模擬電子技術(shù)第四章

1、第四章 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路第四章第四章 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路場(chǎng)效應(yīng)管放大電路4.1 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管 4.2 絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管 4.3 場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù) 4.4 場(chǎng)效應(yīng)管的特點(diǎn)場(chǎng)效應(yīng)管的特點(diǎn) 4.5 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路場(chǎng)效應(yīng)管放大電路 第四章 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路4.1 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管 DGSDGS(a) N型溝道PPN型溝道源極柵極漏極DGS(b) P型溝道NNP型溝道源極柵極漏極DGS(c) N溝道(d) P溝道圖4-1 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖和符號(hào) 第四章 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路4.1.2 工作原理工作原理 N型溝道DGS(a) UGS0PPID0N型溝

2、道DGS(b) UGS0PPID0UGSDGS(c) UGS UPPPID0UGS圖 4-2 當(dāng)UDS=0時(shí)UGS對(duì)導(dǎo)電溝道的影響示意1. UGS對(duì)導(dǎo)電溝道的影響 第四章 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路2. ID與與UDS、UGS之間的關(guān)系之間的關(guān)系 NDGS(a) UGS0, UDG| UP|UDSIDUGSNDGSUDSUGSIDPPPPISIS(b) UGS0 , UDG| UP| 預(yù)夾斷DGSUDSUGSIDPPIS(c) UGSUP , UDG| UP| 夾斷圖 4-3 UDS對(duì)導(dǎo)電溝道和ID的影響 第四章 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路4.1.3 特性曲線特性曲線 1.輸出特性曲線輸出特性曲線 常數(shù)GSUDS

3、DUfI)(iD / mA654321uDS / V048123 V2 V1VuGS0 V162024RDS小RDS大擊穿區(qū)UP4 VBUDSS截止區(qū)可變電阻區(qū)恒流區(qū)(放大區(qū))uDS uGS UP圖4-4N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的輸出特性 第四章 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路 根據(jù)工作情況, 輸出特性可劃分為4個(gè)區(qū)域, 即: 可變電阻區(qū)、 恒流區(qū)、擊穿區(qū)和截止區(qū)。 第四章 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路2. 轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線 常數(shù)DSUGSDUfI)(iD / mA654321uGS / VUDS 4VUP 4 V01234IDSS圖4- 5 N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性曲線 21PGSDSSDUUII第四章 場(chǎng)效應(yīng)

4、管放大電路iD / mAiD / mA665544332211uGS / VuDS / V0 UDS48 UDS124 V3 V2 V1 VUGS04321UDS UDS43UDS UDS21UP012341212圖 4-6 由輸出特性畫轉(zhuǎn)移特性第四章 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路4.2 絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管 4.2.1 N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管1. 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) NNP 型襯底SGDSiO2鋁B圖 4-7 N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖第四章 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路2. 工作原理工作原理 NNP 型襯底SGDUGSBUDSN 型溝道圖 4-8UGSUT時(shí)形成導(dǎo)電溝道 第四章 場(chǎng)

5、效應(yīng)管放大電路3. 特性曲線特性曲線 iD / mA10 A0UTuGS / VUGS UT0截止區(qū)iD / mA可變電阻區(qū)恒流區(qū)擊穿區(qū)UDS UGS UT軌跡uDS / V(a) 轉(zhuǎn)移特性(b) 輸出特性圖4 9 N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線 第四章 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路4.2.2 N溝道耗盡型溝道耗盡型MOS場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管 NNP型襯底SGD摻雜在絕緣層中的正離子N型溝道襯底引線圖圖 4-10 N溝道耗盡型溝道耗盡型MOS管的結(jié)構(gòu)示意圖管的結(jié)構(gòu)示意圖第四章 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路OUPuGSIDSS(a) 轉(zhuǎn)移特性IDSS01234510153 VuDS / V(b) 輸出特性2 V1 V

