场效应晶体管及其放大电路.ppt
第三章：场效应晶体管及其放大电路,北京邮电大学电信院电路与系统中心,内容提要,内容提要,场效应晶体管利用输入电压在管内形成的电场影响导电沟道的形状，进而控制输出电流,场效应管的特点：,输入阻抗高,抗辐射能力强,热稳定性好,重点介绍场效应管的结构、工作原理及其应用电路,N沟道增强型场效应管的结构,第一节：MOS场效应管,衬底上的箭头代表PN结的正向方向,MOS管的命名原因,沟道的含义,N沟道增强型场效应管的基本工作原理(一),第一节：MOS场效应管,栅源电压 对管工作的影响,设,时,管子截止,时,时,反型层形成，出现导电沟道,：开启电压,N沟道增强型场效应管的基本工作原理(二),第一节：MOS场效应管,漏源电压 对管工作的影响,设,时,导电沟道变为楔形,时,出现预夹断,时,沟道被夹断,N沟道增强型场效应管的基本工作原理(三),第一节：MOS场效应管,栅源电压起着建立导电沟道和控制沟道形状的作用,由于沟道电流仅由多子流构成，故也称场效应管为单极型晶体管。特点：,漏源电压产生输出电流并改变沟道形状,温度稳定性能好,抗辐射能力强,增强型的含义,N沟道增强型场效应管的输出特性曲线(一),第一节：MOS场效应管,由于栅极与源极和漏极之间有绝缘层隔开，故栅极输入电流极小，输入电阻极高，可以达到 以上,因此，常用的特性曲线为输出特性曲线和转移特性曲线,N沟道增强型场效应管的输出特性曲线(二),第一节：MOS场效应管,可变电阻区,饱和区,击穿区,截止区：,可变电阻区：,饱和(恒流)区：,厄尔利电压,沟道长度调制效应,击穿区：,放大区,预夹断点,N沟道增强型场效应管的转移特性曲线(一),第一节：MOS场效应管,转移特性曲线表示漏源电压一定时，漏极电流与栅源电压之间的关系曲线,可由输出曲线求得,转移跨导：,N沟道增强型场效应管的转移特性曲线(二),第一节：MOS场效应管,在相同工作点电流情况下，MOS管跨导的数值通常会比双极型管的小，可能小12个数量级,跨导也可以由转移特性曲线图解确定,MOS场效应管的击穿,第一节：MOS场效应管,饱和区内，过大的漏源电压所产生的击穿与输出特性曲线上的击穿区对应,漏源电压过大时，会导致漏区与衬底间的PN结出现反向击穿,饱和区内可能会出现贯通击穿,当栅源电压过大时，可能会导致绝缘层被击穿,MOS场效应管衬底调制效应(一),第一节：MOS场效应管,在MOS管工作时，漏区、源区、导电沟道与衬底之间的PN结不应出现正向导通情况，否则管不能正常工作,这就要求N沟道型管的衬源极间电压应满足，P沟道型管应,MOS场效应管衬底调制效应(二),第一节：MOS场效应管,分立元件中，衬底B一般与源极S相连。在集成电路中，由于所有元件为同一衬底，为保证所有元件的沟道与衬底间的隔离，导电沟道与衬底之间所形成的PN结必须反偏，也即N沟道MOS管的。所以，开启电压和转移特性曲线右移,背栅跨导,P沟道增强型MOS场效应管(一),第一节：MOS场效应管,P沟道管的结构和原理与N沟道管类似,但应注意沟道极性的区别及由此带来的电流、电压方向的变化,P沟道增强型MOS场效应管(二),第一节：MOS场效应管,应注意特性曲线图中电流、电压的方向,耗尽型MOS场效应管(一),第一节：MOS场效应管,耗尽型MOS管在栅源零偏时即已存在导电沟道,注意其符号与增强型的区别,耗尽型MOS场效应管(二),第一节：MOS场效应管,：截止电压或阈值电压,也会产生预夹断和漏极电流饱和的情况,时已有导电沟道，故 时即有漏极电流产生,耗尽型MOS场效应管(三),第一节：MOS场效应管,可变电阻区,饱和区,击穿区,截止区：,可变电阻区：,饱和(恒流)区：,击穿区,耗尽型MOS场效应管(四),第一节：MOS场效应管,P沟道型管的特性可与之类比,MOS管类型总结,第一节：MOS场效应管,MOS管,MOS管的结构,注意N沟道与P沟道的区别,注意增强型与耗尽型的区别,结型场效应管的结构,第二节：结型场效应管,结型场效应管(JFET：Junction Field Effect Transistor),根据沟道类型不同亦可分类,结型场效应管的基本工作原理(一),结型场效应管存在着内建初始导电沟道，这一点与耗尽型管类似,结型场效应管应用时的输入电阻很大，可达 