場效應管及其基本放大電路

關于場效應管及其基本放大電路3.1結型場效應管

引言3.1.1

結型場效應管的結構及類型3.1.3

結型場效應管的伏安特性3.1.2

結型場效應管的工作原理3.1.4

結型場效應管的主要參數(shù)第2頁,共64頁，2024年2月25日，星期天引言場效應管FET

(FieldEffectTransistor)類型：增強型耗盡型絕緣柵型場效應管(IGFET)結型場效應管(JFET)場效應管(FET)N溝道P溝道N溝道P溝道N溝道P溝道第3頁,共64頁，2024年2月25日，星期天特點：1.單極性器件(一種載流子導電)3.工藝簡單、易集成、功耗小、

體積小、成本低2.輸入電阻高

(107

1015

，IGFET可高達1015

)第4頁,共64頁，2024年2月25日，星期天3.1結型場效應管3.1.1結型場效應管的結構及類型N溝道JFETP溝道JFET第5頁,共64頁，2024年2月25日，星期天3.1.2結型場效應管的工作原理1.當uDS=0時，柵源電壓uGS對導電溝道的控制作用

uGS=0UGS（off）<uGS<0uGS≤UGS（off）

第6頁,共64頁，2024年2月25日，星期天2.當uGS=0時，漏源電壓uDS對導電溝道的影響

UGS（off）

＞uDS＞0uDS=UGS（off）

uDS＞UGS（off）

第7頁,共64頁，2024年2月25日，星期天3.當uGS﹤0、uDS﹥0時，柵源電壓uGS對漏極電流iD的控制作用uGS

0，uDS

>0

此時

uGD=UGS(off)；

溝道楔型耗盡層剛相碰時稱預夾斷。當uDS

，預夾斷點下移。第8頁,共64頁，2024年2月25日，星期天3.1.3結型場效應管的伏安特性1.輸出特性第9頁,共64頁，2024年2月25日，星期天2.轉移特性UGS(off)≤uGS≤0和管子工作在恒流區(qū)的條件下第10頁,共64頁，2024年2月25日，星期天3.1.4結型場效應管的主要參數(shù)1.直流參數(shù)(1)夾斷電壓UGS（off）

指uDS=某值，使漏極電流iD

為某一小電流時的uGS

值。

結型型場效應管，當uGS=0時所對應的漏極電流。(2)飽和漏極電流IDSS第11頁,共64頁，2024年2月25日，星期天(3)直流輸入電阻RGS(DC)

是指漏源電壓為零時，柵源電壓與柵極電流之比。結型場效應管的RGS(DC)一般大于107Ω。

反映了uGS對iD的控制能力，單位S(西門子)。一般為幾毫西

(mS)uGS/ViD/mAQO2.交流參數(shù)(1)低頻跨導gm第12頁,共64頁，2024年2月25日，星期天(2)極間電容CGS約為1~3pF，而CGD約為0.1~1pF

3.極限參數(shù)(1)最大漏極電流IDM(2)最大漏源電壓U(BR)DS(3)最大柵源電壓U(BR)GS(4)最大耗散功率PDMPDM=uDSiD，受溫度限制。第13頁,共64頁，2024年2月25日，星期天3.2絕緣柵場效應管MOS場效應管（絕緣柵場效應管）N溝道絕緣柵場效應管P溝道絕緣柵場效應管增強型耗盡型增強型耗盡型第14頁,共64頁，2024年2月25日，星期天1、增強型N溝道MOSFET

(MentalOxideSemi—FET)1.結構與符號P型襯底(摻雜濃度低)N+N+用擴散的方法制作兩個N區(qū)在硅片表面生一層薄SiO2絕緣層SD用金屬鋁引出源極S和漏極DG在絕緣層上噴金屬鋁引出柵極GB耗盡層S—源極SourceG—柵極Gate

D—漏極DrainSGDB3.2.1增強型MOS管第15頁,共64頁，2024年2月25日，星期天2.工作原理反型層(溝道)(1)導電溝道的形成uGS=0uGS>0且uGS>UGS(th)第16頁,共64頁，2024年2月25日，星期天1)uGS

對導電溝道的影響

(uDS=0)a.

