电子科大课堂讲义模拟电路第4章.ppt_第1页
电子科大课堂讲义模拟电路第4章.ppt_第2页
电子科大课堂讲义模拟电路第4章.ppt_第3页
电子科大课堂讲义模拟电路第4章.ppt_第4页
电子科大课堂讲义模拟电路第4章.ppt_第5页
已阅读5页,还剩70页未读 继续免费阅读

下载本文档

版权说明:本文档由用户提供并上传,收益归属内容提供方,若内容存在侵权,请进行举报或认领

文档简介

第四章 场效应管(FET)及基本放大电路 FET是另一种半导体器件。 主要特点:输入电阻高; 温度稳定性好; 工艺简单,便于集成。 它们在现代集成电路中得到了非常广泛的应用。,按结构分为:结型 N沟道(N-JFET) P沟道(P-JFET) 绝缘栅型(IGFETMOSFET)N沟道 P沟道 按特性(工作方式)分为:耗尽型 JFET MOSFET 增强型 MOSFET,FET分类,4-1 JFET 两类 N-JFET P-JFET 电路符号如下(箭头指向:PN) 以箭头指向区别类型;靠近栅极(G)为源极(S)端。,N-JFET,P-JFET,一、JFET的结构和工作原理(N-JFET),引出三个电极 : 源极(S极)类似于BJT的E极 漏极(D极) C极 栅极(G极) B极 导电沟道为N沟道。,工作原理: 利用外加电压(uGS、uDS)改变导电沟道宽度,从而控制漏极电流iD的大小。即利用半导体内电场效应,通过改变耗尽层宽度来改变导电沟道的宽窄,从而控制iD的大小。,(1)uGS的控制作用(uDS=0) 对于N沟道,uGS应为负电压,即P+N结应处于反偏状态。,当vGS绝对值耗尽层宽度导电沟道变窄 当uGS=UP时,沟道被耗尽层夹断,导电沟道不存在。这种现象称为“全夹断”。,UP: 夹断电压,沟道刚处于全夹断对应的uGS值。,(2)uDS的控制作用(uGS=0) (a) (b) (c) 沟道电位由DS逐渐,故其特点为:导电沟道为不等宽的非均匀沟道,见(a)图。D处耗尽层最宽,导电沟道最窄;S处耗尽层最窄,导电沟道最宽。沟道内电子在uDS作用下形成iD(DS)。,iD和uDS的关系与uDS大小有关: 当uDS较小(200mV)时,iD随uDS近似成比例增加; 当uDS时, 随着UDS,耗近层加宽,沟道变窄,使iD随uDS的速度变缓(非线性); 当再uDS时,使uGD=UP时,耗尽层在靠近D处合拢(点接触),见图(b)。这种靠近D处的导电沟道刚刚消失的状态称为“预夹断”。此时对应的iD称为饱和漏电流IDSS。此时uDS,沟道对应的状态是由一点接触(预夹断)到一段接触(部分夹断),见图(c)。iD基本不变(饱和)。 当uDS至某值(BUDS),iD(击穿)。此时的漏源电压即PN结击穿电压,称为漏源击穿电压。,在iDuDS坐标系中描述iD随uDS变化的关系曲线 OA段:UDS较小时,iDUDS(电阻性质); AH段: iD随UDS的速度变慢(非线性); HB段:预夹断后,iD基本不随UDS的而(饱和); B段:GD间PN结反向击穿,iD急剧。,(3)uGS、uDS同时作用 uGS为反偏,使导电沟道比uGS=0时更窄,相同uDS下iD更小,但iD随uDS变化的规律不变。随着uGS的不同,曲线不同,故曲线为一簇。 此时预夹断条件:uGD=uGS-uDS=UP 即:uDS=uGS-UP,二、 N-JFET特性曲线及参数 用转移特性曲线和输出特性曲线描述。 1、输出特性曲线,分为四个区 (1)可变电阻区: 对应预夹断以前的未夹断状态(uDSuGS-uP)。在该区,DS间等效为一个受uGS控制的电阻RDS。 (2)恒流区(线性放大区): 对应预夹断后的部分夹断状态( uDSuGS-uP )。在该区,DS等效为一个受uGS控制的电流源(VCCS)。 (3)夹断区: 对应uGSUP的区域,此时沟道全夹断,iD=0。在该区,DS间相当于开路。 (4)击穿区: uDS过大,会使DG间P+N击穿,使用时,不能工作于此区。