模拟电子技术(江晓安)(第三版)第4章剖析ppt课件.ppt

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1、第四章 场效应管放大电路,4.1 结型场效应管 4.2 绝缘栅场效应管 4.3 场效应管的主要参数 4.4 场效应管的特点 4.5 场效应管放大电路,4.1 结型场效应管,4.1.1 结构结型场效应管有两种结构形式。图41(a)为N型沟道结型场效应管。图41(b)是P型沟道结型场效应管。其电路符号如图41(c)、(d)所示。以N沟道为例。在一块N型硅半导体材料的两边,利用合金法、扩散法或其它工艺做成高浓度的P+型区,使之形成两个PN结,然后将两边的P+型区连在一起,引出一个电极,称为栅极G。在N型半导体两端各引出一个电极,分别作为源极S和漏极D。夹在两个PN结中间的N型区是源极与漏极之间的电流

2、通道,称为导电沟道。由于N型半导体多数载流子是电子,故此沟道称为N型沟道。同理,P型沟道结型场效应管中,沟道是P型区,称为P型沟道,栅极与N+型区相连。电路符号中栅极的箭头方向可理解为两个PN结的正向导电方向。,图4-1 结型场效应管的结构示意图和符号,4.1.2 工作原理,1. UGS对导电沟道的影响 为便于讨论,先假设UDS=0。当UGS由零向负值增大时,PN结的阻挡层加厚,沟道变窄,电阻增大，如图42(a)、(b)所示。若UGS的负值再进一步增大,当UGS=-UP时两个PN结的阻挡层相遇,沟道消失,我们称为沟道被“夹断”了,UP称为夹断电压,无载流子通道,如图42(c)所示。,图 4-2

3、 当UDS=0时UGS对导电沟道的影响示意,2. ID与UDS、UGS之间的关系 假定栅、源电压|UGS|UP|,如UGS=-1V,而UP=-4V,当漏、源之间加上电压UDS=2V时,沟道中将有电流ID通过。此电流将沿着沟道的方向产生一个电压降,这样沟道上各点的电位就不同,因而沟道内各点与栅极之间的电位差也就不相等。漏极端与栅极之间的反向电压最高,如UDG=UDS-UGS=2-(-1)=3V,沿着沟道向下逐渐降低,使源极端为最低,如USG=-UGS=1V,两个PN结的阻挡层将出现楔形,使得靠近源极端沟道较宽,而靠近漏极端的沟道较窄，如图43(a)所示。此时,若增大UDS,由于沟道电阻增长较慢,

4、所以ID随之增加。当UDS进一步增加到使栅、漏间电压UDG等于UP时,即,UDG=UDS-UGS=UP,(41),则在D极附近,两个PN结的阻挡层相遇,如图43(b)所示,我们称为预夹断。如果继续升高UDS,就会使夹断区向源极端方向发展,沟道电阻增加。由于沟道电阻的增长速率与UDS的增加速率基本相同,故这一期间ID趋于一恒定值,不随UDS的增大而增大,此时,漏极电流的大小仅取决于UGS的大小。UGS越负,沟道电阻越大,ID便越小,直到UGS=UP,沟道被全部夹断,ID=0,如图43(c)所示。,图 4-3 UDS对导电沟道和ID的影响,4.1.3 特性曲线 1.输出特性曲线,图44为N沟道结型

5、场效应管输出特性曲线。以UGS为参变量时,漏极电流ID与漏、源电压UDS之间的关系,称为输出特性,即,(42),根据工作情况,输出特性可划分为4个区域,即:可变电阻区、恒流区、击穿区和截止区。,图44N沟道结型场效应管的输出特性,(1)可变电阻区。可变电阻区位于输出特性曲线的起始部分,图中用阴影线标出。此区的特点是:固定UGS时,ID随UDS增大而线性上升,相当于线性电阻；改变UGS时,特性曲线的斜率变化,即相当于电阻的阻值不同。UGS增大,相应的电阻增大。因而在此区域,场效应管可看做一个受UGS控制的可变电阻,即漏、源电阻RDS=f(UGS)。(2)恒流区。该区的特点是:ID基本不随UDS而

