模擬電子PPT學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1 模擬電子模擬電子 第第4章章 場效應(yīng)管及其電路場效應(yīng)管及其電路 【本章難點 】MOS管的原理和轉(zhuǎn)移特性及主要參數(shù) 場效應(yīng)管的微變等效電路法 【本章要點】MOS管的原理、特性和主要參數(shù) 結(jié)型場效應(yīng)管原理、特性及主要參數(shù) 場效應(yīng)管放大電路的組成與原理 第1頁/共36頁 第第4章章 場效應(yīng)管及其電路場效應(yīng)管及其電路 場效應(yīng)管(FET)是一種電壓控制器件，它是利用輸入電壓 產(chǎn)生電場效應(yīng)來控制輸出電流的。它具有輸入電阻高、噪聲 低、熱穩(wěn)定性好、耗電省等優(yōu)點，目前已被廣泛應(yīng)用于各種 電子電路中。 場效應(yīng)管按其結(jié)構(gòu)不同分為結(jié)型(JFET)和絕緣柵型 (IGFET)兩種，其中絕緣柵型場效應(yīng)管由于其制

2、造工藝簡單， 便于大規(guī)模集成，因此應(yīng)用更為廣泛。 第2頁/共36頁 4.1 絕緣柵場效應(yīng)管(MOSFET) 第第4章章 場效應(yīng)管及其電路場效應(yīng)管及其電路 絕緣柵型場效應(yīng)管簡稱MOS管，由于其內(nèi)部由金屬氧 化物半導(dǎo)體三種材料制成，可分為增強型和耗盡型兩大類 ，每類中又有N溝道和P溝道之分。 4.1.1 N溝道增強型場效應(yīng)管溝道增強型場效應(yīng)管(NMOS管管) 1結(jié)構(gòu) 如圖4-1（a）所示，在一塊摻雜濃度較低的P型硅片上 ，通過擴散工藝形成兩個高摻雜的 區(qū)，通過金屬鋁引出兩 個電極分別作為源極S和漏極D，再在半導(dǎo)體表面覆蓋一層 二氧化硅絕緣層，在源漏極之間的絕緣層上制作一鋁電極， 作為柵極G。 N

3、第3頁/共36頁 4.1 絕緣柵場效應(yīng)管(MOSFET) 第第4章章 場效應(yīng)管及其電路場效應(yīng)管及其電路 (a)結(jié)構(gòu)示意圖 (b)電路符號 圖4-1 N溝道增強型MOS管 第4頁/共36頁 4.1 絕緣柵場效應(yīng)管(MOSFET) 第第4章章 場效應(yīng)管及其電路場效應(yīng)管及其電路 2工作原理 (1) 柵源電壓 時的情況 GS 0u 如圖4-2所示，漏源之 間為一條由半導(dǎo)體N-P-N組 成的兩個反向串聯(lián)的PN結(jié)， 因此即使加入漏源電壓 ， 因無導(dǎo)電溝道形成，漏極電 流 。 D 0i DS u 圖4-2 時的情況 GS 0u 第5頁/共36頁 4.1 絕緣柵場效應(yīng)管(MOSFET) 第第4章章 場效應(yīng)管及

4、其電路場效應(yīng)管及其電路 2工作原理 如圖4-3所示，由P型 半導(dǎo)體轉(zhuǎn)化成的N型薄層 ，被稱為反型層。反型層 使漏源之間形成一條由半 導(dǎo)體N-N-N組成的導(dǎo)電溝 道 。若此時加入漏源電壓 ，就會有漏極電流 產(chǎn)生 。 (2) 柵源電壓 ，漏源電壓 時的情況 GS 0u DS 0u 柵源電壓 , 漏源電壓 時的情況 GS 0u DS 0u 圖4-3 DS u D i 第6頁/共36頁 4.1 絕緣柵場效應(yīng)管(MOSFET) 第第4章章 場效應(yīng)管及其電路場效應(yīng)管及其電路 3特性曲線 (1)轉(zhuǎn)移特性曲線 轉(zhuǎn)移特性曲線是指增強型NMOS管在漏源電壓一定 時，輸出電流 與輸入電壓 的關(guān)系曲線， 即 D i

5、GS u DGSDS ()if uu 常數(shù) 轉(zhuǎn)移特性曲線的表達式為 2 GS DDO T 1 u iI U - GST uU DO I GST 2uU 是 時的 值, 為開啟電壓。 D i T U 圖4-4 轉(zhuǎn)移特性曲線 （4-1） 第7頁/共36頁 4.1 絕緣柵場效應(yīng)管(MOSFET) 第第4章章 場效應(yīng)管及其電路場效應(yīng)管及其電路 (2)輸出特性曲線 輸出特性是指增強型 NMOS管在柵源電壓 一定 時，輸出電流 與漏源電壓 的關(guān)系曲線，如圖4-5所示， 其函數(shù)關(guān)系式為 GS u D i DS u DDSGS ()if uu 常數(shù) 圖4-5 輸出特性曲線 第8頁/共36頁 4.1 絕緣柵場效

