中北大学模电场效应管及其基本放大电路课件

第 3章场效应管及其基本放大路,3.1 结型场效应管,3.3 场效应管放大电路,3.2 绝缘栅场效应管,3. 1 结型场效应管,引 言,3.1.1 结型场效应管的结构及类型,3.1.3 结型场效应管的伏安特性,3.1.2 结型场效应管的工作原理,3.1.4 结型场效应管的主要参数,引 言,场效应管 FET (Field Effect Transistor),类型：,特点：,1. 单极性器件(一种载流子导电),3. 工艺简单、易集成、功耗小、 体积小、成本低,2. 输入电阻高 (107 1015 ，IGFET 可高达 1015 ),3.1 结型场效应管,3.1.1 结型场效应管的结构及类型,N 沟道 JFET,P 沟道 JFET,3.1.2 结型场效应管的工作原理,1. 当uDS=0时，栅源电压uGS对导电沟道的控制作用,uGS=0 UGS（off）uGS0 uGS UGS（off）,2. 当uGS=0时，漏源电压uDS对导电沟道的影响,UGS（off）uDS0 uDS=UGS（off） uDSUGS（off）,3. 当uGS0、uDS0时，栅源电压uGS对漏极电流iD的控制作用,uGS 0，uDS 0,此时 uGD = UGS(off)；,沟道楔型,耗尽层刚相碰时称预夹断。,当 uDS ，预夹断点下移。,3.1.3 结型场效应管的伏安特性,1. 输出特性,2. 转移特性,UGS(off)uGS0和管子工作在恒流区的条件下,3.1.4 结型场效应管的主要参数,1. 直流参数,(1) 夹断电压UGS（off） 指 uDS = 某值，使漏极电流 iD 为某一小电流时的 uGS 值。,结型型场效应管，当 uGS = 0 时所对应的漏极电流。,(2) 饱和漏极电流IDSS,(3) 直流输入电阻RGS(DC),是指漏源电压为零时，栅源电压与栅极电流之比。结型场效应管的RGS(DC)一般大于107。,反映了uGS 对 iD 的控制能力，单位 S(西门子)。一般为几毫西 (mS),2. 交流参数,(1) 低频跨导gm,(2) 极间电容,CGS约为13pF，而CGD约为0.11pF,3. 极限参数,(1) 最大漏极电流IDM,(2) 最大漏源电压U(BR)DS,(3) 最大栅源电压U(BR)GS,(4) 最大耗散功率PDM,PDM = uDS iD，受温度限制。,3.2 绝缘栅场效应管,1、增强型 N 沟道 MOSFET (Mental Oxide Semi FET),1. 结构与符号,P 型衬底,(掺杂浓度低),用扩散的方法 制作两个 N 区,在硅片表面生一层薄 SiO2 绝缘层,用金属铝引出 源极 S 和漏极 D,在绝缘层上喷金属铝引出栅极 G,S 源极 Source,G 栅极 Gate,D 漏极 Drain,3.2.1 增强型MOS管,2. 工作原理,反型层 (沟道),(1) 导电沟道的形成,uGS=0,uGS0 且uGSUGS(th),1) uGS 对导电沟道的影响 (uDS = 0),a. 当 UGS = 0 ，DS 间为两个背对背的 PN 结；,b. 当 0 UGS UGS(th)(开启电压)时，GB 间的垂 直电场吸引 P 区中电子形成离子区(耗尽层)；,c. 当 uGS UGS(th) 时，衬底中电子被吸引到表面，形成导电沟道。 uGS 越大沟道越厚。,(2) 栅源电压对漏极电流的控制作用(uGS UGS(th),DS 间的电位差使沟道呈楔形，uDS，靠近漏极端的沟道厚度变薄。,预夹断(UGD = UGS(th)：漏极附近反型层消失。,预夹断发生之前： uDS iD。,预夹断发生之后：uDS iD 不变。