1、模擬電子技術模擬電子技術主講教師：張立權主講教師：張立權2007-12-1第四章第四章 場效應管放大電路場效應管放大電路123金屬金屬-氧化物氧化物-半導體場效應管半導體場效應管MOSFET放大電路放大電路結型場效應管結型場效應管引引 言言v 優點： 輸入阻抗高、熱穩定性好、噪聲低、抗輻射能力強 及省電等。BJTFET電流電流控制電流的器件控制電流的器件兩種兩種載流子參與導電載流子參與導電屬于雙極型器件屬于雙極型器件利用利用電場效應電場效應來控制來控制電流的器件電流的器件一種一種載流子參與導電載流子參與導電屬于單極型器件屬于單極型器件v 分類：場效應管場效應管JFETMOSFETN溝道溝道P溝

2、道溝道N溝道溝道P溝道溝道增強型增強型耗盡型耗盡型增強型增強型耗盡型耗盡型第一節第一節 金屬金屬- -氧化物氧化物- -半導體場效應管半導體場效應管1.1 N溝道增強型溝道增強型MOSFETv 結構及電路符號sgdN PN 襯底襯底sgdP襯底襯底SiO2絕緣層金屬Al箭頭方向表示由P指向NN溝道增強型溝道增強型sgdP NP 襯底襯底sgdN襯底襯底SiO2絕緣層金屬Al箭頭方向表示由P指向Nv P溝道增強型結構及符號v 特點： 柵極g相當基極b，源極s相當發射極e，漏極d相當 集電極c。VGS=0時v N溝道增強型MOS管的工作原理v 柵源電壓柵源電壓VGS的控制作用的控制作用SGDN P

3、N 襯底襯底GSVDSVv VGS=0時時D-S間相當兩個背靠背的PN結0DIVGS0時v VGS0時時SGDN PN 襯底襯底GSVDSVSiO2絕緣層的存在，柵極電流為零0DI此電場排斥多子空穴，剩下不能移動的負離子，形成耗盡層。由于電容效應會產生一垂直向下的電場E。v VGSVT時時VGSVT時，VT稱為開啟開啟電壓電壓SGDN PN 襯底襯底GSVDSV0DI此電場吸引足夠多的電子，形成N型溝道型溝道，也稱反型層反型層。2007-12-1v VGS控制作用小結： VGSVT ，ID0，場效應管工作于輸出特性曲線的 截止區截止區。 VGS較小時 ，感應的電子較少，導電溝道的電阻較 大。在

4、VDS一定時，隨著VGS增加，導電溝道阻值變 小，漏極電流ID增大。 VGSVT 隨著VDS繼續增加，會產生預夾斷預夾斷現象，此時有 VGD=VGS-VDSVT VDS繼續增加，當VGD=VGS-VDS0時時SGDN PN 襯底襯底GSVDSV+ + + + + + +VGS0時隨著VGS的增加，導電溝道變寬，漏極電流ID增大。v VGS0時時SGDN PN 襯底襯底GSVDSV+ + + + + + +隨著VGS的反向增加，導電溝道變窄，漏極電流ID減小。當VGS增至某一數值時，溝道完全被夾斷。漏極電流ID0。ID=0時的柵源電壓稱為夾斷夾斷電壓電壓VP。v N溝道耗盡型溝道耗盡型MOS管可

5、在正或負的柵源電壓下工作。管可在正或負的柵源電壓下工作。v N溝道耗盡型MOS管的特性曲線 耗盡型MOS管在vGS0時就有導電溝道，加反向電壓才能夾斷。v 轉移特性和輸出特性曲線DiGSv0PVGSPvVGDPvVGDPvVDiDSv00GSv0GSv1.3 MOSFET和和BJT的比較的比較BJTMOS結結 構構C、E極一般不可極一般不可互換使用互換使用D、S極一般可互換極一般可互換使用使用導電機理導電機理多子擴散少子漂移多子擴散少子漂移多子漂移多子漂移放大原理放大原理電流控制電流電流控制電流電壓控制電流電壓控制電流外界影響外界影響受溫度影響較大受溫度影響較大受溫度影響較小受溫度影響較小輸入

