模擬電子技術第3章第二部分

1、第三章第三章 場效應管放大器場效應管放大器絕緣柵場效應管絕緣柵場效應管結型場效應管結型場效應管 3.2 3.2 場效應管放大電路場效應管放大電路效應管放大器的靜態(tài)偏置效應管放大器的靜態(tài)偏置效應管放大器的交流小信號模型效應管放大器的交流小信號模型效應管放大電路效應管放大電路3.1 3.1 場效應管場效應管只有一種載流子參與導電，且利用電場效應來控制電只有一種載流子參與導電，且利用電場效應來控制電流的三極管，稱為流的三極管，稱為場效應管場效應管，也稱，也稱單極型三極管。單極型三極管。場效應管分類場效應管分類結型場效應管結型場效應管絕緣柵型場效應管絕緣柵型場效應管特點特點單極型器件單極型器件( (一

2、種載流子導電一種載流子導電) )； 輸入電阻高輸入電阻高(107 1015 )；工藝簡單、易集成、功耗小、體積小、工藝簡單、易集成、功耗小、體積小、成本低。成本低。3.13.1 場效應管場效應管增強型增強型耗盡型耗盡型1、結構和符號、結構和符號一、結型場效應管（一、結型場效應管（N N溝道為例）溝道為例） 場效應管有三個極：源極（場效應管有三個極：源極（s）、柵極（、柵極（g）、漏極）、漏極（d），對應于晶體管的發(fā)射極），對應于晶體管的發(fā)射極e、基極、基極b、集電極、集電極c。導電導電溝道溝道源極源極柵極柵極漏極漏極符號符號結構示意圖結構示意圖-gsdN溝道1)1)柵柵- -源電壓源電壓uGS

3、對導電溝道寬度的控制作用對導電溝道寬度的控制作用溝道最寬溝道最寬溝道變窄溝道變窄溝道消失溝道消失稱為稱為夾斷夾斷 當當uDS=0，uGS可以控制導電溝道的寬度?？梢钥刂茖щ姕系赖膶挾取?2、工作原理、工作原理 當溝道消失時，當溝道消失時，uGS = UGS（off）稱為稱為夾斷電壓夾斷電壓2)2)漏漏- -源電壓源電壓UDS對漏極電流對漏極電流ID的影響的影響 當當UGS（off）uGS UGS(th)時，漏源電壓時，漏源電壓uDS 對對iD的影響的影響 (可變電阻區(qū)可變電阻區(qū)) (恒流區(qū)恒流區(qū))N溝道增強型溝道增強型MOS管工作在恒流區(qū)的條件是什么？管工作在恒流區(qū)的條件是什么？預夾斷，預夾斷

4、，電電流趨于飽和流趨于飽和管子工作在恒流區(qū)，滿足管子工作在恒流區(qū)，滿足uGSUGS（th）且且uGDUGS（th）2、耗盡型、耗盡型MOS管符號和結構（管符號和結構（N溝道為例）溝道為例）符號符號結構示意圖結構示意圖加正離子加正離子uGS=0時就存時就存在導電溝道在導電溝道 耗盡型耗盡型MOS管在管在 uGS0、uGS0、uGS0時均可時均可導通，且由于導通，且由于SiO2絕緣層的存在，在絕緣層的存在，在uGS0時仍保持時仍保持g-s間電阻非常大的特點。間電阻非常大的特點。uGSUGS（off） U(BR)GS ，PN結將被擊穿。結將被擊穿。4. 最大耗散功率最大耗散功率PDM 由場效應管允許

5、的溫升決定。漏極耗散功率轉化為由場效應管允許的溫升決定。漏極耗散功率轉化為熱能使管子的溫度升高。熱能使管子的溫度升高。1. N溝道結型場效應管：溝道結型場效應管：截止區(qū)（夾斷區(qū)）：截止區(qū)（夾斷區(qū)）： uGS UGS(off) 0恒流區(qū)恒流區(qū)： UGS(off) uGS 0，并且，并且uGD UGS(off) 四、場效應管的工作區(qū)域判斷四、場效應管的工作區(qū)域判斷可變電阻區(qū)：可變電阻區(qū)： UGS(off) uGS UGS(off) 2. N溝道增強型溝道增強型MOS管：管：截止區(qū)：截止區(qū)： uGS 0恒流區(qū)恒流區(qū)： uGS UGS(th) ，并且，并且uGD UGS(th) ，并且，并且uGD U

