場效應管及其放大電路分析課件

模擬電子技術

第3章場效應管及其放大電路分析

范立南恩莉代紅艷李雪飛中國水利水電出版社模擬電子技術

第3章場效應管及其放大電路分析1第3章場效應管及其放大電路分析3.1場效應管的基本概念3.2場效應管放大電路的分析第3章場效應管及其放大電路分析2場效應管按照結構不同，可分為結型場效應管和絕緣柵型場效應管兩大類；結型場效應管（JunctionFieldEffectTransistor，簡稱JFET）按照制造工藝和材料不同，可分為N溝道結型場效應管和P溝道結型場效應管兩種?，F以N溝道結型場效應管為例，介紹結型場效應管的結構、工作原理、特性曲線及主要參數。3.1場效應管的基本概念3.1.1結型場效應管場效應管按照結構不同，可分為結型場效應管和絕緣柵型場效應管兩31．結構N溝道結型場效應管的結構示意圖及符號如圖所示：1．結構4N溝道結型場效應管是在一塊摻雜濃度較低的N型半導體上，制作兩個高濃度的P型區(qū)（稱為型區(qū)），從而形成兩個PN結。將兩個型區(qū)連接在一起，引出一個電極，稱為柵極（用g表示）；在N型半導體的兩端各引出一個電極，分別稱為漏極（用d表示）和源極（用s表示）。兩個PN結中間的N型區(qū)是漏極和源極之間的電流溝道，稱為導電溝道。由于導電溝道是N型區(qū)，其多子是自由電子，故稱為N溝道結型場效應管；其符號箭頭方向是從柵極指向溝道，即從P區(qū)指向N區(qū)。N溝道結型場效應管是在一塊摻雜濃度較低的N型半導體5P溝道結型場效應管的結構示意圖及符號如圖所示：P溝道結型場效應管的結構示意圖及符號如圖所示：62．工作原理（1），情況2．工作原理7當N溝道JFET的柵-源和漏-源之間均未加電壓時，耗盡層很窄，導電溝道很寬，溝道電阻很小。當柵-源之間加反向電壓，漏-源之間不加電壓時，由于柵-源之間加反向電壓，耗盡層加寬，導電溝道變窄，溝道電阻增大，且隨著外加反向電壓的增大，耗盡層進一步加寬，導電溝道隨之變窄，溝道電阻隨之增大。當外加反向電壓增大至某一數值時，兩側的耗盡層相遇，整個溝道被夾斷，溝道電阻趨于無窮大。此時所對應的柵-源電壓稱為夾斷電壓。當N溝道JFET的柵-源和漏-源之間均未加電壓時，耗盡層很8（2），情況（2），9當柵-源之間加反向電壓，漏-源之間加正向電壓時，由于柵-源之間加反向電壓，耗盡層加寬，導電溝道變窄，溝道電阻增大；設柵-源之間所加反向電壓為范圍內的某一固定值。此時由于漏-源之間加正向電壓，就有從漏極到源極的漏極電流產生。由于漏極電流在流經導電溝道時會產生電壓降，使得溝道上各點與柵極之間的電壓不再相等，從而導致溝道中耗盡層的寬度進一步變得不等寬。當柵-源之間加反向電壓，漏-源之間加正向電壓時，由于柵-10由于漏極電流在流經導電溝道時產生的電壓降從漏極到源極逐漸增大，溝道上各點的電位從漏極到源極逐漸減小，即漏極處的電位最大；源極處的電位最小為零，所以溝道上各點與柵極之間的電壓從漏極到源極逐漸減小，使得漏極處的耗盡層最寬，從漏極到源極耗盡層寬度逐漸減小，從而溝道寬度從漏極到源極逐漸增大，溝道電阻從漏極到源極逐漸減小。隨著的進一步增大，溝道在漏極處發(fā)生預夾斷，即漏極處兩側的耗盡層相遇，如圖示。此后繼續(xù)增大，只是夾斷區(qū)沿溝道進一步加長，漏極電流不再增加，達到飽和。

