第四章MOSFET及其放大电路ppt课件.ppt

LBM 1 第4章MOSFET及其放大电路 LBM 2 第4章场效应管及其放大电路 一 FET原理 二 FET的特性曲线 N MOSFET 1 了解FET分类 电路符号 2 理解N MOSFET工作原理 沟道状态与工作分区 放大区vGS和vDS对iD的影响 理解iD vGS转移特性曲线 iD vDS输出特性曲线及其参变量vGS 2 掌握iD vGS之间的平方律公式 三 FET的偏置电路 1 电路结构 2 静态工作点的联立求解方法 LBM 3 四 FET的小信号模型 4 掌握低频小信号模型 五 FET的CS和CD组态放大器 熟练掌握放大器电路的指标计算及特点 1 理解gm的含义及计算式 2 理解rds含义 3 完整小信号模型 LBM 4 重点 难点知识点 1 基本结构及其导电机理 2 伏安特性及其两种表达方式 3 基本放大电路的静态与动态参数 4 基本放大电路技术指标定义与分析 LBM 5 4 1结型场效应管 4 1 1 结型场效应管的结构 以N沟为例 两个PN结夹着一个N型沟道 三个电极 G 栅极D 漏极S 源极 符号 第4章MOSFET放大电路 P区浓度高 LBM 6 4 1 2结型场效应管的工作原理 1 栅源电压对沟道的控制作用 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 当 VGS 时 PN结反偏 形成耗尽层 导电沟道变窄 沟道电阻增大 当 VGS 到一定值时 沟道会完全合拢 定义 夹断电压Vp 使导电沟道完全合拢 消失 所需要的栅源电压VGS LBM 7 2 漏源电压对沟道的控制作用 在漏源间加电压VDS 令VGS 0由于VGS 0 所以导电沟道最宽 当VDS 0时 ID 0 VDS ID 靠近漏极处的耗尽层加宽 沟道变窄 呈楔形分布 当VDS 使VGD VGS VDS VP时 在靠漏极处夹断 预夹断 预夹断前 VDS ID 预夹断后 VDS ID几乎不变 VDS再 预夹断点下移 3 栅源电压VGS和漏源电压VDS共同作用 可用输入输出两组特性曲线来描绘 ID f VGS VDS LBM 8 1 输出特性曲线 iD f VDS VGS 常数 4 1 3结型场效应三极管的特性曲线 四个区 可变电阻区 预夹断前 电流饱和区 恒流区 预夹断后 特点 ID VGS 常数 gm即 ID gm VGS 放大原理 击穿区 夹断区 截止区 VGS VP LBM 9 a 漏极输出特性曲线 b 转移特性曲 2 转移特性曲线 ID f VGS VDS 常数 当时 LBM 10 LBM 11 4 2MOS型场效应管 4 2 1N沟道增强型MOS管 1 结构与符号 P沟道增强型 N沟道增强型 LBM 12 2 工作原理 1 vGS对iD及沟道的控制作用 增强型MOS管的漏极d和源极s之间有两个背靠背的PN结 当vGS 0时 不论vDS的极性如何 总有一个PN结处于反偏状态 这时漏极电流iD 0 LBM 13 vGS 0 当vGS数值较小 吸引电子的能力不强时 漏源极之间生成耗尽区 带负电的受主离子 仍无自由电子 无导电沟道出现 vGS再增加时 吸引到P衬底表面层的电子就增多 当vGS达到某一数值时 这些电子在栅极附近的P衬底表面便形成一个N型自由电子薄层 将自由电子层称为N型沟道 因导电类型与P衬底相反 故又称为反型层 把开始形成沟道时的栅源极电压称为门限电压 用VTN表示 LBM 14 2 vDS对iD的影响 当vGS VTN且为一确定值时 正向电压VDS对导电沟道及电流iD的影响与结型场效应管相似 进入夹断才能恒流 当vDS较小 vDS vGS VTN 时 iD随vDS近似呈线性变化 沟道没有夹断 FET没有进入压控恒流状态 LBM 15 当vDS增加到vDS VTN时 