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          雙柵MOS場效應管特性以及應用,圖文知識解析

          返回列表來源:壹芯微 發布日期 2020-11-14 瀏覽:-

          雙柵MOS場效應管特性以及應用,圖文知識解析

          雙柵MOS場效應管特性及應用

          雙柵MOS場效應管(以下簡稱雙柵管)是一種新型的高頻低噪聲放大器件,其突出的優點是反饋電容比常規(單柵) MOS場效應管低兩個數量級,因而能在甚高頻和超高頻范圍內穩定地工作。另外,通過改變第二柵的偏壓可以容易地實現自動增益控制(AGC)?,F在,彩色電視機電子調諧器(高頻頭)全都使用了雙柵管作為第一級高頻放大。

          (一)工作原理

          圖5-8是雙柵MOS場效應管的剖面結構示意圖。在器件的源極S和漏極D之間有兩個柵極G1和G2。兩柵極之間的N+島I既作為由S、G1、I組成的FET1的漏極,又作為由I、G2、D組成的FET2的源極。

          雙柵MOS場效應管

          因此,雙柵管可以看作是由兩個場效應管串聯而成的,如圖5-9所示。這樣,兩個柵上偏壓對整個雙柵管均有控制作用。一般的雙柵管是耗盡型的,即在兩柵上未加偏置電壓時,漏源之間就已存在導電溝道。

          圖5-10是G2加上不同偏壓U(g2)下雙柵管的轉移特性曲線。在G2偏壓U(g2)較大時,雙柵管的轉移特性曲線與常規MOS管相似。但是,當U(g2)比較小時,轉移特性曲線隨著U(g1)的增大而趨向飽和。此時, FET2的導通電阻增大,U(g1)下降。

          U(g1)增大到一定值時,FET1由飽和工作區進入線性工作區,其電流正比于U1。若U(g1)再增大,也不會引起U1的明顯增大(因為FET2的導通電阻較大),因而I(ds)隨著U(g1)的增大而趨向飽和。而且,U(g2)越大,U1就越高(因

          FET2導通電阻減小),在一定的U(g1)下,I(ds)就越大。

          雙柵MOS場效應管

          雙柵管的外形封裝如圖5-11所示,一般采用塑封,有兩種外形結構,SOT-143這種外形結構,管子功率較大,SOT-37這種外形結構,管子功率較小。

          雙柵MOS場效應管

          (二)性能特點

          1.增益可通過G2偏壓控制

          雙柵MOS場效應管的電流不但與U(g1)有關,而且受U(g2)的控制,因而其跨導gm也受U(g2)的控制,如圖5-12所示。當U(g1)一定時,gm隨著U(g2)的增大而增大。

          雙柵管的這個特性為小信號放大器的AGC提供了極大的方便。一般雙柵管第二柵的AGC控制范圍達30dB以上,如圖5-13所示。

          雙柵MOS場效應管

          2.反饋電容小,高頻工作穩定

          雙柵管在作小信號放大時,信號電壓一般加在G1,而G2加一直流AGC電壓。由于島I上的交流電壓U1等于漏端交流電壓Ud除以FET2的電壓放大倍數Kv2,因而Ud通過U1在G1上感應出來的電流要比常規MOS管小Kv2倍,即反饋電容小Kv2倍。因此,雙柵管能在甚高頻和超高頻范圍內穩定工作。一般MOS管反饋電容在1pF以上,而雙柵管的反饋電容只有零點零幾pF。

