模电第3章
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3. 2 场效应管放大电路
一. 直流偏置电路 保证管子工作在饱和区,输出信 号不失真 1.自偏压电路
+ VDD Rd
d
计算Q点:UGS 、 ID 、UDS
已知UP ,由
+ uo
C1 + ui
—
g
T
s
C2
UGS =
- IDR
Rg
ID
R
C
—
U GS 2 I D I DSS (1 ) UP
可解出Q点的UGS 、 ID
+ VDD C2 +
UGS
Rg2 Rg1 + Rg2
2. 极间电容
这是场效应管三个电极之间的等效电容,包括 CGS、 CGD、CDS。 极间电容愈小,则管子的高频性能愈好。一 般为几个皮法。
三、极限参数
1.最大漏极电流 IDM 漏极电流的上限值 2. 漏源击穿电压 U(BR)DS 当漏极电流 ID 急剧上升产生雪崩击穿时的 UDS 。 3. 栅源击穿电压U(BR)GS 场效应管工作时,若UGS > U(BR)GS ,PN结将被击穿。 4. 最大耗散功率PDM 由场效应管允许的温升决定。漏极耗散功率转化为 热能使管子的温度升高。
夹断电压
不同型号的管子UGS(off)、IDSS将不同。
二、绝缘栅型场效应管
由金属、氧化物和半导体制成,称为金属-氧化物半导体场效应管,或简称 MOS 管。
特点:输入电阻可达 109 以上,用于大规模集成电路。 N 沟道
类型 增强型 耗尽型 增强型 耗尽型
P 沟道
UGS = 0 时漏源间不存在导电沟道称增强型场效应管. UGS = 0 时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管.
-0. 5V
-1V -1. 5V
即uGS>UGS(off)且uGD<UGS(off) 特点:
0
-2V
VDS /V
ID只受VGS控制,而与VDS近似无关。 数学模型:
VGS I D I DSS 1 V GS(off)
2
截止区 沟道全夹断的工作区 条件: VGS < VGS(off) 特点: IG≈0,ID=0 击穿区
NMOS管输出特性曲线
非饱和区
ID= f ( VDS )
VGS = 常数
沟道预夹断前对应的工作区。
VGS > VGS(th) 条件: V DS < VGS–VGS(th) 特点: ID同时受VGS与VDS的控制。
ID/mA VDS = VGS –VGS(th) VGS =5V 4.5V 4V 3.5V 0 VDS /V
ID/mA VDS = VGS –VGS(off)
VGS =0V
-0. 5V -1V -1. 5V 0 -2V VDS /V
线性电阻:
恒流(饱和)区(放大区)
条件: VGS > VGS(off) V DS > VGS–VGS(off)
ID/mA VDS = VGS –VGS(off) VGS =0V
管号 结型 T1 MOS T2 MOS T3 UGS(off)或UGS(th) -3 4 -3 US 3 -2 0 UG -1 3 0 UD 10 -1.2 10
T1为N沟道结型场效应管,工作在截止区。 T2为增强型N沟道MOS管,工作在可变电阻区。 T3为耗尽型N沟道MOS管,工作在恒流区。
例:已知场效应管的输出特性曲线如图,分析当uI=4V、 8V、12V三种情况下场效应管分别工作在什么区域。
iD gm uGS
U DS 常量
ΔiD
ΔuGS
3、伏安特性曲线
(2)转移特性 iD f (uGS ) U
DS 常量
管子工作在恒流区,满足uGS>UGS(off)且uGD<UGS(off) 转移特性曲线为:
漏极饱和电流
恒流区中iD的表达式为:
uGS 2 iD I DSS (1 ) (UGS(off) uGS 0) U GS(off)
ID/mA VDS = VGS –VGS(th)
条件: VGS < VGS(th)
沟道未形成时的工作区 特点: IG≈0,ID≈0 相当于MOS管三个电极断开。 击穿区
0
VGS =5V
4.5V 4V 3.5V VDS /V
