第五章-場效應管放大電路分析PPT課件

.,1,第5章場效應管放大電路,.,2,主要內容及基本要求：,1、了解場效應管的基本原理（注意與三極管的相同點和不同點）；2、了解場效應管幾個工作區(qū)的特點（注意與三極管的相同點和不同點）；3、掌握場效應管小信號模型的規(guī)律（注意與三極管的相同點和不同點）；4、掌握場效應管放大電路的分析方法（注意與三極管的相同點和不同點）。,.,3,場效應管,結型場效應管,場效應晶體管是由一種載流子導電的、用輸入電壓控制輸出電流的半導體器件。從參與導電的載流子來劃分，它有自由電子導電的N溝道器件和空穴導電的P溝道器件。（簡記為FET）,按照場效應管的結構劃分，有結型場效應管和絕緣柵型場效應管兩大類。,1.結構,與雙極型晶體管的比較：1、均有三個引腳（極）；2、形狀類似；3、都可以實現(xiàn)信號的放大；4、導電原理不同；5、形成電路的特點不同；6、應用場合不同。,.,4,2.工作原理,N溝道場效應管工作時，在柵極與源極之間加負電壓，柵極與溝道之間的PN結為反偏。在漏極、源極之間加一定正電壓，使N溝道中的多數(shù)載流子(電子)由源極向漏極漂移，形成iD。iD的大小受VGS的控制。,P溝道場效應管工作時，極性相反，溝道中的多子為空穴。,注意：N溝道、P溝道的區(qū)別類似于三極管中的NPN管和PNP管，我們討論較多的是N溝道型的FET,.,5,柵源電壓VGS對iD的控制作用,當VGS0時，PN結反偏，耗盡層變厚，溝道變窄，溝道電阻變大，ID減?。?VGS更負，溝道更窄，ID更??；直至溝道被耗盡層全部覆蓋，溝道被夾斷，ID0。這時所對應的柵源電壓VGS稱為夾斷電壓VP。（D、S被斷開）,.,6,漏源電壓VDS對iD的影響,當VDS增加到多少時最上面的一點會合在一起呢？,VDS=|VP|時，在緊靠漏極處出現(xiàn)預夾斷點,首先設VGS=0（或保持一恒定值），VDS逐漸增加：剛開始時隨著VDS的增加，電流也基本線性增加；,隨VDS增大，電壓的不均勻性開始顯現(xiàn)，而且這種不均勻性會越來越明顯。為什么會這樣呢？,隨著VDS的繼續(xù)增加，夾斷區(qū)僅略有增加。,VP,當VDS繼續(xù)增加時，預夾斷點向源極方向伸長為預夾斷區(qū)。由于預夾斷區(qū)電阻很大，使主要VDS降落在該區(qū)，由此產生的強電場力能把未夾斷區(qū)漂移到其邊界上的載流子都吸至漏極，形成漏極飽和電流。（稱為飽和電流的原因）,為什么？,.,7,JFET工作原理（動畫2-9),.,8,(3)伏安特性曲線,輸出特性曲線,恒流區(qū)：(又稱飽和區(qū)或放大區(qū)）,(2)受控性：輸出電流受輸入電壓vGS控制,(1)恒流性：輸出電流iD基本上不受輸出電壓vDS影響,用途：可做放大器和恒流源。條件：(1)柵源溝道未夾斷(2)漏源溝道予夾斷,特點：,.,9,(3)伏安特性曲線,預夾斷條件：,而：,即：,所以：,.,10,可變電阻區(qū),特點（2）當vGS為定值時,iD是vDS的（近似）線性函數(shù)，管子的漏源間呈現(xiàn)為線性電阻，且其阻值受vGS控制。,特點（1）管壓降vDS很小。,用途：做壓控線性電阻和無觸點的、閉合狀態(tài)的電子開關。,條件：源端與漏端溝道都不夾斷,.,11,夾斷區(qū),用途：做無觸點的、接通狀態(tài)的電子開關。,條件：整個溝道都夾斷,擊穿區(qū),當漏源電壓增大到時，漏端PN結發(fā)生雪崩擊穿，使iD劇增的區(qū)域。其值一般為（2050）V之間。管子不能在擊穿區(qū)工作。,特點：,.,12,總結：場效應管在不同的vGS、vDS電壓下處在不同的工作區(qū)中：1、可變電阻區(qū)：vDSvGS-VP、vGSVP3、截止區(qū)：vGSVBR(DS),.,13,轉移特性曲線,輸入電壓VGS對輸出漏極電流ID的控制,.,14,.,15,結型場效應管的特性小結,.,16,金屬-氧化物-半導體場效應管,絕緣柵型場效應管MetalOxideSemiconductorMOSFET分為增強型N溝道、P溝道耗盡型N溝道、P溝道,增強型：沒有導電溝道，,耗盡型：存在導電溝道，,N溝道P溝道增強型,N溝道P溝道耗盡型,.,17,N溝道增強型場效應管,.,18,N溝道增強型場效應管的工作原理,（1）柵源電壓VGS的控制作用,.,19,（1）.