场效应管放大电路 (2).ppt

《场效应管放大电路 (2).ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《场效应管放大电路 (2).ppt（56页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路 教学基本要求教学基本要求 熟悉场效应管的结构、工作原理及其特性曲线，熟悉场效应管的结构、工作原理及其特性曲线，掌握场效应管的特点，掌握场效应管的分析方法。了掌握场效应管的特点，掌握场效应管的分析方法。了解场效应管的参数。解场效应管的参数。场效应管场效应管只只有有一一种种载载流流子子参参与与导导电电，且且利利用用电电场场效效应应来来控控制制电流的三极管，称为电流的三极管，称为场效应管场效应管，也称，也称单极型三极管。单极型三极管。场效应管分类场效应管分类结型结型场效应管（场效应管（JFET）绝缘栅场效应管（绝缘栅场效应管（MOSFET）特点特点单极

2、型器件单极型器件(一种载流子导电一种载流子导电)；输入电阻高；输入电阻高；工工艺艺简简单单、易易集集成成、功功耗耗小小、体体积积小小、成本低。成本低。4.1 结型场效应管结型场效应管4.2 绝缘栅场效应绝缘栅场效应管管 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 DSGN符符号号4.1结型场效应管结型场效应管4.1.1结构结构图图4-1（a）N沟道结型场效应管结构图沟道结型场效应管结构图N型型沟沟道道N型硅棒型硅棒栅极栅极源极源极漏极漏极P+P+P型区型区耗尽层耗尽层(PN结结)在在漏漏极极和和源源极极之之间间加

3、加上上一一个个正正向向电电压压，N型型半半导导体体中中多多数数载载流流子子电电子子可可以导电。以导电。导导电电沟沟道道是是N型型的的，称称N沟道结型场效应管沟道结型场效应管。P沟道场效应管沟道场效应管图图4-1（b）P沟道结型场效应管结构图沟道结型场效应管结构图N+N+P型型沟沟道道GSDP沟沟道道场场效效应应管管是是在在P型型硅硅棒棒的的两两侧侧做做成成高高掺掺杂杂的的N型型区区(N+)，导导电电沟沟道道为为P型型，多多数数载载流流子子为为空穴。空穴。符号符号GDS4.1.2工作原理工作原理N沟沟道道结结型型场场效效应应管管用用改改变变UGS大大小小来来控控制制漏漏极极电电流流ID的。的。G

4、DSNN型型沟沟道道栅极栅极源极源极漏极漏极P+P+耗尽层耗尽层*在在栅栅极极和和源源极极之之间间加加反反向向电电压压，耗耗尽尽层层会会变变宽宽，导导电电沟沟道道宽宽度度减减小小，使使沟沟道道本本身身的的电电阻阻值值增增大大，漏漏极极电电流流ID减减小小，反反之之，漏极漏极ID电流将增加。电流将增加。*耗耗尽尽层层的的宽宽度度改改变变主要在沟道区。主要在沟道区。1.设设UDS=0，在在栅栅源源之之间间加加负负电电源源UGS，改改变变UGS大小。观察耗尽层的变化。大小。观察耗尽层的变化。ID=0GDSN型型沟沟道道P+P+(a)UGS=0UGS=0时时，耗耗尽尽层层比比较较窄窄，导电沟比较宽导电

5、沟比较宽UGS由由零零逐逐渐渐增增大大，耗耗尽尽层层逐逐渐渐加加宽宽，导导电沟相应变窄。电沟相应变窄。当当UGS=UP，耗耗尽尽层层合合拢拢，导导电电沟沟被被夹夹断断，夹夹断断电电压压UP为负值。为负值。ID=0GDSP+P+N型型沟沟道道(b)UGS0，在在栅栅源源间间加加负负电电源源UGS，观察，观察UGS变化时耗尽层和漏极变化时耗尽层和漏极ID。UGS=0，UDG，ID较大。较大。GDSP+NISIDP+P+UDSUGS UGS0，UDG0时，耗尽层呈现楔形。时，耗尽层呈现楔形。(a)(b)图图4-3 UDS对导电沟道的影响对导电沟道的影响GDSP+NISIDP+P+UDSUGSUGS|

