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1、1 第四章 場效應(yīng)管放大電路BJT的缺點(diǎn)：輸入電阻較低, 溫度特性差。場效應(yīng)管(FET)：利用電場效應(yīng)控制其電流的半導(dǎo)體器件。優(yōu)點(diǎn)：輸入電阻非常高(高達(dá)1071015歐姆)，噪聲低，熱穩(wěn)定性好， 抗輻射能力強(qiáng)，工藝簡單，便于集成。根據(jù)結(jié)構(gòu)不同分為：結(jié)型場效應(yīng)管(JFET); 絕緣柵型場效應(yīng)管(MOSFET)根據(jù)溝道性質(zhì)分為：N溝道; P溝道根據(jù)偏壓為零時溝道能否導(dǎo)電分為：耗盡型，增強(qiáng)型場效應(yīng)管工作時，只有一種極性的載流子參與導(dǎo)電，所以場效應(yīng)管又稱為單極型晶體管。 2 4.1 結(jié)型場效應(yīng)管4.1.1 JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理 1. 結(jié)構(gòu): Ndg s高攙雜的P型區(qū).N溝道JEFT的示意圖N型導(dǎo)電
2、溝道符號g ds對于N溝道JEFT工作于放大狀態(tài)，v GS0g柵極，s源極，d漏極 3 Pdg s高攙雜的N型區(qū).P型導(dǎo)電溝道P溝道JEFT的示意圖對于P溝道JEFT工作于放大狀態(tài)， vGS 0. vDS 0g ds符號 4 2. 工作原理(1) vGS對iD的控制作用 v GS=0 VpvGSVP且不變v DS=0，耗盡層均勻vGSVp vGDVp ：溝道呈電阻性，iD隨vDS升高幾乎成正比例的增加。vDS不為0時，耗盡層變成鍥型。vDS增加，鍥型的斜率加大。Ndg s Ndg s耗盡層 iD 7 vGD=vGS-vDSvDS ，vGD當(dāng) vGD=VP時， 靠近D端兩邊的耗盡層相接觸預(yù)夾斷。
3、iD達(dá)到了最大值 IDSS。 此時：vDS=vGS-VP vDS再加大，vGD vGS-VP)耗盡層兩邊相接觸的長度增加，iD基本上不隨vDS的增加而上升，漏極電流趨于飽和飽和區(qū)，恒流區(qū)。 Ndg s Ng ds預(yù)夾斷夾斷長度增加 8 4-1-2 N溝道，JFET的特性曲線(1)輸出特性 iD=f(vDS)|vGS=常數(shù)在該區(qū)FET 可以看成一個壓控電阻。特點(diǎn): vGS越負(fù)，耗盡層越寬，漏源間的電阻越大，輸出曲線越傾斜。 i D與 vDS 幾乎成線性關(guān)系。1區(qū): 可變電阻區(qū) 0vGSVP , 0vGDVp 9 2區(qū) ：飽和區(qū)（恒流區(qū)，線性放大區(qū) ） 0 vGS Vp, vGDVp特點(diǎn):iD 隨
4、 vGS下降而減少,iD受 vGS 的控制。vDS 增加時，iD基本保持不變，成恒流特性。在該區(qū)域，場效應(yīng)管等效成一個受v GS控制的恒流源。場效應(yīng)管作放大器時工作在該區(qū)域。 10 4區(qū)：擊穿區(qū) vDS太大，致使柵漏PN結(jié)雪崩擊穿，F(xiàn)ET處于擊穿狀態(tài).。場效應(yīng)管一般不能工作在該區(qū)域內(nèi)。3區(qū)：截止區(qū)vGSVP ，vGDVP i D=0場效應(yīng)管截止 11 (2) 轉(zhuǎn)移特性曲線 iD= f (vGS)|vDS= 常數(shù)表征柵源電壓vGS對漏極電流的控制作用，場效應(yīng)管是電壓控制器件。在飽和區(qū)內(nèi)，F(xiàn)ET可看作壓控電流源。轉(zhuǎn)移特性方程：i D=IDSS(1-vGS/VP)2 VP IDSSvGS - 0.8
