场效应晶体管及其放大电路

场效应晶体管及其放大电路第1页/共68页N沟道增强型场效应管的结构第一节：MOS场效应管衬底上的箭头代表PN结的正向方向MOS管的命名原因沟道的含义第2页/共68页N沟道增强型场效应管的基本工作原理(一)第一节：MOS场效应管栅源电压对管工作的影响设时管子截止时时反型层形成，出现导电沟道：开启电压第3页/共68页N沟道增强型场效应管的基本工作原理(二)第一节：MOS场效应管漏源电压对管工作的影响设时导电沟道变为楔形时出现预夹断时沟道被夹断第4页/共68页N沟道增强型场效应管的基本工作原理(三)第一节：MOS场效应管栅源电压起着建立导电沟道和控制沟道形状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。特点：漏源电压产生输出电流并改变沟道形状温度稳定性能好抗辐射能力强增强型的含义第5页/共68页N沟道增强型场效应管的输出特性曲线(一)第一节：MOS场效应管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，可以达到以上因此，常用的特性曲线为输出特性曲线和转移特性曲线第6页/共68页N沟道增强型场效应管的输出特性曲线(二)第一节：MOS场效应管可变电阻区饱和区击穿区截止区截止区：可变电阻区：饱和(恒流)区：厄尔利电压沟道长度调制效应击穿区：放大区预夹断点第7页/共68页N沟道增强型场效应管的转移特性曲线(一)第一节：MOS场效应管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转移跨导：第8页/共68页N沟道增强型场效应管的转移特性曲线(二)第一节：MOS场效应管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1~2个数量级跨导也可以由转移特性曲线图解确定第9页/共68页MOS场效应管的击穿第一节：MOS场效应管饱和区内，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第10页/共68页MOS场效应管衬底调制效应(一)第一节：MOS场效应管在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沟道型管应第11页/共68页MOS场效应管衬底调制效应(二)第一节：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第12页/共68页P沟道增强型MOS场效应管(一)第一节：MOS场效应管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、电压方向的变化第13页/共68页P沟道增强型MOS场效应管(二)第一节：MOS场效应管应注意特性曲线图中电流、电压的方向第14页/共68页耗尽型MOS场效应管(一)第一节：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第15页/共68页耗尽型MOS场效应管(二)第一节：MOS场效应管：截止电压或阈值电压也会产生预夹断和漏极电流饱和的情况时已有导电沟道，故时即有漏极电流产生第16页/共68页耗尽型MOS场效应管(三)第一节：MOS场效应管可变电阻区饱和区击穿区截止区截止区：可变电阻区：饱和(恒流)区：击穿区第17页/共68页耗尽型MOS场效应管(四)第一节：MOS场效应管P沟道型管的特性可与之类比第18页/共68页MOS管类型总结第一节：MOS场效应管MOS管N沟道MOS管P沟道MOS管N沟道增强型MOS管N沟道耗尽型MOS管P沟道增强型MOS管P沟道耗尽型MOS管MOS管的结构注意N沟道与P沟道的区别注意增强型与耗尽型的区别第19页/共68页结型场效应管的结构第二节：结型场效应管结型场效应管(JFET：JunctionFieldEffectTransistor)根据沟道类型不同亦可分类第20页/共68页结型场效应管的基本工作原理(一)结型场效应管存在着内建初始导电沟道，这一点与耗尽型管类似结型场效应管应用时的输入电阻很大，可达以上结型场效应管也是通过控制导电沟道的形态改变输出电流结型场效应管输入信号及输出电流、电压的选择与MOS管类似第二节：结型场效应管第21页/共68页结型场效应管的基本工作原理(二)栅源电压对管工作的影响时耗尽层增厚，导电沟道变薄，沟道电阻增大设时沟道全夹断，漏极电流为零：夹断电压第二节：结型场效应管第22页/共68页结型场效应管的基本工作原理(三)漏源电压对管工作的影响时导电沟道变为楔型时继续增大时沟道预夹断，此时的漏极电流为饱和电流设此时对应于输出特性曲线饱和区第二节：结型场效应管第23页/共68页结型场效应管的特性曲线恒流区击穿区可变电阻区夹断电压饱和漏极电流第二节：结型场效应管第24页/共68页大功率管的作用第三节：VDMOS和IGBT管大功率管：最大允许工作电流、击穿电压、最大耗散功率的数值均较大横向结构场效应管的漏源击穿电压和最大耗散功率、最大容许工作电流不能同时增大第25页/共68页VDMOS型场效应管第三节：VDMOS和IGBT管VDMOS的结构说明VDMOS中沟道的产生VDMOS中的三极管及器件符号第26页/共68页IGBT型管第三节：VDMOS和IGBT管请自行参阅课本第27页/共68页MOS场效应管的瞬态模型第四节：场效应管放大电路第28页/共68页MOS场效应管的微变信号模型第四节：场效应管放大电路第29页/共68页结型场效应管的微变信号模型第四节：场效应管放大电路第30页/共68页场效应管放大电路的要点第四节：场效应管放大电路分析方法与三极管放大电路相同，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