6、電阻輸入電阻幾十到幾千歐姆幾十到幾千歐姆幾兆歐姆以上幾兆歐姆以上電電 流流基極電流不為基極電流不為0柵極電流近似于柵極電流近似于01.4 MOSFET的主要參數的主要參數v 開啟電壓VT：當vDS為一固定值使iD等于微小電流時，v 柵源間的電壓。v 夾斷電壓VP：當vDS為一固定值使iD等于微小電流時， 柵源間的電壓。v 飽和漏極電流IDSS：耗盡型MOS管vGS=0時的漏極電流v 直流輸入電阻RGS(DC)：柵源電壓除柵流。v 低頻跨導gm：在漏源電壓為常數時，漏極電流的微變v 量除柵源電壓的微變量。constDSDmGSvigvv 輸出電阻rds：v 最大漏極電流IDM：漏極電流允許的上限

7、值。constGSDSdsDvvriv 最大耗散功率PDM：DMDSDPviv 最大漏源電壓V(BR)DS：發生雪崩擊穿iD急劇上升的vDSv 最大柵源電壓V(BR)GS：柵源間反向電流急劇上升的vGS2007-12-1作業：作業：5.1.1 、5.1.2第二節第二節 MOSFETMOSFET放大電路放大電路v 電路組成原則及分析方法 組成原則： 靜態：設置合適的靜態工作點，使MOS工作在 恒流區(飽和區)。 動態：能為交流信號提供通路。 分析方法： 靜態：估算法、圖解法。 動態：小信號等效電路法。 2.1 靜態工作點計算靜態工作點計算v 基本共源極放大電路：dR1gRDDVg2C1Cov2g

8、RsdivDi源極s與襯底一般是相連的。v 直流通道：dR1gRDDVg2gRsdDIv 注意：柵極電流注意：柵極電流Ig02DQnGSTIKVV212gGSQDDggRVVRR其中，Kn為電導常數。DSQDDDdVVI Rv 靜態參數有柵源電壓、漏極電 流以及漏源電壓。2007-12-1v MOS管工作區域判別： 若計算出的VGS(VGS-VT)，說明工作在飽和區飽和區。 若計算出的VDS(VGS-VT)，說明工作在可變電阻區可變電阻區 例例1：電路如圖，各參數為： ，計算靜態工作點，并 說明管子工作狀態。1260k,40k,15kggdRRR215V,1V,0.2mA/VDDTnVVKdR

9、1gRDDVg2C1Cov2gRsdivDi解：解：20.2mADQnGSTIKVV2122VgGSQDDggRVVRR2VDSQDDDdVVI R因VGD=0VVGS，則VGVS，而IG=0V則有：2125VGDDRVVRR0.5mASGDSSVVIRR()10VDSDDDSDVVIRR注意：注意：漏極和源極電流相等。(2) 動態參數計算DR1RDDVG2C1Cov2RSDivDiGRSRLRSCDR1RGoVSDiVGR2RgsVmgsg vLRDIv 電壓放大倍數DR1RGoVSDiVGR2RgsVmgsg vLRDIigsVV輸入電壓/omgsDLmgsLVg VRRg V R 輸出電

10、壓電壓放大倍數為15mgsLoVmLigsg V RVAg RVV v 輸入、輸出電阻12/1.0375MiiGiVRRRRI輸入電阻10koDRR輸出電阻DR1RGoVSDiVGR2RgsVmgsg vLRDIiIv 信號源置零，則電壓控制電流源也為零。共射電路為共射電路為 倒相電路。倒相電路。2.3 源極跟隨器源極跟隨器1RDDVG2C1Cov2RSDivDiGRSRLR共漏極電路例例2：電路如圖，計算靜態工作點和動態參數。參數如下12150k,50k,1M,10k,GSLRRRRR3mA/V,20VmDDgV解：解：(1) 估算靜態工作點1RDDVG2RSDDiGRSR設VGVGS，則V

