第一篇第三章-场效应管及其电路分析.ppt

模拟电子技术电路 讲课人 王欢 第三章场效应晶体管及其电路分析 1 3 1场效应管的结构 特性与参数 场效应管用FET表示 FieldEffectTransistor 具有输入电阻高 热稳定性好 工艺简单 易于集成等优点 绝缘栅型IGFET 或MOS InsultedGateType 增强型MOS Enhancement 耗尽型MOS Depletion 每一种又可分为N沟道和P沟道 结型JFET JunctionType 本质上是耗尽型 分为N沟道和P沟道 场效应管分类 Metal Oxide Semiconductor 一 绝缘栅场效应管 IGFET NMOS增强型 在P型衬底上加2个N 区 P型表面加SiO2绝缘层 在N 区加铝极 MOS管的栅极与其它电极绝缘 所以输入电阻近似为 iG 0 s Source源极d Drain漏极g Gate栅极B Base衬底 PMOS增强型 箭头表示沟道的实际电流方向 PMOS与NMOS的工作原理完全相同 只是电流和电压方向不同 增强型MOS管工作原理 以NMOS为例 vGS 0 vDS较小 没有导电沟道 漏源间只是两个 背向 串联的PN结 所以d s间呈现高阻 iD 0 当vGS 0 且当vGS增强到足够大 d s之间便开始形成导电沟道 开始形成导电沟道所需的最小电压称为开启电压VGS th 习惯上常表示为VT vGS将在栅极与衬底这间产生一个垂直电场 方向为由栅极指向衬底 它使漏 源之间的P型硅表面感应出电子层 反型层 使两个N 区连通 形成N型导电沟道 d s间呈低阻 所以在vDS的作用下产生一定的漏极电流iD vGS VT时 vGS对iD的控制作用 当vGS 0时没有导电沟道 而当vGS增强到 VT时才形成沟道 所以称为增强型MOS管 并且vGS越大 导电沟道越厚 等效电阻越小 iD越大 漏 源电压vDS产生横向电场 由于沟道电阻的存在 iD沿沟道方向所产生的电压降使沟道上的电场产生不均匀分布 近s端电压较高 为vGS 近d端电压较低 为vGD vGS vDS 所以沟道呈楔形分布 vGS VT且为定值时 vDS对iD的影响 当vDS较小时 vDS对导电沟道的影响不大 沟道主要受vGS控制 所以在为定值时 沟道电阻保持不变 iD随vDS增加而线性增加 当vDS增加到vGS vDS VT时 即vDS vGS VT 漏端沟道消失 称为 预夹断 当vDS再增加时 即vDS vGS VT iD将不再增加 趋向饱和 因为vDS再增加时 近漏端上的预夹断点向s极延伸 使vDS的增加部分降落在预夹断区 以维持iD的大小 伏安特性与电流方程 1 增强型NMOS管的转移特性 在一定vDS下 栅 源电压vGS与漏极电流iD之间的关系 IDO是vGS 2VT时的漏极电流 表示漏极电流iD与漏 源电压vDS之间的关系 2 输出特性 漏极特性 可变电阻区放大区 恒流区 饱和区 截止区 夹断区 特性与三极管相似 分为3个工作区 但工作区的作用有所不同 管子导通 但尚未预夹断 即满足的条件为 可变电阻区 可变电阻区的特征是iD不仅受vGS的控制 而且随vDS增大而线性增大 可模拟为受vGS控制的压控电阻RDS 又称恒流区 饱和区 条件是 放大区 特征是iC主要受vGS控制 与vDS几乎无关 表现为较好的恒流特性 夹断区 又称截止区 指管子未导通 vGS VT 时的状态 耗尽型MOS管 制造过程人为地在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了大量的K 钾 或Na 钠 正离子 vGS 0 靠正离子作用 使P型衬底表面感应出N型反型层 将两个N 区连通 形成原始的N型导电沟道 vDS一定 外加正栅压 vGS 0 导电沟道变厚 沟道等效电阻下降 漏极电流iD增大 外加负栅压 vGS 0 时 沟道变薄 沟道电阻增大 iD减小 vGS负到某一定值VGS off 常以VP表示 称为夹断电压 导电沟道消失 整个沟道被夹断 iD 0 管子截止 放大区的电流方程 耗尽型NMOS的伏安特性 IDSS为饱和漏极电流 是vGS 0时耗尽型MOS管的漏极电流 NMOS PMOS 二 结型效应管 JFET 结构与符号 N区作为N型导电沟道 引出s极和d极 在N区两侧扩散两个P 区 形成两个PN结 两个P 区相连 引出g极 没有衬底B极 N沟道 P沟道 JFET通过vGS改变半导体内耗尽层厚度 沟道的截面积 控制iD 称为体内场效应器件 