5-模擬電子技術(shù)第五章場(chǎng)效應(yīng)管及其放大電路

1、5.1 金屬-氧化物-半導(dǎo)體（MOS）場(chǎng)效應(yīng)管5.1.1 N溝道增強(qiáng)型MOSFET5.1.5 MOSFET的主要參數(shù)5.1.2 N溝道耗盡型MOSFET5.1.3 P溝道MOSFET5.1.4 溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)1P溝道耗盡型P溝道P溝道N溝道增強(qiáng)型N溝道N溝道（耗盡型）FET場(chǎng)效應(yīng)管JFET結(jié)型MOSFET絕緣柵型(IGFET)耗盡型：場(chǎng)效應(yīng)管沒(méi)有加偏置電壓時(shí)，就有導(dǎo)電溝道存在增強(qiáng)型：場(chǎng)效應(yīng)管沒(méi)有加偏置電壓時(shí)，沒(méi)有導(dǎo)電溝道場(chǎng)效應(yīng)管的分類(lèi)：25.1.1 N溝道增強(qiáng)型MOSFET1. 結(jié)構(gòu)（N溝道）L ：溝道長(zhǎng)度W ：溝道寬度tox ：絕緣層厚度通常 W L （動(dòng)畫(huà)2-3）35.1.1 N溝道增強(qiáng)

2、型MOSFET剖面圖1. 結(jié)構(gòu)（N溝道）符號(hào)4二、 工作原理柵源電壓VGS的控制作用 當(dāng)VGS=0V時(shí)， 因?yàn)槁┰粗g被兩個(gè)背靠背的 PN結(jié)隔離，因此，即使在D、S之間加上電壓, 在D、S間也不可能形成電流。 當(dāng) 0VGSVT (開(kāi)啟電壓)時(shí)， 通過(guò)柵極和襯底間的電容作用，將柵極下方P型襯底表層的空穴向下排斥，同時(shí)，使兩個(gè)N區(qū)和襯底中的自由電子吸向襯底表層，并與空穴復(fù)合而消失，結(jié)果在襯底表面形成一薄層負(fù)離子的耗盡層。漏源間仍無(wú)載流子的通道。管子仍不能導(dǎo)通，處于截止?fàn)顟B(tài)。5 把開(kāi)始形成反型層的VGS值稱(chēng)為該管的開(kāi)啟電壓VT。這時(shí),假設(shè)在漏源間加電壓 VDS,就能產(chǎn)生漏極電流 I D,即管子開(kāi)啟。

3、 VGS值越大,溝道內(nèi)自由電子越多,溝道電阻越小,在同樣 VDS 電壓作用下, I D 越大。這樣,就實(shí)現(xiàn)了輸入電壓 VGS 對(duì)輸出電流 I D 的控制。 當(dāng)VGSVT時(shí),襯底中的電子進(jìn)一步被吸至柵極下方的P型襯底表層,使襯底表層中的自由電子數(shù)量大于空穴數(shù)量,該薄層轉(zhuǎn)換為N型半導(dǎo)體,稱(chēng)此為反型層。形成N源區(qū)到N漏區(qū)的N型溝道。I D6漏源電壓VDS對(duì)溝道導(dǎo)電能力的影響 當(dāng)VGSVT且固定為某值的情況下,假設(shè)給漏源間加正電壓VDS則源區(qū)的自由電子將沿著溝道漂移到漏區(qū),形成漏極電流ID,當(dāng)ID從D S流過(guò)溝道時(shí),沿途會(huì)產(chǎn)生壓降,進(jìn)而導(dǎo)致沿著溝道長(zhǎng)度上柵極與溝道間的電壓分布不均勻。源極端電壓最大,為

4、VGS ,由此感生的溝道最深；離開(kāi)源極端,越向漏極端靠近,則柵溝間的電壓線性下降,由它們感生的溝道越來(lái)越淺；直到漏極端,柵漏間電壓最小,其值為： VGD=VGS-VDS , 由此感生的溝道也最淺。可見(jiàn),在VDS作用下導(dǎo)電溝道的深度是不均勻的,溝道呈錐形分布。假設(shè)VDS進(jìn)一步增大,直至VGD=VT,即VGS-VDS=VT或VDS=VGS-VT 時(shí),則漏端溝道消失,出現(xiàn)預(yù)夾斷。A7 當(dāng)VDS為0或較小時(shí),VGDVT,此時(shí)VDS 根本均勻降落在溝道中,溝道呈斜線分布。 當(dāng)VDS增加到使VGD=VT時(shí),漏極處溝道將縮減到剛剛開(kāi)啟的情況,稱(chēng)為預(yù)夾斷。源區(qū)的自由電子在VDS電場(chǎng)力的作用下,仍能沿著溝道向漏

