模擬電子技術第三章教材

第三章場效應管放大器3.4場效應管放大電路

3.1結(jié)型場效應管3.2絕緣刪型場效應管3.3各種場效應管的特性比較及使用時的注意事項3.1結(jié)型場效應管3.1.1結(jié)型場效應管（JFET）的類型和結(jié)構(gòu)

BJT是一種電流控制元件(iB~iC)，工作時，多數(shù)載流子和少數(shù)載流子都參與運行，所以被稱為雙極型器件。

場效應管（FieldEffectTransistor簡稱FET）是一種電壓控制器件(uGS~iD)，工作時，只有一種載流子參與導電，因此它是單極型器件。

FET因其制造工藝簡單，功耗小，溫度特性好，輸入電阻極高等優(yōu)點，得到了廣泛應用。結(jié)型場效應管(JFET)N溝道P溝道1.類型

2.結(jié)型場效應管的結(jié)構(gòu)（以N溝為例）：兩個PN結(jié)夾著一個N型溝道。三個電極：

g：柵極

d：漏極

s：源極符號：N溝道P溝道

1.柵源電壓對溝道的控制作用(N溝道)

在柵源間加負電壓vGS

，令vDS=0

①當vGS=0時，為平衡PN結(jié)，導電溝道最寬。②當│vGS│↑時，PN結(jié)反偏，耗盡層變寬，導電溝道變窄，溝道電阻增大。③當│vGS│↑到一定值時，溝道會完全合攏。定義：夾斷電壓VP——使導電溝道完全合攏（消失）所需要的柵源電壓vGS。

3.1.2結(jié)型場效應管的工作原理2.漏源電壓對溝道的控制作用

在漏源間加電壓uDS

，令uGS=0

由于uGS

=0，所以導電溝道最寬。

①當uDS=0時，iD=0。②uDS↑→iD

↑

→靠近漏極處的耗盡層加寬，溝道變窄，呈楔形分布。③當uDS

↑，使uGD=uGS-

uDS=UP時，在靠漏極處夾斷——預夾斷。預夾斷前，uDS↑→iD

↑。預夾斷后，iDS↑→iD

幾乎不變。④uDS再↑，預夾斷點下移。

（3）柵源電壓uGS和漏源電壓uDS共同作用

iD=f（uGS、uDS）,可用輸入、輸出兩組特性曲線來描繪。

3.1.3結(jié)型場效應管的特性曲線1.輸入特性曲線組態(tài):共源極gdsiDiGvDSvGS++--0iGvGS/V2.輸出特性曲線：iD=f（vDS）│vGS=常數(shù)uGS=0VuGS=-1V設：VP=

-3V四個區(qū)：恒流區(qū)的特點：△iD/△vGS=gm≈常數(shù)

即：△iD=gm△vGS

（放大原理）

（a）可變電阻區(qū)（預夾斷前）。

（b）恒流區(qū)也稱飽和區(qū)（預夾斷后）。

（c）夾斷區(qū)（截止區(qū)）。

（d）擊穿區(qū)?？勺冸娮鑵^(qū)恒流區(qū)截止區(qū)擊穿區(qū)3.轉(zhuǎn)移特性曲線：iD=f（vGS

）│vDS=常數(shù)

可根據(jù)輸出特性曲線作出轉(zhuǎn)移特性曲線。例：作vDS=10V的一條轉(zhuǎn)移特性曲線：uuGS=0Vu0u(mA)1u=-3VD-3-1310VDS2(mA)GS(V)21-44iu=-1VD-2GSGSGS4i(V)3=-2VIDSSVP對于飽和區(qū)的的轉(zhuǎn)移特性曲線:

一個重要參數(shù)——跨導gm：

gm=

iD/

vGS

vDS=const(單位mS)

gm的大小反映了柵源電壓對漏極電流的控制作用。

在轉(zhuǎn)移特性曲線上，gm為的曲線的斜率。在輸出特性曲線上也可求出gm。uuGS=0Vu0u(mA)1u=-3VD-3-1310VDS2(mA)GS(V)21-44iu=-1VD-2GSGSGS4i(V)3=-2V?iD?vGS3.1.4結(jié)型場效應管的主要參數(shù)1.夾斷電壓VP