柵源電壓VGS的控制作用,的N型溝道。把開始形成反型層的VGS值稱為該管的開啟電壓VT。這時，若在漏源間加電壓VDS，就能產生漏極電流ID，即管子開啟。VGS值越大，溝道內自由電子越多，溝道電阻越小，在同樣VDS電壓作用下，ID越大。這樣，就實現(xiàn)了輸入電壓VGS對輸出電流ID的控制。,當VGSVT時，襯底中的電子進一步被吸至柵極下方的P型襯底表層，使襯底表層中的自由電子數(shù)量大于空穴數(shù)量，該薄層轉換為N型半導體，稱此為反型層。形成N源區(qū)到N漏區(qū),ID,.,20,柵源電壓VGS對漏極電流ID的控制作用,.,21,2.漏源電壓VDS對溝道導電能力的影響,當VGSVT且固定為某值的情況下，若給漏源間加正電壓VDS則源區(qū)的自由電子將沿著溝道漂移到漏區(qū)，形成漏極電流ID，當ID從DS流過溝道時，沿途會產生壓降，進而導致沿著溝道長度上柵極與溝道間的電壓分布不均勻。源極端電壓最大，由此感生的溝道最深；離開源極端，越向漏極端靠近，則柵溝間的電壓線性下降，由它們感生的溝道越來越淺；直到漏極端，柵漏,間電壓最小，由此感生的溝道也最淺?？梢?，在VDS作用下導電溝道的深度是不均勻的，溝道呈錐形分布。若VDS進一步增大，則漏端溝道消失，出現(xiàn)預夾斷點（A點）。,A,.,22,當VDS為0或較小時，此時VDS基本均勻降落在溝道中，溝道呈斜線分布。,當VDS增加到使VGD=VT時，漏極處溝道將縮減到剛剛開啟的情況，稱為預夾斷。源區(qū)的自由電子在VDS電場力的作用下，仍能沿著溝道向漏端漂移，一旦到達預夾斷區(qū)的邊界處，就能被預夾斷區(qū)內的電場力掃至漏區(qū)，形成漏極電流。,當VDS增加到使VGDVT時，預夾斷點向源極端延伸成小的夾斷區(qū)。由于預夾斷區(qū)呈現(xiàn)高阻，而未夾斷溝道部分為低阻，因此，VDS增加的部分基本上降落在該夾斷區(qū)內，而溝道中的電場力基本不變，漂移電流基本不變，所以，從漏端溝道出現(xiàn)預夾斷點開始，ID基本不隨VDS增加而變化。,.,23,增強型MOSFET的工作原理,.,24,MOSFET的特性曲線,1.漏極輸出特性曲線,.,25,2.轉移特性曲線VGS對ID的控制特性,轉移特性曲線的斜率gm的大小反映了柵源電壓對漏極電流的控制作用。其量綱為mA/V，稱gm為跨導。gm=ID/VGSQ（mS),ID=f(VGS)VDS=常數(shù),.,26,增強型MOS管特性小結,.,27,耗盡型MOSFET,N溝道耗盡型MOS管，它是在柵極下方的SiO2絕緣層中摻入了大量的金屬正離子，在管子制造過程中，這些正離子已經在漏源之間的襯底表面感應出反型層，形成了導電溝道。因此，使用時無須加開啟電壓（VGS=0），只要加漏源電壓，就會有漏極電流。當VGS0時，將使ID進一步增加。VGS0時，隨著VGS的減小ID逐漸減小，直至ID=0。對應ID=0的VGS值為夾斷電壓VP。,.,28,耗盡型MOSFET的特性曲線,.,29,場效應三極管的參數(shù)和型號,一、場效應三極管的參數(shù)1.開啟電壓VT開啟電壓是MOS增強型管的參數(shù)，柵源電壓小于開啟電壓的絕對值,場效應管不能導通。,2.夾斷電壓VP夾斷電壓是耗盡型FET的參數(shù)，當VGS=VP時,漏極電流為零。,3.飽和漏極電流IDSS耗盡型場效應三極管,當VGS=0時所對應的漏極電流。,.,30,4.輸入電阻RGS,結型場效應三極管，反偏時RGS約大于107；絕緣柵型場效應三極管,RGS約是1091015。,5.低頻跨導gm低頻跨導反映了柵壓對漏極電流的控制作用，gm可以在轉移特性曲線上求取，單位是mS(毫西門子)。,6.最大漏極功耗PDM最大漏極功耗可由PDM=VDSID決定，與雙極型三極管的PCM相當。,.,31,7.輸出電阻rd從輸出特性曲線上可以了解這個概念。,.,32,(2)場效應三極管的型號,場效應三極管的型號,現(xiàn)行有兩種命名方法。其一是與雙極型三極管相同，第三位字母J代表結型場效應管，O代表絕緣柵場效應管。第二位字母代表材料，D是P型硅，反型層是N溝道；C是N型硅P溝道。