模擬電路第4章場效應(yīng)管放大電路.ppt

1 第四章場效應(yīng)管放大電路 BJT的缺點(diǎn) 輸入電阻較低 溫度特性差 場效應(yīng)管 FET 利用電場效應(yīng)控制其電流的半導(dǎo)體器件 優(yōu)點(diǎn) 輸入電阻非常高 高達(dá)107 1015歐姆 噪聲低 熱穩(wěn)定性好 抗輻射能力強(qiáng) 工藝簡單 便于集成 根據(jù)結(jié)構(gòu)不同分為 結(jié)型場效應(yīng)管 JFET 絕緣柵型場效應(yīng)管 MOSFET 根據(jù)溝道性質(zhì)分為 N溝道 P溝道根據(jù)偏壓為零時(shí)溝道能否導(dǎo)電分為 耗盡型 增強(qiáng)型 場效應(yīng)管工作時(shí) 只有一種極性的載流子參與導(dǎo)電 所以場效應(yīng)管又稱為單極型晶體管 2 4 1結(jié)型場效應(yīng)管 4 1 1JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理1 結(jié)構(gòu) 高攙雜的P型區(qū) N溝道JEFT的示意圖 N型導(dǎo)電溝道 對于N溝道JEFT工作于放大狀態(tài) vGS0 g 柵極 s 源極 d 漏極 3 高攙雜的N型區(qū) P型導(dǎo)電溝道 P溝道JEFT的示意圖 對于P溝道JEFT工作于放大狀態(tài) vGS 0 vDS 0 4 2 工作原理 1 vGS對iD的控制作用 vGS 0 Vp vGS 0 vGS VP 耗盡層兩側(cè)剛剛合攏 溝道全部夾斷時(shí)的vGS稱為夾斷電壓VP 先設(shè) vDS 0 5 vGS對溝道的影響 改變vGS的大小 可以有效的控制耗盡層的寬度 從而改變溝道電阻的大小 若在漏源極間加上固定的正向電壓 則漏極流向源極的電流iD將受vGS的控制 對N溝道 vGS減小 溝道電阻增大 iD減小 vDS 0時(shí) 耗盡層均勻 6 2 VDS對iD的影響設(shè) vGS VP且不變 vDS 0 耗盡層均勻 vGS VpvGD Vp 溝道呈電阻性 iD隨vDS升高幾乎成正比例的增加 vDS不為0時(shí) 耗盡層變成鍥型 vDS增加 鍥型的斜率加大 7 vGD vGS vDSvDS vGD 當(dāng)vGD VP時(shí) 靠近D端兩邊的耗盡層相接觸 預(yù)夾斷 iD達(dá)到了最大值IDSS 此時(shí) vDS vGS VP vDS再加大 vGDvGS VP 耗盡層兩邊相接觸的長度增加 iD基本上不隨vDS的增加而上升 漏極電流趨于飽和 飽和區(qū) 恒流區(qū) 預(yù)夾斷 夾斷長度增加 8 4 1 2N溝道 JFET的特性曲線 輸出特性iD f vDS vGS 常數(shù) 在該區(qū)FET可以看成一個(gè)壓控電阻 特點(diǎn) vGS越負(fù) 耗盡層越寬 漏源間的電阻越大 輸出曲線越傾斜 iD與vDS幾乎成線性關(guān)系 1區(qū) 可變電阻區(qū)0 vGS VP 0 vGD Vp 9 2區(qū) 飽和區(qū) 恒流區(qū) 線性放大區(qū) 0 vGS Vp vGD Vp 特點(diǎn) iD隨vGS下降而減少 iD受vGS的控制 vDS增加時(shí) iD基本保持不變 成恒流特性 在該區(qū)域 場效應(yīng)管等效成一個(gè)受vGS控制的恒流源 場效應(yīng)管作放大器時(shí)工作在該區(qū)域 10 4區(qū) 