雙柵MOS場(chǎng)效應管特性及應用,圖文知識解析-KIA MOS管

雙柵MOS場(chǎng)效應管特性及應用

雙柵MOS場(chǎng)效應管(以下簡(jiǎn)稱(chēng)雙柵管)是一種新型的高頻低噪聲放大器件，其突出的優(yōu)點(diǎn)是反饋電容比常規(單柵) MOS場(chǎng)效應管低兩個(gè)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(guò)改變第二柵的偏壓可以容易地實(shí)現自動(dòng)增益控制(AGC)。現在，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(chǎng)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(gè)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(chǎng)效應管

因此，雙柵管可以看作是由兩個(gè)場(chǎng)效應管串聯(lián)而成的，如圖5-9所示。這樣，兩個(gè)柵上偏壓對整個(gè)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(shí)，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(xiàn)。在G2偏壓U(g2)較大時(shí),雙柵管的轉移特性曲線(xiàn)與常規MOS管相似。但是，當U(g2)比較小時(shí)，轉移特性曲線(xiàn)隨著(zhù)U(g1)的增大而趨向飽和。此時(shí), FET2的導通電阻增大,U(g1)下降。

U(g1)增大到一定值時(shí)，FET1由飽和工作區進(jìn)入線(xiàn)性工作區，其電流正比于U1。若U(g1)再增大，也不會(huì )引起U1的明顯增大(因為FET2的導通電阻較大),因而I(ds)隨著(zhù)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(chǎng)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(chǎng)效應管

(二)性能特點(diǎn)

1.增益可通過(guò)G2偏壓控制

雙柵MOS場(chǎng)效應管的電流不但與U(g1)有關(guān)，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(shí),gm隨著(zhù)U(g2)的增大而增大。

雙柵管的這個(gè)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(chǎng)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(shí),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(guò)U1在G1上感應出來(lái)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(diǎn)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(gè)重要指標。所謂交叉調制就是當兩個(gè)高頻振蕩(其中至少一個(gè)是已調制波)通過(guò)非線(xiàn)性導體時(shí)，其中一個(gè)振蕩的調制會(huì )疊加到另一個(gè)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(dòng)態(tài)范圍比常規MOS管大,放大強信號時(shí)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(cháng)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(huì )引起G1端(輸入端)電容的變化，如圖5-14所示，這就不會(huì )因AGC電壓變化引起輸入失調。

雙柵MOS場(chǎng)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(shí)就在G1和G2端對地分別并聯(lián)了兩個(gè)背靠背的二極管(參照圖5-9)。柵上電壓超過(guò)一定值時(shí)這兩個(gè)二極管中的一個(gè)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(chǎng)效應管具有優(yōu)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(guò)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(xiàn)接收的電視信號經(jīng)高通濾波后進(jìn)入雙柵管的調諧輸入端，經(jīng)過(guò)放大后由漏極調諧回路輸出。電視機內部產(chǎn)生的AGC信號電平為0~7V, AGC范圍可達15dB以上。

雙柵MOS場(chǎng)效應管

2.調頻收音機前置放大器

圖5-16是用于汽車(chē)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(lái)說(shuō)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(guò)天線(xiàn)和輸入調諧電路之間的松耦合來(lái)實(shí)現，然而，其代價(jià)是增大了噪聲(由于輸入調諧電路本身?yè)p耗增加)。所以，為了在低噪聲和良好選擇性之間進(jìn)行合理的設計，圖中的輸入調諧電路設計成無(wú)負載時(shí)帶寬0.93MHz,有負載時(shí)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(chǎng)效應管

為了提高電路的穩定性，輸入調諧電路是經(jīng)過(guò)一個(gè)抽頭才接到雙柵管輸入端的。這個(gè)抽頭還可以減小在A(yíng)GC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(gè)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(gè)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(xiàn)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(gè)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(chǎng)效應管