沟道在漏极一端出现预夹断 继续增大vDS vGD VTN 夹断点将向源极方向移动 iD不随vDS增大而增加 ID仅由vGS决定 或vDS vGS VTN 时 LBM 16 3 N沟道增强型MOS管的特性方程 特性曲线和电流方程 LBM 17 LBM 18 4 2 2N沟道增强型MOSFET管伏安关系式 电阻区 放大区 为N沟道元件的传导参数 单位是A V2 令 则 是氧化物单位面积的电容 可表示为 是氧化物的厚度 是氧化物的介电常数 对硅而言 是反型层中电子的迁移率 vGS VTN IDO是vGS 2VTN时的漏极电流iD LBM 19 例4 1 目的 计算N沟道增强型MOSFET的电流 已知VTN 0 75V W 4 m L 4 m n 650cm2 V s tox 450 ox 3 5 10 13F cm VGS 2VTN 场效应管处于放大状态 试计算电流iD 解 0 249mA v2 当 时 注 可以通过增大电导参数Kn来增大晶体管的电流 容量 当制造工艺一定时 可通过调节场效应管的 沟道宽度W来改变Kn LBM 20 4 3直流和交流参数和小信号等效模型 LBM 21 LBM 22 LBM 23 LBM 24 LBM 25 LBM 26 LBM 27 LBM 28 LBM 29 LBM 30 LBM 31 LBM 32 例4 1FET BJT的组态及其电路结构和分析方法类似 但是 对稳态工作点电流ID的求解方式不同 仅能用转移特性方程式和栅源间电压方程式联立求解方程的方法求解ID 已知 LBM 33 4 3MOSFET的偏置电路 分离MOSFET放大电路的直流偏置集成MOSFET放大电路的直流偏置 LBM 34 4 3 1分离MOSFET电路的直流偏置 直流通路 无自给偏压式CS放大电路 LBM 35 放大区 电阻区 MOSFET的栅极直流电流IGS 0 LBM 36 例4 2 目的 计算N沟道增强型MOSFET共源极电路的漏极电流和漏源电压 电路如4 8所示 设R1 30k R2 20k RD 20k VDD 5V VTN 1V Kn 0 1mA V2 求ID和VDS LBM 37 解 假设场效应管处于放大状态 则 因为 所以假设成立 即场效应管确实处于放大状态 上述分析是正确的 说明 如果不满足 漏极电流的计算要采用公式 则场效应管处于电阻区 LBM 38 例4 3 目的 计算N沟道增强型MOSFET的栅源电压 漏源电流和漏源电压 电路如图4 9所示 场效应管的参数为VTN 1V Kn 0 5mA V2 求VGS ID和VDS RS的作用 稳定静态工作点 LBM 39 假设场效应管处于放大区 则 即假设成立 场效应管处于放大区 另两种假设 电阻区或截止区 导致无解 解 由上两式可得 VGS 2 65V或VGS 2 65V 舍去 ID 1 35mA LBM 40 分析指南 MOSFET电路的直流分析 求VGS VGS VTN 假设工作在放大区ID Kn VGS VTN 2 假设工作在电阻区ID Kn 2 VGS VTN VDS VDS2 工作在截止区 VDS VDS sat VGS VTN 成功 失败 VDS VDS sat VGS VTN 成功 失败 是 否 是 是 否 否 LBM 41 直流电路如图4 10所示 设MOSFET的参数为VTN 2V Kn 0 16mA V2 试确定R1和R2使流过它们的电流为0 1ID 要求ID 0 5mA 采用标准电阻 例4 4 目的 设计MOSFET电路的直流偏置 满足漏极电流的特定要求 LBM 42 解 假设场效应管工作于放大区 则有 取R1 100k R2 100k LBM 43 验证场效应管是否处于放大区 确实处于放大区 假设正确 LBM 44 4 3 2集成MOSFET电路的直流偏置 例4 5 目的 设计一个由恒流源提供偏置的MOSFET电路 