第三章模拟集成电路.pptx

《第三章模拟集成电路.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第三章模拟集成电路.pptx（51页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第一节第一节 MOSMOS场效应极管场效应极管场效应管场效应管：是仅由一种载流子参与导电的半导体器件，：是仅由一种载流子参与导电的半导体器件，是以输入电压控制输出电流的的半导体器件。是以输入电压控制输出电流的的半导体器件。1.1.根据载流子来划分：根据载流子来划分：N N沟道沟道器件：电子作为载流子的。器件：电子作为载流子的。P P沟道沟道器件：空穴作为载流子的。器件：空穴作为载流子的。2.2.根据根据结构来划分：结型场效应管JFET：绝缘栅型场效应管IGFET：第1页/共51页(一)增强型增强型MOSFET结构N沟道增强型MOSFET 的结构如图：D为漏极，相当C；G为栅极，相当B；S为源极

2、，相当E。一、N沟道沟道增强型增强型MOSMOS场效应管的工作原理场效应管的工作原理绝缘栅型场效应管MOSFET分为：增强型 N沟道、P沟道 耗尽型 N沟道、P沟道N沟道增强型 MOSFET结构示意图栅压为零时有沟道栅压为零时无沟道P型硅作衬底浓度较低引出电极B在在P P型衬底上生成型衬底上生成S Si iO O2 2薄膜绝缘层薄膜绝缘层引出电极G极用光刻工艺扩散两用光刻工艺扩散两个高掺杂的个高掺杂的N N型区，型区，从从N N型区引出电极：型区引出电极：S极和D极第2页/共51页由于BS短接,G与衬底B间产生电场，电子被正极板吸引,空穴被排斥，出现了一薄层负离子的耗尽层。耗尽层中的少子电子，

3、将向表层运动，但数量有限，不足以形成沟道，所以仍不能形成漏极电流ID。1栅源电压UGS的控制作用漏源之间相当两个背靠背的 二极管，在D、S之间加上电压不会在D、S间形成电流。即:ID=0（二）工作原理(1).当UGS=0V时:(2).0UGSUT时:第3页/共51页(3).当UGS=UT:(UT 称为开启电压)1.在UGS=0V时ID=0;2.只有当UGSUT后才会出现漏极电流，这种MOS管称为增强型增强型MOS管管。出现反型层,与N形成一体,形成导电沟道;当UDS0时:D 沟道 S之间形成漏极电流。(4).当UGS UT:(UT 称为开启电压)随着UGS的继续增加，沟道加厚，沟道电阻，ID将

4、不断（续）工作原理结结 论论第4页/共51页(1).转移特性曲线的斜率gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。(2).gm 的量纲为mA/V，所以gm也称为跨导。跨导的定义式如下：图03.14 转移特性曲线gm=ID/UGS UDS=const (单位mA/V)（三）特性曲线UGS对ID的控制关系可用如下曲线描述，称为转移特性曲线转移特性曲线ID=f(UGS)UDS=const1.转移特性曲线如图：第5页/共51页(1).UGS0随UGS 沟道加厚沟道电阻 ID UDS正向减小，曲线右移，但UDS不同的曲线差别很小在恒流区转移特性曲线中转移特性曲线中ID 与与UDS的关系为：的关系为：I

5、D=K(UGS-UT)2 ;式中K为导电因子ID=(UGS-UT)2 n COXW/2L短沟道时：ID=K(UGS-UT)2(1+UDS)第6页/共51页且UGS固定为某一很小值时：UDS与漏极电流ID之间呈线性关系。图03.15(a)漏源电压UDS对沟道的影响(动画2-5)2 2输出特性曲线 此时有如下关系:（1）可变电阻区UGSUT:反映了漏源电压UDS对漏极电流ID的控制作用：ID=f(UDS)UGS=constID=K(UGS-UT)2UDS 由上式可知:UGS一定恒流区内：Ron=dUDS/dID|dUGS=0 Ron=L/n COXW(UGS-UT)1.UGS恒定时近似为常数。2.

