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1、第四章 场效应管放大电路,一、结型场效应管,二、绝缘栅型场效应管,三、场效应管主要参数,四、场效应管的特点,五、场效应管放大电路,场效应三极管,只有一种载流子参与导电，且利用电场效应来控制电流的三极管，称为场效应管，也称单极型三极管。,场效应管分类,结型场效应管,绝缘栅场效应管,特点,单极性器件(一种载流子导电)；,输入电阻高；,工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低。,符号,4.1结型场效应管,一、结构,图 1.4.1N 沟道结型场效应管结构图,N型沟道,栅极,源极,漏极,在漏极和源极之间加上一个正向电压，N 型半导体中多数载流子电子可以导电。,导电沟道是 N 型的，称 N 沟道结型场效应
2、管。,二、工作原理,N 沟道结型场效应管用改变 UGS 大小来控制漏极电流 ID 的。,*在栅极和源极之间加反向电压，耗尽层会变宽，导电沟道宽度减小，使沟道本身的电阻值增大，漏极电流 ID 减小，反之，漏极 ID 电流将增加。,*耗尽层的宽度改变主要在沟道区。,1. 设UDS = 0 ，在栅源之间加负电源 UGS，改变 UGS大小。观察耗尽层的变化。,UGS = 0 时，耗尽层比较窄，导电沟比较宽,UGS 由零逐渐增大，耗尽层逐渐加宽，导电沟相应变窄。,当 UGS = -UP=-UDG ，耗尽层合拢，导电沟被夹断，UP为夹断电压 （负值）。,UGS对导电沟道的影响,2. 在漏源极间加正向 UD
3、S，使 UDS 0，在栅源间加负电源 UGS，观察 UGS 变化时耗尽层和漏极 ID 。,注意：当 UDS 0 时，耗尽层呈现楔形。,(a),(b),UGS = 0，UDG ，ID 较大。,UGS 0，UDG ，ID 较小。,UGS 0,UDG = |UP|, ID更小, 预夹断,UGS UP,UDG |UP|,ID 0,夹断,(1) 改变 UGS ，改变了 PN 结中电场，控制了 ID ，故称场效应管或电压控制型器件； (2)结型场效应管栅源之间加反向偏置电压，使 PN 反偏，栅极基本不取电流，因此，场效应管输入电阻很高。,(c),(d),思考：为什么出现预夹段后，仍有电流，且ID恒定？,三
4、、特性曲线,1. 输出特性,当栅源 之间的电压 UGS 不变时，漏极电流 ID 与漏源之间电压 UDS 的关系，即,ID/mA,UDS /V,O,UGS = 0V,-1,-2,-3,恒流区,可变电阻区,图 4-4输出特性,输出特性有四个区：可变电阻区、恒流区和击穿区、截止区。,截止区,P沟道？,2. 转移特性(反映了栅源电压对电流的控制作用),图 4-5转移特性,UGS = 0 ，ID 最大；UGS 愈负，ID 愈小；UGS = UP，ID 0。,两个重要参数,饱和漏极电流 IDSS(UGS = 0 时的 ID),夹断电压 UP(ID = 0 时的 UGS),结型场效应管转移特性曲线的近似公式
5、：,P沟道？,场效应管的两组特性曲线之间互相联系，可根据输出特性用作图的方法得到相应的转移特性。,UDS = 常数,UDS = 15 V,结型场效应管栅极基本不取电流，其输入电阻很高，可达 107 以上。如希望得到更高的输入电阻，可采用绝缘栅场效应管。,图 4-6在输出特性上用作图法求转移特性,4.2绝缘栅型场效应管,由金属、氧化物和半导体制成。称为金属-氧化物-半导体场效应管，或简称 MOS 场效应管。,特点：输入电阻可达 1012 以上。,类型,N 沟道,P 沟道,增强型,耗尽型,增强型,耗尽型,UGS = 0 时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管；,UGS = 0 时漏源间不存在导电沟道
