區(qū)和漏區(qū)隔斷。 無導(dǎo)電溝道 iD=0 vGS =0時 , iD=0 0vGSVT 剛形成反型層所需的 vGS 的值 開啟電壓 VT 。 vGSVT, 溝道形成, vDS0時,將形成電流 iD。 vGS ,溝道加寬,溝道電阻 , iD 。 g P d s N+ N+ N溝道 當外加正 vDS 時,源區(qū)的多子 (電子 )將 沿反型層漂移到漏區(qū)形成漏極電流 iD。 17 vGSVT且不變 , vDS對溝道的影響 導(dǎo)電溝道形成后, 在 vDS的作用下,形成漏極電流 iD , 沿溝道 ds,電位逐漸下降

9、, sio2中電場沿溝道 ds逐漸加大, 導(dǎo)電溝道的寬度也沿溝道逐漸加 大,靠近漏極端最窄。 vGS VT , 且 vGD VT (vDS vGS-VT ) 溝道暢通,場效應(yīng)管等效為小電阻 (可變電阻區(qū))。 P N+ N+ g d s 18 vDS再 , 使 vGDvGS-VT) 夾斷點向左移動,溝道中形成高阻區(qū), 電壓的增加全部降在高阻區(qū), iD基本 不變 恒流區(qū)。 vDS , vGD , 溝道斜率 , 靠近漏極端更窄。 當 vGD=VT 時 (vDS= vGS-VT) 靠近漏極端的反型層剛好消失 預(yù)夾斷。 預(yù)夾 斷 g d P N+ N+ s g d s P N+ N+ 19 3 、特性曲

10、線 1區(qū):可變電阻區(qū) : vGSVT vGDVT 溝道呈電阻性, iD隨 vDS 的增大而線性增大。 電阻值隨 vGS增加而減小。 2區(qū):恒流區(qū) (線性放大區(qū)) vGSVT vGDVT iD=IDO (vGS/VT)-1 2 IDO是 vGS=2VT時, iD的值。 iD 受 vGS 的控制。 4區(qū):擊穿區(qū) 3區(qū) 截止區(qū) vGSVT vGDVTP T1截止 vGSN=VDDVTN T2導(dǎo)通 vo=0 vi=0 vGSP= -VDD VTP T1導(dǎo)通 vGSN=00 , iD為電子電流 , iDS0(電流實際方向流入漏極) P溝道: vDS0 , iD為空穴電流 , iDS0 (電流實際方向流出

11、漏極) 襯底的極性 :必須保證 PN結(jié)反偏。 N溝道: P型襯底須接在電路中的最低電位上。 P溝道: N型襯底須接在電路中的最高電位上。 增強型 MOS管: vGS單極性,總與 vDS一致( N溝道正, P溝道負)。 vGS=0時 iDS=0。 耗盡型 MOS管 : vGS可正可負。 J型場效應(yīng)管: vGS單極性,總與 vDS相反( N溝道負 ,, P溝道正 )。 vGS=0時 iDS 0(絕對值達最大) 轉(zhuǎn)移特性: N溝道 v GS iDS v GS iDS P溝道 23 4.4 場效應(yīng)管放大電路 4.4.1 FET的直流偏置電路及靜態(tài)分析 1 零偏壓電路 2 自偏壓電路 VGS= - ID

12、RS VGS=0 Rd VDD s g RG d b 直流偏置電路 Rd VDD s g RG d b RS 適應(yīng)于耗盡型 MOS場效應(yīng)管 適應(yīng)于結(jié)型或耗 盡型 MOS管 24 3 分壓式自偏壓電路 VGS可正可負 , 適應(yīng)于任何一種類型 . 靜態(tài)工作點的確定 根據(jù)外部電路列出線性方程 列出場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性方程 Rd VDD s g Rg1 d b RS Rg2 Rg3 SDDD gg g SGGS RIVRR R VVV 21 2 增強型 MOS管 J型、耗盡型 MOS管 的值時是 DTGSDO T GS DOD iVVI V V II 2 )1( 2 2)1( P GS D S SD V

13、 VII 25 例 . ,5.0,1 ,18,2,30 ,10,47,2 321 點確定 Q mAIVV VVKRKR MRKRMR D S SP DDD ggg DSDDD gg g GS IRIVRR R V 24.0 21 2 22 )1(5.0)1( GS P GS D S SD VV VII mAImAI DD 31.0,59.1 Rg3 s g R Rd VDD Rg1 d Rg2 J型管 iD不能大于 IDSS 1.59mA的結(jié)果舍去 ID=0.31mA VRRIVV VV dDDDDS GS 1.8)( 22.0 26 4.4.2 FET的小信號模型分析法 FET的低頻小信號簡

14、化模型 g d s gsV gsmVg dsV FET低頻小信號模型 rd rgs g d s gsV gsmVg dsV cgs cgd cds FET高頻小信號模型 . rgs g d s gsV gsmVg dsVrd 27 應(yīng)用小信號模型分析 FET的放大電路 共源放大 : gs dgsm i o V V RVg V VA 如果接有外負載 RL )/( LdmV RRgA iV Rd VDD s g Rg1 d b R Rg2 Rg3 oV Rg=Rg1/Rg2 Rg Rg3 g d s iV gsmVg oVRd RL RL 213 / gggi RRRR dmV RgA do RR

15、 28 源極電阻上無并聯(lián)電容 : 共源電路的特點 : 電壓增益大 , 輸出電壓和輸入電壓反相 . 輸入電阻高 , 輸出電阻由漏極電阻 Rd決定 . RVgV RVg V VA gsmgs dgsm i o V gsmVg s R g d Rg3 Rg, Rd iV oV do gggi RR RRRR 213 / Rg=Rg1/Rg2 Rg RgA m dm V 1 29 共漏極放大器 (源極跟隨器 ) Lgsmgs Lgsm i o V RVgV RVg V VA g s d RS R g3 Rg RL gsmVg iV sV oV 213 / gggi RRRR oV VDD s g Rg1 d R Rg2 Rg3 iV RL Rg=Rg1/Rg2, RL=R/RL 11 Lm Lm V Rg RgA 30 輸出電阻 特點 : 1 電壓增益小于 1,但 接近于 1.且輸入輸 出同相 . 2 輸入電阻高 ,而輸 出電阻較低 . ) 1 ( )( R gV R V Vg R V VgI mT T Tm T gsmT s g d RS Rg3 Rg R gsmVg TV TI R gI VR mT T o / 1

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