Transcript 第四章场效应管放大电路
第四章 场效应管放大电路 第四章 场效应管放大电路 4.1 结型场效应管 4.2 绝缘栅场效应管 4.3 场效应管的主要参数 4.4 场效应管的特点 4.5 场效应管放大电路 第四章 场效应管放大电路 4.1 结型场效应管 D 漏极 P£« D P£« N 型 沟 道 栅极 G S N£« 栅极 G 源极 (a) N型沟道 漏极 N£« P 型 沟 道 S D 源极 (b) P型沟道 G D G S S (c) N沟道 (d) P沟道 图4-1 结型场效应管的结构示意图和符号 第四章 场效应管放大电路 4.1.2 工作原理 1. UGS对导电沟道的影响 ID£½0 ID£½0 D P£« G ID£½0 D P£« N 型 沟 道 P£« N ÐÍ ¹µ µÀ G S (a) UG S£ ½0 D UGS S (b) UG S£ ¼0 P£« P£« P£« G UGS S (c) UG S£ ½£-UP 图 4-2 当UDS=0时UGS对导电沟道的影响示意 第四章 场效应管放大电路 2. ID与UDS、UGS之间的关系 ID D G P N ID D P UDS G P N D P UGS UGS S (a) UG S£ ¼0U, D G£ ¼| UP | P P UDS UGS S IS G UDS ID S IS (b) UG S£ ¼0 U, D G£ ¼| UP | 预夹断 IS (c) UG S¡ÜUP , UD G£ ¾| UP | 图 4-3 UDS对导电沟道和ID的影响 夹断 第四章 场效应管放大电路 4.1.3 特性曲线 I D f (U DS ) UGS 常数 1.输出特性曲线 iD / mA 图 4 6 4 N 5 -- 可变电阻区 击穿区 恒流区(放大 区) RDS小 uGS£½0 V uDS£½ uGS£-UP 4 £-1V 3 2 £-2 V RDS´ó 1 0 4 £-3 V 8 12 截止区 16 UP£½£-4 V 20 24 BUDSS uDS / V 沟 道 结 型 场 效 应 管 的 输 出 特 性 第四章 场效应管放大电路 根据工作情况, 输出特性可划分为4个区域, 即: 可 变电阻区、 恒流区、击穿区和截止区。 第四章 场效应管放大电路 2. 转移特性曲线 iD / mA I D f (UGS ) U DS 常数 6 IDSS U GS I D I DSS 1 UP 2 4 U £ 3 ¾4V DS 2 U P£½£-4 V £-4 5 1 £-3 £-2 £-1 0 uGS / V 图4- 5 N沟道结型场效应管的转移特性曲线 第四章 场效应管放大电路 iD / mA 4¡ä UDS£½ UDS 1 3¡ä UDS£½UDS 1¡ä £-4 £-3 6 6 5 5 4 4 3 3 2 2 2 1 1 1 4 3 UGS£½0 £-1 V 2 2¡ä UP iD / mA £-2 V £-3 V £-4 V £-2 £-1 0 uGS / V 0 UDS 4 2 8 UDS 12 1 图 4-6 由输出特性画转移特性 uDS / V 第四章 场效应管放大电路 4.2 绝缘栅场效应管 4.2.1 N沟道增强型MOS场效应管 1. 结构 S SiO2 G D 铝 N£« N£« P 型衬底 B 图 4-7 N沟道增强型MOS场效应管的结构示意图 第四章 场效应管放大电路 2. 工作原理 S U DS UGS D G N £« N £« N 型沟道 P 型衬底 B 图 4-8 UGS＞UT时形成导电沟道 第四章 场效应管放大电路 3. 特性曲线 UGS £-UT 轨迹 iD / mA UDS £½ 可变电阻 恒流区 区 iD / mA 10 A 0 UT uGS / V (a) תÒÆÌØÐÔ 0 UGS £½UT 截止区 (b) Êä³öÌØÐÔ 图4 – 9 N沟道增强型MOS场效应管的特性曲线 击穿区 uDS / V 第四章 场效应管放大电路 4.2.2 N沟道耗尽型MOS场效应管 掺杂在绝缘层 中的正离子 S G D £«£«£«£«£«£«£«£«£«£«£« N£« N£« N型沟道 P型衬底 衬底引线 图 4-10 N沟道耗尽型MOS管的结构示意图 第四章 场效应管放大电路 iD iD / mA £«1 V 4 