模擬電路課件.ppt

1、4.1 結(jié)型場效應(yīng)管 根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，場效應(yīng)管可分為兩大類：結(jié)型場效應(yīng)管和金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管。,4.1.1結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)構(gòu) 結(jié)型場效應(yīng)管（簡稱JFET）有N溝道和P溝道兩種結(jié)構(gòu)形式。 N溝道JFET是在一塊N型半導(dǎo)體材料的兩側(cè)進(jìn)行高濃度擴散形成兩個P區(qū)（記作P+）構(gòu)成兩個PN結(jié)，將這兩個P區(qū)連在一起引出一個電極，稱為柵極（g），在N型半導(dǎo)體的兩端各引出一個電極，分別稱為源極（s）和漏極（d），中間的N區(qū)為電流流通的路徑，稱為導(dǎo)電溝道。,4.1 結(jié)型場效應(yīng)管,如在P型半導(dǎo)體材料兩側(cè)各制作一個高濃度的N區(qū)，便可形成一個P溝道JFET 。 它們符號如圖，圖中箭頭所示方向為PN結(jié)的方向。,P溝道

2、JFET,N溝道JFET,4.1.2 工作原理 下面以N溝道結(jié)型場效應(yīng)管為例討論其工作原理。,當(dāng)N溝道結(jié)型場效應(yīng)管處在放大狀態(tài)時，在柵、源極之間加反向電壓UGS，柵極電流IG0，場效應(yīng)管呈現(xiàn)高達(dá)107以上的輸入電阻。 而在漏、源極之間加正向電壓UDS，使N溝道中的多數(shù)載流子(電子)在電場作用下由源極向漏極運動，形成電流ID。ID的大小受UGS控制。 因此，討論結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理就是討論UGS對ID的控制作用和UDS對ID的影響。,1. UGS對導(dǎo)電溝道ID的控制作用,改變電壓UGS，就可改變溝道電阻值的大小。若加正向電壓UDS，則改變電壓UGS就可改變電流ID。 當(dāng)|UGS|，溝道電阻 ，

3、ID；反之，ID 。 利用電壓UGS產(chǎn)生的電場來控制導(dǎo)電溝道電流ID ，這就是結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理。,1. UGS對導(dǎo)電溝道ID的控制作用,2. UDS對導(dǎo)電溝道ID的影響 當(dāng)uGS負(fù)向電壓的數(shù)值小于Up某值時， iD隨uDS變化。,設(shè)uDS為零時，iD顯然為零。 當(dāng)uDS正向電壓逐漸增加時，溝道電場強度加大，漏極電流iD隨uDS升高幾乎成正比地增大。但是，由于漏極電流iD沿溝道產(chǎn)生的電壓使得溝道上各點與柵極間的電壓不再是相等的，漏極處的電壓最大，隨著電位的降低在源極處的電壓最小。所以增加uDS，又產(chǎn)生了阻礙漏極提高的因素。 當(dāng)uDS增大到使|uGD|等于|Up|時，在漏極附近兩側(cè)的耗盡層開

4、始合攏于1點A，這種情況稱為予夾斷，iD達(dá)到了飽和漏極電流IDSS，IDSS下標(biāo)中的第二個S表示柵源極間短路的意思，此時有uGD=uGS-uDS，若uGS=0，uGD=-uDS=Up。 當(dāng)uDS再繼續(xù)增加時，增大電流iD的作用與阻礙電流iD的作用相平衡，iD=IDSS基本上不隨uDS增加而上升。 uDS增加到U（BR）DS時，夾斷區(qū)的耗盡層擊穿, iD將突然增大 。,2. UDS對導(dǎo)電溝道ID的影響,2. UDS對導(dǎo)電溝道ID的影響,當(dāng)uGS=0時， iD隨uDS變化的曲線如圖(a)所示 。 改變電壓uGS可得一族曲線， iD=f(uDS)|uGS=常數(shù) 稱為輸出特性特性曲線，如圖(b)所示。

