电子科大课堂讲义-模拟电路-第4章.PPT.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第四章 场效应管（FET）及基本放大电路,FET是另一种半导体器件。,主要特点：输入电阻高；,温度稳定性好；,工艺简单，便于集成。,它们在现代集成电路中得到了非常广泛的应用。,按结构分为：结型 N沟道（N-JFET）,P沟道（P-JFET）,绝缘栅型（IGFETMOSFET）N沟道,P沟道,按特性（工作方式）分为：耗尽型 JFET,MOSFET,增强型 MOSFET,FET分类,4-1 JFET,两类 N-JFET,P-JFET,电路符号如下,（,箭头指向：PN）,以箭头指向区别类型；靠近栅极(G)为源极(S)端。,N-JFET,P-JFET,一、JFET的结构和工作原理（N-JFET）,引出三个电极：源极（S极）类似于BJT的E极,漏极（D极）C极,栅极（G极）B极,导电沟道为N沟道。,工作原理：,利用外加电压（u,GS,、u,DS,）改变导电沟道宽度，从而控制漏极电流i,D,的大小。即利用半导体内电场效应，通过改变耗尽层宽度来改变导电沟道的宽窄，从而控制i,D,的大小。,（1）u,GS,的控制作用（u,DS,=0）,对于N沟道，u,GS,应为负电压，即P,+,N结应处于反偏状态。,当v,GS,绝对值耗尽层宽度导电沟道变窄,当u,GS,=U,P,时，沟道被耗尽层夹断，导电沟道不存在。这种现象称为,“全夹断”。,U,P,：,夹断电压，沟道刚处于全夹断对应的u,GS,值。,过程见图：,（2）u,DS,的控制作用（u,GS,=0）,(a)(b)(c),沟道电位由DS逐渐，故其特点为：导电沟道为不等宽的非均匀沟道，见(a)图。D处耗尽层最宽，导电沟道最窄；S处耗尽层最窄，导电沟道最宽。沟道内电子在u,DS,作用下形成i,D,（DS）。,i,D,和u,DS,的关系与u,DS,大小有关：,当u,DS,较小(200mV)时，i,D,随u,DS,近似成比例增加；,当u,DS,时，随着U,DS,，耗近层加宽，沟道变窄，使i,D,随u,DS,的速度变缓(非线性)；,当再u,DS,时，使u,GD,=U,P,时，耗尽层在靠近D处合拢（点接触），见图(b)。这种靠近D处的导电沟道刚刚消失的状态称为,“预夹断”,。此时对应的i,D,称为,饱和漏电流I,DSS,。此时u,DS,，沟道对应的状态是由一点接触（预夹断）到一段接触,（部分夹断）,，见图(c)。i,D,基本不变（饱和）。,当u,DS,至某值(BU,DS,），i,D,（击穿）。此时的漏源电压即PN结击穿电压,称为漏源击穿电压。,在i,D,u,DS,坐标系中描述i,D,随u,DS,变化的关系曲线,OA段：U,DS,较小时，i,D,U,DS,（电阻性质）；,AH段：i,D,随U,DS,的速度变慢（非线性）；,HB段：预夹断后,i,D,基本不随U,DS,的而(饱和)；,B段：GD间PN结反向击穿，i,D,急剧。,（3）u,GS,、u,DS,同时作用,u,GS,为反偏，使导电沟道比u,GS,=0时更窄，相同u,DS,下i,D,更小，但i,D,随u,DS,变化的规律不变。随着u,GS,的不同，曲线不同，故曲线为一簇。,此时预夹断条件：u,GD,=u,GS,-u,DS,=U,P,即：,u,DS,=u,GS,-U,P,二、N-JFET特性曲线及参数,用转移特性曲线和输出特性曲线描述。,1、输出特性曲线,分为四个区,（1）可变电阻区：,对应预夹断以前的未夹断状态（u,DS,u,GS,-u,P,）。在该区，DS间等效为一个受u,GS,控制的电阻R,DS,。,（2）恒流区（线性放大区）：,对应预夹断后的部分夹断状态（u,DS,u,GS,-u,P,）。在该区，DS等效为一个受u,GS,控制的电流源（VCCS）。,（3）夹断区：,对应u,GS,U,P,的区域，此时沟道全夹断，i,D,=0。在该区，DS间相当于开路。,（4）击穿区：,u,DS,过大，会使DG间P,+,N击穿，使用时，不能工作于此区。