6、UP|,ID 0,夹断夹断GDSISIDP+UDSUGSP+P+(1)改改变变UGS,改改变变了了PN结结中中电电场场，控控制制了了ID，故故称称场场效效应应管管；(2)结结型型场场效效应应管管栅栅源源之之间间加加反反向向偏偏置置电电压压，使使PN反反偏偏，栅栅极极基本不取电流，因此，场效应管输入电阻很高。基本不取电流，因此，场效应管输入电阻很高。(c)(d)图图4-3 UDS对导电沟道的影响对导电沟道的影响4.1.3特性曲线特性曲线1.转移特性转移特性(N沟道结型场效应管为例沟道结型场效应管为例)O UGSIDIDSSUP图图4-4（b）转移特性）转移特性UGS=0，ID最大；最大；UGS愈

7、负，愈负，ID愈小；愈小；UGS=UP，ID 0。两个重要参数两个重要参数饱和漏极电流饱和漏极电流 IDSS(UGS=0时的时的ID)夹断电压夹断电压UP(ID=0时的时的UGS)UDSIDUDDUGSDSGV+V+UGS图图4-4（a）特性曲线测试电路）特性曲线测试电路+mA1.转移特性转移特性O uGS/VID/mAIDSSUP图图4-4（b）转移特性）转移特性2.输出特性输出特性当当栅栅源源之之间间的的电电压压UGS不不变变时时，漏漏极极电电流流ID与与漏漏源源之间电压之间电压UDS的关系，即的关系，即结结型型场场效效应应管管转转移移特特性曲线的近似公式：性曲线的近似公式：IDSS/VI

8、D/mAUDS/VOUGS=0V-1-2-3-4-5-6-7预夹断轨迹预夹断轨迹恒流区恒流区击穿区击穿区可变可变电阻区电阻区输输出出特特性性也也有有四四个个区区：可可变变电电阻阻区区、恒恒流流区区和和截截止止区、击穿区。区、击穿区。2.输出特性输出特性UDSIDUDDVGGDSGV+V+UGS图图4-5（a）特性曲线测试电路）特性曲线测试电路+mA图图4-5(b)输出特性输出特性截止区截止区场场效效应应管管的的两两组组特特性性曲曲线线之之间间互互相相联联系系，可可根根据据输输出出特性用作图的方法得到相应的转移特性。特性用作图的方法得到相应的转移特性。UDS=常数常数ID/mA0 0.5 1 1

9、.5UGS/VUDS=15V5ID/mAUDS/V0UGS=0 0.4V 0.8V 1.2V 1.6V10 15 20250.10.20.30.40.5结结型型场场效效应应管管栅栅极极基基本本不不取取电电流流，其其输输入入电电阻阻很很高高，可可达达107 以以上上。如如希希望望得得到到更更高高的的输输入入电电阻阻，可可采采用用绝绝缘栅场效应管。缘栅场效应管。图图4-6在输出特性上用作图法求转移特性在输出特性上用作图法求转移特性4.2绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管由由金金属属、氧氧化化物物和和半半导导体体制制成成。称称为为金金属属-氧氧化化物物-半导体场效应管半导体场效应管，或简称，或简称MO

10、S场效应管场效应管。特点：输入电阻可达特点：输入电阻可达109 以上。以上。类型类型N沟道沟道P沟道沟道增强型增强型耗尽型耗尽型增强型增强型耗尽型耗尽型UGS=0时漏源间存在导电沟道称时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管；耗尽型场效应管；UGS=0时漏源间不存在导电沟道称时漏源间不存在导电沟道称增强型场效应管。增强型场效应管。4.2.1N沟道增强型沟道增强型MOS场效应管场效应管1.结构结构P型衬底型衬底N+N+BGSDSiO2源极源极S漏极漏极D衬底引线衬底引线B栅极栅极G图图4-7N沟道增强型沟道增强型MOS场效应管的结构示意图场效应管的结构示意图2.工作原理工作原理绝绝缘缘栅栅场场效效应

