第四章-场效应管及其基本放大电路

1 第4章场效应管及其基本放大电路 2 4 1引言 场效应管的优点输入阻抗高抗干扰能力强功耗小分类 结型场效应管JFET绝缘栅型场效应管IGFET又称为MOSFETN沟道场效应管P沟道场效应管 3 4 2场效应管 4 2 1绝缘栅场效应管种类 增强型 沟道从无到有 NP耗尽型 沟道从有到无 NP 4 1 结构 一 N沟道增强型MOS管 5 N沟道增强型MOS管的符号如上图所示 左面的一个衬底在内部与源极相连 右面的一个没有连接 使用时需要在外部连接 N沟道增强型MOS管的符号 6 2 N沟道增强型MOS管的工作原理 分两个方面进行讨论 一是栅源电压UGS对沟道产生的影响 从而对漏极电流ID产生影响 二是漏源电压UDS对沟道产生影响 从而对漏极电流ID产生影响 7 令漏源电压UDS 0 加入栅源电压UGS以后并不断增加 UGS带给栅极正电荷 将正对SiO2层表面下衬底中的空穴推走 从而形成负离子层 即耗尽层 用绿色的区域表示 在栅极下的表层感生一定的电子电荷 从而在漏源之间可形成导电沟道 即反型层 反型层 1 栅源电压UGS的控制作用 栅源电压的控制作用 8 反型层形成后 此时若加上UDS 就会有漏极电流ID产生 当UGS较小时 不能形成有效的沟道 尽管加有UDS 也不能形成ID 当增加UGS 使ID刚刚出现时 对应的UGS称为开启电压 用UGS th 或UT表示 显然改变UGS就会改变沟道 从而影响ID 这说明UGS对ID的控制作用 9 设UGS UGS th 增加UDS 此时沟道的变化如下 漏源电压也会对沟道产生影响 因为源极和衬底相连接 所以加入UDS后 UDS将从漏到源逐渐降落在沟道内 漏极和衬底间反偏最大 PN结的宽度最大 所以加入UDS后 在漏源之间会形成一个楔形的PN结区 从而影响沟道的导电性 2 漏源电压UDS的控制作用 漏源电压的控制作用 10 当UDS进一步增加时 ID会不断增加 同时 漏端的耗尽层上移 会在漏端出现夹断 这种状态称为预夹断 预夹断 当UDS进一步增加时 漏端的耗尽层向源极伸展 此时ID基本不再增加 增加的UDS基本上降落在预夹断区 漏源电压的控制作用 11 3 特性曲线 1 输出特性曲线当UGS UGS th 且固定为某一值时 反映UDS对ID的影响 即iD f uDS UGS const这一关系曲线称为漏极输出特性曲线 曲线分五个区域 1 可变电阻区 2 恒流区 放大区 3 截止区 4 击穿区 5 过损耗区 可变电阻区 截止区 击穿区 过损耗区 12 2 转移特性曲线 转移特性曲线的斜率gm反映了栅源电压对漏极电流的控制作用 gm称为跨导 单位mS mA V 13 从漏极输出特性曲线可以得到转移特性曲线 过程如下 14 二 N沟道耗尽型MOSFET N沟道耗尽型管的结构和符号 SiO2中掺入正离子符号 沟道连续工作原理 导电沟道存在沟道被削弱当时 沟道消失沟道被增强 15 N沟道耗尽型场效应管的转移特性曲线如右上图所示 耗尽型场效应管的转移特性曲线也可以用下式表示 夹断电压 IDSS 当UGS 0时 对应的漏极饱和电流用IDSS表示 当UGS 0时 将使ID进一步增加 UGS 0时 随着UGS的减小漏极电流逐渐减小 直至ID 0 对应ID 0的UGS称为夹断电压 用符号UGS off 表示 有时也用UP表示 耗尽型管的特性转移特性 16 三 P沟道MOS管 N P P P沟道MOS管的结构与N沟道MOS管相同 只不过半导体的极性相反 电源电压 偏置电压的极性也相反 漏极电流的方向相反 夹断电压和开启电压的极性也相反 衬底由P型改为N型 漏 源两个电极的搀杂由N 改为P P沟道MOSFET的结构 增强型耗尽型 17 场效应三极管有二种结构形式 1 绝缘栅场效应晶体管 MOSFET 增强型耗尽型2 结型场效应晶体管 JFET 只有耗尽型 4 2 2结型场效应管 18 1 结型场效应晶体管的结构 JFET的结构与MOSFET相似 工作机理则相同 PN结 N沟道 19 1 栅源电压对沟道的控制作用 2 结型场效应管的工作原理 场效应管是一种电压控制电流源器件 它的漏极电流受栅源电压UGS和漏源电压UDS的双重控制 栅源电压的控制作用 20 2 漏源电压对沟道的控制作用 预加断 预加断 漏源电压对沟道的控制作用 21 各种场效应管符号和特性曲线比较 场效应管分类 2 结型场效应晶体管 