場效應晶體管及其放大電路

場效應晶體管及其放大電路第1頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一內容提要內容提要場效應晶體管利用輸入電壓在管內形成的電場影響導電溝道的形狀，進而控制輸出電流場效應管的特點：輸入阻抗高抗輻射能力強熱穩(wěn)定性好重點介紹場效應管的結構、工作原理及其應用電路第2頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一N溝道增強型場效應管的結構第一節(jié)：MOS場效應管襯底上的箭頭代表PN結的正向方向MOS管的命名原因溝道的含義第3頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一N溝道增強型場效應管的基本工作原理(一)第一節(jié)：MOS場效應管柵源電壓對管工作的影響設時管子截止時時反型層形成，出現導電溝道：開啟電壓第4頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一N溝道增強型場效應管的基本工作原理(二)第一節(jié)：MOS場效應管漏源電壓對管工作的影響設時導電溝道變?yōu)樾ㄐ螘r出現預夾斷時溝道被夾斷第5頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一N溝道增強型場效應管的基本工作原理(三)第一節(jié)：MOS場效應管柵源電壓起著建立導電溝道和控制溝道形狀的作用由于溝道電流僅由多子流構成，故也稱場效應管為單極型晶體管。特點：漏源電壓產生輸出電流并改變溝道形狀溫度穩(wěn)定性能好抗輻射能力強增強型的含義第6頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一N溝道增強型場效應管的輸出特性曲線(一)第一節(jié)：MOS場效應管由于柵極與源極和漏極之間有絕緣層隔開，故柵極輸入電流極小，輸入電阻極高，可以達到以上因此，常用的特性曲線為輸出特性曲線和轉移特性曲線第7頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一N溝道增強型場效應管的輸出特性曲線(二)第一節(jié)：MOS場效應管可變電阻區(qū)飽和區(qū)擊穿區(qū)截止區(qū)截止區(qū)：可變電阻區(qū)：飽和(恒流)區(qū)：厄爾利電壓溝道長度調制效應擊穿區(qū)：放大區(qū)預夾斷點第8頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一N溝道增強型場效應管的轉移特性曲線(一)第一節(jié)：MOS場效應管轉移特性曲線表示漏源電壓一定時，漏極電流與柵源電壓之間的關系曲線可由輸出曲線求得轉移跨導：第9頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一N溝道增強型場效應管的轉移特性曲線(二)第一節(jié)：MOS場效應管在相同工作點電流情況下，MOS管跨導的數值通常會比雙極型管的小，可能小1~2個數量級跨導也可以由轉移特性曲線圖解確定第10頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一MOS場效應管的擊穿第一節(jié)：MOS場效應管飽和區(qū)內，過大的漏源電壓所產生的擊穿與輸出特性曲線上的擊穿區(qū)對應漏源電壓過大時，會導致漏區(qū)與襯底間的PN結出現反向擊穿飽和區(qū)內可能會出現貫通擊穿當柵源電壓過大時，可能會導致絕緣層被擊穿第11頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一MOS場效應管襯底調制效應(一)第一節(jié)：MOS場效應管在MOS管工作時，漏區(qū)、源區(qū)、導電溝道與襯底之間的PN結不應出現正向導通情況，否則管不能正常工作這就要求N溝道型管的襯源極間電壓應滿足，P溝道型管應第12頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一MOS場效應管襯底調制效應(二)第一節(jié)：MOS場效應管分立元件中，襯底B一般與源極S相連。在集成電路中，由于所有元件為同一襯底，為保證所有元件的溝道與襯底間的隔離，導電溝道與襯底之間所形成的PN結必須反偏，也即N溝道MOS管的。所以，開啟電壓和轉移特性曲線右移背柵跨導第13頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一P溝道增強型MOS場效應管(一)第一節(jié)：MOS場效應管P溝道管的結構和原理與N溝道管類似但應注意溝道極性的區(qū)別及由此帶來的電流、電壓方向的變化第14頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一P溝道增強型MOS場效應管(二)第一節(jié)：MOS場效應管應注意特性曲線圖中電流、電壓的方向第15頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一耗盡型MOS場效應管(一)第一節(jié)：MOS場效應管耗盡型MOS管在柵源零偏時即已存在導電溝道注意其符號與增強型的區(qū)別第16頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一耗盡型MOS場效應管(二)第一節(jié)：MOS場效應管：截止電壓或閾值電壓也會產生預夾斷和漏極電流飽和的情況時已有導電溝道，故時即有漏極電流產生第17頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一耗盡型MOS場效應管(三)第一節(jié)：MOS場效應管可變電阻區(qū)飽和區(qū)擊穿區(qū)截止區(qū)截止區(qū)：可變電阻區(qū)：飽和(恒流)區(qū)：擊穿區(qū)第18頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一耗盡型MOS場效應管(四)第一節(jié)：MOS場效應管P溝道型管的特性可與之類比第19頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一MOS管類型總結第一節(jié)：MOS場效應管MOS管N溝道MOS管P溝道MOS管N溝道增強型MOS管N溝道耗盡型MOS管P溝道增強型MOS管P溝道耗盡型MOS管MOS管的結構注意N溝道與P溝道的區(qū)