3 IDSS IDSS UGS£½ 0 V £-1 V 2 £-2 V 1 £-3 V UP O uGS (a) 转移特性 0 5 10 15 (b) 输出特性 图 4-11 N沟道耗尽型MOS场效应管的特性曲线 20 uDS / V 第四章 场效应管放大电路 D D G G D 衬底 衬底 G S S S (b) N沟道耗尽型 (a) N沟道增强型 (c) N沟道MOS管简化符号 D D G G D 衬底 衬底 G S S (d) P沟道增强型 (e) P沟道耗尽型 S ( f ) P沟道MOS管简化符号 图 4-12 MOS场效应管电路符号 第四章 场效应管放大电路 表4-1 各种场效应管的符号和特性曲线 类型 符号和极性 D JFET N沟道 － i D － S D JFET P沟道 + i D G － D 增强型 N MOS + － i D G S U P i D － O + i D O u GS + S 输出特性 i D I DSS + G + 转移特性 U P O －i D u GS I DSS O i D i D B u ＝0 V GS －1 V －2 V －3 V u ＝U ＝－4 V GS P u DS u ＝0 V GS ＋1 V ＋2 V ＋3 V u ＝U ＝＋4 V GS P －u DS u ＝5 V GS 4V 3V － O U T uGS O u ＝U ＝＋2 V GS T u DS 第四章 场效应管放大电路 表4-1 续表 D 耗尽型 N MOS + i D － S U P D 增强型 P MOS － + － i D G S 耗尽型 P MOS i D －G + S ＋2 V u ＝0 V GS －2 V u ＝U ＝－4 V GS P u DS O u GS U T i D O u GS O －i D B + － O O U P －u DS －i D u GS －2 V u ＝0 V GS ＋2 V u ＝U ＝＋4 V GS P B + u ＝－6V GS －5 V －4 V u ＝U ＝－3 V GS T i D D i D I DSS B +G － i D I DSS O －uDS 第四章 场效应管放大电路 4.3 场效应管的主要参数 4.3.1 直流参数 1. 饱和漏极电流IDSS IDSS是耗尽型和结型场效应管的一个重要参数, 它的 定义是当栅源之间的电压UGS 等于零, 而漏、源之间的 电压UDS大于夹断电压UP时对应的漏极电流。 第四章 场效应管放大电路 2. 夹断电压UP UP也是耗尽型和结型场效应管的重要参数, 其定义 UDS 一定时,使ID 减小到某一个微小电流(如1μA, 50μA)时所需的UGS值。 第四章 场效应管放大电路 3. 开启电压UT UT 是增强型场效应管的重要参数, 它的定义是当 UDS 一定时, 漏极电流ID 达到某一数值(例如10μA)时所 需加的UGS值。 第四章 场效应管放大电路 4. 直流输入电阻RGS RGS是栅、源之间所加电压与产生的栅极电流之 比。由于栅极几乎不索取电流, 因此输入电阻很高。 结型为106 Ω以上, MOS管可达1010Ω以上。 第四章 场效应管放大电路 4.3.2 交流参数 1. 低频跨导gm I D gm UGS U DS 常数 跨导gm的单位是mA/V。它的值可由转移特性或输出 特性求得。 I D 2 I DSS UGS gm (1 ) UGS UP UP 第四章 场效应管放大电路 iD / mA Q ID O UGS (a) תÒÆÌØÐÔ uGS / V iD / mA uDS£½ 常数 Q ID O UGS uDS / V (b) Êä³öÌØÐÔ 4-13 根据场效应管的特性曲线求gm 第四章 场效应管放大电路 2. 极间电容 场效应管三个电极之间的电容,包括CGS 、CGD 和CDS。这些极间电容愈小, 则管子的高频性能愈好。 一般为几个pF。 第四章 场效应管放大电路 4.3.3 极限参数 1. 漏极最大允许耗散功率PDm PDm与ID、UDS有如下关系: PDm I DU DS 这部分功率将转化为热能, 使管子的温度升高。PDm决 定于场效应管允许的最高温升。 2. 漏、源间击穿电压BUDS 在场效应管输出特性曲线上, 当漏极电流ID急剧上升产生 雪崩击穿时的UDS。