11、应管管利利用用UGS来来控控制制“感感应应电电荷荷”的的多多少少，改改变变由由这这些些“感感应应电电荷荷”形形成成的的导导电电沟沟道道的的状状况况，以以控制漏极电流控制漏极电流ID。工作原理分析工作原理分析(1)UGS=0漏漏源源之之间间相相当当于于两两个个背背靠靠背背的的PN结结，无无论论漏漏源源之之间间加加何何种极性电压，种极性电压，总是不导电总是不导电。SBD图图4-8(2)UDS=0，0UGSUT)导导电电沟沟道道呈呈现现一一个个楔楔形形。漏极形成电流漏极形成电流ID。b.UDS=UGSUT，UGD=UT靠靠近近漏漏极极沟沟道道达达到到临临界界开开启程度，出现预夹断。启程度，出现预夹断

12、。c.UDSUGSUT，UGDUT由由于于夹夹断断区区的的沟沟道道电电阻阻很很大大，UDS逐逐渐渐增增大大时时，导导电电沟道两端电压基本不变，沟道两端电压基本不变，ID因而基本不变。因而基本不变。a.UDSUTP型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDDP型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDDP型衬底型衬底N+N+BGSDUGGUDD夹断区夹断区DP型衬底型衬底N+N+BGSUGGUDDP型衬底型衬底N+N+BGSDUGGUDDP型衬底型衬底N+N+BGSDUGGUDD夹断区夹断区图图4-9UDS对导电沟道的影响对导电沟道的影响(a)UGDUT(b)UGD=UT(c)UGDUT3.特性曲线特性

13、曲线(a)转移特性转移特性(b)输出特性输出特性UGSUT时时)四四个个区区：可可变变电电阻阻区区、恒恒流流区区(或或饱饱和和区区)、截截止止区。区。UT2UTIDOUGS/VID/mAO图图4-10(a)ID/mAUDS/VO预夹断轨迹预夹断轨迹恒流区恒流区击穿区击穿区可变可变电阻区电阻区图图4-10(b)截止区截止区4.2.2N沟道耗尽型沟道耗尽型MOS场效应管场效应管P型衬底型衬底N+N+BGSD+制制造造过过程程中中预预先先在在二二氧氧化化硅硅的的绝绝缘缘层层中中掺掺入入正正离离子子，这这些些正正离离子子电电场场在在P型型衬衬底底中中“感感应应”负负电电荷荷，形形成成“反反型层型层”。

14、即使。即使UGS=0也会形成也会形成N型导电沟道。型导电沟道。+UGS=0，UDS0，产产生生较大的漏极电流；较大的漏极电流；UGS0；UGS正、负、正、负、零均可。零均可。ID/mAUGS/VOUP(a)转移特性转移特性IDSS图图4-13MOS管的符号管的符号SGD衬底衬底SGD衬底衬底(b)漏极特性漏极特性ID/mAUDS/VO+1VUGS=0 3V 1V 2V43215101520图图4-12特性曲线特性曲线图图4-14MOS场效应管电路符号场效应管电路符号种种 类类符符 号号转移特性转移特性输出特性输出特性 结型结型N 沟道沟道耗耗尽尽型型 结型结型P 沟道沟道耗耗尽尽型型 绝缘绝缘

15、栅型栅型 N 沟道沟道增增强强型型SGDSGDIDUGS=0V+UDS+o oSGDBUGSIDOUT表表4-1各类场效应管的符号和特性曲线各类场效应管的符号和特性曲线+UGS=UTUDSID+OIDUGS=0V UDSOUGSIDUPIDSSOUGSID/mAUPIDSSO种种 类类符符 号号转移特性转移特性输出特性输出特性绝缘绝缘栅型栅型N 沟道沟道耗耗尽尽型型绝缘绝缘栅型栅型P 沟道沟道增增强强型型耗耗尽尽型型IDSGDBUDSID_UGS=0+_OIDUGSUPIDSSOSGDBIDSGDBIDIDUGSUTOIDUGSUPIDSSO_ _IDUGS=UTUDS_ _o o_ _UGS

