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第3章場(chǎng)效應(yīng)管及其基本電路

3–1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管3–2絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管(IGFET)3–3場(chǎng)效應(yīng)管的參數(shù)和小信號(hào)模型

3–4場(chǎng)效應(yīng)管放大器

第3章場(chǎng)效應(yīng)管及其基本電路

3–113–1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管3–1–1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)及工作原理結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(JunctionFieldEffectTransistor)簡(jiǎn)稱JFET,有N溝道JFET和P溝道JFET之分。圖3–1給出了JFET的結(jié)構(gòu)示意圖及其表示符號(hào)。3–1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管3–1–1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)及工2圖3–1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖及其表示符號(hào)(a)N溝道JFET;(b)P溝道JFET圖3–1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖及其表示符號(hào)3N溝道JFET,是在一根N型半導(dǎo)體棒兩側(cè)通過(guò)高濃度擴(kuò)散制造兩個(gè)重?fù)诫sP++型區(qū),形成兩個(gè)PN結(jié),將兩個(gè)P++區(qū)接在一起引出一個(gè)電極,稱為柵極(Gate),在兩個(gè)PN結(jié)之間的N型半導(dǎo)體構(gòu)成導(dǎo)電溝道。在N型半導(dǎo)體的兩端各制造一個(gè)歐姆接觸電極,這兩個(gè)電極間加上一定電壓,便在溝道中形成電場(chǎng),在此電場(chǎng)作用下,形成由多數(shù)載流子——自由電子產(chǎn)生的漂移電流。我們將電子發(fā)源端稱為源極(Source),接收端稱為漏極(Drain)。在JFET中,源極和漏極是可以互換的。N溝道JFET,是在一根N型半導(dǎo)體棒4如圖3–2所示,如果在柵極和源極之間加上負(fù)的電壓UGS,而在漏極和源極之間加上正的電壓UDS,那么,在UDS作用下,電子將源源不斷地由源極向漏極運(yùn)動(dòng),形成漏極電流ID。因?yàn)闁旁措妷篣GS為負(fù),PN結(jié)反偏,在柵源間僅存在微弱的反向飽和電流,所以柵極電流IG≈0,源極電流IS=ID。這就是結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管輸入阻抗很大的原因。如圖3–2所示,如果在柵極和源極5當(dāng)柵源負(fù)壓UGS加大時(shí),PN結(jié)變厚,并向N區(qū)擴(kuò)張,使導(dǎo)電溝道變窄,溝道電導(dǎo)率變小,電阻變大,在同樣的UGS下,ID變??;反之,|UGS|變小,溝道變寬,溝道電阻變小,ID變大。當(dāng)|UGS|加大到某一負(fù)壓值時(shí),兩側(cè)PN結(jié)擴(kuò)張使溝道全部消失,此時(shí),ID將變?yōu)榱恪N覀兎Q此時(shí)的柵源電壓UGS為“夾斷電壓”,記為UGSoff??梢?jiàn),柵源電壓UGS的變化,將有效地控制漏極電流的變化,這就是JFET最重要的工作原理。當(dāng)柵源負(fù)壓UGS加大時(shí),PN結(jié)變厚,6圖3–2柵源電壓UGS對(duì)溝道及ID的控制作用示意圖(a)UGS=0,溝道最寬,ID最大;(b)UGS負(fù)壓增大,溝道變窄,ID減??;(c)UGS負(fù)壓進(jìn)一步增大,溝道夾斷,ID=0圖3–2柵源電壓UGS對(duì)溝道及ID的控制作用示意圖7圖3–2柵源電壓UGS對(duì)溝道及ID的控制作用示意圖(a)UGS=0,溝道最寬,ID最大;(b)UGS負(fù)壓增大,溝道變窄,ID減小;(c)UGS負(fù)壓進(jìn)一步增大,溝道夾斷,ID=0圖3–2柵源電壓UGS對(duì)溝道及ID的控制作用示意圖8圖3–2柵源電壓UGS對(duì)溝道及ID的控制作用示意圖(a)UGS=0,溝道最寬,ID最大;(b)UGS負(fù)壓增大,溝道變窄,ID減??;(c)UGS負(fù)壓進(jìn)一步增大,溝道夾斷,ID=0圖3–2柵源電壓UGS對(duì)溝道及ID的控制作用示意圖9柵-源電壓對(duì)導(dǎo)電溝道寬度的控制作用溝道最寬溝道變窄溝道消失稱為夾斷UGS(off)柵-源電壓對(duì)導(dǎo)電溝道寬度的控制作用溝道最寬溝道變窄溝道消失稱10

