場效應(yīng)管放大電路jxa講訴

1、返回第四章場效應(yīng)管放大電路由于半導(dǎo)體三極管工作在放大狀態(tài)時(shí)，必須保證發(fā)射結(jié)正偏，故輸入端始終存在輸入電流。改變輸入電流就可改變輸出電流，所以三極管是電流控制器件，因而三極管組成的放大器，其輸入電阻不高。場效應(yīng)管是通過改變輸入電壓 (即利用電場效應(yīng) )來控制輸出電流的，屬于電壓控制器件，它不吸收信號(hào)源電流，不消耗信號(hào)源功率，因此輸入電阻十分高，可高達(dá)上百兆歐。除此之外，場效應(yīng)管還具有溫度穩(wěn)定性好，抗輻射能力強(qiáng)、噪聲低、制造工藝簡單、便于集成等優(yōu)點(diǎn)，所得到廣泛的應(yīng)用。場效應(yīng)管分為結(jié)型場效應(yīng)管 (JFET)和絕緣柵場效應(yīng)管 (IGFET) ，目前最常用的 MOS 管。由于半導(dǎo)體三極管參與導(dǎo)電的兩種極

2、性的載流子，電子和空穴，所以又稱為半導(dǎo)體三極管雙極性三極管。場效應(yīng)管僅依靠一種極性的載流子導(dǎo)電，所以又稱為單極性三極管。FETField Effect transistorJFETJunction Field Effect transistorIGFET Insulated Gate Field Effect TransistorMOS Metal-Oxide-Semiconductor1 結(jié)型場效應(yīng)管一、結(jié)構(gòu)結(jié)型場效應(yīng)管有兩種結(jié)構(gòu)形式。 N 型溝道結(jié)型場效應(yīng)管和 P 型溝道結(jié)型場效應(yīng)管。以 N 溝道為例。在一塊 N 型硅半導(dǎo)體材料的的兩邊，利用合金法、擴(kuò)散法或其它工藝做成高濃度的 P+型區(qū)，

3、使之形成兩個(gè) PN 結(jié)，然后將兩邊的 P+型區(qū)連在一起，引出一個(gè)電極，稱為柵極G。在 N 型半導(dǎo)體兩端各引出一個(gè)電極， 分別作為源極 S 和漏極 D。夾在兩個(gè) PN 結(jié)中間的 N型區(qū)是源極與漏極之間的電流通道，稱為導(dǎo)電溝道。由于N 型半導(dǎo)體多數(shù)載流子是電子，故此溝道稱為 N 型溝道。同理， P 型溝道結(jié)型場效應(yīng)管中，溝道是P 型區(qū)，稱為 P 型溝道，柵極與 N 型區(qū)相連。電路符號(hào)如圖所示，箭頭方向可理解為兩個(gè)PN 結(jié)的正向?qū)щ姺较?。二、工作原理從結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)可看出， 我們?cè)?D、S 間加上電壓 UDS，則在源極和漏極之間形成電流 ID。我們通過改變柵極和源極的反向電壓 UGS，則可以改變

4、兩個(gè) PN 結(jié)阻檔層 (耗盡層 )的寬度。由于柵極區(qū)是高摻雜區(qū)，所以阻擋層主要降在溝道區(qū)。故|UGS|的改變，會(huì)引起溝道寬度的變化，其溝道電阻也隨之而變，從而改變了漏極電流 I D。如 |U GS|上升，則溝道變窄，電阻增加， I D 下降。反之亦然。所以改變 UGS 的大小，可以控制漏極電流。這是場效應(yīng)管工作的基本原理，也是核心部分。下面我們?cè)敿?xì)討論。11UGS 對(duì)導(dǎo)電溝道的影響為了便于討論，先假設(shè)UDS=0。(a)UGS=0(b)U GS0當(dāng) UGS 由零向負(fù)值增大時(shí)， PN 結(jié)的阻擋層加厚，溝道變窄，電阻增大。(c)UGS=Up若 UGS 的負(fù)值再進(jìn)一步增大，當(dāng) UGS=Up 時(shí)，兩個(gè)

5、PN 結(jié)的阻擋層相遇，溝道消失，我們稱溝道被“夾斷”了， UP 稱為夾斷電壓，此時(shí) ID=0。2I D 與 UDS、 UGS 之間的關(guān)系假定：柵、源電壓 |UGS|0(=0)S O由柵極指向 P 型襯底的電場。這個(gè)電場排斥空穴吸引電子，當(dāng)UGSUT 時(shí)，在絕緣柵下的 P型區(qū)中形成了一層以電子為主的N 型層。由于源極和漏極均為N+型，故此 N 型層在漏、源極間形成電子導(dǎo)電的溝道，稱為N 型溝道。 UT 稱為開啟電壓，此時(shí)在漏、源極間加UDS，則形成電流 I D。顯然，此時(shí)改變 U GS 則可改變溝道的寬窄，即改變溝道電阻大小，從而控制了漏極電流 I D 的大小。由于這類場效應(yīng)管在 UGS=0 時(shí)