6、Ron随UGS而变化，故称可变电阻区。第7页/共51页图03.16 漏极输出特性曲线第8页/共51页 当UDS=UGS-UT时:(由于的存在，导电沟道不均匀)此时漏极端的导电沟道将开始消失（称预夹断）(2)恒流区：UDS=0或较小时:(即UGDUT)当当U UGSGS一定时：一定时：I ID D随随U UDSDS基本不变，基本不变，I ID D恒定称恒流区。恒定称恒流区。当UDS UGS-UT时:随UDS 夹断点向移动，耗尽层的电阻很高（高于沟道电阻）所以新增UDS几乎全部降在耗尽层两端，ID不随UDS而变。(3)击穿区：当UDS 增加到某一临界值时，ID （急剧）即D与衬底之间击穿。第9页/

7、共51页漏源电压UDS对沟道的影响图03.16 漏极输出特性曲线当当U UGSGSU UT T，且固定为某一值时，且固定为某一值时:UDS对ID的影响的关系曲线称为漏极输出特性曲线。第10页/共51页U UGSGS0 0时；时；随着随着U UGSGS的减小漏极电流逐渐减小，的减小漏极电流逐渐减小，直至直至I ID D=0=0。对应。对应I ID D=0=0的的U UGSGS称为夹断称为夹断 电压，用符号电压，用符号U UGS(off)GS(off)表示，有时也用表示，有时也用U UP P表表示。示。N N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFETMOSFET的结构和符号如图所示，的结构和符号如图所示，(

8、二二)N N沟沟 道道 耗耗 尽尽 型型M MO OS SF FE ET T当当U UGSGS=0=0时；时；正离子已感应出反型层，在漏正离子已感应出反型层，在漏 源之间形成了沟道。只要有漏源之间形成了沟道。只要有漏 源电压，就有漏极电流存在源电压，就有漏极电流存在。(a)结构示意图在栅极下方的在栅极下方的SiO2SiO2绝缘层中掺入了大绝缘层中掺入了大量的金属正离子。量的金属正离子。当当U UGSGS0 0时；时；将使将使I ID D进一步增加。进一步增加。第11页/共51页图03.17 N沟道耗尽型MOSFET的结构和转移特性曲线N N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFETMOSFET的转移特性

9、曲线的转移特性曲线:如图所示如图所示第12页/共51页N N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFETMOSFET的输出特性曲线的输出特性曲线:图03.18N沟道耗尽型的输出特性曲线第13页/共51页P沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完全相同。区别是导电的载流子不同，供电电压极性不同。同双极型三极管有NPN型和PNP型一样。(三三)P沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET第14页/共51页场效应管的特性曲线类型比较多，根据导电沟道不同，以及增强型还是耗尽型,可有四种转移特性曲线和输出特性曲线，其电压和电流方向也有所不同。如果按统一规定正方向，特性曲线就要画在不同的象限。为便于绘制，将P沟道管子的

10、正方向反过来设定。有关曲线绘于下图之中。2.2.伏安特性曲线伏安特性曲线第15页/共51页 图03.18 各类绝缘栅场效应三极管的特性曲线绝绝缘缘栅栅场场效效应应管管N沟道增强型P沟道增强型第16页/共51页绝绝缘缘栅栅场场效效应应管管 N沟道耗尽型P 沟道耗尽型第17页/共51页结结型型场场效效应应管管 N沟道耗尽型P沟道耗尽型第18页/共51页第二节第二节 结型场效应三极管结型场效应三极管JFET的结构与MOSFET相似，工作机理也相同。如图:在N型半导体硅片的两侧各制造一个PN结，形成两个PN结夹一个N型沟道的结构。P区即为栅极;N型硅的一端是漏极;另一端是源极。图03.19 结型场效应

11、三极管的结构一一.结型场效应三极管的结构结型场效应三极管的结构:栅极漏极源极第19页/共51页 二二.结型场效应三极管的工作原结型场效应三极管的工作原理理结型场效应管没有绝缘层，只能工作反偏的条件下。N沟道结型场效应三极管只能工作在负栅压区。P沟道的只能工作在正栅压区，否则将会出现栅流。现以N沟道为例说明其工作原理。第20页/共51页 栅源电压对沟道的控制作栅源电压对沟道的控制作用用4.当漏极电流为零时所对应的栅源电压UGS称为夹断电压UP、这一过程如图02.20所示。1.当UGS=0时:耗尽层、沟道宽，沟道电阻小，N区电子随UDS ，产生 ID并。2.当UGS0时（即负压）时:PN结反偏，形

