第五章-場(chǎng)效應(yīng)管放大電路分析PPT課件

.,1,第5章場(chǎng)效應(yīng)管放大電路,.,2,主要內(nèi)容及基本要求：,1、了解場(chǎng)效應(yīng)管的基本原理（注意與三極管的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)）；2、了解場(chǎng)效應(yīng)管幾個(gè)工作區(qū)的特點(diǎn)（注意與三極管的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)）；3、掌握?qǐng)鲂?yīng)管小信號(hào)模型的規(guī)律（注意與三極管的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)）；4、掌握?qǐng)鲂?yīng)管放大電路的分析方法（注意與三極管的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)）。,.,3,場(chǎng)效應(yīng)管,結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管,場(chǎng)效應(yīng)晶體管是由一種載流子導(dǎo)電的、用輸入電壓控制輸出電流的半導(dǎo)體器件。從參與導(dǎo)電的載流子來(lái)劃分，它有自由電子導(dǎo)電的N溝道器件和空穴導(dǎo)電的P溝道器件。（簡(jiǎn)記為FET）,按照?qǐng)鲂?yīng)管的結(jié)構(gòu)劃分，有結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管和絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管兩大類(lèi)。,1.結(jié)構(gòu),與雙極型晶體管的比較：1、均有三個(gè)引腳（極）；2、形狀類(lèi)似；3、都可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大；4、導(dǎo)電原理不同；5、形成電路的特點(diǎn)不同；6、應(yīng)用場(chǎng)合不同。,.,4,2.工作原理,N溝道場(chǎng)效應(yīng)管工作時(shí)，在柵極與源極之間加負(fù)電壓，柵極與溝道之間的PN結(jié)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(chǎng)效應(yīng)管工作時(shí)，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(lèi)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(duì)iD的控制作用,當(dāng)VGS0時(shí)，PN結(jié)反偏，耗盡層變厚，溝道變窄，溝道電阻變大，ID減?。?VGS更負(fù)，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(shí)所對(duì)應(yīng)的柵源電壓VGS稱(chēng)為夾斷電壓VP。（D、S被斷開(kāi)）,.,6,漏源電壓VDS對(duì)iD的影響,當(dāng)VDS增加到多少時(shí)最上面的一點(diǎn)會(huì)合在一起呢？,VDS=|VP|時(shí)，在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷點(diǎn),首先設(shè)VGS=0（或保持一恒定值），VDS逐漸增加：剛開(kāi)始時(shí)隨著VDS的增加，電流也基本線(xiàn)性增加；,隨VDS增大，電壓的不均勻性開(kāi)始顯現(xiàn)，而且這種不均勻性會(huì)越來(lái)越明顯。為什么會(huì)這樣呢？,隨著VDS的繼續(xù)增加，夾斷區(qū)僅略有增加。,VP,當(dāng)VDS繼續(xù)增加時(shí)，預(yù)夾斷點(diǎn)向源極方向伸長(zhǎng)為預(yù)夾斷區(qū)。由于預(yù)夾斷區(qū)電阻很大，使主要VDS降落在該區(qū)，由此產(chǎn)生的強(qiáng)電場(chǎng)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(chēng)為飽和電流的原因）,為什么？,.,7,JFET工作原理（動(dòng)畫(huà)2-9),.,8,(3)伏安特性曲線(xiàn),輸出特性曲線(xiàn),恒流區(qū)：(又稱(chēng)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(diǎn)：,.,9,(3)伏安特性曲線(xiàn),預(yù)夾斷條件：,而：,即：,所以：,.,10,可變電阻區(qū),特點(diǎn)（2）當(dāng)vGS為定值時(shí),iD是vDS的（近似）線(xiàn)性函數(shù)，管子的漏源間呈現(xiàn)為線(xiàn)性電阻，且其阻值受vGS控制。,特點(diǎn)（1）管壓降vDS很小。,用途：做壓控線(xiàn)性電阻和無(wú)觸點(diǎn)的、閉合狀態(tài)的電子開(kāi)關(guān)。,條件：源端與漏端溝道都不夾斷,.,11,夾斷區(qū),用途：做無(wú)觸點(diǎn)的、接通狀態(tài)的電子開(kāi)關(guān)。