第三章模拟集成电路学习教案

1、会计学1第三章模拟第三章模拟(mn)集成电路集成电路第一页，共52页。1.1.根据根据(gnj)(gnj)载流子来划分：载流子来划分：N N沟道器件：电子作为载流子的。沟道器件：电子作为载流子的。P P沟道器件：空穴作为载流子的。沟道器件：空穴作为载流子的。2.2.根据结构根据结构(jigu)(jigu)来划分：来划分： 结型场效应管结型场效应管JFETJFET： 绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管IGFETIGFET：第1页/共51页第二页，共52页。 ( (一一) ) 增强型增强型MOSFETMOSFET结构结构(jigu)(jigu)N沟道沟道(u do)增强型增强型MOSFET 的结构如

2、图：的结构如图：D为漏极，相当为漏极，相当C； G为栅极，相当为栅极，相当B； S为源极，相当为源极，相当E。 一、 N沟道(u do)增强型MOS场效应管的工作原理绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管MOSFET分为：分为： 增强型增强型 N沟道、沟道、P沟道沟道 耗尽型耗尽型 N沟道、沟道、P沟道沟道N沟道增强型沟道增强型 MOSFET结构示意图结构示意图栅压为零时栅压为零时有沟道有沟道栅压为零时栅压为零时无沟道无沟道P型硅作衬型硅作衬底浓度较低底浓度较低引出电极引出电极B在在P P型衬底上生成型衬底上生成S Si iO O2 2薄膜绝缘层薄膜绝缘层引出电极引出电极G极极用光刻工艺扩散两用光刻

3、工艺扩散两个高掺杂的个高掺杂的N N型区，型区，从从N N型区引出电极：型区引出电极：S极和极和D极极第2页/共51页第三页，共52页。1栅源电压栅源电压UGS的控制的控制(kngzh)作用作用漏源之间相当两个背靠背的漏源之间相当两个背靠背的 二极管，二极管，在在D、S之间加上电压不会在之间加上电压不会在D、S间形成间形成(xngchng)电流。即电流。即:ID=0（二）（二） 工作原理工作原理(1).当当UGS=0V时时:(2).0UGSUT时时:第3页/共51页第四页，共52页。(3).当当UGS=UT:( UT 称为开启称为开启(kiq)电压电压)1.在在UGS=0V时时ID=0;2.只

4、有只有(zhyu)当当UGSUT后才会出现漏极电流，这种后才会出现漏极电流，这种MOS管称为增强型管称为增强型MOS管。管。出现反型层出现反型层,与与N形成一体形成一体,形成导电形成导电(dodin)沟道沟道;当当UDS0时时:D 沟道沟道 S之间形成漏极电流。之间形成漏极电流。(4).当当UGS UT:( UT 称为开启电压称为开启电压)随着随着UGS的继续增加，沟道加的继续增加，沟道加厚厚，沟道电阻，沟道电阻 ，ID将不断将不断 （续）工作原理（续）工作原理结结 论论第4页/共51页第五页，共52页。(1).转移特性曲线的斜率转移特性曲线的斜率gm的大小的大小(dxio)反映了栅源电压对反

5、映了栅源电压对漏极电流的控制作用。漏极电流的控制作用。 (2).gm 的量纲为的量纲为mA/V，所以，所以gm也称为跨导。跨导的定义式也称为跨导。跨导的定义式如下：如下：图图03.14 转移特性转移特性(txng)曲线曲线gm=ID/UGS UDS=const (单单位位(dnwi)mA/V)（三）（三）特性曲线特性曲线UGS对对ID的控制关系可用如下曲线描述，称为的控制关系可用如下曲线描述，称为转移特性曲线转移特性曲线ID=f(UGS) UDS=const1.转移转移特性曲线特性曲线如图：如图：第5页/共51页第六页，共52页。(1).UGS0随随UGS沟道沟道(u do)加厚加厚沟道沟道(

6、u do)电阻电阻 ID UDS正向减小，曲线右移，但正向减小，曲线右移，但UDS不同的曲线差别很小不同的曲线差别很小在恒流区在恒流区转移特性曲线中转移特性曲线中ID 与与UDS的关系为：的关系为：ID =K(UGS -UT)2 ; 式中式中K为导电因子为导电因子ID =(UGS -UT)2 n COXW/2L短沟道时：短沟道时：ID =K(UGS -UT)2(1+ UDS)第6页/共51页第七页，共52页。图图03.15(a) 漏源电压漏源电压(diny)UDS对沟道的影响对沟道的影响(动画2-5)2 2输出特性曲线输出特性曲线(qxin)(qxin) 此时有如下关系此时有如下关系: （1）

