模擬電子線路第二章(2)

1、模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路場效應(yīng)管及其應(yīng)用場效應(yīng)管及其應(yīng)用11.4 場效應(yīng)管場效應(yīng)管2.6 場效應(yīng)管放大電路場效應(yīng)管放大電路模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路場效應(yīng)管及其應(yīng)用場效應(yīng)管及其應(yīng)用2引引 言言場效應(yīng)管場效應(yīng)管 FET ( (Field Effect Transistor) )類型：類型：結(jié)型結(jié)型 JFET ( (Junction Field Effect Transistor) )絕緣柵型絕緣柵型 IGFET( (Insulated Gate FET) )也稱金屬氧化物

2、半導(dǎo)體場效應(yīng)管也稱金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管MOSFET （Metal Oxide Semiconductor FET） 是一種用是一種用輸入電壓控輸入電壓控制輸出電流制輸出電流的半導(dǎo)體器件。的半導(dǎo)體器件。從參與導(dǎo)電的載流子來劃分，它有電子作為載流子從參與導(dǎo)電的載流子來劃分，它有電子作為載流子的的N溝道器件溝道器件和空穴作為載流子的和空穴作為載流子的P溝道器件溝道器件模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路場效應(yīng)管及其應(yīng)用場效應(yīng)管及其應(yīng)用3特點(diǎn)：特點(diǎn)：1. 單極型器件單極型器件( (一種載流子導(dǎo)電一種載流子導(dǎo)電) )3. 工藝簡單、易集成、功耗小、

3、工藝簡單、易集成、功耗小、 體積小、成本低體積小、成本低2. 輸入電阻高、噪聲低輸入電阻高、噪聲低 ( (107 1015 ，IGFET 可高達(dá)可高達(dá) 1015 ) )模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路場效應(yīng)管及其應(yīng)用場效應(yīng)管及其應(yīng)用4耗盡層?xùn)艠O柵極(Gate)源極源極(Source)漏極漏極(Drain)模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路場效應(yīng)管及其應(yīng)用場效應(yīng)管及其應(yīng)用5按照類似的方法，將基片換為P型半導(dǎo)體，把兩邊擴(kuò)散的半導(dǎo)體改為N型的，就制成了P溝道的結(jié)型場效應(yīng)管。模 擬 電 子 線

4、 路模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路場效應(yīng)管及其應(yīng)用場效應(yīng)管及其應(yīng)用6(1) vDS=0 0時(shí)時(shí)vGS對溝道的影響對溝道的影響0 DSv此時(shí)溝道被夾斷，此時(shí)溝道被夾斷，對應(yīng)的對應(yīng)的 稱為稱為夾斷電壓用夾斷電壓用 表示表示此時(shí)：此時(shí)：模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路場效應(yīng)管及其應(yīng)用場效應(yīng)管及其應(yīng)用7(2) vGS=0 時(shí)時(shí)vDS對溝道的影響對溝道的影響0 GSvDSvDi此時(shí)溝道出現(xiàn)此時(shí)溝道出現(xiàn) Di溝道電場強(qiáng)度加大溝道電場強(qiáng)度加大基本不變基本不變繼續(xù)增大，夾斷點(diǎn)下移繼續(xù)增大，夾斷點(diǎn)下移DDSiv預(yù)夾斷擊穿

5、思考：vGS不等于零（小于零）不等于零（小于零）溝道如何變化？溝道如何變化？iD如何變化？如何變化？（iD為漏極飽和電流）為漏極飽和電流）增加到：增加到：當(dāng)當(dāng)DSv vGD = VP P vGD = vGS vDS 動(dòng)畫模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路場效應(yīng)管及其應(yīng)用場效應(yīng)管及其應(yīng)用8常數(shù)GSvDSDvfi)(DiGSvDSv可變電阻區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū)(放大區(qū)放大區(qū)) 擊擊穿穿區(qū)區(qū) 截 止 區(qū)N N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的輸出特性曲線溝道結(jié)型場效應(yīng)管的輸出特性曲線輸出特性分為三個(gè)區(qū)：輸出特性分為三個(gè)區(qū)：可變電阻區(qū)：可變電阻區(qū)： vGD = vGS