12、成耗尽层，漏源间的沟道将变窄，ID将减小。3.当UGS继续减小（即负压 ）：沟道继续变窄，并在极附近耗尽层相遇，称预夹断，ID继续减小直至为0。第21页/共51页图02.21 漏源电压对沟道的控制作用第22页/共51页 漏源电压对沟道的控制作用漏源电压对沟道的控制作用当UDS增加到使UGD=UGS-UDS=UGS(off)时；在紧靠漏极处出现预夹断，所示。当UDS继续增加；漏极处的夹断继续向源极方向生长延长。以上过程与绝缘栅场效应管十分相似，见图03.15。当UGSUGS(off)；若漏源电压UDS从零开始增加，则UGD=UGS-UDS将随 之减小。使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，从 左至

13、右呈楔形分布，所示。第23页/共51页(三三)结型场效应三极管的特性曲线结型场效应三极管的特性曲线它与MOSFET的特性曲线基本相同，只不过MOSFET的栅压可正可负，而结型场效应三极管的栅压只能是P沟道的为正或N沟道的为负。JFET的特性曲线有两条：转移特性曲线：输出特性：第24页/共51页第三节第三节 场效应管的主要参数和微变等效电路场效应管的主要参数和微变等效电路 一一 场效应管的直流参数场效应管的直流参数 二二 场效应管的微变参数场效应管的微变参数 三三 场效应管的型号场效应管的型号 四四 场效应管的微变等效电路场效应管的微变等效电路第25页/共51页 开启电压是MOS增强型管的参数，

14、栅源电压小于开启电的绝对值,场效应管不能导通(即IG=0)。夹断电压是耗尽型FET的参数，当漏极电流为零时,UGS=U P耗尽型场效应三极管当UGS=0时所对应的漏极电流。一一 场效应三极管的直流参数场效应三极管的直流参数开启电压 UT夹断电压UP饱和漏极电流IDSS 场效应管栅源输入电阻RGS：栅源间加固定电压UGS栅极电流IGS之比，输入电阻的典型值:结型场效应管，反偏时RGS约大于107，绝缘栅场效应管RGS约是1091015。漏源、栅源击穿电压BUDS、B UGS第26页/共51页低频跨导gm 低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用，gm可以在转 移 特性曲线上求取，单位是mA/V或m

15、S(毫西门子)。二二 场效应管的微变参数场效应管的微变参数(1).图解法求解：在曲线上作切线，其斜率为gm第27页/共51页(2).解析法求解：增强型MOSFET:gm=1/Ron耗尽型MOSFET:gm=-(1-UGS/Up)2 IDSS/Up衬底跨导gmb 漏极电阻rdS：可在输出特性曲线上求解第28页/共51页导通电阻Ron：极间电容:包括CgS、Cgd、Cgb、Csd、Csb、Cdb。在恒流区：下表列出了MOS管参数第29页/共51页表表3-2 3-2 常用场效应三极管的参数常用场效应三极管的参数第30页/共51页 三三 场效应管的微变等效电路场效应管的微变等效电路1.1.低频等效电路

16、：低频等效电路：Ugs+-gm Ugs1/gds+-Ugs+IdFET低频微变等效电路（dUBS=0）第31页/共51页2.2.高频等效电路：高频等效电路：FET高频微变等效电路（dUBS=0）UgsGSgm Ugs1/gds DSUgsIdCdsCgs第32页/共51页双极型和场效应型三极管的比较双极型和场效应型三极管的比较第33页/共51页双极型和场效应型三极管的比较双极型和场效应型三极管的比较(续续)第34页/共51页第四节第四节 场效应管的基本放大电路场效应管的基本放大电路一一 场效应管的偏置电路场效应管的偏置电路二二 外加偏置电路外加偏置电路三三 三种基本放大电路三种基本放大电路四四

17、 三种接法基本放大电路的比较三种接法基本放大电路的比较第35页/共51页一一 场效应管的偏置电路场效应管的偏置电路（一）自给偏置电路：(1).UGS=0时：IS=IDRS两端电压为：US=IS RS(2).由于 IG=0;UG=0:UGS=-IS RS=-ID RS 由此构成支流偏压，所以称为自给偏压式。由此构成支流偏压，所以称为自给偏压式。1.基本型自给偏置电路：基本型自给偏置电路第36页/共51页2 2.改进型自给偏置电路改进型自给偏置电路：(1).由R1=R2分压，给RG一个固定偏压。RG很大以减小对输入电阻的影响。(2).对于耗尽型FET：UGS=EDR2/(R1+R2)-ID RS

