模块三 场效应管及放大电路.ppt

12 场效应管是利用电场效应来控制电流大场效应管是利用电场效应来控制电流大小，与双极型晶体管不同，它是只有一种小，与双极型晶体管不同，它是只有一种载流子（多子）导电，输入阻抗高，温度载流子（多子）导电，输入阻抗高，温度稳定性好、噪声低稳定性好、噪声低结型场效应管结型场效应管JFET绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管MOS场效应管有两种场效应管有两种:引言：引言：3N沟道沟道P沟道沟道增强型增强型耗尽型耗尽型N沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道（耗尽型）（耗尽型）FET场效应管场效应管JFET结型结型MOSFET绝缘栅型绝缘栅型(IGFET)场效应管分类：场效应管分类：4结型场效应管结型场效应管  结构结构  工作原理工作原理  输出特性输出特性  转移特性转移特性  主要参数主要参数JFET的结构和工作原理的结构和工作原理JFET的特性曲线及参数的特性曲线及参数 5JFET的结构和工作原理的结构和工作原理1. 结构结构 N基底基底 ：：N型半导体型半导体PP两边是两边是P区区G(栅极栅极)S源极源极D漏极漏极导电沟道导电沟道6NPPG(栅极栅极)D漏极漏极N沟道结型场效应管沟道结型场效应管DGSDGS7S源极源极PNNG(栅极栅极)D漏极漏极P沟道结型场效应管沟道结型场效应管DGSDGS8UDS=0V时时1、VDS=0，G、S加负电压：NGSDUDS=0UGSNNPPIDPN结反偏，结反偏，|UGS|越大则耗尽区越越大则耗尽区越宽，导电沟道越宽，导电沟道越窄。

窄二、工作原理（以二、工作原理（以N沟道为例）沟道为例）9NGSDUDS=0UGSPPUDS=0时时UGS达到一定值时达到一定值时（（夹断电压夹断电压VP））,耗耗尽区碰到一起，尽区碰到一起，DS间被夹断，间被夹断，这时，即这时，即使使UDS   0V，，漏极电漏极电流流ID=0AID10NGSDUDSUGS=0UGS=0且且UDS>0时时耗尽区的形状耗尽区的形状PP越靠近漏端，越靠近漏端，PN结反压越大结反压越大ID2、VGS=0，D、S加正电压：11NGSDUDSNNIDPPUGS越大耗尽区越越大耗尽区越宽，沟道越窄，电宽，沟道越窄，电阻越大但当但当UGS较小时，耗尽较小时，耗尽区宽度有限，存在导区宽度有限，存在导电沟道DS间相当于间相当于线性电阻线性电阻3、G、S加负电压，D、S加正电压：UGS12NGSDUDSUGS

予夹断UDS增大则被夹断增大则被夹断区向下延伸区向下延伸IDUGS14NGSDUDSUGS

沟道变窄 VGS继续减小，沟道继续减小，沟道继续变窄继续变窄19工作原理工作原理②② VDS对沟道的控制作用对沟道的控制作用当当VGS=0时，时，VDS  ID   G、、D间间PN结的反向电结的反向电压增加，使靠近漏极处的压增加，使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，耗尽层加宽，沟道变窄，从上至下呈楔形分布从上至下呈楔形分布 当当VDS增加到使增加到使VGD=VP 时，在紧靠漏极处出现预时，在紧靠漏极处出现预夹断此时此时VDS  夹断区延长夹断区延长沟道电阻沟道电阻 ID基本不变基本不变20工作原理工作原理③③ VGS和和VDS同时作用时同时作用时当当VP

•JFETJFET是电压控制电流器件，是电压控制电流器件，i iD D受受v vGSGS控制控制•预夹断前预夹断前i iD D与与v vDSDS呈近似线性关系；预夹断后，呈近似线性关系；预夹断后， i iD D趋于饱和趋于饱和• JFET JFET栅极与沟道间的栅极与沟道间的PNPN结是反向偏置的，因结是反向偏置的，因 此此i iG G 0 0，输入电阻很高输入电阻很高22JFET的特性曲线及参数的特性曲线及参数VP1. 输出特性输出特性 输输出出特特性性曲曲线线用用来来描描述述vGSGS取取一一定定值值时时，，电电流流iD D和和电电压压vDSDS间间的的关系，它反映了漏极电压关系，它反映了漏极电压vDSDS对对iD D的影响即的影响即可可变变电电阻阻区区:栅栅源源电电压压越越负负，，漏漏源源间间的的等等效效电电阻阻越越大大，，输出特性越倾斜输出特性越倾斜线线性性放放大大区区：：饱饱和和区区，，恒恒流流区区，，FET用用作作放放大大电电路路的工作区的工作区击击穿穿区区：：栅栅源源间间的的PN结结发发生生雪雪崩崩击击穿穿，，管管子子不不能能正正常工作23?????? JFETJFET有正常放大作用时，沟道处于什么状态？有正常放大作用时，沟道处于什么状态？有正常放大作用时，沟道处于什么状态？有正常放大作用时，沟道处于什么状态？JFET的特性曲线及参数的特性曲线及参数2. 转移特性转移特性 VP在一定的在一定的vDS下，下，vGS对对iD的控制特性。