5、 由于每個管子的Up為一定值，因此，預(yù)夾斷點隨uGS改變而變化，它在輸出特性上的軌跡如圖（b）中左邊虛線所示。,結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)論：,（1）柵、源之間的PN結(jié)是反向偏置的，因此，其iG0，輸入電阻很高。 （2）iD受uGS控制，是電壓控制電流器件。 （3）預(yù)夾斷前，iD與uDS呈近似線性關(guān)系；預(yù)夾斷后，iD趨于飽和。 P溝道結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理與N溝道相對應(yīng)。用于放大時，使用電源電壓極性與N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的正好相反。,4.1.3 特性曲線,結(jié)型場效應(yīng)管的特性曲線包括輸出特性曲線和轉(zhuǎn)移特性曲線兩種。 1. 輸出特性曲線的四個區(qū) 可變電阻區(qū)（非飽和區(qū)）：該區(qū)的特點是當(dāng)uDS增加時，iD隨uDS

6、線性增加， uGS不同時，iD增加的斜率不同。 恒流區(qū)（飽和區(qū)）：該區(qū)的特點是iD的大小受uGS的控制，而與uDS的大小基本無關(guān)。場效應(yīng)管在作放大器使用時一般工作在此區(qū)域，所以該區(qū)也稱為線性放大區(qū)。 擊穿區(qū)：該區(qū)的特點是反向偏置的PN結(jié)發(fā)生雪崩擊穿，iD將突然聚增，管子不能正常工作，甚至很快燒毀。所以，場效應(yīng)不允許工作在這個區(qū)域。 (4)夾斷區(qū)（截止區(qū)）：當(dāng)|uGS|Up|時，溝道被夾斷，iD0，此區(qū)域稱為夾斷區(qū)或截止區(qū)，它對應(yīng)于靠近橫軸的部分。此區(qū)的特點是場效應(yīng)管的漏、源極之間可看作開關(guān)斷開。,2. 轉(zhuǎn)移特性曲線,轉(zhuǎn)移特性曲線為iD=f(uGS) u DS=常數(shù)，它反映柵極電壓對漏極電流的控

7、制作用。轉(zhuǎn)移特性曲線可直接從輸出特性上用作圖法求出。,2. 轉(zhuǎn)移特性曲線,由于在飽和區(qū)內(nèi)，不同uDS的轉(zhuǎn)移特性是很接近的，這是因為在飽和區(qū)iD幾乎不隨uGS而變。因此可用一條轉(zhuǎn)移特性曲線來表示恒流區(qū)中的轉(zhuǎn)移特性，使分析得到簡化。實驗表明，在UPuDS0范圍內(nèi)，即在飽和區(qū)內(nèi)，iD隨uGS的增加(負(fù)數(shù)減少)近似按平方規(guī)律上升，因而有,式中IDSS為uGS=0、uDS增加到使場效應(yīng)管產(chǎn)生予夾斷時的飽和漏極電流。這樣，只要給出IDSS和UP就可以把轉(zhuǎn)移特性中的其它點近似計算出來。,4.1.4 主要參數(shù), 夾斷電壓Up 飽和漏極電流IDSS 最大漏、源電壓U(BR)DS 最大柵、源電壓U(BR)GS 最

8、大耗散功率PDM 直流輸入電阻RGS 低頻互導(dǎo)gm 當(dāng)uDS為某一確定值時，漏極電流的微小變化量與引起它變化的柵、源電壓的微小變化量之比稱為gm 。gm是表征場效應(yīng)管放大能力的一個重要參數(shù)，單位為mS。當(dāng)UPuGS0）時，gm的近似估算公式為,4.2 金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管,結(jié)型場效應(yīng)管的輸入電阻從本質(zhì)上來說是PN結(jié)的反向電阻，PN結(jié)反向偏置時總會有一些反向電流存在，這就限制了輸入電阻的進(jìn)一步提高，在有些要求更高的場合仍不能滿足要求。 金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管（簡稱MOS場效應(yīng)管）是利用半導(dǎo)體表面的電場效應(yīng)進(jìn)行工作的。由于它的柵極處于不導(dǎo)電(絕緣)狀態(tài)，因而具有更高的輸入電阻，也由此得名為絕

