电子技术基础课件-第五章-场效应管及其基本放大电路.ppt
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- 关 键 词:
- 电子技术 基础 课件 第五 场效应 及其 基本 放大 电路
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1、第5章 场效应三极管及其放大电路赵宏安场效应管利用场效应管利用电场效应电场效应来控制其来控制其电流电流的大小。只有电子或的大小。只有电子或空穴导电,为单极型器件。空穴导电,为单极型器件。输入阻抗高输入阻抗高,温度稳定性好温度稳定性好结型场效应管结型场效应管JFET Junction Type Field Effect Transistor绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管MOSFET Metal-Oxide-Semiconductor type Field Effect Transistor,制造工艺成熟,用于高密度的制造工艺成熟,用于高密度的VLSI电路和大容量的可编程器件或存储器电路和大容量
2、的可编程器件或存储器场效应管场效应管MOSFET的结构和工作原理。的结构和工作原理。FET放大电路的三种组态:共源极、共漏极、共栅极放大电路的三种组态:共源极、共漏极、共栅极MOSFET体积很小,在集成电路放大器中,常用来做成电体积很小,在集成电路放大器中,常用来做成电流源作为偏置电路或有源负载,带有源负载的放大电路流源作为偏置电路或有源负载,带有源负载的放大电路N基底基底 :N型半导体型半导体PP两边是两边是P区区,参杂浓度高参杂浓度高栅极栅极g源极源极s漏极漏极d5.1.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理导电沟道导电沟道1.结构结构5.1 结型场效应管结型场效应管(JFET)利用
3、半导体内的电场效应进行工作的,也称为利用半导体内的电场效应进行工作的,也称为体内场效应管体内场效应管dgsN沟道沟道JFET耗尽层是指该区间的载流子被电场驱赶除后,其间基本没有可参与导电的自由带电粒子PNN栅极栅极g源极源极s漏极漏极dP沟道沟道JFETdgs2.工作原理工作原理vDS=0V时时NgsdvGSiD(1) vGS对沟道及对沟道及iD 的控制作用的控制作用vGS绝对值越大耗尽区绝对值越大耗尽区越宽,沟道越窄,电越宽,沟道越窄,电阻越大阻越大NNPPvGS达到一定值时(达到一定值时(夹断夹断电压电压VP),耗尽区碰到一),耗尽区碰到一起,起,ds间被夹断,这时,间被夹断,这时,即使即
4、使vDS 0V,漏极电流,漏极电流iD=0AvGS0, PN结反偏,当结反偏,当|vGS|较小时,耗尽区宽度较小,较小时,耗尽区宽度较小,存在导电沟道。存在导电沟道。ds间相当间相当于线性电阻于线性电阻vGS=0NgsdiD越靠近漏端,越靠近漏端,PN结反压越大,耗结反压越大,耗尽层越宽尽层越宽vDS达到一定值时,出现预达到一定值时,出现预夹断,夹断, vDS=|VP |,IDIDSS(2) vDS对对iD 的影响的影响vDSPPvDS继续增大,夹断继续增大,夹断长度增加长度增加夹断处为耗尽层,电阻率很高,夹断处为耗尽层,电阻率很高,vDS降落其上,沟道上的压降基本降落其上,沟道上的压降基本不
5、变。不变。 iD基本不随基本不随vDS增加而增加,增加而增加,呈恒流特性呈恒流特性vDS达到一定值时,出现预达到一定值时,出现预夹断,夹断, vDS=|VP |,IDIDSSNgSDiDvDSPPvGS-+vGD-+vDS增加,沟道场强加大:增加,沟道场强加大:a. 有利于有利于iD的增大的增大b. 电位梯度使导电沟道呈锲形电位梯度使导电沟道呈锲形当当vDS较小时,较小时, iD随随vGD升高几乎成正比地增大升高几乎成正比地增大vDS继续增加,靠近漏端的电位差最大,耗尽层最宽,当两耗继续增加,靠近漏端的电位差最大,耗尽层最宽,当两耗尽层相遇时,称为尽层相遇时,称为预夹断预夹断: vGD=vGS
