雙柵MOS場效應(yīng)管特性及應(yīng)用
雙柵MOS場效應(yīng)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(yōu)點(diǎn)是反饋電容比常規(guī)(單柵) MOS場效應(yīng)管低兩個數(shù)量級，因而能在甚高頻和超高頻范圍內(nèi)穩(wěn)定地工作。另外，通過改變第二柵的偏壓可以容易地實現(xiàn)自動增益控制(AGC)?，F(xiàn)在，彩色電視機(jī)電子調(diào)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(yīng)管的剖面結(jié)構(gòu)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。
因此，雙柵管可以看作是由兩個場效應(yīng)管串聯(lián)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(dǎo)電溝道。
圖5-10是G2加上不同偏壓U(g2)下雙柵管的轉(zhuǎn)移特性曲線。在G2偏壓U(g2)較大時,雙柵管的轉(zhuǎn)移特性曲線與常規(guī)MOS管相似。但是，當(dāng)U(g2)比較小時，轉(zhuǎn)移特性曲線隨著U(g1)的增大而趨向飽和。此時, FET2的導(dǎo)通電阻增大,U(g1)下降。
U(g1)增大到一定值時，F(xiàn)ET1由飽和工作區(qū)進(jìn)入線性工作區(qū)，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(dǎo)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(dǎo)通電阻減小)，在一定的U(g1)下，I(ds)就越大。
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(jié)構(gòu)，SOT-143這種外形結(jié)構(gòu)，管子功率較大，SOT-37這種外形結(jié)構(gòu)，管子功率較小。
(二)性能特點(diǎn)
1.增益可通過G2偏壓控制
雙柵MOS場效應(yīng)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(dǎo)gm也受U(g2)的控制，如圖5-12所示。當(dāng)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(dá)30dB以上，如圖5-13所示。
2.反饋電容小，高頻工作穩(wěn)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(shù)Kv2,因而Ud通過U1在G1上感應(yīng)出來的電流要比常規(guī)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(nèi)穩(wěn)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(diào)制性能好
抗交叉調(diào)制性能是高頻放大器的一個重要指標(biāo)。所謂交叉調(diào)制就是當(dāng)兩個高頻振蕩(其中至少一個是已調(diào)制波)通過非線性導(dǎo)體時，其中一個振蕩的調(diào)制會疊加到另一個振蕩上去。
MOS管的抗交叉調(diào)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(tài)范圍比常規(guī)MOS管大,放大強(qiáng)信號時的信號畸變小，抗交叉調(diào)制性能更好。
4.截止頻率高，因而功率增益強(qiáng)，噪聲低
由于雙柵管具有很大的溝道寬長比，因而跨導(dǎo)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(yīng)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(dá)2~3GHz,在一定工作頻率下的功率增益就較高，噪聲系數(shù)較低。目前常用的雙柵管在900MHz下，功率增益可達(dá)15~20dB,噪聲系數(shù)為3~4dB;在200MHz下,功率增益可達(dá)23dB,噪聲系數(shù)1.5~ 2dB。
5.輸入導(dǎo)納穩(wěn)定，不易失調(diào)
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(diào)。
6.具有內(nèi)部保護(hù)電路，工作穩(wěn)定可靠
雙柵管本身在制造時就在G1和G2端對地分別并聯(lián)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(hù)了柵氧化層不被破壞性地?fù)舸?。另?雙柵管基本上是用超大規(guī)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(wěn)定可靠。
(三)應(yīng)用舉例
雙柵MOS場效應(yīng)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(jī)電子調(diào)諧器
圖5-15是TDQ-1型彩色電視機(jī)電子調(diào)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(fù)載電阻，AGC電壓通過R3加在G2上。
這樣偏置的結(jié)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(jīng)高通濾波后進(jìn)入雙柵管的調(diào)諧輸入端，經(jīng)過放大后由漏極調(diào)諧回路輸出。電視機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的AGC信號電平為0~7V, AGC范圍可達(dá)15dB以上。
2.調(diào)頻收音機(jī)前置放大器
圖5-16是用于汽車收放機(jī)中的調(diào)頻收音機(jī)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(wěn)定性，以及良好的選擇性。
選擇性可以通過天線和輸入調(diào)諧電路之間的松耦合來實現(xiàn)，然而，其代價是增大了噪聲(由于輸入調(diào)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(jìn)行合理的設(shè)計，圖中的輸入調(diào)諧電路設(shè)計成無負(fù)載時帶寬0.93MHz,有負(fù)載時帶寬2MHz ,這就限制了輸入調(diào)諧電路的損失在2.7dB之內(nèi)。
為了提高電路的穩(wěn)定性，輸入調(diào)諧電路是經(jīng)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(shù)變化對輸入調(diào)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(dá)15dB以上。
3SK74的漏極直接耦合到輸出調(diào)諧電路，天線和負(fù)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(diào)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(diào)制器和混頻器
圖5-17是用雙柵管作為調(diào)制器的示意圖。
高頻載波由G1端輸入，調(diào)制信號加在G2端,這樣，輸出端就得到了一個調(diào)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(jīng)過選頻網(wǎng)絡(luò)就可以得到期望的振蕩。
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