模擬電子技術(shù) 第三章

第三章場(chǎng)效應(yīng)管放大電路3.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管3.2絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管3.3場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)3.4場(chǎng)效應(yīng)管的特點(diǎn)3.5場(chǎng)效應(yīng)管放大電路3.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管圖3-1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖和符號(hào)3.1.2工作原理圖3-2當(dāng)UDS=0時(shí)UGS對(duì)導(dǎo)電溝道的影響示意1.UGS對(duì)導(dǎo)電溝道的影響2.ID與UDS、UGS之間的關(guān)系圖3-3UDS對(duì)導(dǎo)電溝道和ID的影響3.1.3特性曲線

1.輸出特性曲線圖3--4N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的輸出特性根據(jù)工作情況,輸出特性可劃分為4個(gè)區(qū)域,即:可變電阻區(qū)、恒流區(qū)、擊穿區(qū)和截止區(qū)。2.轉(zhuǎn)移特性曲線圖3-5N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性曲線圖3-6由輸出特性畫(huà)轉(zhuǎn)移特性3.2絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管3.2.1N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管1.結(jié)構(gòu)

圖3-7N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意2.工作原理圖3-8UGS＞UT時(shí)形成導(dǎo)電溝道3.特性曲線圖3–9N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線3.2.2N溝道耗盡型MOS場(chǎng)效應(yīng)管圖3-10N溝道耗盡型MOS管的結(jié)構(gòu)示意圖圖3-11N溝道耗盡型MOS場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線圖3-12MOS場(chǎng)效應(yīng)管電路符號(hào)表3-1各種場(chǎng)效應(yīng)管的符號(hào)和特性曲線類型符號(hào)和極性轉(zhuǎn)移特性輸出特性u(píng)GSOIDSSiDUPuGSOIDSSiDUP－i－uDSOuGS＝0V＋1VD＋2V＋3VuGS＝UP＝＋4VuDSOuGS＝0V－1ViD－2V－3VuGS＝UP＝－4VuDSOuGS＝5ViD3VuGS＝UT＝＋2V4VuGSiDOUTGSD+－iD－+GSD+－iD－+GSD+－iD－+BJFETP溝道JFETN溝道增強(qiáng)型NMOSuGSOiDUPIDSSiDOUTuGSuGSOIDSSiDUPuDSOuGS＝0ViD－2VuGS＝UP＝－4V＋2V－iD－5VuGS＝UT＝－3VO－uDS－4VuGS＝－6V－iD－2VuGS＝UP＝＋4VO－uDS＋2VuGS＝0VGSD+－iDB+－GSD+－iD－+BGSD+－iDB－+耗盡型NMOS增強(qiáng)型PMOS耗盡型PMOS表3-1續(xù)表3.3場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù) 3.3.1直流參數(shù) 1.飽和漏極電流IDSS

IDSS是耗盡型和結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的一個(gè)重要參數(shù),它的定義是當(dāng)柵源之間的電壓UGS等于零,而漏、源之間的電壓UDS大于夾斷電壓UP時(shí)對(duì)應(yīng)的漏極電流。2.夾斷電壓UPUP也是耗盡型和結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的重要參數(shù),其定義為當(dāng)UDS一定時(shí),使ID減小到某一個(gè)微小電流(如1μA,50μA)時(shí)所需的UGS值。

3.開(kāi)啟電壓UTUT是增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管的重要參數(shù),它的定義是當(dāng)UDS一定時(shí),漏極電流ID達(dá)到某一數(shù)值(例如10μA)時(shí)所需加的UGS值。

4.直流輸入電阻RGSRGS是柵、源之間所加電壓與產(chǎn)生的柵極電流之比。由于柵極幾乎不索取電流,因此輸入電阻很高。結(jié)型為106Ω以上,MOS管可達(dá)1010Ω以上。3.3.2交流參數(shù)1.低頻跨導(dǎo)gm

跨導(dǎo)gm的單位是mA/V。它的值可由轉(zhuǎn)移特性或輸出特性求得。3-13根據(jù)場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線求gm

