模拟电路第4章场效应管放大电路.ppt

1 第四章场效应管放大电路 BJT的缺点 输入电阻较低 温度特性差 场效应管 FET 利用电场效应控制其电流的半导体器件 优点 输入电阻非常高 高达107 1015欧姆 噪声低 热稳定性好 抗辐射能力强 工艺简单 便于集成 根据结构不同分为 结型场效应管 JFET 绝缘栅型场效应管 MOSFET 根据沟道性质分为 N沟道 P沟道根据偏压为零时沟道能否导电分为 耗尽型 增强型 场效应管工作时 只有一种极性的载流子参与导电 所以场效应管又称为单极型晶体管 2 4 1结型场效应管 4 1 1JFET的结构和工作原理1 结构 高搀杂的P型区 N沟道JEFT的示意图 N型导电沟道 对于N沟道JEFT工作于放大状态 vGS0 g 栅极 s 源极 d 漏极 3 高搀杂的N型区 P型导电沟道 P沟道JEFT的示意图 对于P沟道JEFT工作于放大状态 vGS 0 vDS 0 4 2 工作原理 1 vGS对iD的控制作用 vGS 0 Vp vGS 0 vGS VP 耗尽层两侧刚刚合拢 沟道全部夹断时的vGS称为夹断电压VP 先设 vDS 0 5 vGS对沟道的影响 改变vGS的大小 可以有效的控制耗尽层的宽度 从而改变沟道电阻的大小 若在漏源极间加上固定的正向电压 则漏极流向源极的电流iD将受vGS的控制 对N沟道 vGS减小 沟道电阻增大 iD减小 vDS 0时 耗尽层均匀 6 2 VDS对iD的影响设 vGS VP且不变 vDS 0 耗尽层均匀 vGS VpvGD Vp 沟道呈电阻性 iD随vDS升高几乎成正比例的增加 vDS不为0时 耗尽层变成锲型 vDS增加 锲型的斜率加大 7 vGD vGS vDSvDS vGD 当vGD VP时 靠近D端两边的耗尽层相接触 预夹断 iD达到了最大值IDSS 此时 vDS vGS VP vDS再加大 vGDvGS VP 耗尽层两边相接触的长度增加 iD基本上不随vDS的增加而上升 漏极电流趋于饱和 饱和区 恒流区 预夹断 夹断长度增加 8 4 1 2N沟道 JFET的特性曲线 输出特性iD f vDS vGS 常数 在该区FET可以看成一个压控电阻 特点 vGS越负 耗尽层越宽 漏源间的电阻越大 输出曲线越倾斜 iD与vDS几乎成线性关系 1区 可变电阻区0 vGS VP 0 vGD Vp 9 2区 饱和区 恒流区 线性放大区 0 vGS Vp vGD Vp 特点 iD随vGS下降而减少 iD受vGS的控制 vDS增加时 iD基本保持不变 成恒流特性 在该区域 场效应管等效成一个受vGS控制的恒流源 场效应管作放大器时工作在该区域 10 4区 击穿区vDS太大 致使栅漏PN结雪崩击穿 FET处于击穿状态 场效应管一般不能工作在该区域内 3区 截止区vGS VP vGD VPiD 0场效应管截止 11 2 转移特性曲线iD f vGS vDS 常数 表征栅源电压vGS对漏极电流的控制作用 场效应管是电压控制器件 在饱和区内 FET可看作压控电流源 转移特性方程 iD IDSS 1 vGS VP 2 12 3 主要参数 夹断电压 VP当导电沟道刚好完全被关闭时 栅源所对应的电压vGS称为夹断电压 夹断电压与半导体的搀杂浓度有关 饱和漏电流 IDSS场效应管处于饱和区 且vGS 0时的漏极电流 对于结型场效应管 为最大工作电流 低频互导 gmgm diD dvGS vDS 常数反映了栅源电压对漏极电流的控制能力 是转移特性曲线上 静态工作点处的斜率 13 输出电阻 rd输出电阻反映了vDS对iD的影响 是输出特性上 静态工作点处切线斜率的倒数 在饱和区内 iD随vDS改变很小 因此rd数值很大 最大漏源电压 V BR DS最大耗散功率 PDM 14 4 3金属 氧化物 半导体场效应管 4 3 1N沟道增强型MOSFET金属栅极 SiO2绝缘层 半导体 构成平板电容器 MOSFET利用栅源电压的大小 来改变衬底b表面感生电荷的多少 从而控制漏极电流的大小 N沟道增强型MOS管示意图 N沟道增强型MOS管符号 MOS场效应管的类型 