第5章 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路.ppt

1、模擬電子電路,機(jī)電工程學(xué)院 肖林榮,5 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路,5.1 金屬-氧化物-半導(dǎo)體（MOS）場(chǎng)效應(yīng)管,5.3 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JFET）,*5.4 砷化鎵金屬-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管,5.5 各種放大器件電路性能比較,5.2 MOSFET放大電路,5.1 金屬-氧化物-半導(dǎo)體（MOS）場(chǎng)效應(yīng)管,5.1.1 N溝道增強(qiáng)型MOSFET,5.1.5 MOSFET的主要參數(shù),5.1.2 N溝道耗盡型MOSFET,5.1.3 P溝道MOSFET,5.1.4 溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng),場(chǎng)效應(yīng)管分類(lèi),結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管,絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管,特點(diǎn),單極型器件(一種載流子導(dǎo)電)；,輸入電阻高；,工藝簡(jiǎn)單、易集成、功耗小、體積小、成本低

2、。,場(chǎng)效應(yīng)管：是利用輸入回路的電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)效應(yīng)來(lái)控制輸出回路電流的三極管. 一種載流子參與導(dǎo)電，又稱(chēng)單極型三極管。,P溝道,耗盡型,P溝道,P溝道,（耗盡型）,場(chǎng)效應(yīng)管的分類(lèi)：,Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,Junction Field Effect Transistor,5.1.1 N溝道增強(qiáng)型MOSFET,剖面圖,1. 結(jié)構(gòu)（N溝道）,符號(hào),在一塊摻雜濃度較低的P型硅襯底上，制作兩個(gè)高摻雜濃度的N+區(qū)，并用金屬鋁引出兩個(gè)電極，分別作漏極d和源極s。,然后在半導(dǎo)體表面復(fù)蓋一層很薄的二氧化硅(SiO2)絕緣層，在漏-源極間

3、的絕緣層上再裝上一個(gè)鋁電極,作為柵極g。柵極與其它電極間是絕緣的。 在襯底上也引出一個(gè)電極B，這就構(gòu)成了一個(gè)N溝道增強(qiáng)型MOS管。MOS管的源極和襯底通常是接在一起的(大多數(shù)管子在出廠前已連接好)。,5.1.1 N溝道增強(qiáng)型MOSFET,1. 結(jié)構(gòu)（N溝道）,L ：溝道長(zhǎng)度,W ：溝道寬度,tox ：絕緣層厚度,通常 W L,（動(dòng)畫(huà)2-3）,5.1.1 N溝道增強(qiáng)型MOSFET,2. 工作原理,（1）vGS對(duì)溝道的控制作用,當(dāng)vGS=0時(shí),漏源之間相當(dāng)于兩個(gè)背靠背的 PN 結(jié),無(wú)導(dǎo)電溝道， d、s間加電壓時(shí)，也無(wú)電流產(chǎn)生。,當(dāng)0vGS VT 時(shí),產(chǎn)生電場(chǎng)，但未形成導(dǎo)電溝道（感生溝道），d、s間

4、加電壓后，沒(méi)有電流產(chǎn)生。,當(dāng)vGSVT 時(shí),在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生導(dǎo)電溝道，d、s間加電壓后，將有電流產(chǎn)生。,vGS越大，導(dǎo)電溝道越厚,VT 稱(chēng)為開(kāi)啟電壓,絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管利用 vGS 來(lái)控制“感應(yīng)電荷”的多少，改變由這些“感應(yīng)電荷”形成的導(dǎo)電溝道的狀況，以控制漏極電流 ID。,2. 工作原理,（2）vDS對(duì)溝道的控制作用,靠近漏極d處的電位升高,電場(chǎng)強(qiáng)度減小,溝道變薄,當(dāng)vGS一定（vGS VT ）時(shí)，,vDS, iD,溝道電位梯度,整個(gè)溝道呈楔形分布,5.1.1 N溝道增強(qiáng)型MOSFET,當(dāng)vGS一定（vGS VT ）時(shí)，,vDS, iD,溝道電位梯度,當(dāng)vDS增加到使vGD=VT 時(shí)，在緊靠漏極