7、可变电阻区可变电阻区UGSUT:反映了漏源电压反映了漏源电压UDS对漏极电流对漏极电流ID的控制作用：的控制作用：ID=f(UDS) UGS=constID =K(UGS -UT)2UDS 由上式可知由上式可知: UGS一定恒流区内：一定恒流区内：Ron = dUDS / dID|dUGS =0 Ron = L / n COXW (UGS -UT)1 . UGS恒定时近似为常数。恒定时近似为常数。2 . Ron随随UGS而变化，故称而变化，故称可变电阻区。可变电阻区。第7页/共51页第八页，共52页。图图03.16 漏极输出特性曲漏极输出特性曲线线(qxin)第8页/共51页第九页，共52页。

8、 当当UDS = UGS -UT时时: (由于的存在，导电沟道不均匀由于的存在，导电沟道不均匀)此时漏极端的导电沟道将开始此时漏极端的导电沟道将开始(kish)消失（称预夹断）消失（称预夹断）(2) 恒流区：恒流区：UDS = 0或较小时或较小时(xiosh):(即即UGDUT)当当UGSUGS一定时：一定时：IDID随随UDSUDS基本基本(jbn)(jbn)不变，不变， ID ID恒定称恒恒定称恒流区。流区。 当当UDS UGS -UT时时: 随随UDS 夹断点向移动，耗尽层的电阻很高（高于沟道电夹断点向移动，耗尽层的电阻很高（高于沟道电阻）所以新增阻）所以新增UDS几乎全部降在耗尽层两端

9、，几乎全部降在耗尽层两端，ID不随不随UDS而变而变。(3) 击穿区：击穿区：当当UDS 增加到某一临界值时，增加到某一临界值时， ID （急剧）即（急剧）即D与衬底之间击穿。与衬底之间击穿。第9页/共51页第十页，共52页。漏源电压漏源电压(diny)UDS对沟对沟道的影响道的影响图图03.16 漏极输出特性曲线漏极输出特性曲线(qxin)当当UGSUGSUTUT，且固定为某一值时，且固定为某一值时: : UDS UDS对对IDID的影响的影响(yngxing)(yngxing)的关系曲线称为漏极输出特性曲线。的关系曲线称为漏极输出特性曲线。第10页/共51页第十一页，共52页。 N沟道耗尽

10、(ho jn)型MOSFET的结构和符号如图所示，( (二二)N)N沟道沟道(u do)(u do)耗尽型耗尽型MOSFETMOSFET当当U UGSGS=0=0时；时； 正离子已感应出反型层，在漏正离子已感应出反型层，在漏 源之间形成了沟道。只要有漏源之间形成了沟道。只要有漏 源电压，就有漏极电流存在源电压，就有漏极电流存在。(a) 结构示意图结构示意图在栅极下方的在栅极下方的SiO2SiO2绝缘层中掺入了大绝缘层中掺入了大量的金属正离子。量的金属正离子。当当U UGSGS0 0时；时； 将使将使I ID D进一步增加。进一步增加。第11页/共51页第十二页，共52页。图图03.17 N沟道

11、耗尽型沟道耗尽型MOSFET的结构和转移的结构和转移(zhuny)特性曲线特性曲线N N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFETMOSFET的转移的转移(zhuny)(zhuny)特特性曲线性曲线: :如图所示如图所示第12页/共51页第十三页，共52页。N N沟道沟道(u do)(u do)耗尽型耗尽型MOSFETMOSFET的输出的输出特性曲线特性曲线: :图图03.18N沟道沟道(u do)耗尽型的输出特性曲线耗尽型的输出特性曲线第13页/共51页第十四页，共52页。( (三三)P)P沟道沟道(u do)(u do)耗尽耗尽型型MOSFETMOSFET第14页/共51页第十五页，共52页。2.

12、2. 伏安特性伏安特性(txng)(txng)曲线曲线第15页/共51页第十六页，共52页。 图图03.18 各类绝缘栅场效应三极管的特性各类绝缘栅场效应三极管的特性(txng)曲线曲线绝绝缘缘(juyun)栅栅场场效效应应管管N沟沟道道增增强强型型P沟沟道道增增强强型型第16页/共51页第十七页，共52页。绝绝缘缘(juyun)栅栅场场效效应应管管 N沟沟道道耗耗尽尽型型P 沟沟道道耗耗尽尽型型第17页/共51页第十八页，共52页。结结型型场场效效应应管管 N沟沟道道耗耗尽尽型型P沟沟道道耗耗尽尽型型第18页/共51页第十九页，共52页。图图03.19 结型场效应三极管的结构结型场效应三极管

