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模电分析解析1模电分析解析4场效应管放大电路4.1金属-氧化物-半导体(MOS)场效应管4.8结型场效应管(JFET)4.4小信号模型分析方法4.2MOSFET基本共源极放大电路4.3图解分析方法第1页/共66页P沟道耗尽型P沟道P沟道N沟道增强型N沟道N沟道(耗尽型)FET场效应管JFET结型MOSFET绝缘栅型(IGFET)耗尽型:场效应管没有加偏置电压时,就有导电沟道存在增强型:场效应管没有加偏置电压时,没有导电沟道场效应管的分类:第2页/共66页4.1金属-氧化物-半导体(MOS)场效应管第3页/共66页场效应管是一种...

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1模电分析解析4场效应管放大电路4.1金属-氧化物-半导体(MOS)场效应管4.8结型场效应管(JFET)4.4小信号模型分析 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 4.2MOSFET基本共源极放大电路4.3图解分析方法第1页/共66页P沟道耗尽型P沟道P沟道N沟道增强型N沟道N沟道(耗尽型)FET场效应管JFET结型MOSFET绝缘栅型(IGFET)耗尽型:场效应管没有加偏置电压时,就有导电沟道存在增强型:场效应管没有加偏置电压时,没有导电沟道场效应管的分类:第2页/共66页4.1金属-氧化物-半导体(MOS)场效应管第3页/共66页场效应管是一种利用电场效应来控制其电流大小的半导体器件。优点:这种器件不仅兼有体积小、重量轻、耗电省、寿命长等特点,而且还有输入阻抗高、噪声低、抗辐射能力强和制造工艺简单等优点。特别是MOSFET在大规模和超大规模集成电流中占有重要的地位。第4页/共66页1.结构(N沟道)L:沟道长度W:沟道宽度tox:绝缘层厚度通常W>L它以一块掺杂浓度较低、电阻率较高的P型硅半导体薄片作为衬底,利用扩散的方法在P型硅中形成两个高掺杂的N+区。然后在P型硅表面生长一层很薄的二氧化硅绝缘层,并在二氧化硅的表面及N+区的表面上分别安置三个铝电极。第5页/共66页剖面图1.结构(N沟道)符号由于栅极与源极、漏极均无电接触,故称绝缘栅极,图为N沟道增强型MOSFET的代表符号。箭头方向表示P(衬底)指向N,垂直短线代表沟道,短画线表明在未加适当栅压之前漏极与源极之间无导电沟道。第6页/共66页2.工作原理(1)vGS=0,没有导电沟道当栅源短接(即栅源电压vGS=0)时,源区(N+型)、衬底(P型)和漏区(N+型)就形成两个背靠背的PN结二极管,无论vDS的极性如何,其中总有一个PN结是反偏的。如果源极s与衬底B相连且接电源VDD的负极,漏极接电源正极时,漏极和衬底间的PN结反偏的,此时漏源之间的电阻的阻值很大,可高达10的12次方Ω量级。d、s之间没有形成导电沟道,因此,iD=0。第7页/共66页2.工作原理(2)vGS≥VTN,出现N型沟道在栅源之间加上正向电压(栅极接正、源极接负),则栅极(铝层)和P型硅片相当于以二氧化硅为介质的平板电容器,在正的栅源电压作用下,介质中便产生了一个垂直于半导体表面的由栅极指向P型衬底的电场(由于绝缘层很薄,即使只有几伏的栅源电压vGS,也可产生强电场),但不会产生iD。这个电场是排斥空穴而吸引电子的,因此,使栅极附近的P型衬底中的空穴被排斥,留下不能移动的受主离子(负离子),形成耗尽层,同时P型衬底中的少子(电子)被吸引到栅极下的衬底表面。第8页/共66页2.工作原理(2)vGS≥VTN,出现N型沟道当正的栅源电压达到一定数值时,这些电子在栅极附近的P型硅表面形成了一个N型薄层,即电子反型层,这个反型层实际上就是组成了源漏两极之间的N型导电沟道。由于它是栅源正电压感应产生的,所以也称为感生沟道。栅源电压的值越大,则作用于半导体表面的电场就越强,吸引到P型硅表面的电子就越多,感生沟道将越厚,沟道电阻的阻值将越小。正如前已初步指出,这种在vGS=0时没有导电沟道,而必须依靠栅源电压的作用,才形成感生沟道的FET称为增强型FET。第9页/共66页2.工作原理(2)vGS≥VTN,出现N型沟道一旦出现感生沟道,原来被P型衬底隔开的两个N+区被感生沟道连通。因此此时若有漏源电压,将有漏极电流产生。一般把漏源电压的作用下开始导电时的栅源电压称之为开启电压VTH第10页/共66页2.