第3章 场效应管及其基本放大电路.ppt

第3章场效应管及其基本放大路 3 1结型场效应管 3 3场效应管放大电路 3 2绝缘栅场效应管 3 1结型场效应管 引言 3 1 1结型场效应管的结构及类型 3 1 3结型场效应管的伏安特性 3 1 2结型场效应管的工作原理 3 1 4结型场效应管的主要参数 BJT是一种电流控制元件 iB iC 工作时 多数载流子和少数载流子都参与运行 所以被称为双极型器件 场效应管 FieldEffectTransistor简称FET 是一种电压控制器件 uGS iD 工作时 只有一种载流子参与导电 因此它是单极型器件 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 因它具有很高的输入电阻 能满足高内阻信号源对放大电路的要求 所以是较理想的前置输入级器件 引言 引言 场效应管FET FieldEffectTransistor 类型 场效应管特点 1 单极性器件 一种载流子导电 3 工艺简单 易集成 功耗小 体积小 成本低 2 输入电阻高 107 1015 IGFET可高达1015 预备知识 PN结正偏 空间电荷区变窄 PN结反偏 空间电荷区变宽 N型半导体中 自由电子为多子 空穴为少子 3 1结型场效应管 3 1 1结型场效应管的结构及类型 N沟道JFET P沟道JFET 结型场效应管工作时它的两个PN结始终要加反向电压 对于N沟道 各极间的外加电压变为UGS 0 漏源之间加正向电压 即UDS 0 S 源极Source G 栅极Gate D 漏极Drain 3 1 2结型场效应管的工作原理 1 当uDS 0时 栅源电压uGS对导电沟道的控制作用 uGS 0UGS off uGS 0uGS UGS off 2 栅源间外加负向电压UGS时 两个PN结均处反偏状态 随着UGS负向增大 加在PN结上的反偏电压增大 则耗尽层加宽 由于N沟道掺杂浓度较低 故耗尽层主要集中在沟道一侧 耗尽层加宽 使得沟道变窄 沟道电阻增大 3 当UGS负向增大到某一值后 结两侧的耗尽层相遇 沟道被完全夹断 漏源间的电阻将趋于无穷大 相应于此时的漏源间电压UGS称为夹断电压 用UGS off 表示 uGS 0UGS off uGS 0uGS UGS off 1 uGS 0两个P N零偏 耗尽层很窄 2 当uGS 0时 漏源电压uDS对导电沟道的影响 UGS off uDS 0uDS UGS off uDS UGS off 如果在漏源间加上正向电压UDS UDS将在沟道中产生自漏极指向源极的电场 该电场使得N沟道中的多数载流子电子沿着沟道从源极漂移到漏极形成漏极电流 D 由于导电沟道存在电阻 D流经沟道产生压降 使得沟道中各点的电位不再相等 于是沟道中各点与栅极间的电压不再相等 也就是加在PN结两端的反向偏置电压不再相等 近源端PN结上的反向电压最小 近漏端的反向电压最大 结果使耗尽区从漏极到源极逐渐变窄 导电沟道从等宽到不等宽 呈楔形分布 随着UDS的增大 D增大 沟道不等宽的现象变得明显 当UDS增大到某一值时 近漏端的两个耗尽区相遇 这种情况称为预夹断 继续增大UDS 夹断点将向源极方向延伸 近漏端出现夹断区 随着夹断区的变长 其电阻增大 这样沟道电阻的增大抵消了电压UDS的增大 而UDS的增加部分将全部加在漏极与夹断点之间的夹断区上 形成较强的电场 在这种情况下 从漏极向夹断点行进的多子自由电子 一旦到达夹断点就会被夹断区的电场漂移到漏极 形成漏极电流 出现夹断后漏极电流基本不随UDS的增大而变化 似乎饱和了 IDSS漏极饱和电流 UGS 0时 对应导电沟道预夹断时的漏极电流最大 3 当uGS 0 uDS 0时 栅源电压uGS对漏极电流iD的控制作用 uGS 0 uDS 0 此时uGD UGS off 沟道楔型 耗尽层刚相碰时称预夹断 当uDS 预夹断点下移 当G S两极间电压UGS改变时 沟道两侧耗尽层的宽度也随着改变 由于沟道宽度的变化 导致沟道电阻值的改变 从而实现了利用电压UGS控制电流ID的目的 3 1 3结型场效应管的伏安特性 1 输出特性 2 转移特性 栅源电压对漏极电流的控制作用 UGS off uGS 0和管子工作在恒流区的条件下 3 1 4结型场效应管的主要参数 1 直流参数 1 夹断电压UGS off 指uDS 某值 使漏极电流iD为某一小电流时的uGS值 结型场效应管 当uGS 0时所对应的导电沟道预夹断时的漏极电流 2 饱和漏极电流IDSS 3 直流输入电阻RGS DC 是指漏源电压为零时 栅源电压与栅极电流之比 结型场效应管的RGS DC 一般大于107 