的控制特性实验表明，在实验表明，在VP≤VGS≤0范范围内，即内，即饱和区内，有：和区内，有：vDS=10V24①① 夹断电压夹断电压VP (或或VGS(off))：：②② 饱和漏极电流饱和漏极电流IDSS：： ③③ 低频跨导低频跨导gm：：或或3. 主要参数主要参数漏极电流约为零时的漏极电流约为零时的VGS值值 在在v vDSDS= =常数时，常数时，i iD D的微变量和的微变量和v vGSGS的微变量之比的微变量之比④④ 输出电阻输出电阻rd：：在在v vGSGS=0=0的情况下，当的情况下，当v vDSDS>|V>|VP P| |时的漏极电流时的漏极电流I IDSSDSS是是JFETJFET所所能输出的最大电流能输出的最大电流反映了反映了vDS对对iD的影响互导反映了栅源电压对漏极电流的控制能力互导反映了栅源电压对漏极电流的控制能力253. 主要参数主要参数⑤⑤ 直流输入电阻直流输入电阻RGS：：在漏源之间短路的条件下，栅源之间加一定电压时的栅源在漏源之间短路的条件下，栅源之间加一定电压时的栅源直流电阻就是直流输入电阻直流电阻就是直流输入电阻R RGSGS⑧⑧ 最大漏极功耗最大漏极功耗PDM⑥⑥ 最大漏源电压最大漏源电压V(BR)DS⑦⑦ 最大栅源电压最大栅源电压V(BR)GS发生雪崩击穿、发生雪崩击穿、i iD D开始急剧上升时的开始急剧上升时的v vDSDS值。

值指输入指输入PNPN结反向电流开始急剧增加时的结反向电流开始急剧增加时的v vGSGS值JFETJFET的耗散功率等于的耗散功率等于v vDSDS与与i iD D的乘积P PDMDM受管子最高工作温受管子最高工作温度的限制度的限制26 结型场效应管的缺点：结型场效应管的缺点：1. 栅源极间的电阻虽然可达栅源极间的电阻虽然可达107以上，但在以上，但在某些场合仍嫌不够高某些场合仍嫌不够高3. 栅源极间的栅源极间的PN结加正向电压时，将出现结加正向电压时，将出现较大的栅极电流较大的栅极电流绝缘栅场效应管可以很好地解决这些问题绝缘栅场效应管可以很好地解决这些问题2. 在高温下，在高温下，PN结的反向电流增大，栅源结的反向电流增大，栅源极间的电阻会显著下降极间的电阻会显著下降27金属－氧化物－半导体金属－氧化物－半导体 （（MOSMOS）场效应管）场效应管MOSFETMOSFET简称简称MOSMOS管，它有管，它有N N沟道和沟道和P P沟道之分，沟道之分，其中每一类又可分为增强型和耗尽型两种其中每一类又可分为增强型和耗尽型两种耗尽型：当耗尽型：当vGS＝＝0时，存在导电沟道，时，存在导电沟道，iD 0。

增强型：当增强型：当vGS＝＝0时，没有导电沟道，时，没有导电沟道，iD＝＝028N N沟道增强型沟道增强型MOSFETMOSFET1 1．结构．结构PNNGSDP型基底型基底两个两个N区区SiO2绝缘层绝缘层导电沟道导电沟道金属铝金属铝GSDN沟道增强型沟道增强型29N 沟道耗尽型沟道耗尽型PNNGSD予埋了导予埋了导电沟道电沟道 GSD30NPPGSDGSDP 沟道增强型沟道增强型31P 沟道耗尽型沟道耗尽型NPPGSDGSD予埋了导予埋了导电沟道电沟道 322 2．工作原理．工作原理JFET是利用是利用PN结反向电压对耗尽层厚度的控结反向电压对耗尽层厚度的控制，来改变导电沟道的宽窄，从而控制漏极电制，来改变导电沟道的宽窄，从而控制漏极电流的大小而流的大小而MOSFET则是利用栅源电压的大则是利用栅源电压的大小，来改变半导体表面感生电荷的多少，从而小，来改变半导体表面感生电荷的多少，从而控制漏极电流的大小控制漏极电流的大小332 2．工作原理．工作原理（以（以N 沟道增强型为例）沟道增强型为例）PNNGSDVDSVGSVGS=0时时D-S 间相当于间相当于两个反接的两个反接的PN结结ID=0对应截止区对应截止区34PNNGSDVDSVGSVGS>0时时VGS足够大时足够大时（（VGS>VT）感）感应出足够多电子，应出足够多电子，这里出现以电子这里出现以电子导电为主的导电为主的N型型导电沟道。