13、的结构(jigu)一一. .结型场效应三极管的结构结型场效应三极管的结构(jigu):(jigu):栅极栅极漏极漏极源极源极第19页/共51页第二十页，共52页。第20页/共51页第二十一页，共52页。1. 当当UGS=0时时: 耗尽层、沟道耗尽层、沟道(u do)宽，沟道宽，沟道(u do)电阻小，电阻小，N区电子随区电子随UDS ，产生，产生 ID并并。 2.当当UGS0时（即负压）时时（即负压）时: PN结反偏，形成耗尽层，漏源间的沟道将变窄，结反偏，形成耗尽层，漏源间的沟道将变窄，ID将减小。将减小。 3.当当UGS继续减小（即负压继续减小（即负压 ）：）： 沟道继续变窄，并在极附近耗

14、尽层相遇，称预夹断，沟道继续变窄，并在极附近耗尽层相遇，称预夹断，ID继续减小直至为继续减小直至为0。第21页/共51页第二十二页，共52页。图图02.21 漏源电压对沟道的控制漏源电压对沟道的控制(kngzh)作用作用第22页/共51页第二十三页，共52页。 当当UGSUGS(off)； 若漏源电压若漏源电压UDS从零开始增加，则从零开始增加，则UGD=UGS-UDS将随将随 之减小。使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道之减小。使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道(u do)变窄，从变窄，从 左至右呈楔形分布，所示。左至右呈楔形分布，所示。第23页/共51页第二十四页，共52页。JFET的特性的特性(t

15、xng)曲线有两条：曲线有两条：转移特性曲线：转移特性曲线：输出特性：输出特性：第24页/共51页第二十五页，共52页。第三节第三节 场效应管的主要参数和微变等效电路场效应管的主要参数和微变等效电路 一一 场效应管的直流参数场效应管的直流参数(cnsh)(cnsh) 二二 场效应管的微变参数场效应管的微变参数(cnsh)(cnsh) 三三 场效应管的型号场效应管的型号 四四 场效应管的微变等效电路场效应管的微变等效电路第25页/共51页第二十六页，共52页。夹断电压是耗尽型夹断电压是耗尽型FET的参数，当漏极电流的参数，当漏极电流(dinli)为零时为零时, UGS=U P耗尽耗尽(ho jn

16、)型场效应三极管当型场效应三极管当UGS=0时所对应的漏极电流。时所对应的漏极电流。一一 场效应三极管的直流参数场效应三极管的直流参数开启电压开启电压 UT夹断电压夹断电压UP饱和漏极电流饱和漏极电流IDSS 场效应管栅源输入电阻场效应管栅源输入电阻RGS： 栅源间加固定电压栅源间加固定电压UGS栅极电流栅极电流IGS之比，输入电阻的典型值之比，输入电阻的典型值:结型场效应管，反偏时结型场效应管，反偏时RGS约大于约大于107，绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管RGS约是约是1091015。漏漏源、栅源击穿电压源、栅源击穿电压BUDS 、 B UGS第26页/共51页第二十七页，共52页。低频跨导低

17、频跨导gm 低频跨导反映了栅压对漏极电流低频跨导反映了栅压对漏极电流(dinli)的控制作用，的控制作用，gm可可以在转以在转 移移 特性曲线上求取，单位是特性曲线上求取，单位是mA/V或或mS(毫西门子毫西门子)。二二 场效应管的微变参数场效应管的微变参数(cnsh)(cnsh)0, 0UUUIgBSDSGSDmdddd)/(33.15.12vmAUIgGSDm(1).图解法求解：在曲线图解法求解：在曲线(qxin)上作切线，其斜率为上作切线，其斜率为gm第27页/共51页第二十八页，共52页。(2).解析解析(ji x)法求法求解：解：增强型增强型MOSFET: gm =1/ Ron耗尽耗

18、尽(ho jn)型型MOSFET: gm =-(1- UGS / Up )2 IDSS/ Up衬底跨导衬底跨导gmb 0, 0UUUIgGSDSBSDmbddddgUCQgmBSFoxdmb)2(2漏极电阻漏极电阻(dinz)rdS ：可在输出特性曲：可在输出特性曲线上求解线上求解0, 0UUIUrBSGSDDSdsdddd第28页/共51页第二十九页，共52页。导通电阻导通电阻(dinz)Ron：极间电容极间电容:包括包括(boku)CgS 、 Cgd、 Cgb 、 Csd 、 Csb 、 Cdb。0, 0UUIURGSDSDDSondd在恒流区：在恒流区：下表列出了下表列出了MOS管参数管