6、称增强型场效应管。,一、N 沟道增强型 MOS 场效应管,1. 结构,B,G,S,D,源极 S,漏极 D,衬底引线 B,栅极 G,图 4-7N 沟道增强型MOS 场效应管的结构示意图,2. 工作原理,绝缘栅场效应管利用 UGS 来控制“感应电荷”的多少，改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道的状况，以控制漏极电流 ID。,工作原理分析,(1)UGS = 0,漏源之间相当于两个背靠背的 PN 结，无论漏源之间加何种极性电压，总是不导电。,(2) UDS = 0，0 UGS UT,P 型衬底中的电子被吸引靠近 SiO2 与空穴复合，产生由负离子组成的耗尽层。增大 UGS 耗尽层变宽。,UGS,(3)
7、 UDS = 0，UGS UT,由于吸引了足够多的电子，,会在耗尽层和 SiO2 之间形成可移动的表面电荷层 ,反型层、N 型导电沟道。 UGS 升高，N 沟道变宽。因为 UDS = 0 ，所以 ID = 0。,UT 为开始形成反型层所需的 UGS，称开启电压。,总结出：栅源电压作用是改变导电沟道宽度，来调节电流，所以是电压控制型器件,(4) UDS 对导电沟道的影响 (UGS UT),导电沟道呈现一个楔形。漏极形成电流 ID 。,b. UDS= UGS UT， UGD = UT,靠近漏极沟道达到临界开启程度，出现预夹断。,c. UDS UGS UT， UGD UT,由于夹断区的沟道电阻很大，
8、UDS 逐渐增大时，导电沟道两端电压基本不变，ID 因而基本不变。,a. UGD = UGS UDS UT,UDS 对导电沟道的影响,(a) UGD UT,(b) UGD = UT,(c) UGD UT,思考 随着UDS 的增大，ID如何变化？ 为什么夹断后，还有电流？,3. 特性曲线,(a)转移特性,(b)输出特性,UGS UT ，ID = 0；,UGS UT，形成导电沟道，随着 UGS 的增加，ID 逐渐增大。,三个区：可变电阻区、恒流区(或饱和区)、击穿区。,UT,UGS /V,ID /mA,O,图 4-9 (a),图 4-9 (b),二、N 沟道耗尽型 MOS 场效应管,制造过程中预先
9、在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子，这些正离子电场在 P 型衬底中“感应”负电荷，形成“反型层”。即使 UGS = 0 也会形成 N 型导电沟道。,+,+,UGS = 0，UDS 0，产生较大的漏极电流；,UGS 0，绝缘层中正离子感应的负电荷减少，导电沟道变窄，ID 减小；,UGS = - UP , 感应电荷被“耗尽”，ID 0。,UP称为夹断电压,图 1.4.13,N 沟道耗尽型 MOS 管特性,工作条件： UDS 0； UGS 正、负、零均可。,图 4-12MOS 管的符号,图 4-11特性曲线,1.4.3场效应管的主要参数,一、直流参数,饱和漏极电流 IDSS,2. 夹断电压 UP,3.
10、开启电压 UT,4. 直流输入电阻 RGS,为耗尽型场效应管的一个重要参数。,为增强型场效应管的一个重要参数。,为耗尽型场效应管的一个重要参数。,输入电阻很高。结型场效应管一般在 107 以上，绝缘栅场效应管更高，一般大于 1012 。,二、交流参数,1. 低频跨导 gm,2. 极间电容,用以描述栅源之间的电压 UGS 对漏极电流 ID 的控制作用。,单位：ID 毫安(mA)；UGS 伏(V)；gm 毫西门子(mS),这是场效应管三个电极之间的等效电容，包括 CGS、CGD、CDS。 极间电容愈小，则管子的高频性能愈好。一般为几个皮法。,三、极限参数,1. 漏极最大允许耗散功率 PDM,2.
