模电课件:4第四章场效应管及其基本放大电路.ppt
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- 模电课件:4第四章 场效应管及其基本放大电路 课件 第四 场效应 及其 基本 放大 电路
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1、第4章 场效应管及其基本放大电路 第4章 场效应管及其基本放大电路 4.1 金属-氧化物-半导体(MOS)场效应管 4.2 场效应管放大电路 4.3结型场效应管(JFET) 4.4各种场效应管特性的比较以及与双极型管的比较FET分类分类金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应管(半导体场效应管(MOSFET)即)即绝缘栅型场效应管(绝缘栅型场效应管(MOS管)管)结型场效应管(结型场效应管(JFET)单极单极型晶体管型晶体管仅靠半导体中的多数载流子导电仅靠半导体中的多数载流子导电噪声小、抗辐射能力强、低电压工作、低能耗噪声小、抗辐射能力强、低电压工作、低能耗场效应晶体管场效应晶体管(Field E
2、ffect Transistor, FET):利用电场:利用电场效应来控制其电流大小的半导体器件。效应来控制其电流大小的半导体器件。FET特点特点第4章 场效应管及其基本放大电路 重点:增强型MOSFET 场效应管有三个极:源极(场效应管有三个极:源极(s)、栅极()、栅极(g)、漏极()、漏极(d),), 对应于晶体管的:对应于晶体管的:e、 b、 c; 有三个工作区域:截止区、恒流区、可变电阻区,有三个工作区域:截止区、恒流区、可变电阻区,对应于晶体管的:截止区、放大区、饱和区。对应于晶体管的:截止区、放大区、饱和区。 场效应管具有制造工艺简单、占用芯片面积小、器件特场效应管具有制造工艺简
3、单、占用芯片面积小、器件特性便于控制等特点,从而可以用于制造高密度的超大规模性便于控制等特点,从而可以用于制造高密度的超大规模集成电路。集成电路。第4章 场效应管及其基本放大电路 N沟道增强型沟道增强型MOS管管 绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管MOSFET分为分为增强型增强型MOS管管 N沟道、沟道、P沟道沟道耗尽型耗尽型MOS管管 N沟道、沟道、P沟道沟道4.1.1 增强型增强型MOS管管1. 1. 结构(结构(N N沟道)沟道)耗尽层耗尽层漏极漏极D利用扩散的方法制作两个高掺杂的利用扩散的方法制作两个高掺杂的N型区型区4.1 金属-氧化物-半导体(MOS)场效应管低掺杂的低掺杂的P型硅片
4、衬底型硅片衬底在在P型硅表面制作一层型硅表面制作一层SiO2绝缘层绝缘层源极源极S铝电极,铝电极,栅极栅极G1. 结构剖面图剖面图图中衬底箭头方向是图中衬底箭头方向是PN结正结正偏时的正向电流方向偏时的正向电流方向 uGS=0时,无导电沟道,uGS增大,反型层(导电沟道)将变厚变长。当反型层将两个N区相接时,形成导电沟道,增强型FET空穴空穴uGS增大增大,耗尽层增耗尽层增宽宽,且形成且形成反型层反型层大到一定大到一定值才开启值才开启(1) uDS=0时,时,uGS对导电沟道的影响对导电沟道的影响增强型增强型2.工作原理电场排斥空穴,剩下不能移动排斥空穴,剩下不能移动的负离子区,形成耗尽层的负
5、离子区,形成耗尽层iDiD iD随随uDS的的增大而增增大而增大,可变电阻区大,可变电阻区 uGDUth,预夹断预夹断 iD趋于趋于饱和饱和,几乎仅,几乎仅仅受控于仅受控于uGS,恒流区,恒流区刚出现夹断刚出现夹断uDS的的增大几乎全部用增大几乎全部用来克服夹断区的电阻来克服夹断区的电阻iDDSGSthuuU (2)uDS对iD的影响uDSDS I ID D 沟道电位梯度沟道电位梯度 整个沟道呈整个沟道呈楔形分布楔形分布靠近漏极靠近漏极d d处的电位升高处的电位升高电场强度减小电场强度减小预夹断后,预夹断后,uDS 夹断区延长夹断区延长沟道电阻沟道电阻 iD基本不变基本不变uDS=uGS-Ut
