模拟电路-ch04-场效应管课件.ppt
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- 模拟 电路 ch04 场效应 课件
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1、华中科技大学 张林14 4 场效应三极管及放大场效应三极管及放大电路电路4.1 4.1 金属金属-氧化物氧化物-半导体(半导体(MOSMOS)场效应三极管)场效应三极管4.2 MOSFET4.2 MOSFET基本共源极放大电路基本共源极放大电路4.3 4.3 图解分析法图解分析法4.4 4.4 小信号模型分析法小信号模型分析法4.5 4.5 共漏极和共栅极放大电路共漏极和共栅极放大电路4.6 4.6 集成电路单级集成电路单级MOSFETMOSFET放大电路放大电路4.7 4.7 多级放大电路多级放大电路4.8 4.8 结型场效应管(结型场效应管(JFETJFET)及其放大电路)及其放大电路*4
2、.9 4.9 砷化镓金属砷化镓金属-半导体场效应管半导体场效应管4.10 4.10 各种各种FETFET的特性及使用注意事项的特性及使用注意事项2华中科技大学 张林场效应管的分类:场效应管的分类:P P沟道沟道耗尽型耗尽型P P沟道沟道P P沟道沟道N N沟道沟道增强型增强型N N沟道沟道N N沟道沟道(耗尽型)(耗尽型)FETFET场效应管场效应管JFETJFET结型结型MOSFETMOSFET绝缘栅型绝缘栅型(IGFET)(IGFET)耗尽型耗尽型:场效应管没有加偏置电压时,就有导电沟道存在:场效应管没有加偏置电压时,就有导电沟道存在增强型增强型:场效应管没有加偏置电压时,没有导电沟道:场
3、效应管没有加偏置电压时,没有导电沟道华中科技大学 张林34.1 金属金属-氧化物氧化物-半导体(半导体(MOS)场效应场效应三极管三极管4.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET4.1.2 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET4.1.3 P沟道沟道MOSFET4.1.4 沟道长度调制等几种效应沟道长度调制等几种效应4.1.5 MOSFET的主要参数的主要参数4华中科技大学 张林4.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET1.1.结构结构L:沟道长度:沟道长度W:沟道宽度:沟道宽度tox:绝缘层厚度:绝缘层厚度通常通常 W L 绝缘体 沟道 栅极 g 铝电极(Al)二氧化硅绝缘层(SiO2)
4、源极 s 漏极 d L W N N P 型衬底 tox 5华中科技大学 张林4.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET剖面图剖面图 d g s B 衬底 符号符号 铝铝 源极源极 s SiO2绝缘层绝缘层 栅极栅极 g 漏极漏极 d 铝铝 铝铝 耗尽层耗尽层 P 型硅衬底型硅衬底 B 衬底引线衬底引线 N N 1.1.结构结构6华中科技大学 张林4.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET(1)VGS对沟道的控制作用对沟道的控制作用当当V VGSGS00时时 无导电沟道,无导电沟道,d、s间加间加电压时,也无电流产生。电压时,也无电流产生。s g d B 衬底引线衬底引线 N N VGG
5、 耗尽层耗尽层 P 当当0 0 V VGS GS V VTN TN 时时 在电场作用下产生导电沟在电场作用下产生导电沟道,道,d、s间加电压后,将有间加电压后,将有电流产生。电流产生。s g d B 衬底引线衬底引线 N N VGG 耗尽层耗尽层 P V VGSGS越大,导电沟道越厚越大,导电沟道越厚 s g d B 衬底引线衬底引线 N N VGG 耗尽层耗尽层 P(1)VGS对沟道的控制作用对沟道的控制作用2.2.工作原理工作原理 必须依靠栅极外加电压才能产生反必须依靠栅极外加电压才能产生反型层的型层的MOSFET称为增强型器件称为增强型器件8华中科技大学 张林2.2.工作原理工作原理(2
6、)VDS对沟道的控制作用对沟道的控制作用靠近漏极靠近漏极d d处的电位升高处的电位升高 s g d B 衬底引线衬底引线 N N VGG 耗尽层耗尽层 P VDD s g d B 衬底引线衬底引线 N N VGG 耗尽层耗尽层 P 电场强度减小电场强度减小 沟道变薄沟道变薄当当V VGSGS一定(一定(V VGS GS V VTN TN)时,)时,V VDSDS I ID D 沟道电位梯度沟道电位梯度 iD O vDS 整个沟道呈整个沟道呈楔形分布楔形分布 VDD 9华中科技大学 张林 s g d B 衬底引线衬底引线 N N VGG 耗尽层耗尽层 P VDD s g d B 衬底引线衬底引线