由于漏極電流在流經導電溝道時產生的電壓降從漏極到源極113．特性曲線轉移特性曲線是用于描述漏-源電壓一定情況下，漏極電流與柵-源電壓之間關系的曲線，即。N溝道JFET的轉移特性曲線如圖所示。3．特性曲線12輸出特性曲線是用于描述柵-源電壓一定情況下，漏極電流與漏-源電壓之間關系的曲線，即。N溝道JFET的輸出特性曲線如圖所示。輸出特性曲線是用于描述柵-源電壓一定情況下，漏極電流134．主要參數（1）直流參數①夾斷電壓：是指漏-源電壓為某定值時，使漏極電流為0或某一微小數值（如10）時的柵-源電壓值。②飽和漏電流：是指柵-源電壓時，管子發(fā)生預夾斷時所對應的漏極電流值。③直流輸入電阻：是指在漏-源之間短路時，柵-源電壓與柵極電流的比值。一般。4．主要參數14（2）交流參數①低頻跨導：是指漏-源電壓為某定值時，漏極電流的變化量與對應柵-源電壓的變化量的比值，單位為S。②極間電容：場效應管的三個電極間存在著極間電容，即柵源電容、柵漏電容和漏源電容。③輸出電阻：是指在恒流區(qū)內，當柵-源電壓為某定值時，漏-源電壓的變化量與漏極電流的變化量的比值。是用于反映漏-源電壓對漏極電流的影響的參數，體現在輸出特性曲線上，即是曲線上某點切線斜率的倒數。（2）交流參數15（3）極限參數①最大漏電流：是指管子正常工作時所允許通過的漏極電流的最大值。②最大耗散功率：是決定管子溫升的參數，超過此值時，管子會因過熱而被燒壞。③漏源擊穿電壓：是指隨著漏-源電壓的增加，使得漏極電流急劇增加是的漏-源電壓值。正常工作時，若超過此值，管子將會被擊穿。④柵源擊穿電壓：是指柵源間所能承受的最大電壓。正常工作時，若超過此值，柵極和溝道間的PN結將會被擊穿。（3）極限參數163.1.2絕緣柵型場效應管MOS管按照制造工藝和材料不同，可分為N溝道和P溝道；MOS管按照工作方式不同，又可分為增強型和耗盡型；因此MOS管可分為N溝道增強型、P溝道增強型、N溝道耗盡型和P溝道耗盡型四種。增強型MOS管與耗盡型MOS管的區(qū)別是：增強型MOS管在柵-源之間未加電壓時，無導電溝道；只有當柵-源之間加上電壓后，才能產生導電溝道。而耗盡型MOS管在柵-源之間未加電壓時，已經存在導電溝道。以N溝道增強型MOS管為例，介紹MOS管的結構、工作原理及特性曲線。3.1.2絕緣柵型場效應管MOS管按照制造工藝和材料不同，171．結構增強型NMOS管的結構示意圖如圖所示。1．結構18增強型NMOS、PMOS管的符號如圖所示。增強型NMOS、PMOS管的符號如圖所示。19耗盡型NMOS、PMOS管的符號如圖所示。耗盡型NMOS、PMOS管的符號如圖所示。202．工作原理（1）情況當柵-源之間未加電壓時，漏-源之間是一對背靠背的PN結，所以無論漏-源之間加正向電壓還是反向電壓，總有一個PN結是截止的，漏-源之間沒有導電溝道，也沒有漏極電流產生，如圖示。2．工作原理21（2），情況當漏-源之間不加電壓，柵-源之間加正向電壓時，由于柵極和襯底之間相當于以絕緣層為介質的平板電容器，在柵-源正向電壓的作用下，柵極表面會積累正電荷，該正電荷能夠吸引襯底中的少子自由電子，排斥襯底中的多子空穴，使得柵極附近的P型襯底中留下不能移動的負離子，形成耗盡層。