第03章 场效应管及其放大电路课件.ppt

电子电路基础Electronic Circuit Foundation,北京邮电大学 信息与通信工程学院 孙文生,http:/,教学资源,课件下载微博http:/,主群 3643 7175(500人),分群 5611 2577,误闯地球,电子电路基础Electronic and Circuit Foundation,第三章 场效应管及其放大电路,讨论群：3643 7175,第三章 场效应管及其放大电路,场效应晶体管的特点通过改变电场强度控制半导体导电能力的有源器件；栅源电压vGS 控制漏源电流iD。,仅有一种载流子参与导电；根据参与导电的载流子不 同，有电子作为载流子的 N沟道器件和空穴作为载 流子的P沟道器件。热稳定性好，抗干扰能力强。输入阻抗高,易集成,第三章 场效应管及其放大电路,场效应管的分类绝缘栅型场效应管(Insulated Gate Field Effect Transister,IGFET)也称金属氧化物半导体三极管MOSFET，简称MOS管（Metal Oxide Semiconductor FET）结型场效应管(Junction type Field Effect Transister,JFET),3.1.1 增强型MOS场效应管,N沟道增强型MOS管的结构,D(Drain)为漏极，相当cG(Gate)为栅极，相当bS(Source)为源极，相当e,N沟道增强型MOSFET的结构示意图和符号,3.1.1 增强型MOS场效应管,增强型电阻负载共源放大电路,N沟道增强型MOS管的基本工作原理,3.1.1 增强型MOS场效应管,栅源电压vGS的影响加入栅源电压vGS 导电沟道的形成,开启电压 VGS(th):开始形成导电沟道的vGSvGS 对导电沟道有控制作用.,3.1.1 增强型MOS场效应管,漏源电压vDS对导电沟道的影响,楔型沟道 预夹断状态 夹断状态,vGD VGS(th)vDS(vGS-VGS(th),vGD=VGS(th)vDS=(vGS-VGS(th),vGD(vGS-VGS(th),3.1.1 增强型MOS场效应管,N沟道增强型MOS管特性曲线输出特性曲线 iD=f(vDS)vGS=常数转移特性曲线 iD=f(vGS)vDS=常数,3.1.1 增强型MOS场效应管,输出特性曲线 iD=f(vDS)vGS=常数,截止区:,截止区,当vGS接近VGS(th)时，iD约在A级，且iD与vGS成指数关系，这种现象称为亚域区效应。,3.1.1 增强型MOS场效应管,输出特性曲线 iD=f(vDS)vGS=常数,截止区,可变电阻区:,3.1.1 增强型MOS场效应管,输出特性曲线 iD=f(vDS)vGS=常数,饱和区:,截止区,vDS在一定范围内变化，导电沟道上的电压基本不变，iD也基本不变，输出特性曲线为直线。,但随着vDS的增大，沟道长度减小，沟道电阻也随之减小，iD也会随vDS增大而略有增大，称这种现象为沟道长度调制效应。,3.1.1 增强型MOS场效应管,沟道长度调制效应 漏源电压vDS对沟道长度的调制作用,沟道长度调制因子,典型值：0.0010.03 V-1,3.1.1 增强型MOS场效应管,漏极和源极之间的微变等效电阻rds,3.1.1 增强型MOS场效应管,输出特性曲线 iD=f(vDS)vGS=常数,击穿区:多种击穿共存,截止区,在饱和区，vDS过大会使管内漏、源区间的耗尽区出现击穿。vDS过大时，会导致漏区与衬底间的PN结出现反向击穿。对沟道长度较短的MOS管，vDS过大会使漏源区之间全部转为耗尽区，发生贯通击穿。栅极下存在SiO2绝缘层，vGS过大会使绝缘层击穿。