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1、5.1 金属-氧化物-半导体场效应管 5.2 场效应管放大电路 5.5 各种放大器件电路性能比较 5 场效应管放大电路 5.3 结型场效应管 *5.4 砷化镓金属-半导体场效应管 1 5 场效应管放大电路 N沟道 P沟道 增强型 耗尽型 N沟道 P沟道 N沟道 P沟道 (耗尽型) FET 场效应管 JFET 结型 MOSFET 绝缘栅型 分类: 2 5.1 金属-氧化物-半导体场效应管 结构 工作原理 V-I特性曲线及大信号特征方程 5.1.1 N沟道增强型MOSFET 5.1.2 N沟道耗尽型MOSFET 5.1.5 MOSFET的主要参数 3 5.1.1 N沟道增强型MOSFET 1. N
2、沟道增强型MOSFET的结构 2. (Metal-Oxide Semiconductor Type Field Effect Transistor) 4 5.1.1 N沟道增强型MOSFET 1. N沟道增强型MOSFET的结构 2. (Metal-Oxide Semiconductor Type Field Effect Transistor) 5 5.1.1 N沟道增强型MOSFET 4个电极:漏极D, 源极S,栅极G和 衬底P。 符号: - - - - g s d 衬底 1. N沟道增强型MOSFET的结构 2. (Metal-Oxide Semiconductor Type Field
3、 Effect Transistor) 6 5.1.1 N沟道增强型MOSFET 2. 工作原理 当vGS0V时纵向电场 将靠近栅极下方的空穴向下排斥 耗尽层。 当vGS=0V时,漏源之间相当两个背靠背的 二极管,在d、s之间 加上电压也不会形成电流,即管子截止。 再增加vGS VT 纵向电场 将P区少子电子聚集到P区表 面形成导电沟道。 - - - P衬底 s g N+ b d 二氧化硅 + N - - - s 二氧化硅 P衬底 g + N d + b N VGG id - - - s 二氧化硅 P衬底 g DDV + N d + b N VGG id 如果此时加有漏源电压, 就可以形成漏极
4、电流id。漏源 电压较大,出现夹断时, id趋 于饱和。 7 5.1.1 N沟道增强型MOSFET 2. 工作原理 定义: 开启电压( VT)刚刚产生沟道所需的栅源电压VGS。 N沟道增强型MOS管的基本特性: vGS VT,管子截止, vGS VT,管子导通。 vGS 越大,沟道越宽,在相同的漏源电压vDS作用下,漏 极电流ID越大。 8 3. V-I特性曲线及大信号特征方程 v =3V DS GS v GS =5V v v v GS (mA) =4V D i GS =6V (V) 5.1.1 N沟道增强型MOSFET (1)输出特性及大信号特性方程iD=f (vDS)|vGS=consta
5、nt 预夹断临界点轨迹vGD= vGS vDS=VT vDSVGS-VT 饱和区 截止区vGS|VP|时的漏极电流 4. 直流输入电阻RGS:在漏源之间短路的条件下,栅源之间加一定 电压时的栅源直流电阻 13 5.1.5 MOSFET的主要参数 2. 低频互导gm互导反映了vGS对iD的控制能力, 相当于转移特性曲线上工作点的 斜率。单位是mS或S 1. 输出电阻rd 十分之几至几mS,互导随管子工作点不同而变 几十千欧到几百千欧 二、交流参数 N沟道EMOSFET 14 5.1.5 MOSFET的主要参数 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
6、)GS 发生雪崩击穿、iD 开始急剧上升时的vDS值 栅源间反向电流开始急剧增加时的vGS值 PDM= vDS iD 受管子最高工作温度的限制 三、极限参数 1. 最大漏极电流IDM:管子正常工作时漏极电流允许的上限值 15 5.2 MOSFET放大电路 直流偏置及静态工作点的计算 图解分析 5.2.1 MOSFET放大电路 5.2.2 带PMOS负载的NMOS放大电路 小信号模型分析 16 5.2.1 MOS放大电路 根据求得的VDS判断FET工作在饱和区或可变电阻区 1. 直流偏置及静态工作点的计算 VDD vo vi B Cb2 Cb1 Rg1 Rd Rg2 g d s T id (1)
7、简单的共源极放大电路 N沟道增强型MOS管电路的直流计算步骤见P.212 17 假设工作在饱和区(放大区) 满足假设成立,结果即为所求。 解: 例 题 设Rg1=60k,Rg2=40k,Rd=15k, 试计算电路的静态漏极电流IDQ和漏源 电压VDSQ 。 VDD=5V, VT=1V, 18 5.2.1 MOS放大电路 1. 直流偏置及静态工作点的计算 (2)带源极电阻的NMOS共源极放大电路 +VDD vo vi B Cb2 Cb1 Rg1 Rd Rg2 g d s T id -VSS Rs R 当NMOS管工作在饱和区 19 5.2.1 MOS放大电路 1. 直流偏置及静态工作点的计算 (
8、2)带源极电阻的NMOS共源极放大电路 +VDD vo vi B Cb2 Cb1 Rg1 Rd Rg2 g d s T id -VSS Rs R 在MOS管中接入源极 电阻,也具有稳定静态 工作点的作用 很多MOS管电路的源极 电阻被电流源代替(例 5.2.3) 20 2. 图解分析 VDD vO B Rd g d s T id vi VGG + - + - iD vDS o VDD 预夹断临界点轨迹 vGD= vGS vDS=VT VDD/Rd o o t t iD IDQ VDSQ id vds vi VGS=VGG Q vDS VGG VT VDD 足够 大,场效 应管工作 于饱和区 2
