南通大学模电课件第五章

第5章 场效应管放大电路 场效应管是一种利用电场效应来控制其电流的半导体器件。,特点：输入阻抗高、热稳定性好、噪声小、抗辐射、制造工艺简单 等优点。MOSFET大规模和超大规模集成电路中占有很重要的地位。,P沟道,耗尽型,P沟道,P沟道,（耗尽型）,场效应管的分类：,5.1.1 N沟道增强型（绝缘栅）MOSFET 1、结构,5.1 金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）,L ：沟道长度,W ：沟道宽度,tox ：绝缘层厚度,通常 W L,符号解释： 虚线表示，只有在加上柵极电压后，才有导电沟道（增强型）； 箭头方向表示从P指向N，由此可判断沟道类型。 g,d,s分别对应于三极管的b极，c极，e极。,5.1.1 N沟道增强型MOSFET（绝缘栅） 1、结构,5.1 金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）,剖面图,符号,绝缘栅型,2、工作原理 1）VGS对工作的影响（设VDS=0）,当VGS=0时，若加上VDS 0，两个PN结有一个反偏，R很大， iD=0,当VGS 0（ 0），绝缘层 平板电容 强电场 排斥空穴（吸引电子），留下负离子。当VGS VT时，未形成导电沟道，这时VDS 0， iD=0,VT 称为开启电压,2、工作原理 1）VGS对工作的影响（设VDS=0）,当VGS 0（ 0），绝缘层 平板电容 强电场 排斥空穴（吸引电子），留下负离子。当VGS VT时，未形成导电沟道，这时VDS 0， iD=0,当VGS VT，吸引足够多的电子N型薄层（反型层、感生沟道），这时若VDS 0，通过感生沟道产生iD。,2. 工作原理,（2）vDS对沟道的控制作用,靠近漏极d处的电位升高,电场强度减小,沟道变薄,当vGS一定（vGS VT ）时，,vDS,ID,沟道电位梯度,整个沟道呈楔形分布,当vGS一定（vGS VT ）时，,vDS,ID,沟道电位梯度,当vDS增加到使vGD=VT 时，在紧靠漏极处出现预夹断。,2. 工作原理,（2）vDS对沟道的控制作用,在预夹断处：vGD=vGS-vDS =VT,预夹断后，vDS,夹断区延长,沟道电阻,ID基本不变,2. 工作原理,（2）vDS对沟道的控制作用,2. 工作原理,（3） vDS和vGS同时作用时,vDS一定，vGS变化时,给定一个vGS ，就有一条不同的 iD vDS 曲线。,3. V-I 特性曲线及大信号特性方程,（1）输出特性及大信号特性方程, 截止区 当vGSVT时，导电沟道尚未形成，iD0，为截止工作状态。, 可变电阻区 vDS（vGSVT） 一个受vGS控制的可变电阻, 饱和区 （恒流区又称放大区）,3. V-I 特性曲线及大信号特性方程,（1）输出特性及大信号特性方程, 饱和区 （恒流区又称放大区）,vGS VT ，且vDS（vGSVT）,是vGS2VT时的iD,V-I 特性：,3. V-I 特性曲线及大信号特性方程,（2）转移特性,5.1.2 N沟道耗尽型MOSFET,1. 结构和工作原理（N沟道）,二氧化硅绝缘层中掺有大量的正离子,可以在正或负的栅源电压下工作，而且基本上无栅流,5.1.2 N沟道耗尽型MOSFET,2. V-I 特性曲线及大信号特性方程,（N沟道增强型）,（N沟道增强型）,5.1.3 P沟道MOSFET,5.1.5 MOSFET的主要参数,一、直流参数,NMOS增强型,1. 开启电压VT （增强型参数）,2. 夹断电压VP （耗尽型参数）,3. 饱和漏电流IDSS （耗尽型参数）,4. 直流输入电阻RGS （1091015 ）,二、交流参数,1. 输出电阻rds,当不考虑沟道调制效应时，0，rds,5.1.5 MOSFET的主要参数,2. 低频互导gm,二、交流参数,考虑到,则,其中,5.1.5 MOSFET的主要参数,作业： 5.1.2 5.1.3,三、极限参数,1. 最大漏极电流IDM,2. 最大耗散功率PDM,3. 最大漏源电压V（BR）DS,4. 最大栅源电压V（BR）GS,5.2 MOSFET放大电路,5.2.1 MOSFET放大电路,1. 直流偏置及静态工作点的计算,2*. 图解分析,3. 小信号模型分析,5.2.1 MOSFET放大电路,1. 直流偏置及静态工作点的计算,（1）简单的共源极放大电路（N沟道）,直流通路,共源极放大电路,5.2.1 MOSFET放大电路,1. 直流偏置及静态工作点的计算,（1）简单的共源极放大电路（N沟道）,才工作在饱和区。,只有满足,如果VGS VT ，则工作在截止区,（饱和区）,5.2.1 MOSFET放大电路,1. 