9、緣柵場效應(yīng)管。 MOS場效應(yīng)管也可分為N溝道和P溝道兩類，但工作原理相似，每一類又分為增強型和耗盡型兩種。,4.2.1N溝道增強型MOS場效應(yīng)管,基本結(jié)構(gòu) 襯底為P型硅片，摻雜濃度較低； 利用擴散法擴散兩個相距很近的高摻雜N型區(qū)，并安置2個電極：源極s 和漏極d ； 在硅片表面生成一層很薄的二氧化硅絕緣層，并在兩個N 型區(qū)之間的二氧化硅的表面安置電極：漏極d。 柵極與源極 、漏極之間是絕緣的，所以稱為絕緣柵場效應(yīng)管； 漏極和源極之間形成兩個背靠背的PN結(jié)；,2. 工作原理 場效應(yīng)管工作時，通常將其襯底與s連在一起，在d與s之間接入適當(dāng)大小的正向電壓uDS，利用電壓uGS的大小，來控制漏極電流i

10、D的大小。,1）當(dāng)UGS = 0 時，不論所加電壓UDS 的極性如何，其中總有一個PN 結(jié)是反向偏置的，反向電阻很高，則漏極電流 I D0。兩個N 型區(qū)與P型襯底之間形成耗盡層。,2. 工作原理,2） 當(dāng)柵源極之間加正向電壓UGS (見圖b) ，在UGS 的作用下，產(chǎn)生了垂直于襯底表面的電場，P 型硅中少數(shù)載流子（自由電子）被吸到表面層填補空穴形成負(fù)離子的耗盡層。,2. 工作原理,3）當(dāng)柵極與源極之間加正向電壓UGS到一定值（UT）時 ，被吸到表面層中的自由電子較多，填補空穴后還有剩余，在表面層中形成一個N型層，由于它的性質(zhì)與P型區(qū)相反，故稱為反型層，它就是溝通源區(qū)和漏區(qū)的N型導(dǎo)電溝道， UT

11、稱為開啟電壓。,2. 工作原理,4）形成導(dǎo)電溝道后，MOS 管即導(dǎo)通，在漏極電源U DD 的作用下，將產(chǎn)生漏極電流I D ，UGS正值愈高，導(dǎo)電溝道愈寬， I D愈大。因此，改變UGS的大?。锤淖僓GS產(chǎn)生電場的強弱）就能有效地控制漏極電流ID的大小。外加的UDS較小時，ID將隨UDS上升迅速增大，由于溝道存在電位梯度，因此溝道厚度是不均勻的，靠近源端厚，靠近漏端薄。當(dāng)UDS增加到使UGD=UT時，溝道在漏極處附近出現(xiàn)予夾斷。隨后UDS繼續(xù)增加，夾斷區(qū)增長，但I(xiàn) D電流趨于飽和，基本不變。,2. 工作原理,UDS較小,ID迅速增大 UDS較大出現(xiàn)夾斷，ID趨于飽和,3.特性曲線與電流方程,輸

12、出特性曲線 恒流區(qū)轉(zhuǎn)移特性曲線 輸出特性曲線也可分為可變電阻區(qū)、恒流區(qū)、夾斷區(qū)和截止區(qū)。 在恒流區(qū)內(nèi)電流方程為 式中ID0為uGS=2UT時的iD值。,4.2.2 N溝道耗盡型MOS場效應(yīng)管,1.結(jié)構(gòu)特點 SiO2絕緣層里摻入大量的正離子，即使不外加?xùn)?、源電壓，在這些正離子的作用下，P型襯底表面已經(jīng)出現(xiàn)反型層，形成導(dǎo)電溝道 ，故稱為耗盡型MOS場效應(yīng)管。,2. 工作原理,uGS0，導(dǎo)電溝道增寬，iD增大；反之，uGS0，導(dǎo)電溝道變窄、iD減小。 當(dāng)uGS負(fù)向增加到某一數(shù)值時，導(dǎo)電溝道消失，iD趨向于零，管子截止，此時的柵、源電壓uGS稱為夾斷電壓仍用即UP。 這種在一定范圍內(nèi)uGS的正、負(fù)值均

