《模拟电子线路》第4章-杨凌

杨凌《模拟电子线路》

第4章第4章

场效应管及其基本放大电路§4.0引言FETJFETMOSFETMOSFET在20世纪70年代和80年代导致了第二次电子革命,在这次革命中,产生了台式计算机和手持计算器.MOSFET在IC电路中占用很小的芯片面积,因而可以用来制造高密度的VLSI电路和大容量的存储器.§4.1JFET(体内场效应器件)

JFET的开发先于MOSFET,但其应用远不如MOSFET.JFET仅限于一些特殊的应用.

一、结构、符号GSDGDGSD(a)N沟道JFET(b)P沟道JFETP+P+NN+N+PSGDS图

4.1§4.1JFET图

4.2实际的N沟道JFET的结构剖面图SGN+N+P+DP+型衬底N

型导电沟道金属SiO2二、工作原理VGS＜0,VDS＞01、VGS对ID的控制作用§4.1JFET(a)

VGS(off)＜VGS＜0

(b)

VGS≤VGS(off)

SGD+VDS－

－VGS+P+P+N改变VGS的大小,可以有效地控制沟道电阻的大小.

│VGS│↑→沟道电阻↑→ID↓图

4.3+VDS－DG

－VGS+P+P+S§4.1JFET图

4.42、VDS对ID的影响

当VGD=VGS－VDS=VGS(off)时,沟道预夹断.IDSSSDG

－VGS++VDS－P+P+N(a)VDS＜VGS－VGS(off)

ID(b)VDS=VGS－VGS(off)

GD

－VGS++VDS－P+P+NSIDSS§4.1JFETVDS↑图

4.4(c)VDS＞VGS－VGS(off)

GD

－VGS++VDS－P+P+NSIDSS沟道电阻↑→

ID↓漏-源间纵向电场↑→

ID↑IDSS§4.1JFET3、几点结论:①JFET的IG≈0,故其输入电阻很高;②JFET是电压控制电流器件,ID受VGS控制;③预夹断前,ID与VDS近似成线性关系;预夹断后,ID趋于饱和.三、特性曲线ID=f(VDS)VGS=C输出特性ID=f(VGS)VDS=C转移特性§4.1JFETVGS(off)0VGS/

VID/mA(b)图

4.5截止区－2V－0.8V－0.4VVGS=0V0VDS/

VID/

mAVDS=VGS－VGS(off)(a)可变电阻区恒流区

击穿区1、可变电阻区

VGS(off)＜VGS＜0,VDS＜VGS－VGS(off)

VGS→Ron,│VGS│↑→Ron↑§4.1JFET2、恒流区(饱和区、线性放大区)

VGS(off)≤VGS≤0,VDS≥VGS－VGS(off)

vGS

iD=IDSS(1－)2

(

4-1)VGS(off)3、截止区

VGS＜VGS(off),ID=04、击穿区

VDS

↑雪崩击穿ID

↑VGS

↑V(BR)DSO

↓V(BR)DSO§4.1JFET四、主要参数

1、夹断电压VGS(off)2、饱和漏电流IDSS3、最大漏源电压V(BR)DSO4、最大栅源电压V(BR)GSO5、直流输入电阻RGS(106～109Ω)6、低频互导(跨导)gm:表征FET放大能力的重要参数

△iD

gm=

(

4-2)

△vGSVDS

diD

2IDSSVGSQ2IDSS

IDQgm==－1－=－(4-3)

dvGSVGS(off)VGS(off)VGS(off)

IDSSQ§4.1JFET7、输出电阻rds(一般在几十千欧到几百千欧之间)8、最大耗散功率PDM

PDM=

VDSID9、极间电容CgsCgd

△vDSrds=

(

4-4)

△iDVGSVArds=

(

4-5)IDQ§4.2MOSFET(表面场效应器件)MOSFET与BJT相比,体积小、输入电阻高、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强,因此在近代微电子学中得到了广泛应用,尤其在集成电路技术中占有非常重要的地位.MOSFET中的电流由电场控制,电场与半导体表面和电流的方向垂直.利用与半导体表面垂直的电场控制半导体的电导率或控制半导体中的电流,这种现象称为场效应.一、分类MOSEMOSDMOSN沟道P沟道N沟道P沟道§4.2.1增强型MOSFET二、结构、符号(EMOSN沟道)DSGDBWLPP+P+N+N+金属SiO2BGS图

4.6三、工作原理§4.2.1增强型MOSFET1、导电沟道的形成原理(VB=VS)(a)VGS=0,没有导电沟道PN+SGDP+N+VGS－+PN+SGDP+N+(b)VGS＞VGS(th)

