模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 第9講 場效應(yīng)管及其放大電路

1、第九講第九講 場效應(yīng)管及其放大電路場效應(yīng)管及其放大電路一、場效應(yīng)管一、場效應(yīng)管二、場效應(yīng)管放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)二、場效應(yīng)管放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置方法的設(shè)置方法三、場效應(yīng)管放大電路的動(dòng)態(tài)分析三、場效應(yīng)管放大電路的動(dòng)態(tài)分析四、復(fù)合管四、復(fù)合管晶體管是一種電流控制元件晶體管是一種電流控制元件(iB iC)，多數(shù)載流子和少數(shù)載流子，多數(shù)載流子和少數(shù)載流子都參與運(yùn)行，所以被稱為雙極型器件。都參與運(yùn)行，所以被稱為雙極型器件。 場效應(yīng)管（場效應(yīng)管（Field Effect Transistor簡稱簡稱FET）是一種電壓控）是一種電壓控制器件制器件(uGS iD) ，只有一種載流子參與導(dǎo)電，因此它是單極，只有

2、一種載流子參與導(dǎo)電，因此它是單極型器件。型器件。 FET因其制造工藝簡單，功耗小，溫度特性好，輸入電因其制造工藝簡單，功耗小，溫度特性好，輸入電阻極高等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用。阻極高等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用。增強(qiáng)型增強(qiáng)型耗盡型耗盡型N溝道溝道P溝道溝道N溝道溝道P溝道溝道N溝道溝道P溝道溝道FET分類：分類： 絕緣柵場效應(yīng)管絕緣柵場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管一、場效應(yīng)管一、場效應(yīng)管（以（以N溝道為例）溝道為例） 場效應(yīng)管有三個(gè)極：源極（場效應(yīng)管有三個(gè)極：源極（s）、柵極（、柵極（g）、漏極（）、漏極（d），），對(duì)應(yīng)于晶體管的對(duì)應(yīng)于晶體管的e、b、c；有；有三個(gè)工作區(qū)域：截止區(qū)、恒流區(qū)、三個(gè)工作

3、區(qū)域：截止區(qū)、恒流區(qū)、可變電阻區(qū)，對(duì)應(yīng)于可變電阻區(qū)，對(duì)應(yīng)于晶體晶體管的截止區(qū)、放大區(qū)、飽和區(qū)。管的截止區(qū)、放大區(qū)、飽和區(qū)。（一）（一）. 結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管導(dǎo)電導(dǎo)電溝道溝道源極源極柵極柵極漏極漏極符號(hào)符號(hào)結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖柵極正向偏置柵極正向偏置時(shí)電流方向時(shí)電流方向 絕緣柵型場效應(yīng)管絕緣柵型場效應(yīng)管 ( Metal Oxide Semiconductor FET)，簡稱簡稱MOSFET。分為：。分為： 增強(qiáng)型增強(qiáng)型 N溝道、溝道、P溝道溝道 耗盡型耗盡型 N溝道、溝道、P溝道溝道 1.N N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOSMOS管管（1）結(jié)構(gòu)與符號(hào)）結(jié)構(gòu)與符號(hào) 4個(gè)引出端：漏極個(gè)引出端：漏極

4、D，源極源極S，柵極，柵極G和和 襯底襯底B-N+NP襯底sgdb源極柵極漏極襯底（二）（二）. 絕緣柵型場效應(yīng)管絕緣柵型場效應(yīng)管高摻雜高摻雜耗盡層耗盡層SiO2絕緣層絕緣層(2) 工作原理工作原理+ uGS=0情況情況 由結(jié)構(gòu)圖可見由結(jié)構(gòu)圖可見，N+型漏區(qū)和型漏區(qū)和N+型源區(qū)之間被型源區(qū)之間被P型型襯底隔開，漏極和源極之間是兩個(gè)背靠背的襯底隔開，漏極和源極之間是兩個(gè)背靠背的PN結(jié)結(jié)。SD 當(dāng)柵源電壓當(dāng)柵源電壓UGS = 0 時(shí)時(shí)，不管漏極和源極之間所不管漏極和源極之間所加電壓的極性如何，其加電壓的極性如何，其中總有一個(gè)中總有一個(gè)PN結(jié)是反向結(jié)是反向偏置的，反向電阻很高，偏置的，反向電阻很高，

