電子技術(shù)基礎(chǔ)第3章-場(chǎng)效應(yīng)晶體管放大電路課件

1、場(chǎng)效應(yīng)管FET與三極管BJT的區(qū)別Sect1. BJT: 是 電流控制元件； FET: 是電壓控制元件。2. BJT 參與導(dǎo)電的是電子空穴，因此稱其為雙極型器件； FET 是電壓控制元件，參與導(dǎo)電的只有一種載流子，稱為單級(jí)型器件。3. BJT 輸入電阻較低，一般102104；FET 輸入電阻高，可達(dá)1091014場(chǎng)效應(yīng)管的分類結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管JFETMOS型場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET 雙極型三極管 場(chǎng)效應(yīng)三極管噪聲 較大 較小溫度特性 受溫度影響較大 較小，可有零溫度系數(shù)點(diǎn)輸入電阻 幾十到幾千歐姆 幾兆歐姆以上靜電影響 不受靜電影響 易受靜電影響集成工藝 不易大規(guī)模集成 適宜大規(guī)模和超大規(guī)模集成3.1、

2、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管Sect3.1.1、結(jié)構(gòu)與工作原理漏極 D 集電極 C柵極 G 基極 B源極 S 發(fā)射極 E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、結(jié)構(gòu)2. JFET工作原理 N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管只能工作在負(fù)柵壓區(qū)，P溝道的只能工作在正柵壓區(qū)，當(dāng)UGS=0時(shí)， 溝道較寬，在UDS的作用下N溝道內(nèi)的電子定向運(yùn)動(dòng)形成漏極電流ID。當(dāng)UGS0時(shí)，PN結(jié)反偏，PN結(jié)加寬，漏源間的溝道將變窄，ID將減小， 當(dāng)UGS繼續(xù)向負(fù)方向增加，溝道繼續(xù)變窄，ID繼

3、續(xù)減小直至為0。 當(dāng)漏極電流為零時(shí) 所對(duì)應(yīng)的柵源電壓UGS稱為夾斷電壓UP。P+P+NGSDUDSIDDP+P+NGSUDSIDUGS預(yù)夾斷UGS=UP夾斷狀態(tài)ID=0Sect導(dǎo)電溝道3.1.2 JFET特性曲線UP轉(zhuǎn)移特性曲線輸出特性曲線Sect1. 輸出特性曲線： 可變電阻區(qū) 線性放大區(qū) ID=gm UGS 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(kāi)啟電壓, 不通轉(zhuǎn)通2. 轉(zhuǎn)移特性曲線：UT3.2、絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管MOSSect3.2.1. N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管漏極D集電極C源極S發(fā)射極E柵極G基極B襯底B電極金屬絕緣層氧化物基體半導(dǎo)體稱之

4、為MOS管類型： N溝道 增強(qiáng)型 P溝道 耗盡型退出1. 結(jié)構(gòu)和工作原理 當(dāng)UGS較小時(shí)，雖然在P型襯底表面形成 一層耗盡層，但負(fù)離子不能導(dǎo)電。 當(dāng)UGS=UT時(shí), 在P型襯底表面形成一層 電子層，形成N型導(dǎo)電溝道 在UDS的作用下形成ID。UDSID+-+-+-UGS反型層 當(dāng)UGS=0V時(shí)，漏源之間相當(dāng)兩個(gè)背靠背的PN結(jié)，無(wú)論UDS之間加上電壓 不會(huì)在 D、S間形成電流ID,即ID0.當(dāng)UGSUT時(shí), 溝道加厚，溝道電阻 減少，在相同UDS的作用下 ID將進(jìn)一步增加開(kāi)始無(wú)導(dǎo)電溝道，當(dāng)在UGSUT時(shí)才形成溝道,這種類型的管子稱為增強(qiáng)型MOS管Sect N溝道增強(qiáng)型MOS工作原理2.N溝道增強(qiáng)

5、型MOS特性曲線 UDS一定時(shí)，UGS對(duì)漏極電流ID的控制 關(guān)系曲線 ID=f(UGS)UDS=C 1). 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(shí)，應(yīng)考慮UDS對(duì)溝道長(zhǎng)度的調(diào)節(jié)作用：IDK(UGS-UT)2（1+UDS)K導(dǎo)電因子（mA/V2)溝道調(diào)制長(zhǎng)度系數(shù)n溝道內(nèi)電子的表面遷移率COX單位面積柵氧化層電容W溝道寬度L溝道長(zhǎng)度Sn溝道長(zhǎng)寬比K本征導(dǎo)電因子Sect2). 輸出特性曲線2. 恒流區(qū)：UGS一定，ID基本不隨UDS變化而變3.擊穿區(qū)： UDS 增加到某一值時(shí)，ID開(kāi)始劇增而出現(xiàn)擊穿。ID開(kāi)始劇增時(shí)U