6、1 VUGS 0 ViDiD / mA20圖圖 4-11 N溝道耗盡型溝道耗盡型MOS場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線 第四章 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路GDS襯底(a) N溝道增強(qiáng)型GDS襯底(b) N溝道耗盡型GDS(c) N溝道MOS管簡(jiǎn)化符號(hào)GDS襯底(d) P溝道增強(qiáng)型GDS襯底(e) P溝道耗盡型GDS( f ) P溝道MOS管簡(jiǎn)化符號(hào)圖圖 4-12 MOS場(chǎng)效應(yīng)管電路符號(hào)場(chǎng)效應(yīng)管電路符號(hào) 第四章 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路表表4-1 各種場(chǎng)效應(yīng)管的符號(hào)和特性曲線各種場(chǎng)效應(yīng)管的符號(hào)和特性曲線 類型符號(hào)和極性轉(zhuǎn)移特性輸出特性u(píng)GSOIDSSiDUPuGSOIDSSiDUP i uDSOuG S0 V

7、1 VD2 V3 VuG S UP4 VuDSOuG S0 V1 ViD2 V3 VuG S UP4 VuDSOuG S5 ViD3 VuG S UT2 V4 VuGSiDOUTGSD+iD+GSD+iD+GSD+iD+BJFETP溝道JFETN溝道增強(qiáng)型N MOS第四章 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路uGSOiDUPIDSSiDOUTuGSuGSOIDSSiDUPuDSOuG S0 ViD2 VuG S UP4 V2 ViD5 VuG S UT3 VO uDS4 VuG S 6 V iD2 VuG S UP4 VO uDS2 VuG S 0 VGSD+iDB+GSD+iD+BGSD+iDB+耗盡型N MO

8、S增強(qiáng)型P MOS耗盡型P MOS表表4-1續(xù)表續(xù)表第四章 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路4.3 場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù) 4.3.1 直流參數(shù)直流參數(shù) 1. 飽和漏極電流飽和漏極電流IDSS IDSS是耗盡型和結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的一個(gè)重要參數(shù), 它的定義是當(dāng)柵源之間的電壓UGS等于零, 而漏、源之間的電壓UDS大于夾斷電壓UP時(shí)對(duì)應(yīng)的漏極電流。 第四章 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路 2. 夾斷電壓夾斷電壓UP UP也是耗盡型和結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的重要參數(shù), 其定義為當(dāng)UDS一定時(shí),使ID減小到某一個(gè)微小電流(如1A, 50A)時(shí)所需的UGS值。 第四章 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路 3. 開啟電壓開啟電壓UT UT是增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)

9、管的重要參數(shù), 它的定義是當(dāng)UDS一定時(shí), 漏極電流ID達(dá)到某一數(shù)值(例如10A)時(shí)所需加的UGS值。 第四章 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路 4. 直流輸入電阻直流輸入電阻RGS RGS是柵、源之間所加電壓與產(chǎn)生的柵極電流之比。由于柵極幾乎不索取電流, 因此輸入電阻很高。 結(jié)型為106 以上, MOS管可達(dá)1010以上。 第四章 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路4.3.2 交流參數(shù)交流參數(shù)1. 低頻跨導(dǎo)低頻跨導(dǎo)gm 常數(shù)DSUGSDmUIg 跨導(dǎo)gm的單位是mA/V。它的值可由轉(zhuǎn)移特性或輸出特性求得。 )1 (2PGSPDSSGSDmUUUIUIg第四章 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路iD / mAiD / mAQOuGS / VUG

10、SID(a) 轉(zhuǎn)移特性(b) 輸出特性u(píng)DS / VOIDQUGSuDS 常數(shù)4-13 根據(jù)場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線求gm 第四章 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路 2. 極間電容極間電容 場(chǎng)效應(yīng)管三個(gè)電極之間的電容,包括CGS、CGD和CDS。這些極間電容愈小, 則管子的高頻性能愈好。 一般為幾個(gè)pF。 第四章 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路4.3.3 極限參數(shù)極限參數(shù)1.漏極最大允許耗散功率漏極最大允許耗散功率PDmPDm與ID、UDS有如下關(guān)系: DSDDmUIP 這部分功率將轉(zhuǎn)化為熱能, 使管子的溫度升高。PDm決定于場(chǎng)效應(yīng)管允許的最高溫升。 2.漏、源間擊穿電壓漏、源間擊穿電壓BUDS 在場(chǎng)效應(yīng)管輸出特性曲線上, 當(dāng)漏