結(jié)型場效應管在溝道被完全夾斷時的柵源間電壓。在轉(zhuǎn)移特性曲線中，對應于曲線與橫軸交點處的柵源電壓。

2.飽和漏電流IDSS

結(jié)型場效應管工作在飽和區(qū)，且柵源電壓為零時的漏極電流（一般取vDS

＝2V時的值）。在轉(zhuǎn)移特性曲線中，對應于曲線與縱軸交點處的電流值。3.柵源擊穿電壓V(BR)GS

柵源間的PN結(jié)擊穿時對應的柵源電壓。當vGS≥V(BR)GS

時，輸入端的電流iG會由零急劇加大。V(BR)GS是場效應管的一個極限參數(shù)，場效應管在工作時vGS

要小于

V(BR)GS。4.漏源擊穿電壓V(BR)DS

當結(jié)型場效應管溝道內(nèi)發(fā)生雪崩擊穿，iD急劇加大時，對應的漏源間電壓。該值與vGS的大小有關，對于N溝道的結(jié)型場效應管|vGS|越大，vDS越小。V(BR)DS

是場效應管的一個極限參數(shù)，場效應管在工作時vDS

要小于V(BR)DS。5.直流輸入電阻RGS

令漏源間短路，在柵源間加一定的電壓得到的電阻。

6.輸出電阻rds

當柵源電壓為常數(shù)時，漏源電壓的微小變化量與漏極電流微小變化量之比。在輸出特性曲線上，是工作點處切線斜率的倒數(shù)。7.低頻跨導gm

當漏源電壓為常數(shù)時，漏極電流微小變化量與柵源電壓微小變化量之比。在轉(zhuǎn)移特性曲線上，是工作點處的斜率。gm反映了柵源電壓vGS對漏極電流iD

的控制能力，是衡量場效應管放大能力的一個重要參數(shù)，單位是西門子（S）。當場效應管工作在飽和區(qū)時，可求跨導gm。值得注意的是：對于同一只場效應管，從轉(zhuǎn)移特性曲線上可以看出，iD越大工作點處切線的斜率越大

gm越大。8.最大管耗PDM

管耗是場效應管的一個極限參數(shù)，場效應管在實際工作中的管耗應該小于PDM。3.2絕緣刪型場效應管1.類型:絕緣柵型場效應管(MetalOxide

SemiconductorFET)，簡稱MOSFET。分為：(a).N溝道增強型(b).P溝道增強型(c).N溝道耗盡型

(d).P溝道耗盡型3.2.1絕緣柵型場效應管（MOSFET）的類型和結(jié)構(gòu)四個電極：g：柵極

d：漏極

s：源極

b:襯底通常情況下,在出廠的時候源極S和襯底b是連在一起的。2.結(jié)構(gòu)

(N溝道增強型MOS管)

因為柵極與襯底以及各極間是絕緣的，所以把這種場效應管叫做絕緣柵型場效應管。

當vGS＞0V時→縱向電場→將靠近柵極下方的空穴向下排斥→耗盡層。

當vGS=0V時，漏源之間相當兩個背靠背的二極管，在d、s之間加上電壓也不會形成電流，即管子截止。

再增加vGS→縱向電場↑→將P區(qū)少子電子聚集到P區(qū)表面→形成導電溝道，如果此時加有漏源電壓，就可以形成漏極電流iD。1.工作原理:

柵源電壓uGS的控制作用(N溝道增強型)

3.2.2絕緣柵型場效應管的工作原理、特性曲線、參數(shù)

定義：開啟電壓（VT）——剛剛產(chǎn)生溝道所需的柵源電壓vGS。

N溝道增強型MOS管的基本特性：

vGS

＜VT，管子截止，

vGS

＞VT，管子導通。

vGS

越大，溝道越寬，在相同的漏源電壓vDS作用下，漏極電流iD越大。1.當vDS較小時:溝道形狀隨vDS的變化不大，溝道電阻變化不大，iD與vDS呈線性關系。2.隨著vDS的增大，溝道在漏極處明顯變薄，溝道電阻不斷增大，iD與vDS不再是線性關系，iD隨vDS的變化趨緩。漏源電壓vDS的控制作用3.當vDS

增加到使vGD=vGS-vDS=VT時(或者vDS=vGS-VT，即柵極到漏極的電壓小于開啟電壓VT），在漏極處出現(xiàn)預夾斷，繼續(xù)加大vDS，夾斷區(qū)向源極方向延伸，但iD基本不隨vDS變化，約等于剛出現(xiàn)夾斷時的iD值，原理與結(jié)型場效應管相同。

