模擬電子技術(shù)第3章 第二部分

1、第三章第三章 場效應(yīng)管放大器場效應(yīng)管放大器絕緣柵場效應(yīng)管絕緣柵場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管 3.2 3.2 場效應(yīng)管放大電路場效應(yīng)管放大電路效應(yīng)管放大器的靜態(tài)偏置效應(yīng)管放大器的靜態(tài)偏置效應(yīng)管放大器的交流小信號模型效應(yīng)管放大器的交流小信號模型效應(yīng)管放大電路效應(yīng)管放大電路3.1 3.1 場效應(yīng)管場效應(yīng)管只有一種載流子參與導(dǎo)電，且利用電場效應(yīng)來控制電只有一種載流子參與導(dǎo)電，且利用電場效應(yīng)來控制電流的三極管，稱為流的三極管，稱為場效應(yīng)管場效應(yīng)管，也稱，也稱單極型三極管。單極型三極管。場效應(yīng)管分類場效應(yīng)管分類結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管絕緣柵型場效應(yīng)管絕緣柵型場效應(yīng)管特點(diǎn)特點(diǎn)單極型器件單極型器件( (一

2、種載流子導(dǎo)電一種載流子導(dǎo)電) )； 輸入電阻高輸入電阻高(107 1015 )；工藝簡單、易集成、功耗小、體積小、工藝簡單、易集成、功耗小、體積小、成本低。成本低。3.13.1 場效應(yīng)管場效應(yīng)管增強(qiáng)型增強(qiáng)型耗盡型耗盡型1、結(jié)構(gòu)和符號、結(jié)構(gòu)和符號一、結(jié)型場效應(yīng)管（一、結(jié)型場效應(yīng)管（N N溝道為例）溝道為例） 場效應(yīng)管有三個(gè)極：源極（場效應(yīng)管有三個(gè)極：源極（s）、柵極（、柵極（g）、漏極）、漏極（d），對應(yīng)于晶體管的發(fā)射極），對應(yīng)于晶體管的發(fā)射極e、基極、基極b、集電極、集電極c。導(dǎo)電導(dǎo)電溝道溝道源極源極柵極柵極漏極漏極符號符號結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖-gsdN溝道1)1)柵柵- -源電壓源電壓uGS

3、對導(dǎo)電溝道寬度的控制作用對導(dǎo)電溝道寬度的控制作用溝道最寬溝道最寬溝道變窄溝道變窄溝道消失溝道消失稱為稱為夾斷夾斷 當(dāng)當(dāng)uDS=0，uGS可以控制導(dǎo)電溝道的寬度?？梢钥刂茖?dǎo)電溝道的寬度。 2、工作原理、工作原理 當(dāng)溝道消失時(shí)，當(dāng)溝道消失時(shí)，uGS = UGS（off）稱為稱為夾斷電壓夾斷電壓2)2)漏漏- -源電壓源電壓UDS對漏極電流對漏極電流ID的影響的影響 當(dāng)當(dāng)UGS（off）uGS UGS(th)時(shí)，漏源電壓時(shí)，漏源電壓uDS 對對iD的影響的影響 (可變電阻區(qū)可變電阻區(qū)) (恒流區(qū)恒流區(qū))N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOS管工作在恒流區(qū)的條件是什么？管工作在恒流區(qū)的條件是什么？預(yù)夾斷，預(yù)夾斷

4、，電電流趨于飽和流趨于飽和管子工作在恒流區(qū)，滿足管子工作在恒流區(qū)，滿足uGSUGS（th）且且uGDUGS（th）2、耗盡型、耗盡型MOS管符號和結(jié)構(gòu)（管符號和結(jié)構(gòu)（N溝道為例）溝道為例）符號符號結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖加正離子加正離子uGS=0時(shí)就存時(shí)就存在導(dǎo)電溝道在導(dǎo)電溝道 耗盡型耗盡型MOS管在管在 uGS0、uGS0、uGS0時(shí)均可時(shí)均可導(dǎo)通，且由于導(dǎo)通，且由于SiO2絕緣層的存在，在絕緣層的存在，在uGS0時(shí)仍保持時(shí)仍保持g-s間電阻非常大的特點(diǎn)。間電阻非常大的特點(diǎn)。uGSUGS（off） U(BR)GS ，PN結(jié)將被擊穿。結(jié)將被擊穿。4. 最大耗散功率最大耗散功率PDM 由場效應(yīng)管允許