6、， ID=0，只有在 UGSUT 后才出現(xiàn)溝道，形成電流，故稱為增強(qiáng)型。3特性曲線N 溝道增強(qiáng)型場效應(yīng)管，也用轉(zhuǎn)移特性、輸出特性表示 ID 、UGS、U DS 之間的關(guān)系，如下圖所示。轉(zhuǎn)移特性： UGS 0 時(shí)，將產(chǎn)生較大的漏極電流 ID。如果使UGS0，則它將削弱正離子所形成的電場，使 N 溝道變窄，從而使 ID 減小。當(dāng) UGS 更負(fù)，達(dá)到某一數(shù)值時(shí)溝道消失， I D=0。使D=0的UGS 我們也稱為夾斷電壓，仍用UP 表示。 UGSP溝道消失，稱IU為耗盡型。53特性曲線N 溝道 MOS 耗盡型場效應(yīng)管的特性曲線如下圖所示，也分為轉(zhuǎn)移特性和輸出特性。 其中：I DSS U GS=0 時(shí)的

7、漏極電流。UP 夾斷電壓，使 I D=0 對(duì)應(yīng)的 U GS 的值。P 溝道場效應(yīng)管的工作原理與 N 溝道類似。我們不再討論。下面我們看一下各類絕緣柵場效應(yīng)管 (MOS 場效應(yīng)管 )在電路中的符號(hào)。3 場效應(yīng)管的主要參數(shù)場效應(yīng)管主要參數(shù)包括直流參數(shù)、交流參數(shù)、極限參數(shù)三部分。一、直流參數(shù)1飽合漏極電流I DSSI DSS 是耗盡型和結(jié)型場效應(yīng)管的一個(gè)重要參數(shù)。定義：當(dāng)柵、源極之間的電壓 UGS=0，而漏、源極之間的電壓 UDS 大于夾斷電壓 UP 時(shí)對(duì)應(yīng)的漏極電流。62夾斷電壓 UPUP 也是耗盡型和結(jié)型場效應(yīng)管的重要參數(shù)。定義：當(dāng) UDS 一定時(shí)，使 ID 減小到某一個(gè)微小電流 (如 1A ，

8、 50A) 時(shí)所需 UGS 的值。3開啟電壓 UTUT 是增強(qiáng)型場效應(yīng)管的重要參數(shù)。定義：當(dāng) UDS 一定時(shí)，漏極電流 ID 達(dá)到某一數(shù)值 (如 10 A) 時(shí)所需加的 UGS 值。4直流輸入電阻 RGSRGS 是柵、源之間所加電壓與產(chǎn)生的柵極電流之比， 由于柵極幾乎不索取電流， 因此輸入電阻很高，結(jié)型為 106 以上， MOS 管可達(dá) 1010以上。二、交流參數(shù)1低頻跨導(dǎo) gm此參數(shù)是描述柵、源電壓UGS 對(duì)漏極電流的控制作用，它的定義是當(dāng)UDS 一定時(shí)， ID 與UGS 的變化量之比，即I DgmU GS U DS 常數(shù)跨導(dǎo) gm 的單位是 mA/V 。它的值可由轉(zhuǎn)移特性或輸出特性求得。在

9、轉(zhuǎn)移特性上工作點(diǎn)Q外切線的斜率即是 gm?；蛴奢敵鎏匦钥?，在工作點(diǎn)處作一條垂直橫坐標(biāo)的直線(表示 UDS=常數(shù))，在 Q 點(diǎn)上下取一個(gè)較小的柵、源電壓變化量UGS，然后從縱坐標(biāo)上找到相應(yīng)的漏極電流的變化量I DUGS，則DUGS。/gm= I /U GS2I DI DSS 1U P此外。對(duì)結(jié)型場效應(yīng)管，可由求得gmI D2I DSS (1U GS )U GSU PU P只要將工作點(diǎn)處的UGS 值代入就可求得gm2極間電容場效應(yīng)管三個(gè)極間的電容。包括 CGS、CGD 和 CDS。這些極間電容愈小，則管子的高頻性能愈好。一般為幾個(gè) pF。三、極限參數(shù)1漏極最大允許耗散功率PDmPDm=IDUDS2

