第三章--场效应管放大电路.ppt

第三章场效应管及放大电路 3 1金属 氧化物 半导体 MOS 场效应管 3 2MOSFET放大电路 3 3结型场效应管 JFET 场效应管是一种利用电场效应来控制其电流大小的半导体器件 它不仅体积小 重量轻 耗电省 寿命长 且输入阻抗高 噪声低 热稳定性好 抗辐射能力强 制造工艺简单 因而应用广泛 3 1金属 氧化物 半导体场效应管 场效应管按结构分为 MOSFET和JFET MOSFET从导电载流子的带电极性看 有N 电子型 沟道和P 空穴型 沟道MOSFET 按导电沟道形成机理不同 NMOS管和PMOS管又各有增强型 E型 和耗尽型 D型 MOSFET有四种 E型NMOS管 D型NMOS管 E型PMOS D型PMOS 金属 Metal 氧化物 Oxide 半导体 SemiConductor 场效应管 MOSFET FET只有一种载流子 电子或空穴 导电 它为单极型器件 而三极管是双极性 3 1 1N沟道增强型MOSFET 结构 漏极D 栅极G 源极S 由于金属 铝 栅极和半导体之间的绝缘层目前常用二氧化硅 故称金属 氧化物 半导体场效应管 简称MOS场效应管 栅极与源极 漏极均无电接触 故称绝缘栅极 动画N沟道增强型MOSFET 工作原理 vGS 0 没有导电沟道 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 当vGS 0V时 漏源之间相当于两个背靠背的二极管 总有一个PN结是反向偏置的 反向电阻很高 即d s之间没有形成导电沟道 因此iD 0 不管vDS的极性如何 其中 vGS VT时 出现N型沟道 当vDS 0 若在栅源之间加上正向电压vGS 则栅极 铝层 和P型硅片相当于以二氧化硅为介质的平板电容器 在vGS作用下 介质中便产生了一个垂直于半导体表面的由栅极指向P型衬底的电场 该电场排斥空穴而吸引电子 留下不能移动的负离子 形成耗尽层 当vGS达到一定数值时 电子在栅极附近的P型硅表面便形成了一个N型薄层 即反型层 它组成了源漏两极间的N型 感生 导电沟道 vGS越大 则吸引到P型硅表面的电子就愈多 感生沟道将愈厚 沟道电阻的阻值将愈小 这种在vGS 0时无导电沟道 而必须依靠vGS的作用 才形成感生沟道的FET称为增强型FET 增强型FET的电路符号中的短画线即反映了vGS 0时沟道是断开的特点 一旦出现感生沟道 原来被P型衬底隔开的两个N 型区就被感生沟道连通了 此时若有漏源电压vDS 则将有漏极电流iD产生 动画vGS对沟道的影响 可变电阻区和饱和区的形成机制 当vGS VGS VTh 外加较小的vDS时 漏极电流iD将随vDS上升迅速增大 图示OA段 一般把在漏源电压vDS作用下开始导电时的栅源电压vGS叫做开启电压VTh 因此vGS VTh时 iD 0 随着vDS上升 由于沟道存在电位梯度 因此沟道厚度不均匀 靠近漏端薄 靠近源端厚 沟道呈楔形 当vDS增加到一定数值时 将形成一夹断区 反型层消失后的耗尽区 即预夹断 夹断点向源极方向移动 预夹断的临界条件为vGD vGS vDS VTh或vDS vGS VTh 当vDS继续增加时 vDS增加的部分主要降落在夹断区 降落在导电沟道上的电压基本不变 因而vDS上升 iD趋于饱和 动画vDS对沟道的影响 V I特性曲线及大信号特性方程 输出特性及大信号特性方程 预夹断的临界条件为vGD vGS vDS VTh或vDS vGS VTh 预夹断轨迹如绿虚线 该虚线是可变电阻区和饱和区的分界线 截止区 当vGS VTh时 导电沟道尚未形成 iD 0 为截止工作状态 可变电阻区 电导常数Kn单位是mA V2 vDS vGS VTh 在特性曲线原点附近 vDS很小 则 当vGS一定时 原点附近的输出电阻为 显然rdso是一个受vGS控制的可变电阻 饱和区 恒流区 放大区 当vGS VTh 且vDS vGS VTh时 MOSFET已进入饱和区 iD基本不随vDS变化 转移特性 由于栅极输入端基本无电流 故讨论它的输入特性没有意义 所谓转移特性是在漏源电压vDS一定的条件下 栅源电压vGS对漏极电流iD的控制特性 即 由于饱和区内 iD受vDS的影响很小 因此饱和区内不同vDS下的转移特性基本重合 结构和工作原理简述 3 1 2N沟道耗尽型MOSFET 这种管子在制造时 由于二氧化硅绝缘层中掺有大量的正离子 即使在vGS 0时 由于正离子的作用 也和增强型接入正栅源电压并使vGS VTh时相似 能在P型衬底上感应出较多的电子 形成N型沟道 将源区和漏区连通起来 因此在栅源电压为零时 在正的vDS作用下 