N沟道耗尽型 1 绝缘栅场效应晶体管 P沟道耗尽型 增强型 耗尽型 N沟道 P沟道 N沟道 P沟道 22 N沟道增强型MOS管 衬底箭头向里 漏 衬底和源 开 表示零栅压时沟道不通 表示衬底在内部没有与源极连接 N沟道耗尽型MOS管 漏 衬底和源不断开表示零栅压时沟道已经连通 N沟道结型MOS管 没有绝缘层 只有耗尽型 如果是P沟道 箭头则向外 场效应管的符号 23 N沟道增强型MOSFET 类型 漏极输出特性曲线 转移特性曲线 P沟道增强型MOSFET 场效应管的特性曲线 24 N沟道耗尽型MOSFET P沟道耗尽型MOSFET 类型 漏极输出特性曲线 转移特性曲线 25 N沟道JFET 类型 漏极输出特性曲线 转移特性曲线 P沟道JFET 开启电压UGS th 或UT 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 场效应管不导通 夹断电压UGS off 或UP 夹断电压是耗尽型场效应管的参数 当UGS UGS off 时 漏极电流为零 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 1 直流参数 输入电阻RGS 场效应三极管的栅源输入电阻的典型值 对于结型场效应三极管 反偏时RGS约大于107 对于绝缘栅型场效应三极管 RGS约是109 1015 4 2 3FET的参数 27 低频跨导gm 低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用 这一点与晶体管的控制作用相似 gm可以在转移特性曲线上求取 单位是mS 毫西门子 极间电容 场效应晶体管的三个电极之间存在电容 一般Cgs和Cgd约为1 3pF Cds约为0 1 1pF 2 交流参数 28 3 极限流参数 最大漏极电流IDM 场效应管正常工作时的漏极电流的上限值 击穿电压U BR GS 结型场效应管栅源之间所加的反向电压使PN结击穿的电压值 或绝缘栅场效应管的栅极绝缘层击穿的电压值 最大漏极功耗PDM 最大漏极功耗可由PDM UDSID决定 与双极型晶体管的PCM相当 击穿电压U BR DS 场效应管进入恒流区 uds的增加使iD骤然增加的漏源电压值 29 4 场效应晶体管的型号 场效应三极管的型号 现行有两种命名方法 其一是与双极型晶体管相同 第三位字母J代表结型场效应管 O代表绝缘栅场效应管 第二位字母代表材料 D是P型硅 反型层是N沟道 C是N型硅P沟道 例如 3DJ6D是结型N沟道场效应晶体管 3DO6C是绝缘栅型N沟道场效应晶体管 第二种命名方法是CS CS代表场效应管 以数字代表型号的序号 用字母代表同一型号中的不同规格 例如CS14A CS45G等 30 几种常用的场效应三极管的主要参数见下表 场效应晶体管的参数 31 总结 关于和的极性 1 N沟道P沟道 2 用作增强型和极性相同用作耗尽型 包括结型FET 和极性相反 3 若正确错了相当于电阻2 工作在恒流区的条件 32 4 2 4BJT和FET的比较 BJT CCCS内阻小双极型热稳定性差功耗大不易集成响应速度快FET VCCS内阻大单极型热稳定性好功耗小易于集成响应速度慢 33 4 3 1共源放大电路 N沟道结型场效应管分压偏置电路 一 静态分析 1 分压偏置电路 结型场效应管和耗尽型场效应管 4 3FET基本放大电路 34 因IDQ是二次方程 需要从中确定一个合理的解 一般可根据静态工作点是否合理 栅源电压是否超出了夹断电压 漏源电压是否进入饱和区等情况来确定 注意以上计算是针对由耗尽型场效应管构成的放大电路 若放大电路采用的是增强型场效应晶体管 则应采用下式计算漏极电流 式中IDO是uGS 2UGS th 时所对应的iD N沟道增强型绝缘栅场效应管分压偏置电路 35 自给偏压共源组态场效应管放大电路如图所示 建立正确的偏压就是建立正确的静态工作点 图示电路中的场效应管应该采用N沟道耗尽型MOSFET 因为栅流等于0 所以UG 0V US IDR UGSQ IDQR 根据场效应管的转移特性曲线 静态工作点Q应位于第二象限 漏极电流 自给偏压共源放大电路 管压降UDSQ VDD IDQ Rd R 一 静态分析 2 自给偏压电路 36 场效应晶体管放大电路的三种组态 场效应晶体管有三种不同的组态 或称为三种接法 共源极组态 与共发射极组态对应 