5、漏極電流近似為零漏極電流近似為零。 uGS增大，反型層（導(dǎo)電溝道）將變厚變長。當(dāng)增大，反型層（導(dǎo)電溝道）將變厚變長。當(dāng)反型層將兩個(gè)反型層將兩個(gè)N區(qū)相接時(shí)，形成導(dǎo)電溝道。區(qū)相接時(shí)，形成導(dǎo)電溝道。襯底襯底空穴空穴反型層反型層大到一定大到一定值才開啟值才開啟 u uDSDS=0,=0,u uGSGS0 0 情況情況在一定的漏在一定的漏源電壓源電壓UDS下，使管子由不導(dǎo)通變?yōu)橄?，使管子由不?dǎo)通變?yōu)閷?dǎo)通的臨界柵源電壓稱為開啟電壓導(dǎo)通的臨界柵源電壓稱為開啟電壓UGS(thth）。 漏源電壓漏源電壓u uDSDS對(duì)漏極電流對(duì)漏極電流i id d的控制作用的控制作用 用場效應(yīng)管組成放大電路時(shí)應(yīng)使之工作在恒流區(qū)

6、。用場效應(yīng)管組成放大電路時(shí)應(yīng)使之工作在恒流區(qū)。 uds=0時(shí)，時(shí)，id=0。iD隨隨uDS的增大而的增大而增大，可變電阻增大，可變電阻區(qū)區(qū) uGDUGS（th）,預(yù)夾斷預(yù)夾斷 iD幾乎僅僅幾乎僅僅受控于受控于uGS，恒，恒流區(qū)流區(qū)剛出現(xiàn)夾斷剛出現(xiàn)夾斷uDS的增大幾乎全部用的增大幾乎全部用來克服夾斷區(qū)的電阻來克服夾斷區(qū)的電阻（3 3）特性曲線）特性曲線 四個(gè)區(qū)：四個(gè)區(qū)：（a）可變電阻區(qū)）可變電阻區(qū)（預(yù)夾斷前）。（預(yù)夾斷前）。 輸出特性曲線：輸出特性曲線：iD=f(uDS) uGS=常量常量i(V)(mA)DDSuGS=6Vuu=5VGS=4VuGSu=3VGS（b）恒流區(qū)也稱飽和）恒流區(qū)也稱飽和

7、 區(qū)（預(yù)夾斷區(qū)（預(yù)夾斷 后）。后）。 （c）夾斷區(qū)（截止區(qū)）。）夾斷區(qū)（截止區(qū)）。 （d）擊穿區(qū)。）擊穿區(qū)?？勺冸娮鑵^(qū)可變電阻區(qū)恒流區(qū)恒流區(qū)截止區(qū)截止區(qū)擊穿區(qū)擊穿區(qū) 轉(zhuǎn)移特性曲線：轉(zhuǎn)移特性曲線： i iD D= =f f( (u uGSGS) ) u uDSDS= =常量常量 可根據(jù)輸出特性曲線作出轉(zhuǎn)移特性曲線?？筛鶕?jù)輸出特性曲線作出轉(zhuǎn)移特性曲線。例：作例：作u uDSDS=10V=10V的一條轉(zhuǎn)移特性曲線：的一條轉(zhuǎn)移特性曲線：i(mA)DGS=6Vuu=5VGS=4VuGSu=3VGSuDS(V)Di(mA)10V12341432(V)uGS246UGS（th）DGS(th)GSDOGS(t

8、h)GSDODiUuIUuIi時(shí)的為式中在恒流區(qū)時(shí)，2) 1(2 一個(gè)重要參數(shù)一個(gè)重要參數(shù)跨導(dǎo)跨導(dǎo)gm： gm= iD/ uGS uDS=常量常量 (單位單位mS) gm的大小反映了柵源電壓對(duì)漏極電流的控制作用。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，在轉(zhuǎn)移特性曲線上， gm為的曲線的斜率。為的曲線的斜率。 在輸出特性曲線上也可求出在輸出特性曲線上也可求出gm。1(mA)DSu=6V=3VuuGS(V)1D624i43=5V(mA)243iDGS210V(V)uGSiDGSuiDN型襯底型襯底P+P+GSD符號(hào)：符號(hào)：結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)2.P2.P溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型 SiO2絕緣

9、層絕緣層加電壓才形成加電壓才形成 P型導(dǎo)電溝道型導(dǎo)電溝道3. 耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管GSD符號(hào)：符號(hào)：如果如果MOS管在制造時(shí)導(dǎo)電溝道就已形成，稱為耗盡型場管在制造時(shí)導(dǎo)電溝道就已形成，稱為耗盡型場效應(yīng)管。效應(yīng)管。(1 ) N溝道耗盡型管溝道耗盡型管SiO2絕緣層中絕緣層中摻有正離子摻有正離子預(yù)埋了預(yù)埋了N型型 導(dǎo)電溝道導(dǎo)電溝道 由于耗盡型場效應(yīng)管預(yù)埋了導(dǎo)電溝道，所以在由于耗盡型場效應(yīng)管預(yù)埋了導(dǎo)電溝道，所以在UGS= 0時(shí)，時(shí)，若漏若漏源之間加上一定的電壓源之間加上一定的電壓UDS，也，也會(huì)有漏極電流會(huì)有漏極電流 ID 產(chǎn)生。產(chǎn)生。當(dāng)當(dāng)UGS 0時(shí)，使導(dǎo)電溝道變寬，時(shí)，使導(dǎo)電溝