13、可控制iD的大小的特性是耗盡型MOS場效應(yīng)管的一個重要特點。,3.特性曲線,輸出特性曲線 恒流區(qū)轉(zhuǎn)移特性曲線,4.2.3 P溝道MOS場效應(yīng)管,P溝道MOS場效應(yīng)管與N溝道MOS場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)正好對偶，N型襯底、P型溝道，所以上面對的N溝道MO場效應(yīng)管工作原理及特性的分析也基本上適用于P溝道MOS場效應(yīng)管。 使用時注意各電源電壓極性與N溝道MOS場效應(yīng)管正好相反。 增強型P溝道MOS場效應(yīng)管的開啟電壓UT為負(fù)值，耗盡型管制作時在絕緣層中摻入負(fù)離子，其夾斷電壓UP也為負(fù)值。,4.2.4 MOS場效應(yīng)管的主要參數(shù),耗盡型MOS場效應(yīng)管的主要參數(shù)與結(jié)型場效應(yīng)管完全相同。 增強型MOS場效應(yīng)管的主要參

14、數(shù)也與結(jié)型場效應(yīng)管基本相同，只是沒有夾斷電壓這一參數(shù)，取代它的是開啟電壓UT。開啟電壓UT是指當(dāng)uDS為某一固定值時能產(chǎn)生iD所需的最小|uGS|值。 由于MOS場效應(yīng)管輸入電阻極大，使得柵極的感應(yīng)電荷不易泄放，極易產(chǎn)生高壓，使管子擊穿。因此，當(dāng)MOS場效應(yīng)管不使用時，應(yīng)使其三個電極短路。 MOS場效應(yīng)管的襯底和源極通常是接在一起的，即使分開，也應(yīng)保證襯底和源極之間的PN結(jié)反向偏置，以使管子正常工作。,4.3 場效應(yīng)管的特點,場效應(yīng)管具有放大作用，可以組成各種放大電路，它與雙極性晶體管相比，具有如下幾個特點: (1)場效應(yīng)管是一種電壓控制器件，它通過uGS來控制iD。 (2)場效應(yīng)管輸入端幾乎

15、沒有電流，所以其直流輸入電阻和交流輸入電阻都非常高。 (3)由于場效應(yīng)管是利用多數(shù)載流子導(dǎo)電的，因此，與雙極性晶體管相比，具有噪聲小、受幅射的影響小、熱穩(wěn)定性較好等特性。 (4)由于場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)對稱，有時漏極和源極可以互換使用，而各項指標(biāo)基本上不受影響。對于有的絕緣柵場效應(yīng)管，制造時源極已和襯底連在一起，則漏極和源極不能互換,4.3 場效應(yīng)管的特點,(5)場效應(yīng)管的制造工藝簡單，有利于大規(guī)模集成。特別是MOS電路，硅片上每個MOS場效應(yīng)管所占面積是晶體管5%，因此集成度更高，目前，大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路主要由MOS電路構(gòu)成。 (6)由于MOS場效應(yīng)管的輸入電阻高，因此，由外界靜電感應(yīng)所產(chǎn)生

