《第4章模擬電子課件》由會員分享,可在線閱讀,更多相關《第4章模擬電子課件(36頁珍藏版)》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。
1、單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,#,第,4,章 場效應管及其電路,4.3,場效應管放大電路,4.3.1,共源放大電路,4.3.2,共漏放大電路,4.3.3,復合互補源極跟隨器,第,4,章 場效應管及其電路,【,本章難點,】,MOS,管的原理和轉(zhuǎn)移特性及主要參數(shù),場效應管的微變等效電路法,【,本章,要點,】,MOS,管的原理、特性和主要參數(shù),結(jié)型場效應管原理、特性及主要參數(shù),場效應管放大電路的組成與原理,第,4,章 場效應管及其電路,場效應管,(FET),是一種電壓控制器件,它是利用輸入電壓產(chǎn)生電場效應來控制輸出電流的。它具有輸入電阻高、噪聲低
2、、熱穩(wěn)定性好、耗電省等優(yōu)點,目前已被廣泛應用于各種電子電路中。,場效應管按其結(jié)構不同分為結(jié)型,(JFET),和絕緣柵型,(IGFET),兩種,其中絕緣柵型場效應管由于其制造工藝簡單,便于大規(guī)模集成,因此應用更為廣泛。,4.1,絕緣柵場效應管,(MOSFET,),第,4,章 場效應管及其電路,絕緣柵型場效應管,簡稱,MOS,管,由于其內(nèi)部由金屬,氧化物,半導體三種材料制成,可分為增強型和耗盡型兩大類,每類中又有,N,溝道和,P,溝道之分。,4.1.1 N,溝道增強型場效應管,(NMOS,管,),1,結(jié)構,如,圖,4-1,(,a,)所示,在一塊摻雜濃度較低的,P,型硅片上,通過擴散工藝形成兩個高摻
3、雜的 區(qū),通過金屬鋁引出兩個電極分別作為源極,S,和漏極,D,,再在半導體表面覆蓋一層二氧化硅絕緣層,在源漏極之間的絕緣層上制作一鋁電極,作為柵極,G,。,4.1,絕緣柵場效應管,(MOSFET),第,4,章 場效應管及其電路,(a),結(jié)構示意圖,(b),電路符號,圖,4-1 N,溝道增強型,MOS,管,4.1,絕緣柵場效應管,(MOSFET),第,4,章 場效應管及其電路,2,工作原理,(1),柵源電壓 時的,情況,如圖,4-2,所示,漏源之間為一條由半導體,N-P-N,組成的兩個反向串聯(lián)的,PN,結(jié),因此即使加入漏源電壓 ,因無導電溝道形成,漏極電流 。,圖,4-2,時的情況,4.1,絕緣
4、柵場效應管,(MOSFET),第,4,章 場效應管及其電路,2,工作原理,如圖,4-3,所示,由,P,型半導體轉(zhuǎn)化成的,N,型薄層,被稱為反型層。反型層使漏源之間形成一條由半導體,N-N-N,組成的導電溝道。若此時加入漏源電壓 ,就會有漏極電流 產(chǎn)生。,(,2),柵源電壓 ,漏源電壓 時的情況,柵源電壓,漏源電壓 時的情況,圖,4-3,4.1,絕緣柵場效應管,(MOSFET,),第,4,章 場效應管及其電路,3,特性曲線,(1),轉(zhuǎn)移特性曲線,轉(zhuǎn)移特性曲線是指,增強型,NMOS,管在漏源電壓,一定時,輸出電流 與輸入電壓 的關系曲線,,即,轉(zhuǎn)移特性曲線的表達式為,是 時的 值,為開啟電壓,。,
5、圖,4-4,轉(zhuǎn)移,特性曲線,(,4-1,),4.1,絕緣柵場效應管,(MOSFET),第,4,章 場效應管及其電路,(2),輸出特性曲線,輸出特性是指增強型,NMOS,管在柵源電壓 一定時,輸出電流 與漏源電壓 的關系曲線,如圖,4-5,所示,其函數(shù)關系式為,圖,4-5,輸出特性曲線,4.1,絕緣柵場效應管,(MOSFET),第,4,章 場效應管及其電路,4.1.2 P,溝道增強型場效應管,(PMOS,管,),P,溝道增強型,MOS,管和,N,溝道增強型,MOS,管的主要區(qū)別在于作為襯底的半導體材料的類型不同,,P,溝道增強型,MOS,管以,N,型硅作為襯底,另外,漏極和源極是從 引出,反型層