• VDS增大到一定值时漏衬PN结雪崩击穿 ID剧增。 • VDS沟道 l 对于l 较小的MOS管穿通击穿。
绝缘 增 栅型 强 N 沟道 型
G
S
UGS
O
+ + +
ID
O UGS(off) UGS
UGS = UGS(th)
o
+ + + +
S D
UGS(off) O
O
UDS
UDS
种类 绝缘 耗 栅型 尽 N 沟道 型
符号
D ID
转移特性
ID
IDSS UGS
漏极特性
ID + UGS=0 _ _
UDS
绝缘栅型场效应管
一、结型场效应管(N沟道为例)
1、结构和符号
场效应管有三个极:源极(s)、栅极(g)、漏极 (d),对应于晶体管的发射极e、基极b、集电极c。 符号 结构示意图 栅极 导电 沟道
漏极
源极
JFET结构示意图及电路符号
D G
D
D
P+ N P+ G
G
D
N+ P N+ G
S
S S
S
N沟道JFET
P沟道JFET
2、工作原理 1)栅-源电压uGS对导电沟道宽度的控制作用
当uDS=0,uGS可以控制导电沟道的宽度。
沟道最宽
沟道变窄
沟道消失 称为夹断
当沟道消失时,uGS = UGS(off)称为夹断电压
2)漏-源电压UDS对漏极电流ID的影响
当UGS(off)<uGS<0时,uDS对漏极电流的影响。
当VGS为常数时,VDSID近似线性,表现为一种电阻特性; 当VDS为常数时,VGS ID ,表现出一种压控电阻的特性。
因此,非饱和区又称为可变电阻区。
饱和区(放大区)
沟道预夹断后对应的工作区。
ID/mA VDS = VGS –VGS(th)
VGS =5V 4.5V 4V 3.5V
4. P沟道增强型MOS管:
截止区: uGS > UGS(th) ,并且UGS(th) <0
恒流区: uGS < UGS(th) ,并且uGD > UGS(th)
可变电阻区: uGS <UGS(th) ,并且uGD <UGS(th) 注:耗尽型MOS管与结型场效应管相类似。
判断下列N沟道场效应管的管型和工作状态。
四、场效应管的工作区域判断
1. N沟道结型场效应管:
截止区(夹断区): uGS < UGS(off) <0 恒流区: UGS(off) <uGS <0,并且uGD < UGS(off)
可变电阻区: UGS(off) <uGS <0,并且uGD >UGS(off)
2. N沟道增强型MOS管:
截止区: uGS < UGS(th), 并且UGS(th) >0
1、增强型MOS管符号和结构(N沟道为例)
符号
金属层
结构示意图
uGS=UGS(th) 沟道开启
耗尽层
SiO2绝缘层
反型层
uGS增大,反型层(导电沟道)将变厚变长。当 反型层将两个N区相接时,形成导电沟道。
当uGS > UGS(th)时,漏源电压uDS 对iD的影响
iD随uDS的增大 而增大 (可变电阻区)
第三章 场效应管放大器
3.1 场效应管
结型场效应管
绝缘栅场效应管
3.2 场效应管放大电路
效应管放大器的静态偏置
效应管放大器的交流小信号模型 效应管放大电路
3.1、场效应管
只有一种载流子参与导电,且利用电场效应来控制电 流的三极管,称为场效应管,也称单极型三极管。
场效应管分类 结型场效应管 增强型 耗尽型 单极型器件(一种载流子导电); 特点 输入电阻高(107 1015 ); 工艺简单、易集成、功耗小、体积小、 成本低。
UGS =- IDR
再求: UDS =VDD- ID (Rd + R )
注意:该电路产生负的栅源电压,所以只能用于需要负栅源电压的电路。
2.分压式自偏压电路
UGS UG US
Rg2 Rg1 + Rg2 VDD I D R
计算Q点:
已知UP ,由
Rd Rg1 C1 + ui Rg2
—
恒流区: uGS > UGS(th) ,并且uGD < UGS(th) 可变电阻区: uGS > UGS(th) ,并且uGD >UGS(th)
注:耗尽型MOS管与结型场效应管相类似。
五、场效应管的工作区域判断
3. P沟道结型场效应管:
截止区(夹断区): uGS > UGS(off) >0