如,3DJ6D是結型N溝道場效應三極管，3DO6C是絕緣柵型N溝道場效應三極管。,第二種命名方法是CS#，CS代表場效應管，以數(shù)字代表型號的序號，#用字母代表同一型號中的不同規(guī)格。例如CS14A、CS45G等。,.,33,幾種常用場效應三極管的主要參數(shù),.,34,雙極型三極管與場效應三極管的比較,雙極型三極管場效應三極管結構NPN型結型N溝道P溝道與PNP型絕緣柵增強型N溝道P溝道分類C與E一般不可絕緣柵耗盡型N溝道P溝道倒置使用D與S有的型號可倒置使用載流子多子擴散少子漂移多子漂移輸入量電流輸入電壓輸入控制電流控制電流源電壓控制電流源噪聲較大較小溫度特性受溫度影響較大較小，且有零溫度系數(shù)點輸入電阻幾十到幾千歐姆幾兆歐姆以上靜電影響不受靜電影響易受靜電影響集成工藝不易大規(guī)模集成適宜大規(guī)模和超大規(guī)模集成,.,35,.,36,結型場效應管放大電路,（1）自偏壓電路及靜態(tài)分析(VGSQ、IDQ、VDSQ),VGSQ=-IDQRIDQ=IDSS1(VGSQ/VP)2解方程組，去掉無意義的解,VDSQ=VDD-IDQ(Rd+R),注意與三極管的比較,.,37,（2）分壓式偏壓電路及靜態(tài)分析,直流通道,VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2)VGSQ=VGVS=VGIDQRIDQ=IDSS1(VGSQ/VP)2VDSQ=VDDIDQ(R+Rd)由此可以解出VGSQ、IDQ和VDSQ。,不僅需要計算：VGSQ、IDQ、VDSQ還需要計算：VG,注意：Rg3的作用,.,38,（3）動態(tài)分析的小信號分析法,前提：滿足外部工作條件,.,39,（3）動態(tài)分析的小信號分析法,低頻模型,前提：滿足外部工作條件,.,40,交流分析,小信號等效電路,電壓放大倍數(shù),輸入電阻,輸出電阻,.,41,N溝道耗盡型結型場效應管放大器的自偏壓電路如圖1(a)所示。其中場效應管的柵極通過電阻Rg接地，源極通過電阻R接地。,場效應管放大器的自偏壓電路,MOS型FET的對比-直流偏置電路1.自偏壓電路,圖1(a),圖1(b),.,42,自偏壓電路工作原理,這種偏置方式靠漏極電流ID在源極電阻R上產生的電壓為柵-源極間提供一個偏置電壓VGS，故稱為自偏壓電路。靜態(tài)時，源極電位VS=IDR。由于柵極電流為零，Rg上沒有電壓降，柵極電位VG=0，所以柵源偏置電壓:VGS=VGVS=IDR耗盡型MOS管也可采用這種形式的偏置電路,圖1(a),.,43,圖1(b)所示電路是自偏壓電路的特例，其中VGS=0。顯然這種偏置電路只適用于耗盡型MOS管，因為在柵源電壓大于零、等于零和小于零的一定范圍內，耗盡型MOS管均能正常工作。增強型MOS管只有在柵-源電壓達到其開啟電壓VT時，才有漏極電流ID產生，因此圖1所示的自偏壓電路非增強型MOS管。,圖1(b),.,44,2分壓器式自偏壓電路分壓器式自偏壓電路是在自偏壓電路的基礎上加接分壓電路后構成的，如圖2所示。,圖2,.,45,靜態(tài)時，由于柵極電流為零，Rg3上沒有電壓降，所以柵極電位由Rg2與Rg1對電源VDD分壓得到，即源極電位VS=IDR，因此柵源直流偏置電壓VGS=VG-VS適用范圍：這種偏置方式同樣適用于結型場效應管或耗盡型MOS管組成的放大電路，還適用于增強型管電路。,分壓器式自偏壓電路工作原理：,直流通道,.,46,二、靜態(tài)工作點的確定1.估算法求靜態(tài)工作點,對場效應管放大電路的靜態(tài)分析也可以采用圖解法或公式估算法，圖解法的步驟與雙極型三極管放大電路的圖解法相似。這里僅討論用公式估算法求靜態(tài)工作點。,.,47,工作在飽和區(qū)時場效應管漏極電流:結型場效應管和耗盡型MOS管的漏極電流,增強型MOS管的漏極電流,.,48,求靜態(tài)工作點時，對于圖1(a)所示的自偏壓電路，可求解方程組,得到ID和VGS,管壓降,圖1(a),.,49,對于圖2所示電路，可求解方程組,管壓降,VDS=VDDID(Rd+R),得到ID和VGS,圖2,.,50,例1下圖電路中，設場效應管為M