场效应管放大电路教学课件PPT1.ppt

场效应管放大电路 4场效应管放大电路 4 1结型场效应管 jfet 4 2砷化镓金属 半导体场效应管 mesfet 4 3绝缘栅场效应管 mosfet igfet 4 4场效应管放大电路 场效应管放大器的静态偏置场效应管放大器的交流小信号模型场效应管放大电路 场效应管 4 0场效应管概述 bjt是一种电流 压 控制元件 ib ic 工作时 多子和少子都参与运行 被称为双极型晶体管 半导体三极管 场效应管 fieldeffecttransistor简称fet 是一种电压控制器件 ugs id 工作时只有一种载流子 沟道中多子漂移 参与导电 故称单极型晶体管 场效应三极管 fet因其制造工艺简单 功耗小 温度特性好 输入电阻极高等优点 得到了广泛应用 大规模集成电路 fet分类 绝缘栅型场效应管igfet mosfet 结型场效应管 jfet 增强型 耗尽型 n沟道 p沟道 n沟道 p沟道 n沟道 p沟道 耗尽型 4 1结型场效应管 jfet 1 结型场效应管的结构 以n沟道为例 两个pn结夹着一个n型沟道 三个电极 g g 栅极 bjtbs s 源极 bjted d 漏极 bjtc 符号 2 结型场效应管的工作原理 1 栅源电压 vgs 对沟道 id 的控制作用 p158图4 1 3 在栅源间加负电压vgs 令vds 0 当vgs 0时 为平衡pn结 导电沟道最宽 沟道r呈线性 当 ugs 时 pn结反偏 ig 0 耗尽层变宽 宽度向低渗杂区延伸 导电沟道变窄 沟道电阻增大 线性变化 当 ugs 到一确切值时 沟道会完全合拢 完全夹断 沟道r 定义 夹断电压ugs off up 使导电沟道完全合拢 消失 完全夹断 所需要的栅源电压ugs 2 漏源电压 vds 对沟道的控制作用 p159图4 1 4 在漏源间加电压uds 令ugs 0由于ugs 0 所以导电沟道最宽 当uds 0时 id 0 uds id 线性 uds 靠近漏极处的耗尽层加宽 沟道变窄 呈楔形分布 当uds 使ugd ugs uds up时 在靠漏极处夹断 预夹断 id uds再 预夹断点下移 预夹断区 预夹断前 uds id 预夹断后 uds id几乎不变 idss vgs 0时的漏极饱和电流 3 栅源电压ugs和漏源电压uds共同作用 id f ugs uds 可用两组特性曲线来描绘 结论 沟道r受vgs控制 从而id受vgs的控制 放大 jfet工作原理实验图 动画2 9 p沟道场效应管工作时 极性相反 沟道中的多子为空穴 动画2 6 3 伏安特性曲线 p160 输出特性曲线 idss 动画2 6 输出特性曲线 恒流区 又称饱和区或放大区 特点 1 受控性 输入电压vgs控制输出电流 平方律关系 2 恒流性 vgs c 输出电流id基本上不受输出电压vds影响 用途 可做放大器和恒流源 条件 1 源端沟道未夹断 2 漏端沟道予夹断 idss 受控性表现在 id ugs gm即 id gm ugs 放大原理 非饱和区或欧姆区 特点 1 当vgs为定值时 id是vds的线性函数 管子的漏源间呈现为线性电阻 且其阻值受vgs控制 每一根线的k随vgs的变化而变化 几根线不重合 沟道r k不一样 2 管压降vds很小 用途 做压控线性电阻 条件 源端与漏端沟道都不夹断 预夹断点轨迹 可变电阻区 夹断区 用途 做无触点的电子开关 条件 整个沟道全夹断 击穿区 击穿拐点连线外区 当漏源电压增大到时 漏端pn结发生雪崩击穿 使id剧增的区域 其值一般为 20 50 v之间 由于vgd vgs vds 故vgs越负 对应v br ds就越小 管子不能在击穿区工作 特点 转移特性曲线 输入电压vgs对输出漏极电流id的控制 可根据输出特性曲线作出转移特性曲线 例 作uds 10v的一条转移特性曲线 gm id ugs uds const 单位ms gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用 在转移特性曲线上 gm为曲线的斜率 在输出特性曲线上也可求出gm 一个重要参数 跨导gm 结型场效应管的特性小结 自测 p165复习思考题 几点结论 p160下面几行文字 2 