西安交大模电课件第3章场效应管及其放大电路.ppt
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3场效应晶体管及其放大电路,三极管的主要特点:
1.电流控制型器件。
2.输入电流大,输入电阻小。
3.两种极型的载流子都参与导电,又称为双极型晶体管,简称BJT(BipolarJunctionTransistor)。
场效应管,简称FET(FieldEffectTransistor),其主要特点:
(a)输入电阻高,可达1071015W。
(b)起导电作用的是多数(一种)载流子,又称为单极型晶体管。
(c)体积小、重量轻、耗电省、寿命长。
(d)噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强和制造工艺简单。
(e)在大规模集成电路制造中得到了广泛的应用。
1.结型场效应管,简称JFET(JunctionFieldEffectTransistor),场效应管按结构可分为:
场效应管的类型:
2.绝缘栅型场效应管,简称IGFET(IsolatedGateFieldEffectTransistor),3.1结型场效应管,3.1.1结型场效应管的结构和类型,N沟道JFET结构示意图,P+,P+,形成SiO2保护层,以N型半导体作衬底,漏极D(drine),源极S(source),栅极G(gate),N型导电沟道,符号,称为N沟道JFET,符号,P沟道JFET结构示意图,N沟道结型场效应管,P沟道结型场效应管,3.1.2结型场效应管的工作原理,电路图,1uDS=0时,uGS对沟道的控制作用,a当uGS=0时,沟道无变化,bUGS(off)uGS0,P+,+,(a)PN结加宽,(b)PN结主要向N区扩展,(c)导电沟道变窄,(c)导电沟道电阻增大,P+,P+,(a)PN结合拢,(b)导电沟道夹断,c0uGS=UGS(off),+,当uDS=0时,uGS对沟道的控制作用动画演示,2当uGS=0时,uDS对沟道的控制作用,a0uDS|UGS(off)|,(b)沿沟道有电位梯度,(c)沿沟道PN结反偏电压不同,(a)漏极电流iD0uDS增大,iD增大。
uDS,(d)沟道PN结呈楔形,P+,buDS=|UGS(off)|,(a)iD达到最大值,(b)沟道点夹断(预夹断),cuDS|UGS(off)|,(a)iD达到最大值几乎不随uDS的增大而变化,(b)沟道夹断区延长,当uGS=0时,uDS对沟道的控制作用动画演示,3当uDS0时,uGS(0)对沟道的控制作用,a.uDS和uGS将一起改变沟道的宽度,c.当uDG=|UGS(off)|时,沟道出现予夹断。
此时,uDS=|UGS(off)|+uGS,b.PN结在漏极端的反偏电压最大。
uDG=uDS-uGS,uDS、uGS共同对沟道的控制作用动画演示,
(1)JFET是利用uGS所产生的电场变化来改变沟道电阻的大小,,
(2)场效应管为一个电压控制型的器件。
(3)在N沟道JFET中,uGS和UGS(off)均为负值。
小结:
在P沟道JFET中,uGS和UGS(off)均为正值。
即利用电场效应控制沟道中流通的电流大小,因而称为场效应管。
3.1.3结型场效应管的伏安特性,在正常情况下,iG=0,管子无输入特性。
1输出特性(漏极特性),特性曲线,可变电阻区,放大区,截止区,可变电阻区,
(1)可变电阻区,a.uDS较小,沟道尚未夹断,b.uDS|UGS(off)|+uGS,c.管子相当于受uGS控制的压控电阻,各区的特点:
放大区,
(2)放大区,放大区也称为饱和区、恒流区。
b.uDS|UGS(off)|+uGS,a.沟道予夹断,c.iD几乎与uDS无关。
d.iD只受uGS的控制。
截止区,a.uGSUGS(off),(3)截止区,b.沟道完全夹断,c.iD0,2转移特性,表示场效应管的uGS对iD的控制特性。
定义,转移特性曲线可由输出特性曲线得到,
(1)对于不同的uDS,所对应的转移特性曲线不同。
曲线特点:
(2)当管子工作于恒流区时,转移特性曲线基本重合。
当管子工作于恒流区时,称为零偏漏极电流,3.1.4结型场效应管的主要电参数,1直流参数,(3)直流输入电阻RGS,
(1)夹断电压UGS(off),
(2)零偏漏极电流IDSS(也称为漏极饱和电流),2交流参数,
(1)跨导gm也称为互导。
其定义为:
当管子工作在放大区时,得管子的跨导,由,可见,gm与IDQ有关。
IDQ越大,gm也就越大。
3.极限参数,
(1)漏极最大允许耗散功率PDSM,
(2)最大漏极电流IDSM,栅源电容Cgs,栅漏电容Cgd,漏源电容Cds,(3)栅源击穿电压U(BR)GS,(4)漏源击穿电压U(BR)DS,例在图示电路中,已知场效应管的;问在下列三种情况下,管子分别工作在那个区?
