場(chǎng)效應(yīng)管放大電路new

5場(chǎng)效應(yīng)管放大電路授課人：莊友誼模擬電子技術(shù)15場(chǎng)效應(yīng)管放大電路§5.1金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管§5.2MOSFET放大電路§5.3結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管§5.4砷化鎵金屬-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管§5.5各種放大器件電路性能比較2引言：

場(chǎng)效應(yīng)晶體三極管是由一種載流子（多子）導(dǎo)電的、用輸入電壓控制輸出電流的半導(dǎo)體器件。具有輸入阻抗高、耗電少、溫度穩(wěn)定性好、噪聲低、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。從參與導(dǎo)電的載流子來劃分，它有自由電子導(dǎo)電的N溝道器件和空穴導(dǎo)電的P溝道器件。

按照?qǐng)鲂?yīng)三極管的結(jié)構(gòu)劃分，有結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管和絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管兩大類。

3１、結(jié)構(gòu)：§5.3結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(JFET)N基底：N型半導(dǎo)體PP兩邊是P區(qū)G(柵極)S源極D漏極導(dǎo)電溝道5.3.1JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理：45S源極NPPG(柵極)D漏極N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管DGSDGS6S源極PNNG(柵極)D漏極P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管DGSDGS7２、工作原理（以N溝道為例）vDS=0V時(shí)（1）vDS=0，G、S加負(fù)電壓：NGSDvDS=0vGSNNPPiDPN結(jié)反偏，|vGS|越大則耗盡區(qū)越寬，導(dǎo)電溝道越窄，溝道電阻變大。8vDS=0時(shí)NGSDvDS=0vGSPPiDvGS達(dá)到一定值時(shí)（夾斷電壓VP）,耗盡區(qū)碰到一起，DS間被夾斷，這時(shí)，即使vDS

0V，漏極電流iD=0A。910vGS=0且vDS>0時(shí)耗盡區(qū)的形狀NGSDvDSvGS=0PPiD（2）vGS=0，D、S加正電壓：越靠近漏端，PN結(jié)反壓越大，使靠近漏端的耗盡層比源端厚，溝道比源端窄，故VDS對(duì)溝道的影響是不均勻的，使溝道呈楔形。11當(dāng)VDS繼續(xù)增加時(shí)，預(yù)夾斷點(diǎn)向源極方向伸長(zhǎng)為預(yù)夾斷區(qū)。由于預(yù)夾斷區(qū)電阻很大，使主要VDS降落在該區(qū)，由此產(chǎn)生的強(qiáng)電場(chǎng)力能把未夾斷區(qū)漂移到其邊界上的載流子都掃至漏極，形成漏極飽和電流。12（3）G、S加負(fù)電壓，D、S加正電壓：NGSDvDSNNiDPPvGS但當(dāng)vGS較小時(shí)，耗盡區(qū)寬度有限，存在導(dǎo)電溝道。DS間相當(dāng)于線性電阻。vGS越大耗盡區(qū)越寬，溝道越窄，電阻越大。13NGSDvDSPPiDvGSvGS<Vp且vDS較大時(shí)vGD<VP時(shí)耗盡區(qū)的形狀溝道中仍是電阻特性，但是是非線性電阻。14NGSDvDSPPiDvGSvGS<Vp

vGD=VP時(shí)漏端的溝道被夾斷，稱為予夾斷。vDS增大則被夾斷區(qū)向下延伸。15vGS<Vp

vGD=VP時(shí)此時(shí)，電流iD由未被夾斷區(qū)域中的載流子形成，基本不隨vDS的增加而增加，呈恒流特性。NGSDvDSPPiDvGS165.3.2JFET的特性曲線及參數(shù)：17vGS0iDIDSSVP1、轉(zhuǎn)移特性曲線一定vDS下的iD-vGS曲線182、輸出特性曲線vDS0iDIDSSVP飽和漏極電流夾斷電壓某一VGS下19予夾斷曲線vGS=0V-2V-1V-3V-4V-5V可變電阻區(qū)夾斷區(qū)恒流區(qū)（飽和區(qū)）輸出特性曲線iDvDS020①輸出特性曲線恒流區(qū)：(又稱飽和區(qū)或放大區(qū)）特點(diǎn):(1)受控性：

輸入電壓vGS控制輸出電流(2)恒流性：輸出電流iD

基本上不受輸出電壓vDS的影響。用途:可做放大器和恒流源。條件:(1)源端溝道未夾斷

(2)源端溝道予夾斷

21可變電阻區(qū)特點(diǎn):(1)當(dāng)vGS

為定值時(shí),iD

是

vDS

的線性函數(shù)，管子的漏源間呈現(xiàn)為線性電阻，且其阻值受

vGS

控制。

（2）管壓降vDS

很小。用途：做壓控線性電阻和無觸點(diǎn)的、閉合狀態(tài)的電子開關(guān)。條件：源端與漏端溝道都不夾斷

22夾斷區(qū)

用途：做無觸點(diǎn)的、接通狀態(tài)的電子開關(guān)。條件：整個(gè)溝道都夾斷

擊穿區(qū)