5、端漂移,一旦到達(dá)預(yù)夾斷區(qū)的邊界處,就能被預(yù)夾斷區(qū)內(nèi)的電場(chǎng)力掃至漏區(qū),形成漏極電流。 當(dāng)VDS增加到使VGDVT時(shí),預(yù)夾斷點(diǎn)向源極端延伸成小的夾斷區(qū)。由于預(yù)夾斷區(qū)呈現(xiàn)高阻,而未夾斷溝道局部為低阻,因此,VDS增加的局部根本上降落在該夾斷區(qū)內(nèi),而溝道中的電場(chǎng)力根本不變,漂移電流根本不變,所以,從漏端溝道出現(xiàn)預(yù)夾斷點(diǎn)開(kāi)始, ID根本不隨VDS增加而變化。8可變電阻區(qū)(resistive region) 飽和區(qū)恒流區(qū)（constant current region）放大區(qū)夾斷區(qū)（cutoff rigion） 截止區(qū)1. 輸出特性vGD= vGS-vDS=VT三、特性曲線及特性方程9可變電阻區(qū)： 飽和區(qū)

6、：可變電阻區(qū)特性曲線原點(diǎn)附近：n ：反型層中電子遷移率Cox ：柵極（與襯底間）氧化層單位面積電容Kn為電導(dǎo)常數(shù),單位：mA/V2是vGS2VT時(shí)的iD 10 vGS VT 時(shí), iD = 0； vGS VT時(shí), iD隨vGS增大而增大。2、轉(zhuǎn)移特性3、轉(zhuǎn)移特性與漏極特性間的關(guān)系在漏極特性上,對(duì)應(yīng)某一vDS,作一垂直線；該垂線與各漏極特性相交得到一組交點(diǎn)；由各交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的vGS 和iD值可畫(huà)出對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)移特性。1112 5.1.2 N溝道耗盡型MOSFETP溝道 N溝道PNP NPN一、結(jié)構(gòu)與符號(hào)13二、工作原理4.vGS0預(yù)埋在絕緣層中的正離子能感應(yīng)出負(fù)電荷感應(yīng)出的負(fù)電荷在漏源間形成導(dǎo)電溝道，

7、形成漏極電流3.vGS0感應(yīng)出的負(fù)電荷減少漏源間形成導(dǎo)電溝道變窄漏極電流iD減小2. vGS0 vDS 0感應(yīng)電荷增多漏源間形成導(dǎo)電溝道變寬漏極電流iD增大14(1. 輸出特性 2. 轉(zhuǎn)移特性)三、特性曲線15 5.1.3 P溝道MOSFET一、符號(hào)二、特性曲線vGS|VP|時(shí)對(duì)應(yīng)的漏極電流。2. 夾斷電壓VP（耗盡型） vDS一定時(shí),使漏極電流iD下降至微小電流的vGS。1. 開(kāi)啟電壓VT（增強(qiáng)型） vDS一定時(shí),使漏極電流iD等于微小電流的vGS。20二、交流參數(shù)2. 低頻互導(dǎo)（跨導(dǎo)） gm 用以描述柵源電壓vGS 對(duì)漏極電流iD的控制作用,相當(dāng)于轉(zhuǎn)移特性上工作點(diǎn)的斜率,表征FET的放大能

8、力,相當(dāng)于雙極型三極管的。單位:mS或S1. 輸出電阻rds 用以描述漏源電壓vDS 對(duì)漏極電流iD的影響,相當(dāng)于漏極特性上某點(diǎn)切線斜率的倒數(shù)。飽和區(qū)輸出電阻很大,一般為幾十到幾百千歐。21三、極限參數(shù)3. 最大漏源電壓V(BR)DS 指發(fā)生雪崩擊穿時(shí),漏極電流iD急劇上升時(shí)的vDS。與vGS有關(guān)。4. 最大柵源電壓 V(BR)GS 指PN結(jié)電流開(kāi)始急劇增大時(shí)的vGS。1. 最大漏極電流IDM 指管子正常工作時(shí)漏極電流允許的上限值。2. 最大耗散功率PDM 由PDM= VDS ID決定,在管子內(nèi)部將變成熱能,使管子的溫度升高,為了使管子溫度不致升的太高,限制其耗散功率不能超過(guò)PDM。225.2

