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1、1 第四章 場效應(yīng)管放大電路 BJT的缺點(diǎn)：輸入電阻較低 , 溫度特性差。 場效應(yīng)管 (FET)：利用電場效應(yīng)控制其電流的半導(dǎo)體 器件。 優(yōu)點(diǎn)： 輸入電阻非常高 (高達(dá) 1071015歐姆 )， 噪聲低， 熱穩(wěn)定性好， 抗輻射能力強(qiáng)，工藝簡單，便于集成。 根據(jù)結(jié)構(gòu)不同分為： 結(jié)型 場效應(yīng)管 (JFET); 絕緣柵型 場效應(yīng)管 (MOSFET) 根據(jù)溝道性質(zhì)分為： N溝道 ; P溝道 根據(jù)偏壓為零時(shí)溝道能否導(dǎo)電分為： 耗盡型，增強(qiáng)型 場效應(yīng)管工作時(shí)，只有一種極性的載流子參與導(dǎo)電， 所以場效應(yīng)管又稱為 單極型晶體管 。 2 4.1 結(jié)型場效應(yīng)管 4.1.1 JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理 1. 結(jié)構(gòu) :

2、 N d g s 高攙雜 的 P型區(qū) . N溝道 JEFT的示意圖 N型導(dǎo)電 溝道 符號 g d s 對于 N溝道 JEFT 工作于放大狀態(tài)， vGS0 g柵極， s源極， d漏極 3 P d g s 高攙雜的 N型區(qū) . P型導(dǎo)電 溝道 P溝道 JEFT的示意圖 對于 P溝道 JEFT 工作于放大狀態(tài)， vGS 0. vDS 0 g d s 符號 4 2. 工作原理 (1) vGS對 iD的控制作用 vGS=0 VpvGSVP且不變 vDS=0， 耗盡層均勻 vGSVp vGDVp ：溝道呈電阻性， iD隨 vDS升高幾乎成正比例的增加。 vDS不為 0時(shí)， 耗盡層變成鍥型。 vDS增加，鍥

3、型的斜率加大。 N d g s N d g s 耗盡層 iD 7 vGD=vGS-vDS vDS ， vGD 當(dāng) vGD=VP時(shí)， 靠近 D端兩邊的耗盡層 相接觸 預(yù)夾斷 。 iD達(dá)到了最大值 IDSS。 此時(shí)： vDS=vGS-VP vDS再加大， vGD vGS-VP) 耗盡層兩邊相接觸的長度 增加， iD基本上不隨 vDS的 增加而上升，漏極電流趨于 飽和 飽和區(qū)，恒流區(qū)。 N d g s N g d s 預(yù)夾 斷 夾斷 長度 增加 8 4-1-2 N溝道， JFET的特性曲線 (1) 輸出特性 iD=f(vDS)|vGS=常數(shù) 在該區(qū) FET 可以看 成一個(gè)壓控電阻。 特點(diǎn) : vGS

4、越負(fù)，耗盡層越寬， 漏源間的電阻越大，輸 出曲線越傾斜。 iD與 vDS 幾乎成線性關(guān) 系。 1區(qū) : 可變電阻區(qū) 0vGSVP , 0vGDVp 9 2區(qū) ：飽和區(qū) （恒流區(qū)，線性放大區(qū) ） 0 vGS Vp, vGDVp 特點(diǎn) : iD 隨 vGS下降而減少 , iD受 vGS 的控制。 vDS 增加時(shí)， iD基本保 持不變，成 恒流特性 。 在該區(qū)域，場效應(yīng)管等效成 一個(gè) 受 vGS控制的恒流源 。 場效應(yīng)管作放大器 時(shí)工作在該區(qū)域。 10 4區(qū)： 擊穿區(qū) vDS太大，致使柵漏 PN結(jié)雪崩擊穿， FET 處于擊穿狀態(tài) .。場 效應(yīng)管一般不能工作 在該區(qū)域內(nèi)。 3區(qū)： 截止區(qū) vGSVP

5、， vGDVP iD=0 場效應(yīng)管截止 11 (2) 轉(zhuǎn)移特性曲線 iD= f (vGS)|vDS= 常數(shù) 表征柵源電壓 vGS對漏極電流的控制作用， 場效應(yīng)管是電壓控制器件。 在飽和區(qū)內(nèi)， FET可看 作壓控電流源。 轉(zhuǎn)移特性方程： iD=IDSS(1-vGS/VP)2 VP IDSS vGS - 0.8 0.4 vGS 12 （ 3）主要參數(shù) 夾斷電壓： VP 當(dāng)導(dǎo)電溝道剛好完全被關(guān)閉時(shí)，柵源所對應(yīng)的電 壓 vGS 稱為夾斷電壓。 夾斷電壓與半導(dǎo)體的攙雜濃度有關(guān)。 飽和漏電流： IDSS 場效應(yīng)管處于 飽和區(qū)， 且 vGS=0 時(shí)的漏極電流，對 于結(jié)型場效應(yīng)管，為最大工作電流。 低頻互導(dǎo)：