(b),(c),(a),解(a)因为uGSUGS(off),管子工作在截止区。
(b)因,管子工作在放大区。
(c)因这时的,管子工作在可变电阻区。
3.2绝缘栅型场效应管,N沟道,IGFET,耗尽型,增强型,P沟道,N沟道,P沟道,绝缘栅型场效应管的类别,3.2.1增强型绝缘栅场效应管,1.结构示意图,N+,S,G,D,N+,以P型半导体作衬底,SiO2保护层,引出栅极,Al,从衬底引出电极,两边扩散两个高浓度的N区,故又称为MOS管,管子组成:
a.金属(Metal),b.氧化物(Oxide),c.半导体(Semiconductor),2.工作原理,电路连接图,
(1)uGS=0,uDS0,源极和漏极之间始终有一个PN结反偏,iD=0,2uGS0,uDS=0,产生垂直向下的电场,电场排斥空穴,形成耗尽层,吸引电子,形成导电沟道,当uGS=UGS(th)时,出现反型层,UGS(th)开启电压,N沟道增强型MOS管,简称NMOS,N沟道,3当uGSUGS(th),uDS0时.,uDS,(b)沿沟道有电位梯度,(a)漏极电流iD0uDS增大,iD增大。
uDS,(b)沿沟道有电位梯度,3当uGSUGS(th),uDS0时.,(c)不同点的电场强度不同,左高右低,(a)漏极电流iD0uDS增大,iD增大。
uDS,(d)沟道反型层呈楔形,(b)沿沟道有电位梯度,3当uGSUGS(th),uDS0时.,(c)不同点的电场强度不同,左高右低,(a)漏极电流iD0uDS增大,iD增大。
a.uDS升高,沟道变窄,uDS,反型层变窄,b.当uGD=uGS-uDS=UGS(th)时,uDS,沟道在漏极端夹断,(b)管子预夹断,(a)iD达到最大值,c.当uDS进一步增大,(a)iD达到最大值且恒定,uDS,uDS,沟道夹断区延长,(b)管子进入恒流区,增强型NMOS管工作原理动画演示,2伏安特性与参数,a输出特性,可变电阻区,放大区,截止区,输出特性曲线,
(1)可变电阻区,a.uDS较小,沟道尚未夹断,b.uDSuGS-|UGS(th)|,c.管子相当于受uGS控制的压控电阻,各区的特点:
可变电阻区,2,4,0,6,10,20,
(2)放大区(饱和区、恒流区),a.沟道予夹断,c.iD几乎与uDS无关,d.iD只受uGS的控制,b.uDSuGS-|UGS(th)|,截止区,a.uGSUGS(th),(3)截止区,b.沟道完全夹断,c.iD=0,管子工作于放大区时函数表达式,b转移特性曲线,式中,K为与管子有关的参数,例图示为某一增强型NMOS管的转移特性。
试求其相应的常数K值。
解由图可知,该管的,UGS(th)=2V,当UGS=8V时,ID=2mA,故,3.2.2耗尽型MOS管,1.MOS管结构示意图,绝缘层中渗入了正离子,出现反型层,形成导电沟道,导电沟道增宽,a.,导电沟道变窄,b.,耗尽型MOS管可以在uGS为正或负下工作。
2伏安特性与参数,a输出特性曲线,b转移特性曲线,函数表达式,工作于放大区时,增强型与耗尽型管子的区别:
耗尽型:
增强型:
当时,,当时,,MOSFET符号,增强型,耗尽型,JFET符号,场效应管的特点(与双极型三极管比较),
(1)场效应管是一种电压控制器件,即通过uGS来控制iD;,双极型三极管是一种电流控制器件,即通过iB来控制iC,
(2)场效应管的输入端电流几乎为零,输入电阻非常高。
双极型三极管的发射结始终处于正向偏置,有一定的输入电流,基极与发射极间的输入电阻较小。
(4)场效应管具有噪声小、受辐射的影响小、热稳定性较好,且存在零温度系数工作点。
(3)场效应管是利用多数(一种极性)载流子导电的。
在双极型三极管中二种极性的载流子(电子和空穴)同时参与了导电。
(5)场效应管的结构对称,有时(除了源极和衬底在制造时已连在一起的MOS管)漏极和源极可以互换使用,且各项指标基本不受影响,使用方便、灵活。
(6)场效应管制造工艺简单,有利于大规模集成。
每个MOS场效应管在硅片上所占的面积只有双极性三极管5%。
(7)场效应管的跨导小,当组成放大电路时,在相同的负载电阻下,电压放大倍数比双极性三极管低。
(8)由于MOS管的输入电阻高,由外界感应产生的电荷不易泄露,而栅极上的绝缘层又很薄,这将在栅极上产生很高的电场强度,以致引起绝缘层的击穿而损坏管子。
2.绝缘栅场效应管的栅极为什么不能开路?