也有较大的漏极电流iD由漏极流向源极 当vGS 0时 由于绝缘层的存在 并不会产生栅极电流iG 而是在沟道中感应出更多的负电荷 使沟道变宽 在vDS作用下 iD将具有更大的数值 如果所加的vGS为负 则沟道中感应的电子减少 沟道变窄 从而使漏极电流减小 当vGS为负电压到达某值时 以至感应的电子消失 耗尽区扩展到整个沟道 沟道完全被夹断 这时即使有漏极电压vDS 也不会有漏极电流iD 此时的栅源电压称为夹断电压 截止电压 VP V I特性曲线及大信号特性方程 耗尽型MOSFET的重要特点之一 可在正或负的栅源电压下工作 且基本上无栅流 N沟道耗尽型MOS管的夹断电压VP为负值 N沟道增强型MOS管的开启电压VT为正值 耗尽型MOS管的电流方程同增强型MOS管的电流方程 但需用VP取代VT 在饱和区内 当vGS 0 vDS vGS VP 时 即进入预夹断后 有 IDSS为零栅压的漏极电流 成为饱和漏极电流 其下标第二个S表示栅源极间短路的意思 3 1 3P沟道MOSFET P沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完全相同 只不过导电的载流子不同 供电电压极性不同而已 这如同双极型三极管有NPN型和PNP型一样 P沟道增强型MOS管沟道产生的条件为 vGS V 可变电阻区与饱和区的界线为 vDS vGS V 为正常工作 PMOS管外加的vDS必须是负值 开启电压V 也是负值 实际的电流方向为流出漏极 在可变电阻区内 vGS V vDS vGS V 电流的假定正向为流入漏极时 则iD为 P沟道增强型MOS管特性曲线 在饱和区内 vGS V vDS vGS V 电流iD为 3 1 4沟道长度调制效应 在理想情况下 当MOSFET工作于饱和区时 漏极电流iD与漏源电压vDS无关 而实际MOS管在饱和区的输出特性曲线还应考虑vDS对沟道长度L的调制作用 当vGS固定 vDS增加时 iD会有所增加 即输出特性的每根曲线会向上倾斜 因此 常用沟道长度调制参数 对描述输出特性的公式进行修正 例N沟道增强型MOS管考虑沟道调制效应后 对于典型器件 L单位为 3 1 5四种MOS场效应管比较 电路符号及电流流向 转移特性 第3章场效应管 饱和区 放大区 外加电压极性及数学模型 VDS极性取决于沟道类型 N沟道 VDS 0 P沟道 VDS 0 VGS极性取决于工作方式及沟道类型 增强型MOS管 VGS与VDS极性相同 耗尽型MOS管 VGS取值任意 饱和区数学模型与管子类型无关 第3章场效应管 临界饱和工作条件 非饱和区 可变电阻区 工作条件 VDS VGS VGS th VGS VGS th VDS VGS VGS th VGS VGS th 饱和区 放大区 工作条件 VDS VGS VGS th VGS VGS th 非饱和区 可变电阻区 数学模型 第3章场效应管 FET直流简化电路模型 与三极管相对照 场效应管G S之间开路 IG 0 三极管发射结由于正偏而导通 等效为VBE on FET输出端等效为压控电流源 满足平方律方程 三极管输出端等效为流控电流源 满足IC IB 第3章场效应管 3 1 6小信号电路模型 MOS管简化小信号电路模型 与三极管对照 rds为场效应管输出电阻 由于场效应管IG 0 所以输入电阻rgs 而三极管发射结正偏 故输入电阻rb e较小 与三极管输出电阻表达式rce 1 ICQ 相似 第3章场效应管 沟道长度调制系数 1 VA MOS管跨导 通常MOS管的跨导比三极管的跨导要小一个数量级以上 即MOS管放大能力比三极管弱 第3章场效应管 计及衬底效应的MOS管简化电路模型 衬底与源极不相连 考虑到衬底电压vus对漏极电流id的控制作用 小信号等效电路中需增加一个压控电流源gmuvus gmu称背栅跨导 工程上 为常数 一般 0 1 0 2 第3章场效应管 MOS管高频小信号电路模型 当高频应用 需考虑管子极间电容影响时 应采用如下高频等效电路模型 第3章场效应管 3 2MOSFET放大电路 3 2 1MOSFET放大电路 直流偏置及静态工作点的计算 FET是电压控制器件 它需要有合适的栅源电压 简单的共源极放大电路 假设场效应管的开启电压为VT NMOS管工作于饱和区 则漏极电流为 栅源电压为 漏源电压为 若VDS VGS VT 则管子工作在饱和区 假设正确 若VDS VGS VT 则管子工作在可变电阻区 漏极电流为 例3 2 1如图 设试计算电路的静态漏极电流IDQ和漏源电压VDSQ 解 假设管子工作在饱和区 则 由于 说明管子的确工作在饱和区 对于N沟道增强型MOS管电路的直流计算步骤 