5、處出現(xiàn)預(yù)夾斷。,2. 工作原理,（2）vDS對(duì)溝道的控制作用,在預(yù)夾斷處：vGD=vGS-vDS =VT,5.1.1 N溝道增強(qiáng)型MOSFET,預(yù)夾斷后，vDS,夾斷區(qū)延長(zhǎng),溝道電阻, iD基本不變,2. 工作原理,（2）vDS對(duì)溝道的控制作用,5.1.1 N溝道增強(qiáng)型MOSFET,2. 工作原理,（3） vDS和vGS同時(shí)作用時(shí),vDS一定，vGS變化時(shí),給定一個(gè)vGS ，就有一條不同的 iD vDS 曲線(xiàn)。,5.1.1 N溝道增強(qiáng)型MOSFET,（4）正常放大時(shí)外加偏置電壓的要求:,2. 工作原理,5.1.1 N溝道增強(qiáng)型MOSFET,3. V-I 特性曲線(xiàn),（1）輸出特性, 截止區(qū) 當(dāng)v

6、GSVT時(shí)，導(dǎo)電溝道尚未形成，iD0，為截止工作狀態(tài)。,5.1.1 N溝道增強(qiáng)型MOSFET,3. V-I 特性曲線(xiàn),（1）輸出特性, 可變電阻區(qū) vDS（vGSVT）,由于vDS較小，可近似為:,rdso是一個(gè)受vGS控制的可變電阻,5.1.1 N溝道增強(qiáng)型MOSFET,3. V-I 特性曲線(xiàn),（1）輸出特性, 可變電阻區(qū),n ：反型層中電子遷移率 Cox ：柵極（與襯底間）氧化層單位面積電容,本征電導(dǎo)因子,其中,Kn為電導(dǎo)常數(shù)，單位：mA/V2,5.1.1 N溝道增強(qiáng)型MOSFET,3. V-I 特性曲線(xiàn),（1）輸出特性, 飽和區(qū) （恒流區(qū)又稱(chēng)放大區(qū)）,vGS VT ，且vDS（vGSVT

7、）,是vGS2VT時(shí)的iD,V-I 特性：,5.1.1 N溝道增強(qiáng)型MOSFET,3. V-I 特性曲線(xiàn),（2）轉(zhuǎn)移特性,5.1.1 N溝道增強(qiáng)型MOSFET,5.1.2 N溝道耗盡型MOSFET,1. 結(jié)構(gòu)和工作原理簡(jiǎn)述（N溝道）,二氧化硅絕緣層中摻有大量的正離子,可以在正或負(fù)的柵源電壓下工作，而且基本上無(wú)柵流,5.1.2 N溝道耗盡型MOSFET,2. V-I 特性曲線(xiàn),（N溝道增強(qiáng)型）,5.1.3 P溝道MOSFET,* 5.1.4 溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng),實(shí)際上飽和區(qū)的曲線(xiàn)并不是平坦的,L的單位為m,當(dāng)不考慮溝道調(diào)制效應(yīng)時(shí)，0，曲線(xiàn)是平坦的。,修正后,5.1.5 MOSFET的主要參數(shù),一、

8、直流參數(shù),1. 開(kāi)啟電壓VT （增強(qiáng)型參數(shù)）,2. 夾斷電壓VP （耗盡型參數(shù)）,3. 飽和漏電流IDSS （耗盡型參數(shù)）,4. 直流輸入電阻RGS （1091015 ）,二、交流參數(shù),1. 輸出電阻rds,5.1.5 MOSFET的主要參數(shù),2. 低頻互導(dǎo)gm,二、交流參數(shù),考慮到,則,其中,對(duì)于N溝道增強(qiáng)型MOSFET ：,5.1.5 MOSFET的主要參數(shù),end,三、極限參數(shù),1. 最大漏極電流IDM,2. 最大耗散功率PDM,3. 最大漏源電壓V（BR）DS,4. 最大柵源電壓V（BR）GS,5.2 MOSFET放大電路,5.2.1 MOSFET放大電路,1. 直流偏置及靜態(tài)工作點(diǎn)的