6、h(2)UDS对ID的影响 uDS一定,一定,uGS变化时,变化时, iD 给定一个给定一个uGS ,就有一条不同的就有一条不同的 iD uDS 曲线曲线。(3) uDS和uGS同时作用时N N沟道增强型沟道增强型MOS管的输出特性曲线管的输出特性曲线GSDDS()uif u 常常数数(1)输出特性曲线)输出特性曲线 截止区截止区当当uGSUthuDS(uGSUth) 直线斜率的倒数为直线斜率的倒数为D-S间的等间的等效电阻效电阻 ,改变改变 uGS来改变漏来改变漏-源源电阻的阻值电阻的阻值(压控电阻)压控电阻) 3伏安特性曲线与电流方程iD近似为电压近似为电压uGS控制的电流控制的电流源源
7、,与与uDS基本无关,恒流区基本无关,恒流区 饱和区饱和区(恒流区又称放大区)(恒流区又称放大区)GSthuUDSGSthuuU利用场效应管作利用场效应管作放大管时,应使放大管时,应使其工作在该区域其工作在该区域 (1)输出特性曲线DSDGS()uif u 常常数数2DGSth()iK uU K为常数,由场效应管结构决定 抛物线 (2)转移特性4.1.2 耗尽型MOS管 1结构结构uGS=0时就存时就存在导电沟道在导电沟道衬底箭头方向是衬底箭头方向是PN结正结正偏时的正向电流方向偏时的正向电流方向 小到一定小到一定值才夹断值才夹断 耗尽型耗尽型MOS管在管在 uGS0、 uGS 0、 uGS
8、0时均可导时均可导通,由于通,由于SiO2绝缘层的存在,在绝缘层的存在,在uGS0时仍保持时仍保持g-s间电阻间电阻非常大的特点。非常大的特点。2伏安特性2DGSth()iK uU UP2DPDSSiKUI 2GSDDSSp1uiIU1)增强型增强型MOS管管2)耗尽型耗尽型MOS管管开启电压开启电压夹断电压夹断电压小结:MOS管的特性2GSDDSSp1uiIU2GS(th)GSDOD)1( UuIi在恒流区时:在恒流区时:式中式中IDO为为uGS=2UGS(th)时的时的iD2DGSth()iK uU16 根据场效应管工作在恒流区的条件,在根据场效应管工作在恒流区的条件,在g-s、d-s间加
9、极性合适的电源间加极性合适的电源dDQDDDSQ2GS(th)BBDODQBBGSQ)1(RIVUUVIIVU 1. 1. 基本共源放大电路基本共源放大电路4.2.1 场效应管的直流偏置及静态分析场效应管的直流偏置及静态分析4.2 场效应管放大电路17sDQSQGQGSQsDQSQGQ0RIUUURIUU ,)(sdDQDDDSQRRIVU 由正电源获得负偏由正电源获得负偏称为自给偏压称为自给偏压2. 自给偏压电路22GSQDQSDQDSSDSSpp11UIRIIIUU 18 4.2 场效应管放大电路【例4.2.1】 d6kR s1kR g1.2MR VDD=15V 其转移特性曲线如图所示。其
10、转移特性曲线如图所示。 试求试求IDQ、UGSQ及及UDSQ的值。的值。22GSQGSQDQDSSPGSQDQSDQ12.3131UUIIUUIRI 解:解:由图可读得:由图可读得:IDSS = 2.3mA、UP = 3V。列方程组列方程组解得两个解:解得两个解:IDQ1 = 1.01mA、IDQ2 = 8.9mA,其中,其中IDQ2IDSS,不合实际,舍去。故,不合实际,舍去。故V01. 1mA01. 1GSQDQUI93. 7) 16(01. 115)(SdDQDDDSQRRIVU即典型的即典型的Q点稳定电路点稳定电路适合任何类型的场适合任何类型的场效应管构成的放大效应管构成的放大电路。电