,2、转移特性曲线,U,P,u,GS,0（放大区内）,由输出特性曲线可作出转移特性曲线：,3、转移特性方程（放大区内）,（平方律关系）,4、P-JFET归纳,(1)外加直流电源极性与N-JFET相反：u,GS,0，,u,DS,0；,(2)U,p,0；3)i,D,：流出漏极为真实方向，即i,D,由SD；,(4)输出特性中的参变量u,GS,为正值，曲线在第三象限；,(5)转移特性曲线在四象限。,练习1 N-JFET的U,P,=-4V，要保证该管工作于放大区，静态U,GS,取值范围应是（）。,（1）-4V （2）-4V,（3）-4V与0V之间 （4）4V,练习2 电路如图，I,DSS,=2mA，U,P,=-4V；求i,D,=？,练习3（例4-1）,（a）u,GS,=-5VU,P,=-4V；,沟道处于全夹断状态，管 子工作于截止区。,（b）u,GS,=-3VU,P,=-4V，存在导电沟道；,且u,DS,=7Vu,GS,-U,P,=1V，沟道部分夹断，,故管子工作 在恒流区（放大区）。,（c）u,GS,=0VU,p,=-4V，存在导电沟道；,而u,DS,=0.5Vu,GS,-U,P,=1V,沟道未夹断，管子工,作在可变电阻区。,4-2 MOSFET,目前应用较多的绝缘栅场效应管是以S,i,O,2,作为金属（铝）和半导体材料之间的绝缘层，称为金属-氧化物-半导体场效应管（简称MOS管）。,MOSFET分为N沟道 耗尽型,增强型,P沟道 耗尽型,增强型,耗尽型：u,GS,=0时管子内部已存在导电沟道。,增强型：u,GS,=0时管子内部不存在导电沟道。,四种MOSFET的电路符号,说明：,1、由导电沟道为虚线、实线区分增强型、耗尽型管子；2、由箭头指向（PN）区分N沟道、P沟道管子；,3、电路中衬底B通常与源极S相连，以此区分源极和漏极。,一、N沟道增强型MOSFET,1、结构,2、工作原理,利用半导体表面的电场效应，通过改变反型层,（感生沟道）的厚薄来控制i,D,的大小。,u,GS,=0，不存在导电沟道（D-S间不通）；,u,GS,0，GB间产生垂直向下的电场（右下图）；,当u,GS,，因空穴被排斥而在P衬底表面形成负离子层（耗尽层）,（见左下图）,；,u,GS,至某值时，在绝缘层与耗尽层之间形成一个电子层即N型薄层（反型层）。它沟通了S和D，是一个感生沟道，称为N沟道,（见右下图）。,此时对应的u,GS,值称为,开启电压用U,T,表示。,u,GS,U,T,形成导电沟道如下示意图（图中耗尽层未画出）。,感生沟道即导电沟道，形成感生沟道后，若此时u,DS,0，将形成i,D,（DS）；,若u,DS,一定，当u,GS,越大，感应电荷越多，导电沟道越厚（宽），i,D,越大，反之，u,GS,越小，i,D,越小。实现了u,GS,对i,D,的控制作用。,全夹断状态,未夹断状态,预夹断状态,部分夹断状态,当u,GS,U,T,即导电沟道形成后，增强型MOSFET的u,GS,、u,DS,对i,D,及导电沟道的影响与JFET十分类似，,即：u,GS,变化整个沟道宽度变化；,u,DS,变化沟道成为非均匀沟道。,故管子对应的状态也分3、特性曲线,输出特性曲线,I,DO,：u,GS,=2U,T,时的I,D,值。,转移特性曲线,i,D,、u,GS,的数学表达式,（放大区内）：,4、N沟道增强型MOS管工作于放大区的偏置条件,u,GS,U,T,（0）；,u,DS,u,GS,-U,T,（1）结构：衬底为N型，S、D区为P,+,；,（2）工作在放大区偏置电压条件,u,GS,U,T,（0）；,u,DS,u,GS,-U,T,；,（3）i,D,方向：流出漏极；,（4）转移特性曲线：三象限；,（5）输出特性曲线：三象限且参变量u,GS,为负值。,5、P沟道增强型MOS管归纳、对比,二、N沟道耗尽型MOSFET,1、结构和工作原理,管子存在原始导电沟道，只要U,DS,0，就有i,D,；,加入u,GS,可改变原电场强度：,当u,GS,0时，加强原电场，沟道加宽，i,D,，,当u,GS,0时，削弱原电场，沟道变窄，i,D,，,当u,GS,达到某一负电压U,P,时，外电场抵消原始自建电场，沟道消失，i,D,=0。,故耗尽型MOS管的u,GS,可在一定范围内（正负）控制i,D,。,U,P,：称为耗尽型管的夹断电压，,其值为反型层(原始沟道)刚刚消失时对应的u,GS,。,2、特性曲线,转移特性曲线,耗尽型MOS管除u,GS,取值与增强型管不同外，其余工作原理与之相同。