模擬電子技術(shù) 第三章

第三章場效應管放大電路3.1結(jié)型場效應管3.2絕緣柵場效應管3.3場效應管的主要參數(shù)3.4場效應管的特點3.5場效應管放大電路3.1結(jié)型場效應管圖3-1結(jié)型場效應管的結(jié)構(gòu)示意圖和符號3.1.2工作原理圖3-2當UDS=0時UGS對導電溝道的影響示意1.UGS對導電溝道的影響2.ID與UDS、UGS之間的關(guān)系圖3-3UDS對導電溝道和ID的影響3.1.3特性曲線

1.輸出特性曲線圖3--4N溝道結(jié)型場效應管的輸出特性根據(jù)工作情況,輸出特性可劃分為4個區(qū)域,即:可變電阻區(qū)、恒流區(qū)、擊穿區(qū)和截止區(qū)。2.轉(zhuǎn)移特性曲線圖3-5N溝道結(jié)型場效應管的轉(zhuǎn)移特性曲線圖3-6由輸出特性畫轉(zhuǎn)移特性3.2絕緣柵場效應管3.2.1N溝道增強型MOS場效應管1.結(jié)構(gòu)

圖3-7N溝道增強型MOS場效應管的結(jié)構(gòu)示意2.工作原理圖3-8UGS＞UT時形成導電溝道3.特性曲線圖3–9N溝道增強型MOS場效應管的特性曲線3.2.2N溝道耗盡型MOS場效應管圖3-10N溝道耗盡型MOS管的結(jié)構(gòu)示意圖圖3-11N溝道耗盡型MOS場效應管的特性曲線圖3-12MOS場效應管電路符號表3-1各種場效應管的符號和特性曲線類型符號和極性轉(zhuǎn)移特性輸出特性uGSOIDSSiDUPuGSOIDSSiDUP－i－uDSOuGS＝0V＋1VD＋2V＋3VuGS＝UP＝＋4VuDSOuGS＝0V－1ViD－2V－3VuGS＝UP＝－4VuDSOuGS＝5ViD3VuGS＝UT＝＋2V4VuGSiDOUTGSD+－iD－+GSD+－iD－+GSD+－iD－+BJFETP溝道JFETN溝道增強型NMOSuGSOiDUPIDSSiDOUTuGSuGSOIDSSiDUPuDSOuGS＝0ViD－2VuGS＝UP＝－4V＋2V－iD－5VuGS＝UT＝－3VO－uDS－4VuGS＝－6V－iD－2VuGS＝UP＝＋4VO－uDS＋2VuGS＝0VGSD+－iDB+－GSD+－iD－+BGSD+－iDB－+耗盡型NMOS增強型PMOS耗盡型PMOS表3-1續(xù)表3.3場效應管的主要參數(shù) 3.3.1直流參數(shù) 1.飽和漏極電流IDSS

IDSS是耗盡型和結(jié)型場效應管的一個重要參數(shù),它的定義是當柵源之間的電壓UGS等于零,而漏、源之間的電壓UDS大于夾斷電壓UP時對應的漏極電流。2.夾斷電壓UPUP也是耗盡型和結(jié)型場效應管的重要參數(shù),其定義為當UDS一定時,使ID減小到某一個微小電流(如1μA,50μA)時所需的UGS值。

3.開啟電壓UTUT是增強型場效應管的重要參數(shù),它的定義是當UDS一定時,漏極電流ID達到某一數(shù)值(例如10μA)時所需加的UGS值。

4.直流輸入電阻RGSRGS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106Ω以上,MOS管可達1010Ω以上。3.3.2交流參數(shù)1.低頻跨導gm

