模电第三章 场效应管放大电路ppt课件.ppt

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1、,3 场效应管放大电路,3.1 场效应管,2.2 场效应单管放大电路,场效应管的定义：,场效应管是一种利用电场效应来控制其电流大小的半导体器件。,场效应管的特点：,场效应管的工作原理：,具有输入阻抗高、热稳定性好、噪声低、抗辐射能力强、制造工艺简单等优点。兼有体积小、重量轻、耗电省寿命长等特点。,将控制电压转换为漏极电流互导放大器件。,P沟道,耗尽型D,P沟道,P沟道,（耗尽型）,场效应管的分类：,3.1 场效应管,3.1.1 金属氧化物-半导体场效应管MOSFET,3.1.2 结型场效应管JFET,1 N沟道增强型MOSFET,1.结构（N沟道）,L：沟道长度,W：沟道宽度,tox：绝缘层厚

2、度,通常 W L,1 N沟道增强型MOSFET,剖面图,1.结构（N沟道）,符号,1 N沟道增强型MOSFET,工作原理,（1）vGS对沟道的控制作用,当vGS=0时,无导电沟道，d、s间加电压时，也无电流产生。,当0vGS VT 时,产生电场，但未形成导电沟道（感生沟道），d、s间加电压后，没有电流产生。,当vGS VT 时,在电场作用下产生导电沟道，d、s间加电压后，将有电流产生。,vGS越大，导电沟道越厚,VT 称为开启电压,输出特性曲线,工作原理,（2）vDS对沟道的控制作用,靠近漏极d处的电位升高,电场强度减小,沟道变薄,当vGS一定（vGS VT）时，,vDS,ID,沟道电位梯度,

3、整个沟道呈楔形分布,输出特性曲线,当vGS一定（vGS VT）时，,vDS,ID,沟道电位梯度,当vDS增加到使vGD=VT 时，在紧靠漏极处出现预夹断。,工作原理,（2）vDS对沟道的控制作用,在预夹断处：vGD=vGS-vDS=VT,输出特性曲线,预夹断后，vDS,夹断区延长,沟道电阻,ID基本不变,工作原理,（2）vDS对沟道的控制作用,工作原理,（3）vDS和vGS同时作用时,给定一个vGS，就有一条不同的 iD vDS 曲线。,V-I 特性曲线及大信号特性方程,（1）输出特性及大信号特性方程,截止区当vGSVT时，导电沟道尚未形成，iD0，为截止工作状态。,V-I 特性曲线及大信号特

4、性方程,（1）输出特性及大信号特性方程,可变电阻区 vDS（vGSVT）,由于vDS较小，可近似为,rdso是一个受vGS控制的可变电阻,V-I 特性曲线及大信号特性方程,（1）输出特性及大信号特性方程,可变电阻区,n：反型层中电子迁移率Cox：栅极（与衬底间）氧化层单位面积电容,本征电导因子,其中,Kn为电导常数，单位：mA/V2,V-I 特性曲线及大信号特性方程,（1）输出特性及大信号特性方程,饱和区（恒流区又称放大区）,vGS VT，且vDS（vGSVT）,是vGS2VT时的iD,V-I 特性：,V-I 特性曲线及大信号特性方程,（2）转移特性,在漏源电压一定的条件下，栅源电压对漏极电流

5、的控制特性,2 N沟道耗尽型MOSFET,1.结构和工作原理（N沟道）,二氧化硅绝缘层中掺有大量的正离子,可以在正或负的栅源电压下工作，而且基本上无栅流,vGS为负电压达到一定数值时，沟道完全被夹断，此时的栅源电压称为夹断电压Vp,2 N沟道耗尽型MOSFET,2.V-I 特性曲线及大信号特性方程,（N沟道增强型）,3 P沟道MOSFET,4 沟道长度调制效应,实际上饱和区的曲线并不是平坦的,L的单位为m,当不考虑沟道调制效应时，0，曲线是平坦的。,修正后,3.1.2 JFET,1.结构,#符号中的箭头方向表示什么？栅结（PN结）的正偏方向,2.工作原理,vGS对沟道的控制作用,当vGS0时,

6、（以N沟道JFET为例）,当沟道夹断时，对应的栅源电压vGS称为夹断电压VP（或VGS(off)）。,对于N沟道的JFET，VP 0。,PN结反偏,耗尽层加厚,沟道变窄。,vGS继续减小，沟道继续变窄。,2.工作原理,（以N沟道JFET为例）,vDS对沟道的控制作用,当vGS=0时，,vDS,ID,G、D间PN结的反向电压增加，使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，从上至下呈楔形分布。,当vDS增加到使vGD=VP 时，在紧靠漏极处出现预夹断。,此时vDS,夹断区延长,沟道电阻,ID基本不变,2.工作原理,（以N沟道JFET为例）,vGS和vDS同时作用时,当VP vGS0 时，导电沟道更容易夹

7、断，,对于同样的vDS，ID的值比vGS=0时的值要小。,在预夹断处,vGD=vGS-vDS=VP,vDS=vGS-VP,3.1.3 JFET的特性曲线及参数,2.转移特性,1.输出特性,3.1.4 MOSFET的主要参数,一、直流参数,NMOS增强型,1.开启电压VT（增强型参数）,2.夹断电压VP（耗尽型参数）,3.饱和漏电流IDSS（耗尽型参数）,4.直流输入电阻RGS（1091015）,二、交流参数,1.输出电阻rds,当不考虑沟道调制效应时，0，rds,MOSFET的主要参数,2.低频互导gm,二、交流参数,考虑到,则,其中,反映了栅源电压对漏极电流的控制能力。,MOSFET的主要参

8、数,极限参数,1.最大漏极电流IDM,2.最大耗散功率PDM,3.最大漏源电压V（BR）DS,4.最大栅源电压V（BR）GS,3.2 MOSFET放大电路,1.直流偏置及静态工作点的计算,2.图解分析,3.小信号模型分析,MOSFET放大电路,1.直流偏置及静态工作点的计算,（1）简单的共源极放大电路（N沟道）,直流通路,共源极放大电路,MOSFET放大电路,1.直流偏置及静态工作点的计算,（1）简单的共源极放大电路（N沟道）,假设工作在饱和区，即,验证是否满足,如果不满足，则说明假设错误,须满足VGS VT，否则工作在截止区,再假设工作在可变电阻区,即,假设工作在饱和区,满足,假设成立，结果即为所求。,解：,例：,设Rg1=60k，Rg2=40k，Rd=15k，,试计算电路的静态漏极电流IDQ和漏源电压VDSQ。,VDD=5V，VT=1V，,MOSFET放大电路,2.图解分析,由于负载开路，交流负载线与直流负载线相同,MOSFET放大电路,3.小信号模型分析,（1）模型,静态值（直流）,动态值（交流）,非线性失真项,当，vgs 2(VGSQ-VT)时，,MOSFET放大电路,3.小信号模型分析,（1）模型,0时,