模拟电子技术-场效应管放大电路.ppt

第五章场效应管放大电路 5 3金属 氧化物 半导体 MOS 场效应管 5 1结型场效应管 JFET 5 5砷化镓金属 半导体场效应管 5 6各种放大器件电路性能比较 5 4MOSFET放大电路 5 2JFET放大电路 BJT BipolarJunctionTransistor 电流对电流控制的器件 能放大电信号 而存在不足1 2 在大规模集成电路制造中存在瓶颈问题 FET管 Field effecttransistor 简记为FET 单极型晶体管UipolarJunctionTransistor 也即只有一种载流子参与导电的晶体管 基本原理是外加电压在器件中建立电场 电场控制导电沟道宽窄和形状 从而控制输出电流大小 场效应管的特点 1 它是利用改变外加电压产生的电场强度来控制其导电能力的半导体器件 2 它具有双极型三极管的体积小 重量轻 耗电少 寿命长等优点 3 还具有输入电阻高 热稳定性好 抗辐射能力强 噪声低 制造工艺简单 便于集成等特点 4 在大规模及超大规模集成电路中得到了广泛的应用 P沟道 耗尽型 P沟道 P沟道 耗尽型 场效应管的分类 电场效应 单极性管 电压控制电流 P沟道 耗尽型 结构的动画演示 结构的动画演示2 场效应管的符号 N沟道MOSFET 耗尽型 增强型 P沟道MOSFET N沟道JFET 5 1 5 3 结型场效应管 5 1 1JFET的结构和工作原理 5 1 2JFET的特性曲线及参数 5 1 3JFET放大电路的小信号模型分析法 5 1 1JFET的结构和工作原理 1 结构 符号中的箭头方向表示什么 结构的动画演示 g gate G栅极 s source S源极 d drain D漏极 b base e emitter c collector 基本组态 共s 共d 共g 基本组态 共e 共c 共b 工作原理 vGS对沟道的控制作用 当vGS 0时 以N沟道JFET为例 动画演示 当沟道夹断时 对应的栅源电压vGS称为夹断电压VP 或VGS off 对于N沟道的JFET VP 0 PN结反偏 耗尽层加厚 沟道变窄 vGS继续减小 沟道继续变窄 2 工作原理 以N沟道JFET为例 vDS对沟道的控制作用 当vGS 0时 vDS ID g d间PN结的反向电压增加 使靠近漏极处的耗尽层加宽 沟道变窄 从上至下呈楔形分布 当vDS增加到使vGD VP时 在紧靠漏极处出现预夹断 此时vDS 夹断区延长 沟道电阻 ID基本不变 2 工作原理 以N沟道JFET为例 vGS和vDS同时作用时 当VP vGS 0时 导电沟道更容易夹断 对于同样的vDS ID的值比vGS 0时的值要小 在预夹断处 vGD vGS vDS VP JFET输出特性与转移特性的动画演示1 动画演示2 3 JFET输出特性与转移特性 JFET有正常放大作用时 沟道处于什么状态 3JFET的特性曲线 2 转移特性 VP 1 输出特性 各类晶体管的符号 N沟道MOSFET 耗尽型 增强型 P沟道MOSFET N沟道JFET BJT 夹断电压VP 或VGS off 饱和漏极电流IDSS 低频跨导gm 或 漏极电流约为零时的VGS值 VGS 0时对应的漏极电流 低频跨导反映了vGS对iD的控制作用 gm可以在转移特性曲线上求得 单位是mS 毫西门子 输出电阻rd 直流输入电阻RGS 对于结型场效应三极管 反偏时RGS约大于107 最大漏极功耗PDM 最大漏源电压V BR DS 最大栅源电压V BR GS end 综上分析可知1 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 为什么JFET的输入电阻比BJT高得多 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 综上分析可知2 导电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 MOSFET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 为什么JFET的输入电阻比BJT高得多 可以到达109 MOSFET的输入电阻更高 可以到达1015 MOSFET栅极与导电沟道间是绝缘的 因此iG 0 输入电阻很高 半导体二极管的型号 国家标准对半导体器件型号的命名举例如下 2AP9 2CW6 2 2CZ11 2CP10 3DG6 3DG12 整流二极管 2CZ82B稳压二极管 2CW50变容二极管 2AC1等等 复习题 在P型半导体中 少数载流子是 在N型半导体中 少数载流子是 多数载流子是 A 正离子B 自由电子C 空穴D 负离子 在以下几种半导体中 是整流二极管 是稳压管 是NPN硅三极管 A 2CP10 B 2CZ11C 3DJ8D 3DG6E 2CW7 5 2 6三极管的型号 国家标准对半导体三极管的命名如下 3DG110B 第二位 A锗PNP管 B锗NPN管 C硅PNP管 D硅NPN管 第三位 X低频小功率管 D低频大功率管 G高频小功率管 A高频大功率管 K开关管 用字母表示材料 用字母表示器件的种类 用数字表示同种器件型号的序号 用字母表示同一型号中的不同规格 三极管 耗尽型FET管的转移特性函数 增强型FET管的转移特性函数 作业 5 1 1 5 1 2 5 3 2 5 3 4 5 2 4 5 2 6 5 3 6 5 5 1 G S D G S D iD uGS iD uGS VT VP 增强型耗尽型 1 特点 压控管 Ri特大 偏置灵活 多子导电 可大规模集成 2 转移特性 3 使用 N沟道 VDS P沟道相反VGS 增 耗一般为 可以为 要防止感应电压击穿 