當UGS=0

，DS間為兩個背對背的PN結；b.

當0<UGS<UGS(th)(開啟電壓)時，GB間的垂直電場吸引

P區(qū)中電子形成離子區(qū)(耗盡層)；c.

當uGS

UGS(th)

時，襯底中電子被吸引到表面，形成導電溝道。uGS

越大溝道越厚。第17頁,共64頁，2024年2月25日，星期天(2)柵源電壓對漏極電流的控制作用(uGS>UGS(th))

DS間的電位差使溝道呈楔形，uDS

，靠近漏極端的溝道厚度變薄。預夾斷(UGD=

UGS(th))：漏極附近反型層消失。預夾斷發(fā)生之前：uDS

iD

。預夾斷發(fā)生之后：uDS

iD不變。第18頁,共64頁，2024年2月25日，星期天(1)輸出特性可變電阻區(qū)uDS<uGS

UGS(th)uDS

iD

，直到預夾斷飽和(放大區(qū))uDS

，iD

不變

uDS加在耗盡層上，溝道電阻不變截止區(qū)uGS

UGS(th)

全夾斷iD=0

iD/mAuDS/VuGS=2V4V6V8V截止區(qū)

飽和區(qū)可變電阻區(qū)放大區(qū)恒流區(qū)O3.伏安特性第19頁,共64頁，2024年2月25日，星期天(2)轉移特性2464321uGS/ViD/mAUDS=10VUGS(th)當uGS>UGS(th)

時：uGS=2UGS(th)

時的

iD值開啟電壓O第20頁,共64頁，2024年2月25日，星期天二、耗盡型N溝道MOSFETSGDBSio2

絕緣層中摻入正離子在uGS=0時已形成溝道；在DS間加正電壓時形成iD，uGS

UGS(off)

時，全夾斷。第21頁,共64頁，2024年2月25日，星期天輸出特性uGS/ViD/mA轉移特性IDSSUGS(off)夾斷電壓飽和漏極電流當uGS

UGS(off)

時，uDS/ViD/mAuGS=4V2V0V2VOO第22頁,共64頁，2024年2月25日，星期天三、P溝道MOSFET增強型耗盡型SGDBSGDB第23頁,共64頁，2024年2月25日，星期天N溝道增強型SGDBiDP溝道增強型SGDBiD2–2OuGS/ViD/mAUGS(th)SGDBiDN溝道耗盡型iDSGDBP溝道耗盡型UGS(off)IDSSuGS/ViD/mA–5O5FET符號、特性的比較第24頁,共64頁，2024年2月25日，星期天OuDS/ViD/mA5V2V0V–2VuGS=2V0V–2V–5VN溝道結型SGDiDSGDiDP溝道結型uGS/ViD/mA5–5OIDSSUGS(off)OuDS/ViD/mA5V2V0VuGS=0V–2V–5V第25頁,共64頁，2024年2月25日，星期天3.1.3場效應管的主要參數(shù)開啟電壓UGS(th)(增強型)

夾斷電壓

UGS(off)(耗盡型)

指uDS=某值，使漏極電流iD為某一小電流時的uGS

值。UGS(th)UGS(off)2.飽和漏極電流IDSS耗盡型場效應管，當uGS=0時所對應的漏極電流。IDSSuGS/ViD/mAO第26頁,共64頁，2024年2月25日，星期天UGS(th)UGS(off)3.直流輸入電阻RGS

指漏源間短路時，柵、源間加

反向電壓呈現(xiàn)的直流電阻。JFET：RGS>107

MOSFET：RGS=109

1015

IDSSuGS/ViD/mAO第27頁,共64頁，2024年2月25日，星期天4.低頻跨導gm

反映了uGS對iD的控制能力，單位S(西門子)。一般為幾毫西

(mS)uGS/ViD/mAQO第28頁,共64頁，2024年2月25日，星期天PDM=uDSiD，受溫度限制。5.漏源動態(tài)電阻rds6.最大漏極功耗PDM第29頁,共64頁，2024年2月25日，星期天3.2.3場效應管與晶體管的比較管子名稱晶體管場效應管導電機理利用多子和少子導電利用多子導電控制方式電流控制電壓控制放大能力高較低直流輸入電阻小約幾kΩ大JFET可達107Ω以上,MOS可達1010Ω穩(wěn)定性受溫度和輻射的影響較大溫度穩(wěn)定性好、抗輻射能力強噪聲中等很小結構對稱性集電極和發(fā)射極不對稱，不能互換漏極和源極對稱，可互換使用適用范圍都可用于放大電路和開關電路等第30頁,共64頁，2024年2月25日，星期天

