模塊三 場(chǎng)效應(yīng)管及放大電路

1、1 2 場(chǎng)效應(yīng)管是利用電場(chǎng)效應(yīng)來(lái)控制電流大場(chǎng)效應(yīng)管是利用電場(chǎng)效應(yīng)來(lái)控制電流大 小，與雙極型晶體管不同，它是只有一種小，與雙極型晶體管不同，它是只有一種 載流子（多子）導(dǎo)電，輸入阻抗高，溫度載流子（多子）導(dǎo)電，輸入阻抗高，溫度 穩(wěn)定性好、噪聲低。穩(wěn)定性好、噪聲低。 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管jfet 絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管mos 場(chǎng)效應(yīng)管有兩種場(chǎng)效應(yīng)管有兩種: 引言：引言： 3 n溝道溝道 p溝道溝道 增強(qiáng)型增強(qiáng)型 耗盡型耗盡型 n溝道溝道 p溝道溝道 n溝道溝道 p溝道溝道 （耗盡型）（耗盡型） fet 場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管 jfet 結(jié)型結(jié)型 mosfet 絕緣柵型絕緣柵型 (igfet

2、) 場(chǎng)效應(yīng)管分類：場(chǎng)效應(yīng)管分類： 4 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 工作原理工作原理 輸出特性輸出特性 轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性 主要參數(shù)主要參數(shù) jfet的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理 jfet的特性曲線及參數(shù)的特性曲線及參數(shù) 5 jfet的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理 1. 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) n 基底基底 ：n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 pp 兩邊是兩邊是p區(qū)區(qū) g(柵極柵極) s源極源極 d漏極漏極 導(dǎo)電溝道導(dǎo)電溝道 6 n pp g(柵極柵極) d漏極漏極 n溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管 d g s d g s 7 s源極源極 p nn g(柵極柵極) d漏極漏極 p溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)

3、管 d g s d g s 8 uds=0v時(shí)時(shí) 1、vds=0，g、s加負(fù)電壓： n g s d uds =0 ugs nnpp idpn結(jié)反偏，結(jié)反偏，|ugs| 越大則耗盡區(qū)越越大則耗盡區(qū)越 寬，導(dǎo)電溝道越寬，導(dǎo)電溝道越 窄。窄。 二、工作原理（以二、工作原理（以n溝道為例）溝道為例） 9 n g s d uds =0 ugs pp uds=0時(shí)時(shí) ugs達(dá)到一定值時(shí)達(dá)到一定值時(shí) （夾斷電壓夾斷電壓vp）,耗耗 盡區(qū)碰到一起，盡區(qū)碰到一起，ds 間被夾斷，間被夾斷，這時(shí)，即這時(shí)，即 使使uds 0v，漏極電漏極電 流流id=0a。 id 10 n g s d uds ugs=0 ugs=

4、0且且uds0時(shí)時(shí) 耗盡區(qū)的形狀耗盡區(qū)的形狀 pp 越靠近漏端，越靠近漏端，pn 結(jié)反壓越大結(jié)反壓越大 id 2、vgs=0，d、s加正電壓： 11 n g s d uds nn id pp ugs越大耗盡區(qū)越越大耗盡區(qū)越 寬，溝道越窄，電寬，溝道越窄，電 阻越大。阻越大。但當(dāng)?shù)?dāng)ugs較小時(shí)，耗盡較小時(shí)，耗盡 區(qū)寬度有限，存在導(dǎo)區(qū)寬度有限，存在導(dǎo) 電溝道。電溝道。ds間相當(dāng)于間相當(dāng)于 線性電阻。線性電阻。 3、g、s加負(fù)電壓，d、s加正電壓： ugs 12 n g s d uds ugsvp且且uds較大時(shí)較大時(shí)ugdvp 時(shí)耗盡區(qū)的形狀時(shí)耗盡區(qū)的形狀 pp 溝道中仍是電阻溝道中仍是電阻 特

