[工程科技]模電 CH05場效應(yīng)管放大電路ppt課件

1、5.1 金屬金屬-氧化物氧化物-半導(dǎo)體半導(dǎo)體MOS場效應(yīng)管場效應(yīng)管5.3 結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管JFET*5.4 砷化鎵金屬砷化鎵金屬-半導(dǎo)體場效應(yīng)管半導(dǎo)體場效應(yīng)管5.5 各種放大器件電路性能比較各種放大器件電路性能比較5.2 MOSFET放大電路放大電路與與BJT相比：相比： 利用電壓產(chǎn)生的電場效應(yīng)來控制電流利用電壓產(chǎn)生的電場效應(yīng)來控制電流 單極型晶體管：主要是多數(shù)載流子導(dǎo)電單極型晶體管：主要是多數(shù)載流子導(dǎo)電 輸入阻抗高輸入阻抗高 噪聲低噪聲低 易于制造，便于集成易于制造，便于集成P溝道溝道耗盡型耗盡型P溝道溝道P溝道溝道N溝道溝道加強(qiáng)型加強(qiáng)型N溝道溝道N溝道溝道耗盡型耗盡型FET場效應(yīng)管

2、場效應(yīng)管JFET結(jié)型結(jié)型MOSFET絕緣柵型絕緣柵型(IGFET)耗盡型：場效應(yīng)管沒有加偏置電壓時(shí)，就有導(dǎo)電溝道存在耗盡型：場效應(yīng)管沒有加偏置電壓時(shí)，就有導(dǎo)電溝道存在加強(qiáng)型：場效應(yīng)管沒有加偏置電壓時(shí)，沒有導(dǎo)電溝道加強(qiáng)型：場效應(yīng)管沒有加偏置電壓時(shí)，沒有導(dǎo)電溝道場效應(yīng)管的分類：場效應(yīng)管的分類：5.1 金屬金屬-氧化物氧化物-半導(dǎo)體半導(dǎo)體MOS場效應(yīng)管場效應(yīng)管5.1.1 N溝道加強(qiáng)型溝道加強(qiáng)型MOSFET5.1.5 MOSFET的主要參數(shù)的主要參數(shù)5.1.2 N溝道耗盡型溝道耗盡型MOSFET5.1.3 P溝道溝道MOSFET5.1.4 溝道長度調(diào)制效應(yīng)溝道長度調(diào)制效應(yīng)5.1.1 N溝道加強(qiáng)型溝道加

3、強(qiáng)型MOSFET1. 構(gòu)造構(gòu)造N溝道溝道L ：溝道長度：溝道長度W ：溝道寬度：溝道寬度tox ：絕緣層厚度：絕緣層厚度通常通常 W L 5.1.1 N溝道加強(qiáng)型溝道加強(qiáng)型MOSFET剖面圖剖面圖1. 構(gòu)造構(gòu)造N溝道溝道符號(hào)符號(hào)5.1.1 N溝道加強(qiáng)型溝道加強(qiáng)型MOSFET2. 任務(wù)原理任務(wù)原理1vGS對(duì)溝道的控制造用對(duì)溝道的控制造用當(dāng)當(dāng)vGS0vGS0時(shí)時(shí) 無導(dǎo)電溝道，無導(dǎo)電溝道， d、s間加電壓時(shí)，也間加電壓時(shí)，也無電流產(chǎn)生。無電流產(chǎn)生。當(dāng)當(dāng)0vGS VT 0vGS VT vGS VT 時(shí)時(shí) 在電場作用下產(chǎn)生導(dǎo)電溝道，在電場作用下產(chǎn)生導(dǎo)電溝道，d、s間加間加電壓后，將有電流產(chǎn)生。電壓后，將

4、有電流產(chǎn)生。 vGS越大，導(dǎo)電溝道越厚越大，導(dǎo)電溝道越厚2. 任務(wù)原理任務(wù)原理2vDS對(duì)溝道的控制造用對(duì)溝道的控制造用接近漏極d處的電位升高電場強(qiáng)度減小 溝道變薄當(dāng)當(dāng)vGSvGS一定一定vGS VT vGS VT 時(shí)，時(shí)，vDSID溝道電位梯度整個(gè)溝道呈楔形分布整個(gè)溝道呈楔形分布當(dāng)當(dāng)vGSvGS一定一定vGS VT vGS VT 時(shí)，時(shí)，vDSID溝道電位梯度 當(dāng)當(dāng)vDSvDS添加到使添加到使vGD=VT vGD=VT 時(shí)，時(shí)，在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷。在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷。2. 任務(wù)原理任務(wù)原理2vDS對(duì)溝道的控制造用對(duì)溝道的控制造用在預(yù)夾斷處：在預(yù)夾斷處：vGD=vGS-vDS =VTvG