电路如图4 11 a 所示 场效应管的参数为 设计电路参数使 LBM 45 解 假设场效应管处于放大区 则有 确实工作在放大区 验证是否工作在放大区 LBM 46 将N沟道增强型MOSFET像图4 12所示那样连接的电路应用较为广泛 图中 永远成立 另外只要保证 即可保证场效应管工作在放大区 常称这种连接电路为增强型负载电路 这种称法在下一章作详细解释 LBM 47 例4 6 目的 计算含增强型负载电路的工作点 电路如图4 13所示 已知VTN 0 8V Kn 0 05mA V2 解 由于场效应管工作于放大区 所以 由上两式可得 解得 LBM 48 4 4MOSFET放大电路的交流电路 单级或单管MOSFET放大器的三种基本组态 共源极放大电路共漏极放大电路共栅极放大电路增强型负载 LBM 49 4 3 1MOSFET放大电路的线性化分析原理 LBM 50 图4 17共源极电路 图4 18输入输出电压信号波形 LBM 51 1 跨导gm设MOSFET工作于放大区 4 3 2MOSFET放大电路线性化模型的交流参数 若 则 LBM 52 令 则 即gm是场效应管的跨导 跨导也可以通过求微分得到 注 跨导gm与静态工作点有关 LBM 53 2 交流输出电阻rDS MOSFET工作于放大区时 漏极电流iD与漏源电压vDS无关 实际MOSFET的iD vDS特性曲线在放大区的斜率不为零 当vDS vds sat 时 出现沟道长度调制 类似于BJT的基区宽调效应 对N沟道增强型MOSFET 这种倾斜现象可以用下式校正 如何确定 沟道长度调制参数 LBM 54 所有曲线的反向延长线都与电压轴相交于vDS VA处 电压VA为正 它与双极型晶体管的Early电压相似 令iD 0可得 1 VA LBM 55 4 3 3MOSFET放大电路的交流小信号线性模型 LBM 56 例4 9 目的 确定MOSFET的小信号电压增益 电路如图4 17所示 设VGSQ 2 12V VDD 5V RD 2 5k 场效应管参数为VTN 1V Kn 0 80mA V 0 02V 1 该场效应管工作于放大区 求AV vo vi 解题思路 求IDQ 求交流参数gm和rDS 画交流小信号等效电路 求AV Ri Ro等 LBM 57 解 0 8 2 12 1 1 0mA 5 1 2 5 2 5V因此2 5V 2 12 1 1 12V场效应管确实工作于放大区 跨导 2 0 8 2 12 1 1 79mA V输出电阻K LBM 58 由图4 21可求得输出电压为 由于 所以小信号电压增益为 1 79 50 2 5 4 26 LBM 59 说明 由于MOSFET的跨导较小 因此与双极型晶体管放大电路相比 MOSFET放大电路的小信号电压增益也较小 小信号电压增益为负 表明输出电压与输入电压的相位相差180 即反相 LBM 60 第四章MOSFET及其放大电路 LBM 61 4 4MOSFET放大电路的三种基本组态 共源极放大电路 CS共漏极放大电路 CD共栅极放大电路 CG LBM 62 4 4 1共源极放大器 CS1 共源极电路的基本结构 LBM 63 图4 24直流负载线 临界点和静态工作点 LBM 64 小信号等效电路 LBM 65 输出电压又因此小信号电压增益为 输入电阻 输出电阻 LBM 66 例4 10 目的 确定共源极放大器的小信号电压增益和输入 输出电阻 电路如图4 22所示 已知VDD 10V R1 70 9k R2 29 1k RD 5k 场效应管参数VTN 1 5V Kn 0 5mA V 0 01V 1 设Rg 4k 求Av vo vi Ri和Ro LBM 67 解 直流计算 小信号电压增益 输入电阻和输出电阻的计算 因为 所以场效应管工作在放大区 LBM 68 说明 该例的结果表明 