工作原理(3)可变电阻区饱和区的形成当vGS=VGS>VTN,如图外加较小的时,漏极电流将随上升迅速增大,与此相对应,反映在输出特性OA上。但随着vDS上升,由于沟道存在电位梯度,从源极到漏极电位逐渐升高,而栅极电位沿沟道长度方向是相同的,因此沟道厚度不均匀的;靠近源端薄,靠近漏端厚。沟道呈现契型。第11页/共66页2.工作原理(3)可变电阻区饱和区的形成当vDS上升到一定数值时,靠近漏端的反型层消失,vDS继续增加,将形成一夹断区,夹断点向源极方向移动。但是夹断区比起沟道长度短很多,而夹断处电场强度很高,仍然能将电子拉过夹断区(耗尽层)形成漏极电流。第12页/共66页2.工作原理(1)vGS对沟道的控制作用当vGS≤0时无导电沟道,d、s间加电压时,也无电流产生。当0<vGS<VT时产生电场,但未形成导电沟道(感生沟道),d、s间加电压后,没有电流产生。当vGS>VT时在电场作用下产生导电沟道,d、s间加电压后,将有电流产生。vGS越大,导电沟道越厚VT称为开启电压第13页/共66页2.工作原理(2)vDS对沟道的控制作用靠近漏极d处的电位升高电场强度减小沟道变薄当vGS一定(vGS>VT)时,vDSID沟道电位梯度整个沟道呈楔形分布第14页/共66页当vGS一定(vGS>VT)时,vDSID沟道电位梯度当vDS增加到使vGD=VT时,在紧靠漏极处出现预夹断。2.工作原理(2)vDS对沟道的控制作用在预夹断处:vGD=vGS-vDS=VT第15页/共66页预夹断后,vDS夹断区延长沟道电阻ID基本不变2.工作原理(2)vDS对沟道的控制作用第16页/共66页2.工作原理(3)vDS和vGS同时作用时vDS一定,vGS变化时给定一个vGS,就有一条不同的iD–vDS曲线。第17页/共66页3.V-I特性曲线及大信号特性方程(1)输出特性及大信号特性方程①截止区当vGS<VT时,导电沟道尚未形成,iD=0,为截止工作状态。第18页/共66页3.V-I特性曲线及大信号特性方程(1)输出特性及大信号特性方程②可变电阻区vDS≤(vGS-VT)由于vDS较小,可近似为rdso是一个受vGS控制的可变电阻第19页/共66页3.V-I特性曲线及大信号特性方程(1)输出特性及大信号特性方程②可变电阻区n:反型层中电子迁移率Cox:栅极(与衬底间)氧化层单位面积电容本征电导因子其中Kn为电导常数,单位:mA/V2第20页/共66页3.V-I特性曲线及大信号特性方程(1)输出特性及大信号特性方程③饱和区(恒流区又称放大区)vGS>VT,且vDS≥(vGS-VT)是vGS=2VT时的iDV-I特性:第21页/共66页3.V-I特性曲线及大信号特性方程(2)转移特性第22页/共66页1.结构和工作原理(N沟道)二氧化硅绝缘层中掺有大量的正离子可以在正或负的栅源电压下工作,而且基本上无栅流第23页/共66页2.V-I特性曲线及大信号特性方程(N沟道增强型)第24页/共66页第25页/共66页实际上饱和区的曲线并不是平坦的L的单位为m当不考虑沟道调制效应时,=0,曲线是平坦的。修正后第26页/共66页一、直流参数NMOS增强型1.开启电压VT(增强型参数)2.夹断电压VP(耗尽型参数)3.饱和漏电流IDSS(耗尽型参数)4.直流输入电阻RGS(109Ω~1015Ω)二、交流参数1.输出电阻rds当不考虑沟道调制效应时,=0,rds→∞第27页/共66页2.低频互导gm二、交流参数考虑到则其中第28页/共66页end三、极限参数1.最大漏极电流IDM2.最大耗散功率PDM3.最大漏源电压V(BR)DS4.最大栅源电压V(BR)GS第29页/共66页4.2MOSFET基本共源放大电路第30页/共66页T为N沟道增强型MOSFET,是核心元件,起放大作用。VDD是漏极回路直流电源,它的负端接源极s,正端通过电阻Rd接漏极d,以保证场效应管漏极d和源极s之间的电压VDS有一个合适的工作电压。VGG是栅极回路的直流电源,其作用给MOSFET的栅源极之间加上适当的偏置电压,并保证栅极和源极之间的电压VGS>开启电压VTN,这样,由于vGS能对漏极电流iD进行控制,使场效应管有一个正常的工作状态。电阻Rd的一个重要作用是将漏极电流id的变化转换为电压的变化,再送到放大电路的输出端。第31页/共66页直流部分和交流分开分析,单独分析后重叠1、静态静态时,FET漏极的直流及各电极间的直流电压分别用ID、VGS、VDS表示。