模拟电路场效应管及其基本放大电路.ppt

模拟电子技术基础FundamentalsofAnalogElectronic 第五章场效应管及其放大电路 第五章场效应管及其放大电路 5 1场效应管 5 2场效应管基本放大电路 5 1场效应管 一 结型场效应管 二 绝缘栅型场效应管 三 场效应管的分类 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导电 所以被称为双极型器件 FET只有一种载流子参与导电 利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的三极管 称为场效应管 也称单极型三极管 特点 单极型器件 一种载流子导电 输入电阻高 工艺简单 易集成 功耗小 体积小 成本低 场效应管有三个极 源极 s 栅极 g 漏极 d 对应于晶体管的e b c 场效应管有三个工作区域 截止区 恒流区 可变电阻区 对应于晶体管的截止区 放大区 饱和区 单极型管 噪声小 抗辐射能力强 低电压工作 在漏极和源极之间加上一个正向电压 N型半导体中多数载流子电子可以导电 导电沟道是N型的 称N沟道结型场效应管 一 结型场效应管 以N沟道为例 1 结构 符号 P沟道场效应管 P沟道场效应管是在P型硅棒的两侧做成高掺杂的N型区 N 导电沟道为P型 多数载流子为空穴 2 工作原理 1 栅 源电压对导电沟道宽度的控制作用uDS 0 沟道最宽 uGS可以控制导电沟道的宽度 为什么g s必须加负电压 UGS off a uGS 0 b UGS off uGS 0 c uGS UGS off 2 漏 源电压对漏极电流的影响uGS为UGS off 0V中一固定值 uGS UGS off 且不变 iD随uDS增大线性增大 D S间呈现电阻特性 uGD UGS off 若uDS 0V 有导电沟道 但是多子不产生定向移动 漏极电流iD为零 若uDS 0V 则有电流iD从漏极流向源极 从而使沟道中各点电位与栅电位不再相等 而是沿沟道从源极到漏极逐渐升高 造成漏极一边耗尽层比靠近源极一边的宽 靠近漏极一边的导电沟道必将随之变窄 只要栅 漏间不出现夹断区域 沟道电阻仍将基本上决定于栅 源电压uGS 夹断区变长 uDS的增大 几乎全部用来克服沟道的电阻 iD几乎不变 进入恒流区 iD几乎仅仅决定于uGS 表现出iD的恒流特性 场效应管工作在恒流区的条件是什么 uGD UGS off uGD UGS off 预夹断 uGD UGS off 漏极电流受到栅 源电压控制 故称场效应管为电压控制元件 低频跨导 3 栅 源电压对漏极电流的控制作用uGD UGS off 时 夹断与预夹断的区别 夹断 预夹断时 预夹断前 预夹断后 3 特性 1 转移特性 当场效应管工作在恒流区时 由于输出特性曲线可近似为横轴的一组平行线 所以可用一条转移特性曲线代替恒流区的所有曲线 输出特性曲线的恒流区中做横轴的垂线 读出垂线与各曲线交点的坐标值 建立uGS iD坐标系 连接各点所得的曲线就是转移特性曲线 UGS off 场效应管工作在恒流区 因而uGS UGS off 且uGD UGS off 夹断电压 漏极饱和电流 3 特性 1 转移特性 在恒流区 g s电压控制d s的等效电阻 2 输出特性 预夹断轨迹 uGD UGS off 可变电阻区 恒流区 iD几乎仅决定于uGS 击穿区 夹断区 截止区 不同型号的管子UGS off IDSS将不同 低频跨导 击穿特性 当uDS增大到一定程度时 漏极电流会骤然增大 管子将被击穿 由于这种击穿是因栅 漏间耗尽层破坏而造成的 因而若栅 漏击穿电压为 则漏 源击穿电压 由金属 氧化物和半导体制成 称为金属 氧化物 半导体场效应管 或简称MOS场效应管 特点 输入电阻可达1010 以上 类型 N沟道 P沟道 增强型 耗尽型 增强型 耗尽型 UGS 0时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管 UGS 0时漏源间不存在导电沟道称增强型场效应管 二 绝缘栅型场效应管 SiO2绝缘层 衬底 低掺杂 1 增强型MOS管 N沟道增强型MOS场效应管 通常衬底与源极接在一起使用 工作原理分析 uDS 0 uGS 0 由于SiO2的存在 栅极电流为零 栅极金属层聚集正电荷 它们排斥P型衬底靠近SiO2一侧的空穴 使之剩下不能移动的负离子区 形成耗尽层 uGS增大 耗尽层增宽 衬底的自由电子吸引到耗尽层与绝缘层之间 形成反型层 反型层将变厚变长 当反型层将D S间相接时 形成导电沟道 当栅源之间不加电压时 漏源之间相当于两个背靠背的PN结 无论漏源之间加何种极性电压 总是不导电 iD 0 开启电压UGS th 使沟道刚刚形成的栅源电压 SiO2绝缘层 衬底 反型层 大到一定值才开启 uDS对导电沟道的影响 uGS UGS th 沟道沿源 漏方向逐渐变窄 导电沟道呈现一个楔形 uDS增大使漏极电流iD线性增大 a uDSUGS th iD随uDS的增大而增大 可变电阻区 b uDS uGS UGS th uGD UGS th 靠近漏极沟道达到临界开启程度 出现预夹断 uGD UGS th 预夹断 刚出现夹断 uDS对导电沟道的影响 uGS UGS th c uDS uGS UGS th uGD UGS th uDS逐渐增大时 夹断区延长 由于夹断区的沟道电阻很大 