以上,结型场效应管也是通过控制导电沟道的形态改变输出电流,结型场效应管输入信号及输出电流、电压的选择与MOS管类似,第二节：结型场效应管,结型场效应管的基本工作原理(二),栅源电压 对管工作的影响,时,耗尽层增厚，导电沟道变薄，沟道电阻增大,设,时,沟道全夹断，漏极电流为零,：夹断电压,第二节：结型场效应管,结型场效应管的基本工作原理(三),漏源电压 对管工作的影响,时,导电沟道变为楔型,时,继续增大时,沟道预夹断，此时的漏极电流为饱和电流,设,此时对应于输出特性曲线饱和区,第二节：结型场效应管,结型场效应管的特性曲线,恒流区,击穿区,可变电阻区,第二节：结型场效应管,大功率管的作用,第三节：VDMOS和IGBT管,大功率管：最大允许工作电流、击穿电压、最大耗散功率 的数值均较大,横向结构场效应管的漏源击穿电压和最大耗散功率、最大容许工作电流不能同时增大,VDMOS型场效应管,第三节：VDMOS和IGBT管,VDMOS的结构说明,VDMOS中沟道的产生,VDMOS中的三极管及器件符号,IGBT型管,第三节：VDMOS和IGBT管,请自行参阅课本,MOS场效应管的瞬态模型,第四节：场效应管放大电路,MOS场效应管的微变信号模型,第四节：场效应管放大电路,结型场效应管的微变信号模型,第四节：场效应管放大电路,场效应管放大电路的要点,第四节：场效应管放大电路,分析方法与三极管放大电路相同，仍然是先静态后动态，既可以使用图解法又可以使用等效电路法,注意偏置电路的设置（对于不同的场效应管来说有不同的设置需求）,由于栅极电流为零，因此在等效模型中的栅极为悬空。受控电流源所反映的为栅源电压对漏极电流的控制作用,跨导一般较小，从而使得场效应管放大电路的具体参数与三极管放大电路相比有一些不同之处,偏置变量的相关回顾,第四节：场效应管放大电路,所谓偏置，就是给器件加一定的电压(或电流)，使其工作点偏离原点，以便器件能够在电路中按照人们的要求工作。对于放大运用来说，器件应工作于放大(恒流，饱和)区,当大信号工作时，静态工作点的位置及动态运用的范围影响非线性失真,当小信号运用时，只要是在放大区，静态工作点的位置并不影响非线性失真，但将影响放大量(动态范围)和功率消耗,偏置电路应兼顾静态工作点的稳定、功率消耗。大信号运用时，静态工作点的不稳定还影响动态运用范围和功率损耗，后者将牵涉到器件的安全运用,分压式偏置,第四节：场效应管放大电路,管状态的分析过程与三极管类似，即先假定管处于饱和状态并展开分析看结果是否一致,对于不同类型的管子来说，应注意：,N沟道增强型,N沟道耗尽型,N沟道结型,P沟道型管,电源电压应为负值,自给偏压式偏置(一),第四节：场效应管放大电路,静态时靠源极电阻上的电压为栅源提供一个负的偏压，故称自给偏压,增强型场效应管为同极性偏置,结型场效应管为反极性偏置,耗尽型MOS场效应管两者均可,自给偏压适用于结型或耗尽型管,自给偏压式偏置(二),第四节：场效应管放大电路,偏置电阻对交流信号有损耗作用，也降低了放大电路的输入电阻,在集成电路中，本级放大电路的输入端直流偏置通常由前级电路的输出提供,必要时加入直流电平移动单元，称这种偏置方式为直接偏置,场效应管的三种基本组态放大电路,第四节：场效应管放大电路,共源与共射对应,共漏与共集对应,共栅与共基对应,场效应管基本共源放大电路,第四节：场效应管放大电路,基本特性及应用范围同共射电路,场效应管基本共栅放大电路,第四节：场效应管放大电路,基本特性及应用范围同共基电路,场效应管基本共漏放大电路,第四节：场效应管放大电路,基本特性及应用范围同共集电路,场效应管基本电流源(一),第四节：场效应管放大电路,T2管的，保证其工作在饱和区,设,忽略沟道长度调制效应后()，若两管参数对称则为镜像电流源，否则为比例电流源,场效应管基本电流源(二),第四节：场效应管放大电路,为了提高集成度，通常用有源电阻代替一般电阻,合理设计T1、T3管的宽长比，即可得到符合要求的参考电流,场效应管串联电流源,第四节：场效应管放大电路,T3、T4特性相同,输出电流几乎不受电流源输出端电压的影响，从而使输出电阻大为提高，保证了良好的恒流特性,场效应管威尔逊电流源,第四节：场效应管放大电路,三管均工作在饱和区,具有很高的输出电阻,由于串联电流源和威尔逊电流源在输出回路中串