模擬電路第4章場(chǎng)效應(yīng)管放大電路.ppt

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1、1,第四章 場(chǎng)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(chǎng)效應(yīng)管(FET)：利用電場(chǎng)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(jiǎn)單，便于集成。,根據(jù)結(jié)構(gòu)不同分為：結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(JFET); 絕緣柵型場(chǎng)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(shí)溝道能否導(dǎo)電分為：耗盡型，增強(qiáng)型,場(chǎng)效應(yīng)管工作時(shí)，只有一種極性的載流子參與導(dǎo)電， 所以場(chǎng)效應(yīng)管又稱為單極型晶體管。,2,4.1 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管,4.1.1 JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理 1. 結(jié)構(gòu):,高攙雜的P型區(qū).,N

2、溝道JEFT的示意圖,N型導(dǎo)電溝道,對(duì)于N溝道JEFT 工作于放大狀態(tài)， vGS0,g柵極，s源極，d漏極,3,高攙雜的N型區(qū).,P型導(dǎo)電溝道,P溝道JEFT的示意圖,對(duì)于P溝道JEFT 工作于放大狀態(tài)， vGS 0. vDS <0,4,2. 工作原理,(1) vGS對(duì)iD的控制作用,vGS=0,Vp

3、溝道，vGS 減小，溝道電阻增大，iD 減小。,vDS=0時(shí)，耗盡層均勻,6,(2) VDS 對(duì) iD 的影響 設(shè)：vGSVP且不變,vDS=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(shí)，耗盡層變成鍥型。 vDS增加，鍥型的斜率加大。,7,vGD=vGS-vDS vDS ，vGD 當(dāng) vGD=VP時(shí)， 靠近D端兩邊的耗盡層 相接觸預(yù)夾斷。 iD達(dá)到了最大值 IDSS。 此時(shí)：vDS=vGS-VP,vDS再加大，vGD vGS-VP) 耗盡層兩邊相接觸的長(zhǎng)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

4、區(qū)。,預(yù)夾斷,夾斷長(zhǎng)度增加,8,4-1-2 N溝道，JFET的特性曲線,輸出特性 iD=f(vDS)|vGS=常數(shù),在該區(qū)FET 可以看 成一個(gè)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。 iD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, vGD

5、：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(chǎng)效應(yīng)管一般不能工作在該區(qū)域內(nèi)。,3區(qū)：截止區(qū) vGS

6、時(shí)的漏極電流，對(duì)于結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，為最大工作電流。 低頻互導(dǎo)：gm gm=diD/dvGS|vDS=常數(shù) 反映了柵源電壓對(duì)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(duì) 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,,14,4.3 金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)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

7、，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(hào),MOS場(chǎng)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,P溝道增強(qiáng)型 MOS管符號(hào),15,1、溝道形成原理 vDS=0時(shí)，vGS 的作用,在SiO2絕緣層中產(chǎn)生垂直向下的電場(chǎng)， 該電場(chǎng)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(shí)，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(gè)PN結(jié)的耗盡層相連，此時(shí)源區(qū)和漏區(qū)隔斷。無導(dǎo)電溝道 iD=0,vGS =0時(shí)，iD=0,0

8、，形成自由電子的薄層反型層。 (表層的導(dǎo)電類型由原來P型轉(zhuǎn)化為N型) N型導(dǎo)電溝道形成。,vDS=0時(shí) 反型層均勻,vGSVT,剛形成反型層所需的 vGS 的值 開啟電壓VT 。,vGSVT，溝道形成， vDS0時(shí)，將形成電流iD。 vGS ，溝道加寬，溝道電阻， iD 。,N溝道,當(dāng)外加正 vDS 時(shí)，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(duì)溝道的影響,導(dǎo)電溝道形成后， 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(chǎng)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。,vGS VT

9、, 且 vGD VT (vDS< vGS-VT ) 溝道暢通，場(chǎng)效應(yīng)管等效為小電阻（可變電阻區(qū)）。,vDS使溝道不再均勻,18,vDS再， 使 vGDvGS-VT)夾斷點(diǎn)向左移動(dòng)，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(shí) (vDS= vGS-VT) 靠近漏極端的反型層剛好消失 預(yù)夾斷。,預(yù)夾斷,19,3 、特性曲線,1區(qū)：可變電阻區(qū): vGSVT 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 vGD

10、DO(vGS/VT)-12 IDO是vGS=2VT時(shí)，iD的值。 iD 受 vGS 的控制。,4區(qū)：擊穿區(qū),3區(qū) 截止區(qū) vGS

11、。,在零柵源電壓下也存在導(dǎo)電溝道的FET稱耗盡型。 耗盡型MOSFET在零、正和負(fù)柵源電壓下都可工作。,N溝道耗盡型 MOS管符號(hào),P溝道耗盡型 MOS管符號(hào),vGS , 溝道寬度，iD vGS , 溝道寬度 ，iD ,22,4.3.3 場(chǎng)效應(yīng)管比較,N溝道：vDS0 , iD為電子電流, iDS0（電流實(shí)際方向流入漏極） P溝道： vDS<0 , iD為空穴電流, iDS<0 （電流實(shí)際方向流出漏極）,襯底的極性：必須保證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)）。

12、 vGS=0時(shí) iDS=0。 耗盡型MOS管： vGS可正可負(fù)。 J型場(chǎng)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(shí)iDS 0（絕對(duì)值達(dá)最大）,轉(zhuǎn)移特性：,N溝道,P溝道,23,4.4 場(chǎng)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= - IDRS,VGS=0,直流偏置電路,適應(yīng)于耗盡型MOS場(chǎng)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(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性方程,增強(qiáng)型MOS管,

13、J型、耗盡型MOS管,25,例,J型管iD不能大于IDSS 1.59mA的結(jié)果舍去 ID=0.31mA,26,4.4.2 FET的小信號(hào)模型分析法,,FET的低頻小信號(hào)簡(jiǎn)化模型,FET低頻小信號(hào)模型,FET高頻小信號(hào)模型.,27,應(yīng)用小信號(hào)模型分析FET的放大電路,共源放大:,如果接有外負(fù)載RL,Rg=Rg1//Rg2,28,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Rd決定.,Rg=Rg1//Rg2,29,共漏極放大器 (源極跟隨器),Rg=Rg1//Rg2，RL=R//RL,30,輸出電阻,特點(diǎn): 電壓增益小于1,但接近于1.且輸入輸出同相. 輸入電阻高,而輸出電阻較低.,,