场效应管放大电路_1

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1、,第三章 场效应晶体管及其放大电路,场效应晶体管利用输入电压影响导电沟道的形状，进而控制输出电流。,场效应管的主要特点：,输入阻抗高,多子导电，热稳定性好,本章重点介绍场效应管的结构、工作原理及其应用电路。,内容提要,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）,分类,以N 沟道增强型为例,第一节 绝缘栅型场效应晶体管,3.1.1 增强型MOS场效应管(EMOS),一.N沟道增强型MOS管的结构,SiO2,3.1.1 增强型MOS场效应管,一.N沟道增强型MOS管的结构,RD,二、N沟道增强型MOS管的基本工作原理,3.1.1 增强型MOS场效应管,SiO2,二、

2、N沟道增强型MOS管的基本工作原理,1.栅源电压vGS对管子工作的影响(vBS=0),设,时,管子截止,3.1.1 增强型MOS场效应管,二、N沟道增强型MOS管的基本工作原理,1.栅源电压vGS对管子工作的影响(vBS=0),时,3.1.1 增强型MOS场效应管,二、N沟道增强型MOS管的基本工作原理,1.栅源电压vGS对管子工作的影响(vBS=0),时,反型层形成，出现导电沟道,：开启电压,3.1.1 增强型MOS场效应管,设,时,导电沟道变为楔形,3.1.1 增强型MOS场效应管,2.漏源电压vDS对管子工作的影响(vBS=0),设,时,导电沟道变为楔形,此时,vDS增加，当vGD=Vt

3、h 时，靠近D端的沟道被夹断称为予夹断。,3.1.1 增强型MOS场效应管,2.漏源电压vDS对管子工作的影响(vBS=0),设,时,导电沟道变为楔形,此时,vDS增加，当vGD=Vth 时，靠近D端的沟道被夹断称为予夹断。,予夹断后，vDS 继续增加，iD基本不变，呈恒流特性。,3.1.1 增强型MOS场效应管,2.漏源电压vDS对管子工作的影响(vBS=0),栅源电压起着建立导电沟道的作用。,由于沟道电流仅由多子流构成，故也称场效应管为单极型晶体管。,漏源电压产生输出电流并改变沟道形状。,温度稳定性能好。,由于栅极与源极和漏极之间有绝缘层隔开，故栅极输入电流极小 ，输入电阻极高，可以达到

4、以上。,特点：,输入电阻极高。,3.1.1 增强型MOS场效应管,二、N沟道增强型MOS管的基本工作原理,因栅极输入电流极小，故常用的特性曲线为输出特性曲线和转移特性曲线。,三、N沟道增强型MOS管的伏安特性曲线,3.1.1 增强型MOS场效应管,可变电阻区,截止区：,可变电阻区：,1.输出特性曲线,此区域iD随vDS近似线性变化。,3.1.1 增强型MOS场效应管,三、N沟道增强型MOS管的伏安特性曲线,三、N沟道增强型MOS管的伏安特性曲线,3.1.1 增强型MOS场效应管,1.输出特性曲线,可变电阻区,可变电阻区,1.输出特性曲线,3.1.1 增强型MOS场效应管,三、N沟道增强型MOS

5、管的伏安特性曲线,可变电阻区,饱和区,击穿区,饱和(恒流)区：,厄尔利电压,若考虑沟道长度调制效应,击穿区：,三、N沟道增强型MOS管的伏安特性曲线,3.1.1 增强型MOS场效应管,1.输出特性曲线,预夹断点,三、N沟道增强型MOS管的伏安特性曲线,3.1.1 增强型MOS场效应管,1.输出特性曲线,恒流区或饱和区,2.转移特性曲线,vDS=常数,转移特性曲线表示漏源电压一定时，漏极电流与栅源电压之间的关系曲线。,可由输出曲线求得,3.1.1 增强型MOS场效应管,三、N沟道增强型MOS管的伏安特性曲线,2.转移特性曲线,vDS=常数,转移跨导：,3.1.1 增强型MOS场效应管,三、N沟道

