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场效应管及放大电路课件

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  • 卖家[上传人]:F****n
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  • 上传时间:2019-04-20
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    • 1、电子技术基础,模拟部分 (第六版),电子技术基础模拟部分,1 绪论 2 运算放大器 3 二极管及其基本电路 4 场效应三极管及其放大电路 5 双极结型三极管及其放大电路 6 频率响应 7 模拟集成电路 8 反馈放大电路 9 功率放大电路 10 信号处理与信号产生电路 11 直流稳压电源,4 场效应三极管及放大电路,4.1 金属-氧化物-半导体(MOS)场效应三极管 4.2 MOSFET基本共源极放大电路 4.3 图解分析法 4.4 小信号模型分析法 4.5 共漏极和共栅极放大电路 4.6 集成电路单级MOSFET放大电路 4.7 多级放大电路 4.8 结型场效应管(JFET)及其放大电路 *4.9 砷化镓金属-半导体场效应管 4.10 各种FET的特性及使用注意事项,场效应管的分类:,P沟道,耗尽型,P沟道,P沟道,(耗尽型),4.1 金属-氧化物-半导体(MOS)场效应三极管,4.1.1 N沟道增强型MOSFET 4.1.2 N沟道耗尽型MOSFET 4.1.3 P沟道MOSFET 4.1.4 沟道长度调制等几种效应 4.1.5 MOSFET的主要参数,4.1.1 N沟道增强型MOS

      2、FET,1. 结构,L :沟道长度,W :沟道宽度,tox :绝缘层厚度,通常 W L,4.1.1 N沟道增强型MOSFET,剖面图,符号,1. 结构,4.1.1 N沟道增强型MOSFET,(1)VGS对沟道的控制作用,当VGS0时,无导电沟道, d、s间加电压时,也无电流产生。,当0 VGS VTN 时,产生电场,但未形成导电沟道(反型层),d、s间加电压后,没有电流产生。,2. 工作原理,4.1.1 N沟道增强型MOSFET,当VGS VTN 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,VTN 称为N沟道增强型MOSFET开启电压,(1)VGS对沟道的控制作用,2. 工作原理,必须依靠栅极外加电压才能产生反型层的MOSFET称为增强型器件,2. 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 VTN )时,,VDS,ID,沟道电位梯度,整个沟道呈楔形分布,当VDS增加到使VGD=VTN 时,在紧靠漏极处出现预夹断。,在预夹断处:VGD=VGS-VDS =VTN,(2)VDS对

      3、沟道的控制作用,当VGS一定(VGS VTN )时,,VDS,ID,沟道电位梯度,2. 工作原理,预夹断后,VDS,夹断区延长,沟道电阻,ID基本不变,(2)VDS对沟道的控制作用,2. 工作原理,(3)VDS和VGS同时作用时,VDS一定,VGS变化时,给定一个vGS ,就有一条不同的 iD vDS 曲线。,2. 工作原理,以上分析可知,沟道中只有一种类型的载流子参与导电,所以场效应管也称为单极型三极管。,MOSFET是电压控制电流器件(VCCS),iD受vGS控制。,预夹断前iD与vDS呈近似线性关系;预夹断后,iD趋于饱和。,# 为什么MOSFET的输入电阻比BJT高得多?,MOSFET的栅极是绝缘的,所以iG0,输入电阻很高。,只有当vGSVTN时,增强型MOSFET的d、s间才能导通。,3. I-V 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vGSVTN时,导电沟道尚未形成,iD0,为截止工作状态。, 可变电阻区 vDS (vGSVTN),由于vDS较小,可近似为,rdso是一个受vGS控制的可变电阻,(1)输出特性及大信号特性方程,3. I-V

      4、特性曲线及大信号特性方程, 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,(1)输出特性及大信号特性方程,3. I-V 特性曲线及大信号特性方程, 饱和区 (恒流区又称放大区),vGS VTN ,且vDS(vGSVTN),是vGS2VTN时的iD,I-V 特性:,(1)输出特性及大信号特性方程,必须让FET工作在饱和区(放大区)才有放大作用。,3. I-V 特性曲线及大信号特性方程,(2)转移特性,# 为什么不谈输入特性?,在饱和区,iD受vGS控制,3. I-V 特性曲线及大信号特性方程,4.1.2 N沟道耗尽型MOSFET,1. 结构和工作原理,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,4.1.2 N沟道耗尽型MOSFET,(N沟道增强型),2. I-V 特性曲线及大信号特性方程,4.1.3 P沟道MOSFET,# 衬底是什么类型的半导体材料?,# 哪个符号是增强型的?,# 在增强型的P沟道MOSFET 中,vGS应加什么极性的电压才能

      5、工作在饱和区(线性放大区)?,4.1.3 P沟道MOSFET,# 是增强型还是耗尽型特性曲线?,# 耗尽型特性曲线是怎样的?vGS加什么极性的电压能使管子工作在饱和区(线性放大区)?,电流均以流入漏极的方向为正!,4.1.4 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(N沟道为例),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,VA称为厄雷(Early)电压,1. 沟道长度调制效应,4.1.4 沟道长度调制等几种效应,衬底未与源极并接时,衬底与源极间的偏压vBS将影响实际的开启(夹断)电压和转移特性。,VTNO表示vBS = 0时的开启电压,2. 衬底调制效应(体效应),N沟道增强型,对耗尽型器件的夹断电压有类似的影响,4.1.4 沟道长度调制等几种效应,2. 衬底调制效应(体效应),通常,N沟道器件的衬底接电路的最低电位,P沟道器件的衬底接电路的最高电位。,为保证导电沟道与衬底之间的PN结反偏,要求: N沟道: vBS 0 P沟道: vBS 0,4.1.4 沟道长度调制等几种效应,3. 温度效应,VTN和电导常数Kn随温度升高而下降,且Kn受温度的影响

