模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)第05章場(chǎng)效應(yīng)管放大電路.ppt

1、1,湖南科技大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院,第五章 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路,2,5 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路,5.1 金屬-氧化物-半導(dǎo)體（MOS）場(chǎng)效應(yīng)管,5.3 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JFET）,*5.4 砷化鎵金屬-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管,5.5 各種放大器件電路性能比較,5.2 MOSFET放大電路,3,P溝道,耗盡型,P溝道,P溝道,（耗盡型）,場(chǎng)效應(yīng)管的分類：,4,5.1 金屬-氧化物-半導(dǎo)體（MOS）場(chǎng)效應(yīng)管,5.1.1 N溝道增強(qiáng)型MOSFET,5.1.5 MOSFET的主要參數(shù),5.1.2 N溝道耗盡型MOSFET,5.1.3 P溝道MOSFET,5.1.4 溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng),5,5.1.1 N溝道增強(qiáng)型MOSF

2、ET,1. 結(jié)構(gòu)（N溝道）,L ：溝道長(zhǎng)度,W ：溝道寬度,tox ：絕緣層厚度,通常 W L,6,5.1.1 N溝道增強(qiáng)型MOSFET,剖面圖,1. 結(jié)構(gòu)（N溝道）,符號(hào),7,5.1.1 N溝道增強(qiáng)型MOSFET,2. 工作原理,（1）vGS對(duì)溝道的控制作用,當(dāng)vGS0時(shí),無(wú)導(dǎo)電溝道， d、s間加電壓時(shí)，也無(wú)電流產(chǎn)生。,當(dāng)0vGS VT 時(shí),產(chǎn)生電場(chǎng)，但未形成導(dǎo)電溝道（感生溝道），d、s間加電壓后，沒(méi)有電流產(chǎn)生。,當(dāng)vGS VT 時(shí),在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生導(dǎo)電溝道，d、s間加電壓后，將有電流產(chǎn)生。,vGS越大，導(dǎo)電溝道越厚,VT 稱為開(kāi)啟電壓,8,2. 工作原理,（2）vDS對(duì)溝道的控制作用,靠近

3、漏極d處的電位升高,電場(chǎng)強(qiáng)度減小,溝道變薄,當(dāng)vGS一定（vGS VT ）時(shí)，,vDS,ID,溝道電位梯度,整個(gè)溝道呈楔形分布,9,當(dāng)vGS一定（vGS VT ）時(shí)，,vDS,ID,溝道電位梯度,當(dāng)vDS增加到使vGD=VT 時(shí)，在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷。,2. 工作原理,（2）vDS對(duì)溝道的控制作用,在預(yù)夾斷處：vGD=vGS-vDS =VT,10,預(yù)夾斷后，vDS,夾斷區(qū)延長(zhǎng),溝道電阻,ID基本不變,2. 工作原理,（2）vDS對(duì)溝道的控制作用,11,2. 工作原理,（3） vDS和vGS同時(shí)作用時(shí),vDS一定，vGS變化時(shí),給定一個(gè)vGS ，就有一條不同的 iD vDS 曲線。,12,3.

4、 V-I 特性曲線及大信號(hào)特性方程,（1）輸出特性及大信號(hào)特性方程, 截止區(qū) 當(dāng)vGSVT時(shí)，導(dǎo)電溝道尚未形成，iD0，為截止工作狀態(tài)。,13,3. V-I 特性曲線及大信號(hào)特性方程,（1）輸出特性及大信號(hào)特性方程, 可變電阻區(qū) vDS（vGSVT）,由于vDS較小，可近似為,rdso是一個(gè)受vGS控制的可變電阻,14,3. V-I 特性曲線及大信號(hào)特性方程,（1）輸出特性及大信號(hào)特性方程, 可變電阻區(qū),n ：反型層中電子遷移率 Cox ：柵極（與襯底間）氧化層單位面積電容,本征電導(dǎo)因子,其中,Kn為電導(dǎo)常數(shù)，單位：mA/V2,15,3. V-I 特性曲線及大信號(hào)特性方程,（1）輸出特性及大信

