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场效应管放大电路

2015-07-12  共同成长888

场效应管是利用半导体表面或内部电场效应来控制输出电流(iD)大小的一种半导体器件,它输入端基本上不取电流,具有一系列优点。
  根据结构的不同,场效应管分为结型场效应管和绝缘栅场效应管两大类。

4.1结型场效应管

  结型场效应管有N沟道和P沟道两种。

  一、特性曲线

  (1)输出特性曲线

  从输出特性曲线上很明显的得出:场效应管是电压控制型器件,栅源间电压vGS控制漏极电流iD。

  (2)转移特性曲线

  可直接从输出特性曲线上用作图法求出。

  二、主要参数

  夹断电压、饱和漏极电流、低频跨导、输出电阻、最大耗散功率

4.2绝缘栅型场效应管

  由于栅极与源极、漏极之间是相互绝缘的,故称为绝缘栅场效应管。

  一、MOS管的分类

  根据MOS管所用半导体材料的差异,MOS场效应管分为P沟道和N沟道两大类。由于采用的工艺不同,每种材料做的MOS管又分为增强型和耗尽型两种。

  二、MOS管的开关作用

  MOS管作为开关元件,它工作在截止或导通状态。由于MOS管是电压控制型器件,所以由vGS决定其工作状态。

4.3场效应管放大电路

基本要求

  • 熟练掌握:共源、共漏组态放大电路工作原理;静态工作点;用小信号模型分析增益、输入、输出电阻 

难点重点

1.场效应管放大电路与晶体管放大电路类比关系

  场效应管和晶体管放大电路工作机理不同,但两种器件之间存在电极对应关系,即栅极G对应基极,源极S对应发射极,漏极D对应集电极,但晶体三极管是电流控制器件,场效应管是电压控制器件。

  在分析放大电路时,均采用微变等效电路法。需注意两者不同之处是受控源的控制量。场效应管受电压控制,晶体三极管受电流控制。场效应管输入电阻很高,分析时,可认为输入端开路。在实际分析中,包含场效应管的电路比包含晶体管的电路简单。

2.JFET的工作原理(以N沟道器件为例)

  预备知识:PN结正偏,空间电荷区变窄;PN结反偏,空间电荷区变宽。
       N型半导体中,自由电子为多子,空穴为少子。

(1)栅源间电压VGS对ID的控制
场效应管放大电路
       (a)             (b)              (c)

  当漏源间短路,栅源间外加负向电压VGS时,结型场效应管中的两个PN结均处反偏状态。随着VGS负向增大,加在PN结上的反向偏置电压增大,则耗尽层加宽。由于N沟道掺杂浓度较低,故耗尽层主要集中在沟道一侧。耗尽层加宽,使得沟道变窄,沟道电阻增大,如图(b)所示。

  当VGS负向增大到某一值后,结两侧的耗尽层向内扩展到彼此相遇,沟道被完全夹断,此时漏源间的电阻将趋于无穷大,如图(c)所示。相应于此时的漏源间电压VGS称为夹断电压,用VGS(off)(或VP)表示。

(2)漏源电压VDS对沟道的影响

场效应管放大电路
       (a)             (b)             (c)
  当VGS>Vp且为某一定值,如果在漏源间加上正向电压VDS,VDS将在沟道中产生自漏极指向源极的电场,该电场使得N沟道中的多数载流子电子沿着沟道从源极漂移到漏极形成漏极电流ID。

  由于导电沟道存在电阻,ID流经沟道产生压降,使得沟道中各点的电位不再相等,于是沟道中各点与栅极间的电压不再相等,也就是加在PN结两端的反向偏置电压不再相等,近源端PN结上的反向电压最小,近漏端的反向电压最大,结果使耗尽区从漏极到源极逐渐变窄,导电沟道从等宽到不等宽,呈楔形分布,如图(a)所示。

  随着VDS的增大,ID增大,沟道不等宽的现象变得明显,当VDS增大到某一值时,近漏端的两个耗尽区相遇,这种情况称为预夹断,如图(b)所示。

  继续增大VDS,夹断点将向源极方向延伸,近漏端出现夹断区,如图(c)所示。

  由于栅极到夹断点A之间的反向电压VGA不变,恒为VP,因此夹断点到源极之间的电压也就恒为VGS-VP,而VDS的增加部分将全部加在漏极与夹断点之间的夹断区上,形成较强的电场。在这种情况下,从漏极向夹断点行进的多子自由电子,一旦到达夹断点就会被夹断区的电场漂移到漏极,形成漏极电流。

  一般情况下,夹断区仅占沟道长度的很小部分,因此VDS的增大而引起夹断点的移动可忽略,夹断点到源极间的沟道长度可以认为近似不变,同时,夹断点到源极间的电压又为一定值,所以可近似认为ID是不随VDS而变化的恒值。

3.MOSFET的工作原理(以N沟道增强型器件为例)

  MOS管是指由金属(Metal)、氧化物(Oxide)、半导体(Semiconductor)三种材料构成的三层器件。

(1)栅源间电压VGS对ID的控制

  当栅源间无外加电压时,由于漏源间不存在导电沟道,所以无论在漏源间加上何种极性的电压,都不会产生漏极电流。

  正常工作时,栅源间必须外加电压以使导电沟道产生,导电沟道产生过程如下:

  ①当在栅源间外加正向电压VGS时,外加的正向电压在栅极和衬底之间的SiO2绝缘层中产生了由栅极指向称底的电场,由于绝缘层很薄(0.1um左右),因此数伏电压就能产生很强的电场。该强电场会使靠近SiO2一侧P型硅中的多子(空穴)受到排斥而向体内运动,从而在表面留下不能移动的负离子,形成耗尽层。耗尽层与金属栅极构成类似的平板电容器

  ②随着正向电压VGS的增大,耗尽层也随着加宽,但对于P型半导体中的少子(电子),此时则受到电场力的吸引。当VGS增大到某一值时,这些电子被吸引到P型半导体表面,使耗尽层与绝缘层之间形成一个N型薄层,鉴于这个N型薄层是由P型半导体转换而来的,故将它称为反型层

  反型层与漏源间的两个N型区相连,成为漏源间的导电沟道。这时,如果在漏源间加上电压,就会有漏极电流产生。人们将开始形成反型层所需的VGS值称为开启电压,用VGS(on)(或VT)表示。

  ③显然,栅源电压VGS越大,作用于半导体表面的电场越强,被吸引到反型层中的电子愈多,沟道愈厚,相应的沟道电阻就愈小。  

(2)漏源电压VDS对沟道的影响

  ID流经沟道产生压降,使得栅极与沟道中各点的电位不再相等,也就是加在“平板电容器”上的电压将沿着沟道产生变化,导电沟道从等宽到不等宽,呈楔形分布。

  余下情况的分析与JFET类似。

对照读物:
谢嘉奎等编.电子线路(线性部分).电第四版.北京:高等教育出版社,1999 P101-112
谢嘉奎等编.电子线路(线性部分).第三版.北京:高等教育出版社,1988 P87-95

4.场效应管放大电路

  场效应管和半导体三极管一样能实现信号的控制作用,所以也能组成放大电路,不同的是,半导体三极管是通过基极电流来控制集电极电流,而场效应管则是通过栅源电压来控制漏极电流。

  场效应管组成放大电路时,也必须设置合适的静态工作点,所不同的是,场效应管是电压控制器件,它只需合适的偏压,而不需要偏流,不同类型的场效应管,对偏置电压的极性有不同的要求。

  (1)偏置方式:固定偏压、自偏压分压式自偏压

  (2)静态分析:图解法、近似计算法。

  (3)动态分析:一般用小信号模型法。

例.分析共源放大电路
场效应管放大电路

  解:1.静态分析

  对于耗尽型场效应管,当工作在饱和区时,其漏极电流和漏源间电压由下式近似决定
    场效应管放大电路
又   VGS=ID.Rs
将上两式联立,求得ID和VGS,则
VGS=VDD-ID(Rd+Rs)

2.动态分析

(1)画出微变等效电路
场效应管放大电路
(2)电压放大倍数
  Av=-gm(Rd//RL),式中符号表示输出电压与输入电压反相。由于一般场效应管的跨导只有几个毫西,故场效应管放大电路的放大倍数通常比三极管放大电路的要小。

(3)输入电阻

  Ri=Rg

(4)输出电阻
  Ro=Rd

  由上述分析可知,共源级放大电路的输出电压与输入电压反相,输入电阻高,输出电阻主要由漏极负载电阻决定。


1、试判断如图所示的电路对正弦信号有无放大作用,并简要说明理由。
场效应管放大电路

(答案)

无放大作用,因为增强型场效应管不能采用自偏压电路

 

2、场效应管从结构上分成_________和_________两大类型,它属于________控制型器件。

(答案)

结型,绝缘栅型,电压

 

3、判断下列管子各工作在什么状态,并简要说明理由。
场效应管放大电路 场效应管放大电路
 (a)   (b)

(答案)

(a)图,可变电阻区,因为VDS<VGS-VP;

(b)图,饱和区,因为VDS>VGS-VT

 

4、两级放大电路如图所示,已知T1管的gm,T2管的rbe、β
场效应管放大电路
(1)画出微变等效电路;
(2)求放大电路的中频电压放大倍数Av的表达式及Ri、Ro的表达式。

(答案)

(1)略

2)Av=gm(1+β)(Re//RL)/{1+gm[rbe+(1+β)(Re//RL)]};Ri=Rg;Ro=Re//[(1/gm+rbe)/(1+β)]

 

 

5、电路如图,已知:T1管gm=0.8mA/V,T2管rbe=1.2kΩ,β=100;C1、C2、C3、Cs交流短路。
(1)画出小信号等效电路。
(2)求Ri、Ro及Av。
场效应管放大电路

(答案提示)

Ri=80kΩ,Ro=196Ω,Av=-8.2

共源-共集电路

 

6、场效应管自举电路如图,已知VDD=+20V,Rg=51MΩ,Rg1=200kΩ,Rg2=200kΩ,Rs=22kΩ,gm=1mA/V,自举电容C很大,可以认为交流短路。
求:(1)无自举电路的输入电阻Ri。
(2)有自举电路的输入电阻Ri。
(3)说明自举的作用。
场效应管放大电路

(答案提示)

(1)Ri=51.1MΩ

(2)Ri=969MΩ

(3)提高电路输入电阻

无C时为基本共漏级电路,有C时为自举式共漏级电路

 

7、(提高题)图所示电路中,仅当源极电阻R2增大时,放大电路的电压放大倍数|Av|如何变化?
场效应管放大电路

(答案提示)

变小

频跨导gm为微变量,其值与静态工作点的位置有关

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