模電課件5場效應管放大電路

15場效應管放大電路授課人：莊友誼模擬電子技術25場效應管放大電路§5.1金屬-氧化物-半導體場效應管§5.2MOSFET放大電路§5.3結型場效應管§5.4砷化鎵金屬-半導體場效應管§5.5各種放大器件電路性能比較3引言：

場效應晶體三極管是由一種載流子（多子）導電的、用輸入電壓控制輸出電流的半導體器件。具有輸入阻抗高、耗電少、溫度穩(wěn)定性好、噪聲低、壽命長等優(yōu)點。從參與導電的載流子來劃分，它有自由電子導電的N溝道器件和空穴導電的P溝道器件。

按照場效應三極管的結構劃分，有結型場效應管和絕緣柵型場效應管兩大類。

4１、結構：§5.3結型場效應管(JFET)N基底：N型半導體PP兩邊是P區(qū)G(柵極)S源極D漏極導電溝道5.3.1JFET的結構和工作原理：56S源極NPPG(柵極)D漏極N溝道結型場效應管DGSDGS7S源極PNNG(柵極)D漏極P溝道結型場效應管DGSDGS8２、工作原理（以N溝道為例）vDS=0V時PN結反偏，|vGS|越大則耗盡區(qū)越寬，導電溝道越窄。（1）vDS=0，G、S加負電壓：NGSDvDS=0vGSNNPPiD9vDS=0時NGSDvDS=0vGSPPiDvGS達到一定值時（夾斷電壓VP）,耗盡區(qū)碰到一起，DS間被夾斷，這時，即使vDS

0V，漏極電流iD=0A。1011vGS=0且vDS>0時耗盡區(qū)的形狀NGSDvDSvGS=0PPiD（2）vGS=0，D、S加正電壓：越靠近漏端，PN結反壓越大1213（3）G、S加負電壓，D、S加正電壓：NGSDvDSNNiDPPvGS但當vGS較小時，耗盡區(qū)寬度有限，存在導電溝道。DS間相當于線性電阻。vGS越大耗盡區(qū)越寬，溝道越窄，電阻越大。14NGSDvDSPPiDvGSvGS<Vp且vDS較大時vGD<VP時耗盡區(qū)的形狀溝道中仍是電阻特性，但是是非線性電阻。15NGSDvDSPPiDvGSvGS<VpvGD=VP時漏端的溝道被夾斷，稱為予夾斷。vDS增大則被夾斷區(qū)向下延伸。16vGS<VpvGD=VP時

此時，電流iD由未被夾斷區(qū)域中的載流子形成，基本不隨vDS的增加而增加，呈恒流特性。NGSDvDSPPiDvGS17vGS0iDIDSSVP轉移特性曲線一定vDS下的iD-vGS曲線5.3.2JFET的特性曲線及參數(shù)：18輸出特性曲線vDS0iDIDSSVP飽和漏極電流夾斷電壓某一VGS下19予夾斷曲線vGS=0V-2V-1V-3V-4V-5V可變電阻區(qū)夾斷區(qū)恒流區(qū)（飽和區(qū)）輸出特性曲線iDvDS020(a)漏極輸出特性曲線(b)轉移特性曲線圖02.22N溝道結型場效應三極管的特性曲線21P溝道結型場效應管的特性曲線轉移特性曲線vGS0iDIDSSVP22輸出特性曲線P溝道結型場效應管的特性曲線予夾斷曲線iDvDS2VvGS=0V1V3V4V5V可變電阻區(qū)夾斷區(qū)恒流區(qū)(飽和區(qū))023結型場效應管的特性比較結型場效應管

N溝道耗盡型P溝道耗盡型24

結型場效應管的缺點：1.柵源極間的電阻雖然可達107以上，但在某些場合仍嫌不夠高。3.柵源極間的PN結加正向電壓時，將出現(xiàn)較大的柵極電流。絕緣柵場效應管可以很好地解決這些問題。2.在高溫下，PN結的反向電流增大，柵源極間的電阻會顯著下降。25§5.1金屬-氧化物-半導體場效應管金屬-氧化物-半導體場效應管又稱絕緣柵型場效應管