5、的溫升決定。漏極耗散功率轉(zhuǎn)化為由場效應(yīng)管允許的溫升決定。漏極耗散功率轉(zhuǎn)化為熱能使管子的溫度升高。熱能使管子的溫度升高。1. N溝道結(jié)型場效應(yīng)管：溝道結(jié)型場效應(yīng)管：截止區(qū)（夾斷區(qū)）：截止區(qū)（夾斷區(qū)）： uGS UGS(off) 0恒流區(qū)恒流區(qū)： UGS(off) uGS 0，并且，并且uGD UGS(off) 四、場效應(yīng)管的工作區(qū)域判斷四、場效應(yīng)管的工作區(qū)域判斷可變電阻區(qū)：可變電阻區(qū)： UGS(off) uGS UGS(off) 2. N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOS管：管：截止區(qū)：截止區(qū)： uGS 0恒流區(qū)恒流區(qū)： uGS UGS(th) ，并且，并且uGD UGS(th) ，并且，并且uGD U

6、GS(th) 注：耗盡型注：耗盡型MOS管與結(jié)型場效應(yīng)管相類似。管與結(jié)型場效應(yīng)管相類似。3. P溝道結(jié)型場效應(yīng)管：溝道結(jié)型場效應(yīng)管：截止區(qū)（夾斷區(qū)）：截止區(qū)（夾斷區(qū)）： uGS UGS(off) 0恒流區(qū)恒流區(qū)： 0 uGS UGS(off) 可變電阻區(qū)：可變電阻區(qū)： 0 uGS UGS(off) ，并且，并且uGD UGS(th) ,并且并且UGS(th) 0恒流區(qū)恒流區(qū)： uGS UGS(th) 可變電阻區(qū)：可變電阻區(qū)： uGS UGS(th) ，并且，并且uGD UGS(th) 注：耗盡型注：耗盡型MOS管與結(jié)型場效應(yīng)管相類似。管與結(jié)型場效應(yīng)管相類似。判斷下列判斷下列N溝道場效應(yīng)管的管型

7、和工作狀態(tài)。溝道場效應(yīng)管的管型和工作狀態(tài)。T1為為N溝道結(jié)型場效應(yīng)管，工作在截止區(qū)。溝道結(jié)型場效應(yīng)管，工作在截止區(qū)。管號管號UGS(off)或或UGS(th)USUGUD結(jié)型結(jié)型T1-33-110MOST24-23-1.2MOST3-30010T2為增強(qiáng)型為增強(qiáng)型N溝道溝道MOS管，工作在可變電阻區(qū)。管，工作在可變電阻區(qū)。T3為耗盡型為耗盡型N溝道溝道MOS管，工作在恒流區(qū)。管，工作在恒流區(qū)。例：例：已知場效應(yīng)管的輸出特性曲線如圖已知場效應(yīng)管的輸出特性曲線如圖, ,分析當(dāng)分析當(dāng)u uI I4V4V、8V8V、12V12V三種情況下場效應(yīng)管分別工作在什么區(qū)域。三種情況下場效應(yīng)管分別工作在什么區(qū)域

8、。 解：由解：由T的輸出特性可知其的輸出特性可知其開啟電壓開啟電壓為為5V，圖示電路，圖示電路uGSuI。 當(dāng)當(dāng)uI4V時(shí)，時(shí)，uGS小于開啟電壓，故小于開啟電壓，故T截止。截止。 當(dāng)當(dāng)uI8V時(shí)，設(shè)時(shí)，設(shè)T工作在恒流區(qū)，由輸出特性得工作在恒流區(qū)，由輸出特性得iD0.6mA，管壓降，管壓降uDSVCCiDRd10V uGDuGSuDS2V 小于開啟電壓，小于開啟電壓，假設(shè)成立假設(shè)成立 當(dāng)當(dāng)uI12V時(shí)，假設(shè)時(shí)，假設(shè)T工作在恒流區(qū)，由工作在恒流區(qū)，由iD 3.8mA得：得： 即即T工作在恒流區(qū)。工作在恒流區(qū)。 uDS-0.54-0.54V， uGD112.54V大于開啟電壓，大于開啟電壓，T工作