6、GS(th) 注：耗盡型注：耗盡型MOS管與結型場效應管相類似。管與結型場效應管相類似。3. P溝道結型場效應管：溝道結型場效應管：截止區(qū)（夾斷區(qū)）：截止區(qū)（夾斷區(qū)）： uGS UGS(off) 0恒流區(qū)恒流區(qū)： 0 uGS UGS(off) 可變電阻區(qū)：可變電阻區(qū)： 0 uGS UGS(off) ，并且，并且uGD UGS(th) ,并且并且UGS(th) 0恒流區(qū)恒流區(qū)： uGS UGS(th) 可變電阻區(qū)：可變電阻區(qū)： uGS UGS(th) ，并且，并且uGD UGS(th) 注：耗盡型注：耗盡型MOS管與結型場效應管相類似。管與結型場效應管相類似。判斷下列判斷下列N溝道場效應管的管型

7、和工作狀態(tài)。溝道場效應管的管型和工作狀態(tài)。T1為為N溝道結型場效應管，工作在截止區(qū)。溝道結型場效應管，工作在截止區(qū)。管號管號UGS(off)或或UGS(th)USUGUD結型結型T1-33-110MOST24-23-1.2MOST3-30010T2為增強型為增強型N溝道溝道MOS管，工作在可變電阻區(qū)。管，工作在可變電阻區(qū)。T3為耗盡型為耗盡型N溝道溝道MOS管，工作在恒流區(qū)。管，工作在恒流區(qū)。例：例：已知場效應管的輸出特性曲線如圖已知場效應管的輸出特性曲線如圖, ,分析當分析當u uI I4V4V、8V8V、12V12V三種情況下場效應管分別工作在什么區(qū)域。三種情況下場效應管分別工作在什么區(qū)域

8、。 解：由解：由T的輸出特性可知其的輸出特性可知其開啟電壓開啟電壓為為5V，圖示電路，圖示電路uGSuI。 當當uI4V時，時，uGS小于開啟電壓，故小于開啟電壓，故T截止。截止。 當當uI8V時，設時，設T工作在恒流區(qū)，由輸出特性得工作在恒流區(qū)，由輸出特性得iD0.6mA，管壓降，管壓降uDSVCCiDRd10V uGDuGSuDS2V 小于開啟電壓，小于開啟電壓，假設成立假設成立 當當uI12V時，假設時，假設T工作在恒流區(qū)，由工作在恒流區(qū)，由iD 3.8mA得：得： 即即T工作在恒流區(qū)。工作在恒流區(qū)。 uDS-0.54-0.54V， uGD112.54V大于開啟電壓，大于開啟電壓，T工作

9、在工作在可變電阻區(qū)?？勺冸娮鑵^(qū)。 五五 . .雙極型和場效應型三極管的比較雙極型和場效應型三極管的比較雙極型三極管雙極型三極管 單極型場效應管單極型場效應管載流子載流子多子擴散少子漂移多子擴散少子漂移 多子漂移多子漂移輸入量輸入量電流輸入電流輸入電壓輸入電壓輸入控制控制電流控制電流源電流控制電流源電壓控制電流源電壓控制電流源輸入電阻輸入電阻幾十到幾千歐幾十到幾千歐幾兆歐以上幾兆歐以上噪聲噪聲較大較大較小較小靜電影響靜電影響不受靜電影響不受靜電影響易受靜電影響易受靜電影響制造工藝制造工藝不宜大規(guī)模集成不宜大規(guī)模集成適宜大規(guī)模和超大適宜大規(guī)模和超大規(guī)模集成規(guī)模集成 共E 共S3.2. 場效應管放大

10、電路（結型N溝道）+gTRdRgC1C2uouiVDDdVGGs+bTRcRbC1C2uouicVBBe+CCV一一.場效應管放大器的直流偏置電路 保證管子工作在飽和區(qū)，輸出信號不失真保證管子工作在飽和區(qū)，輸出信號不失真 1.自自偏壓電路偏壓電路UGS =- IDR 注意：該電路產(chǎn)生負的柵源電壓，所以只能用于需要負柵源電壓的電路。注意：該電路產(chǎn)生負的柵源電壓，所以只能用于需要負柵源電壓的電路。計算計算Q點：點：UGS 、 ID 、UDS2PGSDSSD)1(UUII 已知已知UP ，由，由UGS =- IDR可解出可解出Q點的點的UGS 、 IDUDS =VDD- ID (Rd + R )再求

11、：再求：+gTRdRRgC1C2uouiVD DCdsID 2.分壓式自分壓式自偏壓電路偏壓電路SGGSUUU RIVRRRDDDg2g1g2 + + 2PGSDSSD)1(UUII 可解出可解出Q點的點的UGS 、 ID 計算計算Q點：點：已知已知UP ，由，由RIVRRRUDDDg2g1g2GS + + 該電路產(chǎn)生的柵源電壓可正該電路產(chǎn)生的柵源電壓可正可負，所以適用于所有的場可負，所以適用于所有的場效應管電路。效應管電路。UDS =VDD- ID (Rd + R )再求：再求：+gTRdRC12CuouiVD DCdsg1Rg2Rg3R 如果輸入信號很小， 場效應管工作在線性放大區(qū)（即輸出

