第五章场效应放大电路PPT课件.ppt

第5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 2MOSFET放大电路5 3结型场效应管 JFET 场效应晶体管 FieldEffectTransistor简称FET 是利用电场效应来控制电流的一种半导体器件 即是电压控制元件 工作时 只有一种载流子参与导电 因此它是单极型器件 BJT是一种电流控制器件 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 FET因其制造工艺简单 功耗小 温度特性好 输入电阻极高 抗辐射能力强等优点 得到了广泛应用 第5章场效应管放大电路 下一页 返回 上一页 场效应管结构 结型场效应管 JFET P沟道N沟道 金属 氧化物 半导体场效应管 MOSFET 绝缘栅场效应管 增强型耗尽型 N沟道P沟道 N沟道P沟道 场效应管的分类 下一页 返回 上一页 第5章场效应管放大电路 漏极D 栅极和其它电极及硅片之间是绝缘的 称绝缘栅型场效应管 1N沟道增强型管的结构 栅极G 源极S 5 1 1N沟道增强型绝缘栅场效应管 下一页 返回 上一页 5 1金属 氧化物 半导体 MOS 场效应管 符号 由于栅极是绝缘的 栅极电流几乎为零 输入电阻很高 最高可达1014 由于金属栅极和半导体之间的绝缘层目前常用二氧化硅 故又称金属 氧化物 半导体场效应管 简称MOS场效应管 下一页 返回 上一页 5 1金属 氧化物 半导体 MOS 场效应管 2N沟道增强型管的工作原理 当vGS 0V时 漏源之间相当两个背靠背的二极管 当vGS 0时 P型衬底中的电子受到电场力的吸引到达表层 填补空穴形成负离子的耗尽层 同时排斥P型衬底中的空穴 当vGS vT时 由于栅极电压较强 在靠近栅极下方的P型半导体表层中聚集较多的电子 形成一个N型沟道 将漏极和源极沟通 称为反型层 如果此时加有漏源电压 就可以形成漏极电流ID N型导电沟道 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vGS的控制作用 下一页 返回 上一页 5 1金属 氧化物 半导体 MOS 场效应管 N型导电沟道 在VGS 0V时ID 0 只有当VGS VT后才会出现漏极电流 这种MOS管称为增强型MOS管 下一页 返回 上一页 定义 开启电压 VT 刚刚产生沟道所需的栅 源电压VGS N沟道增强型MOS管的基本特性 vGS VT 管子截止 vGS VT 管子导通 vGS越大 沟道越宽 在相同的漏源电压vDS作用下 漏极电流ID越大 5 1金属 氧化物 半导体 MOS 场效应管 2 漏源电压vDS对漏极电流id的控制作用 当vGS vT 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 vDS 0时 iD 0 vDS iD 靠近漏极d处的电位升高 电场强度减小 沟道变薄 整个沟道呈楔形分布 当vDS增加到使vGD vGS vDS vT时 沟道靠漏区夹断 称为预夹断 vDS再 预夹断区加长 沟道电阻 iD基本不变 MOSFET工作原理动画演示 下一页 返回 上一页 5 1金属 氧化物 半导体 MOS 场效应管 3特性曲线 下一页 返回 上一页 1 输出特性及大信号特性方程 截止区当vGS VT时 导电沟道尚未形成 iD 0 为截止工作状态 输出特性 在vGS一定的情况下 漏极电流iD与漏极电压vDS之间的关系 三个区 可变电阻区 预夹断前 恒流区也称饱和区 预夹断后 截止区 夹断区 可变电阻区 恒流区 截止区 5 1金属 氧化物 半导体 MOS 场效应管 可变电阻区 vDS vGS vT 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 下一页 返回 上一页 5 1金属 氧化物 半导体 MOS 场效应管 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 下一页 返回 上一页 5 1金属 氧化物 半导体 MOS 场效应管 2 转移特性曲线 转移特性 在漏极电压vDS一定的情况下 栅源电压vGS对漏极电流iD的控制特性 恒流区内 iD受vGS的影响很小 曲线近似为一条 电流方程如下 N沟道增强型MOS管正常工作时 vGS 0 线性特性好于BJT 下一页 返回 上一页 5 1金属 氧化物 半导体 MOS 场效应管 5 1 2N沟道耗尽型MOSFET 符号 在栅极下方的SiO2层中掺入了大量的金属正离子 所以当uGS 0时 这些正离子已经感应出反型层 形成了沟道 