4.不能無限制的增加vDS，否則會出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象

轉(zhuǎn)移特性曲線：iD=f(vGS)

vDS=const

由輸出特性曲線可作出轉(zhuǎn)移特性曲線。例如:vDS=10VVT輸出特性曲線

iD=f(vDS)

vGS=const2.特性曲線:

一個重要參數(shù)——跨導gm：

gm=

iD/

vGS

vDS=const(單位mS)

gm的大小反映了柵源電壓對漏極電流的控制作用。

在轉(zhuǎn)移特性曲線上，gm為的曲線的斜率。在輸出特性曲線上也可求出gm。對于飽和區(qū)的的轉(zhuǎn)移特性曲線:：是vGS=2VT時的iD值

3.N溝道耗盡型MOSFET工作原理：

當vGS=0時，就有溝道，加入vDS，就有iD。

當vGS＞0時，溝道增寬，iD進一步增加。

當vGS＜0時，溝道變窄，iD減小。

在柵極下方的SiO2層中摻入了大量的金屬正離子。所以當uGS=0時，這些正離子已經(jīng)感應出反型層，形成了溝道。

定義：夾斷電壓（VP）——溝道剛剛消失所需的柵源電壓vGS。特性曲線：輸出特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線

P溝道耗盡型、增強型MOSFET

P溝道MOSFET的工作原理與N溝道

MOSFET完全相同，只不過導電的載流子不同，供電電壓極性不同而已。這如同雙極型三極管有NPN型和PNP型一樣。4.場效應管的主要參數(shù)(1)

開啟電壓VT

VT

是MOS增強型管的參數(shù)，柵源電壓小于開啟電壓的絕對值,場效應管不能導通。

（2）夾斷電壓VP

VP

是MOS耗盡型和結(jié)型FET的參數(shù)，當vGS=VP時,漏極電流為零。

（3）飽和漏極電流IDSS

MOS耗盡型和結(jié)型FET,當uGS=0時所對應的漏極電流。

（4）輸入電阻RGS

結(jié)型場效應管，RGS大于107Ω，MOS場效應管,RGS可達109～1015Ω。（5）

低頻跨導gm

gm反映了柵壓對漏極電流的控制作用，單位是mS(毫西門子)。（6）最大漏極功耗PDM

PDM=UDSID，與雙極型三極管的PCM相當。5.雙極型和場效應型三極管的比較雙極型三極管單極型場效應管載流子多子擴散少子漂移少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輸入電阻幾十到幾千歐幾兆歐以上噪聲較大較小靜電影響不受靜電影響易受靜電影響制造工藝不宜大規(guī)模集成適宜大規(guī)模和超大規(guī)模集成3.3各種場效應管的特性比較及使用時的注意事項3.3.1各種場效應管的特性比較1.

vDS的取值：對于所有的N溝道場效應管vDS>0。對于所有的P溝道場效應管vDS<0。2.

vGS的取值:

3.VP或VT的取值:

3.3.2使用場效應管時注意事項根據(jù)場效應管的制作工藝，漏源兩個電極可以互換，但是在出廠時襯底與源極已經(jīng)接好的管子不可互換。2.場效應管各個電壓的極性不能接反。MOS型場效應管極易被擊穿，在焊接、保存時要注意防靜電。3.4場效應管放大電路

直流偏置電路的作用:

保證管子工作在飽和區(qū)，輸出信號不失真

1.自偏壓電路VGS=-IDR

注意：該電路產(chǎn)生負的柵源電壓，所以只能用于需要負柵源電壓的電路。計算Q點：VGS、ID、VDS已知VP，由VGS=-IDR可解出Q點的VGS、IDVDS=VDD-ID(Rd+R)再求：ID

3.4.1場效應管放大電路的靜態(tài)分析2.分壓式偏置電路

可解出Q點的VGS、ID

計算Q點：已知UP，由該電路產(chǎn)生的柵源電壓可正可負，所以適用于所有的場效應管電路。VDS=VDD-ID(Rd+R)再求：3.4.2場效應管的微變模型在輸入、輸出端分別有:求導:得:可以做出響應的電路模型與雙極型晶體管一樣，場效應管也是一種非線性器件，在交流小信號情況下，也可以由它的線性等效電路—交流小信號模型來代替。

其中：gmvgs是壓控電流源，它體現(xiàn)了輸入電壓對輸出電流的控制作用。稱為低頻跨導。