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类型电子技术基础课件-第五章-场效应管及其基本放大电路.ppt

  • 上传人(卖家):三亚风情
  • 文档编号:2773486
  • 上传时间:2022-05-25
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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
    资源描述:

    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

    16、-VSSRsR例例 电路如图电路如图voRvigRdRg1| Rg2sd gsmVggsVRgRgVVARVgVRVgVVVmdmiodgsmogsmgsi1 dog2g1i|RRRRR Rsvs+-vs+VDDvoviBCbRg1Rg2gdsTiDRsR例:电路如图(例:电路如图(电压跟随电压跟随)1)|(1)|()|()|(dsmdsmiodsgsmgsogsidsgsmo RrgRrgVVARrVgVVVVRrVgVV同相放大同相放大电压跟随电压跟随voRvigrdsRg1|Rg2sdRsgsmVggsVsVRiRsdRsgsmVggsVgvTi iTRo计算输出电阻时,信号源置零,除去

    17、负载,在输出端加测试源计算输出电阻时,信号源置零,除去负载,在输出端加测试源vTmdsomdsTTmdsTTTTgsgsmdsTTT1|)11(grRRgrRVVgrVRVIVVVgrVRVI rds2g1gi|RRR Rg1|Rg2(1)自给偏压:)自给偏压:利用漏极电流在源极电阻上的直流压降利用漏极电流在源极电阻上的直流压降该电路产生负的栅源电压,所该电路产生负的栅源电压,所以只能用于需要负栅源电压的以只能用于需要负栅源电压的电路(电路(N沟道结型器件电路)。沟道结型器件电路)。增强型增强型FET不能用自偏压电路不能用自偏压电路VDDvoIDviCCb2Cb1RdRggdsR2PGSDSS

    18、D1 VvII5.3.3 JFET放大电路的小信号模型分析方法放大电路的小信号模型分析方法0. 直流偏置电路直流偏置电路VGS= -RID转移转移特性特性利用利用VGS与与ID的关的关系,联立求解。系,联立求解。解出解出静态工作点静态工作点VGS 、 ID 、VDS(2)分压式自偏压电路)分压式自偏压电路VDDvoRviCCb2Cb1Rg1RdRg3Rg2gdsDDD2g1g2gSGGSRIVRRRVVV 2PGSDSSD1 VvII),(DSGSDvvfi DSDSDGSGSDDdddGSDSvVivviiVV DSdGSmd1dvrvg 1. FET的小信号模型的小信号模型FET是一个电压

    19、控制元件,当输入信号较小、且是一个电压控制元件,当输入信号较小、且FET工作在恒流区,低频共源接法下,有:工作在恒流区,低频共源接法下,有:写成相量形式:写成相量形式:DSdGSmd1VrVgI 与双极型晶体管一样,场效应管也是一种非线性器件,在与双极型晶体管一样,场效应管也是一种非线性器件,在交流小信号情况下,也可以由它的线性等效电路交流小信号情况下,也可以由它的线性等效电路交流小交流小信号模型来代替信号模型来代替 gsdvGSiDvDSsgdrdsvgsgmvgsvdsrgsidsgdrdsvgsgmvgsvdsidrdsgmvgs= vgsrdsvdsid低频小信号模型低频小信号模型戴维

    20、南电源等效sgdrdvgsgmvgsvdsrgsidCgsCgdCdsFET的高频模型的高频模型VDDvoRviCb2Cb1Rg1RdRg3Rg2gds2. 应用小信号模型法分析应用小信号模型法分析FET电路电路共源极放大电路共源极放大电路voRvigRg1RdRg3Rg2rdrgssd gsmVggsVRgRgVVARVgVRVgVVVmdmiodgsmogsmgsi1 dog2g1g3i)|(RRRRRR VDDvoRviCb2Cb1Rg1Rg3Rg2GDSRLRsvs共漏极放大电路共漏极放大电路1)|(1)|()|()|(LmLmioLgsmgsogsiLgsmo RRgRRgVVARR