如果MOS管在制造时导电沟道就已形成 称为耗尽型场效应管 SiO2绝缘层中掺有正离子 予埋了N型导电沟道 下一页 返回 上一页 1 结构和工作原理 5 1金属 氧化物 半导体 MOS 场效应管 工作原理 1 由于耗尽型场效应管预埋了导电沟道 所以在VGS 0时 若漏 源之间加上一定的电压VDS 也会有漏极电流ID产生 2 当VGS 0时 使导电沟道变宽 ID增大 3 当VGS 0时 使导电沟道变窄 ID减小 VGS负值愈高 沟道愈窄 ID就愈小 4 当VGS达到一定负值时 N型导电沟道消失 ID 0 称为场效应管处于夹断状态 即截止 这时的VGS称为夹断电压 用VP表示 这时的漏极电流用IDSS表示 称为饱和漏极电流 下一页 返回 上一页 5 1金属 氧化物 半导体 MOS 场效应管 2耗尽型N沟道MOS管的特性曲线 转移特性曲线 漏极特性曲线 下一页 返回 上一页 夹断电压 5 1金属 氧化物 半导体 MOS 场效应管 符号 1P沟道增强型 SiO2绝缘层 加电压才形成P型导电沟道 增强型场效应管只有当VGS VT时才形成导电沟道 下一页 返回 上一页 5 1 3P沟道MOSFET 5 1金属 氧化物 半导体 MOS 场效应管 2P沟道耗尽型管 予埋了P型导电沟道 SiO2绝缘层中掺有负离子 下一页 返回 上一页 5 1金属 氧化物 半导体 MOS 场效应管 耗尽型 G S之间加一定电压才形成导电沟道 在制造时就具有原始导电沟道 下一页 返回 上一页 5 1金属 氧化物 半导体 MOS 场效应管 5 1 4沟道长度调制效应 实际上饱和区的曲线并不是平坦的 L的单位为 m 当不考虑沟道调制效应时 0 曲线是平坦的 修正后 下一页 返回 上一页 5 1金属 氧化物 半导体 MOS 场效应管 5 1 5MOSFET的主要参数 一 直流参数 NMOS增强型 1 开启电压VT 增强型参数 2 夹断电压VP 耗尽型参数 3 饱和漏电流IDSS 耗尽型参数 4 直流输入电阻RGS 109 1015 二 交流参数 1 输出电阻rds 当不考虑沟道调制效应时 0 rds 下一页 返回 上一页 5 1金属 氧化物 半导体 MOS 场效应管 2 低频互导gm 二 交流参数 考虑到 则 其中 下一页 返回 上一页 5 1金属 氧化物 半导体 MOS 场效应管 三 极限参数 1 最大漏极电流IDM 2 最大耗散功率PDM 3 最大漏源电压V BR DS 4 最大栅源电压V BR GS 下一页 返回 上一页 5 1金属 氧化物 半导体 MOS 场效应管 5 3结型场效应管 5 3 1JFET的结构和工作原理 1结构 JFET是利用半导体内的电场效应 进行工作的 也称为体内场效应管 结型场效应管结构动画演示 下一页 返回 上一页 2 工作原理 以N沟道JFET为例 正常工作条件 N沟道 栅 源之间加负向电压 vGS0 以形成漏极电流iD 场效应管通过栅 源电压vGS和漏 源电压vDS对导电沟道的影响来实现对iD的控制 从而实现其放大 控制 的功能 5 3结型场效应管 下一页 返回 上一页 1 当vDS 0 d s短路 时 vGS对导电沟道的控制作用 s vDS 0且vGS 0 耗尽层很窄 导电沟道很宽 vGS 负向增大时 PN结反偏 耗尽层加宽 沟道变窄 沟道电阻增大 vGS 负向增大到某一数值时 耗尽层闭合 沟道消失 沟道电阻趋于无穷大 称此时vGS的值为夹断电压VP或VGS off 5 3结型场效应管 下一页 返回 上一页 2 当vGS为某一固定值 VP 0 时 vDS对漏极电流iD的影响 vGS为某一固定值 VP 0 存在由vGS所确定的一定宽度的沟道 若vDS 0 此时由于d s间电压为零 沟道中的载流子不会产生定向移动 故电流iD 0 若vDS 0 则有电流iD从漏极流向源极 vDS 则iD 电流iD将随vDS的变化近似线性变化 此时沟道中各点与栅极间的电压不等耗尽层宽度不一 沟道上窄下宽 呈楔型 5 3结型场效应管 下一页 返回 上一页 一旦vDS的增大使vGD VP 则漏极一边的耗尽层就会出现夹断区 称vGD VP为预夹断 若vDS继续增大 vGD VGS off 耗尽层闭合部分将沿沟道方向延伸 夹断区加长 一方面 自由电子从源极向漏极定向移动所受阻力加大 从夹断区窄缝高速通过 从而导致iD减小 另一方面 随着vDS的增大 d s间的电场增强 使iD增大 二者变化趋势相互抵消 在预夹断后 vDS增大 iD近似不变 即iD仅仅取决于vGS 表现出iD的恒流特性 5 3结型场效应管 下一页 返回 上一页 3 当vGD VP时 vGS对漏极电流iD的控制 在vGD vGS vDS VP的情况下 当vDS为一常量时 