3–1–2結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線一、轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線表達(dá)在UDS一定時(shí),柵源電壓uGS對(duì)漏極電流iD的控制作用,即(3–1)理論分析和實(shí)測(cè)結(jié)果表明,iD與uGS符合平方律關(guān)系,即(3–2)3–1–2結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線(3–1)理論分析和實(shí)測(cè)11式中:IDSS——飽和電流,表示uGS=0時(shí)的iD值;UGSoff——夾斷電壓,表示uGS=UGSoff時(shí)iD為零。轉(zhuǎn)移特性曲線如圖3–3(a)所示。為了使輸入阻抗大(不允許出現(xiàn)柵流iG),也為了使柵源電壓對(duì)溝道寬度及漏極電流有效地進(jìn)行控制,PN結(jié)一定要反偏,所以在N溝道JFET中,uGS必須為負(fù)值。式中:IDSS——飽和電流,表示uG12圖3–3JFET的轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線(a)轉(zhuǎn)移特性曲線;(b)輸出特性曲線圖3–3JFET的轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線(a)轉(zhuǎn)移特13圖3–3JFET的轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線(a)轉(zhuǎn)移特性曲線;(b)輸出特性曲線圖3–3JFET的轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線(a)轉(zhuǎn)移特14

二、輸出特性曲線輸出特性曲線表達(dá)以UGS為參變量時(shí)iD與uDS的關(guān)系。如圖3–3(b)所示,根據(jù)特性曲線的各部分特征,我們將其分為四個(gè)區(qū)域:

1.恒流區(qū)恒流區(qū)相當(dāng)于雙極型晶體管的放大區(qū)。其主要特征為:

(1)當(dāng)UGSoff<UGS<0時(shí),uGS變化,曲線平移,iD與uGS符合平方律關(guān)系,uGS對(duì)iD的控制能力很強(qiáng)。二、輸出特性曲線15(2)UGS固定,uDS增大,iD增大極小。說(shuō)明在恒流區(qū),uDS對(duì)iD的控制能力很弱。這是因?yàn)?,?dāng)uDS較大時(shí),UDG增大,靠近漏區(qū)的PN結(jié)局部變厚,當(dāng)|uDS-uGS|>|UGSoff|(3–3)

時(shí),溝道在漏極附近被局部夾斷(稱為預(yù)夾斷),如圖3–4(b)所示。此后,uDS再增大,電壓主要降到局部夾斷區(qū),而對(duì)整個(gè)溝道的導(dǎo)電能力影響不大。所以u(píng)DS的變化對(duì)iD影響很小。(2)UGS固定,uDS增大,iD16

2.可變電阻區(qū)當(dāng)uDS很小,|uDS-uGS|<|UGSoff|時(shí),即預(yù)夾斷前(如圖3–4(a)所示),uDS的變化直接影響整個(gè)溝道的電場(chǎng)強(qiáng)度,從而影響iD的大小。所以在此區(qū)域,隨著uDS的增大,iD增大很快。與雙極型晶體管不同,在JFET中,柵源電壓uGS對(duì)iD上升的斜率影響較大,隨著|UGS|增大,曲線斜率變小,說(shuō)明JFET的輸出電阻變大。如圖3--3(b)所示2.可變電阻區(qū)17圖3–4uDS對(duì)導(dǎo)電溝道的影響圖3–4uDS對(duì)導(dǎo)電溝道的影響18