5、D=vGS-vDS =VT預(yù)夾斷后，預(yù)夾斷后，vDSvDS夾斷區(qū)延伸溝道電阻 ID根本不變2. 任務(wù)原理任務(wù)原理2vDS對(duì)溝道的控制造用對(duì)溝道的控制造用2. 任務(wù)原理任務(wù)原理3 vDS和和vGS同時(shí)作用時(shí)同時(shí)作用時(shí) vDS vDS一定，一定，vGSvGS變化時(shí)變化時(shí) 給定一個(gè)給定一個(gè)vGS vGS ，就有一條不，就有一條不同的同的 iD vDS iD vDS 曲線。曲線。3. V-I 特性曲線及大信號(hào)特性方程特性曲線及大信號(hào)特性方程1輸出特性及大信號(hào)特性方程輸出特性及大信號(hào)特性方程const.DSDGS)( vvfi 截止區(qū)截止區(qū)當(dāng)當(dāng)vGSVT時(shí)，導(dǎo)電溝道時(shí)，導(dǎo)電溝道尚未構(gòu)成，尚未構(gòu)成，iD0

6、，為截止，為截止任務(wù)形狀。任務(wù)形狀。3. V-I 特性曲線及大信號(hào)特性方程特性曲線及大信號(hào)特性方程1輸出特性及大信號(hào)特性方程輸出特性及大信號(hào)特性方程const.DSDGS)( vvfi 可變電阻區(qū)可變電阻區(qū) vDSvGSVT )( DSDSTGSnD22vvv VKi由于由于vDS較小，可近似為較小，可近似為DSTGSnD )(vvVKi 2常數(shù)常數(shù) GSDDSdsovvdidr)(TGSnVK v21rdso是一個(gè)受是一個(gè)受vGS控制的可變電控制的可變電阻阻 3. V-I 特性曲線及大信號(hào)特性方程特性曲線及大信號(hào)特性方程1輸出特性及大信號(hào)特性方程輸出特性及大信號(hào)特性方程 可變電阻區(qū)可變電阻區(qū)

7、 DSTGSnD )(vvVKi 2)(TGSndsoVKr v21 n n ：反型層中電子遷移率：反型層中電子遷移率Cox Cox ：柵極與襯底間氧：柵極與襯底間氧化層單位面積電容化層單位面積電容本征電導(dǎo)因子本征電導(dǎo)因子oxnnC K LWLWKK22oxnnnC 其中其中Kn為電導(dǎo)常數(shù)，單位：為電導(dǎo)常數(shù)，單位：mA/V23. V-I 特性曲線及大信號(hào)特性方程特性曲線及大信號(hào)特性方程1輸出特性及大信號(hào)特性方程輸出特性及大信號(hào)特性方程 飽和區(qū)飽和區(qū)恒流區(qū)又稱放大區(qū)恒流區(qū)又稱放大區(qū)vGS VT ，且，且vDSvGSVT2)(TGSnDVKi v221)(TGSTn VVKv21)(TGSDO V

8、Iv2TnDOVKI 是是vGSvGS2VT2VT時(shí)的時(shí)的iD iD V-I V-I 特性：特性：3. V-I 特性曲線及大信號(hào)特性方程特性曲線及大信號(hào)特性方程2轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性const.GSDDS)( vvfi21)(TGSDOD VIiv5.1.2 N溝道耗盡型溝道耗盡型MOSFET1. 構(gòu)造和任務(wù)原理構(gòu)造和任務(wù)原理N溝道溝道二氧化硅絕緣層中摻有大量的正離子二氧化硅絕緣層中摻有大量的正離子 可以在正或負(fù)的柵源電壓下任務(wù)，而且根本上無柵流可以在正或負(fù)的柵源電壓下任務(wù)，而且根本上無柵流5.1.2 N溝道耗盡型溝道耗盡型MOSFET2. V-I 特性曲線及大信號(hào)特性方程特性曲線及大信號(hào)特性方程