11、極電流ID急劇上升產(chǎn)生雪崩擊穿時(shí)的UDS。工作時(shí)外加在漏、源之間的電壓不得超過此值。第四章 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路 3. 柵源間擊穿電壓柵源間擊穿電壓BUGS 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管正常工作時(shí), 柵、源之間的PN結(jié)處于反向偏置狀態(tài), 若UGS過高, PN結(jié)將被擊穿。 對(duì)于MOS場(chǎng)效應(yīng)管, 由于柵極與溝道之間有一層很薄的二氧化硅絕緣層, 當(dāng)UGS過高時(shí), 可能將SiO2絕緣層擊穿, 使柵極與襯底發(fā)生短路。這種擊穿不同于PN結(jié)擊穿, 而和電容器擊穿的情況類似, 屬于破壞性擊穿, 即柵、 源間發(fā)生擊穿, MOS管立即被損壞。 第四章 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路4.4 場(chǎng)效應(yīng)管的特點(diǎn)場(chǎng)效應(yīng)管的特點(diǎn) (1) 場(chǎng)效應(yīng)管是一種電壓控

12、制器件, 即通過UGS來控制ID。 (2) 場(chǎng)效應(yīng)管輸入端幾乎沒有電流, 所以其直流輸入電阻和交流輸入電阻都非常高。 (3) 由于場(chǎng)效應(yīng)管是利用多數(shù)載流子導(dǎo)電的, 因此, 與雙極性三極管相比, 具有噪聲小、受幅射的影響小、熱穩(wěn)定性較好而且存在零溫度系數(shù)工作點(diǎn)等特性。 第四章 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路 (4) 由于場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)對(duì)稱, 有時(shí)漏極和源極可以互換使用, 而各項(xiàng)指標(biāo)基本上不受影響, 因此應(yīng)用時(shí)比較方便、 靈活。 (5) 場(chǎng)效應(yīng)管的制造工藝簡(jiǎn)單, 有利于大規(guī)模集成。 (6) 由于MOS場(chǎng)效應(yīng)管的輸入電阻可高達(dá)1015, 因此, 由外界靜電感應(yīng)所產(chǎn)生的電荷不易泄漏, 而柵極上的SiO2絕緣層又很薄

13、, 這將在柵極上產(chǎn)生很高的電場(chǎng)強(qiáng)度, 以致引起絕緣層擊穿而損壞管子。 (7) 場(chǎng)效應(yīng)管的跨導(dǎo)較小, 當(dāng)組成放大電路時(shí), 在相同的負(fù)載電阻下, 電壓放大倍數(shù)比雙極型三極管低。 第四章 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路iDOuGS零溫度系數(shù)工作點(diǎn)T3T2T1T1 T2 T3圖 4 14 場(chǎng)效應(yīng)管的零溫度系數(shù)工作點(diǎn) 第四章 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路DSGRVD1VD2圖 4-15 柵極過壓保護(hù)電路 第四章 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路4.5 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路場(chǎng)效應(yīng)管放大電路 4.5.1 靜態(tài)工作點(diǎn)與偏置電路靜態(tài)工作點(diǎn)與偏置電路 RSC1C2RD UDDRLRGGCSDSUiIDUo圖 4 16 自給偏壓電路 SDGSRIU第四章 場(chǎng)效

