第四章 场效应管放大电路 模拟电子基础 全面的模拟电子基础涵盖广泛

1、第四章 场效应管放大电路第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路4.1 结型场效应管结型场效应管 4.2 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管 4.3 场效应管的主要参数场效应管的主要参数 4.4 场效应管的特点场效应管的特点 4.5 场效应管放大电路场效应管放大电路 第四章 场效应管放大电路4.1 结型场效应管结型场效应管 DGSDGS(a) N型沟道PPN型沟道源极栅极漏极DGS(b) P型沟道NNP型沟道源极栅极漏极DGS(c) N沟道(d) P沟道图4-1 结型场效应管的结构示意图和符号 第四章 场效应管放大电路4.1.2 工作原理工作原理 N型沟道DGS(a) UGS0PPID0N型沟

2、道DGS(b) UGS0PPID0UGSDGS(c) UGS UPPPID0UGS图 4-2 当UDS=0时UGS对导电沟道的影响示意1. UGS对导电沟道的影响 第四章 场效应管放大电路2. ID与与UDS、UGS之间的关系之间的关系 NDGS(a) UGS0, UDG| UP|UDSIDUGSNDGSUDSUGSIDPPPPISIS(b) UGS0 , UDG| UP| 预夹断DGSUDSUGSIDPPIS(c) UGSUP , UDG| UP| 夹断图 4-3 UDS对导电沟道和ID的影响 第四章 场效应管放大电路4.1.3 特性曲线特性曲线 1.输出特性曲线输出特性曲线 常数GSUDS

3、DUfI)(iD / mA654321uDS / V048123 V2 V1VuGS0 V162024RDS小RDS大击穿区UP4 VBUDSS截止区可变电阻区恒流区(放大区)uDS uGS UP图4-4N沟道结型场效应管的输出特性 第四章 场效应管放大电路 根据工作情况, 输出特性可划分为4个区域, 即: 可变电阻区、 恒流区、击穿区和截止区。 第四章 场效应管放大电路2. 转移特性曲线转移特性曲线 常数DSUGSDUfI)(iD / mA654321uGS / VUDS 4VUP 4 V01234IDSS图4- 5 N沟道结型场效应管的转移特性曲线 21PGSDSSDUUII第四章 场效应

4、管放大电路iD / mAiD / mA665544332211uGS / VuDS / V0 UDS48 UDS124 V3 V2 V1 VUGS04321UDS UDS43UDS UDS21UP012341212图 4-6 由输出特性画转移特性第四章 场效应管放大电路4.2 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管 4.2.1 N沟道增强型沟道增强型MOS场效应管场效应管1. 结构结构 NNP 型衬底SGDSiO2铝B图 4-7 N沟道增强型MOS场效应管的结构示意图第四章 场效应管放大电路2. 工作原理工作原理 NNP 型衬底SGDUGSBUDSN 型沟道图 4-8UGSUT时形成导电沟道 第四章 场

5、效应管放大电路3. 特性曲线特性曲线 iD / mA10 A0UTuGS / VUGS UT0截止区iD / mA可变电阻区恒流区击穿区UDS UGS UT轨迹uDS / V(a) 转移特性(b) 输出特性图4 9 N沟道增强型MOS场效应管的特性曲线 第四章 场效应管放大电路4.2.2 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOS场效应管场效应管 NNP型衬底SGD掺杂在绝缘层中的正离子N型沟道衬底引线图图 4-10 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管的结构示意图管的结构示意图第四章 场效应管放大电路OUPuGSIDSS(a) 转移特性IDSS01234510153 VuDS / V(b) 输出特性2 V1 V

6、1 VUGS 0 ViDiD / mA20图图 4-11 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOS场效应管的特性曲线场效应管的特性曲线 第四章 场效应管放大电路GDS衬底(a) N沟道增强型GDS衬底(b) N沟道耗尽型GDS(c) N沟道MOS管简化符号GDS衬底(d) P沟道增强型GDS衬底(e) P沟道耗尽型GDS( f ) P沟道MOS管简化符号图图 4-12 MOS场效应管电路符号场效应管电路符号 第四章 场效应管放大电路表表4-1 各种场效应管的符号和特性曲线各种场效应管的符号和特性曲线 类型符号和极性转移特性输出特性uGSOIDSSiDUPuGSOIDSSiDUP i uDSOuG S0 V