3.截止區(qū)當(dāng)|UGS|>|UGSoff|時(shí),溝道被全部夾斷,iD=0,故此區(qū)為截止區(qū)。若利用JFET作為開關(guān),則工作在截止區(qū),即相當(dāng)于開關(guān)打開。

4.擊穿區(qū)隨著uDS增大,靠近漏區(qū)的PN結(jié)反偏電壓uDG(=uDS-uGS)也隨之增大。3.截止區(qū)193–2絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管(IGFET)

3–2–1絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)如圖3–5所示,其中圖(a)為立體結(jié)構(gòu)示意圖,圖(b)為平面結(jié)構(gòu)示意圖。3–2絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管(IGFET)3–2–120圖3–5絕緣柵(金屬-氧化物-半導(dǎo)體)場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)示意圖(a)立體圖;(b)剖面圖圖3–5絕緣柵(金屬-氧化物-半導(dǎo)體)場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)示意圖21圖3–5絕緣柵(金屬-氧化物-半導(dǎo)體)場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)示意圖(a)立體圖;(b)剖面圖圖3–5絕緣柵(金屬-氧化物-半導(dǎo)體)場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)示意圖22

3–2–2N溝道增強(qiáng)型MOSFET(EnhancementNMOSFET)一、導(dǎo)電溝道的形成及工作原理如圖3–6所示,若將源極與襯底相連并接地,在柵極和源極之間加正壓UGS,在漏極與源極之間施加正壓UDS,我們來(lái)觀察uGS變化時(shí)管子的工作情況。3–2–2N溝道增強(qiáng)型MOSFET(Enhance23圖3–6N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管的溝道形成及符號(hào)圖3–6N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管的溝道形成及符號(hào)24圖3–6N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管的溝道形成及符號(hào)圖3–6N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管的溝道形成及符號(hào)25

二、轉(zhuǎn)移特性N溝道增強(qiáng)型MOSFET的轉(zhuǎn)移特性如圖3–7所示。其主要特點(diǎn)為:(1)當(dāng)uGS<UGSth時(shí),iD=0。(2)當(dāng)uGS>UGSth時(shí),iD>0,uGS越大,

iD也隨之增大,二者符合平方律關(guān)系,如式(3–4)所示。(3–4)二、轉(zhuǎn)移特性(3–4)26圖3-7N溝道增強(qiáng)型MOSFET的轉(zhuǎn)移特性圖3-7N溝道增強(qiáng)型MOSFET的轉(zhuǎn)移特性27式中:UGSth——開啟電壓(或閾值電壓);

μn——溝道電子運(yùn)動(dòng)的遷移率;

Cox——單位面積柵極電容;

W——溝道寬度;

L——溝道長(zhǎng)度(見(jiàn)圖3–5(a));W/L——MOS管的寬長(zhǎng)比。在MOS集成電路設(shè)計(jì)中,寬長(zhǎng)比是一個(gè)極為重要的參數(shù)。式中:UGSth——開啟電壓(或閾值電壓);28

三、輸出特性N溝道增強(qiáng)型MOSFET的輸出特性如圖3–8所示。與結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的輸出特性相似,它也分為恒流區(qū)、可變電阻區(qū)、截止區(qū)和擊穿區(qū)。其特點(diǎn)為:(1)截止區(qū):UGS≤UGSth,導(dǎo)電溝道未形成,iD=0。三、輸出特性29圖3–8輸出特性(a)輸出特性;(b)厄爾利電壓圖3–8輸出30圖3–8輸出特性(a)輸出特性;(b)厄爾利電壓圖3–8輸出31(2)恒流區(qū):·曲線間隔均勻,uGS對(duì)iD控制能力強(qiáng)?!DS對(duì)iD的控制能力弱,曲線平坦?!みM(jìn)入恒流區(qū)的條件,即預(yù)夾斷條件為(3–5)(2)恒流區(qū):(3–5)32因?yàn)閁GD=UGS-UDS,當(dāng)UDS增大,使UGD<UGSth時(shí),靠近漏極的溝道被首先夾斷(如圖3–9所示)。此后,UDS再增大,電壓的大部分將降落在夾斷區(qū)(此處電阻大),而對(duì)溝道的橫向電場(chǎng)影響不大,溝道也從此基本恒定下來(lái)。所以隨UDS的增大,iD增大很小,曲線從此進(jìn)入恒流區(qū)。

