場(chǎng)效應(yīng)管及其放大電路分析

場(chǎng)效應(yīng)管及其放大電路分析第1頁(yè)/共58頁(yè)第3章場(chǎng)效應(yīng)管及其放大電路分析3.1場(chǎng)效應(yīng)管的基本概念3.2場(chǎng)效應(yīng)管放大電路的分析第2頁(yè)/共58頁(yè)場(chǎng)效應(yīng)管按照結(jié)構(gòu)不同，可分為結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管和絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管兩大類；結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JunctionFieldEffectTransistor，簡(jiǎn)稱JFET）按照制造工藝和材料不同，可分為N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管和P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管兩種?，F(xiàn)以N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管為例，介紹結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)、工作原理、特性曲線及主要參數(shù)。3.1場(chǎng)效應(yīng)管的基本概念

3.1.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管第3頁(yè)/共58頁(yè)1．結(jié)構(gòu)N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖及符號(hào)如圖所示：第4頁(yè)/共58頁(yè)N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管是在一塊摻雜濃度較低的N型半導(dǎo)體上，制作兩個(gè)高濃度的P型區(qū)（稱為型區(qū)），從而形成兩個(gè)PN結(jié)。將兩個(gè)型區(qū)連接在一起，引出一個(gè)電極，稱為柵極（用g表示）；在N型半導(dǎo)體的兩端各引出一個(gè)電極，分別稱為漏極（用d表示）和源極（用s表示）。兩個(gè)PN結(jié)中間的N型區(qū)是漏極和源極之間的電流溝道，稱為導(dǎo)電溝道。由于導(dǎo)電溝道是N型區(qū)，其多子是自由電子，故稱為N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管；其符號(hào)箭頭方向是從柵極指向溝道，即從P區(qū)指向N區(qū)。第5頁(yè)/共58頁(yè)P(yáng)溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖及符號(hào)如圖所示：第6頁(yè)/共58頁(yè)2．工作原理（1），情況第7頁(yè)/共58頁(yè)當(dāng)N溝道JFET的柵-源和漏-源之間均未加電壓時(shí)，耗盡層很窄，導(dǎo)電溝道很寬，溝道電阻很小。當(dāng)柵-源之間加反向電壓，漏-源之間不加電壓時(shí)，由于柵-源之間加反向電壓，耗盡層加寬，導(dǎo)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(jìn)一步加寬，導(dǎo)電溝道隨之變窄，溝道電阻隨之增大。當(dāng)外加反向電壓增大至某一數(shù)值時(shí)，兩側(cè)的耗盡層相遇，整個(gè)溝道被夾斷，溝道電阻趨于無(wú)窮大。此時(shí)所對(duì)應(yīng)的柵-源電壓稱為夾斷電壓。第8頁(yè)/共58頁(yè)（2），情況第9頁(yè)/共58頁(yè)當(dāng)柵-源之間加反向電壓，漏-源之間加正向電壓時(shí)，由于柵-源之間加反向電壓，耗盡層加寬，導(dǎo)電溝道變窄，溝道電阻增大；設(shè)柵-源之間所加反向電壓為范圍內(nèi)的某一固定值。此時(shí)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(chǎn)生。由于漏極電流在流經(jīng)導(dǎo)電溝道時(shí)會(huì)產(chǎn)生電壓降，使得溝道上各點(diǎn)與柵極之間的電壓不再相等，從而導(dǎo)致溝道中耗盡層的寬度進(jìn)一步變得不等寬。第10頁(yè)/共58頁(yè)由于漏極電流在流經(jīng)導(dǎo)電溝道時(shí)產(chǎn)生的電壓降從漏極到源極逐漸增大，溝道上各點(diǎn)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(diǎn)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(jìn)一步增大，溝道在漏極處發(fā)生預(yù)夾斷，即漏極處兩側(cè)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(jìn)一步加長(zhǎng)，漏極電流不再增加，達(dá)到飽和。