6、增强型MOS管的伏安特性曲线,在相同工作点电流情况下，MOS管跨导的数值通常会比双极型管的小，可能小12个数量级。,跨导也可以由转移特性曲线图解确定。,饱和区内，过大的漏源电压所产生的击穿与输出特性曲线上的击穿区对应。,漏源电压过大时，会导致漏区与衬底间的PN结出现反向击穿。,饱和区内可能会出现贯通击穿。,当栅源电压过大时，可能会导致绝缘层被击穿。,3.MOS场效应管的击穿,3.1.1 增强型MOS场效应管,三、N沟道增强型MOS管的伏安特性曲线,在MOS管工作时，漏区、源区、导电沟道与衬底之间的PN结不应出现正向导通情况，否则管子不能正常工作。,这就要求N沟道型管的衬源极间电压应满足 ； P

7、沟道型管应,4. MOS场效应管衬底调制效应,三、N沟道增强型MOS管的伏安特性曲线,3.1.1 增强型MOS场效应管,分立元件中，衬底B一般与源极S相连。在集成电路中，由于所有元件为同一衬底，为保证所有元件的沟道与衬底间的隔离，导电沟道与衬底之间所形成的PN结必须反偏，也即N沟道MOS管的 。所以，开启电压和转移特性曲线右移。,背栅跨导,三、N沟道增强型MOS管的伏安特性曲线,3.1.1 增强型MOS场效应管,4. MOS场效应管衬底调制效应,P沟道管的结构和原理与N沟道管类似。,但应注意沟道极性的区别及由此带来的电流、电压方向的变化。,四、P沟道增强型MOS场效应管,3.1.1 增强型MO

8、S场效应管,应注意特性曲线图中电流、电压的方向。,四、P沟道增强型MOS场效应管,3.1.1 增强型MOS场效应管,耗尽型MOS管在栅源零偏时即已存在导电沟道。,注意其符号与增强型的区别,3.1.2 耗尽型MOS场效应管(DMOS),第一节 绝缘栅型场效应晶体管,时已有导电沟道，故 时即有漏极电流产生。,3.1.2 耗尽型MOS场效应管,沟道变宽。,3.1.2 耗尽型MOS场效应管,一、基本工作原理,3.1.2 耗尽型MOS场效应管,沟道变窄。,一、基本工作原理,：夹断电压,沟道被夹断,3.1.2 耗尽型MOS场效应管,一、基本工作原理,也会产生预夹断和漏极电流饱和的情况。,且存在沟道。,3.

9、1.2 耗尽型MOS场效应管,一、基本工作原理,可变电阻区,饱和区,击穿区,截止区：,可变电阻区：,饱和(恒流)区：,击穿区,二、特性曲线,3.1.2 耗尽型MOS场效应管,1.输出特性曲线,vGS=0,vGS0,vGS0,3.1.2 耗尽型MOS场效应管,二、特性曲线,1.输出特性曲线,若考虑沟道长度调制效应,在恒流区,3.1.2 耗尽型MOS场效应管,二、特性曲线,1.输出特性曲线,P沟道型管的特性可与之类比,3.1.2 耗尽型MOS场效应管,二、特性曲线,2.转移特性曲线,结型场效应管的结构,根据沟道类型不同亦可分类,第二节 结型场效应管,结型场效应管存在着内建初始导电沟道，这一点与耗尽

10、型管类似。,结型场效应管应用时vGS必须加反偏电压，以通过耗尽层的宽度来调节沟道。,第二节 结型场效应管,3.2.1 结型场效应管的工作原理,一、栅源电压vGS对管子工作的影响,设,vGS=0时，为平衡PN结，导电沟道最宽。,3.2.1 结型场效应管的工作原理,一、栅源电压vGS对管子工作的影响,时,设,当vGS时，PN结反偏，耗尽层变宽，导电沟道变窄，沟道电阻增大。,但当|vGS|较小时，耗尽区宽度有限，存在导电沟道。DS间相当于线性电阻。,3.2.1 结型场效应管的工作原理,一、栅源电压vGS对管子工作的影响,时,设,沟道全夹断。,夹断电压：,3.2.1 结型场效应管的工作原理,时,导电沟

11、道变为楔型,设,二、漏源电压vDS对管子工作的影响,3.2.1 结型场效应管的工作原理,时,导电沟道变为楔型,时,沟道预夹断。,设,二、漏源电压vDS对管子工作的影响,3.2.1 结型场效应管的工作原理,时,导电沟道变为楔型,vDS继续增大时,沟道变短，iD基本不变。,沟道预夹断。,设,二、漏源电压vDS对管子工作的影响,3.2.1 结型场效应管的工作原理,时,三、结型场效应管的特性曲线,1、输出特性曲线,可变电阻区：预夹断前。,电流饱和区（恒流区）： 预夹断后。 特点： ID / VGS 常数= gm 即： ID = gm VGS（放大原理）,夹断区（截止区）。,3.2.1 结型场效应管的工