6、vDS VP, vGS VP飽和區(qū)（放大區(qū)）：飽和區(qū)（放大區(qū)）：vGD = vGS vDS VP截止區(qū)：截止區(qū)：vGD = vGS vDS VP, vGS VP模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路場效應(yīng)管及其應(yīng)用場效應(yīng)管及其應(yīng)用9DiGSvDSv常數(shù)DSvGSDvfi)(PV(a) 漏極輸出特性曲線 (b) 轉(zhuǎn)移特性曲線 2)1 (PGSDSSDVvIi漏極飽和電流漏極飽和電流:DSSI 耗盡型場效應(yīng)管，當(dāng)耗盡型場效應(yīng)管，當(dāng) vGS = 0 時(shí)所對應(yīng)的漏極電流。時(shí)所對應(yīng)的漏極電流。模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線

7、 路模 擬 電 子 線 路場效應(yīng)管及其應(yīng)用場效應(yīng)管及其應(yīng)用10P P溝道溝道JEFTJEFT工作時(shí)：工作時(shí)： 0 GSv模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路場效應(yīng)管及其應(yīng)用場效應(yīng)管及其應(yīng)用11 夾斷電壓夾斷電壓V VP P ( (或或V VGS(offGS(off) ) ) ) 當(dāng)當(dāng)vGSGS= = V VP P時(shí)，漏極電流為零。時(shí)，漏極電流為零。 飽和漏電流飽和漏電流IDSS 耗盡型場效應(yīng)三極管，在耗盡型場效應(yīng)三極管，在VGS=0的情況下（飽和區(qū)），的情況下（飽和區(qū)），所對應(yīng)的漏極電流。所對應(yīng)的漏極電流。發(fā)生發(fā)生PNPN結(jié)擊穿，結(jié)擊穿，Di

8、開始急劇上升時(shí)的開始急劇上升時(shí)的DSv的值。的值。 漏源擊穿電壓漏源擊穿電壓 DSBRV)(模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路場效應(yīng)管及其應(yīng)用場效應(yīng)管及其應(yīng)用12 輸入電阻輸入電阻 rgs對于結(jié)型場效應(yīng)三極管，反偏時(shí)對于結(jié)型場效應(yīng)三極管，反偏時(shí)rgs約大于約大于10107 7，對于絕緣，對于絕緣柵場型效應(yīng)三極管，柵場型效應(yīng)三極管，rgs約是約是10109 910101515。 低頻跨導(dǎo)低頻跨導(dǎo)gm ConstvGSDmDSvig|低頻跨導(dǎo)反映了低頻跨導(dǎo)反映了柵源電壓對漏極電流的控制能力柵源電壓對漏極電流的控制能力 。單位是單位是mSmS(

9、(毫西門子毫西門子) )。GSdvVvIdgpGSDSSm)1 (2ppGSDSSVVvI)1 (2模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路場效應(yīng)管及其應(yīng)用場效應(yīng)管及其應(yīng)用13 輸出電阻輸出電阻dsrConstvDDSGDiv 最大漏極功耗最大漏極功耗 PDM最大漏極功耗可由最大漏極功耗可由PDM= vDS iD決定。決定。在飽和區(qū)內(nèi)，場效應(yīng)管的輸出電阻也比較大，一般為幾十到在飽和區(qū)內(nèi)，場效應(yīng)管的輸出電阻也比較大，一般為幾十到幾百千歐姆。幾百千歐姆。模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路場效應(yīng)管及