9、 MOSFET放大電路5.2.1 MOSFET放大電路1. 直流偏置及靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算2. 小信號(hào)模型分析*5.2.2 帶PMOS負(fù)載的NMOS放大電路3. MOSFET 三種根本放大電路比較231 簡(jiǎn)單的共源極放大電路一、靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算注意：通過(guò)判斷VDS是否大于VGS-VT,來(lái)確定管子工作在飽和區(qū)還是可變電阻區(qū)。當(dāng)VGSVT,管子截止。24例題: 電路如下圖,設(shè)Rg1=60k,Rg2=40k,Rd=15k,VDD=5V,VT=1V,Kn=0.2mA/V2。試計(jì)算電路的靜態(tài)漏極電流IDQ和漏源電壓VDSQ。假設(shè)工作在飽和區(qū)(放大區(qū)）滿(mǎn)足解：252 帶源極電阻的NMOS共源極放大電路靜態(tài)工作

10、點(diǎn)的計(jì)算射極電阻也具有穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)26例題: 電路如下圖,設(shè)VT=1V,Kn=500A/V2,VDD=5V,-VSS=-5V, Rd=10k, R=0.5k, ID=0.5mA。假設(shè)流過(guò)Rg1 和Rg2的電流是ID的1/10,試確定Rg1和Rg2的值。27例題: 電路如下圖,由電流源提供偏置（可由其它MOS管構(gòu)成）。設(shè)NMOS管的參數(shù)為Kn=160A/V2, VT=1V, VDD=VSS=5V,IDQ=0.25mA, VDQ=2.5V。試求電路參數(shù)。靜態(tài)時(shí),vI0,VG 0,ID IVS VG VGS （飽和區(qū)） VDS VD VS =VDDIDRD VS 28二、小信號(hào)模型產(chǎn)生諧波或非線性

11、失真漏極信號(hào)電流= 0 029例題5.2.4: 電路如下圖,設(shè)VDD=5V, Rd=3.9k, VGS=2V, VT=1V,Kn=0.8mA/V2,=0.02V-1。試當(dāng)管工作在飽和區(qū)時(shí),試確定電路的小信號(hào)電壓增益。共源極放大電路30例題5.2.5: 電路如下圖,設(shè)Rg1=150k,Rg2=47k,VT=1V,Kn=500A/V2,=0,VDD=5V,-VSS=-5V, Rd=10k, R=0.5k, Rs=4k。求電路的電壓增益和源電壓增益、輸入電阻和輸出電阻。31例題: 電路如下圖,耦合電容對(duì)信號(hào)頻率可視為交流短路,場(chǎng)效應(yīng)管工作在飽和區(qū),rds很大,可忽略。試畫(huà)出小信號(hào)等效電路,求出輸入電

12、阻、小信號(hào)電壓增益、源電壓小信號(hào)增益和輸出電阻。共漏極放大電路（源極跟隨器）32333. MOSFET 三種根本放大電路比較(p.221)共源極放大電路共漏極放大電路(源極輸出器）共柵極放大電路345.3 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管 5.3.1 JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理 5.3.2 JFET的特性曲線及參數(shù) 5.3.3 JFET放大電路的小信號(hào)模型分析法 355.3.1 JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理1. 結(jié)構(gòu) # 符號(hào)中的箭頭方向表示什么？36柵源電壓VGS對(duì)iD的控制作用 當(dāng)VGS0時(shí),PN結(jié)反偏,耗盡層變厚,溝道變窄,溝道電阻變大；VGS更負(fù),溝道更窄,直至溝道被耗盡層全部覆蓋,溝道被夾斷。這時(shí)所對(duì)應(yīng)的柵源