反映了uGS对iD的控制能力 单位S 西门子 一般为几毫西 mS 2 交流参数 1 低频跨导gm 2 极间电容 CGS约为1 3pF 而CGD约为0 1 1pF 3 极限参数 1 最大漏极电流IDM 2 最大漏源电压U BR DS 3 最大栅源电压U BR GS 4 最大耗散功率PDM PDM uDSiD 受温度限制 3 2绝缘栅场效应管 一 增强型N沟道MOSFET MentalOxideSemi FET 1 结构与符号 P型衬底 掺杂浓度低 用扩散的方法制作两个N 区 在硅片表面生一层薄SiO2绝缘层 用金属铝引出源极S和漏极D 在绝缘层上喷金属铝引出栅极G S 源极Source G 栅极Gate D 漏极Drain 工作时栅源之间加正向电源电压UGS 漏源之间加正向电源电压UDS 并且源极与衬底连接 衬底是电路中最低的电位点 3 2 1增强型MOS管 2 工作原理 1 导电沟道的形成 uGS 0 uGS 0且uGS UGS th 2 工作原理 当uGS 0V时 漏源之间相当两个背靠背的二极管 在d s之间加上电压也不会形成电流 即管子截止 1 栅源电压uGS的控制作用 uDS 0 当栅源间无外加电压时 由于漏源间不存在导电沟道 所以无论在漏源间加上何种极性的电压 都不会产生漏极电流 正常工作时 栅源间必须外加电压以使导电沟道产生 导电沟道产生过程如下 2 工作原理 1 栅源电压uGS的控制作用 uDS 0 当在栅源间外加正向电压UGS时 外加的正向电压在栅极和衬底之间的 i 2绝缘层中产生了由栅极指向衬底的电场 由于绝缘层很薄 0 1um左右 因此数伏电压就能产生很强的电场 该强电场会使靠近 i 2一侧P型衬底中的多子 空穴 受到排斥而向体内运动 从而在表面留下不能移动的负离子 形成耗尽层 耗尽层与金属栅极构成类似的平板电容器 2 工作原理 1 栅源电压uGS的控制作用 uDS 0 随着正向电压UGS的增大 耗尽层也随着加宽 但对于P型半导体中的少子 电子 此时则受到电场力的吸引 当UGS增大到某一值时 这些电子被吸引到P型半导体表面 使耗尽层与绝缘层之间形成一个N型薄层 鉴于这个N型薄层是由P型半导体转换而来的 故将它称为反型层 2 工作原理 1 栅源电压uGS的控制作用 uDS 0 反型层与漏源间的两个N型区相连 成为漏源间的导电沟道 这时 如果在漏源间加上电压 就会有漏极电流产生 人们将开始形成反型层所需的UGS值称为开启电压 用UGS th 表示 显然 栅源电压UGS越大 作用于半导体表面的电场越强 被吸引到反型层中的电子愈多 沟道愈厚 相应的沟道电阻就愈小 当uGS UGS th 且固定为某一值时 来分析漏源电压VDS对漏极电流ID的影响 设UT 2V uGS 4V a uds 0时 id 0 b uds id 漏极附近的电场减弱 同时沟道靠漏区变窄 c 当uds增加到使ugd UGS th 时 沟道靠漏区夹断 称为预夹断 d uds再增加 预夹断区加长 uds增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上 id基本不变 2 漏源电压uDS对漏极电流id的控制作用 DS间的电位差使沟道呈楔形 uDS 靠近漏极端的沟道厚度变薄 uGD uGS uDS uGS 1 输出特性 可变电阻区 uDS uGS UGS th uDS iD 直到预夹断 饱和 放大区 uDS iD不变 uDS加在耗尽层上 沟道电阻不变 截止区 uGS UGS th 全夹断iD 0 截止区 饱和区 可变电阻区 放大区 恒流区 O 3 伏安特性 2 转移特性 UDS 10V UGS th 当uGS UGS th 时 uGS 2UGS th 时的iD值 开启电压 O 二 耗尽型N沟道MOSFET Sio2绝缘层中掺入正离子在uGS 0时已形成沟道 在DS间加正电压时形成iD uGS UGS off 时 全夹断 输出特性 转移特性 IDSS UGS off 夹断电压 饱和漏极电流 当uGS UGS off 时 O 三 P沟道MOSFET 增强型 耗尽型 N沟道增强型 P沟道增强型 N沟道耗尽型 P沟道耗尽型 IDSS FET符号 特性的比较 N沟道结型 P沟道结型 3 1 3场效应管的主要参数 开启电压UGS th 增强型 夹断电压UGS off 耗尽型 指uDS 某值 使漏极电流iD为某一小电流时的uGS值 UGS th 2 饱和漏极电流IDSS 耗尽型场效应管 当uGS 0时所对应的漏极电流 UGS th 3 直流输入电阻RGS 指漏源间短路时 栅 源间加反向电压呈现的直流电阻 JFET RGS 107 