9、在工作在可變電阻區(qū)?？勺冸娮鑵^(qū)。 五五 . .雙極型和場效應(yīng)型三極管的比較雙極型和場效應(yīng)型三極管的比較雙極型三極管雙極型三極管 單極型場效應(yīng)管單極型場效應(yīng)管載流子載流子多子擴(kuò)散少子漂移多子擴(kuò)散少子漂移 多子多子漂移漂移輸入量輸入量電流輸入電流輸入電壓輸入電壓輸入控制控制電流控制電流源電流控制電流源電壓控制電流源電壓控制電流源輸入電阻輸入電阻幾十到幾千歐幾十到幾千歐幾兆歐以上幾兆歐以上噪聲噪聲較大較大較小較小靜電影響靜電影響不受靜電影響不受靜電影響易受靜電影響易受靜電影響制造工藝制造工藝不宜大規(guī)模集成不宜大規(guī)模集成適宜大規(guī)模和超大適宜大規(guī)模和超大規(guī)模集成規(guī)模集成 共E 共S3.2. 場效應(yīng)管放大

10、電路（結(jié)型N溝道）+gTRdRgC1C2uouiVDDdVGGs+bTRcRbC1C2uouicVBBe+CCV一一.場效應(yīng)管放大器的直流偏置電路 保證管子工作在飽和區(qū)，輸出信號不失真保證管子工作在飽和區(qū)，輸出信號不失真 1.自自偏壓電路偏壓電路UGS =- IDR 注意：該電路產(chǎn)生負(fù)的柵源電壓，所以只能用于需要負(fù)柵源電壓的電路。注意：該電路產(chǎn)生負(fù)的柵源電壓，所以只能用于需要負(fù)柵源電壓的電路。計(jì)算計(jì)算Q點(diǎn)：點(diǎn)：UGS 、 ID 、UDS2PGSDSSD)1(UUII 已知已知UP ，由，由UGS =- IDR可解出可解出Q點(diǎn)的點(diǎn)的UGS 、 IDUDS =VDD- ID (Rd + R )再求

11、：再求：+gTRdRRgC1C2uouiVD DCdsID 2.分壓式自分壓式自偏壓電路偏壓電路SGGSUUU RIVRRRDDDg2g1g2 + + 2PGSDSSD)1(UUII 可解出可解出Q點(diǎn)的點(diǎn)的UGS 、 ID 計(jì)算計(jì)算Q點(diǎn)：點(diǎn)：已知已知UP ，由，由RIVRRRUDDDg2g1g2GS + + 該電路產(chǎn)生的柵源電壓可正該電路產(chǎn)生的柵源電壓可正可負(fù)，所以適用于所有的場可負(fù)，所以適用于所有的場效應(yīng)管電路。效應(yīng)管電路。UDS =VDD- ID (Rd + R )再求：再求：+gTRdRC12CuouiVD DCdsg1Rg2Rg3R 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

12、特性中的恒流區(qū)）時(shí)，與三極管一樣，可用小信號模型法進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。 將場效應(yīng)管看成一個(gè)兩端口網(wǎng)絡(luò)，柵極與源極之間視為輸入端口，漏極與源極之間視為輸出端口。以N溝道耗盡型MOS管為例，可認(rèn)為柵極電流為零，柵-源之間只有電壓存在。漏極電流iD是柵源電壓uGS和漏源電壓uDS的函數(shù)iD=f(uGS, uDS) 二二. 場效應(yīng)管的交流小信號模型場效應(yīng)管的交流小信號模型 對上式求iD的全微分可得 DSUDSDGSUGSDDduuiduuidiGSDS+式中mUGSDguiDSdsUDSDruiGS1iD=f(uGS, uDS) dsdsgsmdUrUgI1+從場效應(yīng)管的特性曲線可知，當(dāng)小信號作用時(shí)，管子的