【例3-1】已知某場效應管的轉移特性曲線如圖3-15

所示，試確定場效應管的類型。UGS（th）=2V為N溝道增強型MOS管。第31頁,共64頁，2024年2月25日，星期天【例3-2】電路如圖3-16(a)所示，場效應管的輸出特性如圖3-16(b)所示，分析當uI＝3V、8V、12V三種情況下場效應管分別工作在什么區(qū)域。

解：UGS（th）=5VuGS＝uI

第32頁,共64頁，2024年2月25日，星期天

當uI＝3V時，uGS小于開啟電壓，即uGS<UGS(th)，故場效應管截止。第33頁,共64頁，2024年2月25日，星期天

當uI＝8V時，uGS>UGS(th)，場效應管導通，假設場效應管工作在恒流區(qū)，根據(jù)輸出特性可知iD≈0.6mA，則管壓降

uDS≈VDD﹣iDRd=12﹣0.6×3.3≈10V第34頁,共64頁，2024年2月25日，星期天uGS﹣UGS(th)=8V﹣5V=3V，所以，uDS>uGS﹣UGS(th)，說明假設成立，即場效應管工作在恒流區(qū)。因為：uDS≈10V第35頁,共64頁，2024年2月25日，星期天當uI＝12V時，uGS>UGS(th)，場效應管導通，假設場效應管工作在恒流區(qū)可知，當UGS=12V時iD≈4mA第36頁,共64頁，2024年2月25日，星期天則：uDS=VDD﹣iDRd=12﹣4×3.3≈﹣1.2V而電路實際的uDS>0

所以：假設不正確，實際的iD小于4mA故場效應管工作在可變電阻區(qū)。第37頁,共64頁，2024年2月25日，星期天【例3-3】圖3-17所示電路，已知RD=3.3k

，RG=100k，VDD=10V，VGG=2V，場效應管的UGS(off)=﹣5V，IDSS=3mA，試分析場效應管工作在什么區(qū)域。解：UGSQ=﹣VGG=﹣2V>UGS(off)場效應管導通假設場效應管工作在恒流區(qū)

UGSQ﹣UGS(off)=﹣2﹣(﹣5)=3VUDSQ>UGSQ

UGS(off)

假設正確第38頁,共64頁，2024年2月25日，星期天3.3

場效應管放大電路3.3.2場效應管放大電路的動態(tài)分析3.3.1場效應管放大電路的直流偏置與靜態(tài)分析第39頁,共64頁，2024年2月25日，星期天3.2.1場效應管放大電路三種組態(tài)：共源、共漏、共柵特點：輸入電阻極高，噪聲低，熱穩(wěn)定性好

1.固定偏壓放大電路一、電路的組成（1）合適的偏置（2）能輸入能輸出+VDDRDC2+C1+ui

RGGDRL+Uo

VGG三種組態(tài)：共源、共漏、共柵三種組態(tài)：共源、共漏、共柵三種組態(tài)：共源、共漏、共柵第40頁,共64頁，2024年2月25日，星期天第41頁,共64頁，2024年2月25日，星期天柵極電阻RG的作用：(1)為柵偏壓提供通路(2)瀉放柵極積累電荷源極電阻RS的作用：提供負柵偏壓漏極電阻RD的作用：把iD的變化變?yōu)閡DS的變化+VDDRDC2CS+++uo

C1+ui

RGRSGSDUGS+VDDRD0C1RGRSGSDIDUDSRL

2.自給偏壓放大電路第42頁,共64頁，2024年2月25日，星期天

UDSQ=VDD–

IDQ(RS+RD)