因?yàn)閁GD=UGS-UDS,當(dāng)33圖3–9uDS增大,溝道被局部夾斷(預(yù)夾斷)情況圖3–9uDS增大,溝道被局部34溝道調(diào)制系數(shù)λ。不同UGS對(duì)應(yīng)的恒流區(qū)輸出特性延長(zhǎng)會(huì)交于一點(diǎn)(見(jiàn)圖3--8(b)),該點(diǎn)電壓稱為厄爾利電壓UA。定義溝道調(diào)制系數(shù)來(lái)表達(dá)uDS對(duì)溝道及電流iD的影響。顯然,曲線越平坦,|UA|越大,λ越小。(3–6)溝道調(diào)制系數(shù)λ。不同UGS對(duì)應(yīng)的恒流35考慮uDS對(duì)iD微弱影響后的恒流區(qū)電流方程為但由于λ<<1,溝道調(diào)制效應(yīng)可忽略,則(3)可變電阻區(qū):可變電阻區(qū)的電流方程為(3–8)(3–7b)(3–7a)考慮uDS對(duì)iD微弱影響后的恒流區(qū)電流方程為但由于λ<<1,36可見(jiàn),當(dāng)uDS(uGS-UGSth)時(shí)(即預(yù)夾斷前)那么,可變電阻區(qū)的輸出電阻rDS為式(3–10)表明,uGS越大,rDS越小,體現(xiàn)了可變電阻(3–10)(3–9)可見(jiàn),當(dāng)uDS(uGS-UGSth)時(shí)(即預(yù)夾斷前)那373–2–3N溝道耗盡型MOSFET(DepletionNMOSFET)

增強(qiáng)型N溝道MOSFET在uGS=0時(shí),管內(nèi)沒(méi)有導(dǎo)電溝道。而耗盡型則不同,它在uGS=0時(shí)就存在導(dǎo)電溝道。因?yàn)檫@種器件在制造過(guò)程中,在柵極下面的SiO2絕緣層中摻入了大量堿金屬正離子(如Na++或K++),形成許多正電中心。這些正電中心的作用如同加正柵壓一樣,在P型襯底表面產(chǎn)生垂直于襯底的自建電場(chǎng),排斥空穴,吸引電子,從而形成表面導(dǎo)電溝道,稱為原始導(dǎo)電溝道。3–2–3N溝道耗盡型MOSFET(Depleti38由于uGS=0時(shí)就存在原始溝道,所以只要此時(shí)uDS>0,就有漏極電流。如果uGS>0,指向襯底的電場(chǎng)加強(qiáng),溝道變寬,漏極電流iD將會(huì)增大。反之,若uGS<0,則柵壓產(chǎn)生的電場(chǎng)與正離子產(chǎn)生的自建電場(chǎng)方向相反,總電場(chǎng)減弱,溝道變窄,溝道電阻變大,iD減小。當(dāng)uGS繼續(xù)變負(fù),等于某一閾值電壓時(shí),溝道將全部消失,iD=0,管子進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。綜上所述,N溝道耗盡型MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性以及表示符號(hào)如圖3–10(a),(b),(c)所示。由于uGS=0時(shí)就存在原始溝道,所39圖3–10N溝道耗盡型MOS管的特性及符號(hào)(a)轉(zhuǎn)移特性;(b)輸出特性;(c)表示符號(hào)圖3–10N溝道耗盡型MOS管的特性及符號(hào)40圖3–10N溝道耗盡型MOS管的特性及符號(hào)(a)轉(zhuǎn)移特性;(b)輸出特性;(c)表示符號(hào)圖3–10N溝道耗盡型MOS管的特性及符號(hào)41圖3–10N溝道耗盡型MOS管的特性及符號(hào)(a)轉(zhuǎn)移特性;(b)輸出特性;(c)表示符號(hào)圖3–10N溝道耗盡型MOS管的特性及符號(hào)42N溝道耗盡型MOSFET管的電流方程與增強(qiáng)型管是一樣的,不過(guò)其中的開啟電壓應(yīng)換成夾斷電壓UGSoff。經(jīng)簡(jiǎn)單變換,耗盡型NMOSFET的電流方程為式中:

(3–11)(3–12)ID0表示uGS=0時(shí)所對(duì)應(yīng)的漏極電流。

N溝道耗盡型MOSFET管的電流方43

3–2–4各種類型MOS管的符號(hào)及特性對(duì)比圖3–11給出各種N溝道和P溝道場(chǎng)效應(yīng)管的符號(hào)。圖3–12給出各種場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性。各種管子的輸出特性形狀是一樣的,只是控制電壓UGS不同。3–2–4各種類型MOS管的符號(hào)及44圖3–11各種場(chǎng)效應(yīng)管的符號(hào)對(duì)比圖3–11各種場(chǎng)效應(yīng)管的符號(hào)對(duì)比45圖3–11各種場(chǎng)效應(yīng)管的符號(hào)對(duì)比圖3–11各種場(chǎng)效應(yīng)管的符號(hào)對(duì)比46圖3–12各種場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性對(duì)比(a)轉(zhuǎn)移特性;(b)輸出特性圖3–12各種場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性對(duì)比47圖3–12各種場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性對(duì)比(a)轉(zhuǎn)移特性;(b)輸出特性圖3–12各種場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性對(duì)比483–3場(chǎng)效應(yīng)管的參數(shù)和小信號(hào)模型

3–3–1場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)一、直流參數(shù)1.結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管和耗盡型MOSFET的主要參數(shù)(1)飽和漏極電流IDSS(ID0):IDSS指的是對(duì)應(yīng)uGS=0時(shí)的漏極電流。(2)夾斷電壓UGSoff:當(dāng)柵源電壓uGS=UGSoff時(shí),iD=0。3–3場(chǎng)效應(yīng)管的參數(shù)和小信號(hào)模型

3–3–1場(chǎng)效應(yīng)49

2.增強(qiáng)型MOSFET的主要參數(shù)對(duì)增強(qiáng)型MOSFET來(lái)說(shuō),主要參數(shù)有開啟電壓UGSth,即當(dāng)uGS>uGSth時(shí),導(dǎo)電溝道才形成,iD≠0。

3.輸入電阻RGS對(duì)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管,RGS在108~1012Ω之間。對(duì)MOS管,RGS在1010~1015Ω之間。通常認(rèn)為RGS→∞。2.增強(qiáng)型MOSFET的主要參數(shù)50

二、極限參數(shù)場(chǎng)效應(yīng)管也有一定的運(yùn)用極限,若超過(guò)這些極限值,管子就可能損壞。場(chǎng)效應(yīng)管的極限參數(shù)如下:(1)柵源擊穿電壓U(BR)GSO。(2)漏源擊穿電壓U(BR)DSO。(3)最大功耗PDM:PDM=ID·UDS二、極限參數(shù)51三、交流參數(shù)1跨導(dǎo)gm跨導(dǎo)gm的定義為(3–13)

gm的大小可以反映柵源電壓uGS對(duì)漏極電流iD的控制能力的強(qiáng)弱。

gm可以從轉(zhuǎn)移特性或輸出特性中求得,也可以用公式計(jì)算出來(lái)。對(duì)JFET和耗盡型MOS管,電流方程為三、交流參數(shù)(3–13)gm的大小可以反映柵52(3–14)那么,對(duì)應(yīng)工作點(diǎn)Q的gm為式中,IDQ為直流工作點(diǎn)電流??梢?jiàn),工作點(diǎn)電流增大,跨導(dǎo)也將增大。而對(duì)增強(qiáng)型MOSFET,其電流方程為(3–14)那么,對(duì)應(yīng)工作點(diǎn)Q的gm為式中,IDQ為直流工53那么,對(duì)應(yīng)工作點(diǎn)Q的gm為(3–15)式(3–15)表明,增大場(chǎng)效應(yīng)管的寬長(zhǎng)比和工作電流,可以提高gm。2.輸出電阻r