10、道變寬， ID 增大；增大； 當(dāng)當(dāng)UGS 0時(shí)，使導(dǎo)電溝道變窄，時(shí)，使導(dǎo)電溝道變窄， ID 減??；減?。?UGS負(fù)值愈高，溝道愈窄，負(fù)值愈高，溝道愈窄， ID就愈小。就愈小。 當(dāng)當(dāng)UGS達(dá)到一定達(dá)到一定負(fù)值時(shí)，負(fù)值時(shí)，N型導(dǎo)電溝道消失，型導(dǎo)電溝道消失，ID= 0，稱為場效應(yīng)管處于夾斷狀態(tài)（即截止）。稱為場效應(yīng)管處于夾斷狀態(tài)（即截止）。這時(shí)的這時(shí)的UGS稱為夾斷電壓，用稱為夾斷電壓，用UGS(off(off）表示。表示。 (2)(2)耗盡型耗盡型N溝道溝道MOS管的特性曲線管的特性曲線 漏極特性曲線：漏極特性曲線：u DSUGS=0UGS0OiD/mA16201248121648轉(zhuǎn)移特性曲線：轉(zhuǎn)

11、移特性曲線：夾斷電壓夾斷電壓2GS(off)GSDSSD)1 (UuIi(3) P 符號(hào)：符號(hào)：GSD預(yù)埋了預(yù)埋了P P型型 導(dǎo)電溝道導(dǎo)電溝道SiO2絕緣層中絕緣層中摻有負(fù)離子摻有負(fù)離子GSDGSDN溝道溝道GSDGSDP溝道溝道場效應(yīng)管的分類場效應(yīng)管的分類工作在恒流區(qū)時(shí)工作在恒流區(qū)時(shí)g-s、d-s間的電壓極性間的電壓極性)0(P)0(N)00(P)00(N)00(P)00(NDSGSDSGSDSGSDSGSDSGSDSGS極性任意，溝道極性任意，溝道耗盡型，溝道，溝道增強(qiáng)型絕緣柵型，溝道，溝道結(jié)型場效應(yīng)管uuuuuuuuuuuu20020 mA/V51m g421010 1471010 對(duì)應(yīng)

12、電極對(duì)應(yīng)電極 BEC GSD各種各種場效應(yīng)場效應(yīng)管導(dǎo)通時(shí)工作在恒流區(qū)和可變電阻區(qū)的條件管導(dǎo)通時(shí)工作在恒流區(qū)和可變電阻區(qū)的條件二、場效應(yīng)管靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置方法二、場效應(yīng)管靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置方法 1. 基本共源放大電路基本共源放大電路 根據(jù)場效應(yīng)管工作在恒流區(qū)的條件，在根據(jù)場效應(yīng)管工作在恒流區(qū)的條件，在g-s、d-s間間加極性合適的電源加極性合適的電源dDQDDDSQGS(th)GGDODQGGGSQRIVUUVIIVU2) 1(2. 分壓式偏置電路分壓式偏置電路sDQSQDDg2g1g1AQGQRIUVRRRUU2) 1(GS(th)GSQDODQUUII)(sdDQDDDSQRRIVU即典型的即

13、典型的Q點(diǎn)穩(wěn)定電路點(diǎn)穩(wěn)定電路三、場效應(yīng)管放大電路的動(dòng)態(tài)分析三、場效應(yīng)管放大電路的動(dòng)態(tài)分析 1. 場效應(yīng)管的交流等效模型場效應(yīng)管的交流等效模型DSGSDmUuig近似分析時(shí)可認(rèn)近似分析時(shí)可認(rèn)為其為無窮大！為其為無窮大！根據(jù)根據(jù)iD的表達(dá)式或轉(zhuǎn)移特性可求得的表達(dá)式或轉(zhuǎn)移特性可求得gm。與晶體管的與晶體管的h參數(shù)等效模型類比：參數(shù)等效模型類比：2. 基本共源放大電路的動(dòng)態(tài)分析基本共源放大電路的動(dòng)態(tài)分析doidmgsddioRRRRgURIUUAu3. 基本共漏放大電路的動(dòng)態(tài)分析基本共漏放大電路的動(dòng)態(tài)分析ismsmsdgssdio1RRgRgRIURIUUAu基本共漏放大電路輸出電阻的分析基本共漏放大電路輸出電阻的分析msomsooooo1gRUgRUUIUR若若Rs=3k，gm=2mS，則Ro=?四、四、復(fù)合管復(fù)合管復(fù)合管的組成：多只管子合理連接等效成一只管子。復(fù)合管的組成：多只管子合理連接等效成一只管子。21)1)(1 (211BE ii 不同類型的管子復(fù)合不同類型的管子復(fù)合后，其類型決定于后，其類型決定于T1