10、漏源間擊穿電壓BUDS在場效應(yīng)管輸出特性曲線上，當(dāng)漏極電流 I D 急劇上升產(chǎn)生雪崩擊穿時(shí)的 UDS。工作時(shí)，外加在漏極、源極之間的電壓不得超過此值。3柵源間擊穿電壓BUGS結(jié)型場效應(yīng)管正常工作時(shí)，柵、源之間的 PN 結(jié)處于反向偏置狀態(tài)，若 UGS 過高， PN 結(jié)將被擊穿。對(duì)于 MOS 管，柵源極擊穿后不能恢復(fù)，因?yàn)闁艠O與溝道間的Si O2 被擊穿屬破壞性擊穿。74 場效應(yīng)管的特點(diǎn)場效應(yīng)管具有放大作用，可以組成各種放大電路，它與雙極性三極管相比，具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：1、場效應(yīng)管是一種電壓控制器件通過 UGS 來控制 ID。而雙極性三極管是電流控制器件，通過IB 來控制 I C。2、場效應(yīng)管輸入

11、端幾乎沒有電流場效應(yīng)管工作時(shí)，柵、源極之間的 PN 結(jié)處于反向偏置狀態(tài)，輸入端幾乎沒有電流。所以其直流輸入電阻和交流輸入電阻都非常高。而雙極性三極管，發(fā)射結(jié)始終處于正向偏置，總是存在輸入電流，故 b、e 極間的輸入電阻較小。3、場效應(yīng)管利用多子導(dǎo)電由于場效應(yīng)管是利用多數(shù)載流子導(dǎo)電的，因此，與雙極性三極管相比，具有噪聲小、受幅射的影響小、熱穩(wěn)定性好而且存在零溫度系數(shù)工作點(diǎn)等特性。4、場效應(yīng)管的源漏極有時(shí)可以互換使用由于場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)對(duì)稱， 有時(shí)漏極和源極可以互換使用， 而各項(xiàng)指標(biāo)基本上不受影響。因此使用時(shí)比較方便、靈活對(duì)于有的絕緣柵場效應(yīng)管，制造時(shí)源極已和襯底連在一起，則源極和漏極不能互換。5、

12、場效應(yīng)管的制造工藝簡單，便于大規(guī)模集成每個(gè) MOS 場效應(yīng)管在硅片上所占的面積只有雙極性三極管的5%，因此集成度更高。6、MOS 管輸入電阻高，柵源極容易被靜電擊穿MOS 場效應(yīng)管的輸入電阻可高達(dá) 1015，因此，由外界靜電感應(yīng)所產(chǎn)生的電荷不易泄漏。而柵極上的 SiO2 絕緣層雙很薄，這將在柵極上產(chǎn)生很高的電場強(qiáng)度，以致引起絕緣層擊穿而損壞管子。7、場效應(yīng)管的跨導(dǎo)較小組成放大電路時(shí)，在相同負(fù)載電阻下，電壓放大倍數(shù)比雙極性三極管低。5 場效應(yīng)管放大電路根據(jù)前面講的場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和工作原理，和雙極性三極管比較可知，場效應(yīng)管具有放大作用，它的三個(gè)極和雙極性三極管的三個(gè)極存在著對(duì)應(yīng)關(guān)系即：G(柵極 )

13、b(基極 )S(源極 )e(發(fā)射極 )D(漏極 )c(集電極 )所以根據(jù)雙極性三極管放大電路，可組成相應(yīng)的場效應(yīng)管放大電路。但由于兩種放大器件各自的特點(diǎn)，故不能將雙極性三極管放大電路的三極管簡單地用場效應(yīng)管取代，組成場效應(yīng)管放大電路。雙極性三極管是電流控制器件，組成放大電路時(shí)，應(yīng)給雙極性三極管設(shè)置偏置偏流，而場效應(yīng)管是電壓控制器件，故組成放大電路時(shí)，應(yīng)給場效應(yīng)管設(shè)置偏壓，保證放大電路具有合適的工作點(diǎn)，避免輸出波形產(chǎn)生嚴(yán)重的非線性失真。一、靜態(tài)工作點(diǎn)與偏置電路由于場效應(yīng)管種類較多，故采用的偏置電路，其電壓極性必須考慮。下面以N 溝道為例進(jìn)行討論。N 溝道的結(jié)型場效應(yīng)管只能工作在UGS0，而耗盡型

14、工作在UGS0。11自給偏壓偏置電路右圖給出的是一種稱為自給偏壓電路的偏置電路，它適用于結(jié)型場效應(yīng)管或耗盡型場效應(yīng)管。它依靠漏極電流 I D 在 Re 上的電壓降提供柵極偏壓。即UGS=I DRS同樣，在 RS 上要并聯(lián)一個(gè)足夠大的旁路電容。由場效應(yīng)管的工作原理我們知道 ID 是隨 UGS 變化的，而現(xiàn)在 UGS 又取決于 I D 的大小，怎么確定靜態(tài)工作點(diǎn)的 ID 和 UGS 的值呢？一般可采用兩種方法：圖解法和計(jì)算法。圖解法首先，作直流負(fù)載線，由漏極回路寫出方程UDS=UDD ID (RD +RS)由此在輸出特性曲線上做出直流負(fù)載線 AB ，將此直流負(fù)載線逐點(diǎn)轉(zhuǎn)到 uGSiD 坐標(biāo)，得到對(duì)

