第4章-場效應(yīng)管放大電路

第4章場效應(yīng)管放大電路

4.1場效應(yīng)管

4.2場效應(yīng)管放大電路場效應(yīng)管利用電場效應(yīng)來控制載流子運(yùn)動。依靠半導(dǎo)體多數(shù)載流子導(dǎo)電工作，又稱為單極型晶體管。具有輸入阻抗高、噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)、制造工藝簡單、便于集成等優(yōu)點。場效應(yīng)晶體管(FieldEffectTransistor，F(xiàn)ET)簡稱場效應(yīng)管。本章學(xué)習(xí)目的和要求熟悉場效應(yīng)晶體管(JFET和MOSFET)的基本結(jié)構(gòu)及工作原理；2.掌握場效應(yīng)管的伏安特性，熟悉其主要參數(shù),并能依據(jù)特效參數(shù)正確選用場效應(yīng)管；掌握場效應(yīng)管放大電路的小信號模型分析法，會分析場效應(yīng)管基本放大電路；會分析比較場效應(yīng)管放大電路與晶體管基本放大電路的異同點，熟悉場效應(yīng)管基本放大電路的頻率特性。4.1場效應(yīng)管4.1.1金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管4.1.2結(jié)型場效應(yīng)管4.1.3場效應(yīng)管的主要參數(shù)4.1.4各種場效應(yīng)管的特性比較4.1.5場效應(yīng)管使用注意事項

4.1場效應(yīng)管

按基本結(jié)構(gòu)分為兩大類：金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管

(MOSFET)和結(jié)型場效應(yīng)管(JFET)。從載流子的帶電極性來看:有N溝道FET和P溝道

FET。按照導(dǎo)電溝道形成機(jī)理的不同，MOSFET又可分為增強(qiáng)型(簡稱E型)和耗盡型(簡稱D型)兩種。

MOSFET有四種：N溝道增強(qiáng)型MOS管(E型NMOS管)、

N溝道耗盡型MOS管(D型NMOS管)、

P溝道增強(qiáng)型MOS管(E型PMOS管)、

P溝道耗盡型MOS管(D型PMOS管)。

JFET都是耗盡型的，也有N溝道和P溝道兩種。4.1.1

金屬-氧化物-半導(dǎo)體（MOS）場效應(yīng)管

金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管(MOSFET)，是由金屬(鋁)、氧化物(二氧化硅)及半導(dǎo)體材料構(gòu)成的，簡稱MOS管，又稱絕緣柵場效應(yīng)管(IGFET)。1.N溝道增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管(1)結(jié)構(gòu)漏極d源極S柵極g

圖4.1.1N溝道增強(qiáng)型MOSFET結(jié)構(gòu)圖L：溝道長度W：溝道寬度tox

：絕緣層厚度1.N溝道增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管(1)結(jié)構(gòu)圖4.1.1N溝道增強(qiáng)型MOSFET(2)工作原理1)vGS對iDS的控制作用

時，沒有導(dǎo)電溝道，時，在電場作用下，出現(xiàn)N型溝道。這時如果加上電壓vDS，將會產(chǎn)生漏極電流。

使溝道剛剛形成時的柵源電壓vGS稱為開啟電壓VT。

vGS越大，導(dǎo)電溝道越厚，溝道電阻越小。2)vDS對iDS的影響

靠近漏極d處的電位升高

電場強(qiáng)度減小

溝道變薄當(dāng)vGS≥VT，導(dǎo)電溝道形成。vDS

ID

溝道電位梯度

當(dāng)vDS增加到vGD=vGS-vDS=VT時，漏極一端的溝道厚度為零，在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷。整個溝道呈楔形分布。預(yù)夾斷后，vDS

夾斷區(qū)延長

溝道電阻

iD基本不變。①vGS<VT時，沒有導(dǎo)電溝道，iD=0。②vGS≥VT時，導(dǎo)電溝道已經(jīng)形成但未夾斷，vDS較小時，iD

與vDS成線性關(guān)系。當(dāng)vDS

增加，導(dǎo)電溝道出現(xiàn)夾斷后，iD

趨于飽和。③漏極電流iD

受柵源電壓vGS

控制，因此場效應(yīng)管是電壓控制電流器件。根據(jù)上述分析可得出：(3)特性曲線1）輸出特性輸出特性分為3個區(qū)域：①截止區(qū)當(dāng)vGS＜VT時，導(dǎo)電溝道尚未形成，iD＝0，為截止工作狀態(tài)。圖4.1.3N溝道增強(qiáng)型MOS管的輸出特性1）輸出特性圖4.1.3N溝道增強(qiáng)型MOS管的輸出特性