    21、VgVVVVRRVgVV同相放大同相放大电压跟随电压跟随voRvigRg1RLRg3Rg2sdRsgsmVggsVsVRi)|(2g1g3giRRRR RRg1Rg3Rg2sdRsgsmVggsVgvTi iTRo计算输出电阻时,信号源置计算输出电阻时,信号源置零,除去负载,在输出端加零,除去负载,在输出端加测试源测试源vTmomTTmTTTgsgsmTT1|)1(gRRgRVVgRVIVVVgRVI 例例 共漏极放大电路。试求中频电压增益、输入共漏极放大电路。试求中频电压增益、输入电阻和输出电阻电阻和输出电阻(1)中频电压增益)中频电压增益(2)输入电阻)输入电阻iV )/(1LmgsRRg

    22、V oV)/(LgsmRRVgMVA)/(1)/(LmLmRRgRRg )/(g2g1g3iRRRR 1 (3)输出电阻)输出电阻oRm1/gR (1)场效应管放大器输入电阻很大场效应管放大器输入电阻很大(2)场效应管共源极放大器场效应管共源极放大器(漏极输出漏极输出)输入输出反相,输入输出反相,电压放大倍数大于电压放大倍数大于1;输出电阻;输出电阻=Rd(3)场效应管源极跟随器输入输出同相,电压放大倍数场效应管源极跟随器输入输出同相,电压放大倍数小于小于1且约等于且约等于1;输出电阻小;输出电阻小各种类型的各种类型的MOSFET的输出、转移特性;的输出、转移特性;共源、共漏极放大电路的分析计

    23、算共源、共漏极放大电路的分析计算小结及重点小结及重点MOS器件主要应用在数字集成电路方面器件主要应用在数字集成电路方面JFET在低噪声放大电路方面有广泛应用在低噪声放大电路方面有广泛应用(4)焊接时,电烙铁必须有外接地线,以屏蔽交流电场。)焊接时,电烙铁必须有外接地线,以屏蔽交流电场。对对MOSFET,最好断电利用烙铁余热焊接,最好断电利用烙铁余热焊接 (1)在)在MOS管中,有的产品将衬底引出,可让使用者视管中,有的产品将衬底引出,可让使用者视电路的需要任意连接。一般电路的需要任意连接。一般P衬底接低电位、衬底接低电位、 N衬底接高衬底接高电位。当源极的电位很高或很低时,为减轻源衬间电压对电

    24、位。当源极的电位很高或很低时,为减轻源衬间电压对管子导电性能的影响,可将源极与衬底连在一起管子导电性能的影响,可将源极与衬底连在一起(2)从场效应管的结构上看,源极和漏极是对称的,可)从场效应管的结构上看,源极和漏极是对称的,可以互换。但有些产品出厂时已将源极与衬底连在一起,以互换。但有些产品出厂时已将源极与衬底连在一起,这时源极与漏极就不能对调这时源极与漏极就不能对调(3)JFET的栅源电压不能接反,但可以在开路状态下保的栅源电压不能接反,但可以在开路状态下保存。存。 MOSFET栅衬之间的电容量很小,只要有少量的栅衬之间的电容量很小,只要有少量的感应电荷就可产生很高的电压,感应电荷就可产生

    25、很高的电压,RGS很大,感应电荷难于很大,感应电荷难于释放,而且绝缘层很薄,极易被击穿。无论在存放还是工释放,而且绝缘层很薄,极易被击穿。无论在存放还是工作电路中,应在栅极源极之间提供直流通路或加双向稳作电路中,应在栅极源极之间提供直流通路或加双向稳压对管保护,避免栅极悬空压对管保护,避免栅极悬空2. 使用注意事项使用注意事项双极型三极管双极型三极管 单极型场效应管单极型场效应管载流子载流子多子扩散少子漂移多子扩散少子漂移少子漂移少子漂移输入量输入量电流输入电流输入电压输入电压输入控制控制电流控制电流源电流控制电流源电压控制电流源电压控制电流源输入电阻输入电阻几十到几千欧几十到几千欧几兆欧以上

    26、几兆欧以上噪声噪声较大较大较小较小静电影响静电影响不受静电影响不受静电影响易受静电影响易受静电影响制造工艺制造工艺不宜大规模集成不宜大规模集成适宜大规模和超大适宜大规模和超大规模集成规模集成双极型和场效应型三极管的比较双极型和场效应型三极管的比较1场效应管的源极场效应管的源极s、栅极、栅极g、漏极、漏极d分别对应于三极管的发射极分别对应于三极管的发射极e、基极、基极b、集电极、集电极c,它们的作用相似,它们的作用相似 2场效应管是电压控制电流器件,由场效应管是电压控制电流器件,由vGS控制控制iD,其放大系数,其放大系数gm一般较小,因此场效应管的放大能力较差;三极管是电流控一般较小,因此场效

