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1、电子技术基础（模拟部分）,兰州大学信息科学与工程学院 2010年,场效应管与双极型晶体管不同，它是多子导电，输入阻抗高，温度稳定性好。,结型场效应管JFET,绝缘栅型场效应管MOS,场效应管有两种:,4.1 场效应晶体管,一、结构及符号,4.1.1 结型场效应管:,扩散情况：NPNN,二、工作原理（以P沟道为例，N沟道见书）,UDS=0V时,PN结反偏，UGS越大则耗尽区越宽，导电沟道越窄。,4.1.1 结型场效应管:,ID,UDS=0V时,UGS越大耗尽区越宽，沟道越窄，电阻越大。,但当UGS较小时，耗尽区宽度有限，存在导电沟道。DS间相当于线性电阻。何种载流子导电？,二、工作原理（以P沟道
2、为例）,4.1.1 结型场效应管:,P,G,S,D,UDS,UGS,UDS=0时,UGS达到一定值时（夹断电压VP）,耗尽区碰到一起，DS间被夹断，这时，即使UDS 0V，漏极电流ID=0A。,ID,二、工作原理（以P沟道为例）,4.1.1 结型场效应管:,UGS0、UGDVP时耗尽区的形状,越靠近漏端，PN结反压越大,ID,二、工作原理（以P沟道为例）,4.1.1 结型场效应管:,UGSVp且UDS较大时UGDVP时耗尽区的形状,沟道中仍是电阻特性，但是是非线性电阻。,ID,二、工作原理（以P沟道为例）,4.1.1 结型场效应管:,UGSVp UGD=VP时,漏端的沟道被夹断，称为予夹断。,
3、UDS增大则被夹断区向下延伸。,ID,二、工作原理（以P沟道为例）,4.1.1 结型场效应管:,UGSVp UGD=VP时,此时，电流ID由未被夹断区域中的载流子形成，基本不随UDS的增加而增加，呈恒流特性。,ID,二、工作原理（以P沟道为例）,4.1.1 结型场效应管:,二、工作原理（以P沟道为例）,4.1.1 结型场效应管:,结论： （1）因为栅源间加反向电压，故栅极几乎不取电流； （2）输出电流ID受UGS控制，故场效应管是一种电压控制器件； （3）由于受ED的影响，耗尽层呈上宽下窄的形式，故总是沟道的上部先被夹断；,三、特性曲线,饱和漏极电流,夹断电压,4.1.1 结型场效应管:,（1
4、）转移特性 ID=f(UGS)|UDS,饱和漏电流IDSS：UGS =0时的漏极电流。 夹断电压VP：ID接近于0时的栅源电压。 饱和区中的各条转移特性几乎重合，通常我们就用一条曲线来表示。 转移特性的经验公式：,ID,U DS,恒流区,（2）输出特性曲线ID=f(UDC)|UGS,0,三、特性曲线,4.1.1 结型场效应管:,转移特性曲线,四、N沟道结型场效应管的特性曲线,4.1.1 结型场效应管:,输出特性曲线,四、N沟道结型场效应管的特性曲线,4.1.1 结型场效应管:,五、结型场效应管的缺点：,1. 栅源极间的电阻虽然可达107以上，但在某些场合仍嫌不够高。,3. 栅源极间的PN结加正
5、向电压时，将出现较大的栅极电流。,绝缘栅场效应管可以很好地解决这些问题。,2. 在高温下，PN结的反向电流增大，栅源极间的电阻会显著下降。,4.1.1 结型场效应管:,4.1.2 绝缘栅场效应管:,一、结构和电路符号,P型基底,两个N区,SiO2绝缘层,导电沟道,金属铝,N沟道增强型,N 沟道耗尽型,预埋了导电沟道,4.1.2 绝缘栅场效应管:,一、结构和电路符号,P 沟道增强型,4.1.2 绝缘栅场效应管:,一、结构和电路符号,P 沟道耗尽型,预埋了导电沟道,4.1.2 绝缘栅场效应管:,一、结构和电路符号,二、MOS管的工作原理,以N 沟道增强型为例,UGS=0时,对应截止区,4.1.2
6、绝缘栅场效应管:,UGS0时,感应出电子,VT称为开启（阈值）电压,二、MOS管的工作原理,4.1.2 绝缘栅场效应管:,UGS较小时，导电沟道相当于电阻将D-S连接起来，UGS越大此电阻越小。,二、MOS管的工作原理,4.1.2 绝缘栅场效应管:,当UDS不太大时，导电沟道在两个N区间是均匀的。,当UDS较大时，靠近D区的导电沟道变窄。,二、MOS管的工作原理,4.1.2 绝缘栅场效应管:,UDS增加，UGD=VT 时，靠近D端的沟道被夹断，称为予夹断。,二、MOS管的工作原理,4.1.2 绝缘栅场效应管:,三、增强型N沟道MOS管的特性曲线,转移特性曲线,4.1.2 绝缘栅场效应管:,输出
7、特性曲线,UGS0,三、增强型N沟道MOS管的特性曲线,4.1.2 绝缘栅场效应管:,四、耗尽型N沟道MOS管的特性曲线,耗尽型的MOS管UGS=0时就有导电沟道，加反向电压才能夹断。,转移特性曲线,4.1.2 绝缘栅场效应管:,输出特性曲线,UGS=0,UGS0,UGS0,四、耗尽型N沟道MOS管的特性曲线,4.1.2 绝缘栅场效应管:,4.1.2 绝缘栅场效应管:,五、说明： （1）MOS管由四种基本类型； （2）MOS管的特性与结型场效应管的特性类似； （3）增强型的MOS管的UGS必须超过一定的值以使沟道形成； 耗尽型的MOS管使形成沟道的UGS可正可负； （4）MOS管的输入阻抗特高