6、变化,仅取决于UGS的值,输出特性曲线趋于水平,故称为恒流区或饱和区。当组成场效应管放大电路时,为防止出现非线性失真,应使工作点设置在此区域内。,(3)击穿区。位于特性曲线的最右部分,当UDS升高到一定程度时,反向偏置的PN结被击穿,ID将突然增大。由于UGS愈负时,达到雪崩击穿所需的UDS电压愈小,故对应于UGS愈负的特性曲线击穿越早。其击穿电压用BUDS表示,当UGS=0时,其击穿电压用BUDSS表示。(4)截止区。当UGSUP时,管子的导电沟道处于完全夹断状态,ID=0,场效应管截止。,2. 转移特性曲线,图45所示为N沟道结型场效应管的转移特性曲线。当漏、源之间的电压UDS保持不变时,

7、漏极电流ID和栅、源之间电压UGS的关系称为转移特性,即,它描述了栅、源之间电压UGS对漏极电流ID的控制作用。由图可见,UGS=0时, ID=IDSS称为饱和漏极电流。随UGS增大,ID愈小,当UGS=-UP时,ID=0。UP称为夹断电压。,(4-3),图4- 5 N沟道结型场效应管的转移特性曲线,结型场效应管的转移特性在UGS0UP范围内可用下面近似公式表示:,(44),转移特性和输出特性同样是反映场效应管工作时UDS、UGS和ID三者之间关系的,所以它们之间是可以相互转换的。如根据输出特性曲线可作出转移特性曲线,其作法如下:在输出特性曲线上,对应于UDS等于某一固定电压作一条垂直线,将垂

8、线与各条输出特性曲线的交点所对应的ID、UGS转移到ID-UGS坐标中,即可得转移特性曲线,如图46所示。,由于在恒流区内,同一UGS下,不同的UDS、ID基本不变,故不同的UDS下的转移特性曲线几乎全部重合,因此可用一条转移特性曲线来表示恒流区中UGS与ID的关系。在结型场效应管中,由于栅极与沟道之间的PN结被反向偏置,所以输入端电流近似为零,其输入电阻可达107以上。当需要更高的输入电阻时,则应采用绝缘栅场效应管。,图 4-6 由输出特性画转移特性,4.2 绝缘栅场效应管,4.2.1 N沟道增强型MOS场效应管结构 N沟道增强型MOS场效应管的结构示意图如图47所示。把一块掺杂浓度较低的P

9、型半导体作为衬底,然后在其表面上覆盖一层SiO2的绝缘层,再在SiO2层上刻出两个窗口,通过扩散工艺形成两个高掺杂的N型区(用N+表示),并在N+区和SiO2的表面各自喷上一层金属铝,分别引出源极、漏极和控制栅极。衬底上也接出一根引线,通常情况下将它和源极在内部相连。,图 4-7 N沟道增强型MOS场效应管的结构示意图,2. 工作原理结型场效应管是通过改变UGS来控制PN结的阻挡层的宽窄,从而改变导电沟道的宽度,达到控制漏极电流ID的目的。而绝缘栅场效应管则是利用UGS来控制“感应电荷”的多少,以改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道的状况,然后达到控制漏极电流ID的目的。对于N沟道增强型的MO

10、S场效应管,当UGS=0时,在漏极和源极的两个N+区之间是P型衬底,因此漏、源之间相当于两个背靠背的PN结。所以,无论漏、源之间加上何种极性的电压,总是不导通的,即ID=0。,图 4-8UGSUT时形成导电沟道,3. 特性曲线对于N沟道增强型场效应管,也用输出特性、转移特性表示ID、UGS、UDS之间的关系,如图49所示。,图4 9 N沟道增强型MOS场效应管的特性曲线,4.2.2 N沟道耗尽型MOS场效应管,耗尽型MOS场效应管是在制造过程中,预先在SiO2绝缘层中掺入大量的正离子,因此,UGS=0时,这些正离子产生的电场也能在P型衬底中“感应”出足够的电子,形成N型导电沟道,如图410所示