MOSFET RGS 109 1015 4 低频跨导gm 反映了uGS对iD的控制能力 单位S 西门子 一般为几毫西 mS O PDM uDSiD 受温度限制 5 漏源动态电阻rds 6 最大漏极功耗PDM 3 2 3场效应管与晶体管的比较 例3 1 已知某场效应管的转移特性曲线如图3 15所示 试确定场效应管的类型 UGS th 2V 为N沟道增强型MOS管 例3 2 电路如图3 16 a 所示 场效应管的输出特性如图3 16 b 所示 分析当uI 3V 8V 12V三种情况下场效应管分别工作在什么区域 解 UGS th 5V uGS uI 当uI 3V时 uGS小于开启电压 即uGS UGS th 故场效应管截止 当uI 8V时 uGS UGS th 场效应管导通 假设场效应管工作在恒流区 根据输出特性可知iD 0 6mA 则管压降uDS VDD iDRd 12 0 6 3 3 10V uGS UGS th 8V 5V 3V 所以 uDS uGS UGS th 说明假设成立 即场效应管工作在恒流区 因为 uDS 10V 当uI 12V时 uGS UGS th 场效应管导通 假设场效应管工作在恒流区 可知 当UGS 12V时 iD 4mA 则 uDS VDD iDRd 12 4 3 3 1 2V 而电路实际的uDS 0 所以 假设不正确 实际的iD小于4mA 故场效应管工作在可变电阻区 例3 3 图3 17所示电路 已知RD 3 3k RG 100k VDD 10V VGG 2V 场效应管的UGS off 5V IDSS 3mA 试分析场效应管工作在什么区域 解 UGSQ VGG 2V UGS off 场效应管导通 假设场效应管工作在恒流区 UGSQ UGS off 2 5 3V UDSQ UGSQ UGS off 假设正确 3 3场效应管放大电路 3 3 2场效应管放大电路的动态分析 3 3 1场效应管放大电路的直流偏置与静态分析 3 2 1场效应管放大电路 三种组态 共源 共漏 共栅 特点 输入电阻极高 噪声低 热稳定性好 1 固定偏压放大电路 一 电路的组成 1 合适的偏置 2 能输入能输出 三种组态 共源 共漏 共栅 三种组态 共源 共漏 共栅 三种组态 共源 共漏 共栅 栅极电阻RG的作用 1 为栅偏压提供通路 2 泻放栅极积累电荷 源极电阻RS的作用 提供负栅偏压 漏极电阻RD的作用 把iD的变化变为uDS的变化 VDD RD C2 CS uo C1 ui RG RS G S D RL 2 自给偏压放大电路 UDSQ VDD IDQ RS RD UGSQ IDQRS 二 静态分析 1 估算法 2 图解法 在输出特性上作直流负载线 作负载转移特性曲线 作输入回路的直流负载线 确定静态工作点转移特性曲线与输入回路的直流负载线的交点即为静态工作点Q Q点对应的横坐标值即为UGSQ 纵坐标值即为IDQ 再根据IDQ在输出特性曲线上求出静态工作点Q 确定UDSQ a 转移特性曲线 b 输出特性曲线 图自给偏压电路Q点的图解 1 场效应管的等效电路 三 动态分析 场效应管电路小信号等效电路分析法 移特性可知 gm是转移特性在静态工作点Q处 gm为低频跨导 反映了管子的放大能力 从转 切线的斜率 rds为场效应管的共漏极输出电阻 为输出特性在Q点处的切线斜率的倒数 如图所示 通常rds在几十千欧到几百千欧之间 从输入端口看入 相当于电阻rgs 从输出端口看入为受ugs控制的电流源 id gmugs 小信号模型 根据 2 场效应管放大电路的微变等效电路 RL RD uo ui G S D ugs gmugs id ii RG 3 计算放大电路的动态指标 注意 自给偏压电路只适用耗尽型场效应管放大电路 3 2 2分压式偏压放大电路 调整电阻的大小 可获得 UGSQ 0 UGSQ 0 UGSQ 0 RL VDD RD C2 CS uo C1 ui RG2 RS G S D RG1 一 电路组成 二 静态分析 UDSQ VDD IDQ RS RD 三 动态分析 RL RD uo ui RG2 G S D RG1 ugs gmugs id ii 四 改进电路 目的 为了提高输入电阻 有CS时 无CS时 RS Ri Ro不变 3 2 3共漏放大电路 io Ro 例耗尽型N沟道MOS管 RG 1M RS 2k RD 12k VDD 20V IDSS 4mA UGS off 4V 求iD和uO iG 0 uGS iDRS iD1 4mA iD2 1mA uGS 8V UGS off 增根 uGS 2V uDS VDD iD RS RD 20 14 6 V uO