別注意增強型與耗盡型的區(qū)別第20頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一結型場效應管的結構第二節(jié)：結型場效應管結型場效應管(JFET：JunctionFieldEffectTransistor)根據溝道類型不同亦可分類第21頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一結型場效應管的基本工作原理(一)結型場效應管存在著內建初始導電溝道，這一點與耗盡型管類似結型場效應管應用時的輸入電阻很大，可達以上結型場效應管也是通過控制導電溝道的形態(tài)改變輸出電流結型場效應管輸入信號及輸出電流、電壓的選擇與MOS管類似第二節(jié)：結型場效應管第22頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一結型場效應管的基本工作原理(二)柵源電壓對管工作的影響時耗盡層增厚，導電溝道變薄，溝道電阻增大設時溝道全夾斷，漏極電流為零：夾斷電壓第二節(jié)：結型場效應管第23頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一結型場效應管的基本工作原理(三)漏源電壓對管工作的影響時導電溝道變?yōu)樾ㄐ蜁r繼續(xù)增大時溝道預夾斷，此時的漏極電流為飽和電流設此時對應于輸出特性曲線飽和區(qū)第二節(jié)：結型場效應管第24頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一結型場效應管的特性曲線恒流區(qū)擊穿區(qū)可變電阻區(qū)夾斷電壓飽和漏極電流第二節(jié)：結型場效應管第25頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一大功率管的作用第三節(jié)：VDMOS和IGBT管大功率管：最大允許工作電流、擊穿電壓、最大耗散功率的數值均較大橫向結構場效應管的漏源擊穿電壓和最大耗散功率、最大容許工作電流不能同時增大第26頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一VDMOS型場效應管第三節(jié)：VDMOS和IGBT管VDMOS的結構說明VDMOS中溝道的產生VDMOS中的三極管及器件符號第27頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一IGBT型管第三節(jié)：VDMOS和IGBT管請自行參閱課本第28頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一MOS場效應管的瞬態(tài)模型第四節(jié)：場效應管放大電路第29頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一MOS場效應管的微變信號模型第四節(jié)：場效應管放大電路第30頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一結型場效應管的微變信號模型第四節(jié)：場效應管放大電路第31頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一場效應管放大電路的要點第四節(jié)：場效應管放大電路分析方法與三極管放大電路相同，仍然是先靜態(tài)后動態(tài)，既可以使用圖解法又可以使用等效電路法注意偏置電路的設置（對于不同的場效應管來說有不同的設置需求）由于柵極電流為零，因此在等效模型中的柵極為懸空。受控電流源所反映的為柵源電壓對漏極電流的控制作用跨導一般較小，從而使得場效應管放大電路的具體參數與三極管放大電路相比有一些不同之處第32頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一偏置變量的相關回顧第四節(jié)：場效應管放大電路所謂偏置，就是給器件加一定的電壓(或電流)，使其工作點偏離原點，以便器件能夠在電路中按照人們的要求工作。對于放大運用來說，器件應工作于放大(恒流，飽和)區(qū)當大信號工作時，靜態(tài)工作點的位置及動態(tài)運用的范圍影響非線性失真當小信號運用時，只要是在放大區(qū)，靜態(tài)工作點的位置并不影響非線性失真，但將影響放大量(動態(tài)范圍)和功率消耗偏置電路應兼顧靜態(tài)工作點的穩(wěn)定、功率消耗。大信號運用時，靜態(tài)工作點的不穩(wěn)定還影響動態(tài)運用范圍和功率損耗，后者將牽涉到器件的安全運用第33頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一分壓式偏置第四節(jié)：場效應管放大電路管狀態(tài)的分析過程與三極管類似，即先假定管處于飽和狀態(tài)并展開分析看結果是否一致對于不同類型的管子來說，應注意：N溝道增強型N溝道耗盡型N溝道結型P溝道型管電源電壓應為負值第34頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一自給偏壓式偏置(一)第四節(jié)：場效應管放大電路靜態(tài)時靠源極電阻上的電壓為柵－源提供一個負的偏壓，故稱自給偏壓增強型場效應管為同極性偏置結型場效應管為反極性偏置耗盡型MOS場效應管兩者均可自給偏壓適用于結型或耗盡型管第35頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一自給偏壓式偏置(二)第四節(jié)：場效應管放大電路偏置電阻對交流信號有損耗作用，也降低了放大電路的輸入電阻在集成電路中，本級放大電路的輸入端直流偏置通常由前級電路的輸出提供必要時加入直流電平移動單元，稱這種偏置方式為直接偏置第36頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一場效應管的三種基本組態(tài)放大電路第四節(jié)：場效應管放大電路共源與共射對應共漏與共集對應共柵與共基對應第37頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一場效應管基本共源放大電路第四節(jié)：場效應管放大電路基本特性及應用范圍同共射電路第38頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一場效應管基本共柵放大電路第四節(jié)：場效應管放大電路基本特性及應用范