第11頁(yè)/共58頁(yè)3．特性曲線轉(zhuǎn)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(guān)系的曲線，即。N溝道JFET的轉(zhuǎn)移特性曲線如圖所示。第12頁(yè)/共58頁(yè)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(guān)系的曲線，即。N溝道JFET的輸出特性曲線如圖所示。第13頁(yè)/共58頁(yè)4．主要參數(shù)（1）直流參數(shù)①夾斷電壓：是指漏-源電壓為某定值時(shí)，使漏極電流為0或某一微小數(shù)值（如10）時(shí)的柵-源電壓值。②飽和漏電流：是指柵-源電壓時(shí)，管子發(fā)生預(yù)夾斷時(shí)所對(duì)應(yīng)的漏極電流值。③直流輸入電阻：是指在漏-源之間短路時(shí)，柵-源電壓與柵極電流的比值。一般。第14頁(yè)/共58頁(yè)（2）交流參數(shù)①低頻跨導(dǎo)：是指漏-源電壓為某定值時(shí)，漏極電流的變化量與對(duì)應(yīng)柵-源電壓的變化量的比值，單位為S。②極間電容：場(chǎng)效應(yīng)管的三個(gè)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(nèi)，當(dāng)柵-源電壓為某定值時(shí)，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(duì)漏極電流的影響的參數(shù)，體現(xiàn)在輸出特性曲線上，即是曲線上某點(diǎn)切線斜率的倒數(shù)。第15頁(yè)/共58頁(yè)（3）極限參數(shù)①最大漏電流：是指管子正常工作時(shí)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(shù)，超過此值時(shí)，管子會(huì)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(shí)，若超過此值，管子將會(huì)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(shí)，若超過此值，柵極和溝道間的PN結(jié)將會(huì)被擊穿。第16頁(yè)/共58頁(yè)3.1.2絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)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(qiáng)型和耗盡型；因此MOS管可分為N溝道增強(qiáng)型、P溝道增強(qiáng)型、N溝道耗盡型和P溝道耗盡型四種。增強(qiáng)型MOS管與耗盡型MOS管的區(qū)別是：增強(qiáng)型MOS管在柵-源之間未加電壓時(shí)，無(wú)導(dǎo)電溝道；只有當(dāng)柵-源之間加上電壓后，才能產(chǎn)生導(dǎo)電溝道。而耗盡型MOS管在柵-源之間未加電壓時(shí)，已經(jīng)存在導(dǎo)電溝道。以N溝道增強(qiáng)型MOS管為例，介紹MOS管的結(jié)構(gòu)、工作原理及特性曲線。第17頁(yè)/共58頁(yè)1．結(jié)構(gòu)增強(qiáng)型NMOS管的結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。第18頁(yè)/共58頁(yè)增強(qiáng)型NMOS、PMOS管的符號(hào)如圖所示。第19頁(yè)/共58頁(yè)耗盡型NMOS、PMOS管的符號(hào)如圖所示。第20頁(yè)/共58頁(yè)2．工作原理（1）情況當(dāng)柵-源之間未加電壓時(shí)，漏-源之間是一對(duì)背靠背的PN結(jié)，所以無(wú)論漏-源之間加正向電壓還是反向電壓，總有一個(gè)PN結(jié)是截止的，漏-源之間沒有導(dǎo)電溝道，也沒有漏極電流產(chǎn)生，如圖示。第21頁(yè)/共58頁(yè)（2），情況當(dāng)漏-源之間不加電壓，柵-源之間加正向電壓時(shí)，由于柵極和襯底之間相當(dāng)于以絕緣層為介質(zhì)的平板電容器，在柵-源正向電壓的作用下，柵極表面會(huì)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(dòng)的負(fù)離子，形成耗盡層。隨著外加?xùn)?