工作时外加在漏、源之间的电压不得超过 此值。 第四章 场效应管放大电路 3. 栅源间击穿电压BUGS 结型场效应管正常工作时, 栅、源之间的PN结处于反 向偏置状态, 若UGS过高, PN结将被击穿。 对于MOS场效应管, 由于栅极与沟道之间有一层很薄 的二氧化硅绝缘层, 当UGS过高时, 可能将SiO2绝缘层击穿, 使栅极与衬底发生短路。这种击穿不同于PN结击穿, 而和 电容器击穿的情况类似, 属于破坏性击穿, 即栅、 源间发 生击穿, MOS管立即被损坏。 第四章 场效应管放大电路 4.4 场效应管的特点 (1) 场效应管是一种电压控制器件, 即通过UGS来控制ID。 (2) 场效应管输入端几乎没有电流, 所以其直流输入电 阻和交流输入电阻都非常高。 (3) 由于场效应管是利用多数载流子导电的, 因此, 与双 极性三极管相比, 具有噪声小、受幅射的影响小、热稳定性 较好而且存在零温度系数工作点等特性。 第四章 场效应管放大电路 (4) 由于场效应管的结构对称, 有时漏极和源极可以互 换使用, 而各项指标基本上不受影响, 因此应用时比较方便、 灵活。 (5) 场效应管的制造工艺简单, 有利于大规模集成。 (6) 由于MOS场效应管的输入电阻可高达1015Ω, 因此, 由外界静电感应所产生的电荷不易泄漏, 而栅极上的SiO2绝 缘层又很薄, 这将在栅极上产生很高的电场强度, 以致引起 绝缘层击穿而损坏管子。 (7) 场效应管的跨导较小, 当组成放大电路时, 在相同的 负载电阻下, 电压放大倍数比双极型三极管低。 第四章 场效应管放大电路 iD T1 T1£¾T2£¾ T3 T2 T3 零温度系数工作点 O uGS 图 4 – 14 场效应管的零温度系数工作点 第四章 场效应管放大电路 D R G VD1 VD2 S 图 4-15 栅极过压保护电路 第四章 场效应管放大电路 4.5 场效应管放大电路 4.5.1 静态工作点与偏置电路 £«UDD UGS I D RS RD D £« C1 G C2 ID S ¡¤ Ui RG RS £« CS £- 图 4 – 16 自给偏压电路 RL ¡¤ Uo 第四章 1. 场效应管放大电路 图解法 UDS UDD I D ( RD RS ) iD / mA uGS£½0 iD / mA A £-0.5 V C £-1 V £-1.5 V £-2 V Q Q £-2.5 V D O O uGS / V 5 10 15 £-3 V B 20 图 4 – 17 求自给偏压电路Q点的图解 uDS / V 第四章 2. 场效应管放大电路 计算法 U GS I D I DSS 1 UP 2 IDSS为饱和漏极电流,UP为夹断电压, 可由手册查出。 第四章 场效应管放大电路 【例1】 电路如图4 - 16所示, 场效应管为3DJG, 其输 出 特 性 曲 线 如 图 4 - 18 所 示 。 已 知 RD=2 kΩ, RS=1.2 kΩ,UDD=15V, 试用图解法确定该放大器的静态工作点。 解 写出输出回路的电压电流方程, 即直流负载线方 程 UDS UDD I D ( RD RS ) 设 U DS U DD 15 0V时，I D 4.7m A RD RS 2 1.2 I D 0m A时，U DS 15V 第四章 场效应管放大电路 在输出特性图上将上述两点相连得直流负载线。 iD / mA 6 5 4 Q uGS£½0 V £-1 £-2 3 2 £-3 £-4 1 £-uGS / V £-6 £-4 £-2 0 5 7 10 图 4-18 图解法确定工作点(例1) £-5 £-6 15 uDS / V 第四章 场效应管放大电路 在转移特性曲线上, 作出UGS=-IDRS的曲线。由上式可 看出它在uGS~iD坐标系中是一条直线, 找出两点即可。 令 I D 0, UGS 0 I D 3m A, UGS 3.6V 连接该两点, 在uGS~iD坐标系中得一直线, 此线与转移特性 曲线的交点, 即为Q点, 对应Q点的值为: I D 2.5mA,UGS 3V ,U DS 7V 第四章 场效应管放大电路 另一种常用的偏置电路为分压式偏置电路, 如图4 -19 所示。该电路适合于增强型和耗尽型MOS管和结型场效 应管。为了不使分压电阻 R1、R2 对放大电路的输入电阻 影响太大, 故通过 RG 与栅极相连。 