16、的電荷不易泄漏。為此，在存放時，應(yīng)將各電極引線短接。焊接時，要注意將電烙鐵外殼接上可靠地線，或者在焊接時，將電烙鐵與電源暫時脫離。 (7)場效應(yīng)管的互導(dǎo)較小，當(dāng)組成放大電路時，在相同的負(fù)載電阻時，電壓放大倍數(shù)比雙極型晶體管低。,4.4 場效應(yīng)管放大電路,場效應(yīng)管與雙極性三極管都具有放大作用，都存在著的三個極，其對應(yīng)關(guān)系為：柵極g對應(yīng)基極b；源極s對應(yīng)發(fā)射極e；漏極d對應(yīng)集電極c。所以根據(jù)雙極性三極管放大電路的三種不同組態(tài)，可組成相應(yīng)的場效應(yīng)管放大電路。但由于兩種放大器件各自的特點，故不能將雙極性三極管放大電路的三極管，簡單地用場效應(yīng)管取代，,4.4.1 場效應(yīng)管的直流偏置電路,場效應(yīng)管是電壓控

17、制器件，要建立合適的靜態(tài)工作點Q，需要有合適的柵極電壓，避免輸出波形產(chǎn)生嚴(yán)重的非線性失真。通常偏置的形式有兩種。 1.自偏壓電路 自偏壓電路適用于 結(jié)型場效應(yīng)管或耗盡型 場效應(yīng)管，與晶體管的 射極偏置電路相似。,4.4.1 場效應(yīng)管的直流偏置電路,因Rg上沒有壓降， IG0，所以s極直流電位與地相等。 依靠電流ID在R上的電壓降，使電路自行提供柵極偏壓UGS=-IDR。UGS=-IDR稱為自偏壓電路的偏置線方程。 為減少R對放大倍數(shù)的影響， 在R兩端同樣也并聯(lián)一個足 夠大的旁路電容C，稱為源 極旁路電容。,4.4.1 場效應(yīng)管的直流偏置電路2.分壓式偏置電路,柵極電壓UGRg2UDD(Rgl+

18、Rg2) 電阻R上的壓降US=IDR 靜態(tài)時柵源電壓為 UGS=UG-US= -(IDR-Rg2UDD/( Rg1+ Rg2) 上式稱為分壓式偏置電路的偏置線方程。這種偏壓電路適用于增強型管子的電路。,4.4.2 靜態(tài)分析,對場效應(yīng)管放大電路的靜態(tài)分析一般可采用圖解法和公式計算法。圖解法的原理和晶體管相似。下面討論用公式進(jìn)行計算以確定Q點。 利用轉(zhuǎn)移特性近似計算公式，在UPUGS0 條件下得到ID和UGS的關(guān)系 ：ID=IDSS(1-UGS/UP)2。 與偏置線方程聯(lián)立求解，即可得到電路的靜態(tài)值ID和UGS。,例1 電路參數(shù)如圖所示，場效應(yīng)管的UP-1V，IDSS0.5mA，試確定Q點。,解：

19、 由近似計算公式得ID=IDSS(1-UGS/UP)2 m A ID= 0.5 (1+UGS)2 (1) 由偏置線方程得 UGS=-(IDR-Rg2UDD/( Rg1+ Rg2) V UGS=0.4-2ID (2) 聯(lián)立(1) (2)式求解 ID(0.950.64)mA UGS=-(1.51.28)V,因UPUGS0，取UGSQ=-0.22V IDQ= 0.31mA,4.4.3 場效應(yīng)管的微變等效電路,如果輸入信號很小，場效應(yīng)管工作在線性放大區(qū)(即輸出特性中的恒流區(qū))時，和晶體管一樣，可用微變等效電路來進(jìn)行動態(tài)分析。 共源極接法 中、低頻微變等效電路 高頻微變等效電路,gm雖然是動態(tài)參數(shù)，其大小與靜態(tài)工作點有關(guān)。,4.4.4 動態(tài)分析1.共源極放大電路,本節(jié)主要討論中頻動態(tài)分析 共源極電路 微變等效電路,(1) 電壓放大倍數(shù),(2)輸入和輸出電阻,由輸入端看ri=Ui/Ii=Rg3+ Rg1 /Rg2 由輸出端看ro=Uo/Io Ui=0 =Rd,2.共漏極放大器(源極