,2、转移特性曲线,UPuGS0(放大区内),由输出特性曲线可作出转移特性曲线:,3、转移特性方程(放大区内),(平方律关系),4、P-JFET归纳 (1) 外加直流电源极性与N-JFET相反:uGS0, uDS0; (2) Up0; (3) iD:流出漏极为真实方向,即iD由SD; (4) 输出特性中的参变量uGS为正值,曲线在第三象限; (5) 转移特性曲线在四象限。,练习1 N-JFET的UP=-4V,要保证该管工作于放大区,静态UGS取值范围应是( )。 (1)-4V (2)-4V (3)-4V与0V之间 (4)4V 练习2 电路如图,IDSS=2mA,UP=-4V;求iD=?,练习3(例4-1) (a) uGS=-5VUP=-4V; 沟道处于全夹断状态,管 子工作于截止区。 (b)uGS=-3VUP=-4V ,存在导电沟道; 且uDS=7VuGS-UP=1V,沟道部分夹断, 故管子工作 在恒流区(放大区)。 (c)uGS=0VUp=-4V,存在导电沟道; 而uDS=0.5VuGS-UP=1V, 沟道未夹断,管子工 作在可变电阻区。,4-2 MOSFET 目前应用较多的绝缘栅场效应管是以SiO2作为金属(铝)和半导体材料之间的绝缘层,称为金属-氧化物-半导体场效应管(简称MOS管)。 MOSFET分为N沟道 耗尽型 增强型 P沟道 耗尽型 增强型 耗尽型:uGS=0时管子内部已存在导电沟道。 增强型:uGS=0时管子内部不存在导电沟道。,四种MOSFET的电路符号,说明: 1、由导电沟道为虚线、实线区分增强型、耗尽型管子; 2、由箭头指向(PN)区分N沟道、P沟道管子; 3、电路中衬底B通常与源极S相连,以此区分源极和漏极。,一、N沟道增强型MOSFET 1、结构,2、工作原理 利用半导体表面的电场效应,通过改变反型层 (感生沟道)的厚薄来控制iD的大小。,uGS=0,不存在导电沟道(D-S间不通); uGS0,GB间产生垂直向下的电场(右下图);,当uGS,因空穴被排斥而在P衬底表面形成负离子层(耗尽层)(见左下图);,uGS至某值时,在绝缘层与耗尽层之间形成一个电子层即N型薄层(反型层)。它沟通了S和D,是一个感生沟道,称为N沟道(见右下图)。,此时对应的uGS值称为开启电压,用UT表示。 uGSUT形成导电沟道如下示意图(图中耗尽层未画出)。,感生沟道即导电沟道,形成感生沟道后,若此时uDS0,将形成iD(DS); 若uDS一定,当uGS越大,感应电荷越多,导电沟道越厚(宽),iD越大,反之,uGS越小,iD越小。实现了uGS对iD的控制作用。,全夹断状态,未夹断状态,预夹断状态,部分夹断状态,当uGSUT 即导电沟道形成后,增强型MOSFET的uGS、uDS对iD及导电沟道的影响与JFET十分类似, 即:uGS变化整个沟道宽度变化; uDS变化沟道成为非均匀沟道。 故管子对应的状态也分:,3、特性曲线 输出特性曲线,IDO:uGS=2UT 时的ID值。,转移特性曲线 iD、uGS的数学表达式(放大区内):,4、N沟道增强型MOS管工作于放大区的偏置条件 uGSUT(0); uDSuGS-UT,(1)结构:衬底为N型,S、D区为P+; (2)工作在放大区偏置电压条件 uGSUT(0); uDSuGS-UT ; (3)iD方向:流出漏极; (4)转移特性曲线:三象限; (5)输出特性曲线:三象限且参变量uGS为负值。,5、P沟道增强型MOS管归纳、对比,二、N沟道耗尽型MOSFET 1、结构和工作原理,管子存在原始导电沟道,只要UDS0,就有iD; 加入uGS可改变原电场强度: 当uGS0时,加强原电场,沟道加宽,iD, 当uGS0时,削弱原电场,沟道变窄,iD, 当uGS达到某一负电压UP时,外电场抵消原始自建电场,沟道消失,iD=0 。 故耗尽型MOS管的uGS可在一定范围内(正负)控制iD。 UP:称为耗尽型管的夹断电压, 其值为反型层(原始沟道)刚刚消失时对应的uGS。,2、特性曲线 转移特性曲线,耗尽型MOS管除uGS取值与增强型管不同外,其余工作原理与之相同。,iD、uGS间的数学关系与结型管相同 即:,输出特性曲线,参变量uGS可正、 可负、 可为零。