5、 0.4 vGS 12 （3）主要參數(shù)夾斷電壓：VP當(dāng)導(dǎo)電溝道剛好完全被關(guān)閉時，柵源所對應(yīng)的電壓 vGS 稱為夾斷電壓。夾斷電壓與半導(dǎo)體的攙雜濃度有關(guān)。飽和漏電流：IDSS場效應(yīng)管處于飽和區(qū)，且 vGS=0 時的漏極電流，對于結(jié)型場效應(yīng)管，為最大工作電流。低頻互導(dǎo)：gm g m =diD/dvGS|vDS=常數(shù)反映了柵源電壓對漏極電流的控制能力，是轉(zhuǎn)移特性曲線上，靜態(tài)工作點(diǎn)處的斜率。 13輸出電阻： rd輸出電阻反映了vDS對 iD的影響，是輸出特性上，靜態(tài)工作點(diǎn)處切線斜率的倒數(shù)。在飽和區(qū)內(nèi)，iD隨vDS改變很小，因此 rd 數(shù)值很大。最大漏源電壓：V(BR)DS最大耗散功率： PDM GS
6、PGSDSSGSDm dv VvdIdvdig 2)1( )1(2 PGSPDSSm VvVIg 14 4.3 金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管 4.3.1 N溝道增強(qiáng)型MOSFET金屬柵極、SiO2絕緣層、半導(dǎo)體，構(gòu)成平板電容器。MOSFET 利用柵源電壓的大小，來改變襯底 b表面感生電荷的多少，從而控制漏極電流的大小。N溝道增強(qiáng)型MOS管示意圖N溝道增強(qiáng)型 MOS管符號 s g d襯底b P N+N+鋁SiO2MOS場效應(yīng)管的類型：增強(qiáng)型：包括N溝道和P溝道耗盡型：包括N溝道和P溝道dsg b P溝道增強(qiáng)型 MOS管符號dsg b 15 1、溝道形成原理 vDS=0時，vGS 的作用在SiO2
7、絕緣層中產(chǎn)生垂直向下的電場，該電場排斥P區(qū)中的多子空穴，而將少子電子吸向襯底表面。vGS不夠大時，吸向襯底表面的電子將與空穴復(fù)合而消失，襯底表面留下了負(fù)離子的空間電荷區(qū)耗盡層，并與兩個PN結(jié)的耗盡層相連，此時源區(qū)和漏區(qū)隔斷。無導(dǎo)電溝道 i D=0 vGS =0時，iD=00vGSVT剛形成反型層所需的 vGS 的值開啟電壓VT 。v GSVT，溝道形成， vDS0時，將形成電流iD。vGS ，溝道加寬，溝道電阻， iD 。 g P ds N+ N+N溝道當(dāng)外加正 vDS 時，源區(qū)的多子(電子)將沿反型層漂移到漏區(qū)形成漏極電流iD。 17 vGSVT且不變 , vDS對溝道的影響導(dǎo)電溝道形成后，
8、在vDS的作用下，形成漏極電流iD ，沿溝道ds，電位逐漸下降, sio2中電場沿溝道ds逐漸加大，導(dǎo)電溝道的寬度也沿溝道逐漸加大，靠近漏極端最窄。v GS VT , 且 vGD VT (vDS vGS-VT ) 溝道暢通，場效應(yīng)管等效為小電阻（可變電阻區(qū)）。 PN+ N+ g dsvDS使溝道不再均勻 18vDS再， 使 vGDvGS-VT)夾斷點(diǎn)向左移動，溝道中形成高阻區(qū)，電壓的增加全部降在高阻區(qū)，iD基本不變恒流區(qū)。 vDS , vGD , 溝道斜率，靠近漏極端更窄。當(dāng)vGD=VT 時 (vDS= vGS-VT)靠近漏極端的反型層剛好消失預(yù)夾斷。預(yù)夾斷g d PN+ N+s g ds P
9、N+ N+ 19 3 、特性曲線1區(qū)：可變電阻區(qū): v GSVT vGDVT 溝道呈電阻性，iD隨vDS的增大而線性增大。電阻值隨vGS增加而減小。2區(qū)：恒流區(qū)(線性放大區(qū)）vGSVT vGDVT iD=IDO(vGS/VT)-12IDO是vGS=2VT時，iD的值。iD 受 vGS 的控制。 4區(qū)：擊穿區(qū)3區(qū)截止區(qū) vGSVTvGDVTP T1截止vGSN=VDDVTN T2導(dǎo)通vo=0vi=0vGSP= -VDD VTP T1導(dǎo)通v GSN=00 , iD為電子電流, iDS0（電流實(shí)際方向流入漏極）P溝道： vDS0 , iD為空穴電流, iDS0 （電流實(shí)際方向流出漏極）襯底的極性：必