源電壓的增加，耗盡層將繼續(xù)加寬，當(dāng)增加至一定值時(shí)，自由電子將被吸引到絕緣層與耗盡層之間，形成一個(gè)N型薄層，稱為反型層，這個(gè)反型層即是漏-源之間的導(dǎo)電溝道。開始形成反型層時(shí)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。第22頁(yè)/共58頁(yè)第23頁(yè)/共58頁(yè)（3），且為定值，情況設(shè)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(dǎo)電溝道已經(jīng)形成，又由于漏-源電壓，所以有從漏極到源極的漏極電流產(chǎn)生。由于漏極電流在流經(jīng)導(dǎo)電溝道時(shí)會(huì)產(chǎn)生電壓降，使得溝道上各點(diǎn)與柵極之間的電壓不再相等，從而導(dǎo)致溝道寬度進(jìn)一步變得不等寬。如圖示。第24頁(yè)/共58頁(yè)第25頁(yè)/共58頁(yè)由于漏極電流在流經(jīng)導(dǎo)電溝道時(shí)產(chǎn)生的電壓降從漏極到源極逐漸增大，溝道上各點(diǎn)的電位從漏極到源極逐漸減小，所以溝道上各點(diǎn)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(jìn)一步增大，增至使時(shí)，溝道在漏極處發(fā)生預(yù)夾斷。此后繼續(xù)增大，只是夾斷區(qū)沿溝道進(jìn)一步加長(zhǎng)，漏極電流不再增加，達(dá)到飽和。第26頁(yè)/共58頁(yè)3．特性曲線增強(qiáng)型NMOS的轉(zhuǎn)移和輸出特性曲線如圖所示。第27頁(yè)/共58頁(yè)耗盡型NMOS管的結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。第28頁(yè)/共58頁(yè)其轉(zhuǎn)移特性曲線及輸出特性曲線如圖所示。第29頁(yè)/共58頁(yè)4．主要參數(shù)MOS管的主要參數(shù)與JFET的參數(shù)基本相同，所不同的是：夾斷電壓是JFET和耗盡型MOS管的參數(shù)；對(duì)于增強(qiáng)型MOS管來(lái)說，由于在未加?xùn)旁措妷簳r(shí)，無(wú)導(dǎo)電溝道，只有當(dāng)柵源之間加上正向電壓時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)電溝道，所以其參數(shù)應(yīng)該是開啟電壓。開啟電壓：是指漏-源電壓為某定值時(shí)，使漏極電流產(chǎn)生的所需的的最小值。第30頁(yè)/共58頁(yè)例：轉(zhuǎn)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(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，從該曲線上可以求出該管的夾斷電壓，其值是-4V。第31頁(yè)/共58頁(yè)【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(qiáng)型MOS管。第32頁(yè)/共58頁(yè)3.2場(chǎng)效應(yīng)管放大電路的分析按照輸入輸出回路公共端的不同，場(chǎng)效應(yīng)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(diǎn)①畫直流通路；②求靜態(tài)工作點(diǎn)。（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。第33頁(yè)/共58頁(yè)3.2.1共源放大電路的分析1．自偏壓電路第34頁(yè)/共58頁(yè)直流通路：第35頁(yè)/共58頁(yè)NMOS管的低頻小信號(hào)簡(jiǎn)化等效電路如圖所示。第36頁(yè)/共58頁(yè)①畫交流通路第37頁(yè)/共58頁(yè)②畫交流等效電路第38頁(yè)/共58頁(yè)③求交流性能。第39頁(yè)/共58頁(yè)2．分壓式自偏壓電路分壓式自偏壓共源放大電路如圖示。第40頁(yè)/共58頁(yè)（1）求靜態(tài)工作點(diǎn)畫直流通路第41頁(yè)/共58頁(yè)第42頁(yè)/共58頁(yè)（2）求交流性能①畫交流通路第43頁(yè)/共58頁(yè)②畫交流等效電路第44頁(yè)/共58頁(yè)③求交流性能。第45頁(yè)/共58頁(yè)3.2.2共漏放大電路的分析基本共漏放大電路如圖示：第46頁(yè)/共58頁(yè)（1）求靜態(tài)工作點(diǎn)畫直流通路第47頁(yè)/共58頁(yè)第48頁(yè)/共58頁(yè)（2）求交流性能①畫交流通路第49頁(yè)/共58頁(yè)②畫交流等效電路第50頁(yè)/共58頁(yè)③求交流性能第51頁(yè)/共58頁(yè)例：電路如圖所示，已知