電子技術(shù)基礎(chǔ)第3章場效應(yīng)晶體管放大電路ppt課件

1、第第3章章場效應(yīng)晶體管放大電路場效應(yīng)晶體管放大電路成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院自動化工程系自動化工程系 雷永鋒雷永鋒201920193.13.1、結(jié)型場效應(yīng)管、結(jié)型場效應(yīng)管3.3 3.3 場效應(yīng)管的主要參數(shù)場效應(yīng)管的主要參數(shù)3.4 3.4 場效應(yīng)管放大電路場效應(yīng)管放大電路場效應(yīng)管場效應(yīng)管FETFET與三極管與三極管BJTBJT的區(qū)別的區(qū)別1. BJT: 是是 電流控制元件；電流控制元件； FET: 是電壓控制元件。是電壓控制元件。2. BJT 參與導(dǎo)電的是電子參與導(dǎo)電的是電子空穴，因此稱其為雙極型器件；空穴，因此稱其為雙極型器件； FET 是電壓控制元件，參與導(dǎo)電的只有一種

2、載流子，稱為單級型器件。是電壓控制元件，參與導(dǎo)電的只有一種載流子，稱為單級型器件。3. BJT 輸入電阻較低，一般輸入電阻較低，一般102104；FET 輸入電阻高，可達(dá)輸入電阻高，可達(dá)1091014場效應(yīng)管的分類場效應(yīng)管的分類結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管JFETMOS型場效應(yīng)管型場效應(yīng)管MOSFET 雙極型三極管雙極型三極管 場效應(yīng)三極管場效應(yīng)三極管噪聲噪聲 較大較大 較小較小溫度特性溫度特性 受溫度影響較大受溫度影響較大 較小，可有零較小，可有零溫度系數(shù)點(diǎn)溫度系數(shù)點(diǎn)輸入電阻輸入電阻 幾十到幾千歐姆幾十到幾千歐姆 幾兆歐姆幾兆歐姆以上以上靜電影響靜電影響 不受靜電影響不受靜電影響 易受靜電易受靜

3、電影響影響集成工藝集成工藝 不易大規(guī)模集成不易大規(guī)模集成 適宜大規(guī)模和超適宜大規(guī)模和超大規(guī)模集成大規(guī)模集成3.13.1、結(jié)型場效應(yīng)管、結(jié)型場效應(yīng)管3.1.1、結(jié)構(gòu)與工作原理、結(jié)構(gòu)與工作原理漏極漏極 D 集電極集電極 C柵極柵極 G 基極基極 B源極源極 S 發(fā)射極發(fā)射極 E導(dǎo)通條件：導(dǎo)通條件： UGS 0 UBE 0 UDS 0 UBC 01) 在一定UDS作用下, 柵源極電壓 為負(fù), 柵源極勾道通, UGS決定 電流 iD 的大小2) 溝道中只有一種截流子 單極型晶體管1、構(gòu)造、構(gòu)造2. JFET2. JFET工作原理工作原理 N溝道結(jié)型場效應(yīng)三極管只能工作在負(fù)柵壓區(qū)，溝道結(jié)型場效應(yīng)三極管只

4、能工作在負(fù)柵壓區(qū)，P溝道的只能工作在正柵壓區(qū)，溝道的只能工作在正柵壓區(qū)，當(dāng)當(dāng)UGS=0時，時， 溝道較寬，在溝道較寬，在UDS的作用下的作用下N溝道內(nèi)的電子定向運(yùn)動形成漏極電流溝道內(nèi)的電子定向運(yùn)動形成漏極電流ID。當(dāng)當(dāng)UGS0時，時，PN結(jié)反偏，結(jié)反偏，PN結(jié)加寬，漏源間的溝道將變窄，結(jié)加寬，漏源間的溝道將變窄，ID將減小，將減小， 當(dāng)當(dāng)UGS繼續(xù)向負(fù)方向增加，溝道繼續(xù)變窄，繼續(xù)向負(fù)方向增加，溝道繼續(xù)變窄，ID繼續(xù)減小直至為繼續(xù)減小直至為0。 當(dāng)漏極電流為零時當(dāng)漏極電流為零時 所對應(yīng)的柵源電壓所對應(yīng)的柵源電壓UGS稱為夾斷電壓稱為夾斷電壓UP。P+P+NGSDUDSIDDP+P+NGSUDSI

