場效應(yīng)晶體管及其放大電路

場效應(yīng)晶體管及其放大電路第1頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月內(nèi)容提要內(nèi)容提要場效應(yīng)晶體管利用輸入電壓在管內(nèi)形成的電場影響導(dǎo)電溝道的形狀，進(jìn)而控制輸出電流場效應(yīng)管的特點(diǎn)：輸入阻抗高抗輻射能力強(qiáng)熱穩(wěn)定性好重點(diǎn)介紹場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)、工作原理及其應(yīng)用電路第2頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月N溝道增強(qiáng)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)第一節(jié)：MOS場效應(yīng)管襯底上的箭頭代表PN結(jié)的正向方向MOS管的命名原因溝道的含義第3頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月N溝道增強(qiáng)型場效應(yīng)管的基本工作原理(一)第一節(jié)：MOS場效應(yīng)管柵源電壓對管工作的影響設(shè)時管子截止時時反型層形成，出現(xiàn)導(dǎo)電溝道：開啟電壓第4頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月N溝道增強(qiáng)型場效應(yīng)管的基本工作原理(二)第一節(jié)：MOS場效應(yīng)管漏源電壓對管工作的影響設(shè)時導(dǎo)電溝道變?yōu)樾ㄐ螘r出現(xiàn)預(yù)夾斷時溝道被夾斷第5頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月N溝道增強(qiáng)型場效應(yīng)管的基本工作原理(三)第一節(jié)：MOS場效應(yīng)管柵源電壓起著建立導(dǎo)電溝道和控制溝道形狀的作用由于溝道電流僅由多子流構(gòu)成，故也稱場效應(yīng)管為單極型晶體管。特點(diǎn)：漏源電壓產(chǎn)生輸出電流并改變溝道形狀溫度穩(wěn)定性能好抗輻射能力強(qiáng)增強(qiáng)型的含義第6頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月N溝道增強(qiáng)型場效應(yīng)管的輸出特性曲線(一)第一節(jié)：MOS場效應(yīng)管由于柵極與源極和漏極之間有絕緣層隔開，故柵極輸入電流極小，輸入電阻極高，可以達(dá)到以上因此，常用的特性曲線為輸出特性曲線和轉(zhuǎn)移特性曲線第7頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月N溝道增強(qiáng)型場效應(yīng)管的輸出特性曲線(二)第一節(jié)：MOS場效應(yīng)管可變電阻區(qū)飽和區(qū)擊穿區(qū)截止區(qū)截止區(qū)：可變電阻區(qū)：飽和(恒流)區(qū)：厄爾利電壓溝道長度調(diào)制效應(yīng)擊穿區(qū)：放大區(qū)預(yù)夾斷點(diǎn)第8頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月N溝道增強(qiáng)型場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性曲線(一)第一節(jié)：MOS場效應(yīng)管轉(zhuǎn)移特性曲線表示漏源電壓一定時，漏極電流與柵源電壓之間的關(guān)系曲線可由輸出曲線求得轉(zhuǎn)移跨導(dǎo)：第9頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月N溝道增強(qiáng)型場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性曲線(二)第一節(jié)：MOS場效應(yīng)管在相同工作點(diǎn)電流情況下，MOS管跨導(dǎo)的數(shù)值通常會比雙極型管的小，可能小1~2個數(shù)量級跨導(dǎo)也可以由轉(zhuǎn)移特性曲線圖解確定第10頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月MOS場效應(yīng)管的擊穿第一節(jié)：MOS場效應(yīng)管飽和區(qū)內(nèi)，過大的漏源電壓所產(chǎn)生的擊穿與輸出特性曲線上的擊穿區(qū)對應(yīng)漏源電壓過大時，會導(dǎo)致漏區(qū)與襯底間的PN結(jié)出現(xiàn)反向擊穿飽和區(qū)內(nèi)可能會出現(xiàn)貫通擊穿當(dāng)柵源電壓過大時，可能會導(dǎo)致絕緣層被擊穿第11頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月MOS場效應(yīng)管襯底調(diào)制效應(yīng)(一)第一節(jié)：MOS場效應(yīng)管在MOS管工作時，漏區(qū)、源區(qū)、導(dǎo)電溝道與襯底之間的PN結(jié)不應(yīng)出現(xiàn)正向?qū)ㄇ闆r，否則管不能正常工作這就要求N溝道型管的襯源極間電壓應(yīng)滿足，P溝道型管應(yīng)第12頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月MOS場效應(yīng)管襯底調(diào)制效應(yīng)(二)第一節(jié)：MOS場效應(yīng)管分立元件中，襯底B一般與源極S相連。在集成電路中，由于所有元件為同一襯底，為保證所有元件的溝道與襯底間的隔離，導(dǎo)電溝道與襯底之間所形成的PN結(jié)必須反偏，也即N溝道MOS管的。