,形成N型导电沟道图

4.7当VGS＞VGS(th)时,导电沟道形成.VGS(th)─开启电压.§4.2.1增强型MOSFET2、VDS对沟道导电能力的控制

vGS－+PN+SGDP+N+(a)VGS＞VGS(th),0＜VDS＜VGS－VGS(th)－+

vDS－+

vDS

vGS－+PN+SGDP+N+(b)VGS＞VGS(th),VDS=VGS－VGS(th)A

当VGD=VGS(th)时,即当VDS=VGS－VGS(th)时,

沟道被夹断.当VDS＞VGS－VGS(th)时,ID趋于饱和.VGD=VGS－VDS图

4.8§4.2.1增强型MOSFET四、特性曲线0VDS=5VVDS=15VVGS/

VID/mA(b)ID=f(VGS)VDS=CVGS=5.5VVDS/

V5V3.5V4V4.5V0ID

/

mAVDS=VGS－VGS(th)(a)ID=f(VDS)VGS=C1、2、图

4.9§4.2.1增强型MOSFET1、可变电阻区

VGS＞VGS(th),VDS＜VGS－VGS(th)

VGS↓→Ron↑(4-6)(4-7)vDS↓↓§4.2.1增强型MOSFET2、恒流区(放大区、饱和区)

VGS＞VGS(th),VDS＞VGS－VGS(th)

3、截止区

VGS＜VGS(th),

ID=0.4、击穿区

VGS＞VGS(th),VDS＞VGS－VGS(th)

μnCOXWiD=·(vGS－VGS(th))2

(4-8)2L(4-9)§4.2.1增强型MOSFET(1)VDS↑→漏区与衬底间的PN结发生雪崩击穿→ID↑.(2)VGS↑→SiO2绝缘层击穿,

造成器件永久损坏,为了防止这种破坏性击穿,常在栅极加保护二极管,如图4.10所示.

DZ1GTSDZ2D图

4.10五、主要参数与JFET基本相同,注意VGS(th)与VGS(off)的区别以及gm的不同.§4.2.1增强型MOSFET六、P沟道EMOSDSWlNN+N+P+P+BSGD金属SiO2BGIDVGS＜0VDS＜0VB=Vmax图

4.11

diDμnCoxW

2μnCoxWgm==(vGS－VGS(th))=IDQ

(4-10)

dvGSL

LQ§4.2.2耗尽型MOSFET一、结构、符号图

4.12DBGSSGDBWPP+P+N+金属SiO2N+VGS=0时,便存在原始沟道,VGS可正、可负、可为零.§4.2.2耗尽型MOSFET二、特性曲线VGS/

V图

4.130ID/mA(b)VDS/

V－1V－0.5V0V－1.5V0.5V1VID/

mA0VDS=VGS－VGS(off)(a)图

4.14EPMOSVGS(off)－2

2

4－3

1

3－4

0

2－5

－1

1－6

－2

0ENMOSDNMOSJFET(N)VDS/

V

0

2

6－1

1

5－204－3

－1

3－4

－2

2ID/

mA0VGS/V(b)EPMOSDPMOSJFET(P)可变电阻区ID/mADPMOSVGS(th)JFET(N)DNMOSVGS/

V0(a)ENMOSJFET(P)一、§4.3各种FET的比较

二、使用注意事项

1、VB

N沟道:接低电位;P沟道:接高电位.VB=VS

2、DS,若VB=VS,

则

DS.3、保存:JFET可在开路状态下存放,但使用时VGS不能接反;MOSFET存放时须将各电极短路,以免外电场作用而使管子损坏.4、焊接时,电烙铁必须有外接地线,以屏蔽交流电场,防止损坏管子.特别是焊接MOSFET时,最好断电后再焊接.§4.3各种FET的比较

一、低频模型§4.4小信号电路模型

rgsgsd+Vds－+Vgs－gmVgsrds··Id··图

4.15

vGS=VGSQ+vgsiG=0

vDS=VDSQ+vdsiD=IDQ+idiDiDiD=f(vGS,vDS)=IDQ+vgs+vds+…

vGSQvDSQiddbgs§4.4小信号电路模型

1id≈gmvgs+vdsrds1Id≈gmVgs+Vdsrds···二、高频模型+Vds－CgsCgdsdCdsrdsrgs+Vgs－gmVgsg图4.16···Id·§4.5场效应管放大电路

基本场效应管放大电路有共源、共漏、共栅三种组态,分别与BJT的共射、共集、共基组态相对应.§3.5.1FET的直流偏置电路及静态分析RDRST

(a)自偏压+VDDRGRG

(b)零偏压RDT+VDD

(c)分压式自偏压TRG3RG2VGQRDRG1+VDDRSIDQ图4.17§4.5.1FET的直流偏置电路及静态分析

【例4-1】在图4.18所示电路中,已知RG1=2MΩ,RG2=47kΩ,

RS=2kΩ,RD=30kΩ,VDD=18V;设IDSS=0.5mA,VGS(off)=－1V.