6、 gm gm=diD/dvGS|vDS=常數(shù) 反映了柵源電壓對漏極電流的控制能力，是轉(zhuǎn)移 特性曲線上，靜態(tài)工作點(diǎn)處的斜率。 13 輸出電阻： rd 輸出電阻反映了 vDS對 iD的影響，是輸出特性上，靜 態(tài)工作點(diǎn)處切線斜率的倒數(shù)。 在飽和區(qū)內(nèi)， iD隨 vDS改變很小，因此 rd 數(shù)值很大。 最大漏源電壓： V(BR)DS 最大耗散功率： PDM GS P GS D S S GS D m dv V v dI dv di g 2)1( )1(2 P GS P D S S m V v V Ig 14 4.3 金屬 -氧化物 -半導(dǎo)體場效應(yīng)管 4.3.1 N溝道增強(qiáng)型 MOSFET 金屬柵極、 Si

7、O2絕緣層、半 導(dǎo)體，構(gòu)成平板電容器。 MOSFET 利用柵源電壓的大 小，來改變襯底 b表面感生 電荷的多少，從而控制漏 極電流的大小。 N溝道增強(qiáng)型 MOS管示意圖 N溝道增強(qiáng)型 MOS管符號 s g d 襯底 b P N+ N+ 鋁 SiO2 MOS場效應(yīng)管的類型： 增強(qiáng)型 ：包括 N溝道和 P溝道 耗盡型 ：包括 N溝道和 P溝道 d s g b P溝道增強(qiáng)型 MOS管符號 d s g b 15 1、溝道形成原理 vDS=0時(shí)， vGS 的作用 在 SiO2絕緣層中產(chǎn)生垂直向下的電場， 該電場排斥 P區(qū)中的多子空穴，而將少 子電子吸向襯底表面。 vGS不夠大時(shí) ，吸向襯底表面的電子將與

8、 空穴復(fù)合而消失，襯底表面留下了負(fù)離 子的空間電荷區(qū) 耗盡層，并與兩個(gè) PN 結(jié)的耗盡層相連，此時(shí)源區(qū)和漏區(qū)隔斷。 無導(dǎo)電溝道 iD=0 vGS =0時(shí) ， iD=0 0vGSVT 剛形成反型層所需的 vGS 的值 開啟電壓 VT 。 vGSVT， 溝道形成， vDS0時(shí)，將形成電流 iD。 vGS ，溝道加寬，溝道電阻 ， iD 。 g P d s N+ N+ N溝道 當(dāng)外加正 vDS 時(shí)，源區(qū)的多子 (電子 )將 沿反型層漂移到漏區(qū)形成漏極電流 iD。 17 vGSVT且不變 , vDS對溝道的影響 導(dǎo)電溝道形成后， 在 vDS的作用下，形成漏極電流 iD ， 沿溝道 ds，電位逐漸下降

9、, sio2中電場沿溝道 ds逐漸加大， 導(dǎo)電溝道的寬度也沿溝道逐漸加 大，靠近漏極端最窄。 vGS VT , 且 vGD VT (vDS vGS-VT ) 溝道暢通，場效應(yīng)管等效為小電阻 （可變電阻區(qū)）。 P N+ N+ g d s 18 vDS再 ， 使 vGDvGS-VT) 夾斷點(diǎn)向左移動(dòng)，溝道中形成高阻區(qū)， 電壓的增加全部降在高阻區(qū)， iD基本 不變 恒流區(qū)。 vDS , vGD , 溝道斜率 ， 靠近漏極端更窄。 當(dāng) vGD=VT 時(shí) (vDS= vGS-VT) 靠近漏極端的反型層剛好消失 預(yù)夾斷。 預(yù)夾 斷 g d P N+ N+ s g d s P N+ N+ 19 3 、特性曲

10、線 1區(qū)：可變電阻區(qū) : vGSVT vGDVT 溝道呈電阻性， iD隨 vDS 的增大而線性增大。 電阻值隨 vGS增加而減小。 2區(qū)：恒流區(qū) (線性放大區(qū)） vGSVT vGDVT iD=IDO (vGS/VT)-1 2 IDO是 vGS=2VT時(shí)， iD的值。 iD 受 vGS 的控制。 4區(qū)：擊穿區(qū) 3區(qū) 截止區(qū) vGSVT vGDVTP T1截止 vGSN=VDDVTN T2導(dǎo)通 vo=0 vi=0 vGSP= -VDD VTP T1導(dǎo)通 vGSN=00 , iD為電子電流 , iDS0（電流實(shí)際方向流入漏極） P溝道： vDS0 , iD為空穴電流 , iDS0 （電流實(shí)際方向流出

