场效应管及其基本放大电路

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1、模 拟 电 子 技 术第第 3 3章场效应管及其基章场效应管及其基 本放大路本放大路3.1 结型场效应管3.3 场效应管放大电路3.2 绝缘栅场效应管模 拟 电 子 技 术3. 13. 1 结型场效应管 结型场效应管引 言3.1.1 结型场效应管的结构及类型3.1.3 结型场效应管的伏安特性3.1.2 结型场效应管的工作原理3.1.4 结型场效应管的主要参数模 拟 电 子 技 术引 言场效应管 FET (Field Effect Transistor)类型：增强型耗尽型 绝缘栅型场效应管(IGFET)结型场效应管(JFET)场效应管(FET)N沟道P沟道N沟道P沟道N沟道P沟道模 拟 电 子

2、技 术特点：1. 单极性器件(一种载流子导电)3. 工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低2. 输入电阻高(107 1015 ，IGFET 可高达 1015 )模 拟 电 子 技 术3.1 结型场效应管 3.1.1 结型场效应管的结构及类型N 沟道 JFETP 沟道 JFET模 拟 电 子 技 术3.1.2 结型场效应管的工作原理1. 当uDS=0时，栅源电压uGS对导电沟道的控制作用 uGS=0 UGS（off） 0此时 uGD = UGS(off)； 沟道楔型耗尽层刚相碰时称预夹断。当 uDS ，预夹断点下移。模 拟 电 子 技 术3.1.3 结型场效应管的伏安特性1. 输出特性 模 拟

3、 电 子 技 术2. 转移特性 UGS(off)uGS0和管子工作在恒流区的条件下 模 拟 电 子 技 术3.1.4 结型场效应管的主要参数1. 直流参数(1) 夹断电压UGS（off） 指 uDS = 某值，使漏极电流 iD 为某一小电流时的 uGS 值。结型型场效应管，当 uGS = 0 时所对应的漏极电流。(2) 饱和漏极电流IDSS模 拟 电 子 技 术(3) 直流输入电阻RGS(DC)是指漏源电压为零时，栅源电压与栅极电流之比。结型场效应管的RGS(DC)一般大于107。 反映了uGS 对 iD 的控制能力，单位 S(西门子)。一般为几毫西 (mS)uGS /ViD /mAQO2.

4、交流参数(1) 低频跨导gm 模 拟 电 子 技 术(2) 极间电容 CGS约为13pF，而CGD约为0.11pF 3. 极限参数 (1) 最大漏极电流IDM (2) 最大漏源电压U(BR)DS (3) 最大栅源电压U(BR)GS (4) 最大耗散功率PDM PDM = uDS iD，受温度限制。模 拟 电 子 技 术3.2 绝缘栅场效应管MOS 场效应管（绝缘栅场效应管）N沟道绝缘栅场效应管P沟道绝缘栅场效应管增强型耗尽型增强型耗尽型模 拟 电 子 技 术1、增强型 N 沟道 MOSFET(Mental Oxide Semi FET)1. 结构与符号P 型衬底 (掺杂浓度低)N+N+用扩散的

5、方法 制作两个 N 区在硅片表面生一 层薄 SiO2 绝缘层S D用金属铝引出 源极 S 和漏极 DG在绝缘层上喷金 属铝引出栅极 GB耗 尽 层S 源极 Source G 栅极 Gate D 漏极 DrainSGDB3.2.1 增强型MOS管模 拟 电 子 技 术2. 工作原理反型层 (沟道)(1) 导电沟道的形成uGS=0 uGS0 且uGSUGS(th) 模 拟 电 子 技 术1) uGS 对导电沟道的影响 (uDS = 0)a. 当 UGS = 0 ，DS 间为两个背对背的 PN 结；b. 当 0 UGS(th)DS 间的电位差使 沟道呈楔形，uDS，靠近漏极端的沟道厚 度变薄。预夹断

6、(UGD = UGS(th)：漏极附近反型层消失。预夹断发生之前： uDS iD。预夹断发生之后：uDS iD 不变。模 拟 电 子 技 术(1) 输出特性 可变电阻区uDS UGS(th) 时：uGS = 2UGS(th) 时的 iD 值开启电压O模 拟 电 子 技 术二、耗尽型 N 沟道 MOSFETSGDBSio2 绝缘层中掺入正离子在 uGS = 0 时已形成 沟道；在 DS 间加正电压时形成 iD，uGS UGS(off) 时，全夹断。模 拟 电 子 技 术输出特性uGS /ViD /mA转移特性IDSSUGS(off)夹断 电压 饱和漏 极电流当 uGS UGS(off) 时，uD

7、S /ViD /mAuGS = 4 V 2 V0 V2 VOO模 拟 电 子 技 术三、P 沟道 MOSFET增强型耗尽型SGDB SGDB模 拟 电 子 技 术N 沟道增强型SGDBiDP 沟道增强型SGDBiD2 2 OuGS /ViD /mAUGS(th)SGDBiDN 沟道耗尽型iDSGDBP 沟道耗尽型UGS(off)IDSSuGS /ViD /mA 5 O5FET 符号、特性的比较模 拟 电 子 技 术O uDS /ViD /mA5 V2 V0 V2 VuGS = 2 V 0 V 2 V 5 V N 沟道结型SGD iDSGD iDP 沟道结型uGS /ViD /mA5 5 OID