MetalOxideSemiconductor——MOSFET分為:增強型

N溝道、P溝道

耗盡型

N溝道、P溝道增強型：vgs=0時，沒有導電溝道，iD=0耗盡型：vgs=0時，存在導電溝道，iD≠0N溝道P溝道增強型N溝道P溝道耗盡型265.1.1N溝道增強型MOSFETPNNGSDP型基底兩個N區(qū)SiO2絕緣層（幾百埃）導電溝道金屬鋁GSDN溝道增強型1、結構:柵極（Gate）源極

(Source)漏極（Drain）27282、工作原理PNNGSDUDSUGSUGS=0時D-S間相當于兩個反接的PN結ID=0對應截止區(qū)29PNNGSDUDSUGSUGS>0時UGS足夠大時（UGS>VT）感應出足夠多電子，這里出現(xiàn)以電子導電為主的N型導電溝道。感應出電子VT稱為閾值電壓30UGS較小時，導電溝道相當于電阻將D-S連接起來，UGS越大此電阻越小。PNNGSDUDSUGS31PNNGSDUDSUGS當UDS不太大時，導電溝道在兩個N區(qū)間是均勻的。當UDS較大時，靠近D區(qū)的導電溝道變窄。32PNNGSDUDSUGS夾斷后，即使UDS繼續(xù)增加，ID仍呈恒流特性。IDUDS增加，UGD=VT時，靠近D端的溝道被夾斷，稱為予夾斷。333、V-I特性曲線及大信號特性方程（1）轉移特性曲線：0iDvGSVTFET是電壓控制器件，iD=f(vGS)|vDS=常數(shù)34

轉移特性曲線的斜率gm的大小反映了柵源電壓對漏極電流的控制作用。gm

的量綱為mA/V，所以gm也稱為跨導?？鐚У亩x式如下

gm=

ID/

VGS

VDS=const(單位mS)

ID=f(VGS)

VDS=const35（2）輸出特性曲線iDvDS0vGS>0恒流區(qū)（飽和區(qū)）可變電阻區(qū)截止區(qū)預夾斷臨界點軌跡vDS=vGS-VT36

三個區(qū)：①截止區(qū)：vGS<VT：iD=0②可變電阻區(qū)：vDS≤vGS-VT：iD可近似表示為：③飽和區(qū)：vGS≥VT

且vDS≥vGS-VT：iD不隨vDS變化。μn是反型層的電子遷移率，Cox

是柵極與襯底間氧化層單位面積電容。37N溝道耗盡型PNNGSD預埋了導電溝道

GSD5.1.2N溝道耗盡型MOSFET38特性曲線：

耗盡型的MOS管vGS=0時就有導電溝道，加反向電壓才能夾斷。轉移特性曲線0iDvGSVPIDSS39輸出特性曲線vGS=0vGS<0vGS>0飽和區(qū)可變電阻區(qū)截止區(qū)iDvDS0預夾斷臨界點軌跡vDS=vGS-VT40飽和區(qū)內：因為在vGS=0，且vDS≥vGS-VP時故在飽和區(qū)內：415.1.3P溝道MOSFETNPPGSDGSD一、P溝道增強型：42iD-vDS0vGS<00iDvGSVT43增強型MOS管特性比較絕緣柵場效應管N溝道增強型P溝道增強型44二、P溝道耗盡型NPPGSDGSD預埋了導電溝道45耗盡型MOSFET的特性比較絕緣柵場效應管