7、 N N VGG 耗尽层耗尽层 P VDD 当当V VDSDS增加到使增加到使V VGDGD=V VTN TN 时,时,在紧靠漏极处出现预夹断。在紧靠漏极处出现预夹断。iD O vDS 预夹断点预夹断点 A 在预夹断处:在预夹断处:V VGDGD=V VGSGS-V VDS DS=V VTNTN(2)VDS对沟道的控制作用对沟道的控制作用当当V VGSGS一定(一定(V VGS GS V VTN TN)时,)时,V VDSDS I ID D 沟道电位梯度沟道电位梯度 2.2.工作原理工作原理10华中科技大学 张林 iD O vDS 截止区 vGSVTN 可变 电阻区 vDS VTN时,增强型时
8、,增强型MOSFET的的d、s间才能导通。间才能导通。13华中科技大学 张林3.3.I-VI-V 特性曲线及大信号特性方程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const.DSDGS)(vvfi 截止区截止区当当vGSVTN时,导电沟道时,导电沟道尚未形成,尚未形成,iD0,为截,为截止工作状态。止工作状态。14华中科技大学 张林 可变电阻区可变电阻区 vDS V VTNTN ,且,且vDSDS(vGSGSV VTNTN)2TNGSnD)(VKi v2TNGS2TNn)1(VVKv2TNGSDO)1(VIv2TNnDOVKI 是是vGSGS2 2V V
9、TNTN时的时的iD D I I-V V 特性:特性:(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 必须让必须让FET工作在饱和区工作在饱和区(放大区)才有放大作用。(放大区)才有放大作用。3.3.I-VI-V 特性曲线及大信号特性方程特性曲线及大信号特性方程17华中科技大学 张林(2)转移特性)转移特性const.GSDDS)(vvfi2TNGSDOD)1(VIiv#为什么不谈输入特性?为什么不谈输入特性?ABCD在饱和区,在饱和区,iD受受vGS控制控制3.3.I-VI-V 特性曲线及大信号特性方程特性曲线及大信号特性方程18华中科技大学 张林4.1.2 N沟道耗尽型沟道耗尽型
10、MOSFET1.1.结构和工作原理结构和工作原理 s g d 二氧化硅 掺杂后具有正 离子的绝缘层 N N 耗尽层 N 型沟道 P B 衬底引线 d g s B 衬底 二氧化硅绝缘层中掺有大量的正离子,已存在导电沟道二氧化硅绝缘层中掺有大量的正离子,已存在导电沟道 可以在正或负的栅源电压下工作,而且基本上无栅流可以在正或负的栅源电压下工作,而且基本上无栅流19华中科技大学 张林4.1.2 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET2PNGSDSSD)1(VIiv 2TNGSDOD)1(VIiv(N N沟道增强型)沟道增强型)IDSS 2.2.I-VI-V 特性曲线及大信号特性方程特性曲线及大信号特性方
11、程20华中科技大学 张林4.1.3 P沟道沟道MOSFET d g s B d g s B#衬底是什么类型的半导体材料?衬底是什么类型的半导体材料?#哪个符号是增强型的?哪个符号是增强型的?#在增强型的在增强型的P沟道沟道MOSFET 中,中,vGS应加什么极性的电压才应加什么极性的电压才能工作在饱和区(线性放大区)?能工作在饱和区(线性放大区)?21华中科技大学 张林4.1.3 P沟道沟道MOSFET#是增强型还是耗尽型特性曲线?是增强型还是耗尽型特性曲线?#耗尽型特性曲线是怎样的?耗尽型特性曲线是怎样的?vGS加什么极性的电压能使管子加什么极性的电压能使管子工作在饱和区(线性放大区)?工作
12、在饱和区(线性放大区)?电流均以流入漏极的方向为正!电流均以流入漏极的方向为正!22华中科技大学 张林4.1.4 沟道长度调制等几种效应沟道长度调制等几种效应实际上饱和区的曲线并不是平坦的(实际上饱和区的曲线并不是平坦的(N N沟道为例)沟道为例))1()(DS2TNGSnDvv VKi)1()1(DS2TNGSDOvv VIL的单位为的单位为 m110 VL .当不考虑沟道调制效应时,当不考虑沟道调制效应时,0 0,曲线是平坦的。,曲线是平坦的。修正后修正后VA称为厄雷(称为厄雷(Early)电压)电压1.1.沟道长度调制效应沟道长度调制效应23华中科技大学 张林4.1.4 沟道长度调制等几
