第4章模擬電子課件

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1、單擊此處編輯母版標(biāo)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(yīng)管及其電路,4.3,場效應(yīng)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(fù)合互補(bǔ)源極跟隨器,第,4,章 場效應(yīng)管及其電路,【,本章難點(diǎn),】,MOS,管的原理和轉(zhuǎn)移特性及主要參數(shù),場效應(yīng)管的微變等效電路法,【,本章,要點(diǎn),】,MOS,管的原理、特性和主要參數(shù),結(jié)型場效應(yīng)管原理、特性及主要參數(shù),場效應(yīng)管放大電路的組成與原理,第,4,章 場效應(yīng)管及其電路,場效應(yīng)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(yīng)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(diǎn)，目前已被廣泛應(yīng)用于各種電子電路中。,場效應(yīng)管按其結(jié)構(gòu)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(yīng)管由于其制造工藝簡單，便于大規(guī)模集成，因此應(yīng)用更為廣泛。,4.1,絕緣柵場效應(yīng)管,(MOSFET,),第,4,章 場效應(yīng)管及其電路,絕緣柵型場效應(yīng)管,簡稱,MOS,管，由于其內(nèi)部由金屬,氧化物,半導(dǎo)體三種材料制成，可分為增強(qiáng)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(qiáng)型場效應(yīng)管,(NMOS,管,),1,結(jié)構(gòu),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(kuò)散工藝形成兩個(gè)高摻

3、雜的 區(qū)，通過金屬鋁引出兩個(gè)電極分別作為源極,S,和漏極,D,，再在半導(dǎo)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(yīng)管,(MOSFET),第,4,章 場效應(yīng)管及其電路,(a),結(jié)構(gòu)示意圖,(b),電路符號,圖,4-1 N,溝道增強(qiáng)型,MOS,管,4.1,絕緣柵場效應(yīng)管,(MOSFET),第,4,章 場效應(yīng)管及其電路,2,工作原理,(1),柵源電壓 時(shí)的,情況,如圖,4-2,所示，漏源之間為一條由半導(dǎo)體,N-P-N,組成的兩個(gè)反向串聯(lián)的,PN,結(jié)，因此即使加入漏源電壓 ，因無導(dǎo)電溝道形成，漏極電流 。,圖,4-2,時(shí)的情況,4.1,絕緣

4、柵場效應(yīng)管,(MOSFET),第,4,章 場效應(yīng)管及其電路,2,工作原理,如圖,4-3,所示，由,P,型半導(dǎo)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(dǎo)體,N-N-N,組成的導(dǎo)電溝道。若此時(shí)加入漏源電壓 ，就會(huì)有漏極電流 產(chǎn)生。,(,2),柵源電壓 ，漏源電壓 時(shí)的情況,柵源電壓,漏源電壓 時(shí)的情況,圖,4-3,4.1,絕緣柵場效應(yīng)管,(MOSFET,),第,4,章 場效應(yīng)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(qiáng)型,NMOS,管在漏源電壓,一定時(shí)，輸出電流 與輸入電壓 的關(guān)系曲線，,即,轉(zhuǎn)移特性曲線的表達(dá)式為,是 時(shí)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(yīng)管,(MOSFET),第,4,章 場效應(yīng)管及其電路,(2),輸出特性曲線,輸出特性是指增強(qiáng)型,NMOS,管在柵源電壓 一定時(shí)，輸出電流 與漏源電壓 的關(guān)系曲線，如圖,4-5,所示，其函數(shù)關(guān)系式為,圖,4-5,輸出特性曲線,4.1,絕緣柵場效應(yīng)管,(MOSFET),第,4,章 場效應(yīng)管及其電路,4.1.2 P,溝道增強(qiáng)型場效應(yīng)管,(PMOS,管,),P,溝道增強(qiáng)型,MOS,管和,N,溝道增強(qiáng)型,MOS,管的主要區(qū)別在于作為襯底的半導(dǎo)體材料的類型不同，,P,溝道增強(qiáng)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(yīng)的導(dǎo)電溝道也為,P,型結(jié)構(gòu)，其符號如圖,4-6,所示。,實(shí)際應(yīng)用中，常常將,P,溝道增強(qiáng)型,MOS,管和,N,溝道增強(qiáng)型,MOS,管結(jié)合起來使用，稱為,CMOS,，也可稱為互補(bǔ),MOS,。,圖,4-6 P,溝道增強(qiáng)型,MOS,管電路符號,4.1,絕緣柵場效應(yīng)管,(MOSFET),第,4,章 場效應(yīng)管及其電路,4.1.3 N,溝道耗盡型場效應(yīng)管,N,溝道耗盡型,MOS,管在制造時(shí)，在二氧化硅絕緣層中預(yù)先摻入了大量的正離子。因而使,P,襯底表面也可感應(yīng)出較多的自由電子，形成反型層，建立起導(dǎo)電溝道,其結(jié)構(gòu)如圖,4-7,（,a,）所示。,將 時(shí)有導(dǎo)電溝道存在的場效應(yīng)管通稱為耗盡型場效應(yīng)