5、號(hào)特性方程, 飽和區(qū) （恒流區(qū)又稱放大區(qū)）,vGS VT ，且vDS（vGSVT）,是vGS2VT時(shí)的iD,V-I 特性：,16,3. V-I 特性曲線及大信號(hào)特性方程,（2）轉(zhuǎn)移特性,17,（二）工作原理,（1）增強(qiáng)型 MOS 場(chǎng)效管,上一頁(yè),下一頁(yè),返 回,下一節(jié),上一節(jié),導(dǎo)電溝道的形成,17,18,5.1.2 N溝道耗盡型MOSFET,1. 結(jié)構(gòu)和工作原理（N溝道）,二氧化硅絕緣層中摻有大量的正離子,可以在正或負(fù)的柵源電壓下工作，而且基本上無(wú)柵流,19,5.1.2 N溝道耗盡型MOSFET,2. V-I 特性曲線及大信號(hào)特性方程,（N溝道增強(qiáng)型）,20,5.1.3 P溝道MOSFET,2

6、1,（2）耗盡型 MOS 場(chǎng)效管,上一頁(yè),下一頁(yè),返 回,下一節(jié),上一節(jié),21,22,（三）特性曲線,上一頁(yè),下一頁(yè),返 回,下一節(jié),上一節(jié),22,23,（四）四 種 MOS 場(chǎng)效管的簡(jiǎn)介,上一頁(yè),下一頁(yè),返 回,下一節(jié),上一節(jié),23,24,5.1.4 溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng),實(shí)際上飽和區(qū)的曲線并不是平坦的,L的單位為m,當(dāng)不考慮溝道調(diào)制效應(yīng)時(shí)，0，曲線是平坦的。,修正后,25,5.1.5 MOSFET的主要參數(shù),一、直流參數(shù),NMOS增強(qiáng)型,1. 開(kāi)啟電壓VT （增強(qiáng)型參數(shù)）,2. 夾斷電壓VP （耗盡型參數(shù)）,3. 飽和漏電流IDSS （耗盡型參數(shù)）,4. 直流輸入電阻RGS （1091015

7、）,二、交流參數(shù),1. 輸出電阻rds,當(dāng)不考慮溝道調(diào)制效應(yīng)時(shí)，0，rds,26,5.1.5 MOSFET的主要參數(shù),2. 低頻互導(dǎo)gm,二、交流參數(shù),考慮到,則,其中,27,5.1.5 MOSFET的主要參數(shù),三、極限參數(shù),1. 最大漏極電流IDM,2. 最大耗散功率PDM,3. 最大漏源電壓V（BR）DS,4. 最大柵源電壓V（BR）GS,PDM :管子正常工作時(shí)漏極電流允許的最大值,PDM ：管子的耗散功率不能大于該值,V（BR）DS ：指發(fā)生雪崩擊穿，iD開(kāi)始急劇上升的VDS,V（BR）GS ：柵源間反向電流急劇增加時(shí)的VGS,28,5.2 MOSFET放大電路,5.2.1 MOSFE

8、T放大電路,1. 直流偏置及靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算,2. 圖解分析,3. 小信號(hào)模型分析,29,5.2.1 MOSFET放大電路,1. 直流偏置及靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算,（1）簡(jiǎn)單的共源極放大電路（N溝道）,直流通路,共源極放大電路,30,5.2.1 MOSFET放大電路,1. 直流偏置及靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算,（1）簡(jiǎn)單的共源極放大電路（N溝道）,假設(shè)工作在飽和區(qū)，即,驗(yàn)證是否滿足,如果不滿足，則說(shuō)明假設(shè)錯(cuò)誤,須滿足VGS VT ，否則工作在截止區(qū),再假設(shè)工作在可變電阻區(qū),即,31,假設(shè)工作在飽和區(qū),滿足,假設(shè)成立，結(jié)果即為所求。,解：,例：,設(shè)Rg1=60k，Rg2=40k，Rd=15k，,試計(jì)算電路的靜態(tài)

9、漏極電流IDQ和漏源電壓VDSQ 。,VDD=5V， VT=1V，,32,5.2.1 MOSFET放大電路,1. 直流偏置及靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算,（2）帶源極電阻的NMOS共源極放大電路,飽和區(qū),需要驗(yàn)證是否滿足,33,5.2.1 MOSFET放大電路,1. 直流偏置及靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算,靜態(tài)時(shí)，vI0，VG 0，ID I,電流源偏置,VS VG VGS,（飽和區(qū)）,34,5.2.1 MOSFET放大電路,2. 圖解分析,由于負(fù)載開(kāi)路，交流負(fù)載線與直流負(fù)載線相同,35,5.2.1 MOSFET放大電路,3. 小信號(hào)模型分析,（1）模型,靜態(tài)值 （直流）,動(dòng)態(tài)值 （交流）,非線性失真項(xiàng),當(dāng)，vgs 2