6、為,P,型,對應的導電溝道也為,P,型結(jié)構,其符號如圖,4-6,所示。,實際應用中,常常將,P,溝道增強型,MOS,管和,N,溝道增強型,MOS,管結(jié)合起來使用,稱為,CMOS,,也可稱為互補,MOS,。,圖,4-6 P,溝道增強型,MOS,管電路符號,4.1,絕緣柵場效應管,(MOSFET),第,4,章 場效應管及其電路,4.1.3 N,溝道耗盡型場效應管,N,溝道耗盡型,MOS,管在制造時,在二氧化硅絕緣層中預先摻入了大量的正離子。因而使,P,襯底表面也可感應出較多的自由電子,形成反型層,建立起導電溝道,其結(jié)構如圖,4-7,(,a,)所示。,將 時有導電溝道存在的場效應管通稱為耗盡型場效應
7、管,符號中導電溝道用實線表示。,4.1,絕緣柵場效應管,(MOSFET),第,4,章 場效應管及其電路,(a),結(jié)構示意圖,(b),電路符號,N,溝道耗盡型,MOS,管其漏極電流 和柵源電壓 之間的關系表達式為,圖,4-7 N,溝道耗盡型,MOS,管,(4-2),4.1,絕緣柵場效應管,(MOSFET),第,4,章 場效應管及其電路,4.1.4 P,溝道耗盡型場效應管,P,溝道耗盡型,MOS,管除了漏極、源極和襯底的半導體材料類型與,N,溝道耗盡型,MOS,管的對偶外,還有一個明顯的區(qū)別就是在二氧化硅絕緣層中摻入的是負離子,其符號如圖,4-8,所示。,圖,4-8 P,溝道耗盡型,MOS,管電路
8、符號,4.2,結(jié)型場效應管,(JFET),第,4,章 場效應管及其電路,4.2.1,結(jié)型場效應管的結(jié)構,結(jié)型場效應管其內(nèi)部結(jié)構如圖,4-9,所示,與絕緣柵型場效應管不同的是漏極,D,和源極,S,通常可以對調(diào)使用。結(jié)型場效應管也可分為,N,溝道和,P,溝道兩種。,圖,4-9,結(jié)型場效應管,4.2,結(jié)型場效應管,(JFET),第,4,章 場效應管及其電路,4.2.2,結(jié)型場效應管的工作原理,圖,4-10,時,對導電溝道的影響,4.2,結(jié)型場效應管,(JFET),第,4,章 場效應管及其電路,如圖,4-10(a),所示,場效應管兩側(cè)的,PN,結(jié)均處于零偏置,因此耗盡層很薄,中間的導電溝道最寬,溝道等
9、效電阻最小。當 時,在 作用下,場效應管兩側(cè)的耗盡層加寬,相應的中間導電溝道變窄,溝道等效電阻增大,如圖,4-10(b),所示。當 的反偏值增大到某一值時,場效應管兩側(cè)的耗盡層相接,導電溝道消失,這種現(xiàn)象稱為夾斷,如圖,4-10(c),所示,發(fā)生夾斷時的柵源電壓即為夾斷電壓 。此時,溝道等效電阻趨于無窮大,即使加入 ,漏極電流 依然為零。,4.2,結(jié)型場效應管,(JFET),第,4,章 場效應管及其電路,4.2.3,特性曲線,1,輸出特性曲線,圖,4-11 N,溝道,JFET,特性曲線,圖,4-11(a),就是,N,溝道結(jié)型場效應管的輸出特性曲線,由圖可見,其工作狀態(tài)分為四個區(qū)域。,4.2,結(jié)
10、型場效應管,(JFET),第,4,章 場效應管及其電路,(1),可變電阻區(qū),較小,場效應管尚未出現(xiàn)預夾斷的區(qū)域。該工作區(qū)的特點是:與 近似成線性關系,改變 曲線斜率就發(fā)生變化。因此,工作在該區(qū)的場效應管可以看作是一個受柵源電壓 控制的可變電阻,即壓控電阻。,(2),恒流區(qū),較大超過 ,輸出特性曲線趨于水平的區(qū)域。在這一區(qū)域內(nèi),與 無關,只受 控制,是一個受電壓控制的電流源。場效應管作為放大器件應用時,均工作在這一區(qū)域,所以又稱為放大區(qū)。,4.2,結(jié)型場效應管,(JFET),第,4,章 場效應管及其電路,(,3),擊穿區(qū),值很大,超過漏源擊穿電壓 ,漏極電流 迅速上升,對應輸出特性曲線上翹的部分
11、。擊穿后場效應管不能正常工作,甚至很快燒毀,因此,不允許場效應管工作在此區(qū)域。,(4),截止區(qū),輸出特性曲線靠近橫軸,漏極電流 的區(qū)域。此時,導電溝道被完全夾斷,故也被稱為夾斷區(qū)。,4.2,結(jié)型場效應管,(JFET),第,4,章 場效應管及其電路,2,轉(zhuǎn)移特性曲線,在,N,溝道,JFET,轉(zhuǎn)移特性曲線上,處的,而 處的 。在恒流區(qū),與 之間的關系可近似表示為,條件為:,4.2,結(jié)型場效應管,(JFET),第,4,章 場效應管及其電路,4.2.4,場效應,管的主要參數(shù)及使用注意事項,1,場效應管的主要參數(shù),(,1),夾斷電壓,為耗盡型管子,(,含結(jié)型,),的參數(shù),是指,u,DS,為某一定值而,i
