模擬電路 第五章

第五章場(chǎng)效應(yīng)三極管絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)下頁(yè)總目錄場(chǎng)效應(yīng)三極管中參與導(dǎo)電的只有一種極性的載流子（多數(shù)載流子），故稱為單極型三極管。分類：結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管增強(qiáng)型耗盡型N溝道P溝道N溝道N溝道P溝道P溝道下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)5.1絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管1.N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管⑴

結(jié)構(gòu)P型襯底N+N+BsgdSiO2鋁P襯底雜質(zhì)濃度較低，引出電極用B表示。N+兩個(gè)區(qū)雜質(zhì)濃度很高，分別引出源極和漏極。柵極與其他電極是絕緣的，通常襯底與源極在管子內(nèi)部連接。sgdB下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)P(yáng)型襯底N+sgdBN+開啟電壓，用uGS(th)表示⑵

工作原理當(dāng)uGS增大到一定值時(shí)，形成一個(gè)N型導(dǎo)電溝道。N型溝道uGS>UGS(th)時(shí)形成導(dǎo)電溝道VGG導(dǎo)電溝道的形成假設(shè)uDS=0，同時(shí)uGS

>0

靠近二氧化硅的一側(cè)產(chǎn)生耗盡層，若增大uGS

，則耗盡層變寬。又稱之為反型層導(dǎo)電溝道隨uGS增大而增寬。下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)uDS對(duì)導(dǎo)電溝道的影響uGS為某一個(gè)大于UGS(th)的固定值，在漏極和源極之間加正電壓，且uDS<

uGS

-UGS(th)即uGD=uGS-uDS

>UGS(th)則有電流iD

產(chǎn)生，iD使導(dǎo)電溝道發(fā)生變化。當(dāng)uDS

增大到uDS=uGS

-UGS(th)即uGD=uGS-uDS

=UGS(th)

時(shí)，溝道被預(yù)夾斷，

iD

飽和。P型襯底N+N+sgdBVGGN型溝道VDDuDS對(duì)導(dǎo)電溝道的影響下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)⑶

特性曲線IDOUGS(th)2UGS(th)預(yù)夾斷軌跡可變電阻區(qū)恒流區(qū)iD/mAuDS/VOuGS/ViD/mAO當(dāng)uGS

≥

UGS(th)時(shí)下頁(yè)上頁(yè)截止區(qū)轉(zhuǎn)移特性曲線可近似用以下公式表示：首頁(yè)2.N溝道耗盡型MOS場(chǎng)效應(yīng)管預(yù)先在二氧化硅中摻入大量的正離子，使uGS=0時(shí)，產(chǎn)生N型導(dǎo)電溝道。當(dāng)uGS<0時(shí)，溝道變窄，達(dá)到某一負(fù)值時(shí)被夾斷，iD≈0，稱為夾斷電壓。uGS>0時(shí)，溝道變寬，iD增大。gdsB下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)P(yáng)型襯底N+N+sgdBN型溝道++++++耗盡型：uGS

=0

時(shí)有導(dǎo)電溝道。增強(qiáng)型：uGS

=0

時(shí)無(wú)導(dǎo)電溝道。特性曲線IDSSUGS(off)預(yù)夾斷軌跡可變電阻區(qū)恒流區(qū)IDSSiD/mAuDS/VOuGS=0-2-1+1+2uGS/VOiD/mA下頁(yè)上頁(yè)截止區(qū)首頁(yè)場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)1.直流參數(shù)⑴

飽和漏極電流IDSS是耗盡型場(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大于夾斷電壓時(shí)對(duì)應(yīng)的漏極電流。⑵

夾斷電壓UGS(off)是耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管的一個(gè)重要參數(shù)。其定義是當(dāng)uDS一定時(shí)，使iD減小到某一個(gè)微小電流時(shí)所需的uGS值。下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)⑶