10、(VGSQ- VT )時(shí)，,36,5.2.1 MOSFET放大電路,3. 小信號(hào)模型分析,（1）模型,0時(shí),高頻小信號(hào)模型,37,3. 小信號(hào)模型分析,（2）放大電路分析（例5.2.5）,假設(shè)工作在飽和區(qū),滿足,解：,38,3. 小信號(hào)模型分析,（2）放大電路分析（例5.2.5）,s,39,3. 小信號(hào)模型分析,（2）放大電路分析（例5.2.6）,共漏,40,3. 小信號(hào)模型分析,（2）放大電路分析,end,41,5.3 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管,5.3.1 JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理,5.3.2 JFET的特性曲線及參數(shù),5.3.3 JFET放大電路的小信號(hào)模型分析法,42,5.3.1 JFET的結(jié)構(gòu)和工

11、作原理,1. 結(jié)構(gòu),# 符號(hào)中的箭頭方向表示什么？,43,2. 工作原理, vGS對(duì)溝道的控制作用,當(dāng)vGS0時(shí),（以N溝道JFET為例）,當(dāng)溝道夾斷時(shí)，對(duì)應(yīng)的柵源電壓vGS稱為夾斷電壓VP （ 或VGS(off) ）。,對(duì)于N溝道的JFET，VP 0。,PN結(jié)反偏,耗盡層加厚,溝道變窄。,vGS繼續(xù)減小，溝道繼續(xù)變窄。,44,2. 工作原理,（以N溝道JFET為例）, vDS對(duì)溝道的控制作用,當(dāng)vGS=0時(shí)，,vDS,ID ,G、D間PN結(jié)的反向電壓增加，使靠近漏極處的耗盡層加寬，溝道變窄，從上至下呈楔形分布。,當(dāng)vDS增加到使vGD=VP 時(shí)，在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷。,此時(shí)vDS ,夾斷區(qū)

12、延長(zhǎng),溝道電阻,ID基本不變,45,2. 工作原理,（以N溝道JFET為例）, vGS和vDS同時(shí)作用時(shí),當(dāng)VP vGS0 時(shí)，導(dǎo)電溝道更容易夾斷，,對(duì)于同樣的vDS ， ID的值比vGS=0時(shí)的值要小。,在預(yù)夾斷處,vGD=vGS-vDS =VP,46,綜上分析可知,溝道中只有一種類型的多數(shù)載流子參與導(dǎo)電， 所以場(chǎng)效應(yīng)管也稱為單極型三極管。,JFET是電壓控制電流器件，iD受vGS控制。,預(yù)夾斷前iD與vDS呈近似線性關(guān)系；預(yù)夾斷后， iD趨于飽和。,# 為什么JFET的輸入電阻比BJT高得多？,JFET柵極與溝道間的PN結(jié)是反向偏置的，因 此iG0，輸入電阻很高。,47,5.3.2 JFE

13、T的特性曲線及參數(shù),2. 轉(zhuǎn)移特性,1. 輸出特性,48,與MOSFET類似,3. 主要參數(shù),5.3.2 JFET的特性曲線及參數(shù),49,5.3.2 FET放大電路的小信號(hào)模型分析法,1. FET小信號(hào)模型,（1）低頻模型,50,（2）高頻模型,51,2. 動(dòng)態(tài)指標(biāo)分析,（1）中頻小信號(hào)模型,52,2. 動(dòng)態(tài)指標(biāo)分析,（2）中頻電壓增益,（3）輸入電阻,（4）輸出電阻,忽略 rds，,由輸入輸出回路得,則,通常,則,end,53,場(chǎng)效應(yīng)管放大電路分析,（1）偏置電路及靜態(tài)分析,54,分壓式自偏壓電路,直流通道,VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2) VGS= VGVS= VGIDR ID= IDSS1(VGS /VP)2 VDS= VDDID(R+Rd ) 由此可以解出VGS、ID和VDS。,(1)直流分析,55,(2)交流分析,小信號(hào)等效電路,電壓放大倍數(shù),輸入電阻,輸出電阻,56,解：,畫(huà)中頻小信號(hào)等效電路,例題,57,例題,則電壓增益為,由于,則,end,