10、其應(yīng)用場效應(yīng)管及其應(yīng)用14Metal-Oxide-Semiconductor type Field Effrct Transistor (MOSFET) MOSFET增強(qiáng)型耗盡型N溝道P溝道N溝道P溝道當(dāng)當(dāng)0GSv時(shí)，就已經(jīng)存在導(dǎo)電溝道時(shí)，就已經(jīng)存在導(dǎo)電溝道 當(dāng)當(dāng)0GSv時(shí)，不存在導(dǎo)電溝道時(shí)，不存在導(dǎo)電溝道 模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路場效應(yīng)管及其應(yīng)用場效應(yīng)管及其應(yīng)用151 1、結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu) 鋁N N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOSFETMOSFET的結(jié)構(gòu)示意圖和電路符號(hào)的結(jié)構(gòu)示意圖和電路符號(hào) 箭頭方向表示由箭頭方向表示由P襯底指向襯底指向N

11、溝道溝道模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路場效應(yīng)管及其應(yīng)用場效應(yīng)管及其應(yīng)用16P P溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOSFETMOSFET的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖和電路符號(hào)示意圖和電路符號(hào) 模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路場效應(yīng)管及其應(yīng)用場效應(yīng)管及其應(yīng)用172 2、工作原理、工作原理 GSv 柵源電壓柵源電壓對溝道的影響對溝道的影響反反 型型 層層N型溝道生成！型溝道生成！ 越大，電場就越強(qiáng)，溝道將越厚，iD也就越大。 GSv 通過柵極和襯底間的電容作用，通過柵極和襯底間的電容作用，將靠近柵極下方的將

12、靠近柵極下方的P型半導(dǎo)體中的空型半導(dǎo)體中的空穴向下方排斥，出現(xiàn)了一薄層負(fù)離子穴向下方排斥，出現(xiàn)了一薄層負(fù)離子的耗盡層。的耗盡層。 增加VGS，當(dāng)VGSVT時(shí)時(shí)（ VT 稱為開啟電壓稱為開啟電壓），在靠近），在靠近柵下方的柵下方的P型半導(dǎo)體表層中聚集型半導(dǎo)體表層中聚集較多的電子，形成溝道，將漏極較多的電子，形成溝道，將漏極和源極溝通。和源極溝通。動(dòng)畫模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路場效應(yīng)管及其應(yīng)用場效應(yīng)管及其應(yīng)用18DSv 同時(shí)加入同時(shí)加入漏源電壓漏源電壓后后對溝道的控制作用對溝道的控制作用DI出現(xiàn)預(yù)夾斷出現(xiàn)預(yù)夾斷 DiGSv不變DSvAB

13、CDE0擊穿預(yù)夾斷預(yù)夾斷)(開啟電壓開啟電壓TGSVV vGD=vGSvDS 當(dāng)當(dāng)vDS增加到使增加到使VGD=VT時(shí)時(shí)，這相當(dāng)于漏極處溝道這相當(dāng)于漏極處溝道縮減到剛剛開啟的情況，縮減到剛剛開啟的情況，稱為稱為預(yù)夾斷預(yù)夾斷。 當(dāng)當(dāng)vDS增加到增加到VGD VT時(shí)，此時(shí)預(yù)夾斷區(qū)域加長，伸向時(shí)，此時(shí)預(yù)夾斷區(qū)域加長，伸向S極。極。VDS增加的部分基本降落在隨之加長的夾斷溝道上，增加的部分基本降落在隨之加長的夾斷溝道上， ID基本趨于不變。基本趨于不變。當(dāng)當(dāng)vDS較小時(shí)，相當(dāng)較小時(shí)，相當(dāng)vGDV VT，此時(shí)此時(shí)vDS 基本均勻降落在溝基本均勻降落在溝道中，溝道呈斜線分布。道中，溝道呈斜線分布。動(dòng)畫模

