第一篇第三章-场效应管及其电路分析PPT课件

.,1,模拟电子技术电路,讲课人：王欢,.,2,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,.,3,一、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，iG0。,s：Source源极d：Drain漏极g：Gate栅极B：Base衬底,.,4,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。,.,5,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，iD0。,当vGS0，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)。,.,6,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。,vGSVT时，vGS对iD的控制作用。,当vGS0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。,.,7,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vGDvGS-vDS，所以沟道呈楔形分布。,vGSVT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。,.,8,当vDS增加到vGS-vDSVT时（即vDSvGS-VT）：漏端沟道消失，称为“预夹断”。,当vDS再增加时（即vDSvGS-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。,.,9,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。,.,10,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。,.,11,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。,.,12,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(vGSVT)时的状态。,.,13,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(vGS0)，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(vGS0)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，iD0，管子截止。,.,14,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,.,15,二、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,.,16,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。,vGS0时，存在N型导电沟道（N型区）。,vGS0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vGS0。,工作原理,.,17,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。,.,18,三、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。,.,19,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。,.,20,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。,.,21,1.3.2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。,.,22,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,.,23,一、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0.110M。,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IG0，所以Rg上无直流压降，VG0。,由于耗尽型FET在VGS0时存在导电沟道，所以电路有漏极电流ID。,.,24,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VGIDRs，则可适用于增强型管（N沟道）；若VGIDRs，则可适用于耗尽型MOS管或JFET。,上式称为偏压线方程,.,25,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。,.,26,【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。,.,27,【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。,.,28,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：,.,29,【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),.,30,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：,.,31,二、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。,.,32,BCQD段：VTvGS6V，FET工作在恒流区（放大区）内。,例如,用作放大器,.,33,EFG段：vGS6V，FET工作在可变电阻区，vO0,AB段：vGSVT，FET工作在截止区，vOVDD,令vGS0，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,.,34,当vGS=9V时，工作点移至F