10、須保證PN結(jié)反偏。 N溝道：P型襯底須接在電路中的最低電位上。P溝道：N型襯底須接在電路中的最高電位上。增強(qiáng)型MOS管：vGS單極性，總與vDS一致（N溝道正，P溝道負(fù)）。 vGS=0時 iDS=0。耗盡型MOS管： vGS可正可負(fù)。J型場效應(yīng)管： vGS單極性，總與vDS相反（N溝道負(fù),，P溝道正)。 vGS=0時iDS 0（絕對值達(dá)最大）轉(zhuǎn)移特性：N溝道vGSiDS vGSiDSP溝道 23 4.4 場效應(yīng)管放大電路4.4.1 FET的直流偏置電路及靜態(tài)分析1 零偏壓電路2 自偏壓電路VGS= - IDRSV GS=0 Rd VDDsgRG db直流偏置電路Rd VDDsgRG dbRS適
11、應(yīng)于耗盡型MOS場效應(yīng)管適應(yīng)于結(jié)型或耗盡型MOS管 24 3 分壓式自偏壓電路VGS可正可負(fù),適應(yīng)于任何一種類型. 靜態(tài)工作點(diǎn)的確定 根據(jù)外部電路列出線性方程 列出場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性方程 Rd VDDsgRg1 dbRSRg2 Rg3SDDDgg gSGGS RIVRR RVVV 21 2增強(qiáng)型MOS管J型、耗盡型MOS管 的值時是DTGSDO TGSDOD iVVI VVII 2 )1( 2 2)1( PGSDSSD VVII 25 例. ,5.0,1 ,18,2,30 ,10,47,2 321點(diǎn)確定Q mAIVV VVKRKR MRKRMR DSSP DDD ggg DSDDDgg gGS
12、 IRIVRR RV 24.021 2 22 )1(5.0)1( GSPGSDSSD VVVII mAImAI DD 31.0,59.1 Rg3 sg RRd VDDRg1 dRg2J型管i D不能大于IDSS1.59m A的結(jié)果舍去ID=0.31m AVRRIVV VV dDDDDSGS 1.8)(22.0 26 4.4.2 FET的小信號模型分析法FET的低頻小信號簡化模型g dsgsV gsmVg dsVFET低頻小信號模型r drgsg dsgsV gsmVg dsVcgs cgd cdsFET高頻小信號模型.rgs g dsgsV gsmVg dsVrd 27 應(yīng)用小信號模型分析FE
13、T的放大電路 共源放大: gs dgsmioV V RVgVVA 如果接有外負(fù)載RL)/( LdmV RRgA iV Rd VDDsgRg1 dbRRg2 Rg3 oVR g=Rg1/Rg2RgRg3g dsiV gsmVg oVRd RLRL213 / gggi RRRR dmV RgA do RR 28 源極電阻上無并聯(lián)電容:共源電路的特點(diǎn):電壓增益大,輸出電壓和輸入電壓反相.輸入電阻高,輸出電阻由漏極電阻R d決定.RVgV RVgVVA gsmgs dgsmioV gsmVg sRg dRg3Rg, RdiV oV do gggi RR RRRR 213 / Rg=Rg1/Rg2Rg RgA m dmV 1 29 共漏極放大器 (源極跟隨器) Lgsmgs LgsmioV RVgV RVgVVA g s dRS Rg3Rg RLgsmVg iVsV oV 213 / gggi RRRR oV VDDsgRg1 dRRg2 Rg3iV RL Rg=Rg1/Rg2，RL=R/RL 11 Lm LmV RgRgA 30 輸出電阻特點(diǎn):1電壓增益小于1,但接近于1.且輸入輸出同相.2輸入電阻高,而輸出電阻較低.)1( )( RgV RVVg RVVgI mT TTm TgsmT sg dRS Rg3Rg RgsmVg TVTIRgIVR mTTo /1
模擬電路第4章場效應(yīng)管放大電路