圍同共基電路第39頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一場效應管基本共漏放大電路第四節(jié)：場效應管放大電路基本特性及應用范圍同共集電路第40頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一場效應管基本電流源(一)第四節(jié)：場效應管放大電路T2管的，保證其工作在飽和區(qū)設忽略溝道長度調制效應后()，若兩管參數對稱則為鏡像電流源，否則為比例電流源第41頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一場效應管基本電流源(二)第四節(jié)：場效應管放大電路為了提高集成度，通常用有源電阻代替一般電阻合理設計T1、T3管的寬長比，即可得到符合要求的參考電流第42頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一場效應管串聯電流源第四節(jié)：場效應管放大電路T3、T4特性相同輸出電流幾乎不受電流源輸出端電壓的影響，從而使輸出電阻大為提高，保證了良好的恒流特性第43頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一場效應管威爾遜電流源第四節(jié)：場效應管放大電路三管均工作在飽和區(qū)具有很高的輸出電阻由于串聯電流源和威爾遜電流源在輸出回路中串聯有兩個MOS管且要求兩管均工作于飽和區(qū)，從而在電源電壓一定的情況下，減小了輸出端電壓變化的動態(tài)范圍第44頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一MOS管有源電阻第四節(jié)：場效應管放大電路在工作點處DS之間的直流電阻為，小信號動態(tài)電阻可在Q點處切線斜率求得注意伏安特性曲線的做法也可用P溝道管構成類似電阻第45頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一NMOS管共源E/E型放大電路第四節(jié)：場效應管放大電路放大管與負載管均為增強型MOS管的放大電路稱為E/E放大電路第46頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一NMOS管共源E/D型放大電路第四節(jié)：場效應管放大電路以增強型MOS管(稱為E管)作為放大管，耗盡型MOS管(稱為D管)作為負載管的放大電路稱為E/D放大電路第47頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一CMOS共源放大電路第四節(jié)：場效應管放大電路沒有襯底調制效應的原因為保證T2管工作于飽和區(qū)，其柵極偏壓應小于，且。同理，為保證T1工作于飽和區(qū)，應滿足T1為放大管，T2為負載管第48頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一三種單級放大電路的主要性能比較第四節(jié)：場效應管放大電路放大管：負載管：從輸出曲線變化范圍比較從線性放大區(qū)特性的斜率比較第49頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一場效應管差分放大電路綜述第四節(jié)：場效應管放大電路場效應管差分放大電路的形式、基本特性及分析方法與BJT差放一樣場效應管差放具有輸入電阻大、輸入電流小、輸入線性范圍大等優(yōu)點場效應管差放通常也有微變增益低、偏差失調大的缺點第50頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一MOS管基本差分放大電路(一)第四節(jié)：場效應管放大電路電路結構說明差模微變增益的求解：第51頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一MOS管基本差分放大電路(二)第四節(jié)：場效應管放大電路MOS管差放的傳輸特性與三極管類似但其非限幅區(qū)范圍比三極管差放寬許多第52頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一MOS管基本差分放大電路(三)第四節(jié)：場效應管放大電路共模交流通路：第53頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一MOS管有源負載差分放大電路(一)第四節(jié)：場效應管放大電路E/E型放大電路負載管的微變電阻為第54頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一MOS管有源負載差分放大電路(二)第四節(jié)：場效應管放大電路以電流源作為有源負載的CMOS差放第55頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一MOS管有源負載差分放大電路(三)第四節(jié)：場效應管放大電路以鏡像電流源作為有源負載的CMOS差放可類比三極管差放電路第56頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一差放中的襯底調制效應第四節(jié)：場效應管放大電路請自行閱讀課本第57頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一模擬開關綜述第五節(jié)：場效應管模擬開關模擬開關：用于控制信號的通斷一個理想的模擬開關，接通時電阻為零，關斷時電阻為無窮大。開關的工作速度要快且對其它電路的性能的影響要小實際的模擬開關是由工作在開關狀態(tài)的晶體管或場效應管組成，外加控制電壓使晶體管交替工作在飽和區(qū)和截止區(qū)，或使場效應管交替工作在可變電阻區(qū)和截止區(qū)第58頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一單管MOS模擬開關(一)第五節(jié)：場效應管模擬開關由于N溝道MOS管的導通電阻小，單溝道模擬開關一般使用NMOS管當柵極控制電壓為低電平即時，MOS管截止，開關斷開當柵極控制電壓為高電平即時，管子，MOS管導通，且由于負載電阻很大，管子工作于可變電阻區(qū)…，開關閉合第59頁，共65頁，2023年，2月20日，星期一單管MOS模擬開關(二)第五節(jié)：場效應管模擬開關為使開關能正常工作，MOS管各極之間的電壓必須滿足