试确定Q点.【解】RG3VGQTRG2图4.18RDRG1+VDDRSIDQRG247VG=

VDD=×18≈0.41V

RG1+RG22000+47VS=IDRS=2IDVGS=VG－VS=(0.41－2ID)V假设JFET工作在放大区,则有:§4.5.1FET的直流偏置电路及静态分析VGS

ID=IDSS(1－)2

VGS(off)VGS=(0.41－2ID)VIDSS=0.5mA,VGS(off)=－1VID=(0.96±0.65)mA

得:IDQ=0.31mA进而求得:VDSQ=VDD－IDQ(RD+RS)=18－0.31×(30+2)≈8.1VVGSQ=0.41－2IDQ=0.41－2×0.31=－0.21V

由上述结果可知:

VGS＞VGS(off),VDS＞VGS－VGS(off),

所以,该晶体管确实处在放大区,上述计算结果有效.§4.5.2FET放大电路一、共源放大器

1、基本共源放大器图4.19CSTRG3+vo－RLRDRG1+VDDRG2RS+

vi－C1C2(a)dsgTRG2RG3RDRG1RL+vi

－+vo

－(b)§4.5.2FET放大电路gsgmVgsRG3+Vgs－RG2RoRi图4.19(c)RDRG1RL+Vi

－rdsd···+Vo

－·Ri=RG3+RG1∥RG2(

4-11)Ro=RD∥rds≈RD(

4-12)

Av

=－gm(rds∥RD∥RL)=－

gmRL′

(

4-13)·§4.5.2FET放大电路2、带源极电阻的共源放大器(b)TRS2RG3CS+vo－RLRS1RG2RDRG1+VDD+vi－C1C2(a)+vo－RG2RG3TdsgRDRG1RL+vi－RS1图4.20g§4.5.2FET放大电路Ri=RG3+RG1∥RG2(

4-14)Ro≈RD(

4-15)

gmRL′Av=－(

4-16)1+gmRS1·d·gmVgsRosRiRG2RG3RDRG1RL+Vgs－RS1+

Vo－+Vi－···图3.20(c)§4.5.2FET放大电路二、共漏放大器(源极跟随器)图

4.21TRLRG3RG1+VDDRG2RS+

vi－+vo－C2C1(a)Td+vi－(b)RSRG3RLgs+vo－RG1RG2§4.5.2FET放大电路·rds+Vgs－RG2RG1gmVgsRoRSRG3RLgds+Vi－Ri+Vo－···图

4.21(c)Vi=Vgs+Vo=(1+gmRL′)Vgs····Vo=gmVgs(rds∥RD∥RL)=gmVgsRL′···

gmRL′Av=

(

4-17)

1+gmRL′·Av≈

1·§4.5.2FET放大电路Ri=RG3+RG1∥RG2(

4-18)

·VTIT=

－

gmVgsRS··VT=－

Vgs···VT1Ro=

=

RS∥ITgm·(

4-19)

图

4.21(d)+Vgs－+VT－RG1RG2gmVgsRoRSRG3gdsRs··IT··§4.5.2FET放大电路

图

4.22三、共栅放大器(b)(a)CGC1T+vs

－+vo－RLRG2RDRG1+VDDRSRsC2+vo－+vi－RS+vs

－RsRDRLgds§4.5.2FET放大电路d·(c)+Vo－gmVgsRDRSRLgs+Vi－RiRi′··+VT－Rs·gmVgsRoRDRSgdsIT··1Ri=RS∥Ri′=RS∥(

4-21)gmRo≈RD

(

4-22)Av=gmRL′=gm(RD∥RL)(

4-20)·(d)图

4.22§4.5.2FET放大电路四、小结

1、FET三种基本组态放大器的性能特点与BJT放大器相似;2、ig=0,对共源和共漏放大器,

Ri′→∞，Ai→∞;3、在相同静态电流下,gm(FET)＜＜gm(BJT)

gm(FET)∝IDQ,gm(BJT)∝ICQ

所以,Av(CS、CG)＜＜Av(CE、CB)Ri′(CG)＞＞Ri(CB),Ro(CD)＞＞Ro(CC)··章末总结与习题讨论

一、本章小结

1、熟悉FET的分类、结构、符号、工作原理,掌握FET的特性曲线及工作特点;2、了解FET放大器的常用偏置电路;3、掌握FET的小信号电路模型;4、熟悉FET放大器的三种基本组态电路,

并与BJT三种基本组态电路相比较.

二、习题讨论

【例4-2】电路如图4.23所示,试确定电压增益Av和输入电阻Ri·章末总结与习题讨论

输出电阻Ro.假设晶体管T1

的参数gm已知且rds=∞;晶体管T2的参数β、rbe已知.

【解】:T1—CD;T2—CE.RLCE+VDDvoT2图

4.23RCT1RERGC1viAv

=Av1

Av2···

gmRL1′gmrbeAv1==

1+gmRL1′1+gmrbe·

β(RC∥RL)Av2=－

rbe·Ri

=Ri1

≈RGRo

=Ro2

≈RCC2章末总结与习题讨论【例4-3】电路如图4.24(a)所示,试确定电压增益Av.假设晶体管T1和T2的参数如下:gm=1mS,rbb′=300Ω,VBE=0.65V,