所以，開啟電壓和轉(zhuǎn)移特性曲線右移背柵跨導(dǎo)第13頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月P溝道增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管(一)第一節(jié)：MOS場效應(yīng)管P溝道管的結(jié)構(gòu)和原理與N溝道管類似但應(yīng)注意溝道極性的區(qū)別及由此帶來的電流、電壓方向的變化第14頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月P溝道增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管(二)第一節(jié)：MOS場效應(yīng)管應(yīng)注意特性曲線圖中電流、電壓的方向第15頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月耗盡型MOS場效應(yīng)管(一)第一節(jié)：MOS場效應(yīng)管耗盡型MOS管在柵源零偏時即已存在導(dǎo)電溝道注意其符號與增強(qiáng)型的區(qū)別第16頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月耗盡型MOS場效應(yīng)管(二)第一節(jié)：MOS場效應(yīng)管：截止電壓或閾值電壓也會產(chǎn)生預(yù)夾斷和漏極電流飽和的情況時已有導(dǎo)電溝道，故時即有漏極電流產(chǎn)生第17頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月耗盡型MOS場效應(yīng)管(三)第一節(jié)：MOS場效應(yīng)管可變電阻區(qū)飽和區(qū)擊穿區(qū)截止區(qū)截止區(qū)：可變電阻區(qū)：飽和(恒流)區(qū)：擊穿區(qū)第18頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月耗盡型MOS場效應(yīng)管(四)第一節(jié)：MOS場效應(yīng)管P溝道型管的特性可與之類比第19頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月MOS管類型總結(jié)第一節(jié)：MOS場效應(yīng)管MOS管N溝道MOS管P溝道MOS管N溝道增強(qiáng)型MOS管N溝道耗盡型MOS管P溝道增強(qiáng)型MOS管P溝道耗盡型MOS管MOS管的結(jié)構(gòu)注意N溝道與P溝道的區(qū)別注意增強(qiáng)型與耗盡型的區(qū)別第20頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)第二節(jié)：結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管(JFET：JunctionFieldEffectTransistor)根據(jù)溝道類型不同亦可分類第21頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月結(jié)型場效應(yīng)管的基本工作原理(一)結(jié)型場效應(yīng)管存在著內(nèi)建初始導(dǎo)電溝道，這一點(diǎn)與耗盡型管類似結(jié)型場效應(yīng)管應(yīng)用時的輸入電阻很大，可達(dá)以上結(jié)型場效應(yīng)管也是通過控制導(dǎo)電溝道的形態(tài)改變輸出電流結(jié)型場效應(yīng)管輸入信號及輸出電流、電壓的選擇與MOS管類似第二節(jié)：結(jié)型場效應(yīng)管第22頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月結(jié)型場效應(yīng)管的基本工作原理(二)柵源電壓對管工作的影響時耗盡層增厚，導(dǎo)電溝道變薄，溝道電阻增大設(shè)時溝道全夾斷，漏極電流為零：夾斷電壓第二節(jié)：結(jié)型場效應(yīng)管第23頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月結(jié)型場效應(yīng)管的基本工作原理(三)漏源電壓對管工作的影響時導(dǎo)電溝道變?yōu)樾ㄐ蜁r繼續(xù)增大時溝道預(yù)夾斷，此時的漏極電流為飽和電流設(shè)此時對應(yīng)于輸出特性曲線飽和區(qū)第二節(jié)：結(jié)型場效應(yīng)管第24頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月結(jié)型場效應(yīng)管的特性曲線恒流區(qū)擊穿區(qū)可變電阻區(qū)夾斷電壓飽和漏極電流第二節(jié)：結(jié)型場效應(yīng)管第25頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月大功率管的作用第三節(jié)：VDMOS和IGBT管大功率管：最大允許工作電流、擊穿電壓、最大耗散功率的數(shù)值均較大橫向結(jié)構(gòu)場效應(yīng)管的漏源擊穿電壓和最大耗散功率、最大容許工作電流不能同時增大第26頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月VDMOS型場效應(yīng)管第三節(jié)：VDMOS和IGBT管VDMOS的結(jié)構(gòu)說明VDMOS中溝道的產(chǎn)生VDMOS中的三極管及器件符號第27頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月IGBT型管第三節(jié)：VDMOS和IGBT管請自行參閱課本第28頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月MOS場效應(yīng)管的瞬態(tài)模型第四節(jié)：場效應(yīng)管放大電路第29頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