ds輸出電阻rds定義為(3–16)(3–17)恒流區(qū)的rds可以用下式計(jì)算:那么,對(duì)應(yīng)工作點(diǎn)Q的gm為(3–15)式(3–15)表明,增543–3–2場(chǎng)效應(yīng)管的低頻小信號(hào)模型

因?yàn)樗?/p>

(3–18)(3–19)以正弦復(fù)數(shù)值表示,上式可改寫為通常rds較大,對(duì)Id的影響可以忽略,則3–3–2場(chǎng)效應(yīng)管的低頻小信號(hào)模55畫出式(3–20)和式(3–21)所對(duì)應(yīng)的等效電路分別如圖3–13(a),(b)所示。由于柵流iG=0,RGS=∞,所以輸入回路等效電路可以不畫出??梢?jiàn),場(chǎng)效應(yīng)管低頻小信號(hào)等效電路比晶體管的還簡(jiǎn)單。畫出式(3–20)和式(3–21)56圖3–13場(chǎng)效應(yīng)管低頻小信號(hào)簡(jiǎn)化模型圖3–13場(chǎng)效應(yīng)管低頻小信號(hào)簡(jiǎn)化模型573–4場(chǎng)效應(yīng)管放大器

3–4–1場(chǎng)效應(yīng)管偏置電路與晶體管放大器相似,靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置對(duì)放大器的性能至關(guān)重要。在場(chǎng)效應(yīng)管放大器中,由于結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管與耗盡型MOS場(chǎng)效應(yīng)管uGS=0時(shí),iD≠0,故可采用自偏壓方式,如圖3–14(a)所示。而對(duì)于增強(qiáng)型MOSFET,則一定要采用分壓式偏置或混合偏置方式,如圖3–14(b)所示。我們可以用兩種辦法確定直流工作點(diǎn),一種是圖解法,另一種是解析法。3–4場(chǎng)效應(yīng)管放大器

3–4–1場(chǎng)效應(yīng)管偏置電路58圖3–14場(chǎng)效應(yīng)管偏置方式(a)自偏壓方式;(b)混合偏置方式圖3–14場(chǎng)效應(yīng)管偏置方式59

一、圖解法畫出N溝道場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性如圖3–15所示。對(duì)于自偏壓方式,柵源回路直流負(fù)載線方程為(3–22)

在轉(zhuǎn)移特性坐標(biāo)上畫出該負(fù)載線方程如圖3–15(a)所示。分別求出JFET的工作點(diǎn)為Q1點(diǎn),耗盡型MOSFET的工作點(diǎn)為Q2點(diǎn),而與增強(qiáng)型MOSFET轉(zhuǎn)移特性則無(wú)交點(diǎn)。

一、圖解法(3–22)60圖3–15圖解法求直流工作點(diǎn)(a)自偏壓方式;(b)混合偏置方式圖3–15圖解法求直流工作點(diǎn)61對(duì)于混合偏置方式,柵源回路直流負(fù)載線方程為(3–23)

畫出該負(fù)載線如圖3–15(b)所示,對(duì)于三種不同類型的場(chǎng)效應(yīng)管的工作點(diǎn)分別為Q′1、Q′2及Q3。這里要特別注意的是,對(duì)JFET,RG2過(guò)大,或RS太小,都會(huì)導(dǎo)致工作點(diǎn)不合適,如圖3–15(b)虛線所示。對(duì)于混合偏置方式,柵源回路直流負(fù)載線方程為(3–23)62

