第四章 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路

1、模擬電子技術(shù)模擬電子技術(shù)主講教師：張立權(quán)主講教師：張立權(quán)2007-12-1第四章第四章 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路場(chǎng)效應(yīng)管放大電路123金屬金屬-氧化物氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET放大電路放大電路結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管引引 言言v 優(yōu)點(diǎn)： 輸入阻抗高、熱穩(wěn)定性好、噪聲低、抗輻射能力強(qiáng) 及省電等。BJTFET電流電流控制電流的器件控制電流的器件兩種兩種載流子參與導(dǎo)電載流子參與導(dǎo)電屬于雙極型器件屬于雙極型器件利用利用電場(chǎng)效應(yīng)電場(chǎng)效應(yīng)來(lái)控制來(lái)控制電流的器件電流的器件一種一種載流子參與導(dǎo)電載流子參與導(dǎo)電屬于單極型器件屬于單極型器件v 分類(lèi)：場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管JFETMOSFETN溝道溝道P溝

2、道溝道N溝道溝道P溝道溝道增強(qiáng)型增強(qiáng)型耗盡型耗盡型增強(qiáng)型增強(qiáng)型耗盡型耗盡型第一節(jié)第一節(jié) 金屬金屬- -氧化物氧化物- -半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管1.1 N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOSFET1. 結(jié)構(gòu)及電路符號(hào)sgdN PN 襯底襯底sgdP襯底襯底SiO2絕緣層金屬Al箭頭方向表示由P指向NN溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型sgdP NP 襯底襯底sgdN襯底襯底SiO2絕緣層金屬Al箭頭方向表示由P指向Nv P溝道增強(qiáng)型結(jié)構(gòu)及符號(hào)v 特點(diǎn)： 柵極g相當(dāng)基極b，源極s相當(dāng)發(fā)射極e，漏極d相當(dāng) 集電極c。VGS=0時(shí)2. N溝道增強(qiáng)型MOS管的工作原理a. 柵源電壓柵源電壓VGS的控制作用的控制作用SGD

3、N PN 襯底襯底GSVDSVa) VGS=0時(shí)時(shí)D-S間相當(dāng)兩個(gè)背靠背的PN結(jié)0DIVGS0時(shí)b) VGS0時(shí)時(shí)SGDN PN 襯底襯底GSVDSVSiO2絕緣層的存在，柵極電流為零0DI此電場(chǎng)排斥多子空穴，剩下不能移動(dòng)的負(fù)離子，形成耗盡層。由于電容效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生一垂直向下的電場(chǎng)E。c) VGSVT時(shí)時(shí)VGSVT時(shí)，VT稱(chēng)為開(kāi)啟開(kāi)啟電壓電壓SGDN PN 襯底襯底GSVDSV0DI此電場(chǎng)吸引足夠多的電子，形成N型溝道型溝道，也稱(chēng)反型層反型層。2007-12-1v VGS控制作用小結(jié)： VGSVT ，ID0，場(chǎng)效應(yīng)管工作于輸出特性曲線(xiàn)的 截止區(qū)截止區(qū)。 VGS較小時(shí) ，感應(yīng)的電子較少，導(dǎo)電溝道的電

4、阻較 大。在VDS一定時(shí)，隨著VGS增加，導(dǎo)電溝道阻值變 小，漏極電流ID增大。 VGSVT 隨著VDS繼續(xù)增加，會(huì)產(chǎn)生預(yù)夾斷預(yù)夾斷現(xiàn)象，此時(shí)有 VGD=VGS-VDSVT VDS繼續(xù)增加，當(dāng)VGD=VGS-VDS0時(shí)時(shí)SGDN PN 襯底襯底GSVDSV+ + + + + + +VGS0時(shí)隨著VGS的增加，導(dǎo)電溝道變寬，漏極電流ID增大。c) VGS0時(shí)時(shí)SGDN PN 襯底襯底GSVDSV+ + + + + + +隨著VGS的反向增加，導(dǎo)電溝道變窄，漏極電流ID減小。當(dāng)VGS增至某一數(shù)值時(shí)，溝道完全被夾斷。漏極電流ID0。ID=0時(shí)的柵源電壓稱(chēng)為夾斷夾斷電壓電壓VP。v N溝道耗盡型溝道耗

5、盡型MOS管可在正或負(fù)的柵源電壓下工作。管可在正或負(fù)的柵源電壓下工作。3. N溝道耗盡型MOS管的特性曲線(xiàn) 耗盡型MOS管在vGS0時(shí)就有導(dǎo)電溝道，加反向電壓才能夾斷。v 轉(zhuǎn)移特性和輸出特性曲線(xiàn)DiGSv0PVGSPvVGDPvVGDPvVDiDSv00GSv0GSv1.3 MOSFET和和BJT的比較的比較BJTMOS結(jié)結(jié) 構(gòu)構(gòu)C、E極一般不可極一般不可互換使用互換使用D、S極一般可互換極一般可互換使用使用導(dǎo)電機(jī)理導(dǎo)電機(jī)理多子擴(kuò)散少子漂移多子擴(kuò)散少子漂移多子漂移多子漂移放大原理放大原理電流控制電流電流控制電流電壓控制電流電壓控制電流外界影響外界影響受溫度影響較大受溫度影響較大受溫度影響較小受