12、作原理,予夹断曲线,vGS=0V,-1V,可变电阻区,-2V,-3V,-4V,-5V,夹断区,恒流区,vDS=vGS-VGS(off),3.2.1 结型场效应管的工作原理,三、结型场效应管的特性曲线,1、输出特性曲线,VGS=0V,1V,可变电阻区,夹断区,恒流区,输出特性曲线,三、结型场效应管的特性曲线,3.2.1 结型场效应管的工作原理,2、转移特性曲线,饱和漏极电流,夹断电压,3.2.1 结型场效应管的工作原理,三、结型场效应管的特性曲线,1. 栅源极间的电阻虽然可达107以上，但在某些场合仍不够高。,3. 栅源极间的PN结加正向电压时，将出现较大的栅极电流。,绝缘栅场效应管可以很好地解

13、决这些问题。,2. 在高温下，PN结的反向电流增大，栅源极间的电阻会显著下降。,结型场效应管的缺点,3.2.1 结型场效应管的工作原理,综上分析可知,场效应管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。,场效应管是电压控制电流器件，恒流区iD受vGS控制。,预夹断前iD与vDS呈近似线性关系；预夹断后， iD趋于饱和。,JFET栅极与沟道间的PN结是反向偏置的，MOSFET栅极与沟道间绝缘，因此iG0，输入电阻很高。,增强型MOS管象双极型三极管一样有一个开启电压VGS(th) (VT)，（相当于三极管死区电压）。,当 |VGS| 低于 |VGS(th) | 时，漏

14、源之间无沟道，iD=0。,|VGS|高于 |VGS(th) | 时，形成反型层，漏源之间加电压后,耗尽型场效应管的工作原理与结型场效应管类似。,返回,结构,VDMOS和IGBT管自学,分析场效应管放大电路的要点,分析方法与双极型管放大电路相同，仍然是先静态后动态，既可以使用图解法又可以使用等效电路法。,注意偏置电路的设置（对于不同的场效应管来说有不同的设置需求）。,由于栅极电流为零，因此在等效模型中的栅极为悬空。受控电流源所反映的为栅源电压对漏极电流的控制作用。,第四节 场效应管放大电路,3.4.1 场效应管的模型,直流稳态模型,第四节 场效应管放大电路,瞬态模型,瞬态模型用来描述MOS管各极

15、间电流和电压的瞬时值（直流交流）关系。,3.4.1 场效应管的模型,一、MOS场效应管的瞬态模型,二、MOS场效应管的微变信号模型,饱和区微变信号模型,3.4.1 场效应管的模型,饱和区低频微变信号模型,3.4.1 场效应管的模型,二、MOS场效应管的微变信号模型,饱和区低频微变信号模型（源极与衬底短连）,3.4.1 场效应管的模型,二、MOS场效应管的微变信号模型,恒流区低频微变信号模型,3.4.1 场效应管的模型,二、MOS场效应管的微变信号模型,3.4.1 场效应管的模型,三、结型场效应管的微变信号模型,饱和区微变信号模型,3.4.1 场效应管的模型,三、结型场效应管的微变信号模型,饱和

16、区低频微变信号模型,所谓偏置，就是给器件加一定的电压(或电流)，使其工作点偏离原点，以便器件能够在电路中按照人们的要求工作。对于放大运用来说，器件应工作于放大(恒流，饱和)区。,当大信号工作时，静态工作点的位置及动态运用的范围影响非线性失真。,当小信号运用时，只要是在放大区，静态工作点的位置并不影响非线性失真，但将影响放大量(动态范围)和功率消耗。,偏置电路应兼顾静态工作点的稳定、功率消耗。大信号运用时，静态工作点的不稳定还影响动态运用范围和功率损耗，后者将牵涉到器件的安全运用。,第四节 场效应管放大电路,3.4.2 场效应管的直流偏置电路,一、分压式偏置,3.4.2 场效应管的直流偏置电路,一、分压式偏置,3.4.2 场效应管的直流偏置电路,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。但是对结型管必须保证gs间反偏。,管子状态的分析过程与三极管类似，即先假定