中北大学模电场效应管及其基本放大电路.ppt

第3章场效应管及其基本放大路 3 1结型场效应管 3 3场效应管放大电路 3 2绝缘栅场效应管 3 1结型场效应管 引言 3 1 1结型场效应管的结构及类型 3 1 3结型场效应管的伏安特性 3 1 2结型场效应管的工作原理 3 1 4结型场效应管的主要参数 引言 场效应管FET FieldEffectTransistor 类型 特点 1 单极性器件 一种载流子导电 3 工艺简单 易集成 功耗小 体积小 成本低 2 输入电阻高 107 1015 IGFET可高达1015 3 1结型场效应管 3 1 1结型场效应管的结构及类型 N沟道JFET P沟道JFET 3 1 2结型场效应管的工作原理 1 当uDS 0时 栅源电压uGS对导电沟道的控制作用 uGS 0UGS off uGS 0uGS UGS off 2 当uGS 0时 漏源电压uDS对导电沟道的影响 UGS off uDS 0uDS UGS off uDS UGS off 3 当uGS 0 uDS 0时 栅源电压uGS对漏极电流iD的控制作用 uGS 0 uDS 0 此时uGD UGS off 沟道楔型 耗尽层刚相碰时称预夹断 当uDS 预夹断点下移 3 1 3结型场效应管的伏安特性 1 输出特性 2 转移特性 UGS off uGS 0和管子工作在恒流区的条件下 3 1 4结型场效应管的主要参数 1 直流参数 1 夹断电压UGS off 指uDS 某值 使漏极电流iD为某一小电流时的uGS值 结型型场效应管 当uGS 0时所对应的漏极电流 2 饱和漏极电流IDSS 3 直流输入电阻RGS DC 是指漏源电压为零时 栅源电压与栅极电流之比 结型场效应管的RGS DC 一般大于107 反映了uGS对iD的控制能力 单位S 西门子 一般为几毫西 mS 2 交流参数 1 低频跨导gm 2 极间电容 CGS约为1 3pF 而CGD约为0 1 1pF 3 极限参数 1 最大漏极电流IDM 2 最大漏源电压U BR DS 3 最大栅源电压U BR GS 4 最大耗散功率PDM PDM uDSiD 受温度限制 3 2绝缘栅场效应管 1 增强型N沟道MOSFET MentalOxideSemi FET 1 结构与符号 P型衬底 掺杂浓度低 用扩散的方法制作两个N区 在硅片表面生一层薄SiO2绝缘层 用金属铝引出源极S和漏极D 在绝缘层上喷金属铝引出栅极G S 源极Source G 栅极Gate D 漏极Drain 3 2 1增强型MOS管 2 工作原理 反型层 沟道 1 导电沟道的形成 uGS 0 uGS 0且uGS UGS th 1 uGS对导电沟道的影响 uDS 0 a 当UGS 0 DS间为两个背对背的PN结 b 当0 UGS UGS th 开启电压 时 GB间的垂直电场吸引P区中电子形成离子区 耗尽层 c 当uGS UGS th 时 衬底中电子被吸引到表面 形成导电沟道 uGS越大沟道越厚 2 栅源电压对漏极电流的控制作用 uGS UGS th DS间的电位差使沟道呈楔形 uDS 靠近漏极端的沟道厚度变薄 预夹断 UGD UGS th 漏极附近反型层消失 预夹断发生之前 uDS iD 预夹断发生之后 uDS iD不变 1 输出特性 可变电阻区 uDS uGS UGS th uDS iD 直到预夹断 饱和 放大区 uDS iD不变 uDS加在耗尽层上 沟道电阻不变 截止区 uGS UGS th 全夹断iD 0 截止区 饱和区 可变电阻区 放大区 恒流区 O 3 伏安特性 2 转移特性 UDS 10V UGS th 当uGS UGS th 时 uGS 2UGS th 时的iD值 开启电压 O 二 耗尽型N沟道MOSFET Sio2绝缘层中掺入正离子在uGS 0时已形成沟道 在DS间加正电压时形成iD uGS UGS off 时 全夹断 输出特性 转移特性 IDSS UGS off 夹断电压 饱和漏极电流 当uGS UGS off 时 O 三 P沟道MOSFET 增强型 耗尽型 N沟道增强型 P沟道增强型 N沟道耗尽型 P沟道耗尽型 IDSS FET符号 特性的比较 N沟道结型 P沟道结型 3 1 3场效应管的主要参数 开启电压UGS th 增强型 夹断电压UGS off 耗尽型 指uDS 某值 使漏极电流iD为某一小电流时的uGS值 UGS th 2 饱和漏极电流IDSS 耗尽型场效应管 当uGS 0时所对应的漏极电流 UGS th 3 直流输入电阻RGS 指漏源间短路时 栅 源间加反向电压呈现的直流电阻 JFET RGS 107 MOSFET RGS 109 1015 4 低频跨导gm 反映了uGS对iD的控制能力 单位S 西门子 一般为几毫西 mS O PDM uDSiD 受温度限制 5 漏源动态电阻rds 6 最大漏极功耗PDM 3 2 3场效应管与晶体管的比较 例3 1 已知某场效应管的转移特性曲线如图3 15所示 试确定场效应管的类型 UGS th 2V 为N沟道增强型MOS管 例3 2 电路如图3 16 a 所示 场效应管的输出特性如图3 16 b 所示 分析当uI 3V 8V 