月MOS場效應(yīng)管的微變信號模型第四節(jié)：場效應(yīng)管放大電路第30頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月結(jié)型場效應(yīng)管的微變信號模型第四節(jié)：場效應(yīng)管放大電路第31頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月場效應(yīng)管放大電路的要點(diǎn)第四節(jié)：場效應(yīng)管放大電路分析方法與三極管放大電路相同，仍然是先靜態(tài)后動態(tài)，既可以使用圖解法又可以使用等效電路法注意偏置電路的設(shè)置（對于不同的場效應(yīng)管來說有不同的設(shè)置需求）由于柵極電流為零，因此在等效模型中的柵極為懸空。受控電流源所反映的為柵源電壓對漏極電流的控制作用跨導(dǎo)一般較小，從而使得場效應(yīng)管放大電路的具體參數(shù)與三極管放大電路相比有一些不同之處第32頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月偏置變量的相關(guān)回顧第四節(jié)：場效應(yīng)管放大電路所謂偏置，就是給器件加一定的電壓(或電流)，使其工作點(diǎn)偏離原點(diǎn)，以便器件能夠在電路中按照人們的要求工作。對于放大運(yùn)用來說，器件應(yīng)工作于放大(恒流，飽和)區(qū)當(dāng)大信號工作時，靜態(tài)工作點(diǎn)的位置及動態(tài)運(yùn)用的范圍影響非線性失真當(dāng)小信號運(yùn)用時，只要是在放大區(qū)，靜態(tài)工作點(diǎn)的位置并不影響非線性失真，但將影響放大量(動態(tài)范圍)和功率消耗偏置電路應(yīng)兼顧靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定、功率消耗。大信號運(yùn)用時，靜態(tài)工作點(diǎn)的不穩(wěn)定還影響動態(tài)運(yùn)用范圍和功率損耗，后者將牽涉到器件的安全運(yùn)用第33頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月分壓式偏置第四節(jié)：場效應(yīng)管放大電路管狀態(tài)的分析過程與三極管類似，即先假定管處于飽和狀態(tài)并展開分析看結(jié)果是否一致對于不同類型的管子來說，應(yīng)注意：N溝道增強(qiáng)型N溝道耗盡型N溝道結(jié)型P溝道型管電源電壓應(yīng)為負(fù)值第34頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月自給偏壓式偏置(一)第四節(jié)：場效應(yīng)管放大電路靜態(tài)時靠源極電阻上的電壓為柵－源提供一個負(fù)的偏壓，故稱自給偏壓增強(qiáng)型場效應(yīng)管為同極性偏置結(jié)型場效應(yīng)管為反極性偏置耗盡型MOS場效應(yīng)管兩者均可自給偏壓適用于結(jié)型或耗盡型管第35頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月自給偏壓式偏置(二)第四節(jié)：場效應(yīng)管放大電路偏置電阻對交流信號有損耗作用，也降低了放大電路的輸入電阻在集成電路中，本級放大電路的輸入端直流偏置通常由前級電路的輸出提供必要時加入直流電平移動單元，稱這種偏置方式為直接偏置第36頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月場效應(yīng)管的三種基本組態(tài)放大電路第四節(jié)：場效應(yīng)管放大電路共源與共射對應(yīng)共漏與共集對應(yīng)共柵與共基對應(yīng)第37頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月場效應(yīng)管基本共源放大電路第四節(jié)：場效應(yīng)管放大電路基本特性及應(yīng)用范圍同共射電路第38頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月場效應(yīng)管基本共柵放大電路第四節(jié)：場效應(yīng)管放大電路基本特性及應(yīng)用范圍同共基電路第39頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月場效應(yīng)管基本共漏放大電路第四節(jié)：場效應(yīng)管放大電路基本特性及應(yīng)用范圍同共集電路第40頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月場效應(yīng)管基本電流源(一)第四節(jié)：場效應(yīng)管放大電路T2管的，保證其工作在飽和區(qū)設(shè)忽略溝道長度調(diào)制效應(yīng)后()，若兩管參數(shù)對稱則為鏡像電流源，否則為比例電流源第41頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月場效應(yīng)管基本電流源(二)第四節(jié)：場效應(yīng)管放大電路為了提高集成度，通常用有源電阻代替一般電阻合理設(shè)計T1、T3管的寬長比，即可得到符合要求的參考電流第42頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月場效應(yīng)管串聯(lián)電流源第四節(jié)：場效應(yīng)管放大電路T3、T4特性相同輸出電流幾乎不受電流源輸出端電壓的影響，從而使輸出電阻大為提高，保證了良好的恒流特性第43頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月場效應(yīng)管威爾遜電流源第四節(jié)：