5、性，但是是非特性，但是是非 線性電阻。線性電阻。id ugs 13 n g s d uds ugsvp ugd=vp時(shí)時(shí) pp 漏端的溝道被夾斷，漏端的溝道被夾斷， 稱為稱為予夾斷。予夾斷。 uds增大則被夾斷增大則被夾斷 區(qū)向下延伸。區(qū)向下延伸。 id ugs 14 n g s d uds ugsvp ugd=vp時(shí)時(shí) pp 此時(shí)，電流此時(shí)，電流id由未由未 被夾斷區(qū)域中的載被夾斷區(qū)域中的載 流子形成，基本不流子形成，基本不 隨隨uds的增加而增的增加而增 加，呈恒流特性。加，呈恒流特性。 id ugs 15 ugs 0 id idss vp 三、特性曲線三、特性曲線 轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲

6、線 一定一定uds下的下的id-ugs曲線曲線 2 )1 ( p gs dssd v v ii 16 輸出特性曲線輸出特性曲線 uds0 id idss vp 飽和飽和 漏極漏極 電流電流 夾斷電壓夾斷電壓 某一vgs下 17 予夾斷曲線予夾斷曲線 ugs=0v -2v -1v -3v -4v -5v 可變電阻區(qū)可變電阻區(qū) 夾斷區(qū)夾斷區(qū) 恒流區(qū)恒流區(qū) 輸出特性曲線輸出特性曲線 id u ds 0 18 工作原理工作原理 vgs對(duì)溝道的控制作用對(duì)溝道的控制作用 當(dāng)當(dāng)vgs0時(shí)時(shí) （以（以n溝道溝道jfet為例）為例） 當(dāng)溝道夾斷時(shí)，對(duì)應(yīng)當(dāng)溝道夾斷時(shí)，對(duì)應(yīng) 的柵源電壓的柵源電壓vgs稱為稱為夾斷夾

7、斷 電壓電壓vp （ 或或vgs(off) ）。）。 對(duì)于對(duì)于n溝道的溝道的jfet，vp 0。 pn結(jié)反偏結(jié)反偏耗盡層加厚耗盡層加厚 溝道變窄。溝道變窄。 vgs繼續(xù)減小，溝道繼續(xù)減小，溝道 繼續(xù)變窄繼續(xù)變窄 19 工作原理工作原理 vds對(duì)溝道的控制作用對(duì)溝道的控制作用 當(dāng)當(dāng)vgs=0時(shí)，時(shí)，vds id g、d間間pn結(jié)的反向電結(jié)的反向電 壓增加，使靠近漏極處的壓增加，使靠近漏極處的 耗盡層加寬，溝道變窄，耗盡層加寬，溝道變窄， 從上至下呈楔形分布。從上至下呈楔形分布。 當(dāng)當(dāng)vds增加到使增加到使vgd=vp 時(shí)，在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)時(shí)，在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù) 夾斷。夾斷。 此時(shí)此時(shí)vds 夾

8、斷區(qū)延長(zhǎng)夾斷區(qū)延長(zhǎng) 溝道電阻溝道電阻 id基本不變基本不變 20 工作原理工作原理 vgs和和vds同時(shí)作用時(shí)同時(shí)作用時(shí) 當(dāng)當(dāng)vp vgs|v |vp p| |時(shí)的漏極電流。時(shí)的漏極電流。i idss dss是 是jfetjfet所所 能輸出的最大電流。能輸出的最大電流。 反映了反映了vds對(duì)對(duì)id的影響。的影響。 互導(dǎo)反映了柵源電壓對(duì)漏極電流的控制能力互導(dǎo)反映了柵源電壓對(duì)漏極電流的控制能力。 25 3. 主要參數(shù)主要參數(shù) 直流輸入電阻直流輸入電阻rgs： 在漏源之間短路的條件下，柵源之間加一定電壓時(shí)的柵源在漏源之間短路的條件下，柵源之間加一定電壓時(shí)的柵源 直流電阻就是直流輸入電阻直流電阻就是