5、DUGS預(yù)夾斷預(yù)夾斷UGS=UP夾斷狀態(tài)夾斷狀態(tài)ID=0導(dǎo)電溝道導(dǎo)電溝道3.1.2 JFET3.1.2 JFET特性曲線特性曲線UP轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線輸出特性曲線輸出特性曲線)(DSDUfi const GSU1. 輸出特性曲線：輸出特性曲線：l 可變電阻區(qū)可變電阻區(qū) l 線性放大區(qū)線性放大區(qū) ID=gm UGSl 擊穿區(qū)擊穿區(qū)IDSS：飽和柵極漏極電流, UGS=0UP： 預(yù)夾斷電壓, iD=0 UT： 開啟電壓, 不通轉(zhuǎn)通2. 轉(zhuǎn)移特性曲線：轉(zhuǎn)移特性曲線：2PGSDSSD)(1UUIIUT3.2.1. N3.2.1. N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOSMOS場效應(yīng)管場效應(yīng)管漏極漏極D集電極

6、集電極C源極源極S發(fā)射極發(fā)射極E柵極柵極G基極基極B襯底襯底B電極電極金屬金屬絕緣層絕緣層氧化物氧化物基體基體半導(dǎo)體半導(dǎo)體稱之為稱之為MOS管管類型： N溝道 增強(qiáng)型 P溝道 耗盡型退出退出1. 結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)和工作原理 當(dāng)當(dāng)UGS較小時，雖然在較小時，雖然在P型襯底表型襯底表面形成面形成 一層耗盡層，但負(fù)離子不能一層耗盡層，但負(fù)離子不能導(dǎo)電。導(dǎo)電。 當(dāng)當(dāng)UGS=UT時時, 在在P型襯底表面形型襯底表面形成一層成一層 電子層，形成電子層，形成N型導(dǎo)型導(dǎo)電溝道電溝道 在在UDS的作用下形成的作用下形成ID。UDSID+ +- -+-+- - -UGS反型層反型層 當(dāng)當(dāng)UGS=0V時，漏源之間

7、相當(dāng)兩個背靠背的時，漏源之間相當(dāng)兩個背靠背的PN結(jié)，無論結(jié)，無論UDS之間加上電壓之間加上電壓 不會在不會在 D、S間形成電流間形成電流ID,即即ID0.當(dāng)當(dāng)UGSUT時時, 溝道加厚，溝道電阻溝道加厚，溝道電阻 減少，在相同減少，在相同UDS的作用下的作用下 ID將進(jìn)一步增加將進(jìn)一步增加開始無導(dǎo)電溝道，當(dāng)在開始無導(dǎo)電溝道，當(dāng)在UGSUT時時才形成溝道才形成溝道,這種類型的管子稱為這種類型的管子稱為增強(qiáng)型增強(qiáng)型MOS管管 N N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOSMOS工作原理工作原理2.N2.N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOSMOS特性曲線特性曲線 UDS UDS一定時，一定時，UGSUGS對漏極電流對漏極

8、電流IDID的控的控制制 關(guān)系曲線關(guān)系曲線 ID=f(UGS)ID=f(UGS)UDS=C UDS=C 1). 1). 轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線UDSUGS-UTUGS(V)ID(mA)UT在恒流區(qū)，ID與UGS的關(guān)系為IDK(UGS-UT)2溝道較短時，應(yīng)考慮UDS對溝道長度的調(diào)節(jié)作用：IDK(UGS-UT)21+UDS)K導(dǎo)電因子導(dǎo)電因子mA/V2) 溝道調(diào)制長度系數(shù)溝道調(diào)制長度系數(shù)LWCKOXn2 LWK2nSK2DSULL n溝道內(nèi)電子的表面遷移率溝道內(nèi)電子的表面遷移率COX單位面積柵氧化層電容單位面積柵氧化層電容W溝道寬度溝道寬度L溝道長度溝道長度Sn溝道長寬比溝道長寬比K本征導(dǎo)電因