隨著外加柵-源電壓的增加，耗盡層將繼續(xù)加寬，當增加至一定值時，自由電子將被吸引到絕緣層與耗盡層之間，形成一個N型薄層，稱為反型層，這個反型層即是漏-源之間的導電溝道。開始形成反型層時的柵-源電壓，稱為開啟電壓。形成反型層后，繼續(xù)增加，反型層將加寬，溝道電阻將減小。如圖示。（2），22場效應管及其放大電路分析課件23（3），且為定值，情況設柵-源之間所加電壓為的某一固定值，漏-源之間加正向電壓。由于，所以漏-源之間的導電溝道已經形成，又由于漏-源電壓，所以有從漏極到源極的漏極電流產生。由于漏極電流在流經導電溝道時會產生電壓降，使得溝道上各點與柵極之間的電壓不再相等，從而導致溝道寬度進一步變得不等寬。如圖示。（3），且為定值24場效應管及其放大電路分析課件25由于漏極電流在流經導電溝道時產生的電壓降從漏極到源極逐漸增大，溝道上各點的電位從漏極到源極逐漸減小，所以溝道上各點與柵極之間的電壓從漏極到源極逐漸增大，從而溝道寬度從漏極到源極逐漸增大，溝道電阻從漏極到源極逐漸減小。隨著的進一步增大，增至使時，溝道在漏極處發(fā)生預夾斷。此后繼續(xù)增大，只是夾斷區(qū)沿溝道進一步加長，漏極電流不再增加，達到飽和。由于漏極電流在流經導電溝道時產生的電壓降從漏極到源極263．特性曲線增強型NMOS的轉移和輸出特性曲線如圖所示。3．特性曲線27耗盡型NMOS管的結構示意圖如圖所示。耗盡型NMOS管的結構示意圖如圖所示。28其轉移特性曲線及輸出特性曲線如圖所示。其轉移特性曲線及輸出特性曲線如圖所示。294．主要參數MOS管的主要參數與JFET的參數基本相同，所不同的是：夾斷電壓是JFET和耗盡型MOS管的參數；對于增強型MOS管來說，由于在未加柵源電壓時，無導電溝道，只有當柵源之間加上正向電壓時，才會產生導電溝道，所以其參數應該是開啟電壓。開啟電壓：是指漏-源電壓為某定值時，使漏極電流產生的所需的的最小值。4．主要參數30例：轉移特性曲線如圖所示。試判斷：（1）該管為何種類型？（2）從該曲線可以求出該管的夾斷電壓還是開啟電壓？值是多少？解：該管為N溝道結型場效應管，從該曲線上可以求出該管的夾斷電壓，其值是-4V。例：轉移特性曲線如圖所示。試判斷：（1）該管為何種類31【例3-2】輸出特性曲線如圖所示。試判斷該管為何種類型？解：該管為N溝道增強型MOS管?！纠?-2】輸出特性曲線如圖所示。試判斷該管為何種類323.2場效應管放大電路的分析按照輸入輸出回路公共端的不同，場效應管放大電路也分為共源、共漏和共柵三種組態(tài)。分析步驟為：（1）求靜態(tài)工作點①畫直流通路；②求靜態(tài)工作點。（2）求交流性能①畫交流通路；②畫交流等效電路；③求交流性能。3.2場效應管放大電路的分析按照輸入輸出回路公共端的不同，333.2.1共源放大電路的分析1．自偏壓電路3.2.1共源放大電路的分析1．自偏壓電路34直流通路：直流通路：35NMOS管的低頻小信號簡化等效電路如圖所示。NMOS管的低頻小信號簡化等效電路如圖所示。36①畫交流通路①畫交流通路37②畫交流等效電路②畫交流等效電路38③求交流性能。③求交流性能。392．分壓式自偏壓電路分壓式自偏壓共源放大電路如圖示。2．