jfet栅极 沟道间的pn结是反向偏置的 因此 其ig 0 输入r很高 107 3 jfet是vccs器件 4 予夹断前 id与vds呈近似线性关系 予夹断后 趋向饱和 恒流区 1 沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电 所以场效应管也称为单极型三极管 结型场效应管的缺点 1 栅源极间的电阻虽然可达107以上 但在某些场合仍嫌不够高 3 栅源极间的pn结加正向电压时 将出现较大的栅极电流 绝缘栅场效应管可以很好地解决这些问题 2 在高温下 pn结的反向电流增大 栅源极间的电阻会显著下降 4 3金属 氧化物 半导体场效应管 绝缘栅型场效应管metaloxidesemiconductor mosfet igfet分为增强型 n沟道 p沟道耗尽型 n沟道 p沟道 增强型 没有导电沟道 耗尽型 存在导电沟道 n沟道p沟道增强型 n沟道p沟道耗尽型 一 n沟道增强型场效应管 emos 1 结构两个pn结 无沟道 4个电极 漏极d 源极s 栅极g和衬底b 符号 受控的先决条件 vgs 0 vds 0 衬底引线的接法 须接在整个电路最低电位 保证pn结反偏 vbs 0 零偏 bs短路 保证原来的pn结 2 n沟道增强型场效应管的工作原理 1 栅源电压vgs的控制作用 续 的n型沟道 把开始形成反型层的vgs值称为该管的开启电压vt 这时 若在漏源间加电压vds 就能产生漏极电流id 即管子开启 vgs值越大 沟道内自由电子越多 沟道越宽 沟道电阻越小 在同样vds电压作用下 id越大 这样 就实现了输入电压vgs对输出电流id的控制 当vgs vt时 衬底中的电子进一步被吸至栅极下方的p型衬底表层 使衬底表层中的自由电子数量大于空穴数量 该薄层转换为n型半导体 称为反型层 形成n源区到n漏区 id 栅源电压vgs对漏极电流id的控制作用 定义 开启电压 ut 刚刚产生沟道所需的栅源电压ugs n沟道增强型mos管的基本特性 ugs ut 管子截止 ugs ut 管子开启导通 ugs越大 沟道越宽 在相同的漏源电压uds作用下 漏极电流id越大 输入电压vgs通过控制沟道r从而控制输出电流id 2 漏源电压vds对沟道导电能力的影响 先决条件 vgs vt且固定为某值的情况下 uds vgd vgs vds 漏端感生的沟道越来越浅 沟道右窄左宽 沟道呈锥形分布 呈现非线性r id变化趋缓 当uds 使ugd ugs uds ut时 水平沟道右端出现预夹断 漏端沟道消失 漏端沟道预夹断 uds主要降予夹断区上 有利于载流子漂移 uds id 线性r 增强型mosfet的工作原理 id存在 漏端沟道出现预夹断点开始 id基本不随vds增加而变化 与其无关 不叫idss mosfet的ig真正为0 gs对外呈现的r 最高可达 3 v i特性曲线及大信号特性方程 1 输出特性及大信号特性方程p203 截止区当vgs vt时 导电沟道尚未形成 id 0 为截止工作状态 3 v i特性曲线及大信号特性方程 可变电阻区 n 反型层中电子迁移率cox 栅极 与衬底间 氧化层单位面积电容 本征电导因子 其中 kn为电导常数 单位 ma v2 rdso是一个受vgs控制的可变电阻 3 v i特性曲线及大信号特性方程 1 输出特性及大信号特性方程 饱和区 恒流区又称放大区 vgs vt 且vds vgs vt 是vgs 2vt时的id v i特性 低频互导gm 交流参数 考虑到 则 其中 3 mosfet的特性曲线 1 漏极输出特性曲线 截止区vgs vt 截止区 欧姆区 非饱和区 可变电阻区 压控rvds vgs vt 饱和区 受控性 恒流性 注意 2 转移特性曲线 vgs对id的控制特性 转移特性曲线的斜率gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用 其量纲为ma v 称gm为跨导 id f vgs vds 常数 gm id vgs q ms vt 低频互导gm 交流参数 考虑到 则 其中 增强型mos管特性小结 二 耗尽型mosfet dmos n沟道耗尽型mos管 它是在栅极下方的sio2绝缘层中掺入了大量的金属正离子 