,條件：整個(gè)溝道都夾斷,擊穿區(qū),當(dāng)漏源電壓增大到時(shí)，漏端PN結(jié)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(diǎn)：,.,12,總結(jié)：場(chǎng)效應(yīng)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(zhuǎn)移特性曲線(xiàn),輸入電壓VGS對(duì)輸出漏極電流ID的控制,.,14,.,15,結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的特性小結(jié),.,16,金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管,絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管MetalOxideSemiconductorMOSFET分為增強(qiáng)型N溝道、P溝道耗盡型N溝道、P溝道,增強(qiáng)型：沒(méi)有導(dǎo)電溝道，,耗盡型：存在導(dǎo)電溝道，,N溝道P溝道增強(qiáng)型,N溝道P溝道耗盡型,.,17,N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管,.,18,N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)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(kāi)始形成反型層的VGS值稱(chēng)為該管的開(kāi)啟電壓VT。這時(shí)，若在漏源間加電壓VDS，就能產(chǎn)生漏極電流ID，即管子開(kāi)啟。VGS值越大，溝道內(nèi)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(shí)現(xiàn)了輸入電壓VGS對(duì)輸出電流ID的控制。,當(dāng)VGSVT時(shí)，襯底中的電子進(jìn)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(zhuǎn)換為N型半導(dǎo)體，稱(chēng)此為反型層。形成N源區(qū)到N漏區(qū),ID,.,20,柵源電壓VGS對(duì)漏極電流ID的控制作用,.,21,2.漏源電壓VDS對(duì)溝道導(dǎo)電能力的影響,當(dāng)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(dāng)ID從DS流過(guò)溝道時(shí)，沿途會(huì)產(chǎn)生壓降，進(jìn)而導(dǎo)致沿著溝道長(zhǎng)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(kāi)源極端，越向漏極端靠近，則柵溝間的電壓線(xiàn)性下降，由它們感生的溝道越來(lái)越淺；直到漏極端，柵漏,間電壓最小，由此感生的溝道也最淺。可見(jiàn)，在VDS作用下導(dǎo)電溝道的深度是不均勻的，溝道呈錐形分布。若VDS進(jìn)一步增大，則漏端溝道消失，出現(xiàn)預(yù)夾斷點(diǎn)（A點(diǎn)）。,A,.,22,當(dāng)VDS為0或較小時(shí)，此時(shí)VDS基本均勻降落在溝道中，溝道呈斜線(xiàn)分布。,當(dāng)VDS增加到使VGD=VT時(shí)，漏極處溝道將縮減到剛剛開(kāi)啟的情況，稱(chēng)為預(yù)夾斷。源區(qū)的自由電子在VDS電場(chǎng)力的作用下，仍能沿著溝道向漏端漂移，一旦到達(dá)預(yù)夾斷區(qū)的邊界處，就能被預(yù)夾斷區(qū)內(nèi)的電場(chǎng)力掃至漏區(qū)，形成漏極電流。,當(dāng)VDS增加到使VGDVT時(shí)，預(yù)夾斷點(diǎn)向源極端延伸成小的夾斷區(qū)。由于預(yù)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(nèi)，而溝道中的電場(chǎng)力基本不變，漂移電流基本不變，所以，從漏端溝道出現(xiàn)預(yù)夾斷點(diǎn)開(kāi)始，ID基本不隨VDS增加而變化。,.,23,增強(qiáng)型MOSFET的工作原理,.,24,MOSFET的特性曲線(xiàn),1.漏極輸出特性曲線(xiàn),.,25,2.轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)VGS對(duì)ID的控制特性,轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)的斜率gm的大小反映了柵源電壓對(duì)漏極電流的控制作用。其量綱為mA/V，稱(chēng)gm為跨導(dǎo)。gm=ID/VGSQ（mS),ID=f(VGS)VDS=常數(shù),.,26,增強(qiáng)型MOS管特性小結(jié),.,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(guò)程中，這些正離子已經(jīng)在漏源之間的襯底表面感應(yīng)出反型層，形成了導(dǎo)電溝道。因此，使用時(shí)無(wú)須加開(kāi)啟電壓（VGS=0），只要加漏源電壓，就會(huì)有漏極電流。當(dāng)VGS0時(shí)，將使ID進(jìn)一步增加。VGS0時(shí)，隨著VGS的減小ID逐漸減小，直至ID=0。對(duì)應(yīng)ID=0的VGS值為夾斷電壓VP。,.,28,耗盡型MOSFET的特性曲線(xiàn),.,29,場(chǎng)效應(yīng)三極管的參數(shù)和型號(hào),一、場(chǎng)效應(yīng)三極管的參數(shù)1.開(kāi)啟電壓VT開(kāi)啟電壓是MOS增強(qiáng)型管的參數(shù)，柵源電壓小于開(kāi)啟電壓的絕對(duì)值,場(chǎng)效應(yīng)管不能導(dǎo)通。,2.夾斷電壓VP夾斷電壓是耗盡型FET的參數(shù)，當(dāng)VGS=VP時(shí),漏極電流為零。,3.飽和漏極電流IDSS耗盡型場(chǎng)效應(yīng)三極管,當(dāng)VGS=0時(shí)所對(duì)應(yīng)的漏極電流。,.,30,4.輸入電阻RGS,結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管，反偏時(shí)RGS約大于107；絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)三極管,RGS約是1091015。