分壓式自偏壓電路40（1）求靜態(tài)工作點畫直流通路（1）求靜態(tài)工作點41場效應管及其放大電路分析課件42（2）求交流性能①畫交流通路（2）求交流性能43②畫交流等效電路②畫交流等效電路44③求交流性能。③求交流性能。453.2.2共漏放大電路的分析基本共漏放大電路如圖示：3.2.2共漏放大電路的分析基本共漏放大電路如圖示：46（1）求靜態(tài)工作點畫直流通路（1）求靜態(tài)工作點47場效應管及其放大電路分析課件48（2）求交流性能①畫交流通路（2）求交流性能49②畫交流等效電路②畫交流等效電路50③求交流性能③求交流性能51例：電路如圖所示，已知，，管子的，。試求：（1）靜態(tài)工作點；（2）交流性能。例：電路如圖所示，已知，52解：（1）求靜態(tài)工作點畫直流通路解：（1）求靜態(tài)工作點53場效應管及其放大電路分析課件54（2）求交流性能①畫交流通路（2）求交流性能55②畫交流等效電路②畫交流等效電路56③求交流性能。③求交流性能。57模擬電子技術

第3章場效應管及其放大電路分析

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第3章場效應管及其放大電路分析58第3章場效應管及其放大電路分析3.1場效應管的基本概念3.2場效應管放大電路的分析第3章場效應管及其放大電路分析59場效應管按照結構不同，可分為結型場效應管和絕緣柵型場效應管兩大類；結型場效應管（JunctionFieldEffectTransistor，簡稱JFET）按照制造工藝和材料不同，可分為N溝道結型場效應管和P溝道結型場效應管兩種。現以N溝道結型場效應管為例，介紹結型場效應管的結構、工作原理、特性曲線及主要參數。3.1場效應管的基本概念3.1.1結型場效應管場效應管按照結構不同，可分為結型場效應管和絕緣柵型場效應管兩601．結構N溝道結型場效應管的結構示意圖及符號如圖所示：1．結構61N溝道結型場效應管是在一塊摻雜濃度較低的N型半導體上，制作兩個高濃度的P型區(qū)（稱為型區(qū)），從而形成兩個PN結。將兩個型區(qū)連接在一起，引出一個電極，稱為柵極（用g表示）；在N型半導體的兩端各引出一個電極，分別稱為漏極（用d表示）和源極（用s表示）。兩個PN結中間的N型區(qū)是漏極和源極之間的電流溝道，稱為導電溝道。由于導電溝道是N型區(qū)，其多子是自由電子，故稱為N溝道結型場效應管；其符號箭頭方向是從柵極指向溝道，即從P區(qū)指向N區(qū)。N溝道結型場效應管是在一塊摻雜濃度較低的N型半導體62P溝道結型場效應管的結構示意圖及符號如圖所示：P溝道結型場效應管的結構示意圖及符號如圖所示：632．工作原理（1），情況2．工作原理64當N溝道JFET的柵-源和漏-源之間均未加電壓時，耗盡層很窄，導電溝道很寬，溝道電阻很小。當柵-源之間加反向電壓，漏-源之間不加電壓時，由于柵-源之間加反向電壓，耗盡層加寬，導電溝道變窄，溝道電阻增大，且隨著外加反向電壓的增大，耗盡層進一步加寬，導電溝道隨之變窄，溝道電阻隨之增大。當外加反向電壓增大至某一數值時，兩側的耗盡層相遇，整個溝道被夾斷，溝道電阻趨于無窮大。此時所對應的柵-源電壓稱為夾斷電壓。