9、計(jì)算,2. 小信號(hào)模型分析,*5.2.2 帶PMOS負(fù)載的NMOS放大電路,3. MOSFET 三種基本放大電路比較,5.2.1 MOSFET放大電路,1. 直流偏置及靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算,（1）簡(jiǎn)單的共源極放大電路（N溝道）,共源極放大電路,b G , e S , c D,為了使場(chǎng)效應(yīng)管工作在恒流區(qū)實(shí)現(xiàn)放大作用，應(yīng)滿(mǎn)足：,與雙極型三極管對(duì)應(yīng)關(guān)系,5.2.1 MOSFET放大電路,1. 直流偏置及靜態(tài)工作點(diǎn)(VGSQ 、 IDQ VDSQ)的計(jì)算,（1）簡(jiǎn)單的共源極放大電路（N溝道）,假設(shè)工作在飽和區(qū)，即,驗(yàn)證是否滿(mǎn)足,如果不滿(mǎn)足，則說(shuō)明假設(shè)錯(cuò)誤,須滿(mǎn)足VGS VT ，否則工作在截止區(qū),再假設(shè)工作

10、在可變電阻區(qū),即,兩種方法,近似估算法,圖解法,假設(shè)工作在飽和區(qū)(放大區(qū)）,滿(mǎn)足,假設(shè)成立，結(jié)果即為所求。,解：,例5.2.1,設(shè)Rg1=60k，Rg2=40k，Rd=15k，,試計(jì)算電路的靜態(tài)漏極電流IDQ和漏源電壓VDSQ 。,VDD=5V， VT=1V，,5.2.1 MOSFET放大電路,1. 直流偏置及靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算,（2）帶源極電阻的NMOS共源極放大電路(例5.2.2）,假設(shè)工作在飽和區(qū)(放大區(qū)）：,需要驗(yàn)證是否滿(mǎn)足,5.2.1 MOSFET放大電路,1. 直流偏置及靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算,靜態(tài)時(shí)，vI0，VG 0，ID I,電流源偏置,VS VG VGS,（飽和區(qū)）,VDS VD V

11、S =VDDIDRD VS,電流源作偏置的NMOS共源極 放大電路(例5.2.3）,5.2.1 MOSFET放大電路,2. 圖解分析,由于負(fù)載開(kāi)路，交流負(fù)載線(xiàn)與直流負(fù)載線(xiàn)相同,在漏極特性曲線(xiàn)上做直流負(fù)載線(xiàn)， 與 uGS = UGSQ 的交點(diǎn)確定 Q，由 Q 確定 UDSQ 和 IDQ值。,uDS = VDD iDRd,5.2.1 MOSFET放大電路,3. 小信號(hào)模型分析,（1）模型,靜態(tài)值 （直流）,動(dòng)態(tài)值 （交流）,非線(xiàn)性失真項(xiàng),當(dāng)，vgs 2(VGSQ- VT )時(shí)，,5.2.1 MOSFET放大電路,3. 小信號(hào)模型分析,（1）模型,0時(shí),高頻小信號(hào)模型,其他類(lèi)型的MOSFET小信號(hào)模

12、型，在電路形式上一樣，參數(shù)計(jì)算式有所不同，如gm。,2. 小信號(hào)模型分析,解：例5.2.2的直流分析已求得：,（2）放大電路分析（例5.2.5）,s,2. 小信號(hào)模型分析,（2）放大電路分析（例5.2.5）,s,2. 小信號(hào)模型分析,（2）放大電路分析（例5.2.6）,共漏,2. 小信號(hào)模型分析,（2）放大電路分析,共漏,3. MOSFET 三種基本放大電路比較(p.221),共源極放大電路,共漏極放大電路(源極輸出器）,共柵極放大電路,三種基本放大電路的性能比較,組態(tài)對(duì)應(yīng)關(guān)系：,CE,BJT,FET,CS,CC,CD,CB,CG,BJT,FET,CE：,CC：,CB：,CS：,CD：,CG：