9、直流輸入電阻r rgs gs。 。 最大漏極功耗最大漏極功耗pdm 最大漏源電壓最大漏源電壓v(br)ds 最大柵源電壓最大柵源電壓v(br)gs 發(fā)生雪崩擊穿、發(fā)生雪崩擊穿、i id d開始急劇上升時(shí)的開始急劇上升時(shí)的v vds ds值。 值。 指輸入指輸入pnpn結(jié)反向電流開始急劇增加時(shí)的結(jié)反向電流開始急劇增加時(shí)的v vgs gs值。 值。 jfetjfet的耗散功率等于的耗散功率等于v vds ds與 與i id d的乘積。的乘積。p pdm dm受管子最高工作溫 受管子最高工作溫 度的限制。度的限制。 26 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的缺點(diǎn)：結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的缺點(diǎn)： 1. 柵源極間的電阻雖然可達(dá)柵源極間

10、的電阻雖然可達(dá)107以上，但在以上，但在 某些場(chǎng)合仍嫌不夠高。某些場(chǎng)合仍嫌不夠高。 3. 柵源極間的柵源極間的pn結(jié)加正向電壓時(shí)，將出現(xiàn)結(jié)加正向電壓時(shí)，將出現(xiàn) 較大的柵極電流。較大的柵極電流。 絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管可以很好地解決這些問題。絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管可以很好地解決這些問題。 2. 在高溫下，在高溫下，pn結(jié)的反向電流增大，柵源結(jié)的反向電流增大，柵源 極間的電阻會(huì)顯著下降。極間的電阻會(huì)顯著下降。 27 金屬氧化物半導(dǎo)體金屬氧化物半導(dǎo)體 （mosmos）場(chǎng)效應(yīng)管）場(chǎng)效應(yīng)管 mosfetmosfet簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱mosmos管，它有管，它有n n溝道和溝道和p p溝道之分，溝道之分， 其中每一類又可分為增強(qiáng)型

11、和耗盡型兩種。其中每一類又可分為增強(qiáng)型和耗盡型兩種。 耗盡型：當(dāng)耗盡型：當(dāng)vgs0時(shí)，存在導(dǎo)電溝道，時(shí)，存在導(dǎo)電溝道，id 0。 增強(qiáng)型：當(dāng)增強(qiáng)型：當(dāng)vgs0時(shí)，沒有導(dǎo)電溝道，時(shí)，沒有導(dǎo)電溝道，id0。 28 n n溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型mosfetmosfet 1 1結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) p nn gsd p型基底型基底 兩個(gè)兩個(gè)n區(qū)區(qū) sio2絕緣層絕緣層 導(dǎo)電溝道導(dǎo)電溝道 金屬鋁金屬鋁 g s d n溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型 29 n 溝道耗盡型溝道耗盡型 p nn gsd 予埋了導(dǎo)予埋了導(dǎo) 電溝道電溝道 g s d 30 n pp gsd g s d p 溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型 31 p 溝道耗盡型溝道耗

12、盡型 n pp gsd g s d 予埋了導(dǎo)予埋了導(dǎo) 電溝道電溝道 32 2 2工作原理工作原理 jfet是利用是利用pn結(jié)反向電壓對(duì)耗盡層厚度的控結(jié)反向電壓對(duì)耗盡層厚度的控 制，來(lái)改變導(dǎo)電溝道的寬窄，從而控制漏極電制，來(lái)改變導(dǎo)電溝道的寬窄，從而控制漏極電 流的大小。而流的大小。而mosfet則是利用柵源電壓的大則是利用柵源電壓的大 小，來(lái)改變半導(dǎo)體表面感生電荷的多少，從而小，來(lái)改變半導(dǎo)體表面感生電荷的多少，從而 控制漏極電流的大小?？刂坡O電流的大小。 33 2 2工作原理工作原理 （以（以n 溝道增強(qiáng)型為例）溝道增強(qiáng)型為例） p nn gsd vdsvgs vgs=0時(shí)時(shí) d-s 間相當(dāng)于