13、种效应沟道长度调制等几种效应3.3.温度效应温度效应 VTN和电导常数和电导常数Kn随温度升高而下降,且随温度升高而下降,且Kn受温度的受温度的影响大于影响大于VTN受温度的影响受温度的影响。当温度升高时,对于给定的当温度升高时,对于给定的VGS,总的效果是漏极电,总的效果是漏极电流减小。流减小。)(2 2DSDSTNGSnDvvv VKi可变电阻区可变电阻区 2TNGSnD)(VKi v饱和区饱和区24华中科技大学 张林4.1.4 沟道长度调制等几种效应沟道长度调制等几种效应4.4.击穿效应击穿效应(1)漏衬击穿)漏衬击穿 外加的漏源电压过高,将外加的漏源电压过高,将导致漏极到衬底的导致漏极
14、到衬底的PN结击穿。结击穿。若绝缘层厚度若绝缘层厚度tox=50 纳米纳米时,时,只要约只要约30V的栅极电压就的栅极电压就可将可将绝缘层绝缘层击穿,若取安全系击穿,若取安全系数为数为3,则最大栅极安全电压,则最大栅极安全电压只有只有10V。s g d B 衬底引线衬底引线 N N VGG 耗尽层耗尽层 P VDD(2 2)栅极击穿)栅极击穿 通常在通常在MOS管的栅源间接管的栅源间接入双向稳压管入双向稳压管,限制栅极电压限制栅极电压以保护器件。以保护器件。25华中科技大学 张林4.1.5 MOSFET的主要参数的主要参数一、直流参数一、直流参数1.开启电压开启电压VT(增强型参数)(增强型参
15、数)2.夹断电压夹断电压VP(耗尽型参数)(耗尽型参数)26华中科技大学 张林4.1.5 MOSFET的主要参数的主要参数一、直流参数一、直流参数3.饱和漏电流饱和漏电流IDSS(耗尽型参数)(耗尽型参数)4.直流输入电阻直流输入电阻RGS(1091015)27华中科技大学 张林4.1.5 MOSFET的主要参数的主要参数所以所以1.输出电阻输出电阻rds GSDDSdsVir vDAD12TNGSnds1)(iViVKr v当不考虑沟道调制效应时,当不考虑沟道调制效应时,0 0,rdsds 实际中实际中,rds一般在几十千欧到几百千欧之间一般在几十千欧到几百千欧之间。二、交流参数二、交流参数
16、 )1()(DS2TNGSnDvv VKi对于增强型对于增强型NMOS管管 1)(2TNGSnDDS VKivv有有28华中科技大学 张林4.1.5 MOSFET的主要参数的主要参数DS GSDmVigv 2.2.低频互导低频互导gm 二、交流参数二、交流参数 2TNGSnD)(VKi v则则DSDSGS2TNGSnGSDm)(VVVKigvvv )(2TNGSnVK vDn2iK LWK 2Coxnn其中其中又因为又因为 2TNGSnD)(VKi vnDTNGS)(KiV v所以所以 )(2TNGSnmVKg vNMOSNMOS增强型增强型29华中科技大学 张林4.1.5 MOSFET的主要
17、参数的主要参数三、极限参数三、极限参数 1.最大漏极电流最大漏极电流IDM 2.最大耗散功率最大耗散功率PDM 3.最大漏源电压最大漏源电压V(BR)DS 4.最大栅源电压最大栅源电压V(BR)GS 华中科技大学 张林304.2 MOSFET基本共源极放大电路基本共源极放大电路4.2.1 基本共源极放大电路的组成基本共源极放大电路的组成4.2.2 基本共源放大电路的工作原理基本共源放大电路的工作原理4.2.3 放大电路的习惯画法和主要分析法放大电路的习惯画法和主要分析法31华中科技大学 张林4.2.1 基本共源极放大电路的组成基本共源极放大电路的组成1.1.如何让如何让MOS管工作在饱和区?管
18、工作在饱和区?元件作用元件作用VGG:提供栅源电压使提供栅源电压使 vGS VTNVDD和和Rd:提供合适的漏源电压,使提供合适的漏源电压,使 vDS vGS-VTNRd 还兼有将电流转换成电压的作用还兼有将电流转换成电压的作用(VGG vi)通常称通常称VGG和和VDD为三极管的工作电源,为三极管的工作电源,vi为信号。为信号。32华中科技大学 张林4.2.1 基本共源极放大电路的组成基本共源极放大电路的组成2.2.信号如何通过信号如何通过MOS管传递?管传递?vi 信号由栅源回路输入、漏信号由栅源回路输入、漏源回路输出,即源极是公共端,源回路输出,即源极是公共端,所以称此电路为所以称此电路
19、为共源电路共源电路。也可看作信号由栅极输入、也可看作信号由栅极输入、漏极输出。漏极输出。vGS iD vDS (=vo)饱和区饱和区2TNGSnD)(VKi v由由MOS管的控管的控制关系决定制关系决定由由 iDSiovvvv 可获得信号电压增益可获得信号电压增益 (VGG vi)33华中科技大学 张林4.2.2 基本共源放大电路的工作原理基本共源放大电路的工作原理1.1.放大电路的静态和动态放大电路的静态和动态 静态:静态:输入信号为零(输入信号为零(vi=0 或或 ii=0)时,放大电路的)时,放大电路的工作状态,也称工作状态,也称直流工作状态直流工作状态。动态:动态:输入信号不为零时,放