9、子本征導(dǎo)電因子2). 2). 輸出特性曲線輸出特性曲線2. 恒流區(qū)：恒流區(qū)：UGS一定，一定，ID基本不隨基本不隨UDS變化而變變化而變3.擊穿區(qū)：擊穿區(qū)： UDS 增加到某一值時，增加到某一值時，ID開始劇增而開始劇增而出現(xiàn)擊穿。出現(xiàn)擊穿。ID開始劇增時開始劇增時UDS稱為漏源稱為漏源擊穿電壓。擊穿電壓。UGS=6VUGS=4VUGS=5VUGS=3VUGS=UT=3VUGS(V)ID(mA)UGSUGS一定時，一定時， IDID與與UDSUDS的變化曲線，是一族曲線的變化曲線，是一族曲線 ID=f(UDS)ID=f(UDS)UGS=C UGS=C 1.可變電阻區(qū)：可變電阻區(qū)： 近線性近線性

10、 ID 2K(UGS-UT)UDS可變電阻區(qū)可變電阻區(qū):當(dāng)當(dāng)UGS變化時，變化時，RON將隨之將隨之變化變化恒阻區(qū)恒阻區(qū): 當(dāng)當(dāng)UGS一定時，一定時，RON近似為近似為一常數(shù)一常數(shù)2K1UU1dIdURTGS0dUDDSonGS3.2.2 N3.2.2 N溝道耗盡型溝道耗盡型MOSMOS場效應(yīng)管場效應(yīng)管+ + + + + + + 耗盡型耗盡型MOS管存在管存在原始導(dǎo)電溝道原始導(dǎo)電溝道1. 1. 工作原理工作原理當(dāng)UGS=0時， UDS加正向電壓，產(chǎn)生漏極電流ID,此時的漏極電流稱為漏極飽和電流 IDSS當(dāng)UGS0時，將使ID進(jìn)一步增加。當(dāng)UGS0時，UGS的減小漏極電流逐漸減小。直至ID=0。

11、對應(yīng)ID=0的UGS稱為夾斷電壓 UP退出退出2. 2. 特性曲線特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線UGS(V)ID(mA)UP在恒流區(qū)在恒流區(qū)IDK(UGS-UP)2溝道較短時溝道較短時IDK(UGS-UT)21+UDS)ID IDSS(1- UGS /UP)2常用關(guān)系式：常用關(guān)系式：輸出特性曲線輸出特性曲線ID(mA)N N溝道耗盡型溝道耗盡型MOSMOS管可工作在管可工作在 UGSUGS 0 0或或UGS0 UGS0 N N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOSMOS管只能工作在管只能工作在 UGS0UGS0各類場效應(yīng)三極管的特性曲線各類場效應(yīng)三極管的特性曲線3.3 3.3 場效應(yīng)管的主要參數(shù)場效應(yīng)管

12、的主要參數(shù)1. 開啟電壓開啟電壓UT MOS增強(qiáng)型管的參數(shù)，柵源電壓小于開啟電壓的絕對值增強(qiáng)型管的參數(shù)，柵源電壓小于開啟電壓的絕對值,場效應(yīng)管不能導(dǎo)通。場效應(yīng)管不能導(dǎo)通。2. 夾斷電壓夾斷電壓UP 夾斷電壓是耗盡型夾斷電壓是耗盡型FET的參數(shù)，當(dāng)?shù)膮?shù)，當(dāng)UGS=UP 時時,漏極電流為零。漏極電流為零。3. 飽和漏極電流飽和漏極電流IDSS 耗盡型場效應(yīng)三極管當(dāng)耗盡型場效應(yīng)三極管當(dāng)UGS=0時所對應(yīng)的漏極電流。時所對應(yīng)的漏極電流。4. 直流輸入電阻直流輸入電阻RGS柵源間所加的恒定電壓柵源間所加的恒定電壓UGS與流過柵極電流與流過柵極電流IGS之比之比結(jié)型場效應(yīng)管，反偏時結(jié)型場效應(yīng)管，反偏時R

13、GS約大于約大于107，絕緣柵場效應(yīng)管，絕緣柵場效應(yīng)管RGS約是約是10910155. 漏源擊穿電壓漏源擊穿電壓BUDS 使使ID開始劇增時的開始劇增時的UDS。6.柵源擊穿電壓柵源擊穿電壓BUGSJFET：反向飽和電流劇增時的柵源電壓：反向飽和電流劇增時的柵源電壓 MOS：使：使SiO2絕緣層擊穿的電壓絕緣層擊穿的電壓7. 低頻跨導(dǎo)低頻跨導(dǎo)gm 低頻跨導(dǎo)反映了柵壓對漏極電流的控制作用低頻跨導(dǎo)反映了柵壓對漏極電流的控制作用)1 (2PGSPDSSconstGSDmDSUUUIUIgu3.4 場效應(yīng)管放大電路場效應(yīng)管放大電路1 1、靜態(tài)值：、靜態(tài)值：3.4.1 共源組態(tài)基本放大電路共源組態(tài)基本放