18、此时：RS大Q点不会低。改进型自给偏置电路改进型自给偏置电路ID=IDSS1(UGS/Up)2第37页/共51页（二）外加偏置电路：（二）外加偏置电路：外加偏置电路外加偏置电路对于增强型MOSFET:UGS=0时：ID=0(1).此时靠外加偏压：UGS=EDRL/(R1+R2)(2).改进型外加偏压：UGS=EDRL/(R1+R2)-ID RS对于JFET,须保证|US|US|时，放大器具有正确的偏压。耗尽型以自给偏压为主第38页/共51页二 三种基本放大电路结型共源放大器电路结型共源放大器电路电压增益为:1.未接CS时:等效电路如图:一般 rds RD RL RS;rds可忽略.（一）（一）

19、共源组态基本放大器共源组态基本放大器第39页/共51页放大器的输入电阻为:放大器的输出电阻为:ri=RG+(R1/R2)RGro RD2.接入CS时:Ugs-gm Ugsrds+-Uo+GUiRDRLR1RGR2SDri ro AU -gm RDri=RG+(R1/R2)RGro=RD/rds RD第40页/共51页结型共漏放大器电路结型共漏放大器电路电压增益为:其等效电路如图:（二）（二）共漏组态基本放大器共漏组态基本放大器共漏放大器电路如图:ri=RG输入电阻为:式中:Rs=rds/Rs/RL Rs/RL 1第41页/共51页求输入电阻:1.画等效电路：令Ui=0、RL开路；在输出端加测试

20、电压Uot2.求输入电阻:Ugs=-Uot ;Iot=Uot(1/Rs+gm)根据输出电阻的定义：ro=Uot/Iot=Rs/（1/gm）第42页/共51页（三）（三）共栅组态基本放大器共栅组态基本放大器其等效电路如图:共栅放大器电路如图:-+-Uo+GUiRDRLRsSDED3-24.共栅放大器共栅放大器典型电路电压增益为:式中:RD=RD/RL3-22.共栅放大器共栅放大器等效电路电路(电流源电流源)3-22.共栅放大器共栅放大器等效电路电路(电压源电压源)第43页/共51页ri=Rs/ri输入电阻为:-gm rds Uirds+-Uo+GUiRDRsSDId+-3-22.共栅放大器共栅放

21、大器等效电路电路(电压源电压源)ririri=Ui/Id 1/gm当rds RD,gm rds 1时：所以：ri Rs/（1/gm）输出电阻为:ro RD/rds RDro第44页/共51页表表3-3 FET 3-3 FET 三种组态性能比较三种组态性能比较第45页/共51页一一 共源组态基本放大电路共源组态基本放大电路场效应管共源基本放大电路，可与共射组态的晶体管放大电路相对应。区别是场效应三极管是电压控制电流源，即VCCS。图 03.28结型共源组态接法基本放大电路第46页/共51页(1)(1)直流分析直流分析共源基本放大电路的直流通道画出,如图03.2903.29所示。03.29 共源基

22、本放大 电路的直流通道则JFET和MOSFET的直流通道和交流通道是一样的。图中R1、R2是栅极偏置电阻，Rs是源极电阻，Rd是漏极负载电阻。与共射基本放大电路的Rb1、Rb2，Re和Rc分别一一对应。结型场效应管栅源PN结是反偏工作，无栅流。第47页/共51页UG=UDDR2/(R1+R2)UGS=UGUS=UGIDR ID=IDSS1(UGS/Up)2 UDS=UDDID(Rd+R)03.29 共源基本放大 电路的直流通道根据图03.29可写出下列方程：于是可以解出UGS、ID和UDS。第48页/共51页二二 共漏组态基本放大电路共漏组态基本放大电路图 03.32 03.32 共漏组态放大电路 03.33 03.33 直流通道其直流工作状态和动态分析如下。共漏组态基本放大电路的直流通道画于图3.333.33，于是有：UG=UDDRg2/(Rg1+Rg2)UGS=UGUS=UGIDR ID=IDSS1(UGS/Up)2 UDS=UDDIDR(1)(1)直流分析直流分析第49页/共51页三三 共栅组态基本放大电路共栅组态基本放大电路(1)(1)直流分析直流分析 与共源组态放大电路相同。图 03.36共栅组态放大电路 图 03.36共栅组态放大电路 共栅组态放大电路第50页/共51页感谢您的观看！第51页/共51页