结型漏 源可换 箭头向里为N沟道 实线为耗尽型 5 4场效应管放大电路 直流偏置电路 静态工作点 FET小信号模型 动态指标分析 三种基本放大电路的性能比较 5 4 1FET的直流偏置及静态分析 5 4 2FET放大电路的小信号模型分析法 1 直流偏置电路 5 4 1FET的直流偏置电路及静态分析 1 自偏压电路 2 分压式自偏压电路 vGS vGS vGS vGS vGS vGS iDR Q点 VGS ID VDS vGS VDS 已知VP 由 VDD ID Rd R IDR 可解出Q点的VGS ID VDS 5 4 2FET放大电路的小信号模型分析法 1 FET小信号模型 1 低频模型 2 高频模型 2 动态指标分析 1 中频小信号模型 2 动态指标分析 2 中频电压增益 3 输入电阻 4 输出电阻 忽略rD 由输入输出回路得 则 通常 则 例4 4 2共漏极放大电路如图示 试求中频电压增益 输入电阻和输出电阻 2 中频电压增益 3 输入电阻 得 解 1 中频小信号模型 由 例题 4 输出电阻 所以 由图有 例题 3 三种基本放大电路的性能比较 组态对应关系 CE BJT FET CS CC CD CB CG BJT FET CE CC CB CS CD CG 3 三种基本放大电路的性能比较 CE CC CB CS CD CG CE CC CB CS CD CG 解 画中频小信号等效电路 则电压增益为 例题 根据电路有 由于 则 end 场效应管的共源极放大电路 一 静态分析 求 UDS和ID 设 UG UGS 则 UG US 而 IG 0 所以 二 动态分析 ro RD 10k 例题 设gm 3mA V 50 rbe 1 7k 求 总电压放大倍数 输入电阻 输出电阻 1 估算各级静态工作点 略 2 动态分析 微变等效电路 首先计算第二级的输入电阻 ri2 R3 R4 rbe 82 43 1 7 1 7k 第二步 计算各级电压放大倍数 第三步 计算输入电阻 输出电阻 ri R1 R2 3 1 0 75M ro RC 10k 第四步 计算总电压放大倍数 Au Au1Au2 4 4 147 647 作业 4 4 4 4 5 4 5 1 2FET放大电路的小信号模型分析法 1 FET小信号模型 1 低频模型 2 高频模型 2 动态指标分析 1 中频小信号模型 2 动态指标分析 2 中频电压增益 3 输入电阻 4 输出电阻 忽略rD 由输入输出回路得 则 通常 则 例4 4 2共漏极放大电路如图示 试求中频电压增益 输入电阻和输出电阻 2 中频电压增益 3 输入电阻 得 解 1 中频小信号模型 由 例题 4 输出电阻 所以 由图有 例题 3 三种基本放大电路的性能比较 组态对应关系 CE BJT FET CS CC CD CB CG BJT FET CE CC CB CS CD CG 3 三种基本放大电路的性能比较 CE CC CB CS CD CG CE CC CB CS CD CG 解 画中频小信号等效电路 则电压增益为 例题 根据电路有 由于 则 end 场效应管的共源极放大电路 一 静态分析 求 UDS和ID 设 UG UGS 则 UG US 而 IG 0 所以 二 动态分析 ro RD 10k 例题 设gm 3mA V 50 rbe 1 7k 求 总电压放大倍数 输入电阻 输出电阻 1 估算各级静态工作点 略 2 动态分析 微变等效电路 首先计算第二级的输入电阻 ri2 R3 R4 rbe 82 43 1 7 1 7k 第二步 计算各级电压放大倍数 第三步 计算输入电阻 输出电阻 ri R1 R2 3 1 0 75M ro RC 10k 第四步 计算总电压放大倍数 Au Au1Au2 4 4 147 647 G S D G S D iD uGS iD uGS VT VP 增强型耗尽型 1 特点 压控 Ri特大 偏置灵活 多子导电 可大规模集成2 转移特性 3 使用 N沟道 VDS P沟道相反VGS 增 耗 防感应电压击穿 结型漏 源可换 箭头向里为N沟道 实线为耗尽型 MOSFET N沟道增强型MOSFET工作原理 1 vGS对沟道的控制作用 当vGS 0时 无导电沟道 d s间加电压时 也无电流产生 当0 vGS VT时 产生电场 但未形成导电沟道 感生沟道 d s间加电压后 没有电流产生 当vGS VT时 在电场作用下产生导电沟道 d s间加电压后 将有电流产生 vGS越大 导电沟道越厚 VT称为开启电压 动画演示 2 工作原理 2 vDS对沟道的控制作用 靠近漏极d处的电位升高 电场强度减小 沟道变薄 当vGS一定 vGS VT 时 vDS ID 沟道电位梯度 整个沟道呈楔形分布 当vGS一定 vGS VT 时 vDS ID 沟道电位梯度 当vDS增加到使vGD VT时 在紧靠漏极处出现预夹断 2 工作原理 2 vDS对沟道的控制作用 在预夹断处 vGD vGS vDS VT 预夹断后 vDS 夹断区延长 沟道电阻 ID基本不变 2 工作原理 2 vDS对沟道的控制作用 2 工作原理 3 vDS和vGS同时作用时 vDS一定 vGS变化时 给定一个vGS 就有一条不同的iD vDS曲线 3 V I特性曲线及大信号特性方程 截止区当vGS VT时 导电沟道尚未形成 iD 0 为截止工作状态 可变电阻区vDS vGS VT 饱和区 恒流区又称放大区 vGS VT 且vDS vGS VT 5 2MOSFET放大电路 5 2 1MOSFET放大电路 1 直流偏置及静态工作点的计算 2 图解分析 3 小信号模型分析 5 2 1MOSFET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 直流通路 共源极