,5.低頻跨導(dǎo)gm低頻跨導(dǎo)反映了柵壓對(duì)漏極電流的控制作用，gm可以在轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)上求取，單位是mS(毫西門(mén)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(dāng)。,.,31,7.輸出電阻rd從輸出特性曲線(xiàn)上可以了解這個(gè)概念。,.,32,(2)場(chǎng)效應(yīng)三極管的型號(hào),場(chǎng)效應(yīng)三極管的型號(hào),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(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，O代表絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)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(jié)型N溝道場(chǎng)效應(yīng)三極管，3DO6C是絕緣柵型N溝道場(chǎng)效應(yīng)三極管。,第二種命名方法是CS#，CS代表場(chǎng)效應(yīng)管，以數(shù)字代表型號(hào)的序號(hào)，#用字母代表同一型號(hào)中的不同規(guī)格。例如CS14A、CS45G等。,.,33,幾種常用場(chǎng)效應(yīng)三極管的主要參數(shù),.,34,雙極型三極管與場(chǎng)效應(yīng)三極管的比較,雙極型三極管場(chǎng)效應(yīng)三極管結(jié)構(gòu)NPN型結(jié)型N溝道P溝道與PNP型絕緣柵增強(qiáng)型N溝道P溝道分類(lèi)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(hào)可倒置使用載流子多子擴(kuò)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(diǎn)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(jié)型場(chǎng)效應(yīng)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(wú)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(jì)算：VGSQ、IDQ、VDSQ還需要計(jì)算：VG,注意：Rg3的作用,.,38,（3）動(dòng)態(tài)分析的小信號(hào)分析法,前提：滿(mǎn)足外部工作條件,.,39,（3）動(dòng)態(tài)分析的小信號(hào)分析法,低頻模型,前提：滿(mǎn)足外部工作條件,.,40,交流分析,小信號(hào)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(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管放大器的自偏壓電路如圖1(a)所示。其中場(chǎng)效應(yīng)管的柵極通過(guò)電阻Rg接地，源極通過(guò)電阻R接地。,場(chǎng)效應(yīng)管放大器的自偏壓電路,MOS型FET的對(duì)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(chǎn)生的電壓為柵-源極間提供一個(gè)偏置電壓VGS，故稱(chēng)為自偏壓電路。靜態(tài)時(shí)，源極電位VS=IDR。由于柵極電流為零，Rg上沒(méi)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?yàn)樵跂旁措妷捍笥诹?、等于零和小于零的一定范圍?nèi)，耗盡型MOS管均能正常工作。增強(qiáng)型MOS管只有在柵-源電壓達(dá)到其開(kāi)啟電壓VT時(shí)，才有漏極電流ID產(chǎn)生，因此圖1所示的自偏壓電路非增強(qiáng)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(chǔ)上加接分壓電路后構(gòu)成的，如圖2所示。,圖2,.,45,靜態(tài)時(shí)，由于柵極電流為零，Rg3上沒(méi)有電壓降，所以柵極電位由Rg2與Rg1對(duì)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(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管或耗盡型MOS管組成的放大電路，還適用于增強(qiáng)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(diǎn)的確定1.估算法求靜態(tài)工作點(diǎn),對(duì)場(chǎng)效應(yīng)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(diǎn)。,.,47,工作在飽和區(qū)時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管漏極電流:結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管和耗盡型MOS管的漏極電流,增強(qiáng)型MOS管的漏極電流,.,48,求靜態(tài)工作點(diǎn)時(shí)，對(duì)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(duì)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(shè)場(chǎng)效應(yīng)管為M