联有两个MOS管且要求两管均工作于饱和区，从而在电源电压一定的情况下，减小了输出端电压变化的动态范围,MOS管有源电阻,第四节：场效应管放大电路,在工作点处DS之间的直流电阻为，小信号动态电阻可在Q点处切线斜率求得,注意伏安特性曲线的做法,也可用P沟道管构成类似电阻,NMOS管共源E/E型放大电路,第四节：场效应管放大电路,放大管与负载管均为增强型MOS管的放大电路称为E/E放大电路,NMOS管共源E/D型放大电路,第四节：场效应管放大电路,以增强型MOS管(称为E管)作为放大管，耗尽型MOS管(称为D管)作为负载管的放大电路称为E/D放大电路,CMOS共源放大电路,第四节：场效应管放大电路,没有衬底调制效应的原因,为保证T2管工作于饱和区，其栅极偏压 应小于，且。同理，为保证T1工作于饱和区，应满足,T1为放大管，T2为负载管,三种单级放大电路的主要性能比较,第四节：场效应管放大电路,放大管：,负载管：,从输出曲线变化范围比较,从线性放大区特性的斜率比较,场效应管差分放大电路综述,第四节：场效应管放大电路,场效应管差分放大电路的形式、基本特性及分析方法与BJT差放一样,场效应管差放具有输入电阻大、输入电流小、输入线性范围大等优点,场效应管差放通常也有微变增益低、偏差失调大的缺点,MOS管基本差分放大电路(一),第四节：场效应管放大电路,电路结构说明,差模微变增益的求解：,MOS管基本差分放大电路(二),第四节：场效应管放大电路,MOS管差放的传输特性与三极管类似,但其非限幅区范围比三极管差放宽许多,MOS管基本差分放大电路(三),第四节：场效应管放大电路,共模交流通路：,MOS管有源负载差分放大电路(一),第四节：场效应管放大电路,E/E型放大电路,负载管的微变电阻为,MOS管有源负载差分放大电路(二),第四节：场效应管放大电路,以电流源作为有源负载的CMOS差放,MOS管有源负载差分放大电路(三),第四节：场效应管放大电路,以镜像电流源作为有源负载的CMOS差放,可类比三极管差放电路,差放中的衬底调制效应,第四节：场效应管放大电路,请自行阅读课本,模拟开关综述,第五节：场效应管模拟开关,模拟开关：用于控制信号的通断,一个理想的模拟开关，接通时电阻为零，关断时电阻为无穷大。开关的工作速度要快且对其它电路的性能的影响要小,实际的模拟开关是由工作在开关状态的晶体管或场效应管组成，外加控制电压使晶体管交替工作在饱和区和截止区，或使场效应管交替工作在可变电阻区和截止区,单管MOS模拟开关(一),第五节：场效应管模拟开关,由于N沟道MOS管的导通电阻小，单沟道模拟开关一般使用NMOS管,当栅极控制电压为低电平即 时，MOS管截止，开关断开,当栅极控制电压为高电平即 时，管子，MOS管导通，且由于负载电阻很大，管子工作于可变电阻区，开关闭合,单管MOS模拟开关(二),第五节：场效应管模拟开关,为使开关能正常工作，MOS管各极之间的电压必须满足一定条件,漏极与衬底、源极与衬底之间的PN结要保持反偏状态，所以图中MOS管的衬底接地，且不能输入负电位信号,栅极所加控制电压的高低电平与输入信号 的变化范围要配合得当，以保证MOS管可靠的通或断,开关的输入端与输出端可以互易使用,单管MOS模拟开关(三),第五节：场效应管模拟开关,单管MOS开关的缺点：在开关的接通状态，接通电阻随输入信号变化较大,单管MOS模拟开关(四),第五节：场效应管模拟开关,单管PMOS模拟开关,CMOS传输门,第五节：场效应管模拟开关,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。两管源极和漏极分别接在一起，并分别作为信号的输入、输出端。两管栅极施加反相的控制信号，其高电平为，低电平为零,当控制信号为高电平时,当控制信号为低电平时,CMOS传输门也可实现信号的可控传输,输入输出端可互换使用,CMOS模拟开关,第五节：场效应管模拟开关,由CMOS传输门(T1、T2)和CMOS反相器(T3、T4)组成。T1、T2两管的栅极施加反相的控制信号，使之开关工作,CMOS模拟开关扩大了输入信号的幅度范围,同时又保持了较小的导通电阻及其变化,CMOS模拟开关的应用举例,第五节：场效应管模拟开关,单刀双掷模拟开关,彩色电视机中的AV开关电路,