當(dāng)漏源電壓增大到

時(shí)，漏端PN結(jié)發(fā)生雪崩擊穿，使iD

劇增的區(qū)域。其值一般為（20—50）V之間。由于VGD=VGS-VDS,故vGS越負(fù)，對(duì)應(yīng)的VP就越小。管子不能在擊穿區(qū)工作。特點(diǎn)：23(a)漏極輸出特性曲線(b)轉(zhuǎn)移特性曲線N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管的特性曲線24P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線vGS0iDIDSSVP25輸出特性曲線P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線予夾斷曲線iDvDS2VvGS=0V1V3V4V5V可變電阻區(qū)夾斷區(qū)恒流區(qū)(飽和區(qū))026結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的特性比較結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管

N溝道耗盡型P溝道耗盡型27

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)107以上，但在某些場(chǎng)合仍嫌不夠高。3.柵源極間的PN結(jié)加正向電壓時(shí)，將出現(xiàn)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。2.在高溫下，PN結(jié)的反向電流增大，柵源極間的電阻會(huì)顯著下降。28§5.1金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管又稱絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管

MetalOxideSemiconductor——MOSFET分為:增強(qiáng)型N溝道、P溝道

耗盡型N溝道、P溝道增強(qiáng)型：vgs=0時(shí)，沒有導(dǎo)電溝道，iD=0耗盡型：vgs=0時(shí)，存在導(dǎo)電溝道，iD≠0N溝道P溝道增強(qiáng)型N溝道P溝道耗盡型295.1.1N溝道增強(qiáng)型MOSFETPNNGSDP型基底兩個(gè)N區(qū)SiO2絕緣層（幾百埃）導(dǎo)電溝道金屬鋁GSDN溝道增強(qiáng)型1、結(jié)構(gòu):柵極（Gate）源極

(Source)漏極（Drain）30312、工作原理PNNGSDUDSUGSUGS=0時(shí)D-S間相當(dāng)于兩個(gè)反接的PN結(jié)ID=0對(duì)應(yīng)截止區(qū)32PNNGSDUDSUGSUGS>0時(shí)UGS足夠大時(shí)（UGS>VT）感應(yīng)出足夠多電子，這里出現(xiàn)以電子導(dǎo)電為主的N型導(dǎo)電溝道。感應(yīng)出電子VT稱為閾值電壓33UGS較小時(shí)，導(dǎo)電溝道相當(dāng)于電阻將D-S連接起來，UGS越大此電阻越小。PNNGSDUDSUGS34PNNGSDUDSUGS當(dāng)UDS不太大時(shí)，導(dǎo)電溝道在兩個(gè)N區(qū)間是均勻的。當(dāng)UDS較大時(shí)，靠近D區(qū)的導(dǎo)電溝道變窄。35PNNGSDUDSUGS夾斷后，即使UDS繼續(xù)增加，ID仍呈恒流特性。IDUDS增加，UGD=VT時(shí)，靠近D端的溝道被夾斷，稱為予夾斷。363、V-I特性曲線及大信號(hào)特性方程（1）轉(zhuǎn)移特性曲線：0iDvGSVTFET是電壓控制器件，iD=f(vGS)|vDS=常數(shù)37

轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率gm的大小反映了柵源電壓對(duì)漏極電流的控制作用。gm

的量綱為mA/V，所以gm也稱為跨導(dǎo)?？鐚?dǎo)的定義式如下

gm=ID/VGS

VDS=const(單位mS)

ID=f(VGS)VDS=const38（2）輸出特性曲線iDvDS0vGS>0恒流區(qū)（飽和區(qū)）可變電阻區(qū)截止區(qū)預(yù)夾斷臨界點(diǎn)軌跡vDS=vGS-VT39

三個(gè)區(qū)：①截止區(qū)：vGS<VT：iD=0②可變電阻區(qū)：vDS≤vGS-VT：iD可近似表示為：③飽和區(qū)：vGS≥VT

且vDS≥vGS-VT：iD不隨vDS變化。μn是反型層的電子遷移率，Cox

是柵極與襯底間氧化層單位面積電容。40N溝道耗盡型PNNGSD預(yù)埋了導(dǎo)電溝道

GSD5.1.2N溝道耗盡型MOSFET41特性曲線：耗盡型的MOS管vGS=0時(shí)就有導(dǎo)電溝道，加反向電壓才能夾斷。轉(zhuǎn)移特性曲線0iDvGSVPIDSS42輸出特性曲線vGS=0vGS<0vGS>0飽和區(qū)可變電阻區(qū)截止區(qū)iDvDS0預(yù)夾斷臨界點(diǎn)軌跡vDS=vGS-VT43飽和區(qū)內(nèi)：因?yàn)樵趘GS=0，且vDS≥vGS-VP時(shí)故在飽和區(qū)內(nèi)：445.1.3P溝道MOSFETNPPGSDGSD一、P溝道增強(qiáng)型：45iD-vDS0vGS<00iDvGSVT46增強(qiáng)型MOS管特性比較絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管N溝道增強(qiáng)型P溝道增強(qiáng)型47二、P溝道耗盡型NPPGSDGSD預(yù)埋了導(dǎo)電溝道48耗盡型MOSFET的特性比較絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管