11、。所以当UDS0时,将产生较大的漏极电流ID。,图 4-10 N沟道耗尽型MOS管的结构示意图,图 4-11 N沟道耗尽型MOS场效应管的特性曲线,图 4-12 MOS场效应管电路符号,表4-1 各种场效应管的符号和特性曲线,4.3 场效应管的主要参数,4.3.1 直流参数 1. 饱和漏极电流IDSS IDSS是耗尽型和结型场效应管的一个重要参数, 它的定义是当栅源之间的电压UGS等于零, 而漏、源之间的电压UDS大于夹断电压UP时对应的漏极电流。,2. 夹断电压UP UP也是耗尽型和结型场效应管的重要参数, 其定义为当UDS一定时,使ID减小到某一个微小电流(如1A, 50A)时所需的UGS

12、值。 ,3. 开启电压UT UT是增强型场效应管的重要参数, 它的定义是当UDS一定时, 漏极电流ID达到某一数值(例如10A)时所需加的UGS值。,4. 直流输入电阻RGS RGS是栅、源之间所加电压与产生的栅极电流之比。由于栅极几乎不索取电流, 因此输入电阻很高。 结型为106 以上, MOS管可达1010以上。 ,4.3.2 交流参数1. 低频跨导gm 此参数用于描述栅、源电压UGS对漏极电流的控制作用。它的定义是当UDS一定时,ID与UGS的变化量之比,即,跨导gm的单位是mA/V。它的值可由转移特性或输出特性求得。在转移特性上工作点Q外切线的斜率即是gm,见图413(a)。或由输出特

13、性看,在工作点处作一条垂直于横坐标的直线(表示UDS=常数),在Q点上下取一个较小的栅、源电压变化量UGS,然后从纵坐标上找到相应的漏极电流的变化量ID,则gm=ID/UGS,见图413(b)。,(4-5),此外,对结型场效应管,可由(44)式求导而得,(46),若已知IDSS、UP之值,只需将工作点处的UGS值和IDSS、UP值代入(46)式,既可求得gm值。,图4-13 根据场效应管的特性曲线求gm,2. 极间电容 场效应管三个电极之间的电容,包括CGS、CGD和CDS。这些极间电容愈小, 则管子的高频性能愈好。一般为几个pF。,4.3.3 极限参数1.漏极最大允许耗散功率PDmPDm与I

14、D、UDS有如下关系:,这部分功率将转化为热能, 使管子的温度升高。PDm决定于场效应管允许的最高温升。 ,2.漏、源间击穿电压BUDS 在场效应管输出特性曲线上, 当漏极电流ID急剧上升产生雪崩击穿时的UDS。工作时外加在漏、源之间的电压不得超过此值。, 3. 栅源间击穿电压BUGS 结型场效应管正常工作时, 栅、源之间的PN结处于反向偏置状态, 若UGS过高, PN结将被击穿。 对于MOS场效应管, 由于栅极与沟道之间有一层很薄的二氧化硅绝缘层, 当UGS过高时, 可能将SiO2绝缘层击穿, 使栅极与衬底发生短路。这种击穿不同于PN结击穿, 而和电容器击穿的情况类似, 属于破坏性击穿, 即

15、栅、 源间发生击穿, MOS管立即被损坏。 ,4.4 场效应管的特点,场效应管具有放大作用,可以组成各种放大电路,它与双极性三极管相比,具有如下几个特点: (1) 场效应管是一种电压控制器件, 即通过UGS来控制ID。 (2) 场效应管输入端几乎没有电流, 所以其直流输入电阻和交流输入电阻都非常高。 (3) 由于场效应管是利用多数载流子导电的, 因此, 与双极性三极管相比, 具有噪声小、受幅射的影响小、热稳定性较好而且存在零温度系数工作点等特性。,(4) 由于场效应管的结构对称, 有时漏极和源极可以互换使用, 而各项指标基本上不受影响, 因此应用时比较方便、 灵活。 (5) 场效应管的制造工艺