12V三种情况下场效应管分别工作在什么区域 解 UGS th 5V uGS uI 当uI 3V时 uGS小于开启电压 即uGS UGS th 故场效应管截止 当uI 8V时 uGS UGS th 场效应管导通 假设场效应管工作在恒流区 根据输出特性可知iD 0 6mA 则管压降uDS VDD iDRd 12 0 6 3 3 10V uGS UGS th 8V 5V 3V 所以 uDS uGS UGS th 说明假设成立 即场效应管工作在恒流区 因为 uDS 10V 当uI 12V时 uGS UGS th 场效应管导通 假设场效应管工作在恒流区 可知 当UGS 12V时 iD 4mA 则 uDS VDD iDRd 12 4 3 3 1 2V 而电路实际的uDS 0 所以 假设不正确 实际的iD小于4mA 故场效应管工作在可变电阻区 例3 3 图3 17所示电路 已知RD 3 3k RG 100k VDD 10V VGG 2V 场效应管的UGS off 5V IDSS 3mA 试分析场效应管工作在什么区域 解 UGSQ VGG 2V UGS off 场效应管导通 假设场效应管工作在恒流区 UGSQ UGS off 2 5 3V UDSQ UGSQ UGS off 假设正确 3 3场效应管放大电路 3 3 2场效应管放大电路的动态分析 3 3 1场效应管放大电路的直流偏置与静态分析 3 2 1场效应管放大电路 三种组态 共源 共漏 共栅 特点 输入电阻极高 噪声低 热稳定性好 1 固定偏压放大电路 一 电路的组成 1 合适的偏置 2 能输入能输出 三种组态 共源 共漏 共栅 三种组态 共源 共漏 共栅 三种组态 共源 共漏 共栅 栅极电阻RG的作用 1 为栅偏压提供通路 2 泻放栅极积累电荷 源极电阻RS的作用 提供负栅偏压 漏极电阻RD的作用 把iD的变化变为uDS的变化 VDD RD C2 CS uo C1 ui RG RS G S D RL 2 自给偏压放大电路 UDSQ VDD IDQ RS RD UGSQ IDQRS 二 静态分析 1 估算法 2 图解法 在输出特性上作直流负载线 作负载转移特性曲线 作输入回路的直流负载线 确定静态工作点转移特性曲线与输入回路的直流负载线的交点即为静态工作点Q Q点对应的横坐标值即为UGSQ 纵坐标值即为IDQ 再根据IDQ在输出特性曲线上求出静态工作点Q 确定UDSQ a 转移特性曲线 b 输出特性曲线 图自给偏压电路Q点的图解 1 场效应管的等效电路 三 动态分析 场效应管电路小信号等效电路分析法 移特性可知 gm是转移特性在静态工作点Q处 gm为低频跨导 反映了管子的放大能力 从转 切线的斜率 rds为场效应管的共漏极输出电阻 为输出特性在Q点处的切线斜率的倒数 如图所示 通常rds在几十千欧到几百千欧之间 从输入端口看入 相当于电阻rgs 从输出端口看入为受ugs控制的电流源 id gmugs 小信号模型 根据 2 场效应管放大电路的微变等效电路 RL RD uo ui G S D ugs gmugs id ii RG 3 计算放大电路的动态指标 注意 自给偏压电路只适用耗尽型场效应管放大电路 3 2 2分压式自偏压放大电路 调整电阻的大小 可获得 UGSQ 0 UGSQ 0 UGSQ 0 RL VDD RD C2 CS uo C1 ui RG2 RS G S D RG1 一 电路组成 二 静态分析 UDSQ VDD IDQ RS RD 三 动态分析 RL RD uo ui RG2 G S D RG1 ugs gmugs id ii 四 改进电路 目的 为了提高输入电阻 有CS时 无CS时 RS Ri Ro不变 3 2 3共漏放大电路 io Ro 例耗尽型N沟道MOS管 RG 1M RS 2k RD 12k VDD 20V IDSS 4mA UGS off 4V 求iD和uO iG 0 uGS iDRS iD1 4mA iD2 1mA uGS 8V UGS off 增根 uGS 2V uDS VDD iD RS RD 20 14 6 V uO VDD iDRD 20 14 8 V 在放大区 例已知UGS off 0 8V IDSS 0 18mA 1 求 Q 2 求AU Ri RO 解方程得 IDQ1 0 69mA UGSQ 2 5V 增根 舍去 IDQ2 0 45mA UGSQ 0 4V 例gm 0 65mA V ui 20sin t mV 求交流输出uo RD G D S RG RS iD uO VDD ui VGG 10k 4k 交流通路 小信号等效电路 ui ugs gmugsRS ugs ui 1 gmRS uo gmuiRD 1 gmRS 36sin t mV 小结 第3章 场效应管 1 分类 按导电沟道分 N沟道 P沟道 按结构分 绝缘栅型 MOS 结型 按特性分 增强型 耗尽型 uGS 0时 iD 0 uGS 0时 iD 0 增强型 耗尽型 耗尽型 2 特点 栅源电压改变沟道宽度从而控制漏极电流 输入电阻高 工艺简单 易集成 由于FET无栅极电流 故采用转移特性和输出特性描述 3 特性 不同类型FET的特性比较参见表3