6、應(yīng)管(MOSFET) 第第4章章 場效應(yīng)管及其電路場效應(yīng)管及其電路 4.1.2 P溝道增強型場效應(yīng)管溝道增強型場效應(yīng)管(PMOS管管) P溝道增強型MOS管和N溝道增強型MOS管的主要區(qū) 別在于作為襯底的半導(dǎo)體材料的類型不同，P溝道增強型 MOS管以N型硅作為襯底，另外，漏極和源極是從 引出 ，反型層為P型，對應(yīng)的導(dǎo)電溝道也為P型結(jié)構(gòu)，其符號如 圖4-6所示。 P D S G 襯底 VT 實際應(yīng)用中，常常將P溝道增強 型MOS管和N溝道增強型MOS管結(jié)合 起來使用，稱為CMOS，也可稱為互 補MOS。 圖4-6 P溝道增強型 MOS管電路符號 第9頁/共36頁 4.1 絕緣柵場效應(yīng)管(MOSF

7、ET) 第第4章章 場效應(yīng)管及其電路場效應(yīng)管及其電路 4.1.3 N溝道耗盡型場效應(yīng)管溝道耗盡型場效應(yīng)管 N溝道耗盡型MOS管在制造時，在二氧化硅絕緣層中 預(yù)先摻入了大量的正離子。因而使 ,P襯底表面也可感 應(yīng)出較多的自由電子，形成反型層，建立起導(dǎo)電溝道,其結(jié) 構(gòu)如圖4-7（a）所示。 GS 0u 將 時有導(dǎo)電溝道存在的場效應(yīng)管通稱為耗盡型 場效應(yīng)管，符號中導(dǎo)電溝道用實線表示。 GS 0u 第10頁/共36頁 4.1 絕緣柵場效應(yīng)管(MOSFET) 第第4章章 場效應(yīng)管及其電路場效應(yīng)管及其電路 (a)結(jié)構(gòu)示意圖 (b)電路符號 N溝道耗盡型MOS管其漏極電流 和柵源電壓 之 間的關(guān)系表達式為

8、D i GS u 2 GS DDSS P 1 u iI U - 圖4-7 N溝道耗盡型MOS管 (4-2) 第11頁/共36頁 4.1 絕緣柵場效應(yīng)管(MOSFET) 第第4章章 場效應(yīng)管及其電路場效應(yīng)管及其電路 4.1.4 P溝道耗盡型場效應(yīng)管溝道耗盡型場效應(yīng)管 P溝道耗盡型MOS管除了漏極、源極和襯底的半導(dǎo)體 材料類型與N溝道耗盡型MOS管的對偶外，還有一個明顯的 區(qū)別就是在二氧化硅絕緣層中摻入的是負離子，其符號如 圖4-8所示。 D S G 襯底 VT 圖4-8 P溝道耗盡型MOS管電路符號 第12頁/共36頁 4.2 結(jié)型場效應(yīng)管(JFET) 第第4章章 場效應(yīng)管及其電路場效應(yīng)管及其電

9、路 4.2.1 結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu) 結(jié)型場效應(yīng)管其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4-9所示，與絕緣柵型場 效應(yīng)管不同的是漏極D和源極S通?？梢詫φ{(diào)使用。結(jié)型場效 應(yīng)管也可分為N溝道和P溝道兩種。 G D S 耗盡層 漏極 源極 柵極 Text P+ P+ Text N 溝 道 S D G VT 圖4-9 結(jié)型場效應(yīng)管 第13頁/共36頁 4.2 結(jié)型場效應(yīng)管(JFET) 第第4章章 場效應(yīng)管及其電路場效應(yīng)管及其電路 4.2.2 結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理 圖4-10 時， 對導(dǎo)電溝道的影響 0 DS u GS u 第14頁/共36頁 4.2 結(jié)型場效應(yīng)管(JFET) 第第4章

10、章 場效應(yīng)管及其電路場效應(yīng)管及其電路 如圖4-10 (a)所示，場效應(yīng)管兩側(cè)的PN結(jié)均處于零偏置 ，因此耗盡層很薄，中間的導(dǎo)電溝道最寬，溝道等效電阻 最小。當(dāng) 時，在 作用下，場效應(yīng)管兩側(cè)的耗盡層加 寬，相應(yīng)的中間導(dǎo)電溝道變窄，溝道等效電阻增大，如圖 4-10(b)所示。當(dāng) 的反偏值增大到某一值時，場效應(yīng)管兩 側(cè)的耗盡層相接，導(dǎo)電溝道消失，這種現(xiàn)象稱為夾斷，如 圖4-10(c)所示，發(fā)生夾斷時的柵源電壓即為夾斷電壓 。 此時，溝道等效電阻趨于無窮大，即使加入 ，漏極電流 依然為零。 GS 0u GS u GS u P UDS u D i 第15頁/共36頁 4.2 結(jié)型場效應(yīng)管(JFET) 第