N溝道耗盡型P溝道耗盡型49絕緣柵增強(qiáng)型N溝道P溝道絕緣柵耗盡型

N溝道P溝道505.1.4溝道長(zhǎng)短調(diào)制效應(yīng)在理想情況下，當(dāng)MOSFET飽和時(shí)，iD與vDS無關(guān)，而實(shí)際上，vDS對(duì)溝道長(zhǎng)度L有調(diào)制作用，從而對(duì)iD時(shí)有影響?？紤]了其影響，iD

的公式要修正為：511、夾斷電壓VP或開啟電壓VT：2、飽和漏極電流IDSS:3、直流輸入電阻RGS（DC）：柵壓除柵流5.1.5MOSFET的主要參數(shù)：一、直流參數(shù)：1、最大漏極電流IDM:2、最大耗散功率PDM:3、擊穿電壓：V（BR）DS、V（BR）GS二、交流參數(shù)：1、低頻跨導(dǎo)gm:2、輸出電阻rd:三、極限參數(shù)：詳見p210表5.1.152§5.4砷化鎵金屬-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管（略）用GaAs代替Si，器件轉(zhuǎn)換速度快見p237表5.5.1使用時(shí)：1）一般D、S可以互換

2）謹(jǐn)防擊穿與三極管比較：1）場(chǎng)效應(yīng)管的D、G、S相當(dāng)于C、B、E2）場(chǎng)效應(yīng)管是電壓控制器件，柵流基本為0。

3）場(chǎng)效應(yīng)管利用多子導(dǎo)電，故受外界影響小?！?.5各種放大器件電路性能比較53雙極型三極管與場(chǎng)效應(yīng)三極管的比較雙極型三極管場(chǎng)效應(yīng)三極管結(jié)構(gòu)與分類NPN型、PNP型

結(jié)型N溝道P溝道絕緣柵增強(qiáng)型：N溝道P溝道耗盡型：N溝道P溝道使用C與E一般不可倒置使用D與S有的型號(hào)可倒置使用載流子多子擴(kuò)散少子漂移多子漂移輸入量電流輸入電壓輸入控制電流控制電流源電壓控制電流源噪聲較大較小溫度特性受溫度影響較大較小，且有零溫度系數(shù)點(diǎn)輸入電阻幾十到幾千歐姆幾兆歐姆以上靜電影響不受靜電影響易受靜電影響集成工藝不易大規(guī)模集成適宜大規(guī)模和超大規(guī)模集成54場(chǎng)效應(yīng)三極管的型號(hào)場(chǎng)效應(yīng)三極管的型號(hào),現(xiàn)行有兩種命名方法：其一是與雙極型三極管相同，第三位字母J代表結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，O代表絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管。第二位字母代表材料，D是P型硅，反型層是N溝道；C是N型硅P溝道。如：3DJ6D是結(jié)型N溝道場(chǎng)效應(yīng)三極管，3DO6C是絕緣柵型N溝道場(chǎng)效應(yīng)三極管。

第二種命名方法是CS××#，CS代表場(chǎng)效應(yīng)管，××以數(shù)字代表型號(hào)的序號(hào)，#用字母代表同一型號(hào)中的不同規(guī)格。例如CS14A、CS45G等。55幾種常用場(chǎng)效應(yīng)三極管的主要參數(shù)561、直流偏置及靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算：（1）自偏置電路：§5.2MOSFET放大電路5.2.1MOSFET放大電路：57IDSS是飽和漏電流IDSS是vGS=2VT時(shí)iDJFET:絕緣柵MOSFET:另外，由外電路有：解方程得到Q點(diǎn)電壓、電流。優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：Q點(diǎn)確定后，VGS,ID就確定了，R選擇的范圍很小。注意：增強(qiáng)型FET只有柵極電壓先達(dá)到某個(gè)開啟電壓VT時(shí)才有漏極電流ID，這類管子不能用圖示的自偏壓電路58(2)分壓式自偏壓電路直流通道VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2)VGS=VG－VS=VG－IDRID=IDSS[1－(VGS/VP)]2VDS=VDD－ID(R+Rd

)

由此可以解出VGS、ID和VDS。59２、圖解分析法：RdRLRg3Rg1Rg2vivO60iDvDS3.544.535426810123.32.72.11.50.9mAViDvDSttvGStuce與ui反相61各點(diǎn)波形uitvGStiDtvDStvot62低頻模型高頻模型3、小信號(hào)模型分析法：其中：rgs、rds都很大63①電壓放大倍數(shù)：②輸入電阻：

③輸出電阻：例1：共源放大電路：64①電壓放大倍數(shù)：②輸入電阻：

③輸出電阻：去掉CS會(huì)怎么樣？65例2：共漏放大電路：(1)中頻電壓增益:(2)輸入電阻:Rg2Rg1Rg3RRLVDDCb2Cb1vivoRg1Rg2Rg3RRL+vi-+vo-gds