对应于确定的vGS 就有确定的iD 此时通过改变vGS就可以控制iD的大小 这就是场效应管的控制作用 场效应管控制作用体现在漏极电流受栅 源电压的控制 故场效应管为电压控制器件 体现其控制作用的参数为gm 低频跨导 结型场效应管工作原理动画演示 5 3结型场效应管 下一页 返回 上一页 综上分析可知 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 JFET是电压控制电流器件 iD受vGS控制 预夹断前iD与vDS呈近似线性关系 预夹断后 iD趋于饱和 JFET栅极与沟道间的PN结是反向偏置的 因此iG 0 输入电阻很高 5 3结型场效应管 下一页 返回 上一页 5 3 2JFET的特性曲线及主要参数 1输出特性曲线 输出特性曲线描述了当栅 源电压vGS为常量时 漏极电流iD与漏 源电压vDS之间的函数关系 一簇曲线 5 3结型场效应管 下一页 返回 上一页 场效应管的四个工作区 可变电阻区 在预夹断前 通过改变vGS的值 可以改变沟道的宽度 从而改变漏 源极之间的电阻 恒流区 当vDS vGS VP 即vGD VP时 各曲线近似一组横轴的平行线 当vDS增大时 iD几乎不变 因而可将iD近似为vGS控制的电流源 该区为场效应管作放大管时的工作区 夹断区 当vGS VP时 导电沟道被夹断 iD 0 无电流 击穿区 vDS过大 管子击穿 输出特性曲线动画演示 5 3结型场效应管 下一页 返回 上一页 2转移特性曲线 转移特性曲线描述了当漏 源电压vDS为常量时 漏极电流iD与栅 源电压vGS之间的函数关系 当场效应管工作在恒流区时 由于输出特性曲线可近似为恒轴的一组平行线 所以可用一条转移特性曲线代替恒流区所有曲线 注意 为了保证栅 源间的耗尽层加反向电压 N沟道管vGS 0 P沟道管vGS 0 转移特性曲线动画演示 5 3结型场效应管 下一页 返回 上一页 3场效应管的主要参数 与MOSFET类似 5 3结型场效应管 下一页 返回 上一页 5 2 1MOSFET放大电路 场效应晶体管具有输入电阻高 噪声低等优点 常用于多级放大电路的输入级以及要求噪声低的放大电路 场效应管放大电路的分析包括静态分析和动态分析 下一页 返回 上一页 5 2MOSFET放大电路 增强型N沟道MOS管的特性曲线 转移特性曲线 漏极特性曲线 下一页 返回 上一页 下一页 返回 上一页 5 2MOSFET放大电路 耗尽型N沟道MOS管的特性曲线 转移特性曲线 漏极特性曲线 下一页 返回 上一页 5 2MOSFET放大电路 JFET的特性曲线 转移特性曲线 漏极特性曲线 下一页 返回 上一页 5 2MOSFET放大电路 1 直流偏置及静态工作点的计算 1 简单的共源极放大电路 N沟道 假设工作在饱和区 即 验证是否满足 如果不满足 则说明假设错误 须满足VGS VT 否则工作在截止区 再假设工作在可变电阻区 即 VGSIDVDS 下一页 返回 上一页 5 2MOSFET放大电路 假设工作在饱和区 满足 假设成立 结果即为所求 解 例 设Rg1 60k Rg2 40k Rd 15k 试计算电路的静态漏极电流IDQ和漏源电压VDSQ VDD 5V VT 1V 下一页 返回 上一页 5 2MOSFET放大电路 2 带源极电阻的NMOS共源极放大电路 假设工作在饱和区 需要验证是否满足 下一页 返回 上一页 5 2MOSFET放大电路 解 静态时 vI 0 VG 0 ID IDQ 电流源偏置 VDSQ 5 2 25 2 5 4 75V 设工作于饱和区 例 已知VT 1V Kn 160 A V2 VDD VSS 5V IDQ 0 25mA VDQ 2 5V 试求电路参数 由此得VGSQ 2 25V VS VG VGS 2 25V VDSQ VDD VS IDRD VDSQ 4 75 VGS VT 假设成立 下一页 返回 上一页 5 2MOSFET放大电路 2 图解分析 由于负载开路 交流负载线与直流负载线相同 下一页 返回 上一页 5 2MOSFET放大电路 3 小信号模型分析 与分析晶体管的h参数等效模型相同 将场效应管也看成一个两端口网络 栅极与源极之间看成输入端口 漏极与源极之间看成输出端口 在小信号情况下 场效应管的等效模型如下 1 场效应管的低频小信号等效模型 下一页 返回 上一页 5 2MOSFET放大电路 说明 输入回路栅 源之间相当与开路 输出回路与三极管h参数等效模型相似 等效为一个电压vgs控制的电流源gmvgs和一个并联电阻rds gm是输出回路电流与输入回路电压之比 故称为跨导 其量纲是电导 可从转移特性曲线上求得 rds较大 在外电路电阻较小时 可以忽略 可以从输出