,3、N沟道耗尽型MOS管放大偏置条件 uGSUP(UP0); uDSuGS-UP,4、P沟道耗尽型MOS管归纳、对比 iD方向:流出漏极; 放大偏置条件:uGSUP(UP0) ; uDSuGS-UP 三、六种类型场效应管转移特性归纳 N沟道管 P沟道管,练习1 由各转移特性曲线判断管子类型,标出相应的参数。,练习3 已知N-JFET的IDSS=2mA,UP=-4V,定性画出转移特性曲线和输出特性曲线。,4-3 FET偏置电路 FET偏置电路种类有: 自给偏压电路和混合偏压电路等。 一、自给偏压电路,由于自给偏压电路提供的UGS0,该偏置电路适 用于N沟道结型、耗尽型,而不适于增强型管。,直流通路,由输入回路得 UGS=-IDRS (1),静态工作点计算(求解UGSQ、IDQ、UDSQ): 首先画出电路的直流通路,由iDUGS关系式得,联立求解(1)(2)即得一组合理的UGS、ID 。 再由输出回路列KVL有:UDS=UDD-ID(RD+RS) 求出UDS值。,例4-3, UGS=UG-US=UG-IDRS 该偏置电路适用于所有类型的FET,应用最为广泛。,二、混合偏压电路 直流通路如下:,静态工作点的计算: 由电路输入回路写出UGSID外特性关系,由管类型写出iDuGS平方律关系,联立求解得UGS、ID;再由输出回路KVL求出UDS。,例4-5,练习:试分析下列电路能否正常放大,并说明理由。,4-4 FET的交流参数和小信号模型 1、交流参数 (1)低频跨导gm(gfs)定义 单位:西门子(S) 该参数反映了在工作点Q处 uGS对iD的控制能力。 对结型和耗尽型管,将 带入gm定义式并整理后可得 对增强型管将 带入gm定义式并整理可得,(2)漏极内阻(管子输出电阻),(3)极间电容 Cgs、Cgd、Cds。,(管子输出端关系),2、FET的小信号模型 导出:iD=f(uGS,uDS)在Q点对iD全微分有,又ig=0 (管子输入端关系) 由两数学表达式:,及 ig=0,分析方法与BJT放大电路相同,仍为三个步骤: (1)画出放大电路的交流通路, (2)用FET低频小信号模型取代交流通路中的FET 得其小信号等效电路, (3)由各交流指标定义式,利用线性电路的分析方 法求解。,4-5 FET基本放大电路,一、共源放大电路,例4-5,求Ro的电路如下:,1. 由于FET的跨导gm比较小,故CS放大器的Au一般 比CE放大器的Au小; 2. 由于FET是平方伏安关系器件,BJT是指数伏安关 系器件,故FET的小信号范围BJT的小信号范围。,说明:,例4-6 设上题电路中CS 开路,求Au ,Ri ,Ro表达式。,交流通路,由各交流指标定义得:,在小信号电路中令电压源Us短路并断开负载RL,外加 电压U,得求输出电阻Ro的电路。,当rds很大时,Ro=RD,二、共漏放大器(源极输出器),利用求Ro电路 Ro=RS/rds/Rm,例4-8 求CD-CE放大电路Au表达式。,例1(题4-15)CD-CB组合放大电路如图,求Au。,小信号等效

温馨提示

  • 1. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
  • 2. 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等,如果需要附件,请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
  • 3. 本站RAR压缩包中若带图纸,网页内容里面会有图纸预览,若没有图纸预览就没有图纸。
  • 4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
  • 5. 人人文库网仅提供信息存储空间,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑,并不能对任何下载内容负责。
  • 6. 下载文件中如有侵权或不适当内容,请与我们联系,我们立即纠正。
  • 7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。

评论

0/150

提交评论