导电沟道感应出电子感应出电子VT称为开启电压称为开启电压35VGS较小时，导较小时，导电沟道相当于电电沟道相当于电阻将阻将D-S连接起连接起来，来，VGS越大此越大此电阻越小电阻越小PNNGSDVDSVGS36PNNGSDVDSVGS当当VDS不太大时，不太大时，导电沟道在两导电沟道在两个个N区间是均匀区间是均匀的当当VDS较大时，较大时，靠近靠近D区的导区的导电沟道变窄电沟道变窄37PNNGSDVDSVGS夹断后，即夹断后，即使使VDS 继续继续增加，增加，ID仍仍呈恒流特性呈恒流特性IDVDS增加，增加，VGD=VT 时，靠时，靠近近D端的沟道被夹断，称端的沟道被夹断，称为予夹断为予夹断38输出特性曲线输出特性曲线3 3．特性曲线（．特性曲线（增强型增强型N沟道沟道MOS管管））可变电可变电阻区阻区击穿区击穿区IDU DS0UGS=5V4V-3V3V-5V线性放线性放大区大区39转移特性曲线转移特性曲线3 3．特性曲线（．特性曲线（增强型增强型N沟道沟道MOS管管））0IDUGSVT在恒流区（线性在恒流区（线性放大区，即放大区，即VGS＞＞VT时有：时有：ID0是是vGS=2VT时时的的iD值。

值40N N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFETMOSFET耗尽型的耗尽型的MOS管管UGS=0时就有导电沟道，加反向时就有导电沟道，加反向电压才能夹断电压才能夹断转移特性曲线转移特性曲线0IDUGSVT41输出特性曲线输出特性曲线IDU DS0UGS=0UGS<0UGS>042场效应管放大电路场效应管放大电路  直流偏置电路直流偏置电路  静态工作点静态工作点  FET小信号模型小信号模型  动态指标分析动态指标分析  三种基本放大电路的性能比较三种基本放大电路的性能比较FET的直流偏置及静态分析的直流偏置及静态分析FET放大电路的小信号模型分析法放大电路的小信号模型分析法 43场效应管的基本电路场效应管的基本电路(1) 静态：适当的静态工作点，使场效应管工作静态：适当的静态工作点，使场效应管工作在恒流区，场效应管的偏置电路相对在恒流区，场效应管的偏置电路相对简单 (2) 动态：能为交流信号提供通路动态：能为交流信号提供通路组成原则：组成原则：静态分析：静态分析： 估算法、图解法估算法、图解法动态分析：动态分析： 微变等效电路法。

微变等效电路法分析方法：分析方法：场效应管的直流偏置电路和静态工作点场效应管的直流偏置电路和静态工作点44场效应管的微变等效电路场效应管的微变等效电路GSD跨导跨导漏极输出电阻漏极输出电阻uGSiDuDS45很大，很大，可忽略 场效应管的微变等效电路为：场效应管的微变等效电路为：GSDuGSiDuDSSGDugsgmugsudsSGDrDSugsgmugsuds462. 静态工作点静态工作点Q点：点： VGS 、、 ID 、、 VDSvGS =VDS =已知已知VP ，由，由VDD- ID (Rd + R )- iDR可解出可解出Q点的点的VGS 、、 ID 、、 VDS 47场效应管的分压式自偏压放大电路场效应管的分压式自偏压放大电路一、静态分析一、静态分析求：求：UDS和和 ID设：设：UG>>UGS则：则：UG US而：而：IG=0所以：所以：UDD=20VuoRSuiCSC2C1R1RDRGR2RL150k50k1M10k10kGDS10k48uoUDD=20VRSuiCSC2C1R1RDRGR2RL150k50k1M10k10kGDS10k二、动态分析二、动态分析sgR2R1RGRL'dRLRD微变等效电路微变等效电路49sgR2R1RGRL'dRLRDro=RD=10k 50源极输出器源极输出器uo+UDDRSuiC1R1RGR2RL150k50k1M10kDSC2G一、静态分析一、静态分析US UGUDS=UDD- US =20-5=15V51uo+UDDRSuiC1R1RGR2RL150k50k1M10kDSC2Griro ro gR2R1RGsdRLRS微变等效电路微变等效电路二、动态分析二、动态分析52riro ro gR2R1RGsdRLRS微变等效电路微变等效电路输入电阻输入电阻 ri53输出电阻输出电阻 ro加压求流法加压求流法gd微变等效电路微变等效电路ro ro R2R1RGsRS543. 三种基本放大电路的性能比较三种基本放大电路的性能比较组态对应关系：组态对应关系：CEBJTFETCSCCCDCBCGBJTFET电压增益：电压增益：CE：：CC：：CB：：CS：：CD：：CG：：55输出电阻：输出电阻：3. 三种基本放大电路的性能比较三种基本放大电路的性能比较BJTFET输入电阻：输入电阻：CE：：CC：：CB：：CS：：CD：：CG：：CE：：CC：：CB：：CS：：CD：：CG：：56场效应管放大电路小结场效应管放大电路小结(1) 场效应管放大器输入电阻很大。

场效应管放大器输入电阻很大2) 场效应管共源极放大器场效应管共源极放大器(漏极输出漏极输出)输入输入输出反相，电压放大倍数大于输出反相，电压放大倍数大于1；输出电；输出电阻阻=RD3) 场效应管源极跟随器输入输出同相，电场效应管源极跟随器输入输出同相，电压放大倍数小于压放大倍数小于1且约等于且约等于1；输出电阻；输出电阻小。