该电路栅、 源电压为 UGS R1 UG U S U DD I D RS R2 R1 第四章 场效应管放大电路 £«U DD RD C 2 R2 £« C1 £« Ui £- RL RG R1 RS CS 图 4-19 分压式偏置电路 Uo £- 第四章 场效应管放大电路 利用图解法求Q点时, 此方程的直线不通过uGS~iD坐标 系的原点,而是通过ID=0, UGS R1 U DD 点, 其它过程与 R2 R1 自偏电路相同。 利用计算法求解时, 需联立解下面方程组 R1 U GS R R U DD I D RS 1 2 2 U GS I D I DSS 1 U P 第四章 场效应管放大电路 4.5.2 场效应管的微变等效电路 场效应管仅存关系: iD f (uGS , uDS ) iD 求微分式 diD uGS 定义 iD U DS duGS uDS iD gm uGS 1 iD rD uGS U DS U DS U GS duDS (4-13) 第四章 场效应管放大电路 如果用id 、ugs 、uds分别表示iD、uGS 、uDS的变化部分, 则式(4-13)可写为 1 id g mugs uds rD 2 I DSS gm UP gm0 U GS 1 UP 2 I DSS UP U GS gm gm 0 1 UP 第四章 场效应管放大电路 4.5.3 共源极放大电路 G £« Id D £« RG Ugs Ui R1 R2 gmUgs RD RL U o £- £S 图 4 – 20 共源极放大电路微变等效电路 第四章 场效应管放大电路 1. 电压放大倍数(Au) Uo Au Ui U o gmU gs R ' L 式中, R RD // RL。而U gs U i , 所以 ' L UO Au gm RL' Ui 第四章 场效应管放大电路 2. 输入电阻ri ri RG R1 // R2 3. 输出电阻ro ro RD 第四章 场效应管放大电路 4.5.4 共漏放大器(源极输出器) 1. 电压放大倍数(Au) Uo Au Ui Uo gmU gs RL' 式中, R RS // RL。而 ' L Ui Ugs Uo ,Ugs Ui Uo 所以 Uo gm (Ui Uo )R ' L 第四章 场效应管放大电路 整理后得 ' L gm R Ui Uo ' 1 gm RL 于是得 ' L gm R Au ' 1 gm RL 第四章 场效应管放大电路 G £«UDD Us £« Ui gmUgs S £- £« R¡äs £« Ugs R¡äs D RG RS £« RG £« RL £« Uo Us RS £- £- £- £- (a) 电路 (b) µÈЧ 电路 G D £« gmUgs Ugs R¡ä s RL Uo RG £S £« U2 RS £- (c) 输出电阻的计算 图 4-21 源极输出器 第四章 场效应管放大电路 2. 输入电阻ri ri RG 3. 输出电阻ro 令Us=0, 并在输出端加一信号U2 I2 。 U2 g mU gs Rs U2 1 I2 gmU 2 gm U 2 Rs RS U2 1 1 ro // RS I2 g 1 gm m Rs 第四章 场效应管放大电路 【例3】 计算例2电路4-19的电压放大倍数、输入电 阻 、 输 出 电 阻 。 电 路 参 数 及 管 子 参 数 如 例 2, 且 RL=1MΩ,CS=100μF。 解 由例2已求得该电路的静态工作点,UGS=-1.1V, ID=0.61mA, 则根据(4-17)式得 2 1 1.1 gm (1 ) 0.312m A/ V 5 5 10 1000 Au g m R 0.312 3.12 10 1000 ' L 50 150 ri RG R1 // R2 1000 1038k 1.04M 50 150 第四章 场效应管放大电路 【例4】 计算图4 - 21(a)源极输出器的Au、ri、ro。 (已 知RG=5MΩ, RS=10 kΩ,RL=10 kΩ,场效应管gm=4mA/V) 解 由于gm已给出, 所以可不计算直流状态。 gm RL' 45 20 Au 0.95 ' 1 gm RL 1 4 5 21 式中 RL' RS // RL 5k。 ri RG 5M 1 1 1 ro // RS // 10 0.25k gm 4 4