16、=0V+_ _IDUDSo o+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是是耗耗尽尽型型和和结结型型场场效效应应管管的的一一个个重重要要参参数数,它它的的定定义义是是当当栅栅源源之之间间的的电电压压UGS等等于于零零,而而漏漏、源源之之间间的的电电压压UDS大于夹断电压大于夹断电压UP时对应的漏极电流。时对应的漏极电流。2.夹断电压夹断电压UP UP也也是是耗耗尽尽型型和和结结型型场场效效应应管管的的重重要要参参数数,其其定定义义为为当当UDS一一定定时时,使使ID减减小小到到某某一一个个微微小小电电流流(如如1A,50

17、A)时时所需的所需的UGS值。值。3.开启电压开启电压UT UT是是增增强强型型场场效效应应管管的的重重要要参参数数,它它的的定定义义是是当当UDS一一定定时时,漏漏极极电电流流ID达达到到某某一一数数值值(例例如如10A)时时所所需需加加的的UGS值。值。4.直流输入电阻直流输入电阻RGS RGS是是栅栅、源源之之间间所所加加电电压压与与产产生生的的栅栅极极电电流流之之比比。由由于于栅栅极极几几乎乎不不索索取取电电流流,因因此此输输入入电电阻阻很很高高。结型为结型为106以上以上,MOS管可达管可达1010以上。以上。4.3.2交流参数交流参数1.低频跨导低频跨导gm 跨导跨导gm的单位是的

18、单位是mA/V。它的值可由转移特性或输出它的值可由转移特性或输出特性求得。特性求得。图图4-15根据场效应管的特性曲线求根据场效应管的特性曲线求gm2.极间电容极间电容 场场效效应应管管三三个个电电极极之之间间的的电电容容,包包括括CGS、CGD和和CDS。这这些些极极间间电电容容愈愈小小,则则管管子子的的高高频频性性能能愈愈好。好。一般为几个一般为几个pF。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与与ID、UDS有如下关系有如下关系:这这部部分分功功率率将将转转化化为为热热能能,使使管管子子的的温温度度升升高高。PDm决决定于场效应管允许的最高温升。

19、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在在场场效效应应管管输输出出特特性性曲曲线线上上,当当漏漏极极电电流流ID急急剧剧上上升升产产生生雪雪崩崩击击穿穿时时的的UDS。工工作作时时外外加加在在漏漏、源源之之间间的的电电压压不不得得超超过过此值。此值。3.栅源间击穿电压栅源间击穿电压BUGS 结结型型场场效效应应管管正正常常工工作作时时,栅栅、源源之之间间的的PN结结处处于于反向偏置状态反向偏置状态,若若UGS过高过高,PN结将被击穿。结将被击穿。对对于于MOS场场效效应应管管,由由于于栅栅极极与与沟沟道道之之间间有有一一层层很很薄薄的的二二氧氧化化硅硅绝绝缘缘

20、层层,当当UGS过过高高时时,可可能能将将SiO2绝绝缘缘层层击击穿穿,使使栅栅极极与与衬衬底底发发生生短短路路。这这种种击击穿穿不不同同于于PN结结击击穿穿,而而和和电电容容器器击击穿穿的的情情况况类类似似,属属于于破破坏坏性性击击穿穿,即即栅栅、源间发生击穿源间发生击穿,MOS管立即被损坏。管立即被损坏。4.4 场效应管的特点场效应管的特点 (1)场效应管是一种场效应管是一种电压控制器件电压控制器件,即通过即通过UGS来控制来控制ID。(2)场场效效应应管管输输入入端端几几乎乎没没有有电电流流,所所以以其其直直流流输输入入电电阻和交流输入电阻阻和交流输入电阻都非常高。都非常高。(3)由由于