12、特性中的恒流區(qū)）時，與三極管一樣，可用小信號模型法進行動態(tài)分析。 將場效應管看成一個兩端口網(wǎng)絡，柵極與源極之間視為輸入端口，漏極與源極之間視為輸出端口。以N溝道耗盡型MOS管為例，可認為柵極電流為零，柵-源之間只有電壓存在。漏極電流iD是柵源電壓uGS和漏源電壓uDS的函數(shù)iD=f(uGS, uDS) 二二. 場效應管的交流小信號模型場效應管的交流小信號模型 對上式求iD的全微分可得 DSUDSDGSUGSDDduuiduuidiGSDS+式中mUGSDguiDSdsUDSDruiGS1iD=f(uGS, uDS) dsdsgsmdUrUgI1+從場效應管的特性曲線可知，當小信號作用時，管子的

13、電壓、 電流在Q點附近變化，因此可認為在Q點附近的特性是線性的， 則gm和rds近似為常數(shù)。用正弦相量 取代變化量diD、 duGS、duDS，上式可寫成： dsgsdUUI、dsdsgsmdUrUgI1+由此可構造出場效應管的小信號模型。圖中柵-源之間只有一個柵源電壓 ，沒有柵極電流；漏-源之間是一個受電壓控制的電流源和電阻rds相并聯(lián)。gsUuGSgsuDSdggsUsgmgsUrdsdsU(a)(b)d場效應管的小信號模型(a) N溝道耗盡型MOSFET； (b) 小信號模型 由轉移特性可知，gm是UDS=UDSQ那條轉移特性曲線上以Q點為切點的切線斜率。在小信號作用時，可用切線來等效Q

14、點附近的曲線，由于gm是輸出電流與輸入電壓的比值，故稱為跨導，其單位為西門子（S）， 一般gm數(shù)值約為0.120 mS。從輸出特性可知，rds是UGS=UGSQ那條輸出特性曲線上Q點處斜率的倒數(shù)，它表示曲線的上翹程度，rds越大，曲線越平。通常rds在幾十千歐到幾百千歐之間，若外電路電阻較小時，可將rds視為開路，即忽略rds中的電流，將輸出回路只等效成一個受控電流源。 iDIDSSUDS UDSQIDQQiDuDSUGSQuGS(off)uGSuDSiDUDSQuDSQuGS 0 VIDQiDOO從特性曲線求gm和rds(a) 從轉移特性求解gm; (b) 從輸出特性求解rds 對于結型場效

15、應管的電流方程在Q點求導可得gm表達式 DQDSSoffGSoffGSGSQoffGSDSSUGSDmIIUUUUIuigDS)()()(212上式表明gm與Q點有關，Q點越高，gm越大。 同理，若對增強型MOSFET的電流方程在Q點求導可得gm表達式 DQDOthGSthGSGSQthGSDOUGSDmIIUUUUIuigDS)()()(2122GS(off)GSDSSD)1 (UuIi2GS(th)GSDOD)1( UuIi三三. 場效應管場效應管放大電路放大電路1.共源放大電路共源放大電路+C2RuTg3D D1Rg1CCVRRgdsig2dRuoRL+-分析：分析：（1）畫出共源放大電

16、路的交流小信號等效電路。畫出共源放大電路的交流小信號等效電路。 （2）求電壓放大倍數(shù)）求電壓放大倍數(shù)（3）求輸入電阻）求輸入電阻（4）求輸出電阻）求輸出電阻則則)/(g2g1g3iRRRR+doRR +uiugdugsugsmRg3g1Rg2RiRLR-S-o+gROdRgsiuu omgsdL(/ /)ug uRR )/(LdmiouRRguuA （2）電壓放大倍數(shù)）電壓放大倍數(shù)（3）輸入電阻）輸入電阻)/(LgsmgsiRRuguu+ + )/(LgsmoRRugu )/(1)/(LmLmiouRRgRRguuA+ + 得得)/(g2g1g3iRRRR+ + 分析：分析：（1 1）畫）畫交

17、流小信號等效電路。交流小信號等效電路。 由由1 2.共漏放大電路共漏放大電路+-+Su+-RSui+uo-gdsugsugsmgRg3g1Rg2RiRRLR+Cg3VsTR1D DoRuRdg1g2C2RR+-L+u-SRS（4 4）輸出電阻）輸出電阻gsmRugii+ + gsuumo11gRiuR+ + 所以所以由圖有由圖有m1/gR +-+Sui+u-gdsugsugsmgRg3g1Rg2RRRooRRigsmugRu+ + 本章小結本章小結 1FET分為分為JFET和和MOSFET兩種，工作時只有一種兩種，工作時只有一種載流子參與導電，因此稱為單極性型晶體管。載流子參與導電，因此稱為單極性型晶體管。FET是一種是一種壓控電流型器件，改變其柵源電