思考题,1.试比较三极管和场效应管的异同点。
3.3场效应管放大电路,3.3.1场效应管的偏置及其电路的静态分析,1自给偏压,IDQ,USQ=IDQRS,UGSQ=-IDQRS,
(1)电路,
(2)自给偏压原理,(3)静态分析,a.方法一:
图解法,(a)列写输出回路方程,(c)作图,(b)列写输入回路方程,a,b,c,d,e,a,b,c,d,e,IDQ,M,N,Qo,UDSQ,Qi,UGSQ,作输出回路直流负载线,作控制特性,作输入回路直流负载线,b.方法二:
估算法,输入回路方程,当管子工作于放大区时,两式联立可求得IDQ,由此可得,例在图示电路其中,VDD=18V、RD=3k、RS=1k、RG=1M,FET的IDSS=7mA、UGS(off)=8V。
试求UGSQ、IDQ和UDSQ。
UGSQ=2.9V,解,由,2分压式偏置,图中,
(1)电路,
(2)静态分析,故,分压式偏置:
增强型、耗尽型,两种偏置电路适用的FET:
自给偏压:
耗尽型,3信号的输入和输出,常用的耦合方式,一种典型的阻容耦合共源极放大电路,3.3.2场效应管的微变等效电路,由场效应管工作原理知:
iD=f(uGS、uDS),iG=0,对iD全微分,rds为FET共源极输出电阻,故,或者,3.3.3场效应管组成的三种基本放大电路,1共源极放大电路,微变等效电路,由图可知,式中,a.求电压放大倍数,由图可知,b.求输入电阻Ri,根据输出电阻的定义:
由图可知,画出求输出电阻的等效电路,c.求输出电阻Ro,2.共漏极放大电路,微变等效电路,由图可知,式中,a.求电压放大倍数,输入电阻,b.求输入电阻Ri,c.求输出电阻Ro,由图可知,故电路的输出电阻,3.共栅极放大电路,微变等效电路,a.求电压放大倍数,故,由于,b.求输入电阻Ri,故,c.求输出电阻Ro,画出求Ro的等效电路,1.比较共源极场效应管放大电路和共发射极晶体管放大电路,在电路结构上有何相似之处?
为什么前者的输入电阻较高?
2.为什么增强型绝缘栅场效应管放大电路无法采用自给偏置?
思考题,例1在图示电路中:
(1)如果电路输入、输出电压的波形分别如图(a)、(b)所示。
试问该电路的静态工作点可能处于或靠近哪个区?
(2)已知T工作于放大区及IDQ,RG1和RG2,求RS。
(3)在线性放大条件下,写出电路的Au、Ri及Ro的表达式。
练习题,解:
由图可知,该电路是一由N型沟道增强型MOS场效应管组成的共源极放大电路。
(1)由于电路的输出波形负半周出现了失真,故该电路的静态工作点Q靠近可变电阻。
将以上两式联立求解得:
(2)已知T工作于放大区,IDQ=kUGSQ-UGS(th)2,故,而,(3),微变等效电路,解该电路是场效应管和晶体管组成的放大器。
画出该电路的微变等效电路。
微变等效电路,由图可知,故电压放大倍数,
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- 西安 交大 课件 场效应 及其 放大 电路