第4章場(chǎng)效應(yīng)管放大電路

1、1 第四章 場(chǎng)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(chǎng)效應(yīng)管(FET)：利用電場(chǎng)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)1071015噪聲低，熱穩(wěn) 定性好， 抗輻射能力強(qiáng)，工藝簡(jiǎn)單，便于集成。 根據(jù)結(jié)構(gòu)不同分為：結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(JFET); 絕緣柵型場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)效應(yīng)管又稱(chēng)為單極型晶體管。 2 4.1 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管 4.1.1 JFET的結(jié)構(gòu)和工作原 理 1. 結(jié)構(gòu): N d g s 高攙雜 的P型區(qū)

2、 . N溝道JEFT的示意圖 N型導(dǎo)電 溝道 符號(hào) g d s 對(duì)于N溝道JEFT 工作于放大狀態(tài)， vGS0 g柵極，s源極，d 漏極 3 P d g s 高攙雜的 N型區(qū). P型導(dǎo)電 溝道 P溝道JEFT的示意圖對(duì)于P溝道JEFT 工作于放大狀態(tài)， vGS 0. vDS 0 g d s 符號(hào) 4 2. 工作原理(1) vGS對(duì)iD的控制作用 vGS=0 VpvGSVP且不變 vDS=0，耗盡層均勻 vGSVp vGDVp ：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 。 N d g s N d g s 耗盡層 iD

3、7 vGD=vGS-vDS vDS ，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，vGD vGS-VP) 耗盡層兩邊相接觸的長(zhǎng)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)。 N d g s Ng d s 預(yù)夾 斷 夾斷 長(zhǎng)度 增加 8 4-1-2 N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

4、關(guān)系。 1區(qū): 可變電阻區(qū) 0vGSVP , 0vGDVp 9 2區(qū) ：飽和區(qū) （恒流區(qū)，線性放大區(qū) ） 0 vGS Vp, vGDVp 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(chǎng)效應(yīng)管等 效成一個(gè)受vGS控制的恒 流源。 場(chǎng)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(chǎng)效應(yīng)管一般不能工 作在該區(qū)域內(nèi)。 3區(qū)：截止區(qū) vGSVP ， vGDVP iD=0 場(chǎng)效應(yīng)管截止 11 (2) 轉(zhuǎn)移特性曲線 iD= f (vGS)|vDS= 常

5、 數(shù) 表征柵源電壓vGS對(duì)漏極電流的控制作用， 場(chǎng)效應(yīng)管是電壓控制器件。 在飽和區(qū)內(nèi)，F(xiàn)ET 可看作壓控電流源 。 轉(zhuǎn)移特性方程： iD=IDSS(1-vGS/VP)2 VP IDSS vGS - 0.8 0.4 vG S 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(duì)應(yīng)的電 壓 vGS 稱(chēng)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(chǎng)效應(yīng)管處于飽和區(qū)，且 vGS=0 時(shí)的漏極電流， 對(duì)于結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，為最大工作電流。 低頻互導(dǎo)：gm gm=diD/dvGS|vDS=常數(shù) 反映了柵源電壓對(duì)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

6、的斜率。 13 輸出電阻： rd 輸出電阻反映了vDS對(duì) 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 GS P GS DSS GS D m dv V v dI dv di g 2 )1 ( )1 (2 P GS P DSS m V v V I g 14 4.3 金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng) 管 4.3.1 N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(lái)改變襯底 b表面感 生電荷的多少，從而控制 漏極

7、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(hào) sg d 襯底b P N+N+ 鋁 SiO2MOS場(chǎng)效應(yīng)管的類(lèi)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 d s gb P溝道增強(qiáng)型 MOS管符號(hào) d s gb 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(chǎng)， 該電場(chǎng)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(wú)導(dǎo)電溝道 iD=0 vGS =0時(shí)，

8、iD=0 0vGSV T 剛形成反型層所需的 vGS 的值 開(kāi)啟電壓VT 。 vGSVT，溝道形成， vDS0時(shí)，將形成電 流iD。 vGS ，溝道加寬，溝道電阻， iD 。 g P d s N+N+ 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 vGSVT且不變 , vDS對(duì)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ds，電位逐漸下降, sio2中電場(chǎng)沿溝道ds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(chǎng)效應(yīng)管等

9、效為小電阻（可變電 阻區(qū)）。 P N+N+ g ds 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。 g d P N+N+ s s g d s P N+N+ 19 3 、特性曲線 1區(qū)：可變電阻區(qū): vGSVT vGDVT 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)） vGSVT vGD

10、VT iD=IDO(vGS/VT)-12 IDO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) vGSV T vGDVTP T1截止 vGSN=VDDVTN T2導(dǎo)通 vo=0 vi=0 vGSP= -VDD VTP T1導(dǎo)通 vGSN=00 , iD為電子電流, iDS0（電流實(shí)際方向流入漏極） P溝道： vDS0 , iD為空穴電流, iDS0 （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

11、，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(chǎng)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(duì)值達(dá)最大） 轉(zhuǎn)移特性 ： N溝道 vGS iDS vGS iDS P溝道 23 4.4 場(chǎng)效應(yīng)管放大電 路 4.4.1 FET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 Rd VDD s g RG d b 直流偏置電 路 Rd VDD s g RG d b RS 適應(yīng)于耗盡 型MOS場(chǎng)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

12、可負(fù), 適應(yīng)于任何一種類(lèi)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(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性方程 Rd VDD s g Rg1 d b RSRg2 Rg3 SDDD gg g SGGS RIV RR R VVV 21 2 增強(qiáng)型MOS 管 J型、耗盡型MOS 管 的值時(shí)是 DTGSDO T GS DOD iVVI V V II 2 )1( 2 2 )1 ( P GS DSSD V V II 25 例 . ,5 . 0,1 ,18,2,30 ,10,47,2 321 點(diǎn)確定Q mAIVV VVKRKR MRKRMR DSSP DDD ggg DSDDD gg g GS IRIV RR R V

13、24 . 0 21 2 22 )1 (5 .0)1 ( GS P GS DSSD V V V II mAImAI DD 31. 0,59. 1 Rg3 s g R Rd VDD Rg1 d Rg2 J型管iD不能大于 IDSS 1.59mA的結(jié)果舍 去 ID=0.31mA VRRIVV VV dDDDDS GS 1 . 8)( 22. 0 26 4.4.2 FET的小信號(hào)模型分析法 FET的低頻小信號(hào)簡(jiǎn)化模型 g d s gs V gsmV g ds V FET低頻小信號(hào)模 型 rd rgs g d s gs V gsmV g ds V cgs cgd cds FET高頻小信號(hào)模 型. rgs

14、 gd s gs V gsmV g ds V rd 27 應(yīng)用小信號(hào)模型分析FET的放大電路 共源放大共源放大: gs dgsm i o V V RVg V V A 如果接有外負(fù)載 RL )/( LdmV RRgA i V Rd VDD s g Rg1 d b RRg2 Rg3 o V Rg=Rg1/Rg2 Rg Rg3 g d s i V gsmV g o V RdR L RL 213 / gggi RRRR dmV RgA do RR 28 源極電阻上無(wú)并聯(lián)電容: 共源電路的特點(diǎn): 電壓增益大, 輸出電壓和輸入電壓反相. 輸入電阻高, 輸出電阻由漏極電阻Rd決定. RVgV RVg V V A gsmgs dgsm i o V gsmV g s R g d Rg3 Rg, Rd i V o V do