增强型 包括N沟道和P沟道耗尽型 包括N沟道和P沟道 P沟道增强型MOS管符号 15 1 沟道形成原理 vDS 0时 vGS的作用 在SiO2绝缘层中产生垂直向下的电场 该电场排斥P区中的多子空穴 而将少子电子吸向衬底表面 vGS不够大时 吸向衬底表面的电子将与空穴复合而消失 衬底表面留下了负离子的空间电荷区 耗尽层 并与两个PN结的耗尽层相连 此时源区和漏区隔断 无导电沟道iD 0 vGS 0时 iD 0 0 vGS VT时 16 vGS加大 将吸引更多的电子到衬底表面 形成自由电子的薄层 反型层 表层的导电类型由原来P型转化为N型 N型导电沟道形成 vDS 0时反型层均匀 vGS VT 刚形成反型层所需的vGS的值 开启电压VT vGSVT 沟道形成 vDS 0时 将形成电流iD vGS 沟道加宽 沟道电阻 iD N沟道 当外加正vDS时 源区的多子 电子 将沿反型层漂移到漏区形成漏极电流iD 17 vGS VT且不变 vDS对沟道的影响 导电沟道形成后 在vDS的作用下 形成漏极电流iD 沿沟道d s 电位逐渐下降 sio2中电场沿沟道d s逐渐加大 导电沟道的宽度也沿沟道逐渐加大 靠近漏极端最窄 vGS VT 且vGD VT vDS vGS VT 沟道畅通 场效应管等效为小电阻 可变电阻区 vDS使沟道不再均匀 18 vDS再 使vGDvGS VT 夹断点向左移动 沟道中形成高阻区 电压的增加全部降在高阻区 iD基本不变 恒流区 vDS vGD 沟道斜率 靠近漏极端更窄 当vGD VT时 vDS vGS VT 靠近漏极端的反型层刚好消失 预夹断 预夹断 19 3 特性曲线 1区 可变电阻区 vGS VTvGD VT沟道呈电阻性 iD随vDS的增大而线性增大 电阻值随vGS增加而减小 2区 恒流区 线性放大区 vGS VTvGD VTiD IDO vGS VT 1 2IDO是vGS 2VT时 iD的值 iD受vGS的控制 4区 击穿区 3区截止区vGS VTvGD VTiD 0 VT 20 CMOS电路 vi VDDvGSP 0 VTPT1截止vGSN VDD VTNT2导通vo 0vi 0vGSP VDD VTPT1导通vGSN 0 VTNT2截止vo VDD T2 N沟道 T1 P沟道 非门电路 21 4 3 2N沟道耗尽型MOSFET 结构与N沟道增强型相同 但在SiO2的绝缘层中掺有大量的正离子 当vGS 0时 也能在衬底表面感应出很多的电子 形成N型导电沟道 在零栅源电压下也存在导电沟道的FET称耗尽型 耗尽型MOSFET在零 正和负栅源电压下都可工作 N沟道耗尽型MOS管符号 P沟道耗尽型MOS管符号 vGS 沟道宽度 iD vGS 沟道宽度 iD 22 4 3 3场效应管比较 N沟道 vDS 0 iD为电子电流 iDS 0 电流实际方向流入漏极 P沟道 vDS 0 iD为空穴电流 iDS 0 电流实际方向流出漏极 衬底的极性 必须保证PN结反偏 N沟道 P型衬底须接在电路中的最低电位上 P沟道 N型衬底须接在电路中的最高电位上 增强型MOS管 vGS单极性 总与vDS一致 N沟道正 P沟道负 vGS 0时iDS 0 耗尽型MOS管 vGS可正可负 J型场效应管 vGS单极性 总与vDS相反 N沟道负 P沟道正 vGS 0时iDS 0 绝对值达最大 转移特性 N沟道 P沟道 23 4 4场效应管放大电路 4 4 1FET的直流偏置电路及静态分析 1零偏压电路 2自偏压电路 VGS IDRS VGS 0 直流偏置电路 适应于耗尽型MOS场效应管 适应于结型或耗尽型MOS管 24 3分压式自偏压电路 VGS可正可负 适应于任何一种类型 静态工作点的确定 根据外部电路列出线性方程 列出场效应管的转移特性方程 增强型MOS管 J型 耗尽型MOS管 25 例 J型管iD不能大于IDSS1 59mA的结果舍去ID 0 31mA 26 4 4 2FET的小信号模型分析法 FET的低频小信号简化模型 FET低频小信号模型 FET高频小信号模型 27 应用小信号模型分析FET的放大电路 共源放