7、管，符號中導(dǎo)電溝道用實(shí)線表示。,4.1,絕緣柵場效應(yīng)管,(MOSFET),第,4,章 場效應(yīng)管及其電路,(a),結(jié)構(gòu)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(guān)系表達(dá)式為,圖,4-7 N,溝道耗盡型,MOS,管,(4-2),4.1,絕緣柵場效應(yīng)管,(MOSFET),第,4,章 場效應(yīng)管及其電路,4.1.4 P,溝道耗盡型場效應(yīng)管,P,溝道耗盡型,MOS,管除了漏極、源極和襯底的半導(dǎo)體材料類型與,N,溝道耗盡型,MOS,管的對偶外，還有一個(gè)明顯的區(qū)別就是在二氧化硅絕緣層中摻入的是負(fù)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(yīng)管,(JFET),第,4,章 場效應(yīng)管及其電路,4.2.1,結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu),結(jié)型場效應(yīng)管其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖,4-9,所示，與絕緣柵型場效應(yīng)管不同的是漏極,D,和源極,S,通?？梢詫φ{(diào)使用。結(jié)型場效應(yīng)管也可分為,N,溝道和,P,溝道兩種。,圖,4-9,結(jié)型場效應(yīng)管,4.2,結(jié)型場效應(yīng)管,(JFET),第,4,章 場效應(yīng)管及其電路,4.2.2,結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理,圖,4-10,時(shí)，對導(dǎo)電溝道的影響,4.2,結(jié)型場效應(yīng)管,(JFET),第,4,章 場效應(yīng)管及其電路,如圖,4-10(a),所示，場效應(yīng)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(dǎo)電溝道最寬，溝道等

9、效電阻最小。當(dāng) 時(shí)，在 作用下，場效應(yīng)管兩側(cè)的耗盡層加寬，相應(yīng)的中間導(dǎo)電溝道變窄，溝道等效電阻增大，如圖,4-10(b),所示。當(dāng) 的反偏值增大到某一值時(shí)，場效應(yīng)管兩側(cè)的耗盡層相接，導(dǎo)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(shí)的柵源電壓即為夾斷電壓 。此時(shí)，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(yīng)管,(JFET),第,4,章 場效應(yīng)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(yīng)管的輸出特性曲線，由圖可見，其工作狀態(tài)分為四個(gè)區(qū)域。,4.2,結(jié)

10、型場效應(yīng)管,(JFET),第,4,章 場效應(yīng)管及其電路,(1),可變電阻區(qū),較小，場效應(yīng)管尚未出現(xiàn)預(yù)夾斷的區(qū)域。該工作區(qū)的特點(diǎn)是：與 近似成線性關(guān)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(yīng)管可以看作是一個(gè)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(guān)，只受 控制，是一個(gè)受電壓控制的電流源。場效應(yīng)管作為放大器件應(yīng)用時(shí)，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(yīng)管,(JFET),第,4,章 場效應(yīng)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(yīng)輸出特性曲線上翹的部分

11、。擊穿后場效應(yīng)管不能正常工作，甚至很快燒毀，因此，不允許場效應(yīng)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(shí)，導(dǎo)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(yīng)管,(JFET),第,4,章 場效應(yīng)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(guān)系可近似表示為,條件為：,4.2,結(jié)型場效應(yīng)管,(JFET),第,4,章 場效應(yīng)管及其電路,4.2.4,場效應(yīng),管的主要參數(shù)及使用注意事項(xiàng),1,場效應(yīng)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(shí)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(shí)，場效應(yīng)管處于預(yù)夾斷時(shí)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(yīng)管,(JFET),第,4,章 場效應(yīng)管及其電路,(,3),開啟電壓,為增強(qiáng)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(shí)所需的最小 值。,(,4),低頻跨導(dǎo),在 為某一常數(shù)時(shí)，的微變量與相應(yīng) 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(gè)重要參數(shù)。,(4-3),4.2,結(jié)型場效應(yīng)管,(JFET

13、),第,4,章 場效應(yīng)管及其電路,2,使用注意事項(xiàng),場效應(yīng)管的漏極和源極通常情況下可以互換使用，但對于出廠時(shí)已將源極和襯底連接在一起的場效應(yīng)管，使用時(shí)應(yīng)注意漏極和源極不能對調(diào)。,(2),使用時(shí)各場效應(yīng)管外加電壓的極性應(yīng)按規(guī)定接入，特別是結(jié)型場效應(yīng)管應(yīng)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(yīng)管,(JFET),第,4,章 場效應(yīng)管及其電路,(3),MOS,管應(yīng)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(dǎo)致柵源電壓升高而擊穿二氧化硅絕緣層，所以貯存時(shí)應(yīng)將三個(gè)電極短路，焊接時(shí)應(yīng)用導(dǎo)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(yīng)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(yīng)管放大電路,第,4,章 場效應(yīng)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(yīng)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(gòu)成的放大電路。,(4-4),4.3,場效應(yīng)管放大電路,第,4,章 場效應(yīng)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(yīng)管放大電路,第,4,章 場效應(yīng)管及其電路,(1),靜態(tài)分析,增強(qiáng)型,耗盡型,求得,I,D,和,U,GS,后,，再求,4.3,場效應(yīng)管放大電路,第,4,章 場效應(yīng)管及其電路,(2),動(dòng)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(yīng)管放大電路,第,4,章 場效應(yīng)管及其電路,圖,4-15 FET,簡化,H,參數(shù)等效電路,4.3,場效應(yīng)管放大電路,第,4,章 場效應(yīng)管及其電路,電壓放大倍數(shù),負(fù)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(jìn)行動(dòng)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(yīng)管放大電路,第,4,章 場效應(yīng)管及其電路,4.3.2,共漏放大電路,圖,4-16,是由增強(qiáng)型,NMOS,管構(gòu)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(yīng)管放大電路,第,4,章 場效應(yīng)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(dòng)態(tài)分析,共漏放大,電路動(dòng)態(tài)分析類似于第,3,章中共,集放大電路,略。,4.3,場效應(yīng)管放大電路,第,4,章 場效應(yīng)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(diǎn)，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_(dá)幾十兆歐,。,4.3,場效應(yīng)管放大電路,第,4,章 場效應(yīng)管及其電路,4.3.3,復(fù)合互補(bǔ)源極跟隨器,場效應(yīng)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