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第三章 PowerPoint Presentation

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第三章

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  1. 第三章 场效应晶体管及其电路分析

  2. 场效应管用FET表示(Field Effect Transistor)。具有输入电阻高、热稳定性好、工艺简单、易于集成等优点。 场效应管分类: Metal-Oxide-Semiconductor 1.3.1 场效应管的结构、特性与参数 • 绝缘栅型IGFET(或MOS) (Insulted Gate Type) • 增强型MOS (Enhancement) 每一种又可分为 N沟道和P沟道。 • 耗尽型MOS (Depletion) • 结型JFET (Junction Type) • 本质上是耗尽型,分为N沟道和P沟道。

  3. 一、绝缘栅场效应管(IGFET) • NMOS增强型 s:Source 源极 d:Drain 漏极 g:Gate 栅极 B:Base 衬底 MOS管的栅极与其它电极绝缘,所以输入电阻近似为, iG≈0。 在P型衬底上加2个N+区,P型表面加SiO2绝缘层,在N +区加铝极。

  4. PMOS增强型 PMOS与NMOS的工作原理完全相同,只是电流和电压方向不同。 箭头表示沟道的实际电流方向。

  5. 增强型MOS管工作原理 (以NMOS为例) • vGS=0, vDS较小:没有导电沟道(漏源间只是两个“背向”串联的PN结), 所以d-s间呈现高阻,iD ≈ 0。 • 当vGS>0,且当vGS增强到足够大:d-s之间便开始形成导电沟道。  开始形成导电沟道所需的最小电压称为开启电压VGS(th)(习惯上常表示为VT)。

  6. vGS>VT时,vGS对iD的控制作用。   vGS将在栅极与衬底这间产生一个垂直电场(方向为由栅极指向衬底),它使漏-源之间的P型硅表面感应出电子层(反型层)使两个N+区连通,形成N型导电沟道。d、s间呈低阻,所以在vDS的作用下产生一定的漏极电流iD。 当vGS=0时没有导电沟道,而当vGS增强到>VT时才形成沟道,所以称为增强型MOS管。并且vGS越大,导电沟道越厚,等效电阻越小,iD越大。

  7. vGS>VT且为定值时,vDS对iD的影响   漏-源电压vDS产生横向电场:由于沟道电阻的存在, iD沿沟道方向所产生的电压降使沟道上的电场产生不均匀分布。近s端电压较高,为vGS;近d端电压较低,为vGD=vGS-vDS,所以沟道呈楔形分布。 • 当 vDS较小时: vDS对导电沟道的影响不大,沟道主要受vGS控制, 所以在为定值时,沟道电阻保持不变,iD随vDS增加而线性增加。

  8. vDS增加到vGS-vDS=VT时(即vDS=vGS-VT):漏端沟道消失,称为“预夹断”。 • 当 vDS再增加时(即vDS>vGS-VT):iD将不再增加,趋向饱和。因为vDS再增加时,近漏端上的预夹断点向s极延伸,使vDS的增加部分降落在预夹断区,以维持iD的大小。

  9. IDO 伏安特性与电流方程 (1) 增强型NMOS管的转移特性 在一定vDS下,栅-源电压vGS与漏极电流iD之间的关系 IDO是vGS=2VT时的漏极电流。

  10. (2) 输出特性(漏极特性) 表示漏极电流iD与漏-源电压vDS之间的关系 特性与三极管相似,分为 3个工作区,但工作区的作用有所不同。 • 可变电阻区 • 放大区(恒流区、饱和区) • 截止区(夹断区)

  11. 可变电阻区 管子导通,但尚未预夹断,即满足的条件为: 可变电阻区的特征是iD不仅受vGS的控制,而且随vDS增大而线性增大。可模拟为受vGS控制的压控电阻RDS。

  12. 又称恒流区、饱和区。条件是: 放大区 特征是iC主要受vGS控制,与vDS几乎无关,表现为较好的恒流特性。 • 夹断区 又称截止区。指管子未导通( vGS<VT)时的状态。

  13. 制造过程人为地在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了大量的K+(钾)或Na+(钠)正离子 。 耗尽型MOS管 • vGS=0,靠正离子作用,使P型衬底表面感应出N型反型层,将两个N+区连通,形成原始的N型导电沟道。 • vDS一定,外加正栅压(vGS>0),导电沟道变厚,沟道等效电阻下降,漏极电流iD增大; • 外加负栅压(vGS<0)时,沟道变薄,沟道电阻增大,iD减小。 • vGS负到某一定值VGS(off)(常以VP表示,称为夹断电压),导电沟道消失,整个沟道被夹断,iD≈0,管子截止 。

  14. 耗尽型NMOS的伏安特性 NMOS PMOS 放大区的电流方程: IDSS为饱和漏极电流,是vGS=0时耗尽型MOS管的漏极电流。

  15. 二、结型效应管(JFET) 结构与符号 N沟道 P沟道 在N区两侧扩散两个P+区,形成两个PN结。 两个P+区相连,引出g极,没有衬底B极。 N区作为N型导电沟道,引出s极和d极。

  16. 工作原理 • vGS=0时,存在N型导电沟道(N型区)。 • vGS<0时,耗尽层增厚,导电沟道变薄。 所以属于耗尽型FET,原理和特性与耗尽型MOSFET相似。所不同的是JFET正常工作时,两个PN结必须反偏,如对N沟道JFET,要求vGS≤0。 JFET通过vGS改变半导体内耗尽层厚度(沟道的截面积)控制iD,称为体内场效应器件; MOSFET主要通过改变衬底表层沟道的厚度来控制iD,称为表面场效应器件。