13、電壓VGS稱(chēng)為夾斷電壓VP。2.工作原理 (以N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管為例）37漏源電壓VDS對(duì)iD的影響 在柵源間加電壓VGSVP,漏源間加電壓VDS。則因漏端耗盡層所受的反偏電壓為VGD=VGS-VDS,比源端耗盡層所受的反偏電壓VGS大,(如:VGS=-2V, VDS =3V, VP=-9V,則漏端耗盡層受反偏電壓為-5V,源端耗盡層受反偏電壓為-2V),使靠近漏端的耗盡層比源端厚,溝道比源端窄,故VDS對(duì)溝道的影響是不均勻的,使溝道呈楔形。當(dāng)VDS增加到使VGD=VGS-VDS =VP 時(shí),在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷點(diǎn), 隨VDS增大,這種不均勻性越明顯。當(dāng)VDS繼續(xù)增加時(shí),預(yù)夾斷點(diǎn)向源極方向伸

14、長(zhǎng)為預(yù)夾斷區(qū)。由于預(yù)夾斷區(qū)電阻很大,使主要VDS降落在該區(qū),由此產(chǎn)生的強(qiáng)電場(chǎng)力能把未夾斷區(qū)漂移到其邊界上的載流子都掃至漏極,形成漏極飽和電流。38綜上分析可知 溝道中只有一種類(lèi)型的多數(shù)載流子參與導(dǎo)電, 所以場(chǎng)效應(yīng)管也稱(chēng)為單極型三極管。JFET是電壓控制電流器件,iD受vGS控制預(yù)夾斷前iD與vDS呈近似線性關(guān)系；預(yù)夾斷后, iD趨于飽和。# 為什么JFET的輸入電阻比BJT高得多？ JFET柵極與溝道間的PN結(jié)是反向偏置的,因 此iG0,輸入電阻很高。395.3.2 JFET的特性曲線及參數(shù)2. 轉(zhuǎn)移特性 VP1. 輸出特性 40漏極輸出特性1、可變電阻區(qū)2、飽和區(qū)3、截止區(qū)當(dāng)大于某值時(shí),不同

15、的轉(zhuǎn)移特性很接近轉(zhuǎn)移特性415.3.3 JFET放大電路的小信號(hào)模型分析法一. JFET的小信號(hào)模型42二、分壓器式自偏壓電路（共源極電路）1. 靜態(tài)分析43輸出電阻 輸入電阻電壓放大倍數(shù)2. 小信號(hào)模型倒相電壓放大電路44例題：在圖示電路中,已知Rg1= 2M,Rg2=47k,Rg3=10M ,Rd=30k, R=2k, VDD=18V, VP=-1V, IDSS=0.5mA,且=0,試確定Q。45 共漏極放大電路如圖示。試求中頻電壓增益、輸入電阻和輸出電阻。（2）中頻電壓增益（3）輸入電阻得 解：（1）中頻小信號(hào)模型由例題46（4）輸出電阻所以由圖有例題47 解：畫(huà)中頻小信號(hào)等效電路則電壓

16、增益為例題放大電路如圖所示。已知試求電路的中頻增益、輸入電阻和輸出電阻。根據(jù)電路有由于則485.5 各種放大器件性能比較1.耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管包含了JFET和耗盡型MOSFET；2.增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管僅包含增強(qiáng)型MOSFET。BJT放大電路的三種組態(tài)： 共發(fā)射極（CE）、共集電極（CC）、共基極（CB）。JFET和MOSFET放大電路的三種組態(tài)： 共源極（CS）、共漏極（CD）、共柵極（CG）。兩類(lèi)放大元件的三種通用組態(tài)：1反相電壓放大器： 共發(fā)射極（CE）、共源極（CS）2電壓跟隨器： 共集電極（CC）、共漏極（CD）3電流跟隨器： 共基極（CB）、共柵極（CG）5.5.2 各種放大器件電路性能比較5.5.1 各種FET的特性比較49雙極型和場(chǎng)效應(yīng)型三極管的比較 雙極型三極管 場(chǎng)效應(yīng)管(單極型三極管)結(jié)構(gòu) NPN型 結(jié)型耗盡型 N溝道 P溝道 PNP型 絕緣柵增強(qiáng)型 N溝道 P溝道 絕緣柵耗盡型 N溝道 P溝道 C與E一般不可倒置使用 D與S有的型號(hào)可倒置使用載流子 多子