模拟电子技术 第三章

第三章场效应管放大电路3.1结型场效应管3.2绝缘栅场效应管3.3场效应管的主要参数3.4场效应管的特点3.5场效应管放大电路3.1结型场效应管图3-1结型场效应管的结构示意图和符号3.1.2工作原理图3-2当UDS=0时UGS对导电沟道的影响示意1.UGS对导电沟道的影响2.ID与UDS、UGS之间的关系图3-3UDS对导电沟道和ID的影响3.1.3特性曲线

1.输出特性曲线图3--4N沟道结型场效应管的输出特性根据工作情况,输出特性可划分为4个区域,即:可变电阻区、恒流区、击穿区和截止区。2.转移特性曲线图3-5N沟道结型场效应管的转移特性曲线图3-6由输出特性画转移特性3.2绝缘栅场效应管3.2.1N沟道增强型MOS场效应管1.结构

图3-7N沟道增强型MOS场效应管的结构示意2.工作原理图3-8UGS＞UT时形成导电沟道3.特性曲线图3–9N沟道增强型MOS场效应管的特性曲线3.2.2N沟道耗尽型MOS场效应管图3-10N沟道耗尽型MOS管的结构示意图图3-11N沟道耗尽型MOS场效应管的特性曲线图3-12MOS场效应管电路符号表3-1各种场效应管的符号和特性曲线类型符号和极性转移特性输出特性uGSOIDSSiDUPuGSOIDSSiDUP－i－uDSOuGS＝0V＋1VD＋2V＋3VuGS＝UP＝＋4VuDSOuGS＝0V－1ViD－2V－3VuGS＝UP＝－4VuDSOuGS＝5ViD3VuGS＝UT＝＋2V4VuGSiDOUTGSD+－iD－+GSD+－iD－+GSD+－iD－+BJFETP沟道JFETN沟道增强型NMOSuGSOiDUPIDSSiDOUTuGSuGSOIDSSiDUPuDSOuGS＝0ViD－2VuGS＝UP＝－4V＋2V－iD－5VuGS＝UT＝－3VO－uDS－4VuGS＝－6V－iD－2VuGS＝UP＝＋4VO－uDS＋2VuGS＝0VGSD+－iDB+－GSD+－iD－+BGSD+－iDB－+耗尽型NMOS增强型PMOS耗尽型PMOS表3-1续表3.3场效应管的主要参数 3.3.1直流参数 1.饱和漏极电流IDSS

IDSS是耗尽型和结型场效应管的一个重要参数,它的定义是当栅源之间的电压UGS等于零,而漏、源之间的电压UDS大于夹断电压UP时对应的漏极电流。2.夹断电压UPUP也是耗尽型和结型场效应管的重要参数,其定义为当UDS一定时,使ID减小到某一个微小电流(如1μA,50μA)时所需的UGS值。

3.开启电压UTUT是增强型场效应管的重要参数,它的定义是当UDS一定时,漏极电流ID达到某一数值(例如10μA)时所需加的UGS值。

4.直流输入电阻RGSRGS是栅、源之间所加电压与产生的栅极电流之比。由于栅极几乎不索取电流,因此输入电阻很高。结型为106Ω以上,MOS管可达1010Ω以上。3.3.2交流参数1.低频跨导gm

跨导gm的单位是mA/V。它的值可由转移特性或输出特性求得。3-13根据场效应管的特性曲线求gm

2.极间电容场效应管三个电极之间的电容,包括CGS、CGD和CDS。这些极间电容愈小,则管子的高频性能愈好。一般为几个pF。3.3.3极限参数1.漏极最大允许耗散功率PDmPDm与ID、UDS有如下关系:这部分功率将转化为热能,使管子的温度升高。PDm决定于场效应管允许的最高温升。2.漏、源间击穿电压BUDS在场效应管输出特性曲线上,当漏极电流ID急剧上升产生雪崩击穿时的UDS。工作时外加在漏、源之间的电压不得超过此值。3.栅源间击穿电压BUGS结型场效应管正常工作时,栅、源之间的PN结处于反向偏置状态,若UGS过高,PN结将被击穿。对于MOS场效应管,由于栅极与沟道之间有一层很薄的二氧化硅绝缘层,当UGS过高时,可能将SiO2绝缘层击穿,使栅极与衬底发生短路。这种击穿不同于PN结击穿,而和电容器击穿的情况类似,属于破坏性击穿,即栅、源间发生击穿,MOS管立即被损坏。3.4场效应管的特点(1)场效应管是一种电压控制器件,即通过UGS来控制ID。(2)场效应管输入端几乎没有电流,所以其直流输入电阻和交流输入电阻都非常高。(3)由于场效应管是利用多数载流子导电的,因此,与双极性三极管相比,具有噪声小、受幅射的影响小、热稳定性较好而且存在零温度系数工作点等特性。(4)由于场效应管的结构对称,有时漏极和源极可以互换使用,而各项指标基本上不受影响,因此应用时比较方便、灵活。(5)场效应管的制造工艺简单,有利于大规模集成。(6)由于MOS场效应管的输入电阻可高达1015Ω,因此,由外界静电感应所产生的电荷不易泄漏,而栅极上的SiO2绝缘层又很薄,这将在栅极上产生很高的电场强度,以致引起绝缘层击穿而损坏管子。(7)场效应管的跨导较小,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型三极管低。图3–14场效应管的零温度系数工作点图3-15栅极过压保护电路3.5场效应管放大电路3.5.1静态工作点与偏置电路图3–16自给偏压电路1.图解法图3–17求自给偏压电路Q点的图解2.计算法IDSS为饱和漏极电流,UP为夹断电压,可由手册查出。【例1】电路如图3-16所示,场效应管为3DJG,其输出特性曲线如图3-18所示。已知RD=2kΩ,RS=1.2kΩ,UDD=15V,试用图解法确定该放大器的静态工作点。解写出输出回路的电压电流方程,即直流负载线方程设在输出特性图上将上述两点相连得直流负载线。图3-18图解法确定工作点(例1)在转移特性曲线上,作出UGS=-IDRS的曲线。由上式可看出它在uGS~iD坐标系中是一条直线,找出两点即可。令连接该两点,在uGS~iD坐标系中得一直线,此线与转移特性曲线的交点,即为Q点,对应Q点的值为:另一种常用的偏置电路为分压式偏置电路,如图3-19所示。该电路适合于增强型和耗尽型MOS管和结型场效应管。为了不使分压电阻R1、R2对放大电路的输入电阻影响太大,故通过RG与栅极相连。该电路栅、源电压为图3-19分压式偏置电路利用图解法求Q点时,此方程的直线不通过uGS~iD坐标系的原点,而是通过ID=0,

点,其它过程与自偏电路相同。利用计算法求解时,需联立解下面方程组3.5.2场效应管的微变等效电路求微分式定义场效应管电流电压关系:(3-13)如果用id、ugs、uds分别表示iD、uGS、uDS的变化部分,则式(3-13)可写为3.5.3共源极放大电路图3–20共源极放大电路微变等效电路1.电压放大倍数(Au)式中,2.输入电阻ri3.输出电阻ro图3-21源极输出器3.5.4共漏放大器(源极输出器)1.电压放大倍数(Au)式中,所以整理后得于是得2.输入电阻ri3.输出电阻ro

令Us=0,并在输出端加一信号U2。【例3】计算例2电路3-19的电压放大倍数、输入电阻、输出电阻。电路参数及管子参数如例2,且RL=1MΩ,CS=100μF。