圖4.1.3中的虛線為預(yù)夾斷臨界點軌跡，它是各條曲線上的點連接而成的。

②可變電阻區(qū)

在此區(qū)域內(nèi)，漏、源之間可看成受vDS控制的可變電阻，故稱為可變電阻區(qū)。1）輸出特性圖4.1.3N溝道增強(qiáng)型MOS管的輸出特性②可變電阻區(qū)

vDS≤（vGS－VT）由于vDS較小，可近似為是一個受vGS控制的可變電阻。原點附近的輸出電阻rdso為:

②可變電阻區(qū)

n：反型層中電子遷移率Cox：柵極（與襯底間）氧化層單位面積電容稱為本征電導(dǎo)因子其中Kn為電導(dǎo)常數(shù)，單位：mA/V2圖4.1.3N溝道增強(qiáng)型MOS管的輸出特性1）輸出特性③飽和區(qū)（恒流區(qū)又稱放大區(qū)）vGS>VT

，且vDS≥（vGS－VT）是vGS＝2VT時的iDV-I特性：圖4.1.3N溝道增強(qiáng)型MOS管的輸出特性2）轉(zhuǎn)移特性飽和區(qū)內(nèi)，iD受vDS的影響很小，所以不同vDS下的轉(zhuǎn)移特性基本重合。

轉(zhuǎn)移特性是指漏源電壓vDS一定時，漏極電流與柵源電壓之間的關(guān)系：圖4.1.4N溝道增強(qiáng)型MOS管的轉(zhuǎn)移特性(3)特性曲線(４)溝道長度調(diào)制效應(yīng)實際輸出特性曲線在飽和區(qū)會略向上傾斜，即vSD增加時，iD會略有增加。這是因為vDS對溝道長度L的調(diào)制作用，常用溝道長度調(diào)制參數(shù)λ對描述輸出特性的公式進(jìn)行修正。

L的單位為

m2.N溝道耗盡型MOS場效應(yīng)管(1)結(jié)構(gòu)和工作原理SiO2絕緣層中摻入大量正離子。在正離子的作用下，即使vGS=0，也會在P型襯底上感應(yīng)出電子，形成N型溝道，此時只要加上正的vDS，就會產(chǎn)生電流iD。

圖4.1.5N溝道耗盡型MOS場效應(yīng)管

當(dāng)vGS>0時，溝道變寬，溝道電阻減小，iD增加。當(dāng)vGS<0時，溝道變窄，iD減小。當(dāng)vGS為負(fù)電壓并達(dá)到某值時，使感應(yīng)的電子消失，耗盡區(qū)擴(kuò)展到整個溝道，溝道完全被夾斷。此時的柵源電壓稱為夾斷電壓VP。

可知，N溝道耗盡型MOSFET可以在vGS>0，vGS=0或vGS<0的情況下工作。(1)結(jié)構(gòu)和工作原理圖4.1.5N溝道耗盡型MOS場效應(yīng)管

(2)特性曲線圖4.1.6N溝道耗盡型MOS管的轉(zhuǎn)移特性(a)輸出特性曲線(b)vDS>(vGS–VP)時的轉(zhuǎn)移特性耗盡型MOS管特性曲線分為截止區(qū)、可變電阻區(qū)和飽和區(qū)。N溝道耗盡型MOS管的夾斷電壓VP為負(fù)值。N溝道增強(qiáng)型MOS管的開啟電壓VT為正值。

耗盡型MOSFET的電流方程：截止區(qū)，vGS<VP，iD=0?？勺冸娮鑵^(qū)，vGS>VP，0<vDS<vGS-VP飽和區(qū)，vGS>VP，vDS≥vGS-VP，忽略項，

當(dāng)vGS=0，vDS=vGS－VP時，由上式可得

IDSS為飽和漏極電流。

如果考慮溝道長度調(diào)制效應(yīng)，則上式修正為3.P溝道MOS場效應(yīng)管P溝道MOS管在N型襯底表面生成P型反型層作為溝道，有增強(qiáng)型和耗盡型兩種。