,3.1.1 增强型MOS场效应管,截止区:,可变电阻区:,饱和区:,截止区,应用举例,例:某MOS管的kp=40A/V2,W/L=20,VGS(th)=1V,VA=50V,vGS=3V.(1)试问vDS为何值时出现预夹断，并求此时的漏极电流iD.(2)求vDS=5V时的漏极电流.,3.1.1 增强型MOS场效应管,N沟道增强型MOS管的转移特性曲线,iD=f(vGS)vDS=常数,由输出特性曲线求转移特性曲线,3.1.1 增强型MOS场效应管,转移特性曲线iD=f(vGS)vDS=常数,跨导gm:衡量栅源电压对漏极电流 的控制作用。,VGS(th),3.1.1 增强型MOS场效应管,转移特性曲线iD=f(vGS)vDS=常数,VGS(th),场效应管在饱和区输出电流与输入电压呈二次函数关系(均指瞬时值、全值)。双极型晶体管在放大区输出电流与输入电压呈指数关系。对交流而言，在Q点附近均是线性关系，用Q点的切线代替曲线，近似为线性。,3.1.1 增强型MOS场效应管,MOS场效应管衬底调制效应,背栅跨导gmb:衡量背栅源电压对漏极 电流的控制作用。,跨导比:衡量gmb的大小。,应用举例,例:N沟道MOS管放大电路如图,其中RD=1.5K,VDD=5V，开启电压 Vth=1.5V，本征导电因子kp=50A/V2,沟道宽长比W/L=10，沟道 长度调制因子=0.001/V。试求：(1)若微变跨导gm=1mS，直流徧置电压源VGSQ应为多少？(2)为使管工作在饱和区，求电压源vi的动态范围。,解:(1)由于数值较小，在vDS的变化范围内均有(vDS)1，故可忽略沟道长度调制效应。,应用举例,解:(2),又 vGS=VGSQ+viVth，故，vimin=Vth-VGSQ=-2V,所以，vimax=vGSmax-VGSQ=4.05-3.5=0.55V,3.1.1 增强型MOS场效应管,P沟道增强型MOS管,P 沟道MOS场效应管的工作原理与 N 沟道MOS管完全相同，但导电的载流子不同，电压极性不同，如同双极型三极管有NPN 型和 PNP 型一样。,增强型MOS场效应管,绝缘栅场效应管,N沟道增强型,P沟道增强型,3.1.2 耗尽型MOS场效应管,N 沟道耗尽型MOS管，是在栅极下的SiO2绝缘层中掺入了大量的金属正离子。当VGS=0 时，这些正离子已经感应出反型层，在漏源之间形成导电沟道，只要有漏源电压，就有漏极电流存在。,若在栅源之间加正电压，导电沟道将变厚，沟道电阻减小。,若在栅源之间加负电压，导电沟道将变窄，沟道电阻增大。,3.1.2 耗尽型MOS场效应管,工作原理初始导电沟道已经存在VGS 对导电沟道有控制作用.当VGS=VGS(off)时,导电沟道完全被夹断，称为截止电压。,通常VGS0,3.1.2 耗尽型MOS场效应管,工作原理 VGS=常数漏源电压vDS对沟道的影响,3.1.2 耗尽型MOS场效应管,输出特性曲线 iD=f(vDS)vGS=const,截止区:,可变电阻区:,饱和区:,3.1.2 耗尽型MOS场效应管,转移特性曲线iD=f(vGS)vDS=const,P点是 vGS=0 时的预夹断点，该点的漏极电流称为漏极饱和电流IDSS，也称零栅压漏极电流。,IDSS(1+vDS),3.1.2 耗尽型MOS场效应管,转移特性曲线iD=f(vGS)vDS=const,在饱和区内,当vGS=0时,令,耗尽型MOS场效应管,绝缘栅场效应管,N沟道耗尽型,P 沟道耗尽型,3.2 结型场效应管(JFET),结型场效应管(Junction Field Effect Transistor,JFET)是在一块半导体的两端引出源极(S)和漏极(D)，在两侧用半导体工艺扩散出另一类型的高掺杂半导体，引出电极作为栅极(G)。