  17. JFET的伏安特性 (以N沟道JFET为例) 伏安特性曲线和电流方程与耗尽型MOSFET相似。但要求VGS不能正偏。

  18. 三、场效应管的主要参数 • 直流参数 [开启电压 VT]增强型管的参数。 [夹断电压 VP]耗尽型管的参数。 [饱和漏极电流 IDSS] 指耗尽型管在vGS=0时的漏极电流。 [输入电阻 RGS(DC)] 因iG=0,所以输入电阻很大。JFET大于107Ω,MOS管大于109Ω 。

  19. 交流参数 [低频跨导(互导) gm] 跨导gm反映了栅压对漏极电流的控制能力,且 与工作点有关,是转移特性曲线的斜率。gm的单位是mS。 [交流输出电阻 rds] rds反映了漏-源电压变化量对漏极电流变化量的影响,在恒流区内,是输出特性曲线的切线斜率的倒数。其值一般为若几十kΩ。

  20. [最大漏-源电压 V(BR)DS ] 漏极附近发生雪崩击穿时的vDS。 极限参数 [最大栅-源电压 V(BR)GS ] 栅极与源极间PN结的反向击穿电压。 [最大耗散功率 PDM] 同三极管的PCM相似。受管子的最高工作温度及散热条件决定。当超过PDM时,管子可能烧坏。

  21. 1.3.2 场效应管放大电路 三种基本组态:共源(CS)、共漏(CD)和共栅(CG) 场效应管组成放大电路的原则和方法与三极管相同:为使场效应管正常工作,各电极间必须加上合适的偏置电压;为了实现不失真放大,也同样需要设置合适且稳定的静态工作点。 场效应管是一种电压控制器件,只需提供栅偏压,而不需要提供栅极电流,所以它的偏置电路有其自身的特点。

  22. 不同FET类型对偏置电压的要求 FET偏置电路类型: • 固定偏置电路 • 自偏压偏置电路 • 分压式自偏压电路

  23. 一、场效应管的直流偏置和静态工作点计算 • 自给栅偏压电路 (只适用于耗尽型FET) Rg为栅极泄放电阻,泄放栅极感生电荷,通常取0.1~10MΩ。 Rs为源极偏置电阻,作用类似于共射电路的Re,可以稳定电路的静态工作点Q 。 由于IG=0,所以Rg上无直流压降,VG=0。 自偏压电路 由于耗尽型FET在VGS=0时存在导电沟道,所以电路有漏极电流ID。

  24. 分压式自偏压电路 • 在自偏压电路的基础上增加分压电阻构成 • 适用于耗尽型和增强型FET 上式称为偏压线方程 若VG>IDRs,则可适用于增强型管(N沟道); 若VG<IDRs,则可适用于耗尽型MOS管或JFET。

  25. 静态工作点的计算 • 图解法求静态工作点 由转移特性曲线和偏压线方程(为一直线)求输入回路的工作点;由输出特性曲线和直流负载线求输出回路的工作点。 • 估算法求静态工作点 由FET的电流方程和偏压线方程两组方程联立求解,通常舍去不合题意的一组后得静态工作点。

  26. 已知VDD=18V,Rs=1 kΩ,Rd=3 kΩ,Rg=3 MΩ,耗尽型MOS管的VP= -5 V,IDSS=10 mA。试用估算法求电路的静态工作点。 【例1.3.1】 解: 不合题意,舍去。

  27. 设VDD=15V , Rd=5 kΩ , Rs=2.5 kΩ , R1=200 kΩ,R2=300 kΩ,Rg=10 MΩ,RL=5 kΩ,并设电容C1、C2和Cs足够大。试用图解法分析静态工作点Q,估算Q点上场效应管的跨导gm。 【例1.3.2】 解: 栅极回路有: 由图可得VGSQ=3.5V,IDQ=1mA。

  28. 输出回路列出直流负载线方程: VDS=VDD-ID(Rd+Rs)=15-7.5ID 由图可求得静态时的VDSQ=7.5V。 由转移特性得:开启电压VT=2V; 当VGS=2VT=4V时,ID=IDO=1.9mA。 或直接由图得:

  29. 为增强型NMOSFET设计偏置电路。设VT=2 V,IDO =0.65 mA,其余电路参数如图中所示。要求工作在放大区,ID=0.5mA,且流过偏置电阻R1和R2的电流约为0.1ID,试选择偏置电阻R1和R2的阻值。 【例1.3.3】 解: 假设MOS管工作在放大区(即饱和区)。 (舍去)

  30. 取标称值:R2=95 kΩ,R1=110 kΩ。 验证假设是否成立: ∴MOS工作在放大区,假设正确。

  31. 二、场效应管线性与开关应用举例 FET除了与三极管一样用作放大器和可控开关外,还可用作压控电阻。 • 电压传输特性

  32. 用作放大器 例如 BCQD段:VT<vGS<6V,FET工作在恒流区(放大区)内。

  33. 用作可控开关 令vGS=0,输入一个快速变化的矩形波,则FET交替工作在截止区和可变电阻区。 AB段:vGS<VT, FET工作在截止区,vO=VDD EFG段:vGS>6V,FET工作在可变电阻区,vO≈0

  34. 当vGS=9V时,工作点移至F点,MOS管工作于可变电阻区,vDS=0.2V,相当于开关接通;当vGS=9V时,工作点移至F点,MOS管工作于可变电阻区,vDS=0.2V,相当于开关接通; 当vGS=0V时,工作点移至A,MOS管截止,vDS=12V, iD=0,相当于开关断开。

  35. 在可变电阻区,iD随vDS近似线性增加,且 vDS与iD的比值(即RDS)受vGS控制,等效为压控电阻。 用作压控电阻 电路  RDS与vGS的关系 vDS较低时的输出特性

  36. 求图示电路压控电阻,设R1=R2。 【例1.3.4】 解: 当R1=R2时,则