跨导一般较小，从而使得场效应管放大电路的具体参数与三极管放大电路相比有一些不同之处第31页/共68页偏置变量的相关回顾第四节：场效应管放大电路所谓偏置，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32页/共68页分压式偏置第四节：场效应管放大电路管状态的分析过程与三极管类似，即先假定管处于饱和状态并展开分析看结果是否一致对于不同类型的管子来说，应注意：N沟道增强型N沟道耗尽型N沟道结型P沟道型管电源电压应为负值第33页/共68页自给偏压式偏置(一)第四节：场效应管放大电路静态时靠源极电阻上的电压为栅－源提供一个负的偏压，故称自给偏压增强型场效应管为同极性偏置结型场效应管为反极性偏置耗尽型MOS场效应管两者均可自给偏压适用于结型或耗尽型管第34页/共68页自给偏压式偏置(二)第四节：场效应管放大电路偏置电阻对交流信号有损耗作用，也降低了放大电路的输入电阻在集成电路中，本级放大电路的输入端直流偏置通常由前级电路的输出提供必要时加入直流电平移动单元，称这种偏置方式为直接偏置第35页/共68页场效应管的三种基本组态放大电路第四节：场效应管放大电路共源与共射对应共漏与共集对应共栅与共基对应第36页/共68页场效应管基本共源放大电路第四节：场效应管放大电路基本特性及应用范围同共射电路第37页/共68页场效应管基本共栅放大电路第四节：场效应管放大电路基本特性及应用范围同共基电路第38页/共68页场效应管基本共漏放大电路第四节：场效应管放大电路基本特性及应用范围同共集电路第39页/共68页场效应管基本电流源(一)第四节：场效应管放大电路T2管的，保证其工作在饱和区设忽略沟道长度调制效应后()，若两管参数对称则为镜像电流源，否则为比例电流源第40页/共68页场效应管基本电流源(二)第四节：场效应管放大电路为了提高集成度，通常用有源电阻代替一般电阻合理设计T1、T3管的宽长比，即可得到符合要求的参考电流第41页/共68页场效应管串联电流源第四节：场效应管放大电路T3、T4特性相同输出电流几乎不受电流源输出端电压的影响，从而使输出电阻大为提高，保证了良好的恒流特性第42页/共68页场效应管威尔逊电流源第四节：场效应管放大电路三管均工作在饱和区具有很高的输出电阻由于串联电流源和威尔逊电流源在输出回路中串联有两个MOS管且要求两管均工作于饱和区，从而在电源电压一定的情况下，减小了输出端电压变化的动态范围第43页/共68页MOS管有源电阻第四节：场效应管放大电路在工作点处DS之间的直流电阻为，小信号动态电阻可在Q点处切线斜率求得注意伏安特性曲线的做法也可用P沟道管构成类似电阻第44页/共68页NMOS管共源E/E型放大电路第四节：场效应管放大电路放大管与负载管均为增强型MOS管的放大电路称为E/E放大电路第45页/共68页NMOS管共源E/D型放大电路第四节：场效应管放大电路以增强型MOS管(称为E管)作为放大管，耗尽型MOS管(称为D管)作为负载管的放大电路称为E/D放大电路第46页/共68页CMOS共源放大电路第四节：场效应管放大电路没有衬底调制效应的原因为保证T2管工作于饱和区，其栅极偏压应小于，且。同理，为保证T1工作于饱和区，应满足T1为放大管，T2为负载管第47页/共68页三种单级放大电路的主要性能比较第四节：场效应管放大电路放大管：负载管：从输出曲线变化范围比较从线性放大区特性的斜率比较第48页/共68页场效应管差分放大电路综述第四节：场效应管放大电路场效应管差分放大电路的形式、基本特性及分析方法与BJT差放一样场效应管差放具有输入电阻大、输入电流小、输入线性范围大等优点场效应管差放通常也有微变增益低、偏差失调大的缺点第49页/共68页MOS管基本差分放大电路(一)第四节：场效应管放大电路电路结构说明差模微变增益的求解：第50页/共68页MOS管基本差分放大电路(二)第四节：场效应管放大电路MOS管差放的传输特性与三极管类似但其非限幅区范围比三极管差放宽许多第51页/共68页MOS管基本差分放大电路(三)第四节：场效应管放大电路共模交流通路：第52页/共68页MOS管有源负载差分放大电路(一)第四节：场效应管放大电路E/E型放大电路负载管的微变电阻为第53页/共68页MOS管有源负载差分放大电路(二)第四节：场效应管放大电路以电流源作为有源负载的CMOS差放第54页/共68页MOS管有源负载差分放大电路(三)第四节：场效应管放大电路以镜像电流源作为有源负载的CMOS差放可类比三极管差放电路第55页/共68页差放中的衬底调制效应第四节：场效应管放大电路请自行阅读课本第56页/共68页模拟开关综述第五节：场效应管模拟开关模拟开关：用于控制信号的通断一个理想的模拟开关，接通时电阻为零，关断时电阻为无穷大。开关的工作速度要快且对其它电路的性能的影响要小实际的模拟开关是由工作在开关状态的晶体管或场效应管组成，外加控制电压使晶体管交替工作在饱和区和截止区，或使场效应管交替工作在可变电阻区和截止区第57页/共68页单管MOS模拟开关(一)第五节：场效应管模拟开关由于N沟道MOS管的导通电阻小，单沟道模拟开关一般使用NMOS管当栅极控制电压为低电平即时，MOS管截止，开关断开当栅极控制电压为高电平即时，管子，MOS管导通，且由于负载电阻很大，管子工作于可变电阻区…，开关闭合第58页/共68页单管MOS模拟开关(二)第五节：场效应管模拟开关为使开关能正常工作，MOS管各极之间的电压必须满足一定条件漏极与衬底、源极与衬底之间的PN结要保持反偏状态，所以图中MOS管的衬底接地，且不能输入负电位信号栅极所加控制电压的高低电平与输入信号的变化范围要配合得当，以保证MOS管可靠的通或断开关的输入端与输出端可以互易使用第59页/共68页单管MOS模拟开关(三)第五节：场效应管模拟开关单管MOS