12、,D,減小到某一微小值時的,u,GS,值。在轉(zhuǎn)移特性曲線上,處的 值即為 。,(,2),飽和漏極電流,為耗盡型管子的參數(shù),是在 時,場效應管處于預夾斷時的漏極電流。在轉(zhuǎn)移特性曲線上,處的 值即為 。,4.2,結(jié)型場效應管,(JFET),第,4,章 場效應管及其電路,(,3),開啟電壓,為增強型,MOS,管的特有參數(shù),是指 為某一定值,使漏極電流 為某一微小值,(,接近于,0),時所需的最小 值。,(,4),低頻跨導,在 為某一常數(shù)時,的微變量與相應 的微變量之比值,即,反映了柵源電壓 對漏極電流 的控制能力,是表征,FET,放大能力的一個重要參數(shù)。,(4-3),4.2,結(jié)型場效應管,(JFET
13、),第,4,章 場效應管及其電路,2,使用注意事項,場效應管的漏極和源極通常情況下可以互換使用,但對于出廠時已將源極和襯底連接在一起的場效應管,使用時應注意漏極和源極不能對調(diào)。,(2),使用時各場效應管外加電壓的極性應按規(guī)定接入,特別是結(jié)型場效應管應注意柵源間加反偏電壓,以保證較高的輸入電阻。,4.2,結(jié)型場效應管,(JFET),第,4,章 場效應管及其電路,(3),MOS,管應注意防止柵極懸空,以免絕緣層因電荷積累過多無法泄放,導致柵源電壓升高而擊穿二氧化硅絕緣層,所以貯存時應將三個電極短路,焊接時應用導線將各電極連在一起,并且電烙鐵必須良好接地。,(4),MOS,管中若源極與襯底分開,應保
14、證襯源間,PN,結(jié)反偏。通常,P,襯底接低電位,,N,襯底接高電位。,4.3,場效應管放大電路,第,4,章 場效應管及其電路,4.3.1,共源放大電路,1,自偏壓電路,圖,4-12,自偏壓電路,電路如圖,4-12,所,示,場效應管的直流偏壓是靠,源極電阻,R,s,上,的直流壓降建立的,即,放大電路的柵偏壓是依靠,FET,自身電流產(chǎn)生的,故稱為自偏壓電路。只適合由耗盡型,FET(,含,JFET),構成的放大電路。,(4-4),4.3,場效應管放大電路,第,4,章 場效應管及其電路,2.,分壓式自偏壓電路,圖,4-13,分壓式自偏壓電路,電路的直流偏壓是靠分壓電阻,R,g1,、,R,g2,和源極電
15、阻,R,s,共同建立的,其值為,(4-5),4.3,場效應管放大電路,第,4,章 場效應管及其電路,(1),靜態(tài)分析,增強型,耗盡型,求得,I,D,和,U,GS,后,,再求,4.3,場效應管放大電路,第,4,章 場效應管及其電路,(2),動態(tài)分析,FET,的簡化,H,參數(shù)等效電路,圖,4-14 FET,簡化,H,參數(shù)等效電路,4.3,場效應管放大電路,第,4,章 場效應管及其電路,圖,4-15 FET,簡化,H,參數(shù)等效電路,4.3,場效應管放大電路,第,4,章 場效應管及其電路,電壓放大倍數(shù),負號說明共源放大電路的輸出電壓與輸入電壓反相。,輸入電阻,根據(jù)圖,4-15,所示的,H,參數(shù)等效電路
16、,進行動態(tài)分析,(4-6,),(4-7),輸出電阻,采用“分析法”,可求得輸出電阻,(4-8),4.3,場效應管放大電路,第,4,章 場效應管及其電路,4.3.2,共漏放大電路,圖,4-16,是由增強型,NMOS,管構成的共漏放大電路,由其交流通路可知,漏極為輸入、輸出回路的公共端。由于信號從源極輸出,故又稱源極輸出器。,圖,4-16,共漏放大電路,4.3,場效應管放大電路,第,4,章 場效應管及其電路,1.,靜態(tài)分析,直流電路為分壓式自偏壓電路,其靜態(tài)分析 與之相同。,2.,動態(tài)分析,共漏放大,電路動態(tài)分析類似于第,3,章中共,集放大電路,略。,4.3,場效應管放大電路,第,4,章 場效應管及其電路,圖,4-17,共漏放大,電路簡化,H,參數(shù),等效電路,其,簡化,H,參數(shù)等效電路如圖,4-17,所示,源極輸出器電壓放大倍數(shù)接近于,1,、輸入電阻高和輸出電阻低的特點,只不過源極輸出器的輸入電阻要比射極輸出器大得多,通??蛇_幾十兆歐,。,4.3,場效應管放大電路,第,4,章 場效應管及其電路,4.3.3,復合互補源極跟隨器,場效應管源極跟隨器的輸入電阻可以做得很高,而輸出電阻不是很低,且