13、,三種基本放大電路的性能比較,CE：,CC：,CB：,CS：,CD：,CG：,CE：,CC：,CB：,CS：,CD：,CG：,*5.2.2 帶PMOS負(fù)載的NMOS放大電路,本小節(jié)不作教學(xué)要求，有興趣者自學(xué),end,5.3 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管,5.3.1 JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理,5.3.2 JFET的特性曲線(xiàn)及參數(shù),5.3.3 JFET放大電路的小信號(hào)模型分析法,5.3.1 JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理,1. 結(jié)構(gòu),# 符號(hào)中的箭頭方向表示什么？,(動(dòng)畫(huà)2-8）,2. 工作原理, vGS對(duì)溝道的控制作用,當(dāng)vGS0時(shí),（以N溝道JFET為例）,當(dāng)溝道夾斷時(shí)，對(duì)應(yīng)的柵源電壓vGS稱(chēng)為夾斷電壓VP （ 或

14、VGS(off) ）。,對(duì)于N溝道的JFET，VP 0。,PN結(jié)反偏,耗盡層加厚,溝道變窄。,vGS繼續(xù)減小，溝道繼續(xù)變窄。,（動(dòng)畫(huà)2-9）,5.3.1 JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理, vDS對(duì)溝道的控制作用,當(dāng)vGS=0時(shí)，,vDS,iD ,g、d間PN結(jié)的反向電壓增加，使靠近漏極處的耗盡層加寬，溝道變窄，從上至下呈楔形分布。,當(dāng)vDS增加到使vGD=VP 時(shí)，在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷。,此時(shí)vDS ,夾斷區(qū)延長(zhǎng),溝道電阻,iD基本不變,5.3.1 JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理, vGS和vDS同時(shí)作用時(shí),當(dāng)VP vGS0 時(shí)，導(dǎo)電溝道更容易夾斷，,對(duì)于同樣的vDS ， iD的值比vGS=0時(shí)的值要小

15、。,在預(yù)夾斷處,vGD=vGS-vDS =VP,5.3.1 JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理,綜上分析可知,JFET是電壓控制電流器件，iD受vGS控制。,預(yù)夾斷前iD與vDS呈近似線(xiàn)性關(guān)系；預(yù)夾斷后， iD趨于飽和。,# 為什么JFET的輸入電阻比BJT高得多？,JFET柵極與溝道間的PN結(jié)是反向偏置的，因 此iG0，輸入電阻很高。,5.3.2 JFET的特性曲線(xiàn)及參數(shù),2. 轉(zhuǎn)移特性,1. 輸出特性,(VPvGS0),與耗盡型MOSFET類(lèi)似,3. 主要參數(shù),5.3.2 JFET的特性曲線(xiàn)及參數(shù),5.3.3 JFET放大電路的小信號(hào)模型分析法,1. JFET小信號(hào)模型,（1）低頻（及中頻）模型,2. 動(dòng)態(tài)指標(biāo)分析,（1）中頻小信號(hào)等效電路,2. 動(dòng)態(tài)指標(biāo)分析,（2）中頻電壓增益,（3）輸入電阻,（4）輸出電阻,忽略 rds ，,由輸入輸出回路得,則,end,*5.4 砷化鎵金屬-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管,不作教學(xué)要求，有興趣者自學(xué),5.5 各種放大電路性能比較,5.5.1 各種FET特性比較5.5.2 各種放大器件電路性能比較,N 溝 道 增 強(qiáng) 型,絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管,P 溝 道 增 強(qiáng) 型,1.各類(lèi)場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線(xiàn)比較,5.5.1 各種FET特性比較,絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管,1.各類(lèi)場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線(xiàn)比較,N 溝 道 耗 盡 型,P 溝 道 耗 盡 型,結(jié)型場(chǎng)效