直流偏置及静态工作点的计算,（1）简单的共源极放大电路（N沟道）,假设工作在饱和区，即,验证是否满足,如果不满足，则说明假设错误,须满足VGS VT ，否则工作在截止区,再假设工作在可变电阻区,即,假设工作在饱和区,满足,假设成立，结果即为所求。,解：,例：,设Rg1=60k，Rg2=40k，Rd=15k，,试计算电路的静态漏极电流IDQ和漏源电压VDSQ 。,VDD=5V， VT=1V，,5.2.1 MOSFET放大电路,1. 直流偏置及静态工作点的计算,饱和区,需要验证是否满足,（2）带源极电阻的NMOS共源极放大电路,5.2.1 MOSFET放大电路,3. 小信号模型分析,（1）模型,=0时,高频小信号模型,3. 小信号模型分析,解：书例5.2.2的直流分析已求得：,（2）放大电路分析（例5.2.5）,s,3. 小信号模型分析,（2）放大电路分析（例5.2.5）,s,3. 小信号模型分析,（2）放大电路分析（例5.2.6）,共漏,3. 小信号模型分析,（2）放大电路分析,end,5.3 结型场效应管,5.3.1 JFET的结构和工作原理,5.3.2 JFET的特性曲线及参数,5.3.3 JFET放大电路的小信号模型分析法,5.3.1 JFET的结构和工作原理,1. 结构,# 符号中的箭头方向表示什么？,2. 工作原理, vGS对沟道的控制作用,当vGS0时,（以N沟道JFET为例）,当沟道夹断时，对应的栅源电压vGS称为夹断电压VP （ 或VGS(off) ）。,对于N沟道的JFET，VP 0。,PN结反偏,耗尽层加厚,沟道变窄。,vGS继续减小，沟道继续变窄。,2. 工作原理,（以N沟道JFET为例）, vDS对沟道的控制作用,当vGS=0时，,vDS,ID ,G、D间PN结的反向电压增加，使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，从上至下呈楔形分布。,当vDS增加到使vGD=VP 时，在紧靠漏极处出现预夹断。,此时vDS ,夹断区延长,沟道电阻,ID基本不变,2. 工作原理,（以N沟道JFET为例）, vGS和vDS同时作用时,当VP vGS0 时，导电沟道更容易夹断，,对于同样的vDS ， ID的值比vGS=0时的值要小。,在预夹断处,vGD=vGS-vDS =VP,综上分析可知,沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电， 所以场效应管也称为单极型三极管。,JFET是电压控制电流器件，iD受vGS控制。,预夹断前iD与vDS呈近似线性关系；预夹断后， iD趋于饱和。,# 为什么JFET的输入电阻比BJT高得多？,JFET栅极与沟道间的PN结是反向偏置的，因 此iG0，输入电阻很高。,5.3.2 JFET的特性曲线及参数,2. 转移特性,1. 输出特性,与MOSFET类似,3. 主要参数,5.3.2 JFET的特性曲线及参数,5.3.3 FET放大电路的小信号模型分析法,1. FET小信号模型,（1）低频模型,（2）高频模型,2. 动态指标分析,（1）低频小信号模型,2. 动态指标分析,（2）低频电压增益,（3）输入电阻,（4）输出电阻,忽略 rds，,由输入输出回路得,则,end,5.5 各种场效应管的比较 从转移特性看N/P沟道、耗尽/增强型FET管的开启电压/夹断电压及栅极偏置。,使用注意事项： 1）衬底的连接：P沟道高电位；N沟道低电位；常将源极和衬底相连。 2）对FET，一般D、S可互换；若衬底与源极已连接在一起，则不能互换。 3）JFET的栅压不能接反，可开路保存；而绝缘栅型需各极间短路保存。 4）MOS管在焊接时须注意外电场的影响，（烙铁断电后再焊接）。,小结： FET使用中应记住：栅压控制、基本无栅流，以及各种类型的VGS和VDS的极性和电压范围。 VDS的极性取决于导通沟道的类型：N沟道VDS 0；P沟道VDS 0。 VGS的极性取决于工作方式和导电沟导类型： J型：N沟道VGS 0；P型VGS 0 MOS管：耗尽型VGS 0或VGS 0； 增强型：N沟道VGSVT；P沟道VGS VT 增强型的MOS管VGS与VDS同极性；耗尽型的MOS管的VGS与VDS有同极性和反极性两种。,例1：已知某场效应管的输出特性如图所示。由图中给出的数据来判断 1）它是哪种类型的场效应管？ 2）其夹断电压VP或开启电压VT是多少？ 3）若是耗尽型的话，它的IDSS是多少？ 解：1） 由于VGS可正可负， 是耗尽型的MOSFET 又 VGS从负往正变化时， iD相应地由大变小， 是P沟道 2）VP=1.5V 3）对应于VGS=0的iD，即IDSS 12mA,