四章節(jié)場(chǎng)效應(yīng)管放大電路

四章節(jié)場(chǎng)效應(yīng)管放大電路第1頁/共50頁第四章場(chǎng)效應(yīng)管放大電路4.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管4.2絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管4.3場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)4.4場(chǎng)效應(yīng)管的特點(diǎn)4.5場(chǎng)效應(yīng)管放大電路

電子課件四第2頁/共50頁4.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管

圖4-1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖和符號(hào)第3頁/共50頁4.1.2工作原理

圖4-2當(dāng)UDS=0時(shí)UGS對(duì)導(dǎo)電溝道的影響示意1.UGS對(duì)導(dǎo)電溝道的影響第4頁/共50頁2.ID與UDS、UGS之間的關(guān)系圖4-3UDS對(duì)導(dǎo)電溝道和ID的影響第5頁/共50頁4.1.3特性曲線

1.輸出特性曲線圖4--4N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的輸出特性第6頁/共50頁

根據(jù)工作情況,輸出特性可劃分為4個(gè)區(qū)域,即:可變電阻區(qū)、恒流區(qū)、擊穿區(qū)和截止區(qū)。第7頁/共50頁2.轉(zhuǎn)移特性曲線圖4-5N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性曲線第8頁/共50頁圖4-6由輸出特性畫轉(zhuǎn)移特性第9頁/共50頁4.2絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管

4.2.1N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管1.結(jié)構(gòu)

圖4-7N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖第10頁/共50頁2.工作原理圖4-8UGS＞UT時(shí)形成導(dǎo)電溝道第11頁/共50頁3.特性曲線圖4–9N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線第12頁/共50頁4.2.2N溝道耗盡型MOS場(chǎng)效應(yīng)管

圖4-10N溝道耗盡型MOS管的結(jié)構(gòu)示意圖第13頁/共50頁圖4-11N溝道耗盡型MOS場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線第14頁/共50頁圖4-12MOS場(chǎng)效應(yīng)管電路符號(hào)第15頁/共50頁表4-1各種場(chǎng)效應(yīng)管的符號(hào)和特性曲線類型符號(hào)和極性轉(zhuǎn)移特性輸出特性u(píng)GSOIDSSiDUPuGSOIDSSiDUP－i－uDSOuGS＝0V＋1VD＋2V＋3VuGS＝UP＝＋4VuDSOuGS＝0V－1ViD－2V－3VuGS＝UP＝－4VuDSOuGS＝5ViD3VuGS＝UT＝＋2V4VuGSiDOUTGSD+－iD－+GSD+－iD－+GSD+－iD－+BJFETP溝道JFETN溝道增強(qiáng)型NMOS第16頁/共50頁uGSOiDUPIDSSiDOUTuGSuGSOIDSSiDUPuDSOuGS＝0ViD－2VuGS＝UP＝－4V＋2V－iD－5VuGS＝UT＝－3VO－uDS－4VuGS＝－6V

－iD－2VuGS＝UP＝＋4VO－uDS＋2VuGS＝0VGSD+－iDB+－GSD+－iD－+BGSD+－iDB－+耗盡型NMOS增強(qiáng)型PMOS耗盡型PMOS表4-1續(xù)表第17頁/共50頁4.3場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)

4.3.1直流參數(shù)

1.飽和漏極電流IDSS

IDSS是耗盡型和結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的一個(gè)重要參數(shù),它的定義是當(dāng)柵源之間的電壓UGS等于零,而漏、源之間的電壓UDS大于夾斷電壓UP時(shí)對(duì)應(yīng)的漏極電流。第18頁/共50頁2.夾斷電壓UPUP也是耗盡型和結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的重要參數(shù),其定義為當(dāng)UDS一定時(shí),使ID減小到某一個(gè)微小電流(如1μA,50μA)時(shí)所需的UGS值。第19頁/共50頁3.開啟電壓UTUT是增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管的重要參數(shù),它的定義是當(dāng)UDS一定時(shí),漏極電流ID達(dá)到某一數(shù)值(例如10μA)時(shí)所需加的UGS值。

第20頁/共50頁

4.直流輸入電阻RGSRGS是柵、源之間所加電壓與產(chǎn)生的柵極電流之比。由于柵極幾乎不索取電流,因此輸入電阻很高。結(jié)型為106Ω以上,MOS管可達(dá)1010Ω以上。第21頁/共50頁4.3.2交流參數(shù)1.低頻跨導(dǎo)gm

跨導(dǎo)gm的單位是mA/V。它的值可由轉(zhuǎn)移特性或輸出特性求得。第22頁/共50頁4-13根據(jù)場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線求gm

第23頁/共50頁2.極間電容場(chǎng)效應(yīng)管三個(gè)電極之間的電容,包括CGS、CGD和CDS。這些極間電容愈小,則管子的高頻性能愈好。一般為幾個(gè)pF。第24頁/共50頁4.3.3極限參數(shù)1.漏極最大允許耗散功率PDmPDm與ID、UDS有如下關(guān)系:

這部分功率將轉(zhuǎn)化為熱能,使管子的溫度升高。PDm決定于場(chǎng)效應(yīng)管允許的最高溫升。2.漏、源間擊穿電壓BUDS

在場(chǎng)效應(yīng)管輸出特性曲線上,當(dāng)漏極電流ID急劇上升產(chǎn)生雪崩擊穿時(shí)的UDS。工作時(shí)外加在漏、源之間的電壓不得超過此值。第25頁/共50頁3.柵源間擊穿電壓BUGS

