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1、第三章 场效应管放大器 绝缘栅场效应管 结型场效应管 3.2 场效应管放大电路 效应管放大器的静态偏置 效应管放大器的交流小信号模型 效应管放大电路 3.1 场效应管 3.1 场效应管 BJT是一种电流控制元件(iB iC),工作时,多数载流 子和少数载流子都参与运行,所以被称为双极型器件。 场效应管(Field Effect Transistor简称FET)是一种 电压控制器件(uGS iD) ,工作时,只有一种载流子参与 导电,因此它是单极型器件。 FET因其制造工艺简单,功耗小,温度特性好,输入 电阻极高等优点,得到了广泛应用。 FET分类: 绝缘栅场效应管 结型场效应管 增强型 耗尽型
2、 N沟道 P沟道 N沟道 P沟道 N沟道 P沟道 一. 绝缘栅场效应管 绝缘栅型场效应管 ( Metal Oxide Semiconductor FET) ,简称MOSFET。分为: 增强型 N沟道、P沟道 耗尽型 N沟道、P沟道 1.N沟道增强型MOS管 (1)结构 4个电极:漏极D, 源极S,栅极G和 衬底B。 符号: 当uGS0V时纵向电场 将靠近栅极下方的空穴向 下排斥耗尽层。 (2)工作原理 当uGS=0V时,漏源之间相当两个背靠背的 二极管,在 d、s之间加上电压也不会形成电流,即管子截止。 再增加uGS纵向电场 将P区少子电子聚集到 P区表面形成导电沟道, 如果此时加有漏源电压,
3、 就可以形成漏极电流id。 栅源电压uGS的控制作用 定义: 开启电压( UT)刚刚产生沟道所需的 栅源电压UGS。 N沟道增强型MOS管的基本特性: uGS UT,管子截止, uGS UT,管子导通。 uGS 越大,沟道越宽,在相同的漏源电压uDS作 用下,漏极电流ID越大。 转移特性曲线: iD=f(uGS)uDS=const 可根据输出特性曲线作出移特性曲线。 例:作uDS=10V的一条转移特性曲线: UT 一个重要参数跨导gm: gm=iD/uGS uDS=const (单位mS) gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。 在转移特性曲线上, gm为的曲线的斜率。 在输出特性曲线
4、上也可求出gm。 2.N沟道耗尽型MOSFET 特点: 当uGS=0时,就有沟道, 加入uDS,就有iD。 当uGS0时,沟道增宽 ,iD进一步增加。 当uGS0时,沟道变窄 ,iD减小。 在栅极下方的SiO2层中掺入了大量的金属正离子。所以当 uGS=0时,这些正离子已经感应出反型层,形成了沟道。 定义: 夹断电压( UP)沟道刚刚消失所需的栅源电压uGS。 3、P沟道耗尽型MOSFET P沟道MOSFET的工作原理与N沟道 MOSFET完全相同,只不过导电的载流 子不同,供电电压极性不同而已。这如同 双极型三极管有NPN型和PNP型一样。 4. MOS管的主要参数 (1)开启电压UT (2
5、)夹断电压UP (3)跨导gm :gm=iD/uGS uDS=const (4)直流输入电阻RGS 栅源间的等效 电阻。由于MOS管栅源间有sio2绝缘层 ,输入电阻可达1091015。 二. 结型场效应管 1. 结型场效应管的结构(以N沟为例): 两个PN结夹着一个N型沟道。 三个电极: g:栅极 d:漏极 s:源极 符号: N沟道P沟道 2. 结型场效应管的工作原理 (1)栅源电压对沟道的控制作用 在栅源间加负电压uGS ,令 uDS =0 当uGS=0时,为平衡PN结,导电 沟道最宽。 当uGS时,PN结反偏,耗尽层 变宽,导电沟道变窄,沟道电阻 增大。 当uGS到一定值时 ,沟道会完
