MOSFET放大器

出处:维库电子市场网 发布于:2024-04-11 16:11:39 | 641 次阅读

  我们已经详细了解了可以使用双极结型晶体管 (BJT) 制作信号放大器。然而,还有其他类型的晶体管可用于构建放大器架构,在本教程中,我们将重点关注其中之一:MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)。在 BJT 中,基极充当命令信号来控制发射极和集电极之间的电流。在 MOSFET 中,命令分支称为栅极,它控制源极和漏极之间的电流。下面第一张图展示了 MOSFET 的结构:

  图1:耗尽型NMOS结构

  首先,我们来定义“耗尽”和NMOS术语的含义。这里的术语“耗尽”指的是物理通道将漏极分支连接到源极分支的事实。这意味着电流可以通过 MOSFET,而无需向栅极施加电压。可以通过向栅极施加负电压来阻止电流,通过场效应,该负电压将推动电子并吸引空穴。术语“NMOS”是指沟道是基于 P 掺杂衬底(过量空穴)顶部的 N 掺杂硅区域(过量电子)构建的。因此,MOSFET 中流过的电流为正。N 掺杂衬底顶部的 P 掺杂沟道晶体管称为 PMOS,流过此类 MOSFET 的电流为负。MOSFET 的一个有趣的方面是氧化硅层在栅极和沟道之间提供完全绝缘,因此栅极中的电流被认为为零。实际上,存在几pA (10 -12 A)的小漏电流。在图 2中,我们展示了本教程其余部分将考虑的结构:

  图2:增强型NMOS结构
  在这种NMOS结构中,漏极和源极分支之间没有物理内置n沟道。这种不同的结构被称为“增强”。通过向栅极施加正电压来电感应沟道,通过场效应吸引电子并推动 p 衬底/氧化物界面的空穴。
  电气图

  在下面的图 3中,我们展示了 MOSFET 的简单电气图。我们在此图中定义漏极电流 I D、漏极电压 V D、栅源电压 V GS以及字母“G”、“D”和“S”提到的栅极、漏极和源极的位置。

  图3:MOSFET电气图
  因为源极接地,所以栅极电压V GS和漏极电压V DS带有下标“S”。请注意,通常栅极是电压源,而漏极电压只是测量而不是施加。
  电行为
  特性 I D =F(V GS )

  在本节中,我们将描述漏极电流在以下情况下的行为:施加漏极电压并且栅极电压变化:ID = f( VGS )施加栅极电压并且漏极电压变化:I D =f(V DS )我们首先关注如图4所示的特性 I D =f(V GS ) :

  图 4:特性 I D =f(V GS )

  有趣的是,正电压不会立即触发导电通道的创建,因为当 V GS < V th时没有观察到漏极电流,其中 V th代表“阈值电压”。第一个区域称为“截止”或“亚阈值”区域。在此模式下,MOSFET 充当打开的开关,不会感应输出电流。当栅极电压高于阈值V GS >V th时,漏极电流急剧上升。第二个区域称为“饱和区域”,我们将在本教程中进一步解释原因。在饱和或“活动”区域,电流消耗满足抛物线关系:

  eq 1 : 饱和区电流消耗的表达式

  因子 k,称为传导因子,仅取决于 MOSFET 的物理参数:漏极和源极之间传导沟道的宽度 ( W )/长度 ( L ) 之比、电子迁移率μ以及栅极C ox的金属氧化物半导体结构形成的电容:

  eq 2 :传导因子的表达式

  快速分析这个公式以了解 MOSFET 背后的物理原理是很有趣的。μ、C ox和 W在分子上的位置表明,如果它们的值增大,则导通因子增大,从而电流增大。事实上,当 W 增加时,电子的路径变宽,因此电流增加。如果电子迁移率增加,电子移动得更快,这反过来又增加漏极电流。如果电容增加,由于半导体/氧化物界面处的电子浓度更高,漏极电流将会增加。最后,如果导电通道的长度增加,电流将会减少,因为它面临更长的路径,因此电阻更高。可以从公式 1和公式 2得出一个重要参数,称为MOSFET 的跨导 (g m ),以安培/伏特或西门子 (S) 表示。:

  eq 3:跨导的定义
  可以通过将等式 1 的差值 (V GS -V th ) 表示为平方根来重新排列等式 3,经过几个步骤后我们得到:
  eq 4:跨导的表达式
  对于给定的MOSFET,即固定的导通增益,跨导仅取决于由图4中的特性ID = f(V GS )给出的命令电压V GS和电流消耗I D。跨导不仅可以提供 MOSFET 配置的增益,还可以提供带宽、噪声性能及其线性度。
  特性 I D =F(V DS )

  为了绘制第二个特性,我们考虑一组满足 V GS ,1 <V GS ,2 <V GS ,3 <V GS ,4的栅极电压。特性ID = f(V DS )部分地由第一特性ID=f(V GS )构造。事实上,图 5中的红色虚线边界是根据图 4中的曲线形状给出的:

  图 5:特性 I D =f(V DS )

  从图5我们可以理解为什么图4首先提到的饱和区被称为as。事实上,在该区域中,无论漏极电压V DS的值如何,对于固定偏置电压V GS,漏极电流I D保持恒定。这个肯定可以用等式1来验证,其中V DS没有出现在I D的公式中。因此,NMOS 在饱和区充当闭合开关。在饱和效应发生之前,MOSFET 在称为“欧姆”、“三极管”或“线性”区域的区域中表现不同。在此区域中,当 V DS增加时, ID的表达受到减小抛物线的准线性影响:

  eq 5:欧姆区电流消耗的表达式
  线性区和饱和区之间的边界由夹断电压V P =V GS -V th给出。

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