设MOS管工作于饱和区 则有 利用饱和区的电流 电压关系曲线分析电路 如果假设错误 则需作出新的假设 重新分析电路 如果出现 则MOS管可能截止 如果 则MOS管可能工作在可变电阻区 P沟道MOS管电路的分析与N沟道类似 但要注意其电源极性与电流方向不同 带源极电阻的NMOS共源极放大电路 栅源电压VGS为 当NMOS管工作在饱和区时 则漏极电流ID为 漏源电压VDS为 解 例3 2 2如图 设MOS管的参数为电路参数为若流过Rg1 Rg2的电流时ID的1 10 试确定Rg1和Rg2的值 设MOS管工作在饱和区 则有 由于 说明MOS管的确工作在饱和区 在MOS管中接入源极电阻 具有稳定静态工作点作用 现在很多MOS管电路中的源极电阻已被电流源所代替 解 当vI 0时 栅极相当于接地 且Rg上无电流通过 例3 2 3如图 由电流源提供偏置 这种电流源可由其它MOS管构成 设MOS管的参数为电源电压试求电路参数 设MOS管工作在饱和区 则有 源极电压 由于 说明MOS管的确工作在饱和区 图解分析 图示共源极放大电路采用N沟道增强型MOS管 图中 VGG VT 为使场效应管工作在饱和区 VDD足够大 Rd的作用是将漏极电流iD的变化转换成电压vDS的变化 从而实现电压放大 小信号模型分析 如果输入信号很小 场效应管工作在饱和区时 可以将场效应管看成一个双口网络 栅极与源极看成入口 漏极与源极看成出口 以N沟道增强型MOS管为例 栅极电流为零 栅源之间只有电压vGS存在 设在饱和区内 可近似看成iD不随vDS变化 则工作在饱和区的漏极电流为 直流电流IDQ 漏极信号电流id 漏极信号电流id 在工作点Q处有vGS VGSQ 同时 第三项 当为正弦时 平方项将使输出电压产生谐波或非线性失真 因此要求第三项远小于第二项 即 上式就是线性放大器必须满足的小信号条件 若忽略 则 考虑到NMOS管的iG 0 栅源间的电阻很大 可看成开路 而id gmvgs 因此共源极NMOS管的低频小信号模型如图 例3 2 4如图 设场效应管的参数为当MOS管工作于饱和区 试确定电路的小信号电压增益 解 求静态值 所以MOS管工作在饱和区 求FET的互导和输出电阻 求电压增益 由于场效应管的gm较低 因此其电压增益也较低 共源极电路属倒相电压放大电路 解 例3 2 5如图所示 MOS管的参数为电路参数为试确定电路的电压增益 源电压增益 输入电阻和输出电阻 解得 小信号互导 场效应管输出电阻 输入电阻 输出电阻 3 3结型场效应管 JFET 3 3 1JFET的结构和工作原理 1 结构 在N型半导体材料两边扩散高浓度的P型区 形成两个PN结 两边P型区引出的电极相连为栅极g N型硅两端各引出一个电极 分别为源极s和漏极d 两个PN结中间的N型区域为导电沟道 N沟道JFET的栅极电流方向是由P指向N 动画N沟道JFET结构 2 工作原理 vGS对导电沟道及iD的控制作用 N沟道JFET工作时 在栅极与源极间需加一负电压 vGS0 使N沟道中的多数 假设vDS 0 当vGS由零往负向增大时 在反偏电压vGS作用下 两个PN结的耗尽层将加宽 使导电沟道变窄 沟道电阻增大 载流子 电子 在电场作用下由源极向漏极运动 形成受vGS控制的电流iD 当进一步增大到某一定值时 两侧耗尽层在中间合拢 沟道全部被夹断 此时漏源极间的电阻将趋于无穷大 相应的栅源电压称为夹断电压VP vDS对iD的影响 假设vGS 0 当vDS 0时 iD 0 随着vDS的接入并逐渐增加 一方面沟道电场强度加大 有利于漏极电流iD增加 N沟道的电位从源端到漏端是逐渐升高的 所以在从源端到漏端的不同位置上 栅极与沟道之间的电位差不等 离源极越远 电位差越大 加到该处PN结的反向电压也越大 耗尽层越向N型硅中心扩展 另一方面 在由源极经沟道到漏极组成的N型半导体区域中 产生了一个沿沟道的电位梯度 耗尽层向N型硅中心扩展 使靠近漏极处的导电沟道比靠近源极要窄 导电沟道呈楔形 因此增加vDS 又产生了阻碍漏极电流iD提高的因素 在vDS较小时 导电沟道靠近漏端区域仍较宽 这时阻碍的因素是次要的 故iD随vDS升高几乎成正比地增大 如右图输出特性曲线的上升段 当vDS继续增加 使漏栅间的电位差加大 靠近漏端电位差最大 耗尽层最宽 当两耗尽层在A点相遇时 称为预夹断 此时耗尽层两边的电位差用夹断电压VP来描述 在预夹断点A处 沟道在A点预夹断后 随着vDS上升 A点将向源极方向延伸 由于夹断处场强也增高 仍能将电子拉过夹断区 即耗尽层 形成漏极电流iD 在从源极到夹断处的沟道上 沟道内电场基本上不随vDS改变而变化 因此 iD基本上