21、于场场效效应应管管是是利利用用多多数数载载流流子子导导电电的的,因因此此,与与双双极极性性三三极极管管相相比比,具具有有噪噪声声小小、受受幅幅射射的的影影响响小小、热热稳稳定性较好而且存在零温度系数工作点等特性。定性较好而且存在零温度系数工作点等特性。(4)由由于于场场效效应应管管的的结结构构对对称称,有有时时漏漏极极和和源源极极可可以以互互换换使使用用,而而各各项项指指标标基基本本上上不不受受影影响响,因因此此应应用用时时比比较较方方便便、灵活。灵活。(5)场效应管的场效应管的制造工艺简单制造工艺简单,有利于大规模集成。有利于大规模集成。(6)由由于于MOS场场效效应应管管的的输输入入电电阻

22、阻可可高高达达1015,因因此此,由由外外界界静静电电感感应应所所产产生生的的电电荷荷不不易易泄泄漏漏,而而栅栅极极上上的的SiO2绝绝缘缘层层又又很很薄薄,这这将将在在栅栅极极上上产产生生很很高高的的电电场场强强度度,以以致致引引起绝缘层击穿而损坏管子。起绝缘层击穿而损坏管子。(7)场场效效应应管管的的跨跨导导较较小小,当当组组成成放放大大电电路路时时,在在相相同同的负载电阻下的负载电阻下,电压放大倍电压放大倍数比双极型三极管低数比双极型三极管低。图图416场效应管的零温度系数工作点场效应管的零温度系数工作点图图4-17栅极过压保护电路栅极过压保护电路4.5.1共源极放大电路共源极放大电路图

23、图4-18共源极放大电路原理电路共源极放大电路原理电路UDD+uO iDVT+uIUGGRGSDGRD与与双极型三极管对应关系双极型三极管对应关系bG,eS,cD为为了了使使场场效效应应管管工工作作在在恒恒流流区区实实现现放放大作用，应满足：大作用，应满足：图图示示电电路路为为N沟沟道道增增强强型型MOS场场效效应应管管组组成成的的放放大大电路。电路。(UT：开启电压开启电压)4.5场效应管放大电路场效应管放大电路一、静态分析一、静态分析UDD+uO iDVT+uIUGGRGSDGRD图图4-18共源极放大电路原理电路共源极放大电路原理电路两种方法两种方法近似估算法近似估算法图解法图解法(一一

24、)近似估算法近似估算法MOS管栅极电流管栅极电流为零，当为零，当uI=0时时UGSQ=UGG而而iD与与uGS之间近似满足之间近似满足(当当uGSUT)式中式中 IDO为为uGS=2UT时的值。时的值。则静态漏极电流为则静态漏极电流为(二二)图解法图解法图图4-19用图解法分析共源极用图解法分析共源极放大电路的放大电路的Q点点UDDIDQUDSQQ利用式利用式uDS=UDD iDRD画出直流负载线。画出直流负载线。图中图中IDQ、UDSQ即为静态值。即为静态值。【例例1】电电路路如如图图所所示示,场场效效应应管管为为3DJG,其其输输出出特特性性 曲曲 线线 如如 图图 4-20所所 示示。已

25、已 知知 RD=2 k,RS=1.2k,UDD=15V,试用图解法确定该放大器的静态工作点。试用图解法确定该放大器的静态工作点。解解 写出输出回路的电压电流方程,即直流负载线方程设在输出特性图上将上述两点相连得直流负载线。图 4-20 图解法确定工作点(例1)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。令连接该两点,在uGSiD坐标系中得一直线,此线与转移特性曲线的交点,即为Q点,对应Q点的值为:二、动态分析二、动态分析iD的的全微分为全微分为上式中定义：上式中定义：场效应管的跨导场效应管的跨导(毫毫西门子西门子mS)。场效应管漏

26、源之间等效电阻。场效应管漏源之间等效电阻。1.微变等效电路微变等效电路二、动态分析二、动态分析如果输入正弦信号，则可用有效值代替上式中的变量。如果输入正弦信号，则可用有效值代替上式中的变量。成为：成为：根据上式做等效电路如图所示。根据上式做等效电路如图所示。图图4-21场效应管的微变等效电路场效应管的微变等效电路由于没有栅极电流，所以栅源是悬空的。由于没有栅极电流，所以栅源是悬空的。微变参数微变参数 gm和和rD(1)根据定义通过在特性曲线上作图方法中求得。根据定义通过在特性曲线上作图方法中求得。(2)用求导的方法计算用求导的方法计算 gm在在Q点点附近，可用附近，可用IDQ表示上式中表示上式