13、電壓、 電流在Q點(diǎn)附近變化，因此可認(rèn)為在Q點(diǎn)附近的特性是線性的， 則gm和rds近似為常數(shù)。用正弦相量 取代變化量diD、 duGS、duDS，上式可寫成： dsgsdUUI、dsdsgsmdUrUgI1+由此可構(gòu)造出場效應(yīng)管的小信號模型。圖中柵-源之間只有一個(gè)柵源電壓 ，沒有柵極電流；漏-源之間是一個(gè)受電壓控制的電流源和電阻rds相并聯(lián)。gsUuGSgsuDSdggsUsgmgsUrdsdsU(a)(b)d場效應(yīng)管的小信號模型(a) N溝道耗盡型MOSFET； (b) 小信號模型 由轉(zhuǎn)移特性可知，gm是UDS=UDSQ那條轉(zhuǎn)移特性曲線上以Q點(diǎn)為切點(diǎn)的切線斜率。在小信號作用時(shí)，可用切線來等效Q

14、點(diǎn)附近的曲線，由于gm是輸出電流與輸入電壓的比值，故稱為跨導(dǎo)，其單位為西門子（S）， 一般gm數(shù)值約為0.120 mS。從輸出特性可知，rds是UGS=UGSQ那條輸出特性曲線上Q點(diǎn)處斜率的倒數(shù)，它表示曲線的上翹程度，rds越大，曲線越平。通常rds在幾十千歐到幾百千歐之間，若外電路電阻較小時(shí)，可將rds視為開路，即忽略rds中的電流，將輸出回路只等效成一個(gè)受控電流源。 iDIDSSUDS UDSQIDQQiDuDSUGSQuGS(off)uGSuDSiDUDSQuDSQuGS0 VIDQiDOO從特性曲線求gm和rds(a) 從轉(zhuǎn)移特性求解gm; (b) 從輸出特性求解rds 對于結(jié)型場效應(yīng)

15、管的電流方程在Q點(diǎn)求導(dǎo)可得gm表達(dá)式 DQDSSoffGSoffGSGSQoffGSDSSUGSDmIIUUUUIuigDS)()()(212上式表明gm與Q點(diǎn)有關(guān)，Q點(diǎn)越高，gm越大。 同理，若對增強(qiáng)型MOSFET的電流方程在Q點(diǎn)求導(dǎo)可得gm表達(dá)式 DQDOthGSthGSGSQthGSDOUGSDmIIUUUUIuigDS)()()(2122GS(off)GSDSSD)1 (UuIi2GS(th)GSDOD)1( UuIi三三. 場效應(yīng)管場效應(yīng)管放大電路放大電路1.共源放大電路共源放大電路+C2RuTg3D D1Rg1CCVRRgdsig2dRuoRL+-分析：分析：（1）畫出共源放大電路

16、的交流小信號等效電路。畫出共源放大電路的交流小信號等效電路。 （2）求電壓放大倍數(shù)）求電壓放大倍數(shù)（3）求輸入電阻）求輸入電阻（4）求輸出電阻）求輸出電阻則則)/(g2g1g3iRRRR+doRR +uiugdugsugsmRg3g1Rg2RiRLR-S-o+gROdRgsiuu omgsdL(/ /)ug uRR )/(LdmiouRRguuA （2）電壓放大倍數(shù)）電壓放大倍數(shù)（3）輸入電阻）輸入電阻)/(LgsmgsiRRuguu+ + )/(LgsmoRRugu )/(1)/(LmLmiouRRgRRguuA+ + 得得)/(g2g1g3iRRRR+ + 分析：分析：（1 1）畫）畫交流

17、小信號等效電路。交流小信號等效電路。 由由1 2.共漏放大電路共漏放大電路+-+Su+-RSui+uo-gdsugsugsmgRg3g1Rg2RiRRLR+Cg3VsTR1D DoRuRdg1g2C2RR+-L+u-SRS（4 4）輸出電阻）輸出電阻gsmRugii+ + gsuumo11gRiuR+ + 所以所以由圖有由圖有m1/gR +-+Sui+u-gdsugsugsmgRg3g1Rg2RRRooRRigsmugRu+ + 本章小結(jié)本章小結(jié) 1FET分為分為JFET和和MOSFET兩種，工作時(shí)只有一種兩種，工作時(shí)只有一種載流子參與導(dǎo)電，因此稱為單極性型晶體管。載流子參與導(dǎo)電，因此稱為單極性型晶體管。FET是一種是一種壓控電流型器件，改變其柵源電