14、大電路GUSU2CdRDDV1CsRVTCsuiDIg2Rg1RVTVDDuiC1C2RdRLuoRg1CsRg2GURsSUVTVDDuiC1C2RdRLuoRsCsRg22CdRDDV1C+ + +gRsRVTCsuiuo+ +(1). 分壓偏置電路分壓偏置電路 g2g1DDg2GRRVRU )(1 2PGSDSSDUUIIUGS= UGUS= UGIDRSUDS= VDDID(Rd+RS)(2). 自給偏壓電路自給偏壓電路 )(1 2PGSDSSDUUIIUGS= -IS RS = -ID RSUDS= VDDID(Rd+RS)自給偏置電路：適合結(jié)型管和耗盡型MOS管外加偏置電路：適合增

15、強(qiáng)型MOS管采用結(jié)型場效應(yīng)管采用結(jié)型場效應(yīng)管采用絕緣柵場效應(yīng)管采用絕緣柵場效應(yīng)管退出退出2 2、微變等效電路、微變等效電路1、場效應(yīng)管微變等效電路 受控源： 電壓控制電流源 輸入電阻：rgs 很大忽略 輸出電阻：rds 很大忽略gsdconstGSDmDSuiUIgu2. 2. 共源組態(tài)放大電路共源組態(tài)放大電路 微變等效電路微變等效電路 IDSDrdvgs+-+-vdsGiDgmvgssRg1Rg2RdRLRdsrgsUoUsUiUgsmUgsdgiIoI電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù)LddsL/RRrRLmgsLddsgsm)/(RgVRRrVgAvLddsgsmo)/(RRrVgV3. 3. 交

16、流分析交流分析輸入電阻輸入電阻 g2g1.i.ii/RRIVr輸出電阻輸出電阻計(jì)算計(jì)算RoRo的電路模型的電路模型ddsooo/=RrIVrgsiUU例3.3.1 用EWB分析圖共源結(jié)型場效應(yīng)管基本放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)和電壓放大倍數(shù)，并與理論計(jì)算相比較。已知gm=0.69mA/V ,IDSS=1mA、UP= -2V。 (1)靜態(tài)工作點(diǎn)仿真，結(jié)果列在圖中。(2)靜態(tài)工作點(diǎn)理論計(jì)算。 UDSVDD（RSRID 上述方程組代入數(shù)據(jù)得兩組解： ID0.46 mA，UGS0.6 V，UDS6.8 V。 SDg2g1g2DDGSRIRRRVU2PGS)1 ( UUIIDSSD(3)動態(tài)計(jì)算。 列方程 Ui

17、 Ugs UogmUgsRL 求解得： Augm RL = 3.45 (4)電壓放大倍數(shù)的仿真。Au465/100=4.65，比計(jì)算值大，這主要是由三極管參數(shù)差異造成的。如果實(shí)際安裝，實(shí)測值一般與計(jì)算值也會有差別，需要通過調(diào)試使電子電路的技術(shù)指標(biāo)符合要求。3.4.2 3.4.2 共漏組態(tài)基本放大電路共漏組態(tài)基本放大電路電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù)LmLmio1RgRgVVAv(1)(1)直流分析直流分析 VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2)VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2) VGSQ= VG VGSQ= VGVS= VGVS= VGIDQRIDQR IDQ= IDSS1 IDQ= IDSS1(VGSQ (VGSQ /VGS(off)2/VGS(off)2 VDSQ= VDD VDSQ= VDDIDQRIDQR(2)(2)交流分析交流分析輸入電阻輸入電阻)/(g2g1giRRRr 輸出電阻輸出電阻)/ 1/(/)/(mdsogsmdso.ogrRUUgrRUIgsoUUmmmdsooo1/1)/1/(/gRRgRgrRIUr退出退出3.4.3 3.4.3 共柵組態(tài)基本