工作点位于直流负载线的中心 VDSQ VDD 2 10 2 5V 但不是放大区的中心 VDS VDS sat VDD VDS sat 2 1 41 10 1 41 2 6 61V 所以该电路在此情况下不能获得最大不失真电压 LBM 69 讨论 由于不为零 所以放大器输入信号只占信号源电压的83 7 这也被称为负载效应 尽管从栅极看入的场效应管输入电阻几乎为无穷大 但偏置电阻仍极大地影响了放大器的输入电阻和负载效应 LBM 70 设计例题4 11 目的 设计MOSFET放大电路的偏置电阻 使工作点位于放大区的中心 电路如图4 25所示 场效应管的参数为VTN 1V Kn 1mA V 0 015V 1 设Ri R1 R2 100k 设计电路参数使IDQ 2mA 且工作点位于放大区的中心 LBM 71 解 负载线和所期望的工作点如图4 26所示 若工作点位于放大区的中心 则临界点处的电流必须为4mA 即4mA 下标t表示临界处的值 又 由此可得3V或 1V 舍去 所以将工作点设置在放大区的中心 则 LBM 72 由此可知 最大输出电压的峰 峰值为下面求电阻和的值 由 LBM 73 可得2 41V或 0 41V 舍去 又由此可得498k 125k 下面计算放大器的小信号增益 LBM 74 k 说明 本例中没有考虑负载电容 如果考虑负载电容 则工作点应为交流负载线在放大区的中心 才能获得对称的最大不失真电压 LBM 75 例4 12 目的 计算含源极电阻的共源极电路的小信号电压增益 电路如图4 26所示 场效应管参数为VTN 0 8V Kn 1mA V 0 求Av vo vi 2 含源极电阻的共源极放大器 LBM 76 解 由直流分析可得小信号跨导为小信号输出电阻为 LBM 77 栅 源输入回路的KVL方程为即小信号电压增益为 下面计算小信号电压增益 LBM 78 说明 源极电阻的影响无源极电阻 通过计算可得VGS 1 75V gm 1 9mA V AV gmRD 13 3 由此可见 源极电阻减小了小信号电压增益 绝对值 有源极电阻 工作点更加稳定 有源极电阻时 若Kn 0 8mA V 则gm 1 17mA V AV 5 17 若Kn 1 2mA V 则gm 1 62mA V AV 6 27 这表明 当传导参数Kn在 20 内变化时 电压增益的变化为 9 5 而如果没有源极电阻 可通过相应计算知 参数Kn在 20 变化时 电压增益的变化仍为 20 由此可见 工作点在有源极电阻时更加稳定 LBM 79 3 含源极旁路电容的共源极电路源极电阻上并联一个旁路电容 减小源极电阻降低小信号增益的程度 LBM 80 例4 13 目的 求电路的小信号电压增益 电路由恒流源提供偏置 源极旁路电容与恒流源并联 电路如图4 28所示 场效应管参数为VTN 0 8V Kn 1mA V 0 求Av vo vi LBM 81 因为VDS sat VGSQ VTN 1 51 0 8 0 71VVDSQ VDS sat 由此可见场效应管工作于放大区 解 由于栅极直流电压为零 所以源极的直流电压为VS VGSQ 栅 源电压VGSQ由下式求得 即 由此可得 或 舍去 LBM 82 图4 29图4 28交流小信号等效电路 LBM 83 输出电压由于vgs vi 因此小信号电压增益为 由例4 12可知 gm 1 4mA V 说明 与例4 12的小信号电压增益 5 76相比 增加源极旁路电容后 小信号电压增益升高为 9 8 只考虑绝对值 LBM 84 4 4 2源极跟随器 CD 图4 30MOSFET共漏极电路 LBM 85 交流性能分析 图4 31图4 30交流小信号等效电路 LBM 86 输出电压由KVL 有因此 4 15 1 电压增益 又 其中 LBM 87 小信号电压增益为 即 由上式可见 电压增益Av小于1但接近于1 