在管子制造过程中 这些正离子已经在漏源之间的衬底表面感应出反型层 形成了导电沟道 因此 使用时无须加开启电压 vgs 0 只要加漏源电压 就会有漏极电流 当vgs 0时 沟道变宽 将使id进一步增加 vgs 0时 沟道变窄 随着vgs的减小id逐渐减小 直至id 0 对应id 0的vgs值为夹断电压vp 耗尽型mosfet的特性曲线 dmos emos 4 3 3各种fet的特性比较p173 175表 由电压极性判fet的类型 规律 vds极性决定于沟道性质 n沟道 p沟道 vgs jfet 与vds极性相反 emos 与vds极性相同 dmos vgs可 0 n沟道 vp p沟道 vp n沟道 vt p沟道 vt n沟道 vp p沟道 vp 三 场效应三极管的参数和型号 1 场效应三极管的参数1 开启电压vt vgs th 开启电压是emos增强型管的参数 栅源电压小于开启电压的绝对值 场效应管不能导通 2 夹断电压vp或vgs off 夹断电压是耗尽型fet的参数 当vgs vp时 漏极电流为零 3 饱和漏极电流 零偏漏级电流 idss耗尽型场效应三极管 当vgs 0时所对应的漏极电流 4 直流输入电阻rgs 场效应三极管的栅源等效电阻 结型场效应三极管 反偏时rgs约大于107 由于mos管栅源间有sio2绝缘层 绝缘栅型场效应三极管 rgs约是109 1015 5 低频跨导gm低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用 gm可以在转移特性曲线上求取 单位是ms 毫西门子 6 极限参数pdm idm v br ds v br gs最大漏极功耗可由pdm vdsid决定 与双极型三极管的pcm相当 7 极间c cgs cgd cds 2 场效应三极管的型号 1 命名方法一是与双极型三极管相同 第三位字母j代表结型场效应管 o代表绝缘栅场效应管 第二位字母代表材料 d是硅n沟道 c是硅p沟道 如 3dj6d是结型n沟道场效应三极管 3do6c是绝缘栅型n沟道场效应三极管 2 第二种命名方法是cs cs代表场效应管 以数字代表型号的序号 用字母代表同一型号中的不同规格 例如cs14a cs45g等 几种常用场效应三极管的主要参数 双极型三极管与场效应三极管的比较 双极型三极管场效应三极管结构npn型结型n沟道p沟道与pnp型绝缘栅增强型n沟道p沟道分类c与e一般不可绝缘栅耗尽型n沟道p沟道倒置使用d与s有的型号可倒置使用载流子多子扩散少子漂移多子漂移输入量电流 电压输入电压输入控制电流 电压控制电流源电压控制电流源噪声较大较小温度特性受温度影响较大较小 且有零温度系数点输入电阻几十到几千欧姆几兆欧姆以上静电影响不受静电影响易受静电影响集成工艺不易大规模集成适宜大规模和超大规模集成 组成原则 4 4场效应管放大电路 1 静态 适当的静态工作点 使场效应管工作在恒流区 场效应管的偏置电路相对简单 2 动态 能为交流信号提供通路 分析方法 一 自给偏置电路及静态分析 4 4 1场效应管的直流偏置电路及静态分析 rg rs作用 可解出q点的ugs id ugs idr 注意 该电路产生负的栅源电压 所以只能用于需要负栅源电压的电路 如jfet dmos 耗尽型 计算q点 ugs id uds 已知up 由 图解法 2 分压式自偏压电路 可解出q点的ugs id 计算q点 已知up 由 该电路产生的栅源电压可正可负 所以适用于所有的场效应管电路 直流通道 4 2 2场效应管的低频小信号等效模型 跨导 fet交流输出电阻 与双极型晶体管一样 场效应管也是一种非线性器件 在交流小信号情况下 也可以由它的线性等效电路 交流小信号模型来代替 低频模型 高频模型 4 2 2场效应管的低 高频小信号等效模型 2 交流分析 小信号等效电路 电压放大倍数 输入电阻 输出电阻 2 分压式自偏压 共源 电路 2 电压放大倍数 3 输入电阻 得 分析 1 画交流小信号等效电路 由 2 共漏放大电路 源极输出器 电压跟随器 4 输出电阻 所以 由图有 本章小结 1 fet分为jfet和mosfet两种 工作时只有一种载流子参与导电 因此称为单极性型晶体管 fet是一种压控电流型器件 改