20、大电路的工作状态,也输入信号不为零时,放大电路的工作状态,也称称交流工作状态交流工作状态。此时,此时,FET的直流量的直流量ID、VGS、VDS,在输出特性曲线,在输出特性曲线上表示为一个确定的点,习惯上称该点为静态工作点上表示为一个确定的点,习惯上称该点为静态工作点Q。常将上述三个电量写成常将上述三个电量写成IDQ、VGSQ和和VDSQ。34华中科技大学 张林4.2.2 基本共源放大电路的工作原理基本共源放大电路的工作原理2.2.放大电路的直流通路和交流通路放大电路的直流通路和交流通路仅有直流电流流经的通路为直流通路仅有直流电流流经的通路为直流通路35华中科技大学 张林4.2.2 基本共源放
21、大电路的工作原理基本共源放大电路的工作原理2.2.放大电路的直流通路和交流通路放大电路的直流通路和交流通路仅有交流电流流经的通路为交流通路仅有交流电流流经的通路为交流通路直流电压源对交流相当于短路直流电压源对交流相当于短路3.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(1)简单的共源极放大电路)简单的共源极放大电路(N沟道)沟道)DDg2g1g2GSVRRRV 2)(TGSnDVVKI dDDDDSRIVV 假设工作在饱和区,即假设工作在饱和区,即)(TGSDSVVV 验证是否满足验证是否满足)(TGSDSVVV 如果不满足,则说明假设错误如果不满足,则说明假设错误须满足须满足VGS
22、 VT,否则工作在截止区,否则工作在截止区再假设工作在可变电阻区再假设工作在可变电阻区)(TGSDSVVV 即即dDDDDSRIVV DSTGSnD)(vvVKI 2假设工作在饱和区假设工作在饱和区满足满足)(TGSDSVVV 假设成立,结果即为所求。假设成立,结果即为所求。解:解:V2V5406040 DDg2g1g2GSQ VRRRVmA2.0mA)12)(2.0()(22TGSnDQ VVKIV2V)15)(2.0(5dDDDDSQ RIVV例:例:设设Rg1=60k,Rg2=40k,Rd=15k,220V/mA.n K试计算电路的静态漏极电流试计算电路的静态漏极电流IDQ和漏源电压和漏
23、源电压VDSQ。VDD=5V,VT=1V,5.2.1 MOSFET放大电路放大电路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(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2)(TGSnDVVKI 饱和区饱和区需要验证是否满足需要验证是否满足)(TGSDSVVV SGGSVVV )(2dDDDDSRRIVV )(SSSSDDg2g1g2VVVRRR )(SSDVRI 5.2.1 MOSFET放大电路放大电路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静态时,静态时,vI0 0,VG 0 0,ID I电流源偏置电流源偏置 VS VG VGS 2TGS
24、nD)(VVKI (饱和区)(饱和区)40华中科技大学 张林4.2.2 基本共源放大电路的工作原理基本共源放大电路的工作原理3.3.放大电路的静态工作点估算放大电路的静态工作点估算饱和区的条件:饱和区的条件:VGSQ VTN,IDQ 0,VDSQ VGSQ-VTN 增强型增强型NMOS管管假设假设NMOS管工作于饱和区,利用管工作于饱和区,利用2TNGSQnDQ)(VVKI 计算计算Q点。点。若:若:VGSQ VTN,NMOS管截止。管截止。若:若:VDSQ VGSQ-VTN,NMOS管可能工作在可变电阻区。管可能工作在可变电阻区。如果初始假设是错误的,则必须作出新的假设,同时重新分析电路。如
25、果初始假设是错误的,则必须作出新的假设,同时重新分析电路。#请归纳其它管型静态工作点的计算方法请归纳其它管型静态工作点的计算方法41华中科技大学 张林4.2.2 基本共源放大电路的工作原理基本共源放大电路的工作原理4.4.放大电路的动态工作情况放大电路的动态工作情况在静态基础上加入小信号在静态基础上加入小信号vi此时电路中的总电压和电流为此时电路中的总电压和电流为vGS=VGSQ+vi iD=IDQ+idvDS=vDSQ+vds 其中其中id和和vds为为交流量交流量2TNGSnD)(VKi vvDS=VDD-iDRd 华中科技大学 张林424.3 图解分析法图解分析法4.3.1 用图解方法确
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