當N溝道JFET的柵-源和漏-源之間均未加電壓時，耗盡層很65（2），情況（2），66當柵-源之間加反向電壓，漏-源之間加正向電壓時，由于柵-源之間加反向電壓，耗盡層加寬，導電溝道變窄，溝道電阻增大；設柵-源之間所加反向電壓為范圍內的某一固定值。此時由于漏-源之間加正向電壓，就有從漏極到源極的漏極電流產生。由于漏極電流在流經導電溝道時會產生電壓降，使得溝道上各點與柵極之間的電壓不再相等，從而導致溝道中耗盡層的寬度進一步變得不等寬。當柵-源之間加反向電壓，漏-源之間加正向電壓時，由于柵-67由于漏極電流在流經導電溝道時產生的電壓降從漏極到源極逐漸增大，溝道上各點的電位從漏極到源極逐漸減小，即漏極處的電位最大；源極處的電位最小為零，所以溝道上各點與柵極之間的電壓從漏極到源極逐漸減小，使得漏極處的耗盡層最寬，從漏極到源極耗盡層寬度逐漸減小，從而溝道寬度從漏極到源極逐漸增大，溝道電阻從漏極到源極逐漸減小。隨著的進一步增大，溝道在漏極處發(fā)生預夾斷，即漏極處兩側的耗盡層相遇，如圖示。此后繼續(xù)增大，只是夾斷區(qū)沿溝道進一步加長，漏極電流不再增加，達到飽和。

由于漏極電流在流經導電溝道時產生的電壓降從漏極到源極683．特性曲線轉移特性曲線是用于描述漏-源電壓一定情況下，漏極電流與柵-源電壓之間關系的曲線，即。N溝道JFET的轉移特性曲線如圖所示。3．特性曲線69輸出特性曲線是用于描述柵-源電壓一定情況下，漏極電流與漏-源電壓之間關系的曲線，即。N溝道JFET的輸出特性曲線如圖所示。輸出特性曲線是用于描述柵-源電壓一定情況下，漏極電流704．主要參數（1）直流參數①夾斷電壓：是指漏-源電壓為某定值時，使漏極電流為0或某一微小數值（如10）時的柵-源電壓值。②飽和漏電流：是指柵-源電壓時，管子發(fā)生預夾斷時所對應的漏極電流值。③直流輸入電阻：是指在漏-源之間短路時，柵-源電壓與柵極電流的比值。一般。4．主要參數71（2）交流參數①低頻跨導：是指漏-源電壓為某定值時，漏極電流的變化量與對應柵-源電壓的變化量的比值，單位為S。②極間電容：場效應管的三個電極間存在著極間電容，即柵源電容、柵漏電容和漏源電容。③輸出電阻：是指在恒流區(qū)內，當柵-源電壓為某定值時，漏-源電壓的變化量與漏極電流的變化量的比值。是用于反映漏-源電壓對漏極電流的影響的參數，體現在輸出特性曲線上，即是曲線上某點切線斜率的倒數。（2）交流參數72（3）極限參數①最大漏電流：是指管子正常工作時所允許通過的漏極電流的最大值。②最大耗散功率：是決定管子溫升的參數，超過此值時，管子會因過熱而被燒壞。③漏源擊穿電壓：是指隨著漏-源電壓的增加，使得漏極電流急劇增加是的漏-源電壓值。正常工作時，若超過此值，管子將會被擊穿。④柵源擊穿電壓：是指柵源間所能承受的最大電壓。正常工作時，若超過此值，柵極和溝道間的PN結將會被擊穿。（3）極限參數733.1.2絕緣柵型場效應管MOS管按照制造工藝和材料不同，可分為N溝道和P溝道；MOS管按照工作方式不同，又可分為增強型和耗盡型；因此MOS管可分為N溝道增強型、P溝道增強型、N溝道耗盡型和P溝道耗盡型四種。增強型MOS管與耗盡型MOS管的區(qū)別是：增強型MOS管在柵-源之間未加電壓時，無導電溝道；只有當柵-源之間加上電壓后，才能產生導電溝道。