圖4.1.7P溝道MOS場效應(yīng)管電路符號(a)增強(qiáng)型(b)耗盡型P溝道MOS管的vGS、vDS極性與N溝道MOS管相反，漏極供電電源極性為-VDD，漏極電流從漏極流出。P溝道增強(qiáng)型MOS管的開啟電壓VT是負(fù)值。P溝道耗盡型MOS管的夾斷電壓VP為正值。

P溝道增強(qiáng)型MOS管溝道產(chǎn)生的條件為vGS≤VT

可變電阻區(qū)與飽和區(qū)的界線為：vDS=vGS－VT

可變電阻區(qū)內(nèi)：vGS≤VT，vDS≥vGS-VT，電流正向流入漏極時，飽和區(qū)內(nèi)：vGS≤VT，vDS≤vGS-VT，電流iD為，KP是P溝道器件的電導(dǎo)參數(shù)，可表示為其中：W、L、分別是溝道寬度、溝道長度、柵極氧化物單位面積上電容。是空穴反型層中空穴的遷移率。通常，空穴的遷移率比電子遷移率要小，約為μn/2。

4.1.2結(jié)型場效應(yīng)管1．結(jié)構(gòu)

圖4.1.8結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)與符號箭頭方向代表了柵-源電壓處于正向偏置時柵極電流的實際方向。

2．工作原理vGS對溝道的控制作用：圖4.1.9vDS=0時，vGS對溝道的控制作用vGS＜0，PN結(jié)反偏耗盡層變寬溝道變窄，電阻增大。

vGS負(fù)值增加到某一數(shù)值VGS(off)時，兩邊耗盡層合攏，整個溝道被耗盡層夾斷，溝道電阻趨于無窮大，這時的柵源電壓VP稱為夾斷電壓。

vDS對溝道的控制作用圖4.1.11vDS溝道的影響(a)vGS=0，vDS<|VP|(b)vGS=0，vDS>|VP|

vGS=0時，vDS

ID

耗盡層不均勻加寬（漏端比源端寬）

溝道變窄，溝道電阻增大，iD增長變慢，

當(dāng)vDS=|VP|時，溝道在近漏端出現(xiàn)預(yù)夾斷。

此時vDS

夾斷區(qū)延長

溝道電阻

ID基本不變。

再增加vDS，則柵漏間的PN結(jié)將產(chǎn)生雪崩擊穿，iD劇增。3.特性曲線（1）輸出特性3.特性曲線（1）輸出特性圖4.1.10N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的輸出特性可分為4個區(qū)域：1)截止區(qū)。2）可變電阻區(qū)。3）恒流區(qū)。4）擊穿區(qū)。對于vGS的一個確定數(shù)值，可測得一條對應(yīng)的輸出特性曲線。(2)轉(zhuǎn)移特性3.特性曲線圖4.1.12N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性

(VP≤vGS≤0)vGS=0時的漏極電流稱為飽和漏極電流IDSS，使iD接近于零的柵源電壓為夾斷電壓VP。4.1.3

場效應(yīng)管的主要參數(shù)1．直流參數(shù)(2)開啟電壓VT

（增強(qiáng)型參數(shù)）(1)夾斷電壓VP

（耗盡型參數(shù)）(3)飽和漏電流IDSS

（耗盡型參數(shù)）(4)直流輸入電阻RGS

（109Ω～1015Ω）

指在vDS一定值下，使iD為一微小電流時，柵-源之間所加的電壓。

指在vDS一定值下，使iD為一微小電流時，柵-源之間所加的電壓。2．交流參數(shù) (1)低頻互導(dǎo)gm考慮到則反映了柵-源電壓對漏極電流的控制能力。其中2．交流參數(shù) (2)輸出電阻rds當(dāng)不考慮溝道調(diào)制效應(yīng)時，