6、溫度影響較小輸入電阻輸入電阻幾十到幾千歐姆幾十到幾千歐姆幾兆歐姆以上幾兆歐姆以上電電 流流基極電流不為基極電流不為0柵極電流近似于柵極電流近似于01.4 MOSFET的主要參數(shù)的主要參數(shù)1. 開(kāi)啟電壓VT：當(dāng)vDS為一固定值使iD等于微小電流時(shí)， 柵源間的電壓。2. 夾斷電壓VP：當(dāng)vDS為一固定值使iD等于微小電流時(shí)， 柵源間的電壓。3. 飽和漏極電流IDSS：耗盡型MOS管vGS=0時(shí)的漏極電流4. 直流輸入電阻RGS(DC)：柵源電壓除柵流。5. 低頻跨導(dǎo)gm：在漏源電壓為常數(shù)時(shí)，漏極電流的微變 量除柵源電壓的微變量。constDSDmGSvigv6. 輸出電阻rds：7. 最大漏極電流

7、IDM：漏極電流允許的上限值。constGSDSdsDvvri8. 最大耗散功率PDM：DMDSDPvi9. 最大漏源電壓V(BR)DS：發(fā)生雪崩擊穿iD急劇上升的vDS10. 最大柵源電壓V(BR)GS：柵源間反向電流急劇上升的vGS2007-12-1作業(yè)：作業(yè)：5.1.1 、5.1.2第二節(jié)第二節(jié) MOSFETMOSFET放大電路放大電路v 電路組成原則及分析方法 組成原則： 靜態(tài)：設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，使MOS工作在 恒流區(qū)(飽和區(qū))。 動(dòng)態(tài)：能為交流信號(hào)提供通路。 分析方法： 靜態(tài)：估算法、圖解法。 動(dòng)態(tài)：小信號(hào)等效電路法。 2.1 靜態(tài)工作點(diǎn)計(jì)算靜態(tài)工作點(diǎn)計(jì)算1. 基本共源極放大電路

8、：dR1gRDDVg2C1Cov2gRsdivDi源極s與襯底一般是相連的。2. 直流通道：dR1gRDDVg2gRsdDIv 注意：柵極電流注意：柵極電流Ig02DQnGSTIKVV212gGSQDDggRVVRR其中，Kn為電導(dǎo)常數(shù)。DSQDDDdVVI Rv 靜態(tài)參數(shù)有柵源電壓、漏極電 流以及漏源電壓。2007-12-13. MOS管工作區(qū)域判別： 若計(jì)算出的VGS(VGS-VT)，說(shuō)明工作在飽和區(qū)飽和區(qū)。 若計(jì)算出的VDS(VGS-VT)，說(shuō)明工作在可變電阻區(qū)可變電阻區(qū) 例例1：電路如圖，各參數(shù)為： ，計(jì)算靜態(tài)工作點(diǎn)，并 說(shuō)明管子工作狀態(tài)。1260k,40k,15kggdRRR215V

9、,1V,0.2mA/VDDTnVVKdR1gRDDVg2C1Cov2gRsdivDi解：解：20.2mADQnGSTIKVV2122VgGSQDDggRVVRR2VDSQDDDdVVI R因VGD=0VVGS，則VGVS，而IG=0V則有：2125VGDDRVVRR0.5mASGDSSVVIRR()10VDSDDDSDVVIRR注意：注意：漏極和源極電流相等。(2) 動(dòng)態(tài)參數(shù)計(jì)算DR1RDDVG2C1Cov2RSDivDiGRSRLRSCDR1RGoVSDiVGR2RgsVmgsg vLRDIa.電壓放大倍數(shù)DR1RGoVSDiVGR2RgsVmgsg vLRDIigsVV輸入電壓/omgsD

10、LmgsLVg VRRg V R 輸出電壓電壓放大倍數(shù)為15mgsLoVmLigsg V RVAg RVV b. 輸入、輸出電阻12/1.0375MiiGiVRRRRI輸入電阻10koDRR輸出電阻DR1RGoVSDiVGR2RgsVmgsg vLRDIiIv 信號(hào)源置零，則電壓控制電流源也為零。共射電路為共射電路為 倒相電路。倒相電路。2.3 源極跟隨器源極跟隨器1RDDVG2C1Cov2RSDivDiGRSRLR共漏極電路例例2：電路如圖，計(jì)算靜態(tài)工作點(diǎn)和動(dòng)態(tài)參數(shù)。參數(shù)如下12150k ,50k ,1M,10k ,GSLRRRRR3mA/V,20VmDDgV解：解：(1) 估算靜態(tài)工作點(diǎn)1