而耗盡型MOS管在柵-源之間未加電壓時，已經存在導電溝道。以N溝道增強型MOS管為例，介紹MOS管的結構、工作原理及特性曲線。3.1.2絕緣柵型場效應管MOS管按照制造工藝和材料不同，741．結構增強型NMOS管的結構示意圖如圖所示。1．結構75增強型NMOS、PMOS管的符號如圖所示。增強型NMOS、PMOS管的符號如圖所示。76耗盡型NMOS、PMOS管的符號如圖所示。耗盡型NMOS、PMOS管的符號如圖所示。772．工作原理（1）情況當柵-源之間未加電壓時，漏-源之間是一對背靠背的PN結，所以無論漏-源之間加正向電壓還是反向電壓，總有一個PN結是截止的，漏-源之間沒有導電溝道，也沒有漏極電流產生，如圖示。2．工作原理78（2），情況當漏-源之間不加電壓，柵-源之間加正向電壓時，由于柵極和襯底之間相當于以絕緣層為介質的平板電容器，在柵-源正向電壓的作用下，柵極表面會積累正電荷，該正電荷能夠吸引襯底中的少子自由電子，排斥襯底中的多子空穴，使得柵極附近的P型襯底中留下不能移動的負離子，形成耗盡層。隨著外加柵-源電壓的增加，耗盡層將繼續(xù)加寬，當增加至一定值時，自由電子將被吸引到絕緣層與耗盡層之間，形成一個N型薄層，稱為反型層，這個反型層即是漏-源之間的導電溝道。開始形成反型層時的柵-源電壓，稱為開啟電壓。形成反型層后，繼續(xù)增加，反型層將加寬，溝道電阻將減小。如圖示。（2），79場效應管及其放大電路分析課件80（3），且為定值，情況設柵-源之間所加電壓為的某一固定值，漏-源之間加正向電壓。由于，所以漏-源之間的導電溝道已經形成，又由于漏-源電壓，所以有從漏極到源極的漏極電流產生。由于漏極電流在流經導電溝道時會產生電壓降，使得溝道上各點與柵極之間的電壓不再相等，從而導致溝道寬度進一步變得不等寬。如圖示。（3），且為定值81場效應管及其放大電路分析課件82由于漏極電流在流經導電溝道時產生的電壓降從漏極到源極逐漸增大，溝道上各點的電位從漏極到源極逐漸減小，所以溝道上各點與柵極之間的電壓從漏極到源極逐漸增大，從而溝道寬度從漏極到源極逐漸增大，溝道電阻從漏極到源極逐漸減小。隨著的進一步增大，增至使時，溝道在漏極處發(fā)生預夾斷。此后繼續(xù)增大，只是夾斷區(qū)沿溝道進一步加長，漏極電流不再增加，達到飽和。由于漏極電流在流經導電溝道時產生的電壓降從漏極到源極833．特性曲線增強型NMOS的轉移和輸出特性曲線如圖所示。3．特性曲線84耗盡型NMOS管的結構示意圖如圖所示。耗盡型NMOS管的結構示意圖如圖所示。85其轉移特性曲線及輸出特性曲線如圖所示。其轉移特性曲線及輸出特性曲線如圖所示。864．主要參數MOS管的主要參數與JFET的參數基本相同，所不同的是：夾斷電壓是JFET和耗盡型MOS管的參數；對于增強型MOS管來說，由于在未加柵源電壓時，無導電溝道，只有當柵源之間加上正向電壓時，才會產生導電溝道，所以其參數應該是開啟電壓。開啟電壓：是指漏-源電壓為某定值時，使漏極電流產生的所需的的最小值。4．主要參數87例：轉移特性曲線如圖所示。試判斷：（1）該管為何種類型？（2）從該曲線可以求出該管的夾斷電壓還是開啟電壓？值是多少？解：該管為N溝道結型場效應管，從該曲線上可以求出該管的夾斷電壓