14、擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路場效應(yīng)管及其應(yīng)用場效應(yīng)管及其應(yīng)用19可變電阻區(qū)飽和飽和 區(qū)區(qū) 擊擊穿穿區(qū)區(qū) 截 止 區(qū)VGSVT, vGS VT飽和區(qū)（放大區(qū)）：飽和區(qū)（放大區(qū)）：vGD = vGS vDS VT截止區(qū)：截止區(qū)：vGD = vGS vDS VT, vGS GSv時(shí)，導(dǎo)電溝道會(huì)變厚，時(shí)，導(dǎo)電溝道會(huì)變厚， Di直至直至ID=0。對應(yīng)。對應(yīng)ID=0的的vGSGS稱為稱為，用符號(hào)用符號(hào)表示。表示。時(shí)，溝道會(huì)變薄時(shí)，溝道會(huì)變薄，00能能不能，因?yàn)椴荒埽驗(yàn)閂 VGSGS=0=0，沒有，沒有導(dǎo)電溝道導(dǎo)電溝道不能，因?yàn)椴荒?，因?yàn)閂 VDSD

15、S00模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路場效應(yīng)管及其應(yīng)用場效應(yīng)管及其應(yīng)用47 三種接法基本放大電路的比較三種接法基本放大電路的比較三種基本放大電路的比較如下三種基本放大電路的比較如下組態(tài)對應(yīng)關(guān)系組態(tài)對應(yīng)關(guān)系 CE / CB / CC CS / CG / CDbeLLbeLbeL/RC +=CB )1( )(1 =CC/RC=CErRARrRArRAvvv/RE+/RE+&：LmLmLmLm+=CG 1 =CD =CSRgARgRgARgAvvv + ：&電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù)模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路模

16、擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路場效應(yīng)管及其應(yīng)用場效應(yīng)管及其應(yīng)用48三種基本放大電路的比較如下三種基本放大電路的比較如下組態(tài)對應(yīng)關(guān)系組態(tài)對應(yīng)關(guān)系 CE / CB / CCCE / CB / CC CS / CG / CDCS / CG / CD輸入電阻輸入電阻Ri CB: CC:CE:CS： Rg+ (Rg1 / Rg2 )CD：Rg+ (Rg1 / Rg2 )CG：R/(1/gm)beB/rR )1 (/LbeBRrR+RE/rbe/(1+)模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路場效應(yīng)管及其應(yīng)用場效應(yīng)管及其應(yīng)用49三種基本放大電路的比

17、較如下三種基本放大電路的比較如下組態(tài)對應(yīng)關(guān)系組態(tài)對應(yīng)關(guān)系 CE / CB / CC CS / CG / CD輸出電阻輸出電阻Ro cs/BbeEc CB1+/ CCCERRRrRR：+CS： RDCD：R/(1/gm)CG：RD模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路場效應(yīng)管及其應(yīng)用場效應(yīng)管及其應(yīng)用50模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路場效應(yīng)管及其應(yīng)用場效應(yīng)管及其應(yīng)用51(1)小信號(hào)等效電路圖：(2) 11(/)2 120.615112omdbevimsVgRrAVg R + + +21(/)

18、100 22001oCLvobeVRRAVr 12321 vvvAAA模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路場效應(yīng)管及其應(yīng)用場效應(yīng)管及其應(yīng)用52 + + MRRRRgggi1/21 kRRCo4模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路場效應(yīng)管及其應(yīng)用場效應(yīng)管及其應(yīng)用53場效應(yīng)管的其它應(yīng)用場效應(yīng)管的其它應(yīng)用1. 場效應(yīng)管有源電阻場效應(yīng)管有源電阻 場效應(yīng)管工作于飽和區(qū)，直流電阻和交流電阻都和工作點(diǎn)場效應(yīng)管工作于飽和區(qū)，直流電阻和交流電阻都和工作點(diǎn)Q有關(guān)。有關(guān)。模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路場效應(yīng)管及其應(yīng)用場效應(yīng)管及其應(yīng)用54模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路場效應(yīng)管及其應(yīng)用場效應(yīng)管及其應(yīng)用55222211/(31)4/(21)WLWL 解：模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路模 擬 電 子 線 路場效應(yīng)管及其應(yīng)用場效應(yīng)管及其應(yīng)用562. NMOS倒相器倒相器3-5-4圖3-5-4 場效應(yīng)管工作于截止區(qū)或非飽和區(qū)。場效應(yīng)管工作于截止區(qū)或非飽和區(qū)。模 擬 電 子 線