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文档简介
2场效应管放大电路静态工作点的设置方法1场效应管的结构及工作原理场效应管及放大电路场效应管放大电路重点难点重点:共源(CS)、共栅(CG)、共漏(CD)三种组态放大器的分析方法,静态工作点的设置。难点:结型和绝缘栅型场效应管的结构和工作原理场效应管放大电路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)FET场效应管JFET结型MOSFET绝缘栅型(IGFET)分类:耗尽型:场效应管没有加偏置电压时,就有导电沟道存在增强型:场效应管没有加偏置电压时,没有导电沟道3.1场效应三极管只有一种载流子参与导电,且利用电场效应来控制电流的三极管,称为场效应管,也称单极型三极管。场效应管分类结型场效应管绝缘栅场效应管特点单极型器件(一种载流子导电);
输入电阻高;工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低。3.1.1绝缘栅型场效应管
由金属、氧化物和半导体制成。称为金属-氧化物-半导体场效应管,或简称MOS场效应管。特点:输入电阻可达109以上。类型N沟道P沟道增强型耗尽型增强型耗尽型UGS=0时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管;UGS=0时漏源间不存在导电沟道称增强型场效应管。一、N沟道增强型MOS场效应管1.结构P型衬底N+N+BGSDSiO2源极S漏极D衬底引线B栅极G图3.1
N沟道增强型MOS场效应管的结构示意图SGDB符号2.工作原理
绝缘栅场效应管利用UGS
来控制“感应电荷”的多少,改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道的状况,以控制漏极电流ID。工作原理分析(1)UGS=0
漏源之间相当于两个背靠背的PN结,无论漏源之间加何种极性电压,总是不导电。SBD图3.2(2)
UDS=0,0<UGS<UTP型衬底N+N+BGSDP型衬底中的电子被吸引靠近SiO2
与空穴复合,产生由负离子组成的耗尽层。增大UGS
耗尽层变宽。VGG---------(3)
UDS=0,UGS≥UGS(th)由于吸引了足够多的电子,会在耗尽层和SiO2之间形成可移动的表面电荷层——---N型沟道反型层、N型导电沟道。UGS升高,N沟道变宽。因为UDS=0,所以ID=0。UGS(th)
为开始形成反型层所需的UGS,称开启电压。(4)
UDS对导电沟道的影响(UGS>UT)导电沟道呈现一个楔形。漏极形成电流ID
。b.UDS=UGS–UGS(th),
UGD=UGS(th)靠近漏极沟道达到临界开启程度,出现预夹断。c.UDS>UGS–UGS(th),
UGD<UGS(th)由于夹断区的沟道电阻很大,UDS逐渐增大时,导电沟道两端电压基本不变,ID因而基本不变。a.UDS<UGS–UGS(th),即UGD=UGS–UDS>UGS(th)P型衬底N+N+BGSDVGGVDDP型衬底N+N+BGSDVGGVDDP型衬底N+N+BGSDVGGVDD夹断区DP型衬底N+N+BGSVGGVDDP型衬底N+N+BGSDVGGVDDP型衬底N+N+BGSDVGGVDD夹断区图3.3
UDS
对导电沟道的影响(a)
UGD>UGS(th)(b)
UGD=UGS(th)(c)
UGD<UGS(th)3.特性曲线(a)转移特性(b)漏极特性ID/mAUDS/VO预夹断轨迹恒流区击穿区
可变电阻区UGS<UGS(th),ID=0;UGS
≥
UGS(th),形成导电沟道,随着UGS的增加,ID
逐渐增大。(当UGS>UGS(th)
时)三个区:可变电阻区、恒流区(或饱和区)、击穿区。UT2UTIDOUGS/VID/mAO图3.4(a)图3.4(b)二、N沟道耗尽型MOS场效应管P型衬底N+N+BGSD++++++制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子,这些正离子电场在P型衬底中“感应”负电荷,形成“反型层”。即使UGS=0也会形成N型导电沟道。++++++++++++
UGS=0,UDS>0,产生较大的漏极电流;
UGS<0,绝缘层中正离子感应的负电荷减少,导电沟道变窄,ID
减小;
UGS=-UGS(off),感应电荷被“耗尽”,ID
0。UGS(off)
称为夹断电压图3.5N沟道耗尽型MOS管特性工作条件:UDS>0;UGS
正、负、零均可。ID/mAUGS/VOUP(a)转移特性IDSS图3.7
MOS管的符号SGDBSGDB(b)漏极特性ID/mAUDS/VO+1VUGS=0-3V-1V-2V43215101520图3.6特性曲线DSGN符号3.1.2结型场效应管一、结构图3.7