N溝道耗盡型P溝道耗盡型絕緣柵增強型N溝道P溝道絕緣柵耗盡型

N溝道P溝道475.1.4溝道長短調制效應

在理想情況下，當MOSFET飽和時，iD與vDS無關，而實際上，vDS對溝道長度L有調制作用，從而對iD時有影響?？紤]了其影響，iD

的公式要修正為：481、夾斷電壓VP或開啟電壓VT：2、飽和漏極電流IDSS:3、直流輸入電阻RGS（DC）：柵壓除柵流5.1.5MOSFET的主要參數(shù)：一、直流參數(shù)：1、最大漏極電流IDM:2、最大耗散功率PDM:3、擊穿電壓：V（BR）DS、V（BR）GS二、交流參數(shù)：1、低頻跨導gm:2、輸出電阻rd:三、極限參數(shù)：詳見p210表5.1.149§5.4砷化鎵金屬-半導體場效應管（略）用GaAs代替Si，器件轉換速度快見p237表5.5.1使用時：1）一般D、S可以互換

2）謹防擊穿與三極管比較：1）場效應管的D、G、S相當于C、B、E2）場效應管是電壓控制器件，柵流基本為0。

3）場效應管利用多子導電，故受外界影響小。

4）場效應管的D、S可互換§5.5各種放大器件電路性能比較50雙極型三極管與場效應三極管的比較雙極型三極管場效應三極管結構與分類NPN型、PNP型結型N溝道P溝道絕緣柵增強型：N溝道P溝道耗盡型：N溝道P溝道使用C與E一般不可倒置使用D與S有的型號可倒置使用載流子多子擴散少子漂移多子漂移

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噪聲較大較小溫度特性受溫度影響較大較小，且有零溫度系數(shù)點輸入電阻幾十到幾千歐姆幾兆歐姆以上靜電影響不受靜電影響易受靜電影響集成工藝不易大規(guī)模集成適宜大規(guī)模和超大規(guī)模集成51場效應三極管的型號場效應三極管的型號,現(xiàn)行有兩種命名方法：其一是與雙極型三極管相同，第三位字母J代表結型場效應管，O代表絕緣柵場效應管。第二位字母代表材料，D是P型硅，反型層是N溝道；C是N型硅P溝道。如：3DJ6D是結型N溝道場效應三極管，3DO6C是絕緣柵型N溝道場效應三極管。

第二種命名方法是CS××#，CS代表場效應管，××以數(shù)字代表型號的序號，#用字母代表同一型號中的不同規(guī)格。例如CS14A、CS45G等。52幾種常用場效應三極管的主要參數(shù)531、直流偏置及靜態(tài)工作點的計算：（1）自偏置電路：§5.2MOSFET放大電路5.2.1MOSFET放大電路：54IDSS是飽和漏電流IDSS是vGS=2VT時iDJFET:絕緣柵MOSFET:另外，由外電路有：解方程得到Q點電壓、電流。優(yōu)點：簡單。缺點：Q點確定后，VGS,ID就確定了，R選擇的范圍很小。注意：增強型FET只有柵極電壓先達到某個開啟電壓VT時才有漏極電流ID，這類管子不能用圖示的自偏壓電路55(2)分壓式自偏壓電路直流通道VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2)VGS=VG－VS=VG－IDRID=IDSS[1－(VGS/VP)]2VDS=VDD－ID(R+Rd

)

由此可以解出VGS、ID和VDS。56２、圖解分析法：RdRLRg3Rg1Rg2vivO57iDvDS3.544.535426810123.32.72.11.50.9mAViDvDSttvGStuce與ui反相58各點波形uitvGStiDtvDStvot59低頻模型高頻模型3、小信號模型分析法：其中：rgs、rds都很大60①電壓放大倍數(shù)：②輸入電阻：

③輸出電阻：例1：共源放大電路：小信號等效電路61小信號等效電路①電壓放大倍數(shù)：②輸入電阻：

③輸出電阻：去掉CS會怎么樣？62例2：共漏放大電路：(1)中頻電壓增益:(2)輸入電阻:Rg2Rg1Rg3RRLVDDCb2Cb1vivoRg1Rg2Rg3RRL+vi-+vo-gdsgmvgs+vgs-RiRo63(3)輸出電阻:Rg1Rg2Rg3RRL+vi-+vo-