6、全合拢。 定义: 夹断电压UP使导电沟道完全 合拢(消失)所需要的栅源电压 uGS。 (2)漏源电压对沟道的控制作用 在漏源间加电压uDS ,令uGS =0 由于uGS =0,所以导电沟道最宽。 当uDS=0时, iD=0。 uDSiD 靠近漏极处的耗尽层加宽 ,沟道变窄,呈楔形分布。 当uDS ,使uGD=uG S- uDS=UP时, 在靠漏极处夹断预夹断。 预夹断前, uDSiD 。 预夹断后, iDSiD 几乎不变。 uDS再,预夹断点下移。 (3)栅源电压uGS和漏源电压uDS共同作用 iD=f( uGS 、uDS),可用输两组特性曲线来描绘。 (1)输出特性曲线: iD=f( uDS
7、 )uGS=常数 3、 结型场效应三极管的特性曲线 uGS=0V uGS=-1V 设:UT= -3V 四个区 : 恒流区的特点: iD / uGS = gm 常数 即: iD = gm uGS (放大原理) (a)可变电阻区 (预夹断前)。 (b)恒流区也称饱和 区(预夹断 后)。 (c)夹断区(截止区)。 (d)击穿区。 可变电阻区 恒流区 截止区 击穿区 (2)转移特性曲线: iD=f( uGS )uDS=常数 可根据输出特性曲线作出移特性曲线。 例:作uDS=10V的一条转移特性曲线: 4 .场效应管的主要参数 (1) 开启电压UT UT 是MOS增强型管的参数,栅源电压小于开启电压的绝
8、对值, 场效应管不 能导通。 (2)夹断电压UP UP 是MOS耗尽型和结型FET的参数,当uGS=UP时,漏极电流为零。 (3)饱和漏极电流IDSS MOS耗尽型和结型FET, 当uGS=0时所对应的漏极电流。 (4)输入电阻RGS 结型场效应管,RGS大于107,MOS场效应管, RGS可达1091015。 (5) 低频跨导gm gm反映了栅压对漏极电流的控制作用,单位是mS(毫西门子)。 (6) 最大漏极功耗PDM PDM= UDS ID,与双极型三极管的PCM相当。 5 .双极型和场效应型三极管的比较 双极型三极管 单单极型场场效应应管 载载流子多子扩扩散少子漂移 少子漂移 输输入量电
9、电流输输入电压输电压输 入 控制电电流控制电电流源电压电压 控制电电流源 输输入电电阻几十到几千欧几兆欧以上 噪声较较大较较小 静电电影响不受静电电影响易受静电电影响 制造工艺艺不宜大规规模集成适宜大规规模和超大 规规模集成 一. 直流偏置电路 保证管子工作在饱和区,输出信 号不失真 3. 2 场效应管放大电路 1.自偏压电路 UGS =- IDR 注意:该电路产生负的栅源电压,所以只能用于需要负栅源电压的电路 。 计算Q点:UGS 、 ID 、UDS 已知UP ,由 UGS =- IDR 可解出Q点的UGS 、 ID UDS =VDD- ID (Rd + R )再求 : ID 2.分压压式自
10、偏压电路 可解出Q点的UGS 、 ID 计算Q点: 已知UP ,由 该电路产生的栅源电压可正 可负,所以适用于所有的场 效应管电路。 UDS =VDD- ID (Rd + R )再求 : 二. 场效应管的交流小信号模型 与双极型晶体管一样,场效应管也是一种非线性器件,在交流小信号 情况下,也可以由它的线性等效电路交流小信号模型来代替。 其中:gmugs是压控电流源,它体现了输入电压对输出电流的控制作用。 称为低频跨导。 rds为输出电阻,类似于双极型晶体管的rce。 三. 场效应管放大电路 1.共源放大电路 分析: (1)画出共源放大电路的交流小信号等效电路。 (2)求电压放大倍数 (3)求输入电阻 (4)求输出电阻 则 (2)电压放大倍数 (3)输入电阻 得 分析 : (1)画交流小信号等效电路。 由 2.共漏放大电路 (4)输出电阻 所以 由图有 本章小结 1FET分为JFET和MOSFET两种,工作时只有一种载 流子参与导电,因此称为单极性型晶体管。FET是一种压 控电流型器件,改变其栅源电压就可以改变其漏极电流。 2FET放大器的偏置电路与BJT放大器不同,主要有自 偏压式和分压式两种。 3 FET放大电路也有三种组态:共源、共漏和共栅。 电路的动态分析需首先利用FET的交流模型建立电路的交 流等效电路,然后再进行计算,求出电压放大倍数、输入 电阻、输出电阻等量。