N沟道结型场效应管结构图N型沟道N型硅棒栅极源极漏极P+P+P型区耗尽层(PN结)在漏极和源极之间加上一个正向电压,N型半导体中多数载流子电子可以导电。导电沟道是N型的,称N沟道结型场效应管。P沟道场效应管图3.8
P沟道结型场效应管结构图N+N+P型沟道GSDP沟道场效应管是在P型硅棒的两侧做成高掺杂的N型区(N+),导电沟道为P型,多数载流子为空穴。符号GDS二、工作原理
N沟道结型场效应管用改变UGS大小来控制漏极电流ID的。GDSNN型沟道栅极源极漏极P+P+耗尽层*在栅极和源极之间加反向电压,耗尽层会变宽,导电沟道宽度减小,使沟道本身的电阻值增大,漏极电流ID减小,反之,漏极ID电流将增加。
*耗尽层的宽度改变主要在沟道区。
1.设UDS=0,在栅源之间加负电源VGG,改变VGG大小。观察耗尽层的变化。ID=0GDSN型沟道P+P+
(a)
UGS=0UGS=0时,耗尽层比较窄,导电沟比较宽UGS由零逐渐增大,耗尽层逐渐加宽,导电沟相应变窄。当UGS=UGS(off),耗尽层合拢,导电沟被夹断,夹断电压UGS(off)
为负值。ID=0GDSP+P+N型沟道
(b)
UGS<0VGGID=0GDSP+P+
(c)
UGS=UPVGG
2.在漏源极间加正向VDD,使UDS>0,在栅源间加负电源VGG,观察UGS变化时耗尽层和漏极ID
。UGS=0,UDG<,ID
较大。GDSP+NISIDP+P+VDDVGGUGS<0,UDG<,ID较小。GDSNISIDP+P+VDD注意:当UDS>0时,耗尽层呈现楔形。(a)(b)GDSP+NISIDP+P+VDDVGGUGS<0,UDG=|UGS(off)|,ID更小,预夹断UGS≤UGS(off),UDG>|UGS(off)|,ID0,夹断GDSISIDP+VDDVGGP+P+(1)
改变UGS,改变了PN结中电场,控制了ID
,故称场效应管或电压控控元件;(2)结型场效应管栅源之间加反向偏置电压,使PN反偏,栅极基本不取电流,因此,场效应管输入电阻很高。(c)(d)三、特性曲线1.转移特性(N沟道结型场效应管为例)O
UGSIDIDSSUGS(off)图3.10转移特性UGS=0,ID最大;UGS
愈负,ID愈小;UGS=UP,ID0。两个重要参数饱和漏极电流
IDSS(UGS=0时的ID)夹断电压UGS(off)(ID=0时的UGS)UDSIDVDDVGGDSGV+V+UGS图3.9特性曲线测试电路+mA1.转移特性OuGS/VID/mAIDSSUP图3.11转移特性2.漏极特性当栅源之间的电压UGS不变时,漏极电流ID与漏源之间电压UDS
的关系,即
结型场效应管转移特性曲线的近似公式:≤≤IDSS/VID/mAUDS/VOUGS=0V-1-2-3-4-5-6-7预夹断轨迹恒流区击穿区
可变电阻区漏极特性也有三个区:可变电阻区、恒流区和击穿区。2.漏极特性UDSIDVDDVGGDSGV+V+UGS图3.12特性曲线测试电路+mA图3.13(b)漏极特性场效应管的两组特性曲线之间互相联系,可根据漏极特性用作图的方法得到相应的转移特性。UDS=常数ID/mA0-0.5-1-1.5UGS/VUDS=15V5ID/mAUDS/V0UGS=0-0.4V-0.8V-1.2V-1.6V101520250.10.20.30.40.5结型场效应管栅极基本不取电流,其输入电阻很高,可达107以上。如希望得到更高的输入电阻,可采用绝缘栅场效应管。图3.14在漏极特性上用作图法求转移特性综上分析可知
沟道中只有一种类型的多子参与导电,
所以场效应管也称为单极型三极管。JFET是电压控制电流器件,iD受vGS控制预夹断前iD随vDS增长而线性增长;预夹断后,iD趋于饱和。
结型场效应管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。{end}
结型场效应管的缺点:1.栅源极间的电阻虽然可达107以上,但在某些场合仍嫌不够高。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。结型场效应管种类符号转移特性漏极特性
结型N沟道耗尽型
结型P沟道耗尽型
绝缘栅型
N沟道增强型SGDSGDIDUGS=0V+UDS++oSGDBUGSIDOUT表1-2各类场效应管的符号和特性曲线+UGS=UTUDSID+++OIDUGS=0V---UDSOUGSIDUPIDSSOUGSID/mAUPIDSSO种类符号转移特性漏极特性绝缘栅型N沟道耗尽型绝缘栅型P沟道增强型耗尽型IDSGDBUDSID_UGS=0+__OIDUGSUPIDSSOSGDBIDSGDBIDIDUGSUTOIDUGSUPIDSSO_IDUGS=UTUDS_o_UGS=0V+_IDUDSo+各类场效应管工作在恒流区时g-s、d-s间的电压极性uGS=0可工作在恒流区的场效应管有哪几种?uGS>0才工作在恒流区的场效应管有哪几种?uGS<0才工作在恒流区的场效应管有哪几种?