15、應(yīng)直流負(fù)載線的轉(zhuǎn)移特性曲線 CD，再由 UGS=ID RS 在轉(zhuǎn)移特性坐標(biāo)中作另一條直線，兩線的交點(diǎn)即為 Q 點(diǎn)。計(jì)算法I DI DSS (1U GS )2U PU GSI D RS【例】電路如上頁圖，場效應(yīng)管為 3DJG，其輸出特性曲線如下圖所示，已知 RD=2k，RS=1.2k， UDD=15V，試用圖解法確定該放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)。解：寫出輸出回路的電壓電流方程，即直流負(fù)載線方程。9UDS=U(R +R )DD ID DSU DD15UDS =0V 時(shí)I D4.7mA設(shè)RDRS2 1.2I D=0mA 時(shí)U DS15V在輸出特性圖上將上述兩點(diǎn)相連得直流負(fù)載線。再根據(jù)上述直流負(fù)載線與輸出特性

16、曲線簇的交點(diǎn)， 轉(zhuǎn)移到 uGSi D 坐標(biāo)系中，畫出相應(yīng)于該直流負(fù)載線的轉(zhuǎn)移特性曲線。在轉(zhuǎn)移特性曲線上，做出 UGS=I DRS 的曲線。它在 uGSi D 坐標(biāo)系中是一條直線，找出兩點(diǎn)即可。令I(lǐng) D=0GSU =0I D=3mA UGS=3.6V連接這兩點(diǎn)，在 uGSi D 坐標(biāo)系中得一直線，此直線與轉(zhuǎn)移特性曲線的交點(diǎn)即為Q 點(diǎn)，對(duì)應(yīng) Q 點(diǎn)的值為：I D=2.5mAUGS=3VUDS=7V2分壓式偏置電路分壓式偏置電路也是一種常用的偏置電路，該種電路適用于所有類型的場效應(yīng)管，如下圖所示，為了不使分壓電阻 R1、 R2 對(duì)放大電路的輸入電阻影響太大，故通過 RG 與柵極相連。該電路柵、源電壓

17、為：R1U GSU G U SU DD I D RSR1R2圖解法同上，不過 I D=0，UGS 不等于 0，而為U GSR1U DDR1R2計(jì)算法聯(lián)立解下面方程組：U GSU GU SR1U DDI D RSR1R2I DI DSS (1U GS )2U P【例】試計(jì)算上圖的靜態(tài)工作點(diǎn)。已知 R1=50k， R2=150k，RG=1M ，RD =RS=10k ，RL =1M， CS=100F，UDD=20V，場效應(yīng)管為 3DJF，其 Up =5V， IDSS=1mA 。解：105020 10 I DU GS501502I D1 1U GS5即U GS510 I D2I D1U GS5將 UG

18、S 代入 ID 式得：I D1510 I2D4I D259I D40I D0.61mAU GS 50.61 101.1V漏極對(duì)地電壓為： UD =UDD IDRD=200.6110=13.9V二、場效應(yīng)管的微變等效電路由于場效應(yīng)管輸入端不取電流，輸入電阻極大，故輸入端可視為開路。場效應(yīng)管僅存在如下關(guān)系：i Df (uGS ,uDS )di DiDduGSiDduDSuGS U DSuDS U GSgmi DuGS U DS1i Dr DuDS U GSi dgmugs1 udsrDgmI D2I DSS (1U GS )U GSU PU Pr D 很大，可以認(rèn)為開路。idgmugs根據(jù)電路方程

19、可畫出等效電路如右上圖所示。三、共源極放大電路放大電路和微變等效電路如下圖與示。場效應(yīng)管放大電路的動(dòng)態(tài)分析同雙極性三極管，也是求電壓放大倍數(shù) Au、輸入電阻 ri 和輸出電阻 ro。111電壓放大倍數(shù)根據(jù)電壓放大倍數(shù)的定義U oAuU i由等效電路可得：U ogmU gs RL再找出 Uo 和 Ui 的關(guān)系，即 Ugs 和 Ui 的關(guān)系，從等效電路可得：Ui=Ugs所以：Augm RL2輸入電阻ri RGR1/ R23輸出電阻roRD四、共漏極放大器 (源極輸出器 )電路和等效電路如下圖所示。同樣求電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻。1電壓放大倍數(shù)根據(jù)電壓放大倍數(shù)的定義12U oAuU i從等效電路可得：又有UigsoU o gmU gs RLgsi Uo=U