静态工作点Q可写成IDQ、VGSQ、VDSQ。第32页/共66页具体步骤:(1)画出放大电路的直流通路;(2)计算静态工作点参数;2、动态第33页/共66页1.直流偏置及静态工作点的计算(1)简单的共源极放大电路(N沟道)直流通路共源极放大电路第34页/共66页1.直流偏置及静态工作点的计算(1)简单的共源极放大电路(N沟道)假设工作在饱和区,即验证是否满足如果不满足,则说明假设错误须满足VGS>VT,否则工作在截止区再假设工作在可变电阻区即第35页/共66页假设工作在饱和区满足假设成立,结果即为所求。解:例:设Rg1=60k,Rg2=40k,Rd=15k,试计算电路的静态漏极电流IDQ和漏源电压VDSQ。VDD=5V,VT=1V,第36页/共66页1.直流偏置及静态工作点的计算(2)带源极电阻的NMOS共源极放大电路饱和区需要验证是否满足第37页/共66页1.直流偏置及静态工作点的计算静态时,vI=0,VG=0,ID=I电流源偏置VS=VG-VGS(饱和区)第38页/共66页4.3图解分析方法第39页/共66页2.图解分析由于负载开路,交流负载线与直流负载线相同第40页/共66页4.4小信号模型分析方法第41页/共66页小信号模型分析(1)模型静态值(直流)动态值(交流)非线性失真项当,vgs<<2(VGSQ-VT)时,第42页/共66页小信号模型分析(1)模型0时高频小信号模型第43页/共66页小信号模型分析解:例的直流分析已求得:(2)放大电路分析s第44页/共66页小信号模型分析(2)放大电路分析s第45页/共66页小信号模型分析(2)放大电路分析共漏第46页/共66页小信号模型分析(2)放大电路分析end第47页/共66页4.8结型场效应管第48页/共66页1.结构#符号中的箭头方向表示什么?第49页/共66页2.工作原理①vGS对沟道的控制作用当vGS<0时(以N沟道JFET为例)当沟道夹断时,对应的栅源电压vGS称为夹断电压VP(或VGS(off))。对于N沟道的JFET,VP<0。PN结反偏耗尽层加厚沟道变窄。vGS继续减小,沟道继续变窄。第50页/共66页2.工作原理(以N沟道JFET为例)②vDS对沟道的控制作用当vGS=0时,vDSIDG、D间PN结的反向电压增加,使靠近漏极处的耗尽层加宽,沟道变窄,从上至下呈楔形分布。当vDS增加到使vGD=VP时,在紧靠漏极处出现预夹断。此时vDS夹断区延长沟道电阻ID基本不变第51页/共66页2.工作原理(以N沟道JFET为例)③vGS和vDS同时作用时当VP<vGS<0时,导电沟道更容易夹断,对于同样的vDS,ID的值比vGS=0时的值要小。在预夹断处vGD=vGS-vDS=VP第52页/共66页综上分析可知沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电,所以场效应管也称为单极型三极管。JFET是电压控制电流器件,iD受vGS控制。预夹断前iD与vDS呈近似线性关系;预夹断后,iD趋于饱和。#为什么JFET的输入电阻比BJT高得多?JFET栅极与沟道间的PN结是反向偏置的,因此iG0,输入电阻很高。第53页/共66页2.转移特性1.输出特性第54页/共66页与MOSFET类似3.主要参数第55页/共66页1.FET小信号模型(1)低频模型第56页/共66页(2)高频模型第57页/共66页2.动态指标分析(1)中频小信号模型第58页/共66页2.动态指标分析(2)中频电压增益(3)输入电阻(4)输出电阻忽略rds,由输入输出回路得则通常则end第59页/共66页*4.9砷化镓金属-半导体场效应管本节不做教学要求,有兴趣者自学第60页/共66页4.10各种放大器件电路性能比较第61页/共66页4.10各种放大器件电路性能比较组态对应关系:CEBJTFETCSCCCDCBCG电压增益:BJTFETCE:CC:CB:CS:CD:CG:第62页/共66页输出电阻:BJTFET输入电阻:CE:CC:CB:CS:CD:CG:CE:CC:CB:CS:CD:CG:4.10各种放大器件电路性能比较第63页/共66页解:画中频小信号等效电路例题放大电路如图所示。已知试求电路的中频增益、输入电阻和输出电。第64页/共66页例题则电压增益为由于则end根据电路有第65页/共66页
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