11、RDDVG2RSDDiGRSR設(shè)VGVGS，則VGVS，而IG=0V則有：2125VGDDRVVRR0.5mASGDSSVVIRR15VDSDDSVVV(2) 動(dòng)態(tài)參數(shù)計(jì)算1RDDVG2C1Cov2RSDivDiGRSRLR1RGoVDSiVGR2RgsVmgsg vLRDISRa.電壓放大倍數(shù)igsoVVV輸入電壓/omgsSLmgsLVg VRRg V R輸出電壓電壓放大倍數(shù)為0.941mgsLoVigsmgsLg V RVAVVg V R1RGoVDSiVGR2RgsVmgsg vLRDISR2007-12-1b. 輸入電阻12/1.0375MiiGiVRRRRI輸入電阻1RGoVDSi

12、VGR2RgsVmgsg vLRDISRc.輸出電阻1gstoDmgsmVVRIg Vg 1RGtVDSGR2RgsVmgsg vDISRtIoRoR輸出電阻1/0.323kooSSmRRRRg第三節(jié)第三節(jié) 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管3.1 N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管1. 結(jié)構(gòu)及電路符號(hào)dP NP sgsgd箭頭方向表示柵結(jié)正偏時(shí)，柵極電流的方向由P指向Nv P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)和符號(hào)dN PN sgsgd箭頭方向表示柵結(jié)正偏時(shí)，柵極電流的方向由P指向NDNP P SGGSV2. N溝道JFET工作原理a. 柵源電壓柵源電壓VGS的控制作用的控制作用a) VDS=0，柵源間加負(fù)電壓，柵

13、源間加負(fù)電壓P P PN結(jié)反偏，|VGS|越大則耗盡區(qū)越寬，導(dǎo)電溝道越窄，電阻增大。DNSGGSVP P b) |VGS|VP|時(shí)時(shí)P P |VGS|增至一定值(夾斷電壓夾斷電壓VP)，兩耗盡層合攏，導(dǎo)電溝道夾斷。此時(shí)即使VDS 0V，漏極電流ID=0A0DI2007-12-1v VGS控制作用小結(jié)： 改變VGS的大小 ，可控制導(dǎo)電溝道電阻的大小，對(duì) 于固定的VDS，VGS的增加使漏極電流ID減小。 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管由于沒(méi)有絕緣層，只能工作在反偏結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管由于沒(méi)有絕緣層，只能工作在反偏 的條件下，否則會(huì)出現(xiàn)柵流。的條件下，否則會(huì)出現(xiàn)柵流。即輸入電阻較大。b. 漏源電壓漏源電壓VDS的控制作用的控

14、制作用a) VGS=0，漏源間加正電壓，漏源間加正電壓DNP P SGDSVP P 由于存在電位梯度，越靠近漏端，PN結(jié)反偏電壓越大，耗盡層越寬。2007-12-1v VDS控制作用小結(jié)： 增加VDS的大小 ，一方面可增加漏極電流ID，另一 方面由于導(dǎo)電溝道變窄，電阻增大，又使漏極電流 ID減小。但是在預(yù)夾斷前，可近似認(rèn)為溝道電阻基但是在預(yù)夾斷前，可近似認(rèn)為溝道電阻基 本上決定于本上決定于VGS，即，即ID隨隨VDS線(xiàn)性增加。線(xiàn)性增加。 VDS對(duì)溝道的影響是不均勻的，使溝道呈楔形。b) VGS0，漏源間加正電壓，漏源間加正電壓P P DNSGDSVGSV|VGS|VP|時(shí)DIP P 隨著VDS

15、增加，ID線(xiàn)性增大。當(dāng)VDS增加至使VGD=VGS-VDS=VP時(shí)，靠近漏端的溝道被預(yù)夾斷。|VGS|VP|時(shí)DI 恒定P P DNSGDSVGSV隨著VDS繼續(xù)增加，夾斷區(qū)向下延伸。增加的VDS主要降落在夾斷區(qū)上，因此，ID基本恒定。P P 3. N溝道JFET特性曲線(xiàn) 在漏源電壓vDS一定的條件下，柵源電壓vGS對(duì)漏極電流iD的控制特性。constDSDGSvif vv 轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn) 轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)可由輸出 特性曲線(xiàn)獲得。 DiGSv0PVDSSI 其中， IDSS為飽和漏極電流。 2)1 (PGSDSSDVVIiv 輸出特性曲線(xiàn) 在柵源電壓vGS一定的情況下，漏極電流iD與漏源電壓vDS之間的關(guān)系。constGSDDSvif vDiDSv0DSSI0GSvPV| |GSPvvGDPvVGDPvVDiDSv00GSv2V GSv4V GSv4. P溝道JFET特性曲線(xiàn)v 轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)DiGSv0PVDSSIN溝道轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)DiGSv0PVDSSIP溝道轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)v 輸出特性曲線(xiàn)