＝0，rds→∞說明了vDS對iD的影響，是輸出特性某一點上切線斜率的倒數(shù)。考慮溝道調(diào)制效應(yīng)時，N溝道增強(qiáng)型MOS管(3)極間電容Cgs、Cgd和Cds3．極限參數(shù)(1)最大柵-源電壓V(BR)GS(2)最大漏-源電壓V(BR)DS(3)最大漏極電流IDM(4)最大耗散功率PDM4.1.4各種場效應(yīng)管的特性比較圖4.1.13各種場效應(yīng)管的符號圖4.1.14各種場效應(yīng)管的特性曲線4.1.5場效應(yīng)管使用注意事項MOS管使用時，應(yīng)將襯底與源極連在一起，以減小源極、襯底之間電壓對管子導(dǎo)電性能的影響。場效應(yīng)管的源極與漏極一般可以互換。結(jié)型場效應(yīng)管的柵源電壓不能接反，但可開路保存。絕緣柵型場效應(yīng)管，在存放和工作中，應(yīng)避免柵極懸空?？稍跂旁礃O之間提供直流通路或加雙向穩(wěn)壓對管保護(hù)。焊接時，烙鐵外殼必須良好接地，以屏蔽交流電場，防止損壞管子。特別是焊接MOSFET時，最好斷電后再焊。

4.2場效應(yīng)管放大電路4.2.1場效應(yīng)管共源放大電路4.2.2場效應(yīng)管共漏放大電路4.2.3場效應(yīng)管共柵放大電路4.2.4場效應(yīng)管與晶體管放大電路的比較4.2.5場效應(yīng)管放大電路的頻率響應(yīng)

場效應(yīng)管基本放大電路也有三種組態(tài)，即共源組態(tài)放大電路、共漏組態(tài)放大電路和共柵組態(tài)基本放大電路，與雙極型晶體管基本放大電路的共射組態(tài)放大電路、共集組態(tài)放大電路和共基組態(tài)基本放大電路相對應(yīng)。4.2.1場效應(yīng)管共源放大電路1.靜態(tài)分析(1)自給偏壓電路圖4.2.1場效應(yīng)管共源自給偏壓電路

自給偏壓電路適用于結(jié)型場效應(yīng)管基本放大電路和耗盡型絕緣柵型場效應(yīng)管。靜態(tài)工作點IDQ、VDSQ和VGSQ的計算：靜態(tài)時柵極電流為零，柵極電位VG=0V，則柵源為負(fù)偏壓，即：解得IDQ、VDSQ和VGSQ

(2)分壓式偏置電路1.靜態(tài)分析圖4.2.2場效應(yīng)管共源分壓偏置電路該偏置電路適合各種類型的場效應(yīng)管放大電路。圖中Rg1、Rg2是柵極偏置電阻，R是源極電阻，Rd是漏極負(fù)載電阻。圖4.2.3分壓式偏置電路的直流通路可解得IDQ、VDSQ和VDSQ

對于增強(qiáng)型絕緣柵型場效應(yīng)管，其漏極電流方程為式中，IDO是vGS=2VT時所對應(yīng)的iD。(2)分壓偏置電路例4.2.1

電路如圖4.2.4所示，已知場效應(yīng)管的VP=－1V，IDSS=0.5mA，其余電路參數(shù)如圖中標(biāo)注，試確定Q點。圖4.2.5例4.2.1電路

解：將已知條件帶入以下兩式

得

mA而IDSS=0.5mA，IDQ不應(yīng)大于IDSS，所以IDQ=(0.95-0.64)mA=0.31mA將IDQ分別代入VGSQ和VDSQ的表達(dá)式，可解得：VGSQ≈0.22V，VDSQ≈8.1V2.動態(tài)分析(1)場效應(yīng)管的小信號模型圖4.2.5場效應(yīng)管的低頻小信號模型由于柵源之間的輸入電阻非常大，認(rèn)為柵極電流為零，輸入回路只有柵源電壓存在。輸出回路是受控源并聯(lián)輸出電阻rds。受控源為電壓控制電流源。一般rds為幾十千歐到幾百千歐，通常可以忽略其影響。該模型僅適用于中低頻段。(2)動態(tài)分析圖4.2.6圖4.2.1(a)電路的小信號等效電路1)電壓增益因vi=vGS，所以式中R’L=Rd//RL。式中Ri是放大電路輸入電阻。2)輸入電阻3)輸出電阻圖4.2.7求解圖4.2.1(a)電路輸出電阻的小信號等效電路

例4.2.2

繪出例4.2.1電路的小信號等效電路，求出該電路的電壓增益、輸入電阻和輸出電阻。解：(1)小信號等效電路如圖4.2.8所示。(2)電壓增益(3)輸入電阻和輸出電阻4.2.2場效應(yīng)管共漏放大電路圖4.2.9共漏極基本放大電路場效應(yīng)管共漏基本放大電路從源極輸出，故又稱為源極輸出器。1.靜態(tài)分析需要滿足，否則管子工作在截止區(qū)。圖4.2.10直流通路假設(shè)工作在恒流區(qū)，即，有聯(lián)立，求出靜態(tài)工作點Q但是要驗證是否滿足如果不滿足，說明假設(shè)錯誤，應(yīng)當(dāng)再假設(shè)工作在可變電阻區(qū)，