6、DS稱為漏源擊穿電壓。UGS=6VUGS=4VUGS=5VUGS=3VUGS=UT=3VUGS(V)ID(mA)SectUGS一定時(shí)， ID與UDS的變化曲線，是一族曲線 ID=f(UDS)UGS=C 1.可變電阻區(qū)： 近線性 ID 2K(UGS-UT)UDS可變電阻區(qū):當(dāng)UGS變化時(shí)，RON將隨之變化恒阻區(qū): 當(dāng)UGS一定時(shí)，RON近似為一常數(shù)3.2.2 N溝道耗盡型MOS場(chǎng)效應(yīng)管+ + + + + + + 耗盡型MOS管存在原始導(dǎo)電溝道Sect1. 工作原理當(dāng)UGS=0時(shí)， UDS加正向電壓，產(chǎn)生漏極電流ID,此時(shí)的漏極電流稱為漏極飽和電流 IDSS當(dāng)UGS0時(shí)，將使ID進(jìn)一步增加。當(dāng)UG

7、S0時(shí)，UGS的減小漏極電流逐漸減小。直至ID=0。對(duì)應(yīng)ID=0的UGS稱為夾斷電壓 UP退出2. 特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線UGS(V)ID(mA)UP在恒流區(qū)IDK(UGS-UP)2溝道較短時(shí)IDK(UGS-UT)2（1+UDS)ID IDSS(1- UGS /UP)2常用關(guān)系式：Sect輸出特性曲線ID(mA)N溝道耗盡型MOS管可工作在 UGS0或UGS0 N溝道增強(qiáng)型MOS管只能工作在 UGS0各類場(chǎng)效應(yīng)三極管的特性曲線3.3 場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)Sect1. 開(kāi)啟電壓UT MOS增強(qiáng)型管的參數(shù)，柵源電壓小于開(kāi)啟電壓的絕對(duì)值,場(chǎng)效應(yīng)管不能導(dǎo)通。2. 夾斷電壓UP 夾斷電壓是耗盡型FET的參數(shù)

8、，當(dāng)UGS=UP 時(shí),漏極電流為零。3. 飽和漏極電流IDSS 耗盡型場(chǎng)效應(yīng)三極管當(dāng)UGS=0時(shí)所對(duì)應(yīng)的漏極電流。4. 直流輸入電阻RGS柵源間所加的恒定電壓UGS與流過(guò)柵極電流IGS之比結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，反偏時(shí)RGS約大于107，絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管RGS約是10910155. 漏源擊穿電壓BUDS 使ID開(kāi)始劇增時(shí)的UDS。6.柵源擊穿電壓BUGSJFET：反向飽和電流劇增時(shí)的柵源電壓 MOS：使SiO2絕緣層擊穿的電壓7. 低頻跨導(dǎo)gm 低頻跨導(dǎo)反映了柵壓對(duì)漏極電流的控制作用半導(dǎo)體三極管圖片3.4 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路1、靜態(tài)值：3.4.1 共源組態(tài)基本放大電路(1). 分壓偏置電路 UGS= UGU

9、S= UGIDRSUDS= VDDID(Rd+RS)(2). 自給偏壓電路 UGS= -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：適合增強(qiáng)型MOS管采用結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管采用絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管退出2、微變等效電路1、場(chǎng)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2. 共源組態(tài)放大電路 微變等效電路 IDSDrdvgs+-+-vdsGiDgmvgs電壓放大倍數(shù)LddsL/RRrR=LmgsLddsgsm)/(RgVRRrVgAv-=-=&Lddsgsmo)/(RRrVgV-=&

10、3. 交流分析輸入電阻 輸出電阻計(jì)算Ro的電路模型例3.3.1 用EWB分析圖共源結(jié)型場(chǎng)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（RSR）ID 上述方程組代入數(shù)據(jù)得兩組解： ID0.46 mA，UGS0.6 V，UDS6.8 V。 (3)動(dòng)態(tài)計(jì)算。 列方程 Ui 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(cè)值一般與計(jì)算值也會(huì)有差別，需要通過(guò)調(diào)試使電子電路的技術(shù)指標(biāo)符合要求。3.4.2 共漏組態(tài)基本放大電路電壓放大倍數(shù)(1)直流分析 VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2) VGSQ= VGVS=