若导电沟道为N型，则称为N沟道结型场效应管；若沟道类型为P型，称为P沟道结型场效应管。,3.2.1 结型场效应管的基本工作原理,栅源电压vGS对导电沟道的控制作用,N沟道结型场效应管中vGS的影响,栅源电压vGS 0，vGS 对导电沟道有控制作用夹断电压 VGS(off):导电沟道被耗尽层夹断时的vGS,0vGS VGS(off),vGS=VGS(off),3.2.1 结型场效应管的基本工作原理,漏源电压vDS对沟道的影响,N沟道结型场效应管中vDS的影响,楔型沟道 预夹断状态 夹断状态,vGD VGS(off)vDS vGS-VGS(off),vGD=VGS(off)vDS=vGS-VGS(off),vGD vGS-VGS(off),3.2.2 结型场效应管的特性曲线,JFET的输出特性曲线、转移特性曲线与耗尽型MOSFET的特性曲线基本相同，但MOS管的栅压可正、可负，而结型场效应管的栅压只能是正值(P沟道)或负值(N沟道)。,3.2.2 结型场效应管的特性曲线,可变电阻区:,饱和区:,结型场效应管的特性曲线,结型场效应管,N沟道耗尽型,P沟道耗尽型,耗尽型场效应管,截止区:,可变电阻区:,饱和区:,3.3 VDMOS和IGBT,VDMOS型场效应管,VMOS管中的原胞单元,VDMOS场效应管(Vertical Double-diffused MOSFET)由多个原胞单元并联构成。,3.3 VDMOS和IGBT,IGBT管,IGBT管中的原胞单元,IGBT场效应管与VDMOS管类似，也是(由多个原胞单元并联构成。,3.4 场效应管放大电路,3.4.1 场效应管的模型,MOS场效应管瞬态模型,N沟道增强型MOS管,模型是用标准元件构建的一种电路结构，其端口电压、电流关系与器件的外特性等效。,MOS管的瞬态模型(未考虑电容),3.4.1 场效应管的模型,MOS场效应管瞬态模型,N沟道增强型MOS管,MOS管的瞬态模型,3.4.1 场效应管的模型,MOS场效应管的微变信号模型,MOS管的瞬态模型,MOS管的微变信号模型,3.4.1 场效应管的模型,MOS场效应管的微变信号模型,MOS管低频微变信号模型,3.4.1 场效应管的模型,模型参数,P192 3.1.14,3.4.1 场效应管的模型,MOS场效应管的简化直流模型 MOS场效应管的栅极输入电阻极高，几乎不取电流，栅源之间对直流视为开路，只需讨论输出特性即可。,MOS管的简化直流模型,3.4.1 场效应管的模型,结型场效应管的瞬态模型,N沟道增强型MOS管,MOS管的瞬态模型,3.4.1 场效应管的模型,结型场效应管的微变信号模型,结型场效应管的低频微变信号模型,3.4.2 场效应管的直流偏置电路,与双极型电路相似，场效应管放大电路也必须设置合适的静态工作点Q，电路的分析也用图解法和等效电路法。,增强型MOS管的偏置电路,对于增强型MOS管，为保证衬底与沟道间的PN结反偏，要求栅极G和漏极D必须同极性偏置.,分压式偏置电路,3.4.2 场效应管的直流偏置电路,一 采用图解法求Q点,作增强型MOS管的转移特性曲线.作源极负载线.,3.4.2 场效应管的直流偏置电路,二 采用解析法求Q点,列如下方程组：,联立求解 定Q点,应用举例,解:(1),10K,10K,0.5K,例:N沟道增强型场MOS管的分压偏置电路如下,其中VDD=10V,Vth=2V,忽略沟道长度调制效应，iD=0.2(vGS-Vth)2mA,试求：(1)静态工作点的电压VGSQ、电流IDQ。(2)为保证管在饱和区，电阻RD的上限数值是多少？