恒流区: 0 <uGS < UGS(off) ,并且uGD > UGS(off) 可变电阻区: 0 <uGS <UGS(off) ,并且uGD <UGS(off)
VGS > VGS(th) 条件: V DS > VGS–VGS(th) 特点:
0
VDS /V
ID只受VGS控制,而与VDS近似无关,表现出类 似三极管的正向受控作用。 考虑到沟道长度调制效应,输出特性曲线随 VDS的增加略有上翘。
注意:饱和区(又称有源区)对应三极管的放大区。
截止区
ID=0以下的工作区域。
VGS = 常数
VDS = 常数
3、伏安特性曲线 (1)NJFET输出特性
非恒流(饱和)区(可变 电阻区) VGS > VGS(off) 条件: V DS < VGS–VGS(off) 即 uGS>UGS(off)且uGD>UGS(off) 特点: ID同时受VGS与VDS的控制。
2 VGS(off) 1 Ron 2 I DSS VGS VGS(off)
G
B
S
D ID
UGS(off) O
UGS(th)O ID UGS
O
G S
B
IDSS
_
+ +
ID
O
o
绝缘 栅型 P 沟道 耗 尽 型
G S
B
ID
D
UGS(off) UGS
_ _ _
增 强 型
o
三、场效应管的主要参数
一、直流参数
1. 开启电压 UGS(th) 为增强型MOS管的一个重要参数。 2. 夹断电压 UGS(off) 为结型场效应管和耗尽型MOS管的一个重要参数。 3. 饱和漏极电流 IDSS
N沟道耗尽型MOS管
夹断 电压
耗尽型MOS管与结型场效应管的转移特性 方程相类似。
表 1.4.13
种类
各类场效应管的符号和特性曲线
符号
D
转移特性
ID /mA IDSS UGS
ID
漏极特性
UGS= 0V
Hale Waihona Puke Baidu
结型 耗 尽 N 沟道 型 G
结型 耗 尽 P 沟道 型 G
S
D
IDSS ID B O UGS(th) ID
uGD=UGS(th) 预夹断,电 流趋于饱和
iD几乎仅仅 受控于uGS (恒流区)
N沟道增强型MOS管工作在恒流区的条件是什么?
2、耗尽型MOS管符号和结构(N沟道为例)
符号 结构示意图
uGS=UGS(off) <0,沟道夹断
uGS=0时就存 在导电沟道
加正离子
耗尽型MOS管在 uGS>0、uGS<0、uGS=0时均可 导通,且由于SiO2绝缘层的存在,在uGS>0时仍保持 g-s间电阻非常大的特点。
解:由T的输出特性可知其开启电压为5V,图示电路 uGS=uI。
当uI=4V时,uGS小于开启电压,故T截止。 当 uI = 8V 时,设 T 工作在恒流区 ,由输出特性得 iD≈0.6mA,管压降 uDS≈VCC-iDRd≈10V uGD=uGS-uDS≈-2V 小于开启电压,假设成立 即T工作在恒流区。 当uI=12V时,假设T工作在恒流区,由iD ≈3.8mA得: uDS≈-0.54V, uGD≈12.54V大于开启电压,T工作在 可变电阻区。
为结型场效应管的一个重要参数。
4. 直流输入电阻 RGS 输入电阻很高。结型场效应管一般在 107 以上, MOS管更高,一般大于 109 。
二、交流参数
1. 低频跨导 gm
用以描述栅源之间的电压 uGS 对漏极电流 iD 的控制作用。
单位:iD 毫安(mA);uGS 伏(V);gm 毫西门子(mS)
沟道为楔型, 电流增大 (可变电阻区)
预夹断,电流趋 于饱和 uGD=UGS(off)
电流达到饱和
(恒流区)
场效应管工作在恒流区的条件是什么?
伏安特性
由于JFET场效应管正常工作 时栅极电流为零,故不讨论 输入特性曲线。 共源组态特性曲线:
输出特性:
转移特性:
ID= f ( VDS ) ID= f ( VGS )
ID/mA VDS = VGS –VGS(off) VGS =0V -0. 5V -1V
-1. 5V
0 -2V VDS /V
VDS 增大到一定值时 近漏极PN结雪崩击穿
造成 ID剧增。
VGS 越负 则VGD 越负 相应击穿电压V(BR)DS越小
输出特性 低频跨导gm:用来描述动态的栅-源电压uGS对漏极 电流iD的控制作用(恒流区)