共漏极组态 与共集电极组态对应 共栅极组态 与共基极组态对应 a 共源组态 b 共漏组态 c 共栅组态 场效应放大电路的三种组态 37 采用场效应晶体管构成放大电路时 必须将静态工作点偏置到具有线性特性的恒流区 但是场效应晶体管与双极型晶体管不同 它是电压控制电流源器件 所以场效应管是电压偏置 分析场效应管放大电路也必须要正确地区分静态和动态 正确地区分直流通路和交流通路 在进行动态分析之前 也需要先进行静态工作点的计算 对于绝缘栅型场效应管放大电路 根据转移特性曲线 可以确定栅源电压UGS是正还是负 还是可正可负 对于结型场效应管放大电路 以避免栅流来决定栅源电压UGS的正 负 场效应晶体管放大电路设置偏置的原则 38 具体的偏置电路形式 场效应晶体管放大电路的电压偏置有两种形式 分压偏置和自给栅偏压 对于不同类型的场效应管 对于MOS增强型N沟道管放大电路 UGS 0 UGS0截止 对于MOS耗尽型N沟道管放大电路 UGS0 对于MOS耗尽型P沟道管放大电路 UGS 0 也可UGS 0 对于结型场效应管放大电路 无论是N沟道还是P沟道管 以避免出现栅流来决定栅源电压UGS的正 负 即N沟道管放大电路为UGS0 39 场效应管放大电路分压偏置 分压偏置电路 b 采用耗尽型管 a 采用增强型管 由于没有栅流 栅极电位仅由Rg1和Rg2分压确定 所以分压偏置既可以得到正偏压 又可以得到负偏压 对于图 a 也可以采用结型场效应管 40 场效应管放大电路自给栅偏压 图02 03 03自给栅偏压 自给偏压场效应管放大电路如图02 03 03所示 该电路因为栅流等于0 所以 栅极电位等于0 所以只能N沟道管建立负偏压 P沟道管建立正偏压 所以图示电路 UG 0VUS IDRUGSQ IDQR 41 3 1 耗尽型可以用自给偏压也可以用分压偏置 2 增强型只能用分压偏置 42 与双极型晶体管一样 可以用一个线性模型来代替场效应管 条件仍然是工作在恒流区 或是微变信号 与双极型晶体管相比 因为场效应管的栅源之间的输入电阻十分大 可视为开路 输出回路是一个受控源 即电压控制电流源VCCS 大小是 电流源还并联了一个输出电阻rds 在双极型晶体管的简化模型中 因输出电阻rce R L可视为开路 在此对于rds也应根据具体情况决定取舍 图02 03 11场效应管h参数等效电路 场效应管简化的微变等效电路如图02 03 11所示 这个模型也仅适用低频和中频频段 开路 VCCS 二 动态分析 1 FET的微变等效电路 43 将图02 03 12示放大电路的微变等效电路画出 见图02 03 13 根据微变等效电路进行求解 图02 03 13h参数中频微变等效电路 因 所以 式中R L rds Rd RL 如果有信号源内阻Rs时 源电压增益为 Ri为输入电阻 2 动态分析 1 电压放大倍数 44 2 输入电阻 图02 03 13h参数中频微变等效电路 根据微变等效电路 有 场效应晶体管具有输入电阻高的特点 但是由于偏置电阻并联的影响 其输入电阻并不一定高 采用图02 03 14的电路可以提高场效应管放大电路的输入电阻 45 图02 03 14电路的栅极分压电阻Rg1和Rg2经过一个较大的电阻Rg接到栅极 因栅流等于0 Rg的串入不影响栅极电位 而交流信号则经过耦合电容器直接接到栅极 它的微变等效电路如图02 03 15所示 图02 03 14共源放大电路 图02 03 15微变等效电路 由微变等效电路可知 46 3 输出电阻 根据输出电阻的定义 令源电压等于0 负载电阻开路 并在输出端加一个测试电源 可得求输出电阻的微变等效电路 如图02 03 16所示 此时受控源相当开路 然后计算输出电阻 于是 rds Rd 图02 03 12共源放大电路 图02 03 16求输出电阻的微变电路 47 由以上分析可知 共源组态放大电路与共射组态放大电路有相同的基本特点 电压放大倍数较大 输出电压的相位与输入电压的相位相反 3 共源组态放大电路的输入电阻由偏置电路决定 采用一定的偏置电路方式可以获得高的输入电阻 这一点与共射组态放大电路有所不同 共源放大电路的特点 共源组态放大电路的输出电阻近似等于漏极负载电阻 48 讲解例题 例4 3 1 49 1 静态分析 共漏组态基本放大电路如图02 03 17所示 其直流工作状态分析如下 图02 03 17共漏组态放大电路 图02 03 18放大电