导电沟道两端电压基本不变 uDS增大的部分几乎全部用于克服夹断区对漏极电流的阻力 iD几乎不随uDS增大而变化 只取决于uGS iD几乎仅仅受控于uGS 恒流区 uDS的增大几乎全部用来克服夹断区的电阻 uDS对导电沟道的影响 uGS UGS th 用场效应管组成放大电路时应使之工作在恒流区 N沟道增强型MOS管工作在恒流区的条件是什么 2 耗尽型MOS管 加正离子 小到一定值才夹断 uGS 0时就存在导电沟道 制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子 这些正离子电场在P型衬底中 感应 负电荷 形成 反型层 即使uGS 0也会形成N型导电沟道 uGS 0 uDS 0 产生较大的漏极电流 uGS 0 绝缘层中正离子感应的负电荷减少 导电沟道变窄 iD减小 UGS off 称为夹断电压 uGS UGS off 导电沟道消失 iD 0 N沟道耗尽型MOS场效应管 耗尽型MOS管在uGS 0 uGS 0 uGS 0时均可导通 且与结型场效应管不同 由于SiO2绝缘层的存在 在uGS 0时仍保持g s间电阻非常大的特点 3 MOS管的特性 1 增强型MOS管 2 耗尽型MOS管 开启电压 夹断电压 各类场效应管的符号和特性曲线 三 场效应管的分类工作在恒流区时g s d s间的电压极性 问题 uGS 0可工作在恒流区的场效应管有哪几种 只有uGS 0才可能工作在恒流区的场效应管有哪几种 只有uGS 0才可能工作在恒流区的场效应管有哪几种 5 1 3场效应管的主要参数 一 直流参数 饱和漏极电流IDSS 2 夹断电压UGS off 3 开启电压UGS th 4 直流输入电阻RGS DC 夹断电压是结型 耗尽型FET的参数 当uDS为常量时 iD为规定的微小电流 如5微安 时的uGS 开启电压是增强型MOS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 结型场效应三极管 当uGS 0时产生预夹断所对应的漏极电流 等于栅源电压与栅极电流之比 输入电阻很高 结型场效应管一般在107 以上 绝缘栅场效应管更高 一般大于109 二 交流参数 1 低频跨导gm 2 极间电容 用以描述栅源之间的电压uGS对漏极电流iD的控制作用 恒流区 单位 iD毫安 mA uGS伏 V gm毫西门子 mS 转移特性曲线上某一点的切线的斜率 曲线越陡 gm越大 这是场效应管三个电极之间的等效电容 包括CGS CGD CDS 极间电容愈小 则管子的高频性能愈好 一般为几个皮法 三 极限参数 1 最大漏极电流IDM 3 漏源击穿电压U BR DS 4 栅源击穿电压U BR GS 由场效应管允许的温升决定 漏极耗散功率转化为热能使管子的温度升高 当漏极电流iD急剧上升产生雪崩击穿时的uDS 结型场效应管工作时 栅源间PN结处于反偏状态 若uGS U BR GS PN将被击穿 这种击穿与电容击穿的情况类似 属于破坏性击穿 2 漏极最大允许耗散功率PDM IDM是管子正常工作时漏极电流的上限值 双极型和场效应型三极管的比较 讨论一 利用图示场效应管组成原理性共源放大电路 5 2场效应管基本放大电路 一 场效应管静态工作点的设置方法 二 场效应管放大电路的动态分析 三 场效应管放大电路的频率响应 1 静态 适当的静态工作点 使场效应管工作在恒流区 场效应管的偏置电路相对简单 2 动态 能为交流信号提供通路 组成原则 静态分析 估算法 图解法 动态分析 微变等效电路法 图解法 分析方法 场效应管基本放大电路 共源电路 共栅电路 共漏电路 结型场效应管放大电路的三种接法 一 场效应管静态工作点的设置方法 根据场效应管工作在恒流区的条件 在g s d s间加极性合适的直流电源 就可确定合适的静态工作点 1 基本共源放大电路 为了使场效应管工作在恒流区实现放大作用 应满足 N增强型MOS管共源 思考 1 N沟道共源结型场效应管的静态工作点怎样设置 2 N沟道共源耗尽型MOS的静态工作点怎样设置 2 自给偏压电路 由正电源获得负偏压称为自给偏压 哪种场效应管放大电路能够采用这种电路形式设置Q点 耗尽型场效应管 结型场效应管共源放大电路静态分析 3 分压式偏置电路 即典型的Q点稳定电路 二 场效应管放大电路的动态分析 1 场效应管的交流等效模型 iD的全微分为 上式中定义 场效应管的跨导 毫西门子mS 场效应管漏源之间等效电阻 如果输入正弦信号 则可用相量代替式中的变量 场效应管的交流等效模型 近似分析时可认为其为无穷大 根据iD的表达式或转移特性可求得gm 与晶体管的h参数等效模型类比 一般gm约为0 1至20mS rds为几百千欧的数量级 当Rd比rds小得多时 可认为等效电路的rds开路 根据场效应管的电流方程可以求出低频跨导 如结型 小信号时 可以用IDQ来近似iD 所以有 增强型MOS管 结型场效应管 2 基本共源放大电路的动态分析 若Rd 3k Rg 1M gm 2mS 则与共射电路比较 放大能力不如共射电路 例5 2 2分压式偏置共源放大电路 电压放大倍数 输入电阻 输出电阻 3 基本共漏放大电路的动态分析 若Rs 3k gm 2mS 则 输入电压输出电压极性相同 基本共漏放大电路输出电阻的分析 若Rs 3k gm 2mS 则Ro 求解场效应管放大电路的步骤 归纳 1 首先利用图解法或近似估算法确定放大电路的静态工作点Q 2