模擬電子技術(shù)第三章教材

第三章場(chǎng)效應(yīng)管放大器3.4場(chǎng)效應(yīng)管放大電路

3.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管3.2絕緣刪型場(chǎng)效應(yīng)管3.3各種場(chǎng)效應(yīng)管的特性比較及使用時(shí)的注意事項(xiàng)3.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管3.1.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JFET）的類(lèi)型和結(jié)構(gòu)

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

場(chǎng)效應(yīng)管（FieldEffectTransistor簡(jiǎn)稱(chēng)FET）是一種電壓控制器件(uGS~iD)，工作時(shí)，只有一種載流子參與導(dǎo)電，因此它是單極型器件。

FET因其制造工藝簡(jiǎn)單，功耗小，溫度特性好，輸入電阻極高等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用。結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(JFET)N溝道P溝道1.類(lèi)型

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

g：柵極

d：漏極

s：源極符號(hào)：N溝道P溝道

1.柵源電壓對(duì)溝道的控制作用(N溝道)

在柵源間加負(fù)電壓vGS

，令vDS=0

①當(dāng)vGS=0時(shí)，為平衡PN結(jié)，導(dǎo)電溝道最寬。②當(dāng)│vGS│↑時(shí)，PN結(jié)反偏，耗盡層變寬，導(dǎo)電溝道變窄，溝道電阻增大。③當(dāng)│vGS│↑到一定值時(shí)，溝道會(huì)完全合攏。定義：夾斷電壓VP——使導(dǎo)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(chǎng)效應(yīng)管的工作原理2.漏源電壓對(duì)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(dǎo)電溝道最寬。

①當(dāng)uDS=0時(shí)，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(dāng)uDS

↑，使uGD=uGS-

uDS=UP時(shí)，在靠漏極處夾斷——預(yù)夾斷。預(yù)夾斷前，uDS↑→iD

↑。預(yù)夾斷后，iDS↑→iD

幾乎不變。④uDS再↑，預(yù)夾斷點(diǎn)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(lái)描繪。

3.1.3結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)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(shè)：VP=

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

即：△iD=gm△vGS

（放大原理）

（a）可變電阻區(qū)（預(yù)夾斷前）。

（b）恒流區(qū)也稱(chēng)飽和區(qū)（預(yù)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(duì)于飽和區(qū)的的轉(zhuǎn)移特性曲線:

一個(gè)重要參數(shù)——跨導(dǎo)gm：

gm=

iD/

vGS

vDS=const(單位mS)

gm的大小反映了柵源電壓對(duì)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(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)1.夾斷電壓VP

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管在溝道被完全夾斷時(shí)的柵源間電壓。在轉(zhuǎn)移特性曲線中，對(duì)應(yīng)于曲線與橫軸交點(diǎn)處的柵源電壓。

2.飽和漏電流IDSS

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

＝2V時(shí)的值）。在轉(zhuǎn)移特性曲線中，對(duì)應(yīng)于曲線與縱軸交點(diǎn)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(shí)對(duì)應(yīng)的柵源電壓。當(dāng)vGS≥V(BR)GS

時(shí)，輸入端的電流iG會(huì)由零急劇加大。V(BR)GS是場(chǎng)效應(yīng)管的一個(gè)極限參數(shù)，場(chǎng)效應(yīng)管在工作時(shí)vGS

要小于

V(BR)GS。4.漏源擊穿電壓V(BR)DS

當(dāng)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管溝道內(nèi)發(fā)生雪崩擊穿，iD急劇加大時(shí)，對(duì)應(yīng)的漏源間電壓。該值與vGS的大小有關(guān)，對(duì)于N溝道的結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管|vGS|越大，vDS越小。V(BR)DS

是場(chǎng)效應(yīng)管的一個(gè)極限參數(shù)，場(chǎng)效應(yīng)管在工作時(shí)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(dāng)柵源電壓為常數(shù)時(shí)，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(diǎn)處切線斜率的倒數(shù)。7.低頻跨導(dǎo)gm

當(dāng)漏源電壓為常數(shù)時(shí)，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(diǎn)處的斜率。gm反映了柵源電壓vGS對(duì)漏極電流iD

的控制能力，是衡量場(chǎng)效應(yīng)管放大能力的一個(gè)重要參數(shù)，單位是西門(mén)子（S）。當(dāng)場(chǎng)效應(yīng)管工作在飽和區(qū)時(shí)，可求跨導(dǎo)gm。值得注意的是：對(duì)于同一只場(chǎng)效應(yīng)管，從轉(zhuǎn)移特性曲線上可以看出，iD越大工作點(diǎn)處切線的斜率越大

gm越大。8.最大管耗PDM

管耗是場(chǎng)效應(yīng)管的一個(gè)極限參數(shù)，場(chǎng)效應(yīng)管在實(shí)際工作中的管耗應(yīng)該小于PDM。3.2絕緣刪型場(chǎng)效應(yīng)管1.類(lèi)型:絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管(MetalOxide