    27、应管的放大能力较差;三极管是电流控制电流器件,由制电流器件,由iB(或(或iE)控制)控制iC3场效应管栅极几乎不取电流(场效应管栅极几乎不取电流(ig 0);而三极管工作时基极);而三极管工作时基极总要吸取一定的电流。因此场效应管的输入电阻比三极管的总要吸取一定的电流。因此场效应管的输入电阻比三极管的输入电阻高输入电阻高4场效应管只有多子参与导电;三极管有多子和少子两种载流场效应管只有多子参与导电;三极管有多子和少子两种载流子参与导电,因少子浓度受温度、辐射等因素影响较大,所子参与导电,因少子浓度受温度、辐射等因素影响较大,所以场效应管比三极管的温度稳定性好、抗辐射能力强。在环以场效应管比三

    28、极管的温度稳定性好、抗辐射能力强。在环境条件(温度等)变化很大的情况下应选用场效应管境条件(温度等)变化很大的情况下应选用场效应管5场效应管在源极未与衬底连在一起时,源极和漏极可以场效应管在源极未与衬底连在一起时,源极和漏极可以互换使用,且特性变化不大;而三极管的集电极与发射互换使用,且特性变化不大;而三极管的集电极与发射极互换使用时,其特性差异很大,极互换使用时,其特性差异很大, 值将减小很多值将减小很多6场效应管的噪声系数很小,在低噪声放大电路的输入级场效应管的噪声系数很小,在低噪声放大电路的输入级及要求信噪比较高的电路中要选用场效应管及要求信噪比较高的电路中要选用场效应管7场效应管和三极

    29、管均可组成各种放大电路和开关电路,场效应管和三极管均可组成各种放大电路和开关电路,但由于前者制造工艺简单,且具有耗电少,热稳定性好,但由于前者制造工艺简单,且具有耗电少,热稳定性好,工作电源电压范围宽等优点,因而被广泛用于大规模和工作电源电压范围宽等优点,因而被广泛用于大规模和超大规模集成电路中超大规模集成电路中 gsmVg iV gsV2gsmRVg bIbI bI oVcbRI MVA2mcm1RgRg 6 .128 giRR coRR M 5sgRR ioVV SMVA soVV iosiVVVV k 20 MisiVARRR6 .128M VA例例5.5.1:BJT和和FET组合电路组

    30、合电路电子电路设计中,首先根据技术要求选组态,然后确定器件,电子电路设计中,首先根据技术要求选组态,然后确定器件,最后设计电路最后设计电路vsRcvorbbicvigsdRgrbeCbeCgdeb Vbebcebm2 VgRsCgsCbcR2高频小信号高频小信号等效电路等效电路RcvoicgsdrbeCbeCgdeb Vbecebm2 VgRsCgsCbcR2R2很小,视很小,视Cgs与与Rg为并联为并联rbb很小,视为短路很小,视为短路Rg很大,视很大,视为开路为开路gsm1Vgvsvigsm1VgRcvoicgsdrbeCbeCgdeb Vbecebm2 VgRsCgsCbcR2vsvig

    31、sm1Vgie ebebebebebebebm2ebebebej)1(1)j1()j1(CrVrCrVgCrVI ebeebej1BJT CrVI 的输入端看:的输入端看:从从FET的负载为的负载为re,由此,由此计算出计算出FET的中频增益的中频增益Cgd跨跨FET的输入输出间,利用的输入输出间,利用密勒定理将其折算到输入端密勒定理将其折算到输入端gdgd21mem1M)11(CCRgrgC RcicgsdreCbeeb Vbeceb2m VgRsCCM+CgsCbcR2ie由此看出,高频的模型为三阶低通电路,三个上限频率由此看出,高频的模型为三阶低通电路,三个上限频率 cbc3Hebe22Hs1H21,|21,21 CRfCrRfCRfvsvigsm1Vgvo

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