11、漏極） 襯底的極性 ：必須保證 PN結(jié)反偏。 N溝道： P型襯底須接在電路中的最低電位上。 P溝道： N型襯底須接在電路中的最高電位上。 增強(qiáng)型 MOS管： vGS單極性，總與 vDS一致（ N溝道正， P溝道負(fù)）。 vGS=0時(shí) iDS=0。 耗盡型 MOS管 ： vGS可正可負(fù)。 J型場效應(yīng)管： vGS單極性，總與 vDS相反（ N溝道負(fù) ,， P溝道正 )。 vGS=0時(shí) iDS 0（絕對值達(dá)最大） 轉(zhuǎn)移特性： N溝道 v GS iDS v GS iDS P溝道 23 4.4 場效應(yīng)管放大電路 4.4.1 FET的直流偏置電路及靜態(tài)分析 1 零偏壓電路 2 自偏壓電路 VGS= - ID

12、RS VGS=0 Rd VDD s g RG d b 直流偏置電路 Rd VDD s g RG d b RS 適應(yīng)于耗盡型 MOS場效應(yīng)管 適應(yīng)于結(jié)型或耗 盡型 MOS管 24 3 分壓式自偏壓電路 VGS可正可負(fù) , 適應(yīng)于任何一種類型 . 靜態(tài)工作點(diǎn)的確定 根據(jù)外部電路列出線性方程 列出場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性方程 Rd VDD s g Rg1 d b RS Rg2 Rg3 SDDD gg g SGGS RIVRR R VVV 21 2 增強(qiáng)型 MOS管 J型、耗盡型 MOS管 的值時(shí)是 DTGSDO T GS DOD iVVI V V II 2 )1( 2 2)1( P GS D S SD V

13、 VII 25 例 . ,5.0,1 ,18,2,30 ,10,47,2 321 點(diǎn)確定 Q mAIVV VVKRKR MRKRMR D S SP DDD ggg DSDDD gg g GS IRIVRR R V 24.0 21 2 22 )1(5.0)1( GS P GS D S SD VV VII mAImAI DD 31.0,59.1 Rg3 s g R Rd VDD Rg1 d Rg2 J型管 iD不能大于 IDSS 1.59mA的結(jié)果舍去 ID=0.31mA VRRIVV VV dDDDDS GS 1.8)( 22.0 26 4.4.2 FET的小信號模型分析法 FET的低頻小信號簡

14、化模型 g d s gsV gsmVg dsV FET低頻小信號模型 rd rgs g d s gsV gsmVg dsV cgs cgd cds FET高頻小信號模型 . rgs g d s gsV gsmVg dsVrd 27 應(yīng)用小信號模型分析 FET的放大電路 共源放大 : gs dgsm i o V V RVg V VA 如果接有外負(fù)載 RL )/( LdmV RRgA iV Rd VDD s g Rg1 d b R Rg2 Rg3 oV Rg=Rg1/Rg2 Rg Rg3 g d s iV gsmVg oVRd RL RL 213 / gggi RRRR dmV RgA do RR

15、 28 源極電阻上無并聯(lián)電容 : 共源電路的特點(diǎn) : 電壓增益大 , 輸出電壓和輸入電壓反相 . 輸入電阻高 , 輸出電阻由漏極電阻 Rd決定 . RVgV RVg V VA gsmgs dgsm i o V gsmVg s R g d Rg3 Rg, Rd iV oV do gggi RR RRRR 213 / Rg=Rg1/Rg2 Rg RgA m dm V 1 29 共漏極放大器 (源極跟隨器 ) Lgsmgs Lgsm i o V RVgV RVg V VA g s d RS R g3 Rg RL gsmVg iV sV oV 213 / gggi RRRR oV VDD s g Rg1 d R Rg2 Rg3 iV RL Rg=Rg1/Rg2， RL=R/RL 11 Lm Lm V Rg RgA 30 輸出電阻 特點(diǎn) : 1 電壓增益小于 1,但 接近于 1.且輸入輸 出同相 . 2 輸入電阻高 ,而輸 出電阻較低 . ) 1 ( )( R gV R V Vg R V VgI mT T Tm T gsmT s g d RS Rg3 Rg R gsmVg TV TI R gI VR mT T o / 1