7、1 VD2 V3 VuG S UP4 VuDSOuG S0 V1 ViD2 V3 VuG S UP4 VuDSOuG S5 ViD3 VuG S UT2 V4 VuGSiDOUTGSD+iD+GSD+iD+GSD+iD+BJFETP沟道JFETN沟道增强型N MOS第四章 场效应管放大电路uGSOiDUPIDSSiDOUTuGSuGSOIDSSiDUPuDSOuG S0 ViD2 VuG S UP4 V2 ViD5 VuG S UT3 VO uDS4 VuG S 6 V iD2 VuG S UP4 VO uDS2 VuG S 0 VGSD+iDB+GSD+iD+BGSD+iDB+耗尽型N MO

8、S增强型P MOS耗尽型P MOS表表4-1续表续表第四章 场效应管放大电路4.3 场效应管的主要参数场效应管的主要参数 4.3.1 直流参数直流参数 1. 饱和漏极电流饱和漏极电流IDSS IDSS是耗尽型和结型场效应管的一个重要参数, 它的定义是当栅源之间的电压UGS等于零, 而漏、源之间的电压UDS大于夹断电压UP时对应的漏极电流。 第四章 场效应管放大电路 2. 夹断电压夹断电压UP UP也是耗尽型和结型场效应管的重要参数, 其定义为当UDS一定时,使ID减小到某一个微小电流(如1A, 50A)时所需的UGS值。 第四章 场效应管放大电路 3. 开启电压开启电压UT UT是增强型场效应

9、管的重要参数, 它的定义是当UDS一定时, 漏极电流ID达到某一数值(例如10A)时所需加的UGS值。 第四章 场效应管放大电路 4. 直流输入电阻直流输入电阻RGS RGS是栅、源之间所加电压与产生的栅极电流之比。由于栅极几乎不索取电流, 因此输入电阻很高。 结型为106 以上, MOS管可达1010以上。 第四章 场效应管放大电路4.3.2 交流参数交流参数1. 低频跨导低频跨导gm 常数DSUGSDmUIg 跨导gm的单位是mA/V。它的值可由转移特性或输出特性求得。 )1 (2PGSPDSSGSDmUUUIUIg第四章 场效应管放大电路iD / mAiD / mAQOuGS / VUG

10、SID(a) 转移特性(b) 输出特性uDS / VOIDQUGSuDS 常数4-13 根据场效应管的特性曲线求gm 第四章 场效应管放大电路 2. 极间电容极间电容 场效应管三个电极之间的电容,包括CGS、CGD和CDS。这些极间电容愈小, 则管子的高频性能愈好。 一般为几个pF。 第四章 场效应管放大电路4.3.3 极限参数极限参数1.漏极最大允许耗散功率漏极最大允许耗散功率PDmPDm与ID、UDS有如下关系: DSDDmUIP 这部分功率将转化为热能, 使管子的温度升高。PDm决定于场效应管允许的最高温升。 2.漏、源间击穿电压漏、源间击穿电压BUDS 在场效应管输出特性曲线上, 当漏

11、极电流ID急剧上升产生雪崩击穿时的UDS。工作时外加在漏、源之间的电压不得超过此值。第四章 场效应管放大电路 3. 栅源间击穿电压栅源间击穿电压BUGS 结型场效应管正常工作时, 栅、源之间的PN结处于反向偏置状态, 若UGS过高, PN结将被击穿。 对于MOS场效应管, 由于栅极与沟道之间有一层很薄的二氧化硅绝缘层, 当UGS过高时, 可能将SiO2绝缘层击穿, 使栅极与衬底发生短路。这种击穿不同于PN结击穿, 而和电容器击穿的情况类似, 属于破坏性击穿, 即栅、 源间发生击穿, MOS管立即被损坏。 第四章 场效应管放大电路4.4 场效应管的特点场效应管的特点 (1) 场效应管是一种电压控

12、制器件, 即通过UGS来控制ID。 (2) 场效应管输入端几乎没有电流, 所以其直流输入电阻和交流输入电阻都非常高。 (3) 由于场效应管是利用多数载流子导电的, 因此, 与双极性三极管相比, 具有噪声小、受幅射的影响小、热稳定性较好而且存在零温度系数工作点等特性。 第四章 场效应管放大电路 (4) 由于场效应管的结构对称, 有时漏极和源极可以互换使用, 而各项指标基本上不受影响, 因此应用时比较方便、 灵活。 (5) 场效应管的制造工艺简单, 有利于大规模集成。 (6) 由于MOS场效应管的输入电阻可高达1015, 因此, 由外界静电感应所产生的电荷不易泄漏, 而栅极上的SiO2绝缘层又很薄