9、 21)(PGSDSSDVIiv 21)(TGSDOD VIivN N溝道加強(qiáng)型溝道加強(qiáng)型5.1.3 P溝道溝道MOSFET5.1.4 溝道長度調(diào)制效應(yīng)溝道長度調(diào)制效應(yīng)實(shí)踐上飽和區(qū)的曲線并不是平坦的實(shí)踐上飽和區(qū)的曲線并不是平坦的)()(DSTGSnDvv 12VKi)()(DSTGSDOvv 112VIL的單位為的單位為m1V 1 . 0 L當(dāng)不思索溝道調(diào)制效應(yīng)時(shí)，當(dāng)不思索溝道調(diào)制效應(yīng)時(shí)， 0 0，曲線是平坦的。，曲線是平坦的。 修正后修正后5.1.5 MOSFET的主要參數(shù)的主要參數(shù)一、直流參數(shù)一、直流參數(shù)NMOSNMOS加強(qiáng)型加強(qiáng)型1. 1. 開啟電壓開啟電壓VT VT 加強(qiáng)型參數(shù)加強(qiáng)型參

10、數(shù)2. 2. 夾斷電壓夾斷電壓VP VP 耗盡型參數(shù)耗盡型參數(shù)3. 3. 飽和漏電流飽和漏電流IDSS IDSS 耗盡型參數(shù)耗盡型參數(shù)4. 4. 直流輸入電阻直流輸入電阻RGS RGS 1091091015 1015 二、交流參數(shù)二、交流參數(shù) 1. 1. 輸出電阻輸出電阻rds rds GSDDSdsVir vD12TGSnds1)(iVKr v當(dāng)不思索溝道調(diào)制效應(yīng)時(shí)，當(dāng)不思索溝道調(diào)制效應(yīng)時(shí)， 0 0，rds rds 5.1.5 MOSFET的主要參數(shù)的主要參數(shù)DS GSDmVigv 2. 2. 低頻互導(dǎo)低頻互導(dǎo)gm gm 二、交流參數(shù)二、交流參數(shù) 思索到思索到 2TGSnD)(VKi v那么

11、那么DSDSGS2TGSnGSDm)(VVVKigvvv )(2TGSnVK vnDTGS)(KiV vDn2iK LWK 2Coxnn其中其中5.1.5 MOSFET的主要參數(shù)的主要參數(shù)end三、極限參數(shù)三、極限參數(shù) 1. 1. 最大漏極電流最大漏極電流IDM IDM 2. 2. 最大耗散功率最大耗散功率PDM PDM 3. 3. 最大漏源電壓最大漏源電壓V VBRBRDS DS 4. 4. 最大柵源電壓最大柵源電壓V VBRBRGS GS 5.2 MOSFET放大電路放大電路5.2.1 MOSFET放大電路放大電路1. 直流偏置及靜態(tài)任務(wù)點(diǎn)的計(jì)算直流偏置及靜態(tài)任務(wù)點(diǎn)的計(jì)算2. 圖解分析圖解

12、分析3. 小信號(hào)模型分析小信號(hào)模型分析5.2.1 MOSFET放大電路放大電路1. 直流偏置及靜態(tài)任務(wù)點(diǎn)的計(jì)算直流偏置及靜態(tài)任務(wù)點(diǎn)的計(jì)算1簡單的共源極放大電路簡單的共源極放大電路N溝道溝道直流通路直流通路共源極放大電路共源極放大電路5.2.1 MOSFET放大電路放大電路1. 直流偏置及靜態(tài)任務(wù)點(diǎn)的計(jì)算直流偏置及靜態(tài)任務(wù)點(diǎn)的計(jì)算1簡單的共源極放大電路簡單的共源極放大電路N溝道溝道DDg2g1g2GSVRRRV 2)(TGSnDVVKI dDDDDSRIVV 假設(shè)任務(wù)在飽和區(qū)，即假設(shè)任務(wù)在飽和區(qū)，即)(TGSDSVVV 驗(yàn)證能否滿足驗(yàn)證能否滿足)(TGSDSVVV 假設(shè)不滿足，那么闡明假設(shè)錯(cuò)誤假

13、設(shè)不滿足，那么闡明假設(shè)錯(cuò)誤須滿足須滿足VGS VT ，否那么任務(wù)在截止，否那么任務(wù)在截止區(qū)區(qū)再假設(shè)任務(wù)在可變電阻區(qū)再假設(shè)任務(wù)在可變電阻區(qū))(TGSDSVVV 即即dDDDDSRIVV DSTGSnD )(vvVKI 2假設(shè)任務(wù)在飽和區(qū)假設(shè)任務(wù)在飽和區(qū)滿足滿足)(TGSDSVVV 假設(shè)成立，結(jié)果即為所求。假設(shè)成立，結(jié)果即為所求。解：解：V2V5406040 DDg2g1g2GSQ VRRRVmA2 . 0mA)12)(2 . 0()(22TGSnDQ VVKIV2V)15)(2 . 0(5dDDDDSQ RIVV例：例：設(shè)設(shè)Rg1=60k，Rg2=40k，Rd=15k，220V/mA.n K試計(jì)