6、- vDS =VPiD达到饱和电流达到饱和电流IDSSiD/mAvDS/VIDSSvGS=0oV(BR)DSPV预夹预夹断断改变栅源电压改变栅源电压vGS,耗尽层宽度变化,漏极电流会随之改,耗尽层宽度变化,漏极电流会随之改变,可以得到一族曲线变,可以得到一族曲线vDS对对iD 的影响有两方面的影响有两方面NgSDiDvDSPPvGS+-vGD-+iDvDS预夹断点预夹断点预夹断轨迹预夹断轨迹vGS=0-0.4可变电阻区可变电阻区压控电阻压控电阻饱和区放大区饱和区放大区击穿区击穿区1. 输出特性输出特性5.3.2 JFET的的 N沟道特性曲线及参数沟道特性曲线及参数vGS0时时在漏源电源作用下开
7、在漏源电源作用下开始导电时的栅源电源始导电时的栅源电源称为称为开启电压开启电压VTvGS作用下,作用下,P衬底中的空穴受到电场力的排斥,形成衬底中的空穴受到电场力的排斥,形成负离子的耗尽层;同时电子被吸引到衬底表层负离子的耗尽层;同时电子被吸引到衬底表层vGS足够大时(足够大时(vGS VT )感应出足够多电子,这感应出足够多电子,这里出现以电子导电为主里出现以电子导电为主的的N型导电沟道型导电沟道vDS在在vDS作用下,产生漏极电流,管子导通作用下,产生漏极电流,管子导通导电沟道相当于电阻将导电沟道相当于电阻将d-s连接起来,连接起来,vGS越大电阻越小越大电阻越小正电荷积累PNNgsdvD
8、SvGSiD夹断后,即使夹断后,即使vDS 继继续增加,压降降落在续增加,压降降落在耗尽层上,即耗尽层上,即vDS的的增加对增加对iD基本无影响,基本无影响,iD呈恒流特性呈恒流特性vDS增加增加, vGD将减小,将减小,当当 vGD= vGS vDS=VT时,时,靠近靠近d端的沟道被夹断,端的沟道被夹断,称为称为预夹断预夹断随着随着vDS上升,由于沟道存在电位梯度,导电沟道呈楔形上升,由于沟道存在电位梯度,导电沟道呈楔形当当vDS较小时,导电沟道在两个较小时,导电沟道在两个N区间是均匀的。漏极电流区间是均匀的。漏极电流iD随随vDS上升迅速增大上升迅速增大3. VI 特性曲线及大信号特性方程
9、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)输出特性及大信号特性方程iD=f (vDS)|vGS=constant预夹断临界点轨迹预夹断临界点轨迹vGD= vGS vDS=VTvDS VGS-VT饱和区饱和区iD/mAvDS/VovGSVT3V4V5V截止区截止区vGS|VP|时时的漏极电流的漏极电流4. 直流输入电阻直流输入电阻RGS:在漏源之间短路的条件下,栅源之间在漏源之间短路的条件下,栅源之间加一定电压时的栅源直流电阻加一定电压时的栅源直流电阻2. 低频互导低频互导gmDSGSDmVvig DnTGSnm2)(2iKVvKg 互导反映了互导反映了vGS对对iD的控制能力,的
10、控制能力,相当于转移特性曲线上工作点的相当于转移特性曲线上工作点的斜率。单位是斜率。单位是mS或或 S1. 输出电阻输出电阻rdsGSDDSdsVivr 十分之几至几十分之几至几mS,互导随管子工作点不同而变,互导随管子工作点不同而变几十千欧到几百千欧几十千欧到几百千欧二、交流参数二、交流参数2TGSnD)(VvKi N沟道沟道EMOSFET DS2TGSnD1)(vVvKi D12TGSnds1iVvKr 2. 最大耗散功率最大耗散功率PDM3. 最大漏源电压最大漏源电压V(BR)DS4. 最大栅源电压最大栅源电压V(BR)GS发生雪崩击穿、发生雪崩击穿、iD 开始急剧上升时的开始急剧上升时