13、間相當(dāng)于 兩個(gè)反接的兩個(gè)反接的 pn結(jié)結(jié) id=0 對(duì)應(yīng)截止區(qū)對(duì)應(yīng)截止區(qū) 34 p nn gsd vdsvgs vgs0時(shí)時(shí) vgs足夠大時(shí)足夠大時(shí) （vgsvt）感）感 應(yīng)出足夠多電子，應(yīng)出足夠多電子， 這里出現(xiàn)以電子這里出現(xiàn)以電子 導(dǎo)電為主的導(dǎo)電為主的n型型 導(dǎo)電溝道。導(dǎo)電溝道。 感應(yīng)出電子感應(yīng)出電子 vt稱為開啟電壓稱為開啟電壓 35 vgs較小時(shí)，導(dǎo)較小時(shí)，導(dǎo) 電溝道相當(dāng)于電電溝道相當(dāng)于電 阻將阻將d-s連接起連接起 來(lái)，來(lái)，vgs越大此越大此 電阻越小。電阻越小。 p nn gsd vdsvgs 36 p nn gsd vdsvgs 當(dāng)當(dāng)vds不太大時(shí)，不太大時(shí)， 導(dǎo)電溝道在兩導(dǎo)電溝

14、道在兩 個(gè)個(gè)n區(qū)間是均勻區(qū)間是均勻 的。的。 當(dāng)當(dāng)vds較大時(shí)，較大時(shí)， 靠近靠近d區(qū)的導(dǎo)區(qū)的導(dǎo) 電溝道變窄。電溝道變窄。 37 p nn gsd vdsvgs 夾斷后，即夾斷后，即 使使vds 繼續(xù)繼續(xù) 增加，增加，id仍仍 呈恒流特性呈恒流特性。 id vds增加，增加，vgd=vt 時(shí)，靠時(shí)，靠 近近d端的溝道被夾斷，稱端的溝道被夾斷，稱 為予夾斷。為予夾斷。 38 輸出特性曲線輸出特性曲線 3 3特性曲線（特性曲線（增強(qiáng)型增強(qiáng)型n溝道溝道m(xù)os管管） 可變電可變電 阻區(qū)阻區(qū) 擊穿區(qū)擊穿區(qū) id u ds 0 ugs=5v 4v -3v 3v -5v 線性放線性放 大區(qū)大區(qū) 39 轉(zhuǎn)移特

15、性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線 3 3特性曲線（特性曲線（增強(qiáng)型增強(qiáng)型n溝道溝道m(xù)os管管） 0 id ugs vt 在恒流區(qū)（線性在恒流區(qū)（線性 放大區(qū)，即放大區(qū)，即vgs vt時(shí)有：時(shí)有： 2 0 1 p gs dd v v ii id0是是vgs=2vt時(shí)的時(shí)的 id值。值。 40 n n溝道耗盡型溝道耗盡型mosfetmosfet 耗盡型的耗盡型的mos管管ugs=0時(shí)就有導(dǎo)電溝道，加反向時(shí)就有導(dǎo)電溝道，加反向 電壓才能夾斷。電壓才能夾斷。 轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線 0 id ugs vt 41 輸出特性曲線輸出特性曲線 id u ds 0 ugs=0 ugs0 42 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路場(chǎng)效應(yīng)管放大

16、電路 直流偏置電路直流偏置電路 靜態(tài)工作點(diǎn)靜態(tài)工作點(diǎn) fet小信號(hào)模型小信號(hào)模型 動(dòng)態(tài)指標(biāo)分析動(dòng)態(tài)指標(biāo)分析 三種基本放大電路的性能比較三種基本放大電路的性能比較 fet的直流偏置及靜態(tài)分析的直流偏置及靜態(tài)分析 fet放大電路的小信號(hào)模型分析法放大電路的小信號(hào)模型分析法 43 場(chǎng)效應(yīng)管的基本電路場(chǎng)效應(yīng)管的基本電路 (1) 靜態(tài)：適當(dāng)?shù)撵o態(tài)工作點(diǎn)，使場(chǎng)效應(yīng)管工作靜態(tài)：適當(dāng)?shù)撵o態(tài)工作點(diǎn)，使場(chǎng)效應(yīng)管工作 在恒流區(qū)，場(chǎng)效應(yīng)管的偏置電路相對(duì)在恒流區(qū)，場(chǎng)效應(yīng)管的偏置電路相對(duì) 簡(jiǎn)單。簡(jiǎn)單。 (2) 動(dòng)態(tài)：能為交流信號(hào)提供通路。動(dòng)態(tài)：能為交流信號(hào)提供通路。 組成原則：組成原則： 靜態(tài)分析：靜態(tài)分析： 估算法、圖