14、算電路的靜態(tài)漏極電流試計(jì)算電路的靜態(tài)漏極電流IDQIDQ和漏源和漏源電壓電壓VDSQ VDSQ 。VDD=5V， VT=1V，5.2.1 MOSFET放大電路放大電路1. 直流偏置及靜態(tài)任務(wù)點(diǎn)的計(jì)算直流偏置及靜態(tài)任務(wù)點(diǎn)的計(jì)算2帶源極電阻的帶源極電阻的NMOS共源極放大電路共源極放大電路2)(TGSnDVVKI 飽和區(qū)飽和區(qū)需求驗(yàn)證能否滿足需求驗(yàn)證能否滿足)(TGSDSVVV SGGSVVV )(2dDDDDSRRIVV )(SSSSDDg2g1g2VVVRRR )(SSDVRI 5.2.1 MOSFET放大電路放大電路1. 直流偏置及靜態(tài)任務(wù)點(diǎn)的計(jì)算直流偏置及靜態(tài)任務(wù)點(diǎn)的計(jì)算靜態(tài)時(shí)，靜態(tài)時(shí)，v

15、I0，VG 0，ID I電流源偏置電流源偏置 VS VG VGS 2TGSnD)(VVKI 飽和區(qū)飽和區(qū) 5.2.1 MOSFET放大電路放大電路2. 圖解分析圖解分析由于負(fù)載開路，交流負(fù)由于負(fù)載開路，交流負(fù)載線與直流負(fù)載線一樣載線與直流負(fù)載線一樣 5.2.1 MOSFET放大電路放大電路3. 小信號(hào)模型分析小信號(hào)模型分析2TGSnD)(VKi v2TgsGSQn)(VVK v2gsTGSQn)(v VVK2gsngsTGSQn2TGSQn)(2)(vvKVVKVVK 1模型模型DQI gsmvg 2gsnvK 靜態(tài)值靜態(tài)值直流直流動(dòng)態(tài)值動(dòng)態(tài)值交流交流非線性非線性失真項(xiàng)失真項(xiàng) 當(dāng)，當(dāng)，vgs

16、2(VGSQ- VT )vgs 2(VGSQ- VT )時(shí)，時(shí)，DQDIi gsmvg dDQiI 5.2.1 MOSFET放大電路放大電路3. 小信號(hào)模型分析小信號(hào)模型分析1模型模型DQDIi gsmvg dDQiI gsmdvgi 0 0時(shí)時(shí)高頻小信號(hào)模型高頻小信號(hào)模型3. 小信號(hào)模型分析小信號(hào)模型分析解：例解：例5.2.25.2.2的直流分析已的直流分析已求得：求得： mA5 . 0DQ IV2GSQ VV75. 4DSQ VV/mA1 V/mA)12(5 . 02 )(2TGSQnm VVKg2放大電路分析例放大電路分析例5.2.5s3. 小信號(hào)模型分析小信號(hào)模型分析2放大電路分析例放

17、大電路分析例5.2.5dgsmoRg vv )1()(mgsgsmgsiRgRg vvvvRgRgAmdmio1 vvvg2g1i/ RRR doRR SiiSiioSosRRRAA vvvvvvvvs3. 小信號(hào)模型分析小信號(hào)模型分析2放大電路分析例放大電路分析例5.2.6)/()/)(dsgsmgsdsgsmiorRgrRgAvvvvvv 1)/(1)/(dsmdsm rRgrRg)()/(1)/( SiidsmdsmSiioSosRRRrRgrRgA vvvvvvv共漏共漏3. 小信號(hào)模型分析小信號(hào)模型分析2放大電路分析放大電路分析g2g1i/RRR mdsmdstto1/ 111grR

18、grRiR vend5.3 結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管 5.3.1 JFET的構(gòu)造和任務(wù)原理的構(gòu)造和任務(wù)原理 5.3.2 JFET的特性曲線及參數(shù)的特性曲線及參數(shù) 5.3.3 JFET放大電路的小信號(hào)模型分析法放大電路的小信號(hào)模型分析法 5.3.1 JFET的構(gòu)造和任務(wù)原理的構(gòu)造和任務(wù)原理1. 構(gòu)造構(gòu)造 2. 任務(wù)原理任務(wù)原理 vGS對(duì)溝道的控制造用對(duì)溝道的控制造用當(dāng)當(dāng)vGS0時(shí)時(shí)以以N溝道溝道JFET為例為例 當(dāng)溝道夾斷時(shí)，對(duì)應(yīng)當(dāng)溝道夾斷時(shí)，對(duì)應(yīng)的柵源電壓的柵源電壓vGS稱為夾斷稱為夾斷電壓電壓VP 或或VGS(off) 。對(duì)于對(duì)于N溝道的溝道的JFET，VP 0。PN結(jié)反偏結(jié)反偏耗盡層加厚耗