,i,D,、u,GS,间的数学关系与结型管相同,即：,输出特性曲线,参变量u,GS,可正、,可负、,可为零。,3、N沟道耗尽型MOS管放大偏置条件,u,GS,U,P,（U,P,0）；,u,DS,u,GS,-U,P,4、P沟道耗尽型MOS管归纳、对比,i,D,方向：流出漏极；,放大偏置条件：u,GS,U,P,（U,P,0）；,u,DS,u,GS,-U,P,三、六种类型场效应管转移特性归纳,N沟道管 P沟道管,练习1 由各转移特性曲线判断管子类型，标出相应的参数。,练习3,已知N-JFET的I,DSS,=2mA，U,P,=-4V，定性画出转移特性曲线和输出特性曲线。,4-3 FET偏置电路,FET偏置电路种类有：,自给偏压电路和混合偏压电路等。,一、自给偏压电路,由于自给偏压电路提供的U,GS,0，该偏置电路适,用于N沟道结型、耗尽型，而不适于增强型管。,直流通路,由输入回路得,U,GS,=-I,D,R,S,（1）,静态工作点计算（求解U,GSQ,、I,DQ,、U,DSQ,）：,首先画出电路的直流通路,由i,D,U,GS,关系式得,联立求解(1)(2)即得一组,合理的,U,GS,、I,D,。,再由输出回路列KVL有：U,DS,=U,DD,-I,D,(R,D,+R,S,),求出U,DS,值。,例4-3,U,GS,=U,G,-U,S,=U,G,-I,D,R,S,该偏置电路适用于所有类型的FET，应用最为广泛。,二、混合偏压电路,直流通路如下：,静态工作点的计算：,由电路输入回路写出U,GS,I,D,外特性关系，由管类型写出i,D,u,GS,平方律关系，联立求解得U,GS,、I,D,；再由输出回路KVL求出U,DS,。,例4-5,练习：试分析下列电路能否正常放大，并说明理由。,4-4 FET的交流参数和小信号模型,1、交流参数,（1）低频跨导g,m,（g,fs,）定义,单位：西门子（S）,该参数反映了在工作点Q处 u,GS,对i,D,的控制能力。,对结型和耗尽型管，将,带入g,m,定义式并整理后可得,对增强型管将,带入g,m,定义式并整理可得,（2）漏极内阻（管子输出电阻）,（3）极间电容 C,gs,、C,gd,、C,ds,。,S,G,D,(管子输出端关系),2、FET的小信号模型,导出：i,D,=f（u,GS,，u,DS,）在Q点对i,D,全微分有,又i,g,=0 (管子输入端关系),由两数学表达式：,及 i,g,=0,简化模型,分析方法与BJT放大电路相同，仍为三个步骤：,（1）画出放大电路的交流通路，,（2）用FET低频小信号模型取代交流通路中的FET,得其小信号等效电路，,（3）由各交流指标定义式，利用线性电路的分析方,法求解。,4-5 FET基本放大电路,一、共源放大电路,例4-5,求R,o,的电路如下：,1.由于FET的跨导g,m,比较小，故CS放大器的A,u,一般,比CE放大器的A,u,小；,2.由于FET是平方伏安关系器件，BJT是指数伏安关,系器件，故FET的小信号范围BJT的小信号范围。,说明：,例4-6 设上题电路中C,S,开路，求A,u,R,i,R,o,表达式。,交流通路,由各交流指标定义得：,在小信号电路中令电压源U,s,短路并断开负载R,L,，外加,电压U，得求输出电阻R,o,的电路。,当r,ds,很大时，R,o,=R,D,二、共漏放大器（源极输出器）,利用求R,o,电路 R,o,=R,S,/r,ds,/R,m,例4-8 求CD-CE放大电路A,u,表达式。,例1（题4-15）CD-CB组合放大电路如图，求A,u,。,小信号等效电路为：,解：,另解,例2（题4-16）解,（1）由电路 U,DS,=U,GS,（I,G,=0）,U,DD,=I,D,R,D,+U,DS,20=1R,D,+U,DS,-（1）,将k=0.25mA/V,2,i,D,=I,D,=1mA,U,T,=2V,U,GS,=U,DS,带入i,D,=k(U,GS,-U,T,),2,式中得：1=0.25(U,DS,-2),2,解出U,DS,=4V 带入（1）式求出R,D,=16k,（2）U,GS,=U,DS,=4V0，,此偏置电路不能用于结型管，可用于耗尽型管。,交流通路为：,例3（题4-17）,解：,（1）,（2）,