場效應(yīng)管及其基本放大電路

關(guān)于場效應(yīng)管及其基本放大電路3.1結(jié)型場效應(yīng)管

引言3.1.1

結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)及類型3.1.3

結(jié)型場效應(yīng)管的伏安特性3.1.2

結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理3.1.4

結(jié)型場效應(yīng)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(yīng)管FET

(FieldEffectTransistor)類型：增強(qiáng)型耗盡型絕緣柵型場效應(yīng)管(IGFET)結(jié)型場效應(yīng)管(JFET)場效應(yīng)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(diǎn)：1.單極性器件(一種載流子導(dǎo)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(dá)1015

)第4頁,共64頁，2024年2月25日，星期天3.1結(jié)型場效應(yīng)管3.1.1結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)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(jié)型場效應(yīng)管的工作原理1.當(dāng)uDS=0時，柵源電壓uGS對導(dǎo)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(dāng)uGS=0時，漏源電壓uDS對導(dǎo)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(dāng)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(yù)夾斷。當(dāng)uDS

，預(yù)夾斷點(diǎn)下移。第8頁,共64頁，2024年2月25日，星期天3.1.3結(jié)型場效應(yīng)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(zhuǎn)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(jié)型場效應(yīng)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(jié)型型場效應(yīng)管，當(dāng)uGS=0時所對應(yīng)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(jié)型場效應(yīng)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(dǎo)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(yīng)管MOS場效應(yīng)管（絕緣柵場效應(yīng)管）N溝道絕緣柵場效應(yīng)管P溝道絕緣柵場效應(yīng)管增強(qiáng)型耗盡型增強(qiáng)型耗盡型第14頁,共64頁，2024年2月25日，星期天1、增強(qiáng)型N溝道MOSFET

(MentalOxideSemi—FET)1.結(jié)構(gòu)與符號P型襯底(摻雜濃度低)N+N+用擴(kuò)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(qiáng)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(dǎo)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(dǎo)電溝道的影響

(uDS=0)a.

當(dāng)UGS=0

，DS間為兩個背對背的PN結(jié)；b.

當(dāng)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(dāng)uGS

UGS(th)

時，襯底中電子被吸引到表面，形成導(dǎo)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(yù)夾斷(UGD=

UGS(th))：漏極附近反型層消失。預(yù)夾斷發(fā)生之前：uDS

iD

。預(yù)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(yù)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(zhuǎn)移特性2464321uGS/ViD/mAUDS=10VUGS(th)當(dāng)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(zhuǎn)移特性IDSSUGS(off)夾斷電壓飽和漏極電流當(dāng)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(qiáng)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(qiáng)型SGDBiDP溝道增強(qiáng)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(jié)型SGDiDSGDiDP溝道結(jié)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(yīng)管的主要參數(shù)開啟電壓UGS(th)(增強(qiáng)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(yīng)管，當(dāng)uGS=0時所對應(yīng)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(dǎo)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(yīng)管與晶體管的比較管子名稱晶體管場效應(yīng)管導(dǎo)電機(jī)理利用多子和少子導(dǎo)電利用多子導(dǎo)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(dá)107Ω以上,MOS可達(dá)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(qiáng)噪聲中等很小結(jié)構(gòu)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(guān)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(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性曲線如圖3-15

所示，試確定場效應(yīng)管的類型。UGS（th）=2V為N溝道增強(qiáng)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(yīng)管的輸出特性如圖3-16(b)所示，分析當(dāng)uI＝3V、8V、12V三種情況下場效應(yīng)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(dāng)uI＝3V時，uGS小于開啟電壓，即uGS<UGS(th)，故場效應(yīng)管截止。第33頁,共64頁，2024年2月25日，星期天

當(dāng)uI＝8V時，uGS>UGS(th)，場效應(yīng)管導(dǎo)通，假設(shè)場效應(yīng)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(shè)成立，即場效應(yīng)管工作在恒流區(qū)。因?yàn)椋簎DS≈10V第35頁,共64頁，2024年2月25日，星期天當(dāng)uI＝12V時，uGS>UGS(th)，場效應(yīng)管導(dǎo)通，假設(shè)場效應(yīng)管工作在恒流區(qū)可知，當(dāng)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(shí)際的uDS>0

所以：假設(shè)不正確，實(shí)際的iD小于4mA故場效應(yīng)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(yīng)管的UGS(off)=﹣5V，IDSS=3mA，試分析場效應(yīng)管工作在什么區(qū)域。解：UGSQ=﹣VGG=﹣2V>UGS(off)場效應(yīng)管導(dǎo)通假設(shè)場效應(yīng)管工作在恒流區(qū)

UGSQ﹣UGS(off)=﹣2﹣(﹣5)=3VUDSQ>UGSQ

UGS(off)

假設(shè)正確第38頁,共64頁，2024年2月25日，星期天3.3

場效應(yīng)管放大電路3.3.2場效應(yīng)管放大電路的動態(tài)分析3.3.1場效應(yīng)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(yīng)管放大電路三種組態(tài)：共源、共漏、共柵特點(diǎn)：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(fù)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(fù)載線②作負(fù)載轉(zhuǎn)移特性曲線

③作輸入回路的直流負(fù)載線

④確定靜態(tài)工作點(diǎn)轉(zhuǎn)移特性曲線與輸入回路的直流負(fù)載線的交點(diǎn)即為靜態(tài)工作點(diǎn)Q，Q點(diǎn)對應(yīng)的橫坐標(biāo)值即為UGSQ，縱坐標(biāo)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(diǎn)Q，確定UDSQ。第44頁,共64頁，2024年2月25日，星期天(a)轉(zhuǎn)移特性曲線(b)輸出特性曲線圖自給偏壓電路Q點(diǎn)的圖解第45頁,共64頁，2024年2月25日，星期天1.場效應(yīng)管的等效電路三、動態(tài)分析—場效應(yīng)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(zhuǎn)移特性在靜態(tài)工作點(diǎn)Q處gm為低頻跨導(dǎo)，反映了管子的放大能力，從轉(zhuǎn)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(yīng)管的共漏極輸出電阻，為輸出特性在Q點(diǎn)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(dāng)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(yīng)管放大電路的微變等效電路RLRD+uo

+ui

GSD+ugs

gmugsidiiRG3.計(jì)算放大電路的動態(tài)指標(biāo)注意：自給偏壓電路只適用耗盡型場效應(yīng)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(diào)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(jìn)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