场效应管放大电路教学课件PPT.ppt

第五章场效应管放大电路 场效应管是一种利用电场效应来控制电流的一种半导体器件 第五章场效应管放大电路 5 1金属 氧化物 半导体 mos 场效应管 5 2场效应管与晶体三极管的比较 5 3场效应管放大电路 5 1金属 氧化物 半导体 mos 场效应管 5 1 2n沟道耗尽型mosfet 5 1 3p沟道mosfet 5 1 4场效应管的主要参数 5 1 2n沟道增强型mosfet 5 1 1n沟道增强型mosfet绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管是一种利用半导体表面的电场效应 由感应电荷的多少改变导电沟道来控制漏极电流的器件 它的栅极与半导体之间是绝缘的 其电阻大于109 增强型 vgs 0时 漏源之间没有导电沟道 在vds作用下无id 耗尽型 vgs 0时 漏源之间有导电沟道 在vds作用下id 1 结构和符号 以n沟道增强型为例 在一块浓度较低的p型硅上扩散两个浓度较高的n型区作为漏极和源极 半导体表面覆盖二氧化硅绝缘层并引出一个电极作为栅极 5 1 1n沟道增强型mosfet 2工作原理 在g上加向下电场 则空穴往下走 电子往上走 那么接近电子的地方电子很多 则在s和d之间加电场就能形成n沟道符合单极性 s和d间加电势 从左到右降低 则在g上加电势 就会使电压差从左到右升高 即感生电场从小到大 vg 感生n 当vds增加到某一值使得最边上压差为0时 称这时的vgs vt为开启电压 随着vds的增加 0向厚的方向移动 5 1 1n沟道增强型mosfet 以n沟道增强型为例 1 vgs 0时 不管vds极性如何 其中总有一个pn结反向 所以不存在导电沟道 vgs 0 id 0vgs必须大于0管子才能工作 2 vgs 0时 在sio2介质中产生一个垂直于半导体表面的电场 排斥p区多子空穴而吸引少子电子 当vgs达到一定值时p区表面将形成反型层把两侧的n区沟通 形成导电沟道 vgs 0 g吸引电子 反型层 导电沟道vgs 反型层变厚 vds id 5 1 1n沟道增强型mosfet 3 vgs vt时而vds较小时 vds id vt 开启电压 在vds作用下开始导电时的vgs vt vgs vds 5 1 1n沟道增强型mosfet 4 vgs 0且vds增大到一定值后 靠近漏极的沟道被夹断 形成夹断区 vds id不变 5 1 1n沟道增强型mosfet 3 特性曲线 以n沟道增强型为例 转移特性输出特性 vt 2v 5 1 2n沟道耗尽型mosfet 制造时在栅极绝缘层中掺有大量的正离子 所以即使在vgs 0时 由于正离子的作用 两个n区之间存在导电沟道 类似结型场效应管 跨过两个区域 1 p沟道增强型 vgs 0时 id 0开启电压小于零 所以只有当vgs 0时管子才能工作 5 1 3p沟道mosfet 2 p沟道耗尽型 制造时在栅极绝缘层中掺有大量的负离子 所以即使在vgs 0时 由于负离子的作用 两个p区之间存在导电沟道 类似结型场效应管 5 1 3场效应管的主要参数 1 开启电压vt 在vds为一固定数值时 能产生id所需要的最小 vgs 值 增强 2 夹断电压vp 在vds为一固定数值时 使id对应一微小电流时的 vgs 值 耗尽 3 饱和漏极电流idss 在vgs 0时 管子发生预夹断知的漏极电流 耗尽 4 极间电容 漏源电容cds约为0 1 1pf 栅源电容cgs和栅漏极电容cgd约为1 3pf 5 低频跨导gm 表示vgs对id的空子作用 在转移特性曲线上 gm是曲线在某点上的斜率 也可由id的表达式求导得出 单位为s或ms 6 最大漏极电流idm 8 漏源击穿电压v br ds栅源击穿电压v br gs 7 最大漏极耗散功率pdm 场效应管总结 5 2场效应管与晶体三极管的比较 场效应管晶体三极管 导电机理单极型双极型 控制放大原理电压控制电流控制 输入电阻高 ig 0 低 ib 0 受外界影响小大 场效应管和三极管特点比较 1 场效应管是另一种半导体放大材料 只是多子参与导电 故称为单极型器件 而普通三极管既有多数载流子也有少数载流子参与导电 双极型 由于少数载流子浓度易受温度影响 所以温度稳定性 低噪声场效应管比三极管好 2 场效应管的漏极和源极可以互换 耗尽型绝缘管栅极电压可正可负 灵活性比三极管强 场效应管和三极管特点比较 3 三极管是电流控制器件 通过控制基极电流达到控制电流的目的 因此 基极总有一定的电流 故三极管的输入阻抗低 场效应管是电压控制器件其输出电流决定栅源之间的电压 栅极基本上不取电流 因此 它的输入电阻高 这是其突出优点 4 晶体三极管和场效应管的饱和区是两种完全不同的工作状态 只是共同沿用了 饱和区 的名词 场效应管和三极管特点比较 5 场效应管工作在饱和区时 其条件除栅源电压要求大于开启电压vgs vt外 增强型 还要求vgdvgs vt 此时 场效应管的沟道已被夹断 沟道电阻几乎全部集中在预夹断处 沟道电流id由外加电压vdd和电阻rd以及夹断处电阻所决定 当电源电压增加时 预夹断处的长度与电源电压同步增加 其电阻也同步增加 在rd不变的条件下 表现出vds增加时 漏极电流id基本不变的横流特性 这种现象也称为饱和区 可见 场效应管的饱和区正是线性放大区 相当于三极管的放大区 场效应管和三极管特点比较 6 晶体三极管饱和时 vbe和vbc均正偏 此时晶体三极管失去了放大能力 c e间压降很小 三极管这时相当于场效应管的可变电阻区 7 与三极管相似 为使场效应管工作在横流区 不但要在栅源间加合适的电压 而且还需要在漏源间加合适的电压 总结 二极管可用图形分析法 理想模型 折线形模型 恒压降模型 小信号模型 小信号模型尤为重要 它区别于其他模型它处理小信号源 前三种处理大信号 三极管和场效应管都可用图解法以及小信号模型分析法 微变电源时将非线性转换成线性 5 3场效应管放大电路 5 3 1场效应管的小信号模型 5 3 2共源极放大电路 5 3 1场效应管的小信号模型 已知场效应管输出特性表达式 求全微分 漏极与源极间等效电阻 5 3 1场效应管的小信号模型 5 3 2共源极放大电路以nmos增强型场效应管为例 三极管与场效应管三种组态对照表 1 电路组成 vgg 为栅源之间提供电压vdd 为漏极提供电流 vi vgs id vds vo nmos增强型 vgs vt vds vgs vtvgs控制id的大小 2 静态分析 计算工作点 由于栅源之间绝缘 所以 ig 0 vgs vgg 方法一 公式法 vds vdd idrd 方法二