19、盡層加厚溝道變窄。溝道變窄。 vGS繼續(xù)減小，溝道繼續(xù)減小，溝道繼續(xù)變窄。繼續(xù)變窄。2. 任務(wù)原理任務(wù)原理以以N溝道溝道JFET為例為例 vDS對(duì)溝道的控制造用對(duì)溝道的控制造用當(dāng)當(dāng)vGS=0時(shí)，時(shí)，vDS ID G、D間間PN結(jié)的反向結(jié)的反向電壓添加，使接近漏極電壓添加，使接近漏極處的耗盡層加寬，溝道處的耗盡層加寬，溝道變窄，從上至下呈楔形變窄，從上至下呈楔形分布。分布。 當(dāng)當(dāng)vDS添加到使添加到使vGD=VP 時(shí)，在緊靠漏時(shí)，在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷。極處出現(xiàn)預(yù)夾斷。此時(shí)此時(shí)vDS 夾斷區(qū)延伸夾斷區(qū)延伸溝道電阻溝道電阻ID根本不變根本不變2. 任務(wù)原理任務(wù)原理以以N溝道溝道JFET為例為例 v

20、GS和和vDS同時(shí)作用時(shí)同時(shí)作用時(shí)當(dāng)當(dāng)VP vGS0 時(shí)，導(dǎo)電溝道更容易夾斷，時(shí)，導(dǎo)電溝道更容易夾斷，對(duì)于同樣的對(duì)于同樣的vDS ， ID的值比的值比vGS=0時(shí)的值要小。時(shí)的值要小。在預(yù)夾斷處在預(yù)夾斷處vGD=vGS-vDS =VP 綜上分析可知綜上分析可知 溝道中只需一種類型的多數(shù)載流子參與導(dǎo)電，溝道中只需一種類型的多數(shù)載流子參與導(dǎo)電， 所以場效應(yīng)管也稱為單極型三極管。所以場效應(yīng)管也稱為單極型三極管。 JFETJFET是電壓控制電流器件，是電壓控制電流器件，iDiD受受vGSvGS控制。控制。 預(yù)夾斷前預(yù)夾斷前iDiD與與vDSvDS呈近似線性關(guān)系；預(yù)夾斷后，呈近似線性關(guān)系；預(yù)夾斷后， i

21、DiD趨于飽和。趨于飽和。 JFET JFET柵極與溝道間的柵極與溝道間的PNPN結(jié)是反向偏置的，因結(jié)是反向偏置的，因 此此iGiG0 0，輸入電阻很高。，輸入電阻很高。5.3.2 JFET的特性曲線及參數(shù)的特性曲線及參數(shù)const.DSDGS)( vvfi2. 轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性 const.GSDDS)( vvfi)0()1(GSP2PGSDSSD vvVVIi1. 輸出特性輸出特性 與與MOSFET類似類似3. 主要參數(shù)主要參數(shù)5.3.2 JFET的特性曲線及參數(shù)的特性曲線及參數(shù)5.3.2 FET放大電路的小信號(hào)模型分析法放大電路的小信號(hào)模型分析法1. FET小信號(hào)模型小信號(hào)模型1低頻模型低頻模型2高頻模型高頻模型2. 動(dòng)態(tài)目的分析動(dòng)態(tài)目的分析1 1中頻小信號(hào)模型中頻小信號(hào)模型2. 動(dòng)態(tài)目的分析動(dòng)態(tài)目的分析2中頻電壓增益中頻電壓增益3輸入電阻輸入電阻4輸出電阻輸出電阻忽略忽略 rds， ivgsvRggsmv )1(mgsRg v ovdgsmRg v mvARgRgmdm1 /iiRR 由輸入輸出回路得由輸入輸出回路得那么那么giiiRv )/(g2g1g3RRR )/()1(g2g1g3mgsgsRRRRgrr 通常通常那么那么)/(g2g1g3iRRRR doRR Rgrr)1(mgsgs gsgsgsmgsgsgs)(rRgrvv