,(2),又,3.4.2 场效应管的直流偏置电路,耗尽型场效应管的偏置电路,自生偏压式偏置电路,3.4.2 场效应管的直流偏置电路,一 采用图解法求Q点,作耗尽型MOS管的转移特性曲线作源极负载线,N沟道耗尽型管电路,Q,3.4.2 场效应管的直流偏置电路,二 采用解析法求Q点,列如下方程组：,联立求解 定Q点,N沟道耗尽型管电路,自生偏压定Q点,应用举例,1M,1k,2k,例:N沟道结型场效应管的自生偏压电路和特性曲线如下，其中 VDD=8V，试求静态工作点的电压VGSQ、电流IDQ。,应用举例,例:N沟道结型场效应管的自生偏压电路和特性曲线如下，其中 RG=1M，RS=1K，RD=2K，VDD=8V。试求：输入电 压vi、输出电压vo、输出电流iD的动态范围。,iD,3.4.2 场效应管的直流偏置电路,耗尽型MOS场效应管放大电路,混合偏置电路：,耗尽型MOS管的偏置电路,3.4.3 场效应管基本放大电路,共源(CS)放大电路电压增益高,输入输出反相。共漏(CD)放大电路电压增益接近于1,输入输出同相;输入电阻高,输出电阻低共栅(CC)放大电路电压增益高,输入输出同相。,http:/,一 基本共源放大电路,分压式偏置共源放大电路,增强型电阻负载共源放大电路,1.找Q点,2.定参量,一 基本共源放大电路,共源放大电路的交流等效电路,中频增益：,输入电阻：,输出电阻：,3.画模型,4.求指标,+,-,二 基本共栅放大电路,结型电阻负载共栅放大电路,1.找Q点,2.定参量,结型共栅放大电路,二 基本共栅放大电路,3.画模型,结型电阻负载共栅放大电路,交流等效电路,二 基本共栅放大电路,共栅放大电路的交流等效电路,+,-,4.求指标,电压增益:,二 基本共栅放大电路,共栅放大电路的交流等效电路,4.求指标,输入电阻:,二 基本共栅放大电路,4.求指标,输出电阻:,共栅放大电路的交流等效电路,三 基本共漏放大电路,分压式电阻负载共漏放大电路及其交流等效电路,分压式偏置共漏放大电路,三 基本共漏放大电路,电压增益:,分压式共漏放大电路的交流等效电路,-,共漏放大电路称为源级跟随器.,三 基本共漏放大电路,分压式共漏放大电路的交流等效电路,输入电阻:,输出电阻:,3.4.3 场效应管基本放大电路,共源放大电路,共栅放大电路,中频增益：,输入电阻：,输出电阻：,中频增益：,输入电阻：,输出电阻：,共漏放大电路,中频增益：,输入电阻：,输出电阻：,3.4.4 场效应管电流源电路,单管电流源镜像电流源比例电流源串联电流源威尔逊电流源,http:/,一 MOS单管电流源,自生偏压和漏极电流的关系:,源极电流 ID 流过电阻 R 产生压降，做为栅源间的偏压，使管子工作在饱和区。,MOS单管电流源,解此方程组即可求出电流 ID的值。,输出电阻:,二 基本电流源,MOS管基本电流源,1.镜像支路和参考支路的关系,2.输出电阻,镜像电流源比例电流源,工作在饱和区,令：VGS(th)1=VGS(th)2，1=2=,三 串联电流源,MOS管串联电流源,T1T4管的参数(kp、Vth、)尽量一致，以减小因vDS差异引起的沟道长度调制效应对I0、IR比例精度的影响。T2的输出电阻rds2对T4呈电流负反馈，进一步提高T4管的输出电阻rds4。,电路特点：,四 威尔逊电流源,为提高电流源的输出电阻和镜像精度，可采用威尔逊电流源。,威尔逊电流源,威尔逊电流源等效电路,3.3.3 MOS管威尔逊电流源,威尔逊电流源等效电路,为求输出电阻，列如下方程组：,3.3.3 MOS管威尔逊电流源,由：,得：,3.4.5 场效应管有源负载放大电路,MOS管有源电阻共源E/E型放大电路NMOS E/D型放大电路CMOS 放大电路,http:/,一 MOS管有源电阻,为提高增益，减小芯片面积，MOS集成电路大多采用有源电阻。