擊穿區(qū)vDS太大 致使柵漏PN結(jié)雪崩擊穿 FET處于擊穿狀態(tài) 場效應(yīng)管一般不能工作在該區(qū)域內(nèi) 3區(qū) 截止區(qū)vGS VP vGD VPiD 0場效應(yīng)管截止 11 2 轉(zhuǎn)移特性曲線iD f vGS vDS 常數(shù) 表征柵源電壓vGS對漏極電流的控制作用 場效應(yīng)管是電壓控制器件 在飽和區(qū)內(nèi) FET可看作壓控電流源 轉(zhuǎn)移特性方程 iD IDSS 1 vGS VP 2 12 3 主要參數(shù) 夾斷電壓 VP當(dāng)導(dǎo)電溝道剛好完全被關(guān)閉時(shí) 柵源所對應(yīng)的電壓vGS稱為夾斷電壓 夾斷電壓與半導(dǎo)體的攙雜濃度有關(guān) 飽和漏電流 IDSS場效應(yīng)管處于飽和區(qū) 且vGS 0時(shí)的漏極電流 對于結(jié)型場效應(yīng)管 為最大工作電流 低頻互導(dǎo) gmgm diD dvGS vDS 常數(shù)反映了柵源電壓對漏極電流的控制能力 是轉(zhuǎn)移特性曲線上 靜態(tài)工作點(diǎn)處的斜率 13 輸出電阻 rd輸出電阻反映了vDS對iD的影響 是輸出特性上 靜態(tài)工作點(diǎn)處切線斜率的倒數(shù) 在飽和區(qū)內(nèi) iD隨vDS改變很小 因此rd數(shù)值很大 最大漏源電壓 V BR DS最大耗散功率 PDM 14 4 3金屬 氧化物 半導(dǎo)體場效應(yīng)管 4 3 1N溝道增強(qiáng)型MOSFET金屬柵極 SiO2絕緣層 半導(dǎo)體 構(gòu)成平板電容器 MOSFET利用柵源電壓的大小 來改變襯底b表面感生電荷的多少 從而控制漏極電流的大小 N溝道增強(qiáng)型MOS管示意圖 N溝道增強(qiáng)型MOS管符號 MOS場效應(yīng)管的類型 增強(qiáng)型 包括N溝道和P溝道耗盡型 包括N溝道和P溝道 P溝道增強(qiáng)型MOS管符號 15 1 溝道形成原理 vDS 0時(shí) vGS的作用 在SiO2絕緣層中產(chǎn)生垂直向下的電場 該電場排斥P區(qū)中的多子空穴 而將少子電子吸向襯底表面 vGS不夠大時(shí) 吸向襯底表面的電子將與空穴復(fù)合而消失 襯底表面留下了負(fù)離子的空間電荷區(qū) 耗盡層 并與兩個(gè)PN結(jié)的耗盡層相連 此時(shí)源區(qū)和漏區(qū)隔斷 無導(dǎo)電溝道iD 0 vGS 0時(shí) iD 0 0 vGS VT時(shí) 16 vGS加大 將吸引更多的電子到襯底表面 形成自由電子的薄層 反型層 表層的導(dǎo)電類型由原來P型轉(zhuǎn)化為N型 N型導(dǎo)電溝道形成 vDS 0時(shí)反型層均勻 vGS VT 剛形成反型層所需的vGS的值 開啟電壓VT vGSVT 溝道形成 vDS 0時(shí) 將形成電流iD vGS 溝道加寬 溝道電阻 iD N溝道 當(dāng)外加正vDS時(shí) 源區(qū)的多子 電子 將沿反型層漂移到漏區(qū)形成漏極電流iD 17 vGS VT且不變 vDS對溝道的影響 導(dǎo)電溝道形成后 在vDS的作用下 形成漏極電流iD 沿溝道d s 電位逐漸下降 sio2中電場沿溝道d s逐漸加大 導(dǎo)電溝道的寬度也沿溝道逐漸加大 靠近漏極端最窄 vGS VT 且vGD VT vDS vGS VT 溝道暢通 