正的增益意味着输出电压与输入电压同相 因为输出信号基本上与输入信号相等 所以称该电路为源极跟随器 这一结果与BJT射极跟随器的情况相似 LBM 88 例4 14 目的 计算源极跟随器的小信号电压增益 电路如图4 30所示 已知VDD 12V R1 162k R2 463k RS 0 75k 场效应管参数为VTN 1 5V Kn 4mA V 0 01V 设Rg 4k 求Av vo vi LBM 89 解 直流分析结果为7 97mA 2 91V小信号跨导为2 4 2 91 1 5 11 3mA V小信号输出电阻为k放大器输入电阻为 162 463 120k小信号电压增益为 LBM 90 说明 小信号电压增益为0 860 大于零且小于1 源极跟随器的电压增益表达式与BJT的射极跟随器的增益表达式类似 由于BJT的跨导一般比MOSFET的跨导大得多 所以射极跟随器的电压增益比MOSFET源极跟随器的增益更趋近于1 LBM 91 设计例题4 15 目的 设计一个特定的N沟道增强型MOSFET源极跟随器 电路如图4 32所示 场效应管参数为VTN 1V Kn 1mA V 0 电路参数为VDD 5V Ri 300k 1 设计电路参数 使IDQ 1 7mA VDSQ 3V 2 求小信号电压增益Av vo vi LBM 92 解 1 k代入数据得1 7 1 1 由此可得 2 30V或 0 3V 舍去 又 LBM 93 代入数据得2 30 5 1 7 1 18由此可得348 8k 2144k 2 2 1 2 30 1 2 6mA V LBM 94 参照图4 30 b 令其中的 去掉 即为图4 31的交流等效电路 这里不再重画 代入数据得 LBM 95 根据图4 31 b 求交流输入电阻和输出电阻 输入电阻为了计算输出电阻 将图中小信号电压源置零 在电路的输出端施加一个测试电压vx 如图4 33所示 然后求出相应的电流ix 则输出电阻Ro vx ix 2 交流输入 输出电阻 图4 33求交流输出电阻的等效电路 LBM 96 在源极输出端列写KCL方程得由于输入回路中无电流 因此所以即 由图4 33可见 vgs是受控电流源gmvgs两端的电压 这意味着受控电流源的等效电阻为1 gm 这一结果说明从源极 忽略rds 看入的等效电阻为1 gm LBM 97 例4 16 目的 计算源极 CS跟随器的输出电阻 电路如图4 30所示 电路参数和场效应管参数与例4 14相同 求输出电阻Ro 解 由例4 14知 gm 11 3mA V RS 0 75k rds 12 5k 所以 说明 在源极跟随器输出电阻中 跨导占主要地位 由于输出电阻很小 源极跟随器近似为一个理想的电压源 也就是说 它的输出驱动能力较强 LBM 98 4 4 3共栅 CG极放大器 LBM 99 图4 35图4 34所示电路的小信号等效电路 LBM 100 设场效应管小信号输出电阻rds为无穷大 输出电压为由输入回路的KVL方程得其中 1 小信号电压增益和电流增益 因此 小信号电压增益为 电压增益为正 说明输出电压与输入电压相位相同 1 小信号电压增益 LBM 101 2 小信号电流增益在许多应用场合 共栅极电路的输入信号是电流 图4 36电流信号源的共栅极电路的小信号等效电路 LBM 102 在输入端由KCL可得 当及时 电流增益约为1 但总小于1 且输出电流与输入电流同相 与BJT共基极电路的电流增益相似 即 小信号电流增益为 4 18 LBM 103 2 交流输入 输出电阻 输入电阻 因为 所以 与共源放大器和源极跟随器不同 共栅极电路由于场效应管的原因输入电阻很低 然而 如果输入信号是电流 输入电阻低就成为优点 LBM 104 下面求输出电阻 由图4 36 将电流源置零 开路 可得 这说明 因此受控电流源 从负载电阻的输入端方向看的输出电阻为 LBM 105 