11、GVS，而IG=0V則有：2125VGDDRVVRR0.5mASGDSSVVIRR15VDSDDSVVV(2) 動態參數計算1RDDVG2C1Cov2RSDivDiGRSRLR1RGoVDSiVGR2RgsVmgsg vLRDISRv 電壓放大倍數igsoVVV輸入電壓/omgsSLmgsLVg VRRg V R輸出電壓電壓放大倍數為0.941mgsLoVigsmgsLg V RVAVVg V R1RGoVDSiVGR2RgsVmgsg vLRDISR2007-12-1v 輸入電阻12/1.0375MiiGiVRRRRI輸入電阻1RGoVDSiVGR2RgsVmgsg vLRDISRv 輸出電

12、阻1gstoDmgsmVVRIg Vg 1RGtVDSGR2RgsVmgsg vDISRtIoRoR輸出電阻1/0.323kooSSmRRRRg第三節第三節 結型場效應管結型場效應管3.1 N溝道結型場效應管溝道結型場效應管v 結構及電路符號dP NP sgsgd箭頭方向表示柵結正偏時，柵極電流的方向由P指向Nv P溝道結型場效應管結構和符號dN PN sgsgd箭頭方向表示柵結正偏時，柵極電流的方向由P指向NDNP P SGGSVv N溝道JFET工作原理v 柵源電壓柵源電壓VGS的控制作用的控制作用v VDS=0，柵源間加負電壓，柵源間加負電壓P P PN結反偏，|VGS|越大則耗盡區越寬

13、，導電溝道越窄，電阻增大。DNSGGSVP P v |VGS|VP|時時P P |VGS|增至一定值(夾斷電壓夾斷電壓VP)，兩耗盡層合攏，導電溝道夾斷。此時即使VDS 0V，漏極電流ID=0A0DI2007-12-1v VGS控制作用小結： 改變VGS的大小 ，可控制導電溝道電阻的大小，對 于固定的VDS，VGS的增加使漏極電流ID減小。 結型場效應管由于沒有絕緣層，只能工作在反偏結型場效應管由于沒有絕緣層，只能工作在反偏 的條件下，否則會出現柵流。的條件下，否則會出現柵流。即輸入電阻較大。v 漏源電壓漏源電壓VDS的控制作用的控制作用v VGS=0，漏源間加正電壓，漏源間加正電壓DNP P

14、 SGDSVP P 由于存在電位梯度，越靠近漏端，PN結反偏電壓越大，耗盡層越寬。2007-12-1v VDS控制作用小結： 增加VDS的大小 ，一方面可增加漏極電流ID，另一 方面由于導電溝道變窄，電阻增大，又使漏極電流 ID減小。但是在預夾斷前，可近似認為溝道電阻基但是在預夾斷前，可近似認為溝道電阻基 本上決定于本上決定于VGS，即，即ID隨隨VDS線性增加。線性增加。 VDS對溝道的影響是不均勻的，使溝道呈楔形。v VGS0，漏源間加正電壓，漏源間加正電壓P P DNSGDSVGSV|VGS|VP|時DIP P 隨著VDS增加，ID線性增大。當VDS增加至使VGD=VGS-VDS=VP時

15、，靠近漏端的溝道被預夾斷。|VGS|VP|時DI 恒定P P DNSGDSVGSV隨著VDS繼續增加，夾斷區向下延伸。增加的VDS主要降落在夾斷區上，因此，ID基本恒定。P P v N溝道JFET特性曲線 在漏源電壓vDS一定的條件下，柵源電壓vGS對漏極電流iD的控制特性。constDSDGSvif vv 轉移特性曲線 轉移特性曲線可由輸出 特性曲線獲得。 DiGSv0PVDSSI 其中， IDSS為飽和漏極電流。 2)1 (PGSDSSDVVIiv 輸出特性曲線 在柵源電壓vGS一定的情況下，漏極電流iD與漏源電壓vDS之間的關系。constGSDDSvif vDiDSv0DSSI0GSvPV| |GSPvvGDPvVGDPvVDiDSv00GSv2V GSv4V GSvv P溝道JFET特性曲線v 轉移特性曲線DiGSv0PVDSSIN溝道轉移特性曲線DiGSv0PVDSSIP溝道轉移特性曲線v 輸出特性曲線GS