開啟電壓UGS(th)UGS(th)是增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管的一個(gè)重要參數(shù)。其定義是當(dāng)uDS一定時(shí)，使漏極電流達(dá)到某一數(shù)值時(shí)所需加的uGS值。⑷

直流輸入電阻RGS柵源之間所加電壓與產(chǎn)生的柵極電流之比。結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的RGS一般在107Ω以上，絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管的RGS更高，一般大于109Ω。下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)2.交流參數(shù)⑴低頻跨導(dǎo)gm用以描述柵源之間的電壓uGS對(duì)漏極電流iD的控制作用。⑵極間電容場(chǎng)效應(yīng)管三個(gè)電極之間的等效電容，包括CGS

、CGD和CDS

。極間電容愈小，管子的高頻性能愈好。一般為幾個(gè)皮法。下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)3.極限參數(shù)⑴漏極最大允許耗散功率PDM漏極耗散功率等于漏極電流與漏源之間電壓的乘積，即pD=iDuDS。⑵

漏源擊穿電壓U（BR)DS在場(chǎng)效應(yīng)管的漏極特性曲線上，當(dāng)漏極電流iD急劇上升產(chǎn)生雪崩擊穿時(shí)的uDS

。⑶柵源擊穿電壓U（BR）GS下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)5.2場(chǎng)效應(yīng)管放大電路共源極放大電路分壓-自偏壓式共源極放大電路共漏極放大電路下頁(yè)場(chǎng)效應(yīng)管的特點(diǎn)總目錄場(chǎng)效應(yīng)管是電壓控制元件,

三極管是電流控制元件。2.場(chǎng)效應(yīng)管輸入電阻非常高,三極管輸入電阻較小。3.場(chǎng)效應(yīng)管噪聲小,受外界溫度及輻射的影響小,

存在零溫度系數(shù)工作點(diǎn)。4.場(chǎng)效應(yīng)管的制造工藝簡(jiǎn)單,便于集成。5.存放時(shí),柵極與源極應(yīng)短接在一起。焊接時(shí),烙鐵外殼應(yīng)接地。下頁(yè)一、場(chǎng)效應(yīng)管的特點(diǎn)上頁(yè)首頁(yè)（一）電路組成uGS

>

UGS(th)uDS

>

uGS

-

UGS(th)下頁(yè)上頁(yè)二、共源極放大電路首頁(yè)+-uGSVDD共源極放大電路的原理電路RgRDVGGsdg+-uiuO+-+-uDS+-uGSVDD共源極放大電路的原理電路RgRDVGGsdg+-uiuO+-+-uDS（二）靜態(tài)分析1.近似估算法UGSQ

=

VGGUDSQ=

VDD-IDQRD

iD下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)iD=

IDO(uGSUGS(th)-1)2IDQ=IDO(UGSQUGS(th)-1)2uDSOiDuGS=4.5V4V3.5V3V2V

圖解法分析共源放大電路的Q點(diǎn)2.圖解法QVDDRdUDSQVDDIDQ直流負(fù)載線uDS=

VDD-iDRd

UGSQ=

VGGUGSQ與直流負(fù)載線的交點(diǎn)即是靜態(tài)工作點(diǎn)Q。下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)（三）動(dòng)態(tài)分析1場(chǎng)效應(yīng)管的微變等效電路iD

=

f

（uGS，

uDS

）求

iD的全微分Id

=

gmUgs

+

Udsrds1gm

的值約為0.1~20mS。rds

通常為幾百千歐。下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)gmUgsUgsUdsrds+-+-

場(chǎng)效應(yīng)管的微變等效電路

sdgid若RD比rDS小得多rDS可視為開路簡(jiǎn)化的等效電路gm

=UGS(th)2IDOIDQ其中：gm和rDS可在場(chǎng)效應(yīng)管特性曲線上作圖求得。gm也可由iD=

iDO(uGSUGS(th)-1)2求導(dǎo)得下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)gmUgsUgsUds+-+-sdgiDUo