8、 （5）衡量场效应管的放大能力用跨导 单位：ms,六、MOS管的有关问题,4.1.2 绝缘栅场效应管:,（2）交流参数 低频跨导： 极间电容：栅源电容CGS，栅漏电容CGD，漏源电容CDS （3）极限参数 最大漏极电流IDM，最大耗散功率P0M，漏源击穿电压U(BR)DS栅源击穿电压UBR)GS,1、主要参数（1）直流参数 开启电压UGS(th)指增强型的MOS管 夹断电压UGS(off)指耗尽型的MOS管 饱和漏电流IDSS 直流输入电阻： 通常很大107左右,六、MOS管的有关问题,4.1.2 绝缘栅场效应管:,2、场效应管与三极管的比较,六、MOS管的有关问题,4.1.2 绝缘栅场效应管
9、:,3、使用注意事项 （1）结型场效应管的栅源电压不能接反，但可在开路状态下保存； （2）MOS管在不使用时，须将各个电极短接； （3）焊接时，电烙铁必须有外接地线，最好是断电后再焊接； （4）结型场效应管可用万用表定性检测管子的质量，而MOS管必须用专门的仪器来检测； （5）若用四引线的场效应管，其衬底引线应正确连接；, 4.2 场效应管放大电路,(1) 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简单。,(2) 动态：能为交流信号提供通路。,组成原则：,分析方法：,场效应管是电压控制器件。它利用栅源电压来控制漏极电流的变化。它的放大作用以跨导来体现，在场效应管的漏
10、极特性的水平部分，漏极电流iD的值主要取决于vGS，而几乎与vDS无关。,1、 固定偏置电路,4.2.1 场效应管的直流偏置电路,T：控制器件（N沟道耗尽型MOS管） ED、Eg：直流电源 C1、C2：隔直流通交流 Rd：将变化的电流转化为变化的电压 为保证T工作是恒流区，必须满足：UGS始终为负；UDS始终为正，且UDGUP,2、自偏压电路,3、分压式自偏压电路,vGS,vGS,vGS,vGS,vGS,4.2.1 场效应管的直流偏置电路,Rg：使g与地的直流电位几乎相同（因上无电流）。 R：当IS流过R时产生直流压降ISR，使S对地有一定的电压：UGS=ISR=IDR0,Q点：,VGS 、,
11、ID 、,VDS,vGS =,VDS =,已知VP ，由,VDD,- ID (Rd + R ),- iDR,可解出Q点的VGS 、 ID 、 VDS,4.2.2 静态工作点,以自偏压电路为例,1、近似估算法,4.2.2 静态工作点,以自偏压电路为例,2、图解分析法,由输出回路：ED=UDS+ID(RD+RS)作出直流负载线,在转移特性上作源极负载线点所对应的UDS、UGS、ID；,ED,由输出特性：ID=f(UDS)|UGS,由输入回路：UGS=UGUS=IDRS,作负载转移特性,4.2.2 静态工作点,2、图解分析法,（1）根据ED=UDS+ID（RD+RS）在输出特性上作直流负载线； （2
12、）作负载转移特性； （3）作源极负载线； （4）决定静态工作点； （5）在转移特性和输出特性上求出Q,ED,步骤：,4.2.3 场效应管的微变等效电路,跨导：反映了栅源电压对漏极电流的控制能力，相当于转移特性中工作点处的斜率。,漏极输出电阻：（很大，常可以看作开路）；它是输出特性工作点处的切线斜率的倒数。,1、参数的导出,4.2.3 场效应管的微变等效电路,2、等效电路,4.2.3 场效应管的微变等效电路,3、gm的求法,由,得,在工作点上：uGS=UGS,其中：,场效应管为零偏置时的跨导,4.2.4 场效应管的共源极放大电路,一、静态分析,求：UDS和 ID。,设：UGUGS,则：UGUS,
13、而：IG=0,所以：,4.2.4 场效应管的共源极放大电路,二、动态分析,微变等效电路,ro=RD=10k,4.2.5 共漏极放大器源极输出器,一、静态分析,USUG,UDS=UDD- US =20-5=15V,4.2.5 共漏极放大器源极输出器,二、动态分析,输出电阻 ro,加压求流法,4.2.5 共漏极放大器源极输出器,二、动态分析,微变等效电路,4.2.6 共栅放大器,动态分析,1 、电压放大倍数,Uo=gmUgs,Ui=Ugs, Au=Uo/Ui =gm,2、输入电阻, Ui=I总R=(Ii+gmUgs)R =(IigmUi)R,得,3、输出电阻 Ro= Rd,场效应管放大电路小结,(1) 场效应管放大器输入电阻很大。 (2) 场效应管共源极放大器(漏极输出)输入输出反相，电压放大倍数大于1；输出电阻=RD。 (3) 场效应管源极跟随器输入输出同相，电压放大倍数小于1且约等于1；输出电阻小。,三种基本放大电路的性能比较,组态对应关系：,CE,BJT,FET,CS,CC,CD,CB,CG,BJT,FET,CE：,CC：,CB：,CS：,CD：,CG：,三种基本放大电路的性能比较,CE：,CC：,CB：,CS：,CD：,CG：,CE：,CC：,CB：,CS：,CD：,CG：,