11、的vDS值值栅源间反向电流开始急剧增加时的栅源间反向电流开始急剧增加时的vGS值值PDM= vDS iD受管子最高工作温度的限制受管子最高工作温度的限制三、极限参数三、极限参数1. 最大漏极电流最大漏极电流IDM:管子正常工作时漏极电流允许的上限值:管子正常工作时漏极电流允许的上限值场效应管具有体积小、重量轻、耗电省、寿命场效应管具有体积小、重量轻、耗电省、寿命长、输入阻抗高、噪声低、热稳定性好、抗辐长、输入阻抗高、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强等优点,而且集成度高,因此越来越射能力强等优点,而且集成度高,因此越来越广泛的应用于各种电子设备中广泛的应用于各种电子设备中BJT b e cFET
12、 g s d不能简单的用不能简单的用FET取代取代BJT,应注意两者在,应注意两者在偏置电路和微变等效电路的区别偏置电路和微变等效电路的区别5.2 MOSFET放大电路放大电路FET的的3个极与个极与BJT的的3个极存在对应关系:个极存在对应关系:DD2g1g2gGSVRRRV 2TGSnDVVKI 根据求得的根据求得的VDS判断判断FET工作在饱和区或可变电阻区工作在饱和区或可变电阻区dDDDDSRIVV 1. 直流偏置及静态工作点的计算直流偏置及静态工作点的计算VDDvoviBCb2Cb1Rg1RdRg2gdsTiD(1)简单的共源极放大电路)简单的共源极放大电路FET是电压控制器件,需要
13、有合适的栅极电压,是电压控制器件,需要有合适的栅极电压,保证管子工作在饱和区,输出信号不失真保证管子工作在饱和区,输出信号不失真 2TGSnDVVKI RRIVVV dDSSDDDS(2)带源极电阻的)带源极电阻的NMOS共源极放大电路共源极放大电路vs+VDDvoviBCb2Cb1Rg1RdRg2gdsTiD-VSSRsR SSDSSSSDD2G1G2GSGGSVRIVVVRRRVVV 当当NMOS管工作在饱和区管工作在饱和区在在MOS管中接入源极管中接入源极电阻,也具有稳定静电阻,也具有稳定静态工作点的作用态工作点的作用很多很多MOS管电路的源极电阻被电流源代替(管电路的源极电阻被电流源代
14、替(例例5.2.3)2. 图解分析图解分析VDDvOBRdgdsTiDviVGG+-+-iDvDSoVDD预夹断临界点轨迹预夹断临界点轨迹(vGD= vGS vDS=VT)VDD/RdoottiDIDQVDSQidvdsviVGS=VGGQvDSVGG VTVDD 足够足够大,场效大,场效应管工作应管工作于饱和区于饱和区3. 小信号模型分析小信号模型分析输入信号很小,输入信号很小,FET工作在饱和区,看成双口网络,工作在饱和区,看成双口网络,N沟道沟道EMOS 2TGSnDVvKi 2TgsGSQnVvVK 2gsTGSQnvVVK 2gsngsTGSQn2TGSQn2vKvVVKVVK 2T
15、GSQnDQVVKI gsmgsTGSQnd2vgvVVKi 第三项与输入信号平方成正比,当第三项与输入信号平方成正比,当vi=vgs为正弦时,平方项为正弦时,平方项使输出电压产生谐波或非线性失真使输出电压产生谐波或非线性失真小信号条件:小信号条件:vgs2(VGSQ-VT)sgdvgsgmvgsvdssgdrdsvgsgmvgsvdsid共源极共源极NMOSFET低频小信号模型低频小信号模型gsdvGSiDvDSsgdrdsvgsgmvgsvdsidCgs+CgbCgdCdsFET的高频模型(的高频模型(b、s相连)相连)互导gmvs+VDDvoviBCb2Cb1Rg1RdRg2gdsTiD
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