《5场效应管放大电路培训讲学》由会员分享，可在线阅读，更多相关《5场效应管放大电路培训讲学（39页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、5.1 金属氧化物半导体场效应管,5.2 MOSFET放大电路,5 场效应管放大电路,5.5 各种放大电路比较,5.3 结型场效应管,BJT是一种电流控制器件(iB iC)，工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，所以被称为双极型器件。,场效应管（Field Effect Transistor简称FET）是一种电压控制器件(uGS iD) ，工作时，只有一种载流子参与导电，因此它是单极型器件。 FET因其制造工艺简单，功耗小，温度特性好，输入电阻极高等优点，得到了广泛应用。,增强型,耗尽型,N沟道,P沟道,N沟道,P沟道,N沟道,P沟道,FET,绝缘栅场效应管 IGFET (Insulate
2、d Gate FET),结 型场效应管 JFET （ Junction FET）,场效应管（FET）的分类,5.1 金属氧化物半导体场效应管,一、N沟道增强型MOS管 1.结构 4个电极：漏极D，源极S，栅极G和 衬底B,动画演示,当栅极加有电压时，若 0VGSVT (开启电压)时，将靠近 栅极下方的P型半导体中的空穴向 下方排斥，出现了一薄层负离子的 耗尽层。耗尽层中的少子将向表 层运动，但数量有限，不足以形 成沟道，将漏极和源极沟通，所以不能形成漏极电流ID。,1) 栅源电压VGS的控制作用,当VGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的 二极管，在D、S之间加上电压不会在D、S间形成电流。,
3、2. 工作原理,VGS对漏极电流的控制关系可用 ID=f(VGS)VDS=常数 这一曲线描述，称为转移特性曲线。,进一步增加VGS，当VGSVT时，由于此时的栅极电压已经比较强，在靠近栅极下方的P型半导体表层中聚集较多的电子，可以形成沟道，将漏极和源极沟通。如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流ID。在栅极下方形成的导电沟道中的电子，因与P型半导体的载流子空穴极性相反，故称为反型层。,随着VGS的继续增加，ID将不断增加。在VGS=0V时ID=0，只有当VGSVT后才会出现漏极电流，这种MOS管称为管增强型MOS 。,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
4、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。,当VDS为0或较小时，相当VGSVT，沟道分布 如图(a)，此时VDS 基本均匀降落在沟道中，沟道 呈斜线分布。,当VDS增加到使VGD=VT时，沟道如图(b)所 示。这相当于VDS增加使漏极处沟道缩减到刚刚 开启的情况，称为预夹断。,当VDS增加到VGDVT时，沟道如图02.15(c)所示。 此时预夹断区域加长，伸向S极。 VDS增加的部分基本 降落在随之加长的夹断沟道上， ID基本趋于不变。,当VGSVT，且固定为某一值时， VDS对ID的影
5、响， 即ID=f(VDS)VGS=常数 这一关系曲线称为漏极输出特性曲线。,2）漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用,动画演示,可根据输出特性曲线作出移特性曲线。 例：作vDS=10V的一条转移特性曲线.,3.特性曲线,二、N沟道耗尽型MOSFET,在栅极下方的SiO2层中掺入了大量的金属正离子。所以当vGS=0时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。,定义：夹断电压（ VP）沟道刚刚消失所需的栅源电压vGS。,特点： 当vGS=0时,就有沟道,加入vDS,就有iD。 当vGS0时，沟道增宽，iD进一步增加。 当vGS0时，沟道变窄，iD减小。,三.主要参数,（2）夹断电压VP VP是耗
6、尽型FET参数，通常令vDS为某一固定值（例如10V），使iD等于一个微小的电流（例如20A）时，栅源之间所加的电压称为夹断电压。,（3）饱和漏极电流IDSS 在vGS=0的情况下，场效应管发生预夹断时的漏极电流。 IDSS是是耗尽型FET参数。,（4）直流输入电阻RGS 它是在漏-源极间短路的条件下，栅-源极间加一定电压时，栅-源 极间的直流电阻。场效应管RGS大于109。,直流参数,（1）开启电压VT VT是增强型MOS管的参数。当vDS为某一固定值(例如10V)，使iD等于某一微小电流(例如50A)时，栅源间的电压为.,交流参数,（1）输出电阻rdS,rd反映了漏-源电压vDS对iD的影
7、响。在饱和区内，iD几乎不随vDS而变化，因此，rd数值很大，一般为几十千欧几百千欧。,（2） 低频跨导gm gm反映了栅压对漏极电流的控制作用，相当与转移特性上工作点的斜率。单位是mS(毫西门子)。,定义：,互导随管子的工作点不同而变，它是FET小信号建模的重要参数之一,（2） 最大耗散功率PDM PDM= vDS iD，与双极型三极管的PCM相当。,（4）最大栅-源电压V(BR)GS 指栅-源极间的PN结发生反向击穿时的vGS值，这时栅极电流由零而 急剧上升。,（3）最大漏-源电压V(BR)DS 指管子沟道发生雪崩击穿引起iD急剧上升时的vDS值。V(BR)DS的大小 与vGS有关，对N沟
8、道而言，|vGS|的值越大，则V(BR)DS越小。,极限参数,（1）最大漏极电流IDM,是管子正常工作时漏极电流允许的上限值。,一、JFET的结构和工作原理,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 结型场效应管,1.结构（以N沟为例）,动画演示,（1） vGS对沟道的控制作用, 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使导电沟道完全合拢（消失）所需要的栅源电压vGS。,2.工作原理,在栅源间加负电压vGG ，令vDS =0, 当vGS=0时，为平衡PN结，导电沟