跨導gm的單位是mA/V。它的值可由轉(zhuǎn)移特性或輸出特性求得。3-13根據(jù)場效應管的特性曲線求gm

2.極間電容場效應管三個電極之間的電容,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pF。3.3.3極限參數(shù)1.漏極最大允許耗散功率PDmPDm與ID、UDS有如下關(guān)系:這部分功率將轉(zhuǎn)化為熱能,使管子的溫度升高。PDm決定于場效應管允許的最高溫升。2.漏、源間擊穿電壓BUDS在場效應管輸出特性曲線上,當漏極電流ID急劇上升產(chǎn)生雪崩擊穿時的UDS。工作時外加在漏、源之間的電壓不得超過此值。3.柵源間擊穿電壓BUGS結(jié)型場效應管正常工作時,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。對于MOS場效應管,由于柵極與溝道之間有一層很薄的二氧化硅絕緣層,當UGS過高時,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。3.4場效應管的特點(1)場效應管是一種電壓控制器件,即通過UGS來控制ID。(2)場效應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)由于場效應管是利用多數(shù)載流子導電的,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)工作點等特性。(4)由于場效應管的結(jié)構(gòu)對稱,有時漏極和源極可以互換使用,而各項指標基本上不受影響,因此應用時比較方便、靈活。(5)場效應管的制造工藝簡單,有利于大規(guī)模集成。(6)由于MOS場效應管的輸入電阻可高達1015Ω,因此,由外界靜電感應所產(chǎn)生的電荷不易泄漏,而柵極上的SiO2絕緣層又很薄,這將在柵極上產(chǎn)生很高的電場強度,以致引起絕緣層擊穿而損壞管子。(7)場效應管的跨導較小,當組成放大電路時,在相同的負載電阻下,電壓放大倍數(shù)比雙極型三極管低。圖3–14場效應管的零溫度系數(shù)工作點圖3-15柵極過壓保護電路3.5場效應管放大電路3.5.1靜態(tài)工作點與偏置電路圖3–16自給偏壓電路1.圖解法圖3–17求自給偏壓電路Q點的圖解2.計算法IDSS為飽和漏極電流,UP為夾斷電壓,可由手冊查出。【例1】電路如圖3-16所示,場效應管為3DJG,其輸出特性曲線如圖3-18所示。已知RD=2kΩ,RS=1.2kΩ,UDD=15V,試用圖解法確定該放大器的靜態(tài)工作點。解寫出輸出回路的電壓電流方程,即直流負載線方程設(shè)在輸出特性圖上將上述兩點相連得直流負載線。圖3-18圖解法確定工作點(例1)在轉(zhuǎn)移特性曲線上,作出UGS=-IDRS的曲線。由上式可看出它在uGS~iD坐標系中是一條直線,找出兩點即可。令連接該兩點,在uGS~iD坐標系中得一直線,此線與轉(zhuǎn)移特性曲線的交點,即為Q點,對應Q點的值為:另一種常用的偏置電路為分壓式偏置電路,如圖3-19所示。該電路適合于增強型和耗盡型MOS管和結(jié)型場效應管。為了不使分壓電阻R1、R2對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、源電壓為圖3-19分壓式偏置電路利用圖解法求Q點時,此方程的直線不通過uGS~iD坐標系的原點,而是通過ID=0,

點,其它過程與自偏電路相同。利用計算法求解時,需聯(lián)立解下面方程組3.5.2場效應管的微變等效電路求微分式定義場效應管電流電壓關(guān)系:(3-13)如果用id、ugs、uds分別表示iD、uGS、uDS的變化部分,則式(3-13)可寫為3.5.3共源極放大電路圖3–20共源極放大電路微變等效電路1.電壓放大倍數(shù)(Au)式中,2.輸入電阻ri3.輸出電阻ro圖3-21源極輸出器3.5.4共漏放大器(源極輸出器)1.電壓放大倍數(shù)(Au)式中,所以整理后得于是得2.輸入電阻ri3.輸出電阻ro

令Us=0,并在輸出端加一信號U2?！纠?】計算例2電路3-19的電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻。電路參數(shù)及管子參數(shù)如例2,且RL=1MΩ,CS=100μF。