17、解法。估算法、圖解法。 動(dòng)態(tài)分析：動(dòng)態(tài)分析： 微變等效電路法。微變等效電路法。 分析方法：分析方法： 場(chǎng)效應(yīng)管的直流偏置電路和靜態(tài)工作點(diǎn)場(chǎng)效應(yīng)管的直流偏置電路和靜態(tài)工作點(diǎn) 44 場(chǎng)效應(yīng)管的微變等效電路場(chǎng)效應(yīng)管的微變等效電路 g s d ),( dsgsd uufi ds ds d gs gs d d u u i u u i i ds ds gsm u r ug 1 gs d m u i g 跨導(dǎo)跨導(dǎo) d ds ds i u r 漏極輸出電阻漏極輸出電阻 ugs id uds 45 很大，很大， 可忽略。可忽略。 場(chǎng)效應(yīng)管的微變等效電路為：場(chǎng)效應(yīng)管的微變等效電路為： g s d ugs id u

18、ds s gd ugs gmugs uds s gd rdsugsgmugsuds 46 2. 靜態(tài)工作點(diǎn)靜態(tài)工作點(diǎn) q點(diǎn)：點(diǎn)： vgs 、 id 、 vds vgs = 2 p gs dssd )1( v v ii vds = 已知已知vp ，由，由 vdd- id (rd + r ) - idr 可解出可解出q點(diǎn)的點(diǎn)的vgs 、 id 、 vds 47 場(chǎng)效應(yīng)管的分壓式自偏壓放大電路場(chǎng)效應(yīng)管的分壓式自偏壓放大電路 一、靜態(tài)分析一、靜態(tài)分析 求：求：uds和和 id。 。 設(shè)：設(shè)：ugugs 則：則：ug us 而：而：ig=0 所以：所以： udd=20v uo rs ui cs c2 c

19、1 r1 rd rg r2 rl 150k 50k 1m 10k 10k g d s 10k v5 21 2 ddg u rr r u ma5 . 0 s g s s d r u r u i v10)( dsdddds rriuu 48 uo udd=20v rs ui cs c2 c1 r1 rd rg r2 rl 150k 50k 1m 10k 10k g d s 10k 二、動(dòng)態(tài)分析二、動(dòng)態(tài)分析 s g r2r1 rg rl d rlrd 微變等效電路微變等效電路 gsm ug gs u 49 s g r2r1 rg rl d rlrd gs u gsm ug i u o u gsi u

20、u )/( ldgsmo rrugu lmu rga 21 /rrrr gi m0375. 1 ro=rd=10k 50 源極輸出器源極輸出器 uo +udd rs ui c1 r1 rg r2 rl 150k 50k 1m 10k d s c2 g 一、靜態(tài)分析一、靜態(tài)分析 us ug ma50. r u r u i s g s s d uds=udd- us =20-5=15v v5 21 1 ddg u rr r u 51 uo +udd rs ui c1 r1 rg r2 rl 150k 50k 1m 10k d s c2 g lgsmgs lgsm i o u rugu rug u u a 1 1 lm lm rg rg i u o u gs u gsmu g d i ri ro ro g r2r1 rg s d rl rs 微變等效電路微變等效電路 二、動(dòng)態(tài)分析二、動(dòng)態(tài)分析 52 ri ro ro g r2r1 rg s d rl rs 微變等效電路微變等效電路 21 /rrrr gi m0375. 1 輸入電阻輸入電阻 ri 53 輸出電阻輸出電阻 ro加壓求流法加壓求流法 mgsm gs d o gug u i u r 1 soo rrr/ u i d i g d 微變等效電路微變等效電路 ro ro r2