,(1) 输出特性,可变电阻区,uDS uGS UGS(th),uDS iD ，直到预夹断,饱和(放大区),uDS，iD 不变,uDS 加在耗尽层上，沟道电阻不变,截止区,uGS UGS(th) 全夹断 iD = 0,截止区,饱和区,可 变 电 阻 区,放大区,恒流区,O,3. 伏安特性,(2) 转移特性,UDS = 10 V,UGS (th),当 uGS UGS(th) 时：,uGS = 2UGS(th) 时的 iD 值,开启电压,O,二、耗尽型 N 沟道 MOSFET,Sio2 绝缘层中掺入正离子在 uGS = 0 时已形成沟道；在 DS 间加正电压时形成 iD，,uGS UGS(off) 时，全夹断。,输出特性,转移特性,IDSS,UGS(off),夹断 电压,饱和漏 极电流,当 uGS UGS(off) 时，,O,三、P 沟道 MOSFET,增强型,耗尽型,N 沟道增强型,P 沟道增强型,N 沟道耗尽型,P 沟道耗尽型,IDSS,FET 符号、特性的比较,N 沟道结型,P 沟道结型,3.1.3 场效应管的主要参数,开启电压 UGS(th)(增强型) 夹断电压 UGS(off)(耗尽型),指 uDS = 某值，使漏极 电流 iD 为某一小电流时 的 uGS 值。,UGS(th),2. 饱和漏极电流 IDSS,耗尽型场效应管，当 uGS = 0 时所对应的漏极电流。,UGS(th),3. 直流输入电阻 RGS,指漏源间短路时，栅、源间加 反向电压呈现的直流电阻。,JFET：RGS 107 ,MOSFET：RGS = 109 1015,4. 低频跨导 gm,反映了uGS 对 iD 的控制能力， 单位 S(西门子)。一般为几毫西 (mS),O,PDM = uDS iD，受温度限制。,5. 漏源动态电阻 rds,6. 最大漏极功耗 PDM,3.2.3 场效应管与晶体管的比较,【例3-1】 已知某场效应管的转移特性曲线如图3-15 所示，试确定场效应管的类型。,UGS（th）=2V,为N沟道增强型MOS管。,【例3-2】 电路如图3-16(a)所示，场效应管的输出特性如图3-16(b)所示，分析当uI3V、8V、12V三种情况下场效应管分别工作在什么区域。,解：,UGS（th）=5V,uGSuI,当uI3V时，uGS小于开启电压， 即uGSUGS(th)，故场效应管截止。,当uI8V时，uGSUGS(th)，场效应管导通，假设场效应管工作在恒流区，根据输出特性可知iD0.6mA，则管压降 uDSVDDiDRd=120.6×3.310V,uGSUGS(th)=8V5V=3V， 所以，uDSuGSUGS(th)， 说明假设成立，即场效应管工作在恒流区。,因为：uDS10V,当uI12V时，uGSUGS(th)，场效应管导通，,假设场效应管工作在恒流区,可知，当UGS=12V时,iD4mA,则：uDS=VDDiDRd=124×3.31.2V,而电路实际的uDS0,所以：假设不正确，实际的iD小于4mA,故场效应管工作在可变电阻区。,【例3-3】 图3-17所示电路，已知RD=3.3k，RG=100k， VDD=10V，VGG=2V，场效应管的UGS(off)=5V，IDSS=3mA， 试分析场效应管工作在什么区域。,解：,UGSQ=VGG=2VUGS(off),场效应管导通,假设场效应管工作在恒流区,UGSQUGS(off)= 2(5)=3V,UDSQUGSQUGS(off),假设正确,3. 3 场效应管放大电路,3.3.2 场效应管放大电路的动态分析,3.3.1 场效应管放大电路的直流偏置与静态分析,3.2.1 场效应管放大电路,三种组态：,共源、共漏、共栅,特点：,输入电阻极高， 噪声低，热稳定性好,1. 