,增强型MOS管有源电阻,MOS二极管,一 MOS管有源电阻,耗尽型MOS管有源电阻,直流电阻：,交流电阻：,下图为采用 P 沟道耗尽型MOS管组成有源电阻，也称单管电流源。,二 NMOS管共源 E/E 型放大电路,NMOS E/E放大电路及其交流等效电路,vi,二 NMOS管共源 E/E 型放大电路,NMOS E/E放大电路的交流等效电路,输出电阻:,电压增益:,三 NMOS管共源 E/D 型放大电路,NMOS E/D放大电路及其交流等效电路,三 NMOS管共源 E/D 型放大电路,NMOS E/D放大电路的交流等效电路,输出电阻:,电压增益:,四 CMOS共源 放大电路,CMOS电路以 NMOS管做放大管，PMOS管作负载管，构成互补放大电路，可以很好地消除衬底调制现象。,四 CMOS共源 放大电路,共源CMOS放大电路,输出电阻:,电压增益:,四 CMOS共源 放大电路,CMOS反相器,四 CMOS共源 放大电路,输出电阻:,电压增益:,CMOS反相器,三种放大电路传输特性的比较,常用单级MOS放大电路:E/E NMOS E/D NMOS CMOS,三种放大电路传输特性的比较,注意观察：1 动态范围2 增益,3.4.6 场效应管差分放大电路,MOS管差分放大电路,放大差模抑制共模输入电阻高线性范围宽微变增益低，偏差失调大,MOS管差放的传输特性曲线,MOS管基本差分电路,3.4.6 场效应管差分放大电路,差模传输特性,(1)静态时，vID=0，差动输出 iOD=0,电路工作于曲线原点。,(2)加入差模信号 vID 后，两管的差动输出电流一增一减，增减量相同。,(3)当vID 很大时进入限幅区。CMOS差 放非限幅区的范围通常比双极型晶 体管差放大很多。,3.4.6 场效应管差分放大电路,MOS管差分放大电路的交流通路,差模电压增益:,非限幅区范围:,3.4.6 场效应管差分放大电路,MOS管差分放大电路,共模输入电压范围:,vIC下降时vS跟随下降，vDS3减小：,由,得,vIC上升时vS跟随上升，iD基本不变,基本不变,而,3.4.6 场效应管差分放大电路,MOS管差分放大电路,共模电压增益:,共模抑制比:,3.4.6 场效应管差分放大电路,MOS管有源差分放大电路,E/E型有源负载CMOS差放,差模电压增益:,PMOS管T3和T4为有源电阻，且,3.4.6 场效应管差分放大电路,MOS管有源差分放大电路,电流源有源负载CMOS差放,差模电压增益:,3.4.6 场效应管差分放大电路,漏极信号电流：,输出信号电流：,输出电压：,电压增益：,输出电阻：,镜像电流源负载CMOS差放,MOS管有源差分放大电路,3.4.6 场效应管差分放大电路,差放中的衬底调制效应,T1、T2管存在衬源电压，使开启电压增大；差模电压和共模电压输入范围有所改变；但对微变信号而言，不存在衬底调制效应，微变差模电压增益不受影响。,3.5 场效应管模拟开关,接通状态：电阻尽可能小关断状态：电阻尽可能大开关速度尽可能快,模拟开关是一种控制模拟信号传输的器件。,3.5.1 单管MOS模拟开关,单管NMOS模拟开关,单管PMOS模拟开关,可变电阻区,可变电阻区,几百几十千欧,CMOS传输门,CMOS传输门由N沟道增强型MOS管和P沟道增强型MOS管并接构成，两管栅极施加反向控制信号。当控制信号为高电平时，输入信号vI可以几乎无衰减地传输到输出端，vO vI。当控制信号为低电平时，输入输出之间呈高阻状态，vO 0。,3.5.2 CMOS模拟开关,CMOS模拟开关由CMOS传输门和CMOS反相器构成。CMOS模拟开关扩大了输入信号的幅度范围(0VDD)，同时又保持较小的导通电阻。,CMOS模拟开关应用实例,数控增益放大器,