27、中iD，则则一一般般gm约约为为0.1至至20mS。rD为为几几百百千千欧欧的的数数量量级级。当当RD比比rD小得多时，可认为等效电路的小得多时，可认为等效电路的rD开路开路。2.共源极放大电路的动态性能共源极放大电路的动态性能UDD+uO iDVT+uIUGGRGSDGRD图图4-22共源极放大电路共源极放大电路的微变等效电路的微变等效电路将将 rD开路开路而而所以所以输出电阻输出电阻ro=RDMOS管输入电阻高达管输入电阻高达109。4.5.2分压分压自偏压式共源放大电路自偏压式共源放大电路一、静态分析一、静态分析(一一)近似估算法近似估算法根据输入回路列方程根据输入回路列方程图图4-23

28、分压分压-自偏式共源自偏式共源放大电路放大电路+VT+RGSDGRDR2UDD+RLRSR1C1CSC2+解解联立方程求出联立方程求出UGSQ和和IDQ。+VT+RGSDGRDR2UDD+RLRSR1C1CSC2+图图4-23分压分压-自偏式共源自偏式共源放大电路放大电路列输出回路方程求列输出回路方程求UDSQUDSQ=UDDIDQ(RD+RS)(二二)图解法图解法由式由式可可做做出出一一条条直直线线，另另外外，iD与与uGS之之间间满满足足转转移移特特性性曲曲线的规律，二者之间交点为静态工作点。确定线的规律，二者之间交点为静态工作点。确定UGSQ，IDQ。根据漏极回路方程根据漏极回路方程在在

29、漏漏极极特特性性曲曲线线上上做做直直流流负负载载线线，与与uGS=UGSQ的的交点确定交点确定Q，由由Q 确定确定UDSQ和和IDQ值。值。UDSQuDS=UDDiD(RD+RS)3 uDS/ViD/mA012152V105uGS4.5V4V3.5VUGSQ3VUDDQIDQuGS/ViD/mAO24612QIDQUGSQUGQ图图4-24用图解法分析图用图解法分析图4-18电路的电路的Q点点二、动态分析二、动态分析微变等效电路入右微变等效电路入右图所示。图所示。图图4-25微变等效电路微变等效电路由图可知由图可知电压放大倍数电压放大倍数输入、输出电阻分别为输入、输出电阻分别为4.5.3共漏极

30、放大电路共漏极放大电路源极输出器或源极跟随器源极输出器或源极跟随器图图4-26源极输出器源极输出器典型电路如右图所典型电路如右图所示。示。+VT+SDGR2UDD+RLRSR1C1C2+RG静态分析如下：静态分析如下：分分析析方方法法与与“分分压压-自自偏偏压压式式共共源源电电路路”类类似似，可可采采用用估估算算法法和和图图解法。解法。动态分析动态分析1.电压放大倍数电压放大倍数而而所以所以2.输入电阻输入电阻ri=RG+(R1/R2)图图4-27微变等效电路微变等效电路3.输出电阻输出电阻图图4-28微变等效电路微变等效电路在在电路中，外加电路中，外加，令，令，并使，并使RL开路开路因因输入端短路，故输入端短路，故则则所以所以实实际际工工作作中中经经常常使使用用的的是是共共源源、共漏组态。共漏组态。【例例2】计算电路4-23的电压放大倍数、输入电阻、输出电阻。R1=50k，R2=150k,RG=1M,RD=RS=10k,UDD=20V.场效应管为3DJ7F,其UP=-5V.RL=1M,CS=100F。解解 求得该电路的静态工作点,UGS=-1.1V,ID=0.61mA,则根据(4-17)式得【例例3】计算图4-26源极输出器的Au、ri、ro。(已知RG=5M,RS=10 k,RL=10 k,场效应管gm=4mA/V)解解 由于gm已给出,所以可不计算直流状态。式中