8、SSUGS(off)O uDS /ViD /mA5 V2 V0 VuGS = 0 V 2 V 5 V模 拟 电 子 技 术3.1.3 场效应管的主要参数1. 开启电压 UGS(th)(增强型)夹断电压 UGS(off)(耗尽型)指 uDS = 某值，使漏极电流 iD 为某一小电流时的 uGS 值。 UGS(th)UGS(off)2. 饱和漏极电流 IDSS耗尽型场效应管，当 uGS = 0 时所对应的漏极电流 。IDSSuGS /ViD /mAO模 拟 电 子 技 术UGS(th)UGS(off)3. 直流输入电阻 RGS指漏源间短路时，栅、源间加反向电压呈现的直流电阻。JFET：RGS 10

9、7 MOSFET：RGS = 109 1015IDSSuGS /ViD /mAO模 拟 电 子 技 术4. 低频跨导 gm 反映了uGS 对 iD 的控制能力，单位 S(西门子)。一般为几毫西 (mS)uGS /ViD /mAQO模 拟 电 子 技 术PDM = uDS iD，受温度限制。5. 漏源动态电阻 rds6. 最大漏极功耗 PDM模 拟 电 子 技 术3.2.3 场效应管与晶体管的比较管子名称晶体管场场效应应管导电导电 机理利用多子和少子导电导电利用多子导电导电控制方式电电流控制电压电压 控制放大能力较较低高直流输输入电电 阻小 约约几k大 JFET可达107以上, MOS可达101

10、0稳稳定性受温度和辐辐射的影响较较大温度稳稳定性好、抗辐辐射能力强噪声中等很小结结构对对称性集电电极和发发射极不对对称，不能互 换换漏极和源极对对称，可互换换使用适用范围围都可用于放大电电路和开关电电路等模 拟 电 子 技 术【例3-1】 已知某场效应管的转移特性曲线如图3-15所示，试确定场效应管的类型。UGS（th）=2V 为N沟道增强型MOS管。 模 拟 电 子 技 术【例3-2】 电路如图3-16(a)所示，场效应管的输出特性如图3-16(b)所示，分析当uI3V、8V、12V三种情况下场效应管分别工作在什么区域。 解： UGS（th）=5V uGSuI 模 拟 电 子 技 术当uI3

11、V时，uGS小于开启电压， 即uGSUGS(th)，场效应管导通，假设场效应管工作在恒流区，根据输出特性可知iD0.6mA，则管压降uDSVDD iDRd=120.63.310V 模 拟 电 子 技 术uGS UGS(th)=8V 5V=3V，所以，uDSuGS UGS(th)，说明假设成立，即场效应管工作在恒流区。 因为：uDS10V模 拟 电 子 技 术当uI12V时，uGSUGS(th)，场效应管导通， 假设场效应管工作在恒流区 可知，当UGS=12V时 iD4mA 模 拟 电 子 技 术则：uDS=VDD iDRd=1243.31.2V 而电路实际的uDS0 所以：假设不正确，实际的i

12、D小于4mA 故场效应管工作在可变电阻区。 模 拟 电 子 技 术 【例3-3】 图3-17所示电路，已知RD=3.3k，RG=100k，VDD=10V，VGG=2V，场效应管的UGS(off)=5V，IDSS=3mA，试分析场效应管工作在什么区域。 解： UGSQ= VGG=2VUGS(off) 场效应管导通假设场效应管工作在恒流区 UGSQ UGS(off)= 2(5)=3V UDSQUGSQUGS(off) 假设正确 模 拟 电 子 技 术3. 33. 3 场效应管放大电路场效应管放大电路3.3.2 场效应管放大电路的动态分析3.3.1 场效应管放大电路的直流偏置与静态分析模 拟 电 子

13、 技 术3.2.1 场效应管放大电路三种组态：共源、共漏、共栅特点：输入电阻极高， 噪声低，热稳定性好1. 固定偏压放大电路一、电路的组成（1）合适的偏置（2）能输入能输出+VDDRDC2 +C1+ ui RGGDRL+ Uo VGG三种组态：共源、共漏、共栅三种组态：共源、共漏、共栅三种组态：共源、共漏、共栅模 拟 电 子 技 术模 拟 电 子 技 术栅极电阻 RG 的作用：(1)为栅偏压提供通路(2)泻放栅极积累电荷源极电阻 RS 的作用：提供负栅偏压漏极电阻 RD 的作用：把 iD 的变化变为 uDS 的变化+VDDRDC2CS+ + uoC1 + uiRGRSG SDUGS+VDDRD

14、0C1RGRSG SDIDUDSRL2.自给偏压放大电路模 拟 电 子 技 术UDSQ = VDD IDQ(RS + RD) UGS+VDDRDRGRSG SDIDUDSUGSQ = IDQRS二、静态分析1.估算法模 拟 电 子 技 术2.图解法 在输出特性上作直流负载线 作负载转移特性曲线 作输入回路的直流负载线 确定静态工作点 转移特性曲线与输入回路的直 流负载线的交点即为静态工作点Q，Q点对应的横坐 标值即为UGSQ，纵坐标值即为IDQ，再根据IDQ在 输出特性曲线上求出静态工作点Q，确定UDSQ。 模 拟 电 子 技 术(a) 转移特性曲线 (b) 输出特性曲线图 自给偏压电路Q点的图解模 拟 电 子 技 术1. 场效应管的等效电路三、动态分析场效应管电路小信号等效电路分析法模 拟 电 子 技 术移特性可知，gm是转移特性在静态工作点Q处gm为低频跨导，反映了管子的放大能力，从转切线的斜率.模 拟 电 子 技 术rds为场效应管的共漏极输出电阻，为输出特性在 Q点处的切线斜率的倒数，如图所示，通常rds在 几十千欧到几百千欧之间。模 拟 电 子 技 术从输入端口看入，相当于电阻从输入端口看入，相当于电阻r rgsgs( ( ) )。从输出端口看入为受从输出端口看入为受u ugsgs 控制的电流源。控制的电流源。id = gmugs小信号模型根据rgs Sidgm