13、, 这将在栅极上产生很高的电场强度, 以致引起绝缘层击穿而损坏管子。 (7) 场效应管的跨导较小, 当组成放大电路时, 在相同的负载电阻下, 电压放大倍数比双极型三极管低。 第四章 场效应管放大电路iDOuGS零温度系数工作点T3T2T1T1 T2 T3图 4 14 场效应管的零温度系数工作点 第四章 场效应管放大电路DSGRVD1VD2图 4-15 栅极过压保护电路 第四章 场效应管放大电路4.5 场效应管放大电路场效应管放大电路 4.5.1 静态工作点与偏置电路静态工作点与偏置电路 RSC1C2RD UDDRLRGGCSDSUiIDUo图 4 16 自给偏压电路 SDGSRIU第四章 场效

14、应管放大电路1.图解法图解法)(SDDDDDSRRIUUiD / mAiD / mAACQDOOuGS / V5101520uDS / VBQ3 V2.5 V2 V1.5 V1 V0.5 VuGS0图 4 17 求自给偏压电路Q点的图解 第四章 场效应管放大电路2.计算法计算法 21PGSDSSDUUIIIDSS为饱和漏极电流,UP为夹断电压, 可由手册查出。 第四章 场效应管放大电路 【例例1】 电路如图4 - 16所示, 场效应管为3DJG, 其输出特性曲线如图4 - 18所示。已知RD=2 k, RS=1.2 k,UDD=15V, 试用图解法确定该放大器的静态工作点。 解解 写出输出回路

15、的电压电流方程, 即直流负载线方程)(SDDDDDSRRIUU设VUmAImARRUIVUDSDSDDDDDS1507 . 42 . 12150时，时，第四章 场效应管放大电路在输出特性图上将上述两点相连得直流负载线。 6420571015 uGS / V564321123456uDS / ViD / mAQuGS0 V图 4-18 图解法确定工作点(例1) 第四章 场效应管放大电路 在转移特性曲线上, 作出UGS=-IDRS的曲线。由上式可看出它在uGSiD坐标系中是一条直线, 找出两点即可。 令VUmAIUIGSDGSD6 . 3,30, 0连接该两点, 在uGSiD坐标系中得一直线, 此

16、线与转移特性曲线的交点, 即为Q点, 对应Q点的值为: VUVUmAIDSGSD7,3,5 . 2第四章 场效应管放大电路SDDDSGGSRIURRRUUU121 另一种常用的偏置电路为分压式偏置电路, 如图4 -19所示。该电路适合于增强型和耗尽型MOS管和结型场效应管。为了不使分压电阻 R1、R2 对放大电路的输入电阻影响太大, 故通过 RG 与栅极相连。 该电路栅、 源电压为第四章 场效应管放大电路RSC1C2RD UDDRLR1CSUiR2RGUo图 4-19 分压式偏置电路 第四章 场效应管放大电路 利用图解法求Q点时, 此方程的直线不通过uGSiD坐标系的原点,而是通过ID=0,

17、点, 其它过程与自偏电路相同。 DDGSURRRU121利用计算法求解时, 需联立解下面方程组22111PGSDSSDSDDDGSUUIIRIURRRU第四章 场效应管放大电路4.5.2 场效应管的微变等效电路场效应管的微变等效电路 DSDSGSDSUGSDDUGSDmDSUDSDGSUGSDDDSGSDuiruigduuiduuidiuufi1),(求微分式 定义 场效应管仅存关系: (4-13)第四章 场效应管放大电路 如果用id、ugs、uds分别表示iD、uGS、uDS的变化部分, 则式(4-13)可写为dsDgsmdurugi1PGSPDSSmUUUIg12PDSSmUIg20PGS

18、mmUUgg10第四章 场效应管放大电路4.5.3 共源极放大电路共源极放大电路 RGgmUgsR1RDRLR2UiUgsUoGSIdD图 4 20 共源极放大电路微变等效电路第四章 场效应管放大电路1. 电压放大倍数电压放大倍数(Au) LgsmoiouRUgUUUA式中, ,/LmiOuigsLDLRgUUAUURRR所以。而第四章 场效应管放大电路2. 输入电阻ri21/RRRrGi3. 输出电阻ro DoRr 第四章 场效应管放大电路4.5.4 共漏放大器共漏放大器(源极输出器源极输出器) 1. 电压放大倍数电压放大倍数(Au) iouUUA 式中, 。而LSLRRR/oigsogsiUUUUUU,所以 )(LoimoRUUgULgsmoRUgU 第四章 场效应管放大电路整理后得 1LmiLmoRgURgU于是得1LmLmuRgRgA第四章 场效应管放大电路RSRLRGUsUo R sUi(a) 电路R