11、漏源击穿电压 BUDS,3. 栅源击穿电压BUGS,由场效应管允许的温升决定。漏极耗散功率转化为热能使管子的温度升高。,当漏极电流 ID 急剧上升产生雪崩击穿时的 UDS 。,场效应管工作时，栅源间 PN 结处于反偏状态，若UGS BUGS ，PN 将被击穿，这种击穿与电容击穿的情况类似，属于破坏性击穿。,3. 各类场效应管工作在恒流区时g-s、d-s间的电压极性,uGS=0可工作在恒流区的场效应管有哪几种？ uGS0才工作在恒流区的场效应管有哪几种？ uGS0才工作在恒流区的场效应管有哪几种？,表 4-1各类场效应管的符号和特性曲线,双极型和场效应型三级管的比较,双极型和场效应型三级管的比较
12、,二、场效应管放大电路,场效应管的特点：,1. 场效应管是电压控制元件；,2. 栅极几乎不取用电流，输入电阻非常高；,3. 一种极性的载流子导电，噪声小，受外界温度及辐射影响小；,4. 制造工艺简单，有利于大规模集成；,5. 存放管子应将栅源极短路，焊接时烙铁外壳应接地良好，防止漏电击穿管子；,6. 跨导较小，电压放大倍数一般比三极管低。,1）基本共源极放大电路,图 2.7.3共源极放大电路原理电路,与双极型三极管对应关系,b G , e S , c D,为了使场效应管工作在恒流区实现放大作用，应满足：,图示电路为 N 沟道增强型 MOS 场效应管组成的放大电路。,(UT：开启电压),二、场效
13、应管静态工作点的设置方法,一、静态分析,两种方法,近似估算法,图解法,(一) 近似估算法,MOS 管栅极电流为零，当 uI = 0 时,UGSQ = VGG,而 iD 与 uGS 之间近似满足,(当 uGS UT),式中 IDO 为 uGS = 2UT 时的值。,则静态漏极电流为,(二) 图解法,图 2.7.4用图解法分析共源极放大电路的 Q 点,VDD,IDQ,UDSQ,Q,利用式 uDS = VDD - iDRD 画出直流负载线。,图中 IDQ、UDSQ 即为静态值。,2. 自给偏压电路,由正电源获得负偏压 称为自给偏压,哪种场效应管能够采用这种电路形式设置Q点？,3分压自偏压式共源放大电
14、路,一、静态分析,(一)近似估算法,根据输入回路列方程,图 2.7.7分压 - 自偏式共源放大电路,解联立方程求出 UGSQ 和 IDQ。,列输出回路方程求 UDSQ,UDSQ = VDD IDQ(RD + RS),(二)图解法,由式,可做出一条直线，另外，iD 与 uGS 之间满足转移特性曲线的规律，二者之间交点为静态工作点。确定 UGSQ， IDQ 。,根据漏极回路方程,在漏极特性曲线上做直流负载线， 与 uGS = UGSQ 的交点确定 Q，由 Q 确定 UDSQ 和 IDQ值。,UDSQ,uDS = VDD iD(RD + RS),VDD,Q,IDQ,Q,IDQ,UGSQ,UGQ,图
15、2.7.8用图解法分析图 2.7.7 电路的 Q 点,二、动态分析,iD 的全微分为,上式中定义：, 场效应管的跨导(毫西门子 mS)。, 场效应管漏源之间等效电阻。,1. 微变等效电路,二、动态分析,如果输入正弦信号，则可用相量代替上式中的变量。,成为：,根据上式做等效电路如图所示。,图 2.7.5场效应管的微变等效电路,由于没有栅极电流，所以栅源是悬空的。,微变参数 gm 和 rDS,(1) 根据定义通过在特性曲线上作图方法中求得。,(2) 用求导的方法计算 gm,在 Q 点附近，可用 IDQ 表示上式中 iD，则,一般 gm 约为 0.1 至 20 mS。 rDS 为几百千欧的数量级。当
16、 RD 比 rDS 小得多时，可认为等效电路的 rDS 开路。,2. 共源极放大电路的动态性能,图 2.7.6共源极放大电路的微变等效电路,将 rDS 开路,而,所以,输出电阻,Ro = RD,MOS 管输入电阻高达 109 。,二、分压式共源放大电路动态分析,微变等效电路入右图所示。,图 2.7.9图 2.7.7 电路的微变等效电路,由图可知,电压放大倍数,输入、输出电阻分别为,2.7.4共漏极放大电路,源极输出器或源极跟随器,图 2.7.10源极输出器,典型电路如右图所示。,静态分析如下：,分析方法与“分压-自偏压式共源电路”类似，可采用估算法和图解法。,动态分析,1. 电压放大倍数,图 2.7.11微变等效电路,而,所以,2. 输入电阻,Ri = RG + ( R1 / R2 ),3. 输出电阻,图 2.7.11微变等效电路,在电路中，外加 ，令 ，并使 RL 开路,因输入端短