二、解析法已知電流方式及柵源直流負(fù)載線方程,聯(lián)立求解即可求得工作點(diǎn)。例如:(3–24a)(3–24b)將式(3–24b)代入式(3–24a),解一個(gè)iD的二次方程,有兩個(gè)根,舍去不合理的一個(gè)根,留下合理的一個(gè)根便是IDQ。二、解析法(3–24a)(3–2463

3–4–2場(chǎng)效應(yīng)管放大器分析與晶體管放大器相似,場(chǎng)效應(yīng)管放大器也有共源、共漏、共柵等三種基本組態(tài)電路。

一、共源放大器共源放大器電路如圖3–16(a)所示,其低頻小信號(hào)等效電路如圖3–16(b)所示。由圖(b)可知,放大器輸出交流電壓為(3–25)3–4–2場(chǎng)效應(yīng)管放大器分析(3–25)64圖3–16共源放大器電路及其低頻小信號(hào)等效電路(a)電路;(b)低頻小信號(hào)等效電路圖3–16共源放大器電路及其低頻小信號(hào)等效電路65圖3–16共源放大器電路及其低頻小信號(hào)等效電路(a)電路;(b)低頻小信號(hào)等效電路圖3–16共源放大器電路及其低頻小信號(hào)等效電路66

式中,,且一般滿足RD‖RL<<rds。所以,共源放大器的放大倍數(shù)Au為(3–26)若gm=5mA/V,元件值如圖3–16(a)所示,則Au=50。輸出電阻:輸入電阻:

(3–27)(3–28)式中,67圖3–17給出了基于Workbench平臺(tái)的場(chǎng)效應(yīng)管電路的計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果,從仿真中可以測(cè)出直流工作點(diǎn)及輸入輸出波形的相位關(guān)系、放大倍數(shù)等。圖3–17給出了基于Workbenc68圖3–17基于Workbench平臺(tái)的FET放大電路的計(jì)算機(jī)仿真圖3–17基于Workbench平臺(tái)的FET放大電路的69由圖可見(jiàn),場(chǎng)效應(yīng)管型號(hào)為inf510,柵流IG=0,漏極電流IDQ=0.858mA。輸出波形與輸入波形相位相反。用示波器光標(biāo)分別測(cè)出輸出信號(hào)峰峰值為3V,輸入信號(hào)峰峰值為0.024V,故該電路的放大倍數(shù)為由圖可見(jiàn),場(chǎng)效應(yīng)管型號(hào)為inf51070

例場(chǎng)效應(yīng)管放大器電路如圖3–18(a)所示,已知工作點(diǎn)的gm=5mA/V,試畫出低頻小信號(hào)等效電路,并計(jì)算增益Au。例場(chǎng)效應(yīng)管放大器電路如圖3–18(71圖3–18帶電流負(fù)反饋的放大電路(a)電路;(b)等效電路;(c)簡(jiǎn)化等效電路圖3–18帶電流負(fù)反饋的放大電路72圖3–18帶電流負(fù)反饋的放大電路(a)電路;(b)等效電路;(c)簡(jiǎn)化等效電路圖3–18帶電流負(fù)反饋的放大電路73解(1)該電路的小信號(hào)等效電路如圖3–18(b)所示。(2)輸出電壓:式中:

故(3–29)(3–30)(3–31)將式(3–31)代入式(3–29),得放大倍數(shù)Au為(3–32)解式中:故(3–29)(3–30)(3–31)將74

二、共漏放大器共漏放大器的電路如圖3–19(a)所示,相應(yīng)的等效電路如圖3–19(b)所示。該電路的主要參數(shù)如下。

1.放大倍數(shù)Au

式中:

二、共漏放大器式中:故75圖3–19共漏電路及其等效電路(a)電路;(b)等效電路圖3–19共漏電路及其等效電路76圖3–19共漏電路及其等效電路(a)電路;(b)等效電路圖3–19共漏電路及其等效電路77所以(3–33)所以(3–33)78

2.輸出電阻Ro計(jì)算輸出電阻Ro的等效電路如圖3–20所示。首先將RL開路,短路,在輸出端加信

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