固定偏压放大电路,一、电路的组成,（1）合适的偏置 （2）能输入能输出,三种组态：,共源、共漏、共栅,三种组态：,共源、共漏、共栅,三种组态：,共源、共漏、共栅,栅极电阻 RG 的作用：,(1)为栅偏压提供通路,(2)泻放栅极积累电荷,源极电阻 RS 的作用：,提供负栅偏压,漏极电阻 RD 的作用：,把 iD 的变化变为 uDS 的变化,+VDD,RD,C2,CS,+,+,+ uo ,C1,+ ui ,RG,RS,G,S,D,RL,2.自给偏压放大电路,UDSQ = VDD IDQ(RS + RD),UGSQ = IDQRS,二、静态分析,1.估算法,2.图解法, 在输出特性上作直流负载线, 作负载转移特性曲线, 作输入回路的直流负载线, 确定静态工作点 转移特性曲线与输入回路的直 流负载线的交点即为静态工作点Q，Q点对应的横坐 标值即为UGSQ，纵坐标值即为IDQ，再根据IDQ在 输出特性曲线上求出静态工作点Q，确定UDSQ。,(a) 转移特性曲线 (b) 输出特性曲线,图 自给偏压电路Q点的图解,1. 场效应管的等效电路,三、动态分析,场效应管电路小信号等效电路分析法,移特性可知，gm是转移特性在静态工作点Q处,gm为低频跨导，反映了管子的放大能力，从转,切线的斜率.,rds为场效应管的共漏极输出电阻，为输出特性在 Q点处的切线斜率的倒数，如图所示，通常rds在 几十千欧到几百千欧之间。,从输入端口看入，相当于电阻 rgs()。,从输出端口看入为受 ugs 控制的电流源。,id = gmugs,小信号模型,根据,2. 场效应管放大电路 的微变等效电路,RL,RD,+ uo ,+ ui ,G,S,D,+ ugs ,gmugs,id,ii,RG,3.计算放大电路的动态指标,注意：自给偏压电路只适用耗尽型场效应管放大电路,3.2.2 分压式自偏压放大电路,调整电阻的大小，可获得：,UGSQ 0,UGSQ = 0,UGSQ 0,RL,+VDD,RD,C2,CS,+,+,+ uo ,C1,+ ui ,RG2,RS,G,S,D,RG1,一、电路组成,二、静态分析,UDSQ = VDD IDQ(RS + RD),三、动态分析,RL,RD,+ uo ,+ ui ,RG2,G,S,D,RG1,+ ugs ,gmugs,id,ii,四、改进电路,目的：为了提高输入电阻,有 CS 时：,无 CS 时：,RS,Ri、Ro 不变,3.2.3共漏放大电路,io,Ro,例 耗尽型 N 沟道 MOS 管，RG = 1 M， RS = 2 k，RD= 12 k ，VDD = 20 V。 IDSS = 4 mA，UGS(off) = 4 V，求 iD 和 uO 。,iG = 0, uGS = iDRS,iD1= 4 mA,iD2= 1 mA,uGS = 8 V, UGS(off),增根,uGS = 2 V,uDS = VDD iD(RS + RD) = 20 14 = 6 (V),uO = VDD iD RD = 20 14 = 8 (V),在放大区,例 已知 UGS(off)= 0.8 V，IDSS = 0.18 mA， 1. 求“Q”。2.求AU,Ri,RO,解方程得：IDQ1 = 0.69 mA，UGSQ = 2.5V (增根，舍去),IDQ2 = 0.45 mA ， UGSQ = 0.4 V,例gm= 0.65 mA/V，ui = 20sint (mV)，求交流输出 uo。,+ ,RD,G,D,S,RG,RS,iD,+ uO ,+ VDD ,ui,VGG,10 k,4 k,交流通路,小信号等效电路,ui = ugs+ gmugsRS,ugs= ui / (1 + gmRS),uo = gmui R