場效應(yīng)管等效為小電阻 可變電阻區(qū) vDS使溝道不再均勻 18 vDS再 使vGDvGS VT 夾斷點(diǎn)向左移動(dòng) 溝道中形成高阻區(qū) 電壓的增加全部降在高阻區(qū) iD基本不變 恒流區(qū) vDS vGD 溝道斜率 靠近漏極端更窄 當(dāng)vGD VT時(shí) vDS vGS VT 靠近漏極端的反型層剛好消失 預(yù)夾斷 預(yù)夾斷 19 3 特性曲線 1區(qū) 可變電阻區(qū) vGS VTvGD VT溝道呈電阻性 iD隨vDS的增大而線性增大 電阻值隨vGS增加而減小 2區(qū) 恒流區(qū) 線性放大區(qū) vGS VTvGD VTiD IDO vGS VT 1 2IDO是vGS 2VT時(shí) iD的值 iD受vGS的控制 4區(qū) 擊穿區(qū) 3區(qū)截止區(qū)vGS VTvGD VTiD 0 VT 20 CMOS電路 vi VDDvGSP 0 VTPT1截止vGSN VDD VTNT2導(dǎo)通vo 0vi 0vGSP VDD VTPT1導(dǎo)通vGSN 0 VTNT2截止vo VDD T2 N溝道 T1 P溝道 非門電路 21 4 3 2N溝道耗盡型MOSFET 結(jié)構(gòu)與N溝道增強(qiáng)型相同 但在SiO2的絕緣層中摻有大量的正離子 當(dāng)vGS 0時(shí) 也能在襯底表面感應(yīng)出很多的電子 形成N型導(dǎo)電溝道 在零柵源電壓下也存在導(dǎo)電溝道的FET稱耗盡型 耗盡型MOSFET在零 正和負(fù)柵源電壓下都可工作 N溝道耗盡型MOS管符號 P溝道耗盡型MOS管符號 vGS 溝道寬度 iD vGS 溝道寬度 iD 22 4 3 3場效應(yīng)管比較 N溝道 vDS 0 iD為電子電流 iDS 0 電流實(shí)際方向流入漏極 P溝道 vDS 0 iD為空穴電流 iDS 0 電流實(shí)際方向流出漏極 襯底的極性 必須保證PN結(jié)反偏 N溝道 P型襯底須接在電路中的最低電位上 P溝道 N型襯底須接在電路中的最高電位上 增強(qiáng)型MOS管 vGS單極性 總與vDS一致 N溝道正 P溝道負(fù) vGS 0時(shí)iDS 0 耗盡型MOS管 vGS可正可負(fù) J型場效應(yīng)管 vGS單極性 總與vDS相反 N溝道負(fù) P溝道正 vGS 0時(shí)iDS 0 絕對值達(dá)最大 轉(zhuǎn)移特性 N溝道 P溝道 23 4 4場效應(yīng)管放大電路 4 4 1FET的直流偏置電路及靜態(tài)分析 1零偏壓電路 2自偏壓電路 VGS IDRS VGS 0 直流偏置電路 適應(yīng)于耗盡型MOS場效應(yīng)管 適應(yīng)于結(jié)型或耗盡型MOS管 24 3分壓式自偏壓電路 VGS可正可負(fù) 適應(yīng)于任何一種類型 靜態(tài)工作點(diǎn)的確定 根據(jù)外部電路列出線性方程 列出場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性方程 增強(qiáng)型MOS管 J型 耗盡型MOS管 25 例 J型管iD不能大于IDSS1 59mA的結(jié)果舍去ID 0 31mA 26 4 4 2FET的小信號模型分析法 FET的低頻小信號簡化模型 FET低頻小信號模型 FET高頻小信號模型 27 應(yīng)用小信號模型分析FET的放大電路 共源放