則有解出IDQ、VGSQ和VDSQ，注意剔除一組不合理的解2.動態(tài)分析圖4.2.11共漏極低頻小信號等效電路(1)電壓增益式中表明，Av略小于1且接近1，輸出電壓與輸入電壓同相。所以，共漏極放大電路也稱作電壓跟隨器或源極跟隨器。(2)輸入電阻

(3)輸出電阻

圖4.2.12共漏極放大電路的輸出電阻例4.2.3

在圖4.2.9所示的共漏極基本放大電路中，設(shè)VDD=24V，Rs=10kΩ，Rg1=3MΩ，Rg2=5MΩ，Rg3=100MΩ，負(fù)載電阻RL=10kΩ，并且已知場效應(yīng)管在Q處的互導(dǎo)gm=1.8mS，試估算放大電路的電壓增益、輸入電阻和輸出電阻解：

圖4.2.9共漏極基本放大電路4.2.3場效應(yīng)管共柵放大電路1．靜態(tài)分析圖4.2.13N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管共柵極放大電路2．動態(tài)分析圖4.2.14圖4.2.13電路的小信號等效電路(1)電壓增益式中R’L=Rd//RL。(2)輸入電阻(3)輸出電阻

場效應(yīng)管共柵極放大電路的電壓增益為正值，說明輸入、輸出電壓同相；輸入電阻小，輸出電阻大。2．動態(tài)分析4.2.4場效應(yīng)管與晶體管放大電路的比較1.場效應(yīng)管與晶體管的性能比較(1)場效應(yīng)管是電壓控制器件，輸入電阻為107Ω～1015Ω，柵極基本不取電流。而晶體管是電流控制器件，輸入電阻一般小于104Ω，基極必須取一定的電流。因此，對于信號源額定電流極小的情況，應(yīng)選用場效應(yīng)管。

(2)場效應(yīng)管具有較好的溫度穩(wěn)定性、抗輻射性和低噪聲性。

(3)場效應(yīng)管除了和晶體管一樣可作為放大器件及可控開關(guān)外，還可作壓控可變線性電阻使用。

(4)場效應(yīng)管的源極和漏極在結(jié)構(gòu)上是對稱的，可以互換使用；耗盡型MOS管的柵源電壓可正可負(fù)。因此，使用場效應(yīng)管比晶體管(結(jié)構(gòu)不對稱)更為靈活。

(5)場效應(yīng)管制造工藝簡單，占用芯片面積比晶體三極管要小得多，故場效應(yīng)管適合于大規(guī)模集成。

(6)場效應(yīng)管的跨導(dǎo)較小，當(dāng)組成放大電路時，在相同的負(fù)載電阻下，電壓增益比晶體三極管低。2.場效應(yīng)管與晶體管基本放大電路的性能比較組態(tài)對應(yīng)關(guān)系：CEBJTFETCSCCCDCBCG電壓增益：BJTFETCE：CC：CB：CS：CD：CG：輸出電阻：BJTFET輸入電阻：CE：CC：CB：CS：CD：CG：CE：CC：CB：CS：CD：CG：4.2.5場效應(yīng)管放大電路的頻率響應(yīng)1．場效應(yīng)管的高頻小信號模型圖4.2.15場效應(yīng)管的高頻小信號模型

在低頻小信號模型的基礎(chǔ)上增加了三個極間電容，其中柵源電容Cgs、柵漏電容Cgd一般在10pF以內(nèi)，漏源電容Cds一般不到1pF。在MOS管中，襯底B與源極s相連，所以柵極和襯底間的電容Cgb。可以歸納到Cgs中。2.場效應(yīng)管共源放大電路的頻率響應(yīng)

圖4.2.16共源極放大電路

圖4.2.17共源極放大電路的高頻等效電路圖4.2.18圖4.2.17電路的簡化高頻等效電路

因Co遠(yuǎn)小于Ci，故可以忽略Co的影響，得到如圖4.2.19所示的共源極放大電路的高頻簡化電路