MOSFET主要通过改变衬底表层沟道的厚度来控制iD 称为表面场效应器件 vGS 0时 存在N型导电沟道 N型区 vGS 0时 耗尽层增厚 导电沟道变薄 所以属于耗尽型FET 原理和特性与耗尽型MOSFET相似 所不同的是JFET正常工作时 两个PN结必须反偏 如对N沟道JFET 要求vGS 0 工作原理 JFET的伏安特性 以N沟道JFET为例 伏安特性曲线和电流方程与耗尽型MOSFET相似 但要求VGS不能正偏 三 场效应管的主要参数 直流参数 开启电压VT 增强型管的参数 夹断电压VP 耗尽型管的参数 输入电阻RGS DC 因iG 0 所以输入电阻很大 JFET大于107 MOS管大于109 饱和漏极电流IDSS 指耗尽型管在vGS 0时的漏极电流 交流参数 低频跨导 互导 gm 交流输出电阻rds 跨导gm反映了栅压对漏极电流的控制能力 且与工作点有关 是转移特性曲线的斜率 gm的单位是mS rds反映了漏 源电压变化量对漏极电流变化量的影响 在恒流区内 是输出特性曲线的切线斜率的倒数 其值一般为若几十k 极限参数 最大漏 源电压V BR DS 漏极附近发生雪崩击穿时的vDS 最大栅 源电压V BR GS 栅极与源极间PN结的反向击穿电压 最大耗散功率PDM 同三极管的PCM相似 受管子的最高工作温度及散热条件决定 当超过PDM时 管子可能烧坏 1 3 2场效应管放大电路 三种基本组态 共源 CS 共漏 CD 和共栅 CG 场效应管组成放大电路的原则和方法与三极管相同 为使场效应管正常工作 各电极间必须加上合适的偏置电压 为了实现不失真放大 也同样需要设置合适且稳定的静态工作点 场效应管是一种电压控制器件 只需提供栅偏压 而不需要提供栅极电流 所以它的偏置电路有其自身的特点 不同FET类型对偏置电压的要求 FET偏置电路类型 固定偏置电路 自偏压偏置电路 分压式自偏压电路 一 场效应管的直流偏置和静态工作点计算 自给栅偏压电路 只适用于耗尽型FET 自偏压电路 Rg为栅极泄放电阻 泄放栅极感生电荷 通常取0 1 10M Rs为源极偏置电阻 作用类似于共射电路的Re 可以稳定电路的静态工作点Q 由于IG 0 所以Rg上无直流压降 VG 0 由于耗尽型FET在VGS 0时存在导电沟道 所以电路有漏极电流ID 分压式自偏压电路 适用于耗尽型和增强型FET 在自偏压电路的基础上增加分压电阻构成 若VG IDRs 则可适用于增强型管 N沟道 若VG IDRs 则可适用于耗尽型MOS管或JFET 上式称为偏压线方程 静态工作点的计算 图解法求静态工作点 由转移特性曲线和偏压线方程 为一直线 求输入回路的工作点 由输出特性曲线和直流负载线求输出回路的工作点 估算法求静态工作点 由FET的电流方程和偏压线方程两组方程联立求解 通常舍去不合题意的一组后得静态工作点 例1 3 1 已知VDD 18V Rs 1k Rd 3k Rg 3M 耗尽型MOS管的VP 5V IDSS 10mA 试用估算法求电路的静态工作点 解 不合题意 舍去 例1 3 2 解 栅极回路有 设VDD 15V Rd 5k Rs 2 5k R1 200k R2 300k Rg 10M RL 5k 并设电容C1 C2和Cs足够大 试用图解法分析静态工作点Q 估算Q点上场效应管的跨导gm 由图可得VGSQ 3 5V IDQ 1mA 输出回路列出直流负载线方程 VDS VDD ID Rd Rs 15 7 5ID 由转移特性得 开启电压VT 2V 当VGS 2VT 4V时 ID IDO 1 9mA 由图可求得静态时的VDSQ 7 5V 或直接由图得 例1 3 3 为增强型NMOSFET设计偏置电路 设VT 2V IDO 0 65mA 其余电路参数如图中所示 要求工作在放大区 ID 0 5mA 且流过偏置电阻R1和R2的电流约为0 1ID 试选择偏置电阻R1和R2的阻值 解 假设MOS管工作在放大区 即饱和区 舍去 MOS工作在放大区 假设正确 取标称值 R2 95k R1 110k 验证假设是否成立 二 场效应管线性与开关应用举例 电压传输特性 FET除了与三极管一样用作放大器和可控开关外 还可用作压控电阻 BCQD段 VT vGS 6V FET工作在恒流区 放大区 内 例如 用作放大器 EFG段 vGS 6V FET工作在可变电阻区 vO 0 AB段 vGS VT FET工作在截止区 vO VDD 令vGS 0 输入一个快速变化的矩形波 则FET交替工作在截止区和可变电阻区 用作可控开关 当vGS 9V时 工作点移