11、第4章章 場效應(yīng)管及其電路場效應(yīng)管及其電路 4.2.3 特性曲線特性曲線 1輸出特性曲線 圖4-11 N溝道JFET特性曲線 圖4-11(a)就是N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的輸出特性曲線，由圖 可見，其工作狀態(tài)分為四個區(qū)域。 第16頁/共36頁 4.2 結(jié)型場效應(yīng)管(JFET) 第第4章章 場效應(yīng)管及其電路場效應(yīng)管及其電路 (1)可變電阻區(qū) 較小，場效應(yīng)管尚未出現(xiàn)預(yù)夾斷的區(qū)域。該工作區(qū) 的特點是： 與 近似成線性關(guān)系，改變 曲線斜率就發(fā) 生變化。因此，工作在該區(qū)的場效應(yīng)管可以看作是一個受 柵源電壓 控制的可變電阻，即壓控電阻。 (2)恒流區(qū) 較大超過 ，輸出特性曲線趨于水平的區(qū)域。在這 一區(qū)域內(nèi)， 與

12、 無關(guān)，只受 控制，是一個受電壓控 制的電流源。場效應(yīng)管作為放大器件應(yīng)用時，均工作在這 一區(qū)域，所以又稱為放大區(qū)。 DS u D i DS u GS u GS u DS u P U D i DS u GS u 第17頁/共36頁 4.2 結(jié)型場效應(yīng)管(JFET) 第第4章章 場效應(yīng)管及其電路場效應(yīng)管及其電路 (3)擊穿區(qū) 值很大，超過漏源擊穿電壓 ，漏極電流 迅 速上升，對應(yīng)輸出特性曲線上翹的部分。擊穿后場效應(yīng)管 不能正常工作，甚至很快燒毀，因此，不允許場效應(yīng)管工 作在此區(qū)域。 (4)截止區(qū) 輸出特性曲線靠近橫軸，漏極電流 的區(qū)域。此時 ，導(dǎo)電溝道被完全夾斷，故也被稱為夾斷區(qū)。 DS u (B

13、R)DS U D i D 0i 第18頁/共36頁 4.2 結(jié)型場效應(yīng)管(JFET) 第第4章章 場效應(yīng)管及其電路場效應(yīng)管及其電路 2轉(zhuǎn)移特性曲線 在N溝道JFET轉(zhuǎn)移特性曲線上， 處的 ,而 處的 。在恒流區(qū)， 與 之間的關(guān)系可近似表示為 GS 0u DDSS iI D 0i P GS Uu D i GS u 2 GS DDSS P 1 u iI U - 條件為： PDS(BR)DS UuU PGS 0Uu 第19頁/共36頁 4.2 結(jié)型場效應(yīng)管(JFET) 第第4章章 場效應(yīng)管及其電路場效應(yīng)管及其電路 4.2.4 場效應(yīng)場效應(yīng)管的主要參數(shù)及使用注意事項管的主要參數(shù)及使用注意事項 1場效應(yīng)

14、管的主要參數(shù) (1) 夾斷電壓 為耗盡型管子(含結(jié)型)的參數(shù),是指 uDS 為某一定值而 iD 減小到某一微小值時的 uGS值。在轉(zhuǎn)移特性曲線上， 處 的 值即為 。 D 0i GS u P U (2) 飽和漏極電流 為耗盡型管子的參數(shù)，是在 時，場效應(yīng)管處于 預(yù)夾斷時的漏極電流。 在轉(zhuǎn)移特性曲線上， 處的 值即為 。 G S 0u GS 0u DSS I D SS I P U D i 第20頁/共36頁 4.2 結(jié)型場效應(yīng)管(JFET) 第第4章章 場效應(yīng)管及其電路場效應(yīng)管及其電路 (3) 開啟電壓 為增強型MOS管的特有參數(shù)，是指 為某一定值，使漏 極電流 為某一微小值(接近于0)時所需的

15、最小 值。 DS u D i GS u (4) 低頻跨導(dǎo) 在 為某一常數(shù)時， 的微變量與相應(yīng) 的微變量之比值 ，即 反映了柵源電壓 對漏極電流 的控制能力，是表征FET放 大能力的一個重要參數(shù)。 T U m g DS u D i GS u DS D m GS d d u i g u 常數(shù) GS u D i (4-3) 第21頁/共36頁 4.2 結(jié)型場效應(yīng)管(JFET) 第第4章章 場效應(yīng)管及其電路場效應(yīng)管及其電路 2使用注意事項 (1) 場效應(yīng)管的漏極和源極通常情況下可以互換使用，但 對于出廠時已將源極和襯底連接在一起的場效應(yīng)管， 使用時應(yīng)注意漏極和源極不能對調(diào)。 (2) 使用時各場效應(yīng)管外