      6、大于VTN受温度的影响。,当温度升高时,对于给定的VGS,总的效果是漏极电流减小。,可变电阻区,饱和区,4.1.4 沟道长度调制等几种效应,4. 击穿效应,(1)漏衬击穿 外加的漏源电压过高,将导致漏极到衬底的PN结击穿。,若绝缘层厚度tox= 50 纳米时,只要约30V的栅极电压就可将绝缘层击穿,若取安全系数为3,则最大栅极安全电压只有10V。,(2)栅极击穿,通常在MOS管的栅源间接入双向稳压管,限制栅极电压以保护器件。,4.1.5 MOSFET的主要参数,一、直流参数,1. 开启电压VT (增强型参数),2. 夹断电压VP (耗尽型参数),4.1.5 MOSFET的主要参数,一、直流参数,3. 饱和漏电流IDSS (耗尽型参数),4. 直流输入电阻RGS (1091015 ),4.1.5 MOSFET的主要参数,所以,1. 输出电阻rds,当不考虑沟道调制效应时,0,rds,实际中,rds一般在几十千欧到几百千欧之间。,二、交流参数,对于增强型NMOS管,有,4.1.5 MOSFET的主要参数,2. 低频互导gm,二、交流参数,则,其中,又因为,所以,NMOS增强型,4.1.5

      7、MOSFET的主要参数,三、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,4.2 MOSFET基本共源极放大电路,4.2.1 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 4.2.3 放大电路的习惯画法和主要分析法,4.2.1 基本共源极放大电路的组成,1. 如何让MOS管工作在饱和区?,元件作用,VGG: 提供栅源电压使 vGS VTN,VDD和Rd : 提供合适的漏源电压,使 vDS vGS - VTN,Rd 还兼有将电流转换成电压的作用,(VGG vi),通常称VGG和VDD为三极管的工作电源,vi为信号。,4.2.1 基本共源极放大电路的组成,2. 信号如何通过MOS管传递?,vi,信号由栅源回路输入、漏源回路输出,即源极是公共端,所以称此电路为共源电路。 也可看作信号由栅极输入、漏极输出。,饱和区,由MOS管的控制关系决定,由,可获得信号电压增益,(VGG vi),4.2.2 基本共源放大电路的工作原理,1. 放大电路的静态和动态,静态:输入信号为零(vi= 0 或 ii=

      8、 0)时,放大电路的工作状态,也称直流工作状态。,动态:输入信号不为零时,放大电路的工作状态,也称交流工作状态。,此时,FET的直流量ID、VGS、VDS,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Q。常将上述三个电量写成IDQ、VGSQ和VDSQ。,4.2.2 基本共源放大电路的工作原理,2. 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,4.2.2 基本共源放大电路的工作原理,2. 放大电路的直流通路和交流通路,直流电压源内阻为零,交流电流流经直流电压源时不产生任何交流压降, 故,直流电压源对交流相当于短路,仅有直流电流流经的通路为直流通路,4.2.2 基本共源放大电路的工作原理,2. 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,直流电压源对交流相当于短路,4.2.2 基本共源放大电路的工作原理,3. 放大电路的静态工作点估算,直流通路,假设NMOS管工作于饱和区,则,VGSQ = VGG,VDSQ = VDD - IDQ Rd,当已知VGG、VDD、VTN、Kn、和Rd 时,便可求得Q点(VGSQ、IDQ、VDSQ)。必须检

      9、验是否满足饱和区工作条件:VDSQ VGSQ - VTN 0。,若不满足,则说明工作在可变电阻区,此时漏极电流为,注意:电路结构不同,除FET特性方程外,其它电路方程将有差别,例4.2.1,假设NMOS管工作于饱和区,根据,已知VGG=2V,VDD=5V,VTN=1V,Kn=0.2mA/V2,Rd =12k,求Q点。,求得: VGSQ=2V,IDQ=0.2mA,VDSQ=2.6V 满足饱和区工作条件: VDSQ VGSQ - VTN 0 ,结果即为所求。,解:,4.2.2 基本共源放大电路的工作原理,3. 放大电路的静态工作点估算,饱和区的条件:VGSQ VTN , IDQ 0 , VDSQ VGSQ - VTN,增强型NMOS管,若:VGSQ VTN , NMOS管截止。,若: VDSQ VGSQ - VTN ,NMOS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。,# 请归纳其它管型静态工作点的计算方法,4.2.2 基本共源放大电路的工作原理,4. 放大电路的动态工作情况,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,vGS = VGSQ + vi iD = IDQ + id vDS = vDSQ + vds,其中 id和vds为交流量,vDS = VDD - iDRd,4.2.3 放大电路的习惯画法和主要分析法,省略工作电源的直流电压符号,仅保留电压源非接“地”端子,并标注电压源名称。,习惯画法,1. 习惯画法,4.2.3 放大电路的习惯画法和主要分析法,1. 习惯画法,4.2.3 放大电路的习惯画法和主要分析法,2. 主要分析法,图解法 小信号模型分析法,4.3 图解分析法,4.3.1 用图解方法确定静态工作点Q 4.3.2 动态工作情况的图解分析 4.3.3 图解分析法的适用范围,4.3.1 用图解方法确定静态工作点Q,采用图解法分析静态工作点,必须已知FET的输出特性曲线。,静态:vi = 0, 输入回路,vGS = VGG = VGSQ, 输出回路,vCE = VCCiCRc (直流负载线),输出回路左侧的FET端口可用输出特性曲线描述,共源放大电路,4.3.1 用

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