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4.5 MOSFET偏置

偏置电路确定合适的直流工作条件,为交流信号提供一个稳定的工作点。

如同 BJT 和 JFET,偏置电路确定合适的直流工作条件,为交流信号提供一个稳定的工作点。MOSFET 的偏置电路与之前介绍的 BJT 和 JFET 的偏置电路类似。特定的偏置电路取决于是否使用一个或者两个电源,以及 MOSFET 的类型(耗尽型或者增强型)。

学完本节后,你应该掌握以下内容:

  • 讨论和分析 MOSFET 偏置电路
    • 解释为什么 D-MOSFET 比其他任何类型的晶体管有更多的偏置选择
    • 解释 0 偏置
    • 讨论 E-MOSFET 的三种偏置方法

4.5.1 D-MOSFET偏置

D-MOSFET 在正或负的 $V_{GS}$ 下都能工作。当 $V_{GS}$ 为负时,器件工作在耗尽模式; 当 $V_{GS}$ 为正时,器件工作在增强模式。D-MOSFET 的优点是在这两种模式下都能工作,也是唯一一种具有此特性的晶体管。

analog4_31.png $$ 图4-31~~~~D-MOSFET的零偏置 $$ 零偏置 最基本的偏置方式是使 $V_{GS} =0V$,这样栅极上的交流信号使得栅源电压在该偏置点附近上下变化。图4-31 给出了这种偏置电路。因为该电路非常简单高效,所以它是最常用的 D-MOSFET 偏置方式。工作点设置在耗尽工作和增强工作之间。由于 $V_{GS} =0V$,因此 $I_D=I_{DSS}$,如图 4-31 所示。漏源电压可表示为: $$ V_{DS}=V_{DD}-I_{DSS}R_D $$ analog4_33.png $$ a)~包含自给偏置的分压器 ~b)源极偏置~c)电流源偏置 $$

$$ 图4-33~~~~D-MOSFET的其他偏置电路 $$ 其他偏置方式 D-MOSFET 能工作在耗尽或增强模式。因为这种多功能性,所以之前学习的 BJT 和 JFET 的任何偏置电路都能用于D-MOSFET。图4-33 给出了三种常见的偏置方法,但实际中可能还有其他偏置方法。

图4-33a 中的偏置电路使用之前介绍的 JFET 的分压式偏置和自给偏置的组合。栅极电压可通过分压公式计算得到,这对所有 FET 器件都是准确的,因为可以忽略负载效应。栅极电压与 JFET 给出的相同(见式(4-5)): $$ V_G=(\frac{R_2}{R_1+R_2})V_{DD} $$ 组成分压电路的电阻通常非常大(在兆欧级),因为栅极的高输人电阻。其他电极的电压取决于特定的器件参数。

当采用正负电源供电时,通常会采用如图4-33b所示的源极偏置。这与 BJT 的发射极偏置类似。理想状态下,栅极电路为开路,因此栅极电压为地电势。

电流源偏置是运算放大器普遍采用的偏置方式,图4-33c 以 BJT 作为电流源的偏置方式。此外也可以采用其他电流源,如 FET 等。电流源设置源极和漏极电流的值。通过分析电流源(如例4-8),根据欧姆定律可以计算漏极电阻上的压降。

4.5.2 E-MOSFET偏置

analog4_34.png $$ a)~漏极反馈偏置 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~b)~分压式偏置 $$

$$ 图4-34~~~E-MOSFET的偏置方法 $$

E-MOSFET 的 $V_{GS}$ 必须大于阈值电压 $V_{GS(th)}$。各种 BJT 偏置电路(除了基极偏置)通过设置合适的值,都能够用于 E-MOSFET。图4-34给出了两种常见的 n 沟道 E-MOSFET 的偏置方法。(D-MOSFET 也可以用这些方法进行偏置。)无论是漏极反馈偏置还是分压式偏置,目的都要使栅极电压和源极电压的差值大于 $V_{GS(th)}$.

在图 4-34a 的漏极反馈偏置电路中,栅极电流可以忽略,因此 $R_G$ 上没有压降。于是,$V_{GS}=V_{DS}$。

分压式偏置是对分压原理的直接应用。此外,由于高输人电阻,分压电路相当于没有负载,这样就可以利用式(4-5)准确计算栅极电压。

4.5.3 IGBT

analog4_36.png $$ 图4-36~~~IGBT电路符号 $$ IGBT(绝缘栅双极晶体管)是-种具有 MOSFET 输入特性和 BJT 输出特性的器件. 其电路符号如图 4-36 所示。IGBT 本质上可看做一个电压控制的 BJT。由于它具有绝缘栅极而不是基极,因此没有输入电流,并且不会对驱动电路产生负载效应。IGBT 在某些方面优于 MOSFET,在另一些方面优于BJT。IGBT主要用于高压大电流开关应用中

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