14、應(yīng)管放大電路1.圖解法圖解法)(SDDDDDSRRIUUiD / mAiD / mAACQDOOuGS / V5101520uDS / VBQ3 V2.5 V2 V1.5 V1 V0.5 VuGS0圖 4 17 求自給偏壓電路Q點(diǎn)的圖解 第四章 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路2.計(jì)算法計(jì)算法 21PGSDSSDUUIIIDSS為飽和漏極電流,UP為夾斷電壓, 可由手冊(cè)查出。 第四章 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路 【例例1】 電路如圖4 - 16所示, 場(chǎng)效應(yīng)管為3DJG, 其輸出特性曲線如圖4 - 18所示。已知RD=2 k, RS=1.2 k,UDD=15V, 試用圖解法確定該放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)。 解解 寫出輸出回路

15、的電壓電流方程, 即直流負(fù)載線方程)(SDDDDDSRRIUU設(shè)VUmAImARRUIVUDSDSDDDDDS1507 . 42 . 12150時(shí)，時(shí)，第四章 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路在輸出特性圖上將上述兩點(diǎn)相連得直流負(fù)載線。 6420571015 uGS / V564321123456uDS / ViD / mAQuGS0 V圖 4-18 圖解法確定工作點(diǎn)(例1) 第四章 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路 在轉(zhuǎn)移特性曲線上, 作出UGS=-IDRS的曲線。由上式可看出它在uGSiD坐標(biāo)系中是一條直線, 找出兩點(diǎn)即可。 令VUmAIUIGSDGSD6 . 3,30, 0連接該兩點(diǎn), 在uGSiD坐標(biāo)系中得一直線, 此

16、線與轉(zhuǎn)移特性曲線的交點(diǎn), 即為Q點(diǎn), 對(duì)應(yīng)Q點(diǎn)的值為: VUVUmAIDSGSD7,3,5 . 2第四章 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路SDDDSGGSRIURRRUUU121 另一種常用的偏置電路為分壓式偏置電路, 如圖4 -19所示。該電路適合于增強(qiáng)型和耗盡型MOS管和結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管。為了不使分壓電阻 R1、R2 對(duì)放大電路的輸入電阻影響太大, 故通過 RG 與柵極相連。 該電路柵、 源電壓為第四章 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路RSC1C2RD UDDRLR1CSUiR2RGUo圖 4-19 分壓式偏置電路 第四章 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路 利用圖解法求Q點(diǎn)時(shí), 此方程的直線不通過uGSiD坐標(biāo)系的原點(diǎn),而是通過ID=0,

17、點(diǎn), 其它過程與自偏電路相同。 DDGSURRRU121利用計(jì)算法求解時(shí), 需聯(lián)立解下面方程組22111PGSDSSDSDDDGSUUIIRIURRRU第四章 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路4.5.2 場(chǎng)效應(yīng)管的微變等效電路場(chǎng)效應(yīng)管的微變等效電路 DSDSGSDSUGSDDUGSDmDSUDSDGSUGSDDDSGSDuiruigduuiduuidiuufi1),(求微分式 定義 場(chǎng)效應(yīng)管僅存關(guān)系: (4-13)第四章 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路 如果用id、ugs、uds分別表示iD、uGS、uDS的變化部分, 則式(4-13)可寫為dsDgsmdurugi1PGSPDSSmUUUIg12PDSSmUIg20PGS

18、mmUUgg10第四章 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路4.5.3 共源極放大電路共源極放大電路 RGgmUgsR1RDRLR2UiUgsUoGSIdD圖 4 20 共源極放大電路微變等效電路第四章 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路1. 電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù)(Au) LgsmoiouRUgUUUA式中, ,/LmiOuigsLDLRgUUAUURRR所以。而第四章 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路2. 輸入電阻ri21/RRRrGi3. 輸出電阻ro DoRr 第四章 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路4.5.4 共漏放大器共漏放大器(源極輸出器源極輸出器) 1. 電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù)(Au) iouUUA 式中, 。而LSLRRR/oigsogsiUUUUUU,所以 )(LoimoRUUgULgsmoRUgU 第四章 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路整理后得 1LmiLmoRgURgU于是得1LmLmuRgRgA第四章 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路RSRLRGUsUo R sUi(a) 電路R