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管正常工作時(shí),柵、源之間的PN結(jié)處于反向偏置狀態(tài),若UGS過高,PN結(jié)將被擊穿。對(duì)于MOS場(chǎng)效應(yīng)管,由于柵極與溝道之間有一層很薄的二氧化硅絕緣層,當(dāng)UGS過高時(shí),可能將SiO2絕緣層擊穿,使柵極與襯底發(fā)生短路。這種擊穿不同于PN結(jié)擊穿,而和電容器擊穿的情況類似,屬于破壞性擊穿,即柵、源間發(fā)生擊穿,MOS管立即被損壞。第26頁/共50頁4.4場(chǎng)效應(yīng)管的特點(diǎn)(1)場(chǎng)效應(yīng)管是一種電壓控制器件,即通過UGS來控制ID。

(2)場(chǎng)效應(yīng)管輸入端幾乎沒有電流,所以其直流輸入電阻和交流輸入電阻都非常高。

(3)由于場(chǎng)效應(yīng)管是利用多數(shù)載流子導(dǎo)電的,因此,與雙極性三極管相比,具有噪聲小、受幅射的影響小、熱穩(wěn)定性較好而且存在零溫度系數(shù)工作點(diǎn)等特性。第27頁/共50頁(4)由于場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)對(duì)稱,有時(shí)漏極和源極可以互換使用,而各項(xiàng)指標(biāo)基本上不受影響,因此應(yīng)用時(shí)比較方便、靈活。

(5)場(chǎng)效應(yīng)管的制造工藝簡(jiǎn)單,有利于大規(guī)模集成。

(6)由于MOS場(chǎng)效應(yīng)管的輸入電阻可高達(dá)1015Ω,因此,由外界靜電感應(yīng)所產(chǎn)生的電荷不易泄漏,而柵極上的SiO2絕緣層又很薄,這將在柵極上產(chǎn)生很高的電場(chǎng)強(qiáng)度,以致引起絕緣層擊穿而損壞管子。

(7)場(chǎng)效應(yīng)管的跨導(dǎo)較小,當(dāng)組成放大電路時(shí),在相同的負(fù)載電阻下,電壓放大倍數(shù)比雙極型三極管低。第28頁/共50頁圖4–14場(chǎng)效應(yīng)管的零溫度系數(shù)工作點(diǎn)第29頁/共50頁圖4-15柵極過壓保護(hù)電路第30頁/共50頁4.5場(chǎng)效應(yīng)管放大電路

4.5.1靜態(tài)工作點(diǎn)與偏置電路

圖4–16自給偏壓電路第31頁/共50頁1.圖解法圖4–17求自給偏壓電路Q點(diǎn)的圖解第32頁/共50頁2.計(jì)算法IDSS為飽和漏極電流,UP為夾斷電壓,可由手冊(cè)查出。第33頁/共50頁【例1】

電路如圖4-16所示,場(chǎng)效應(yīng)管為3DJG,其輸出特性曲線如圖4-18所示。已知RD=2kΩ,RS=1.2kΩ,UDD=15V,試用圖解法確定該放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)。解寫出輸出回路的電壓電流方程,即直流負(fù)載線方程設(shè)第34頁/共50頁在輸出特性圖上將上述兩點(diǎn)相連得直流負(fù)載線。圖4-18圖解法確定工作點(diǎn)(例1)第35頁/共50頁

在轉(zhuǎn)移特性曲線上,作出UGS=-IDRS的曲線。由上式可看出它在uGS~iD坐標(biāo)系中是一條直線,找出兩點(diǎn)即可。令連接該兩點(diǎn),在uGS~iD坐標(biāo)系中得一直線,此線與轉(zhuǎn)移特性曲線的交點(diǎn),即為Q點(diǎn),對(duì)應(yīng)Q點(diǎn)的值為:第36頁/共50頁

另一種常用的偏置電路為分壓式偏置電路,如圖4-19所示。該電路適合于增強(qiáng)型和耗盡型MOS管和結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管。為了不使分壓電阻R1、R2對(duì)放大電路的輸入電阻影響太大,故通過RG與柵極相連。該電路柵、源電壓為第37頁/共50頁圖4-19分壓式偏置電路第38頁/共50頁

利用圖解法求Q點(diǎn)時(shí),此方程的直線不通過uGS~iD坐標(biāo)系的原點(diǎn),而是通過ID=0,

點(diǎn),其它過程與自偏電路相同。利用計(jì)算法求解時(shí),需聯(lián)立解下面方程組第39頁/共50頁4.5.2場(chǎng)效應(yīng)管的微變等效電路

求微分式定義場(chǎng)效應(yīng)管僅存關(guān)系:(4-13)第40頁/共50頁

如果用id、ugs、uds分別表示iD、uGS、uDS的變化部分,則式(4-13)可寫為第41頁/共50頁4.5.3共源極放大電路

圖4–20共源極放大電路微變等效電路第42頁/共50頁1.電壓放大倍數(shù)(Au)式中,第43頁/共50頁2.輸入電阻ri3.輸出電阻ro第44頁/共50頁4.5.4共漏放大器(源極輸出器)1.電壓放大倍數(shù)(Au)式中,所以第45頁/共50頁整理后得于是得第46頁/共50頁圖4-21源極輸出器第47頁/共50頁2.輸入電阻ri3.輸