19、参数(cnsh)第29页/共51页第三十页，共52页。表表3-2 3-2 常用常用(chn yn)(chn yn)场效应三极管场效应三极管的参数的参数 参 数型 号PDM mW IDSS mA VRDS VVRGS V VP V gmmA/ V fM MHz3DJ2D 100 20 20 -4 2 3003DJ7E 100 20 20 -4 3 903DJ15H 100 6 11 20 20 -5.5 83DO2E 1000.35 1.2 12 25 1000CS11C 1000.3 1 -25 -4 2 第30页/共51页第三十一页，共52页。 三三 场效应管的微变等效电路场效应管的微变等效

20、电路1.1.低频低频(dpn)(dpn)等等效电路：效电路：Ugs+-gm Ugs1/gds +-Ugs+IdFET低频低频(dpn)微变等效电路（微变等效电路（ dUBS=0）第31页/共51页第三十二页，共52页。2.2.高频高频(o pn)(o pn)等等效电路：效电路：FET高频高频(o pn)微变等效电路微变等效电路（ dUBS=0）UgsGSgm Ugs1/gds DSUgsIdCdsCgs第32页/共51页第三十三页，共52页。双双极极型型三三极极管管场场效效应应管管结结构构NPN 型型PNP 型型C 与与 E 一一般般不不可可倒倒置置使使用用结结型型耗耗尽尽型型 N 沟沟道道

21、P 沟沟道道绝绝缘缘栅栅增增强强型型 N 沟沟道道 P 沟沟道道绝绝缘缘栅栅耗耗尽尽型型 N 沟沟道道 P 沟沟道道D 与与 S 有有的的型型号号可可倒倒置置使使用用载载流流子子多多子子扩扩散散少少子子漂漂移移多多子子漂漂移移输输入入量量电电流流输输入入电电压压输输入入控控制制电电流流控控制制电电流流源源 CCCS() 电电压压控控制制电电流流源源 VCCS(gm)双极型和场效应型三极管的比较双极型和场效应型三极管的比较(bjio)(bjio)第33页/共51页第三十四页，共52页。双双极极型型三三极极管管场场效效应应管管噪噪声声较较大大较较小小温温度度特特性性受受温温度度影影响响较较大大较较

22、小小，有有零零温温度度系系数数点点输输入入电电阻阻几几十十欧欧姆姆几几千千欧欧姆姆 几几兆兆欧欧姆姆以以上上静静电电影影响响不不受受静静电电影影响响易易受受静静电电影影响响集集成成工工艺艺不不易易大大规规模模集集成成适适宜宜大大、超超大大规规模模集集成成双极型和场效应型三极管的比较双极型和场效应型三极管的比较(bjio)(bjio)(续续) )第34页/共51页第三十五页，共52页。第四节第四节 场效应管的基本放大场效应管的基本放大(fngd)(fngd)电路电路一一 场效应管的偏置电路场效应管的偏置电路二二 外加偏置电路外加偏置电路三三 三种基本放大三种基本放大(fngd)(fngd)电路电

23、路四四 三种接法基本放大三种接法基本放大(fngd)(fngd)电路的电路的比较比较第35页/共51页第三十六页，共52页。一一 场效应管的偏置场效应管的偏置(pin (pin zh)zh)电路电路（一）自给（一）自给(zj)偏置电路：偏置电路：(1). UGS = 0时：时： IS = IDRS两端电压为：两端电压为：US = IS RS(2). 由于由于(yuy) IG=0; UG =0: UGS = -IS RS = -ID RS 由此构成支流偏压，所以称为自给偏压式。由此构成支流偏压，所以称为自给偏压式。1.基本型自给偏置电路基本型自给偏置电路：基本型基本型自给偏置电路自给偏置电路第3

24、6页/共51页第三十七页，共52页。2.2.改进型自给偏置改进型自给偏置(pin (pin zh)zh)电路：电路：(1). 由由R1 = R2分压，给分压，给RG一个固定偏压一个固定偏压(pin y)。RG很大以减小对输入电阻的影响。很大以减小对输入电阻的影响。(2).对于对于(duy)耗尽型耗尽型FET： UGS = EDR2 /(R1 + R2) -ID RS 此时：此时： RS大大Q点不会低。点不会低。改进型自给偏置电路改进型自给偏置电路ID= IDSS1(UGS /Up)2第37页/共51页第三十八页，共52页。（二）外加偏置（二）外加偏置(pin zh)电路：电路：外加外加(wij