11、路。为什么加为什么加Rg3?其数值应大些小些?其数值应大些小些?3. 分压式偏置电路sDQSQDDg2g1g1AQGQRIUVRRRUU )(sdDQDDDSQRRIVU 3. 分压式偏置电路g1GSQGQSQDDDQSg1g2RUUUVIRRR 2thGSQDQ)(UUKI 或或2GS(th)GSDOD)1( UuIi21 【例例4.2.3】 图所示电路中图所示电路中N沟道增强型沟道增强型MOSFET的参数为:的参数为:Uth = 1V,Kn = 0.5mA/V2。求。求UGSQ,UDSQ,IDQ。解:解:V65. 2GSQ UV65. 2GSQ UmA36. 1DQ IV92. 5)12(
12、36. 110)(dDQDDDSQ RRIVU解得:解得:因为是因为是N沟道增强型沟道增强型MOSFET,舍去负值得:,舍去负值得:3. 分压式偏置电路g2GSQDDDQDQg1g222DQnGSQthGSQ20103020()0.5(1)RUVIRIRRIK UUU【例例4.2.4】图图4.2.7所示电路中所示电路中P沟道增强型沟道增强型MOSFET的参数为的参数为:Uth =0.8V,Kp = 0.2mA/V2。求。求UGSQ,UDSQ,IDQ。(P109)2DpGSth()IK UU 解:解:g2GDDg1g25052.5(V)5050RVVRRGSGSGDD2.552.5(V)UVVV
13、V 22DpGSth()0.2 ( 2.50.8)0.578(mA)IK UU DSDdDD( 0.578 7.5)50.665(V)UI RV DSGSP0.665(V)()2.50.81.7(V)UUU 由于由于因而,没有工作在放大区,而是工作在线性电阻区因而,没有工作在放大区,而是工作在线性电阻区 3. 分压式偏置电路 在线性电阻区在线性电阻区 3. 分压式偏置电路22DpGSthDSDSDSDS2()0.22( 2.50.8)IKUUUUUU 22DDSDSDSDS0.2( 3.4)0.20.68IUUUU DSDdDDD7.55UI RVI 联立求解得联立求解得D1D2DS1DS20
14、.515 mA0.276 mA1.14 V2.93 VIIUU ()或()( )或( )DSGSP()1.7(V)UUU DS22.93VU DQ0.515 mAI ()DSQ1.14 VU ( )GSQ2.5(V)U 在电阻区需要满足在电阻区需要满足所以舍去所以舍去一组解,因此一组解,因此,1场效应管的微变等效电路场效应管的微变等效电路输入回路中,由于栅输入回路中,由于栅-源极之间呈现很高的电阻,基本不从源极之间呈现很高的电阻,基本不从信号源索取电流,故可认为栅信号源索取电流,故可认为栅-源间近似开路。源间近似开路。dmgsig u 因而可认为输出回路是一个电压控制的电流源。因而可认为输出回
15、路是一个电压控制的电流源。rds是输出特性曲是输出特性曲线在静态工作点线在静态工作点上斜率的倒数,上斜率的倒数,相当于晶体管的相当于晶体管的rce,其数值通常,其数值通常比较大,可以认比较大,可以认为是开路。为是开路。在输出回路中,漏极电流仅仅决定于栅在输出回路中,漏极电流仅仅决定于栅-源电压,满足源电压,满足4.2.2场效应管的微变等效电路场效应管的微变等效电路1场效应管的微变等效电路DSGSDmUuig (1)对于耗尽型管)对于耗尽型管 在静态工点处,用在静态工点处,用IDQ代入得代入得 (2)对于增强型管)对于增强型管 gm反映了反映了uGS对对iD的控制能力,一般在十分之几至几的控制能
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