例4 17 目的 对共栅极电路 在给定输入电流的情况下 求输出电压 电路如图4 34所示 其交流等效电路如图4 36所示 已知电路参数为IQ 1mA V 5V V 5V RG 100k RD 4k RL 10k 场效应管参数为VTN 1V Kn 1mA V 0 输入电流ii 100sin t A Rg 50k 求vo LBM 106 解代入数据得1 1 1 解得 2V或 0 舍去 小信号跨导为2 1 2 1 2mA V由式 4 18 可得输出电流的表达式为 输出电压为 即 LBM 107 4 4 4三种基本放大器组态的总结与比较表4 1三种MOSFET放大器的特性 LBM 108 电压增益 共源极 gm RD rds 或 gm RD rds 1 gmRS 1共栅极gm RD rds 1 gmRg 1源极跟随器gmRS 1 gmRS 1输入电阻 共源极电路和源极跟随器R1 R2共栅极电路1 gm输出电阻 源极跟随器1 gm RS rds共源极和共栅极电路RD LBM 109 LBM 110 二 N沟道耗尽型MOS管 N沟道耗尽型MOS管与N沟道增强型MOS管相似 区别仅在于栅源极电压vGS 0时 耗尽型MOS管中的漏源极间已有导电沟道产生 在SiO2绝缘层中掺入了大量的金属正离子Na 或K N沟道 P沟道 LBM 111 vGS 0时 漏源极间的P型衬底表面也能感应生成N沟道 称为初始沟道 加上正向电压vDS 就有电流iD 加上正的vGS 沟道加宽 沟道电阻变小 iD增大 vGS为负时 沟道变窄 沟道电阻变大 iD减小 当vGS负向增加到某一数值时 导电沟道消失 iD趋于零 管子截止 故称为耗尽型 沟道消失时的栅源电压称为夹断电压 仍用VP表示 结型场效应管只能在vGS0 VP vGS 0 LBM 112 三 场效应管的主要参数 1 开启电压VT 又称门限电压 VT是MOS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VPVP是MOS耗尽型和结型FET的参数 当VGS VP时 漏极电流为零 3 饱和漏极电流IDSSMOS耗尽型和结型FET 当VGS 0时所对应的漏极电流 4 输入电阻RGS结型场效应管 RGS大于107 MOS场效应管 RGS可达109 1015 LBM 113 5 低频跨导gmgm反映了栅压对漏极电流的控制作用 单位是mS 毫西门子 6 最大漏极功耗PDMPDM VDSID 与双极型三极管的PCM相当 LBM 114 四 场效应管使用注意事项 1 MOS管栅 源极之间的电阻很高 使得栅极的感应电荷不易泄放 因极间电容很小 会造成电压过高使绝缘层击穿 因此 保存MOS管应使三个电极短接 避免栅极悬空 焊接时 电烙铁的外壳应良好地接地 或烧热电烙铁后切断电源再焊 2 有些场效应晶体管将衬底引出 故有4个管脚 这种管子漏极与源极可互换使用 但有些场效应晶体管在内部已将衬底与源极接在一起 只引出3个电极 这种管子的漏极与源极不能互换 3 使用场效应管时各极必须加正确的工作电压 4 在使用场效应管时 要注意漏 源电压 漏源电流及耗散功率等 不要超过规定的最大允许值 LBM 115 五 双极型和场效应型三极管的比较 各类型场效应管的特性比较见P 173 LBM 116 1 直流偏置电路 保证管子工作在饱和区 输出信号不失真 二 场效应管放大电路 1 自偏压电路 vGS vGS 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 计算Q点 VGS ID VDS vGS VDS VDD ID Rd R 已知VP 由 iDR 可解出Q点的VGS ID VDS LBM 117 2 分压式自偏压电路 VDS VDD ID Rd R 可解出Q点的VGS ID VDS 计算