9、 道最宽。,在漏源间加电压VDD ，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，vDSiD 几乎不变。, vDS再，预夹断点下移。,（2） vDS对iD的影响,动画演示, 沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电，所以 场效应管也称为单极型三极管。,综上分析可知：, JFET栅极与沟道间的PN结是反向偏置的，因此iG0， 输入电阻很高。, JFET是电压控制电流器件，iD受vGS控制
10、。,P沟道结型场效应管工作时，电源的极性与N沟道结型场效应管的电源极性相反。, 预夹断前iD与vDS，呈近似线性关系；预夹断后， iD趋于饱和。,1.输出特性曲线 iD=f (vDS )vGS=常数,二、 结型场效应的特性曲线及参数,设：VP= -3V,四个区,恒流区的特点： iD / vGS = gm 常数 即： iD = gm v GS （放大原理）,（a）可变电阻区 （预夹断前）,（b）恒流区也称饱和区 （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,动画演示,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
11、曲线。 例：作vDS=10V的一条转移特性曲线：,动画演示,实验表明: （当VPvGS0时）,结构种类,三、各种FET的性能比较及使用注意事项,P沟道JFET,N沟道JFET,VDS,VP或VT,输出特性iD = f (vDS),转移特性iD = f (vGS),电压极性,符 号,工作 方式,耗尽型,耗尽型,(+),(-),(-),(+),1.各种FET的性能比较,(-),(-),增强型,(-),(+),耗尽型,P沟道MOSFET,(+),(+),增强型,(+),(-),耗尽型,N沟道MOSFET,VDS,VP或VT,输出特性iD = f (vDS),转移特性iD = f (vGS),电压极性
12、,符 号,工作 方式,结构种类,2.使用注意事项,(1)从场效应管的结构上看，其源极和漏极是对称的，因此源极和漏极可以互换。但有些场效应管在制造时已将衬底引线与源极连在一起，这种场效应管的源极和漏极就不能互换了。,(2)场效应管各极间电压的极性应正确接入，结型场效应管的栅-源电压vGS的极性不能接反。,(3)当MOS管的衬底引线单独引出时，应将其接到电路中的电位最低点（对N沟道MOS管而言）或电位最高点（对P沟道MOS管而言），以保证沟道与衬底间的PN结处于反向偏置，使衬底与沟道及各电极隔离。,(4)MOS管的栅极是绝缘的，感应电荷不易泄放，而且绝缘层很薄，极易击穿。所以栅极不能开路，存放时应
13、将各电极短路。焊接时，电烙铁必须可靠接地，或者断电利用烙铁余热焊接，并注意对交流电场的屏蔽。,3场效应管与三极管的性能比较,(1) 场效应管的源极s、栅极g、漏极d分别对应于三极管的发射极e、基极b、集电极c，它们的作用相似。,(2)场效应管是电压控制电流器件，由vGS控制iD，其放大系数gm一般较小，因此场效应管的放大能力较差；三极管是电流控制电流器件，由iB（或iE）控制iC。,(3)场效应管栅极几乎不取电流；而三极管工作时基极总要吸取一定的电流。因此场效应管的输入电阻比三极管的输入电阻高。,(4)场效应管只有多子参与导电；三极管有多子和少子两种载流子参与导电，因少子浓度受温度、辐射等因素
14、影响较大，所以场效应管比三极管的温度稳定性好、抗辐射能力强。在环境条件（温度等）变化很大的情况下应选用场效应管。,3场效应管与三极管的性能比较,(5)场效应管在源极未与衬底连在一起时，源极和漏极可以互换使用，且特性变化不大；而三极管的集电极与发射极互换使用时，其特性差异很大，b值将减小很多。,(6)场效应管的噪声系数很小，在低噪声放大电路的输入级及要求信噪比较高的电路中要选用场效应管。,(7)场效应管和三极管均可组成各种放大电路和开关电路，但由于前者制造工艺简单，且具有耗电少，热稳定性好，工作电源电压范围宽等优点，因而被广泛用于大规模和超大规模集成电路中。,一. 场效应管放大电路的三种基本接法
15、,共源放大电路,共漏放大电路,共栅放大电路,5. 2 场效应管放大电路,二. 场效应管放大电路静态工作点的设置,1. 基本共源放大电路,电路组成：,T ：场效应管（N沟道增强型MOS管）,VGG：栅极电源，大于UGS(th)，形成沟道。,VDD：漏极电源，保证管子工作在恒流区，同时提供漏极电流。,RD ：漏极电组，将漏极电流变化转换成电压变化，实现电压放大作用。,静态工作点：,作图法：,估算法：,若计算出来VDS(VGS-VT),则说明管子工作在饱和区,例5.2.1 设Rg1=60k, Rg2=40k, Rd=15k, VDD=5V, VT=1V,Kn=0.2mA/V2. 试计算电路的静态漏极电流IDQ和漏源电压VDSQ,解:,由于VDSQ(VGSQ-VT)=1V, 管子工作在饱和区,2.分压式自偏压电路,可解出Q点的VGS 、 ID,计算Q点：,已知VP ，由,该电路产生的栅源电压可正可负，所以适用于所有的场效应管电路。,二、FET的交流小信号模型分析法,与双极型晶体管一样，场效应管也是一种非线性器件，在交流小信号情况下，也可以由它的线性等效电路交流小信号模型来代替。,1. FET的小信号模型,高频模型,2.应用小信号模型法分析共源FET放大电路,例5.2.5 设Rg1=150k, Rg2=47k, Rd=10k, R=0.5K, RS=3k,gm=1mS