16、加電壓的極性應(yīng)按規(guī)定接入， 特別是結(jié)型場效應(yīng)管應(yīng)注意柵源間加反偏電壓，以保 證較高的輸入電阻。 第22頁/共36頁 4.2 結(jié)型場效應(yīng)管(JFET) 第第4章章 場效應(yīng)管及其電路場效應(yīng)管及其電路 (3) MOS 管應(yīng)注意防止柵極懸空，以免絕緣層因電荷積 累過多無法泄放，導(dǎo)致柵源電壓升高而擊穿二氧化硅絕緣 層，所以貯存時應(yīng)將三個電極短路，焊接時應(yīng)用導(dǎo)線將各 電極連在一起，并且電烙鐵必須良好接地。 (4) MOS 管中若源極與襯底分開，應(yīng)保證襯源間 PN 結(jié)反 偏。通常 P 襯底接低電位，N襯底接高電位。 第23頁/共36頁 4.3 場效應(yīng)管放大電路 第第4章章 場效應(yīng)管及其電路場效應(yīng)管及其電路

17、4.3.1 共源放大電路共源放大電路 1自偏壓電路 圖4-12 自偏壓電路 電路如圖4-12所示，場效應(yīng) 管的直流偏壓是靠源極電阻Rs上 的直流壓降建立的，即 ssDDGSGS 0UUUI RI R 放大電路的柵偏壓是依靠FET 自身電流產(chǎn)生的，故稱為自偏壓 電路。只適合由耗盡型FET(含 JFET)構(gòu)成的放大電路。 (4-4) 第24頁/共36頁 4.3 場效應(yīng)管放大電路 第第4章章 場效應(yīng)管及其電路場效應(yīng)管及其電路 2. 分壓式自偏壓電路 圖4-13 分壓式自偏壓電路 電路的直流偏壓是靠分壓電 阻Rg1、 Rg2和源極電阻Rs共同 建立的，其值為 g2 sDDDGSGS g1g2 R UU

18、UVI R RR (4-5) 第25頁/共36頁 4.3 場效應(yīng)管放大電路 第第4章章 場效應(yīng)管及其電路場效應(yīng)管及其電路 (1) 靜態(tài)分析 g2 GSDDDs g1g2 2 GS DDO T 1 R UVI R RR U II U g2 GSDDDs g1g2 2 GS DDSS P 1 R UVI R RR U II U 增強型 耗盡型 求得ID和UGS后，再求 DSDDDds ()UVIRR 第26頁/共36頁 4.3 場效應(yīng)管放大電路 第第4章章 場效應(yīng)管及其電路場效應(yīng)管及其電路 (2) 動態(tài)分析 FET的簡化H參數(shù)等效電路 圖4-14 FET簡化H參數(shù)等效電路 第27頁/共36頁 4.

19、3 場效應(yīng)管放大電路 第第4章章 場效應(yīng)管及其電路場效應(yīng)管及其電路 圖4-15 FET簡化H參數(shù)等效電路 第28頁/共36頁 4.3 場效應(yīng)管放大電路 第第4章章 場效應(yīng)管及其電路場效應(yīng)管及其電路 電壓放大倍數(shù) u A mgsL o umL igs g U R U Ag R UU LdL / RRR 負號說明共源放大電路的輸出電壓與輸入電壓反相。 輸入電阻 i r ig3g1g2g3 /rRRRR 根據(jù)圖4-15所示的H參數(shù)等效電路，進行動態(tài)分析 (4-6) (4-7) 輸出電阻 o r 采用“分析法”，可求得輸出電阻 od rR (4-8) 第29頁/共36頁 4.3 場效應(yīng)管放大電路 第第4章章 場效應(yīng)管及其電路場效應(yīng)管及其電路 4.3.2 共漏放大電路共漏放大電路 圖4-16是由增強型NMOS管構(gòu)成的共漏放大電路，由其 交流通路可知，漏極為輸入、輸出回路的公共端。由于信號 從源極輸出，故又稱源極輸出器。 圖4-16 共漏放大電路 第30頁/共36頁 4.3 場效應(yīng)管放大電路 第第4章章 場效應(yīng)管及其電路場效應(yīng)管及其電路 1.靜態(tài)分析 直流電路為分壓式自偏壓電路，其靜態(tài)分析 與之相 同。 2.動態(tài)分析 共漏放大電路