=-gmUgs

RDAu

=UoUi=

-

gm

RDRo=RDUI

=

UGS下頁(yè)上頁(yè)gmUgsUgsUoRd+-+-

共源電路的微變等效電路

sdgidUi+-RG首頁(yè)2.動(dòng)態(tài)參數(shù)計(jì)算VDDRGRDVGG+-uiuo+-電路組成下頁(yè)上頁(yè)RgRd+VDDsdg+-uiuo+-分壓-自偏壓式共源放大電路R1R2RsC1CSC2RL三、分壓-自偏壓式共源極放大電路靜態(tài)時(shí)，柵極電壓由VDD經(jīng)R1、R2分壓后提供，ID流經(jīng)RS產(chǎn)生一個(gè)自偏壓，RS也有利于穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)，旁路電容CS必須足夠大，以免影響電壓放大倍數(shù)。RG用于提高放大電路的輸入電阻。首頁(yè)（一）靜態(tài)分析1.近似估算法VG=R1

+

R2R1VDDUGSQ

=

VG

-

IDQRSIDQ=

IDO(UGSQUGS(th)-1)2UDSQ

=

VDD-

IDQ

(

Rd+

Rs)VGIDID+-UDS+-UGS下頁(yè)上頁(yè)RgRd+VDDsdg+-uiuo+-分壓-自偏壓式共源放大電路R1R2RsC1CSC2RL首頁(yè)uDSOiDuGS=4.5V4V3.5V3V2VuGSOiD2.圖解法IDQVGQUGSQuGS

=

VGQ

-

iDRsVGQRSVDDRS+RDUDSQVDDIDQuDS

=

VDD-

iD

(

Rd+

Rs)下頁(yè)上頁(yè)RGRD+VDDR1R2RSVGIDID+-UDS+-UGS首頁(yè)（二)動(dòng)態(tài)分析RDUo+-idUi+-RGR2R1RLUo

=-gmUgs

RD′Ui

=

UgsRD′=

Rd

//

RL下頁(yè)上頁(yè)RGRD+VDDsdg+-uiuo+-分壓-自偏壓式共源放大電路R1R2RSC1CSC2RL首頁(yè)gmUgsUgs+-SDG仿真又稱源極輸出器或源極跟隨器RG+VDDsdg+-uiuo+-共漏極放大電路R1R2RSC1C2RL1.靜態(tài)分析可用近似估算法或圖解法，求解過程可參閱分壓–自偏壓式共源放大電路。下頁(yè)上頁(yè)四、共漏極放大電路首頁(yè)2.動(dòng)態(tài)分析下頁(yè)上頁(yè)RG+VDDsdg+-uiuo+-R1R2RSC1C2RLRSUo+-idUi+-RGR2R1RL首頁(yè)+-sdg下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)RS+-+-源極輸出器的微變等效電路sdgid+-RGRLR2R1仿真上頁(yè)首頁(yè)RogmUgsUgsUoRS+-+-

求源極輸出器RO

的等效電路sdgidRGR2R1io5.3結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管1.結(jié)構(gòu)N型溝道耗盡層gdsgdsP+P+N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)柵極漏極源極下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)2.工作原理uGS=0uGS<0uGS=UGS(off)⑴

當(dāng)uDS=0

時(shí)，uGS對(duì)耗盡層和導(dǎo)電溝道的影響。ID=0ID=0下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)N型溝道gdsP+P+N型溝道gdsP+P+gdsP+P+溝道較寬，iD

較大。iS=iDiDiSiDiSuGS=0，uGD>UGS(off)uGS<0，uGD>UGS(off)⑵

當(dāng)uDS＞0

時(shí)，uGS對(duì)耗盡層和iD的影響。NP+P+VGGVDDgdsNP+P+VDDgds溝道變窄，

iD

較小。下頁(yè)上頁(yè)首頁(yè)NP+P+iDiSVGGVDDP+P+iDiSVGGVDDuGS<0，uGD