SemiconductorFET)，簡(jiǎn)稱(chēng)MOSFET。分為：(a).N溝道增強(qiáng)型(b).P溝道增強(qiáng)型(c).N溝道耗盡型

(d).P溝道耗盡型3.2.1絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）的類(lèi)型和結(jié)構(gòu)四個(gè)電極：g：柵極

d：漏極

s：源極

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

(N溝道增強(qiáng)型MOS管)

因?yàn)闁艠O與襯底以及各極間是絕緣的，所以把這種場(chǎng)效應(yīng)管叫做絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管。

當(dāng)vGS＞0V時(shí)→縱向電場(chǎng)→將靠近柵極下方的空穴向下排斥→耗盡層。

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

再增加vGS→縱向電場(chǎng)↑→將P區(qū)少子電子聚集到P區(qū)表面→形成導(dǎo)電溝道，如果此時(shí)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(qiáng)型)

3.2.2絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理、特性曲線、參數(shù)

定義：開(kāi)啟電壓（VT）——?jiǎng)倓偖a(chǎn)生溝道所需的柵源電壓vGS。

N溝道增強(qiáng)型MOS管的基本特性：

vGS

＜VT，管子截止，

vGS

＞VT，管子導(dǎo)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(dāng)vDS較小時(shí):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(guān)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(guān)系，iD隨vDS的變化趨緩。漏源電壓vDS的控制作用3.當(dāng)vDS

增加到使vGD=vGS-vDS=VT時(shí)(或者vDS=vGS-VT，即柵極到漏極的電壓小于開(kāi)啟電壓VT），在漏極處出現(xiàn)預(yù)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(shí)的iD值，原理與結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管相同。

4.不能無(wú)限制的增加vDS，否則會(huì)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(gè)重要參數(shù)——跨導(dǎo)gm：

gm=

iD/

vGS

vDS=const(單位mS)

gm的大小反映了柵源電壓對(duì)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(duì)于飽和區(qū)的的轉(zhuǎn)移特性曲線:：是vGS=2VT時(shí)的iD值

3.N溝道耗盡型MOSFET工作原理：

當(dāng)vGS=0時(shí)，就有溝道，加入vDS，就有iD。

當(dāng)vGS＞0時(shí)，溝道增寬，iD進(jìn)一步增加。

當(dāng)vGS＜0時(shí)，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(dāng)uGS=0時(shí)，這些正離子已經(jīng)感應(yīng)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(qiáng)型MOSFET

P溝道MOSFET的工作原理與N溝道

MOSFET完全相同，只不過(guò)導(dǎo)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(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)(1)

開(kāi)啟電壓VT

VT

是MOS增強(qiáng)型管的參數(shù)，柵源電壓小于開(kāi)啟電壓的絕對(duì)值,場(chǎng)效應(yīng)管不能導(dǎo)通。

（2）夾斷電壓VP

VP

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

（3）飽和漏極電流IDSS

MOS耗盡型和結(jié)型FET,當(dāng)uGS=0時(shí)所對(duì)應(yīng)的漏極電流。

（4）輸入電阻RGS

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，RGS大于107Ω，MOS場(chǎng)效應(yīng)管,RGS可達(dá)109～1015Ω。（5）

低頻跨導(dǎo)gm

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

PDM=UDSID，與雙極型三極管的PCM相當(dāng)。5.雙極型和場(chǎng)效應(yīng)型三極管的比較雙極型三極管單極型場(chǎng)效應(yīng)管載流子多子擴(kuò)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(chǎng)效應(yīng)管的特性比較及使用時(shí)的注意事項(xiàng)3.3.1各種場(chǎng)效應(yīng)管的特性比較1.

vDS的取值：對(duì)于所有的N溝道場(chǎng)效應(yīng)管vDS>0。對(duì)于所有的P溝道場(chǎng)效應(yīng)管vDS<0。2.

vGS的取值:

3.VP或VT的取值:

3.3.2使用場(chǎng)效應(yīng)管時(shí)注意事項(xiàng)根據(jù)場(chǎng)效應(yīng)管的制作工藝，漏源兩個(gè)電極可以互換，但是在出廠時(shí)襯底與源極已經(jīng)接好的管子不可互換。2.場(chǎng)效應(yīng)管各個(gè)電壓的極性不能接反。MOS型場(chǎng)效應(yīng)管極易被擊穿，在焊接、保存時(shí)要注意防靜電。3.4場(chǎng)效應(yīng)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(hào)不失真

1.自偏壓電路VGS=-IDR

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

3.4.1場(chǎng)效應(yīng)管放大電路的靜態(tài)分析2.分壓式偏置電路

可解出Q點(diǎn)的VGS、ID

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

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