          3.抗交叉調制性能好

          抗交叉調制性能是高頻放大器的一個重要指標。所謂交叉調制就是當兩個高頻振蕩(其中至少一個是已調制波)通過非線性導體時,其中一個振蕩的調制會疊加到另一個振蕩上去。

          MOS管的抗交叉調制性能比雙極型管好,而雙柵管有很寬的AGC控制范圍,故它的動態范圍比常規MOS管大,放大強信號時的信號畸變小,抗交叉調制性能更好。

          4.截止頻率高,因而功率增益強,噪聲低

          由于雙柵管具有很大的溝道寬長比,因而跨導很大,一般在15mA/V左右。而且由于雙柵管的反饋電容很小,由密勒效應引起的輸入電容增加很少,因而雙柵管的截止頻率很高,-般可達2~3GHz,在一定工作頻率下的功率增益就較高,噪聲系數較低。目前常用的雙柵管在900MHz下,功率增益可達15~20dB,噪聲系數為3~4dB;在200MHz下,功率增益可達23dB,噪聲系數1.5~ 2dB。

          5.輸入導納穩定,不易失調

          由于雙柵管組成的小信號放大器的AGC電壓加在G2上,AGC 電壓的變化不會引起G1端(輸入端)電容的變化,如圖5-14所示,這就不會因AGC電壓變化引起輸入失調。

          雙柵MOS場效應管

          6.具有內部保護電路,工作穩定可靠

          雙柵管本身在制造時就在G1和G2端對地分別并聯了兩個背靠背的二極管(參照圖5-9)。柵上電壓超過一定值時這兩個二極管中的一個反向擊穿,保護了柵氧化層不被破壞性地擊穿。另外,雙柵管基本上是用超大規模集成電路工藝制作的,如全離子注人、難熔金屬柵制作等等,性能穩定可靠。

          (三)應用舉例

          雙柵MOS場效應管具有優越的小信號放大性能,目前在高頻小信號放大器中是高頻低噪聲雙極型NPN管的有力競爭者,且將有逐步取代后者的趨勢。

          1.電視機電子調諧器

          圖5-15是TDQ-1型彩色電視機電子調諧器的高放電路示意圖(UHF部分),其中采用了雙柵管3SK80。RI、R2是G1的偏置電阻,R5、 R6是源極的偏置電阻,R4是漏極負載電阻,AGC電壓通過R3加在G2上。

          這樣偏置的結果是源極電位在3.5V左右,G1與源之間的偏壓在0.5V左右。由天線接收的電視信號經高通濾波后進入雙柵管的調諧輸入端,經過放大后由漏極調諧回路輸出。電視機內部產生的AGC信號電平為0~7V, AGC范圍可達15dB以上。

          雙柵MOS場效應管

          2.調頻收音機前置放大器

          圖5-16是用于汽車收放機中的調頻收音機前置放大器,其中采用了雙柵管3SK74。對前置放大電路來說最重要的要求是低噪聲和高穩定性,以及良好的選擇性。

          選擇性可以通過天線和輸入調諧電路之間的松耦合來實現,然而,其代價是增大了噪聲(由于輸入調諧電路本身損耗增加)。所以,為了在低噪聲和良好選擇性之間進行合理的設計,圖中的輸入調諧電路設計成無負載時帶寬0.93MHz,有負載時帶寬2MHz ,這就限制了輸入調諧電路的損失在2.7dB之內。

          雙柵MOS場效應管

          為了提高電路的穩定性,輸入調諧電路是經過一個抽頭才接到雙柵管輸入端的。這個抽頭還可以減小在AGC期間晶體管參數變化對輸入調諧電路特性的影響。盡管這個抽頭不可避免地要使電路增益減小,但是,由于采用了高增益的雙柵管3SK74,整個電路的增益仍可達15dB以上。

          3SK74的漏極直接耦合到輸出調諧電路,天線和負載分別用電感耦合到雙柵管的輸入和輸出,這樣就防止了調諧電路帶寬的變化。一個33Ω的電阻位于退耦電容C3和G2之間,抑制了高頻寄生振蕩。

          3.調制器和混頻器

          圖5-17是用雙柵管作為調制器的示意圖。

          雙柵MOS場效應管

          高頻載波由G1端輸入,調制信號加在G2端,這樣,輸出端就得到了一個調幅高頻振蕩。如果在G2端也加一個高頻振蕩,則輸出端就可以得到具有各種頻率分量的混頻輸出,經過選頻網絡就可以得到期望的振蕩。

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