不同FET类型对偏置电压的要求PMOS双极型和场效应型三级管的比较双极型和场效应型三级管的比较场效应管的特点:1.场效应管是电压控制元件;2.栅极几乎不取用电流,输入电阻非常高;3.一种极性的载流子导电,噪声小,受外界温度及辐射影响小;4.制造工艺简单,有利于大规模集成;5.跨导较小,电压放大倍数一般比三极管低。3.3场效应管的主要参数
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。
3.3.1直流参数1.饱和漏极电流IDSS
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。
UT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。
3.开启电压UT
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
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。1.低频跨导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。三种基本组态:共源(CS)、共漏(CD)和共栅(CG)场效应管组成放大电路的原则和方法与三极管相同:为使场效应管正常工作,各电极间必须加上合适的偏置电压;为了实现不失真放大,也同样需要设置合适且稳定的静态工作点。场效应管是一种电压控制器件,只需提供栅偏压,而不需要提供栅极电流,所以它的偏置电路有其自身的特点。二、场效应管放大电路1)基本共源极放大电路图3.15共源极放大电路原理电路VDD+uOiDVT~+uIVGGRGSDGRD与双极型三极管对应关系bG,eS,cD为了使场效应管工作在恒流区实现放大作用,应满足:图示电路为N沟道增强型MOS
场效应管组成的放大电路。(UT:开启电压)一、静态分析VDD+uOiDVT~+uIVGGRGSDGRD图3.15共源极放大电路原理电路两种方法近似估算法图解法(一)
近似估算法
MOS管栅极电流为零,当uI=0时UGSQ=VGG而iD
与uGS
之间近似满足(当uGS>UT)式中
IDO为uGS=2UT时的值。则静态漏极电流为
(二)
图解法图3.7.4用图解法分析共源极放大电路的Q
点VDDIDQUDSQQ利用式uDS=VDD
-
iDRD
画出直流负载线。图中IDQ、UDSQ
即为静态值。图3.16场效应管共源放大电路2.自给偏压电路由正电源获得负偏压称为自给偏压哪种场效应管能够采用这种电路形式设置Q点?+VDDuOuIRgRdRsRL
图3.17分压偏置式共源放大电路3分压—自偏压式共源放大电路一、静态分析(一)近似估算法根据输入回路列方程图3.17分压-自偏式共源放大电路+VT+RGSDGRDR2VDD+RLRSR1C1CSC2+++解联立方程求出UGSQ
和IDQ。+VT+RGSDGRDR2VDD+RLRSR1C1CSC2+++图2.7.7分压-自偏式共源放大电路列输出回路方程求UDSQUDSQ=VDD–IDQ(RD+RS)(二)图解法由式可做出一条直线,另外,iD与uGS之间满足转移特性曲线的规律,二者之间交点为静态工作点。确定UGSQ,IDQ
。根据漏极回路方程在漏极特性曲线上做直流负载线,与uGS=UGSQ
的交点确定Q,由Q确定UDSQ
和IDQ值。UDSQuDS=VDD–iD(RD+RS)3uDS/ViD/mA012152V105uGS4.5V4V3.5VUGSQ3VVDDQIDQuGS/ViD/mAO24612QIDQUGSQUGQ图3.18用图解法分析图3.17电路的Q
点【例1】已知VDD=18V,Rs=1kΩ,Rd=3kΩ,Rg=3MΩ,耗尽型MOS管的VP=-5V,IDSS=10mA。试用估算法求电路的静态工作点。解:不合题意,舍去。【例2】解:栅极回路有:
设VDD=15V,Rd=5kΩ,Rs=2.5kΩ,R1=200kΩ,R2=300kΩ,Rg=10MΩ,RL=5kΩ,并设电容C1、C2和Cs足够大。试用图解法分析静态工作点Q,估算Q点上场效应管的跨导gm。由图可得VGSQ=3.5V,IDQ=1mA。由转移特性得:开启电压VT=2V;当VGS=2VT=4V时,ID=IDO=1.9mA。由图可求得静态时的VDSQ=7.5V。输出回路列出直流负载线方程:VDS
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