場效應(yīng)管放大電路三管均工作在飽和區(qū)具有很高的輸出電阻由于串聯(lián)電流源和威爾遜電流源在輸出回路中串聯(lián)有兩個MOS管且要求兩管均工作于飽和區(qū)，從而在電源電壓一定的情況下，減小了輸出端電壓變化的動態(tài)范圍第44頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月MOS管有源電阻第四節(jié)：場效應(yīng)管放大電路在工作點(diǎn)處DS之間的直流電阻為，小信號動態(tài)電阻可在Q點(diǎn)處切線斜率求得注意伏安特性曲線的做法也可用P溝道管構(gòu)成類似電阻第45頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月NMOS管共源E/E型放大電路第四節(jié)：場效應(yīng)管放大電路放大管與負(fù)載管均為增強(qiáng)型MOS管的放大電路稱為E/E放大電路第46頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月NMOS管共源E/D型放大電路第四節(jié)：場效應(yīng)管放大電路以增強(qiáng)型MOS管(稱為E管)作為放大管，耗盡型MOS管(稱為D管)作為負(fù)載管的放大電路稱為E/D放大電路第47頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月CMOS共源放大電路第四節(jié)：場效應(yīng)管放大電路沒有襯底調(diào)制效應(yīng)的原因?yàn)楸ＷCT2管工作于飽和區(qū)，其柵極偏壓應(yīng)小于，且。同理，為保證T1工作于飽和區(qū)，應(yīng)滿足T1為放大管，T2為負(fù)載管第48頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月三種單級放大電路的主要性能比較第四節(jié)：場效應(yīng)管放大電路放大管：負(fù)載管：從輸出曲線變化范圍比較從線性放大區(qū)特性的斜率比較第49頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月場效應(yīng)管差分放大電路綜述第四節(jié)：場效應(yīng)管放大電路場效應(yīng)管差分放大電路的形式、基本特性及分析方法與BJT差放一樣場效應(yīng)管差放具有輸入電阻大、輸入電流小、輸入線性范圍大等優(yōu)點(diǎn)場效應(yīng)管差放通常也有微變增益低、偏差失調(diào)大的缺點(diǎn)第50頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月MOS管基本差分放大電路(一)第四節(jié)：場效應(yīng)管放大電路電路結(jié)構(gòu)說明差模微變增益的求解：第51頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月MOS管基本差分放大電路(二)第四節(jié)：場效應(yīng)管放大電路MOS管差放的傳輸特性與三極管類似但其非限幅區(qū)范圍比三極管差放寬許多第52頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月MOS管基本差分放大電路(三)第四節(jié)：場效應(yīng)管放大電路共模交流通路：第53頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月MOS管有源負(fù)載差分放大電路(一)第四節(jié)：場效應(yīng)管放大電路E/E型放大電路負(fù)載管的微變電阻為第54頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月MOS管有源負(fù)載差分放大電路(二)第四節(jié)：場效應(yīng)管放大電路以電流源作為有源負(fù)載的CMOS差放第55頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月MOS管有源負(fù)載差分放大電路(三)第四節(jié)：場效應(yīng)管放大電路以鏡像電流源作為有源負(fù)載的CMOS差放可類比三極管差放電路第56頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月差放中的襯底調(diào)制效應(yīng)第四節(jié)：場效應(yīng)管放大電路請自行閱讀課本第57頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月模擬開關(guān)綜述第五節(jié)：場效應(yīng)管模擬開關(guān)模擬開關(guān)：用于控制信號的通斷一個理想的模擬開關(guān)，接通時電阻為零，關(guān)斷時電阻為無窮大。開關(guān)的工作速度要快且對其它電路的性能的影響要小實(shí)際的模擬開關(guān)是由工作在開關(guān)狀態(tài)的晶體管或場效應(yīng)管組成，外加控制電壓使晶體管交替工作在飽和區(qū)和截止區(qū)，或使場效應(yīng)管交替工作在可變電阻區(qū)和截止區(qū)第58頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月單管MOS模擬開關(guān)(一)第五節(jié)：場效應(yīng)管模擬開關(guān)由于N溝道MOS管的導(dǎo)通電阻小，單溝道模擬開關(guān)一般使用NMOS管當(dāng)柵極控制電壓為低電平即時，MOS管截止，開關(guān)斷開當(dāng)柵極控制電壓為高電平即時，管子，MOS管導(dǎo)通，且由于負(fù)載電阻很大，管子工作于可變電阻區(qū)…，開關(guān)閉合第59頁，課件共65頁，創(chuàng)作于2023年2月單管MOS模擬開關(guān)(二)第五節(jié)：場效應(yīng)管模擬開關(guān)為使開關(guān)能正常工作，MOS管各極之間的電壓必須滿足一定