2.極間電容場(chǎng)效應(yīng)管三個(gè)電極之間的電容,包括CGS、CGD和CDS。這些極間電容愈小,則管子的高頻性能愈好。一般為幾個(gè)pF。3.3.3極限參數(shù)1.漏極最大允許耗散功率PDmPDm與ID、UDS有如下關(guān)系:這部分功率將轉(zhuǎn)化為熱能,使管子的溫度升高。PDm決定于場(chǎng)效應(yīng)管允許的最高溫升。2.漏、源間擊穿電壓BUDS在場(chǎng)效應(yīng)管輸出特性曲線上,當(dāng)漏極電流ID急劇上升產(chǎn)生雪崩擊穿時(shí)的UDS。工作時(shí)外加在漏、源之間的電壓不得超過(guò)此值。3.柵源間擊穿電壓BUGS結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管正常工作時(shí),柵、源之間的PN結(jié)處于反向偏置狀態(tài),若UGS過(guò)高,PN結(jié)將被擊穿。對(duì)于MOS場(chǎng)效應(yīng)管,由于柵極與溝道之間有一層很薄的二氧化硅絕緣層,當(dāng)UGS過(guò)高時(shí),可能將SiO2絕緣層擊穿,使柵極與襯底發(fā)生短路。這種擊穿不同于PN結(jié)擊穿,而和電容器擊穿的情況類似,屬于破壞性擊穿,即柵、源間發(fā)生擊穿,MOS管立即被損壞。3.4場(chǎng)效應(yīng)管的特點(diǎn)(1)場(chǎng)效應(yīng)管是一種電壓控制器件,即通過(guò)UGS來(lái)控制ID。(2)場(chǎng)效應(yīng)管輸入端幾乎沒(méi)有電流,所以其直流輸入電阻和交流輸入電阻都非常高。(3)由于場(chǎng)效應(yīng)管是利用多數(shù)載流子導(dǎo)電的,因此,與雙極性三極管相比,具有噪聲小、受幅射的影響小、熱穩(wěn)定性較好而且存在零溫度系數(shù)工作點(diǎn)等特性。(4)由于場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)對(duì)稱,有時(shí)漏極和源極可以互換使用,而各項(xiàng)指標(biāo)基本上不受影響,因此應(yīng)用時(shí)比較方便、靈活。(5)場(chǎng)效應(yīng)管的制造工藝簡(jiǎn)單,有利于大規(guī)模集成。(6)由于MOS場(chǎng)效應(yīng)管的輸入電阻可高達(dá)1015Ω,因此,由外界靜電感應(yīng)所產(chǎn)生的電荷不易泄漏,而柵極上的SiO2絕緣層又很薄,這將在柵極上產(chǎn)生很高的電場(chǎng)強(qiáng)度,以致引起絕緣層擊穿而損壞管子。(7)場(chǎng)效應(yīng)管的跨導(dǎo)較小,當(dāng)組成放大電路時(shí),在相同的負(fù)載電阻下,電壓放大倍數(shù)比雙極型三極管低。圖3–14場(chǎng)效應(yīng)管的零溫度系數(shù)工作點(diǎn)圖3-15柵極過(guò)壓保護(hù)電路3.5場(chǎng)效應(yīng)管放大電路3.5.1靜態(tài)工作點(diǎn)與偏置電路圖3–16自給偏壓電路1.圖解法圖3–17求自給偏壓電路Q點(diǎn)的圖解2.計(jì)算法IDSS為飽和漏極電流,UP為夾斷電壓,可由手冊(cè)查出?！纠?】電路如圖3-16所示,場(chǎng)效應(yīng)管為3DJG,其輸出特性曲線如圖3-18所示。已知RD=2kΩ,RS=1.2kΩ,UDD=15V,試用圖解法確定該放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)。解寫(xiě)出輸出回路的電壓電流方程,即直流負(fù)載線方程設(shè)在輸出特性圖上將上述兩點(diǎn)相連得直流負(fù)載線。圖3-18圖解法確定工作點(diǎn)(例1)在轉(zhuǎn)移特性曲線上,作出UGS=-IDRS的曲線。由上式可看出它在uGS~iD坐標(biāo)系中是一條直線,找出兩點(diǎn)即可。令連接該兩點(diǎn),在uGS~iD坐標(biāo)系中得一直線,此線與轉(zhuǎn)移特性曲線的交點(diǎn),即為Q點(diǎn),對(duì)應(yīng)Q點(diǎn)的值為:另一種常用的偏置電路為分壓式偏置電路,如圖3-19所示。該電路適合于增強(qiáng)型和耗盡型MOS管和結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管。為了不使分壓電阻R1、R2對(duì)放大電路的輸入電阻影響太大,故通過(guò)RG與柵極相連。該電路柵、源電壓為圖3-19分壓式偏置電路利用圖解法求Q點(diǎn)時(shí),此方程的直線不通過(guò)uGS~iD坐標(biāo)系的原點(diǎn),而是通過(guò)ID=0,

點(diǎn),其它過(guò)程與自偏電路相同。利用計(jì)算法求解時(shí),需聯(lián)立解下面方程組3.5.2場(chǎng)效應(yīng)管的微變等效電路求微分式定義場(chǎng)效應(yīng)管電流電壓關(guān)系:(3-13)如果用id、ugs、uds分別表示iD、uGS、uDS的變化部分,則式(3-13)可寫(xiě)為3.5.3共源極放大電路圖3–20共源極放大電路微變等效電路1.電壓放大倍數(shù)(Au)式中,2.輸入電阻ri3.輸出電阻ro圖3-21源極輸出器3.5.4共漏放大器(源極輸出器)1.電壓放大倍數(shù)(Au)式中,所以整理后得于是得2.輸入電阻ri3.輸出電阻ro

令Us=0,并在輸出端加一信號(hào)U2?！纠?】計(jì)算例2電路3-19的電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻。電路參數(shù)及管子參數(shù)如例2,且RL=1MΩ,CS=100μF。