UGS+VDDRDRGRSGSDIDUDSUGSQ

=–IDQRS二、靜態(tài)分析1.估算法第43頁,共64頁，2024年2月25日，星期天2.圖解法①在輸出特性上作直流負載線②作負載轉移特性曲線

③作輸入回路的直流負載線

④確定靜態(tài)工作點轉移特性曲線與輸入回路的直流負載線的交點即為靜態(tài)工作點Q，Q點對應的橫坐標值即為UGSQ，縱坐標值即為IDQ，再根據(jù)IDQ在輸出特性曲線上求出靜態(tài)工作點Q，確定UDSQ。第44頁,共64頁，2024年2月25日，星期天(a)轉移特性曲線(b)輸出特性曲線圖自給偏壓電路Q點的圖解第45頁,共64頁，2024年2月25日，星期天1.場效應管的等效電路三、動態(tài)分析—場效應管電路小信號等效電路分析法第46頁,共64頁，2024年2月25日，星期天移特性可知，gm是轉移特性在靜態(tài)工作點Q處gm為低頻跨導，反映了管子的放大能力，從轉切線的斜率.第47頁,共64頁，2024年2月25日，星期天rds為場效應管的共漏極輸出電阻，為輸出特性在Q點處的切線斜率的倒數(shù)，如圖所示，通常rds在幾十千歐到幾百千歐之間。第48頁,共64頁，2024年2月25日，星期天從輸入端口看入，相當于電阻

rgs(

)。從輸出端口看入為受

ugs控制的電流源。id=gmugs小信號模型根據(jù)rgs

Sidgmugs+ugs

+uds

GDrds第49頁,共64頁，2024年2月25日，星期天2.場效應管放大電路的微變等效電路RLRD+uo

+ui

GSD+ugs

gmugsidiiRG3.計算放大電路的動態(tài)指標注意：自給偏壓電路只適用耗盡型場效應管放大電路第50頁,共64頁，2024年2月25日，星期天3.2.2分壓式自偏壓放大電路調整電阻的大小，可獲得：UGSQ>0UGSQ=0UGSQ<0RL+VDDRDC2CS+++uo

C1+ui

RG2RSGSDRG1一、電路組成二、靜態(tài)分析第51頁,共64頁，2024年2月25日，星期天

UDSQ=VDD–

IDQ(RS+RD)

三、動態(tài)分析RLRD+uo

+ui

RG2GSDRG1+ugs

gmugsidii第52頁,共64頁，2024年2月25日，星期天四、改進電路目的：為了提高輸入電阻有CS時：RL+VDDRDC2CS+++uo

C1+ui

RG2RSGSDRG1RG3RLRD+uo

+ui

RG2GSDRG3RG1+ugs

gmugsidii無CS

時：RSRi、Ro不變第53頁,共64頁，2024年2月25日，星期天3.2.3共漏放大電路RL+VDDC2++uo

C1+ui

RG2RSGSDRG1RG3RLRS+uo

+ui

RG2GSDRG3RG1+ugs

gmugsiiioRo第54頁,共64頁，2024年2月25日，星期天例耗盡型N溝道MOS管，RG=1M

，

RS

=2k

，RD=12k

，VDD=20V。

IDSS=4mA，UGS(off)

=–4V，求iD和uO。

iG=0

uGS=iDRS第55頁,共64頁，2024年2月25日，星期天iD1=4mAiD2=1mAuGS=–8V<UGS(off)增根uGS=–2V

uDS=VDD–

iD(RS+RD)=20–14=6(V)

uO=VDD–

iD

RD=20–14=8(V)在放大區(qū)例已知UGS(off)=

0.8V，IDSS=0.18mA，

1.求“Q”。2.求AU,Ri,RO第56頁,共64頁，2024年2月25日，星期天解方程得：IDQ1=0.69mA，UGSQ=–

2.5V(增根，舍去)

IDQ2=0.45mA，

UGSQ=–

0.4V

RLRDC2CS+++uo

C1+ui

RG2GSDRG1RG310k

10k

200k

64k

1M

2k

5k

+24V第57頁,共64頁，2024年2月25日，星期天例gm=0.65mA/V，ui

=20sint(m