16、简单, 有利于大规模集成。 (6) 由于MOS场效应管的输入电阻可高达1015, 因此, 由外界静电感应所产生的电荷不易泄漏, 而栅极上的SiO2绝缘层又很薄, 这将在栅极上产生很高的电场强度, 以致引起绝缘层击穿而损坏管子。 (7) 场效应管的跨导较小, 当组成放大电路时, 在相同的负载电阻下, 电压放大倍数比双极型三极管低。,图 4 14 场效应管的零温度系数工作点,图 4-15 栅极过压保护电路,4.5 场效应管放大电路,4.5.1 静态工作点与偏置电路由于场效应管种类较多,故对于所采用的偏置电路,其电压极性必须考虑。下面以N沟道为例进行讨论。由于MOS管又分为耗尽型和增强型,故偏置电路

17、也有所区别。结型场效应管只能工作在UGS0的区域。图416为自给偏压电路,它适用于结型场效应管或耗尽型场效应管。,(47),图 4 16 自给偏压电路,1.图解法首先,由漏极回路写出方程,(4-8),由此在场效应管的输出特性曲线上作出直流负载线AB,将此直流负载线逐点转到uGSiD坐标,得到对应直流负载线的转移特性曲线CD,如图417所示。再由(47)式在uGSiD坐标系中作另一条直线,两线的交点即为Q点。,图 4 17 求自给偏压电路Q点的图解,2.计算法场效应管的ID和UGS之间的关系可用(44)式近似表示,即,IDSS为饱和漏极电流,UP为夹断电压, 可由手册查出。,(49),【例1】

18、电路如图4 - 16所示, 场效应管为3DJG, 其输出特性曲线如图4 - 18所示。已知RD=2 k, RS=1.2 k,UDD=15V, 试用图解法确定该放大器的静态工作点。 解 写出输出回路的电压电流方程, 即直流负载线方程,设,在输出特性图上将上述两点相连得直流负载线。 ,图 4-18 图解法确定工作点(例1),在转移特性曲线上, 作出UGS=-IDRS的曲线。由上式可看出它在uGSiD坐标系中是一条直线, 找出两点即可。,令,连接该两点, 在uGSiD坐标系中得一直线, 此线与转移特性曲线的交点, 即为Q点, 对应Q点的值为:,另一种常用的偏置电路为分压式偏置电路,如图419所示。该

19、电路适合各种场效应管。为了不使分压电阻R1、R2对放大电路的输入电阻影响太大,通过RG与栅极相连。该电路栅、源电压为,(410),利用图解法求Q点时, 此方程的直线不通过uGSiD坐标系的原点,而是通过ID=0, 点, 其它过程与自偏电路相同。,图 4-19 分压式偏置电路,利用计算法求解时, 需联立解下面方程组,(411),4.5.2 场效应管的微变等效电路,求微分式,定义,场效应管仅存关系:,(4-13),(412),(414),(415),如果用id、ugs、uds分别表示iD、uGS、uDS的变化部分, 则式(4-13)可写为,(416),(417),(418),(419),4.5.3

20、 共源极放大电路,图 4 20 共源极放大电路微变等效电路,1. 电压放大倍数(Au),式中,(4-20),2. 输入电阻ri,3. 输出电阻ro,(4-21),(4-22),4.5.4 共漏放大器(源极输出器),1. 电压放大倍数(Au),式中,所以,整理后得,于是得,当gmRL1时,Au1。,(4-23),图 4-21 源极输出器,2. 输入电阻ri,3. 输出电阻ro,令Us=0, 并在输出端加一信号U2 。,(4-23),(425),【例3】 计算例2电路4-19的电压放大倍数、输入电阻、输出电阻。电路参数及管子参数如例2,且RL=1M,CS=100F。 解 由例2已求得该电路的静态工作点,UGS=-1.1V, ID=0.61mA, 则根据(4-17)式得,【例4】 计算图4 - 21(a)源极输出器的Au、ri、ro。 (已知RG=5M, RS=10 k,RL=10 k,场效应管gm=4mA/V) 解 由于gm已给出, 所以可不计算直流状态。,式中,