9、1 5.2.1 MOS放大电路 3. 小信号模型分析 输入信号很小,FET工作在饱和区,看成双口网络, N沟道EMOS 22 5.2.1 MOS放大电路 3. 小信号模型分析 第三项与输入信号平方成正比,当vi=vgs为正弦时,平方项 使输出电压产生谐波或非线性失真 小信号条件:vgs2(VGSQ-VT) 23 5.2.1 MOS放大电路 3. 小信号模型分析 s gd vgs gmvgs vds s g d rds vgs gmvgs vds iD 低频小信号模型 g s d vGS iD vDS s g d rds vgs gmvgs vds iD Cgs+Cgb Cgd Cds FET的
10、高频模型 24 例题 例5.2.5 电路如图所示。试求中频 电压增益、输入电阻和输出电阻。 vo R vi g Rd Rg1| Rg2 s d Rs vs + - +VDD vo vi B Cb2 Cb1 Rg1 Rd Rg2 g d s T id -VSS Rs R 25 例题 vo R vi g Rd Rg1| Rg2 s d Rs vs + - 26 例题 例5.2.6 电路如图所示。试求中频 电压增益、输入电阻和输出电阻。 vo R vi g rds Rg1|Rg2 s d Rs +VDD vo vi B Cb Rg1 Rg2 g d s T Rs R vs + - 27 例题 同相放
11、大 电压跟随 vo R vi g rds Rg1|Rg2 s d Rs 28 例题 Ri R s d Rs g vT iT Ro 计算输出电阻时,信号 源置零,除去负载,在 输出端加测试源vT rds Rg1|Rg2 29 5.3 结型场效应管 结构 工作原理 输出特性 转移特性 主要参数 5.3.1 JFET的结构和工作原理 5.3.2 JFET的特性曲线及参数 5.3.3 JFET的小信号模型分析法 30 1. 结型场效应管的结构(以N沟为例): (Junction Type Field Effect Transistor) 5.3.1 JFET的结构和工作原理 31 1. 结型场效应管的
12、结构(以N沟为例): (Junction Type Field Effect Transistor) 两个PN结夹着一个N型沟道。 三个电极: g:栅极 d:漏极 s:源极 符号: 5.3.1 JFET的结构和工作原理 N沟道 - - - g s d P沟道 - - - g d s 动画演示动画演示32 5.3.1 JFET的结构和工作原理 (1)栅源电压对沟道的控制作用 在栅源间加负电压vGS ,令vDS =0 当vGS=0时,为平衡PN结,导电沟道最 宽。 当vGS时,PN结反偏,耗尽层 变宽,导电沟道变窄,沟道电阻 增大。 当vGS到一定值时 ,沟道会完 全合拢。 定义: 夹断电压VP使
13、导电沟道完全 合拢(消失)所需要的栅源电压 vGS。 2. 结型场效应管的工作原理: 33 5.3.1 JFET的结构和工作原理 (2)漏源电压对沟道的控制作用 2. 结型场效应管的工作原理: 在漏源间加电压uDS ,令vGS =0 由于vGS =0,所以导电沟道最宽。 当vDS=0时, iD=0。 vDSiD 靠近漏极处的耗尽层加宽 ,沟道变窄,呈楔形分布。 当vDS ,使vGD=vG S- vDS=VP时, 在靠漏极处夹断预夹断。 预夹断前, vDSiD 。 预夹断后, iDSiD 几乎不变。 vDS再,预夹断点下移。 34 5.3.1 JFET的结构和工作原理 2. 结型场效应管的工作原
14、理: (3)栅源电压vGS和漏源电压vDS共同作用 iD=f( vGS 、vDS),可用两组特性曲线来描绘。 动画演示动画演示35 5.3.2 JFET的特性曲线及参数 1. 输出特性曲线: iD=f( vDS )vGS=常数 vGS=0V vGS=-1V v =-3V DS GS v vGS (mA) =-2V D i (V) 36 5.3.2 JFET的特性曲线及参数 1. 输出特性曲线: iD=f( vDS )vGS=常数 四个区: 恒流区的特点:在vDS为常数时 iD / vGS = gm 常数 即: iD = gm vGS (放大原理) (a)可变电阻区(预夹断前)。 (b)恒流区也
15、称饱和区(预 夹断后)。 (c)夹断区(截止区)。 (d)击穿区。 可变电阻区 恒流区 截止区 击穿区 v =-3V DS GS v GS =-1V v v vGS (mA) =-2V D i GS =0V (V) vGSVP时,iD=0称为截止区 37 5.3.2 JFET的特性曲线及参数 2. 转移特性曲线: iD=f( vGS )vDS=常数 可根据输出特性曲线作出转移特性曲线(transfer characteristic) 。 例:作vDS=10V的一条转移特性曲线: A B C D A B C D v vGS=0V v 0 v (mA) 1 v =-3V D -3-1 3 10V DS 2 (mA) GS(V) 2 1 -4 4 i v =-1V D -2 GS GS GS 4 i (V) 3 =-2V 38 5.3.2 JFET的特性曲线及参数 2. 转移特性曲线: iD=f( vGS )vDS=常数 vGS/V 0