25、i)偏置电路偏置电路对于对于(duy)增强型增强型MOSFET: UGS = 0时：时： ID =0(1). 此时靠外加偏压：此时靠外加偏压：UGS = EDRL /(R1 + R2)(2). 改进型外加偏压：改进型外加偏压：UGS = EDRL /(R1 + R2) -ID RS对于对于JFET,须保证须保证|US | |US|时，放大器具有正确的偏压。时，放大器具有正确的偏压。耗尽型以自给偏压为主耗尽型以自给偏压为主第38页/共51页第三十九页，共52页。二二 三种基本放大三种基本放大(fngd)电路电路结型共源放大器电路结型共源放大器电路(dinl)电压电压(diny)增益为增益为:1.

26、未接未接CS时时:等效电路如图等效电路如图:一般一般 rds RD RL RS;rds可忽略可忽略.;1smDmsgsmgsDgsmioURgRgRUgURUgUUA（一）（一） 共源组态基本放大器共源组态基本放大器第39页/共51页第四十页，共52页。放大器的输入电阻为放大器的输入电阻为:放大器的输出电阻为放大器的输出电阻为:ri=RG+(R1/ R2) RGro RD2 . 接入接入CS时时:Ugs-gm Ugsrds +-Uo+GUiRDRLR1RGR2SDri ro AU - gm RDri=RG+(R1/ R2) RGro =RD / rds RD第40页/共51页第四十一页，共52

27、页。结型共漏放大器电路结型共漏放大器电路(dinl)电压电压(diny)增增益为益为:其等效电路如图其等效电路如图:1sgsmgssgsmioURUgURUgUUA（二）（二） 共漏组态共漏组态(z ti)(z ti)基基本放大器本放大器共漏放大器电路如图共漏放大器电路如图:ri= RG输入电阻为输入电阻为:式中式中:Rs=rds/Rs / RL Rs / RL 1第41页/共51页第四十二页，共52页。求输入电阻求输入电阻:1.画等效电路：令画等效电路：令Ui=0、 RL开路开路(kil)；在输出端加测试电压；在输出端加测试电压Uot2.求输入电阻求输入电阻:Ugs= - Uot ;Iot=

28、 Uot (1/ Rs + gm)根据根据(gnj)输出电阻的定义：输出电阻的定义：ro = Uot / Iot = Rs / （1/ gm ）第42页/共51页第四十三页，共52页。（三）（三） 共栅组态共栅组态(z ti)(z ti)基本放大基本放大器器其等效电路如图其等效电路如图:共栅放大器电路共栅放大器电路(dinl)如如图图:-+-Uo+GUiRDRLRsSDED3-24. 共栅放大器典型共栅放大器典型(dinxng)电路电路电压增益为电压增益为:dsDDdsmiDdioUrRRrgURIUUA1)1(式中式中:RD=RD / RL3-22.共栅放大器共栅放大器等效等效电路电路(电流

29、源电流源)3-22.共栅放大器共栅放大器等效等效电路电路(电压源电压源):DmUDdsRgARr则时当第43页/共51页第四十四页，共52页。ri= Rs / ri输入电阻为输入电阻为:- gm rds Uirds +-Uo+GUiRDRsSDId +-3-22.共栅放大器等效电路共栅放大器等效电路(电压电压(diny)源源)ririri= Ui / Id 1/ gm当当rds RD , gm rds 1时：时：所以所以(suy)：ri Rs / （1/ gm）输出电阻为输出电阻为:ro RD / rds RDro第44页/共51页第四十五页，共52页。表表3-3 FET 3-3 FET 三种

30、三种(sn zhn)(sn zhn)组组态性能比较态性能比较参数参数组态组态AUSriro共源共源（有（有 Cs）高高(-15)高高(5M )较高较高(9.9k )共漏共漏低低(0.94)高高(5M )低低(0.63k )共栅共栅高高(15)低低(0.67k ) 较高较高(9.9k )第45页/共51页第四十六页，共52页。一一 共源组态基本放大共源组态基本放大(fngd)(fngd)电路电路场效应管共源基本放大电路，可与共射组态的晶体管放场效应管共源基本放大电路，可与共射组态的晶体管放大电路相对应。大电路相对应。区别是场效应三极管是电压控制区别是场效应三极管是电压控制(kngzh)(kngzh)电流源，即电流源，即VCCSVCCS。图图 03.28结型共源组态接法基本结型共源组态接法基本(jbn)放大电路放大电路第46页/共51页第四十七页，共52页。(1)(1)直流分析直流分析(fnx)(fnx)共源