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1、第 3章场效应管及其放大路,3.1 场效应管,3.2 场效应管及放大电路,3. 1 场效应管,引 言,3.6.1 结型场效应管,3.6.3 场效应管的主要参数,3.6.2 MOS 场效应管,引 言,场效应管 FET (Field Effect Transistor),类型：,结型 JFET (Junction Field Effect Transistor),绝缘栅型 IGFET(Insulated Gate FET),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 ),3.1.
2、1 结型场效应管,1. 结构与符号,N 沟道 JFET,P 沟道 JFET,2. 工作原理,(1)UGS对ID的控制作用,(a) uGS=0 (b) UGS(off)uGS0 (c) uGS UGS(off),2.UDS对ID的影响,(a) UGS(off)uDS0 (b) uDS=UGS(off) (c) uDSUGS(off),3.UDS和UGS共同作用,uGS 0，uDS 0,沟道楔型,耗尽层刚相碰时称预夹断。,此时 uGD = UGS(off)；,当 uDS ，预夹断点下移。,uGS0、uDS0时的情况,3. 转移特性和输出特性,UGS(off),当 UGS(off) uGS 0 时,
3、O,O,3.1.2 MOS 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,一、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),用扩散的方法 制作两个 N 区,在硅片表面生一层薄 SiO2 绝缘层,用金属铝引出 源极 S 和漏极 D,在绝缘层上喷金属铝引出栅极 G,S 源极 Source,G 栅极 Gate,D 漏极 Drain,2. 工作原理,1)uGS 对导电沟道的影响 (uDS = 0),反型层 (沟道),1)uGS 对导电沟道的影响 (
4、uDS = 0),a. 当 UGS = 0 ，DS 间为两个背对背的 PN 结；,b. 当 0 UGS UGS(th)(开启电压)时，GB 间的垂 直电场吸引 P 区中电子形成离子区(耗尽层)；,c. 当 uGS UGS(th) 时，衬底中电子被吸引到表面， 形成导电沟道。 uGS 越大沟道越厚。,2) uDS 对 iD的影响(uGS 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(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。,3. 转移特性曲线,UDS = 10 V,UGS
5、(th),当 uGS UGS(th) 时：,uGS = 2UGS(th) 时的 iD 值,开启电压,O,4. 输出特性曲线,可变电阻区,uDS uGS UGS(th),uDS iD ，直到预夹断,饱和(放大区),uDS，iD 不变,uDS 加在耗尽层上，沟道电阻不变,截止区,uGS UGS(th) 全夹断 iD = 0,截止区,饱和区,可 变 电 阻 区,放大区,恒流区,O,二、耗尽型 N 沟道 MOSFET,SiO2 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。,输出特性,转移特性,IDSS,UGS(off),
6、夹断 电压,饱和漏 极电流,当 uGS UGS(off) 时，,O,三、P 沟道 MOSFET,增强型,耗尽型,N 沟道增强型,P 沟道增强型,N 沟道耗尽型,P 沟道耗尽型,IDSS,FET 符号、特性的比较,N 沟道结型,P 沟道结型,3.1.3 场效应管的主要参数,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),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。,UGS(th),3. 直流输入电阻 RGS,指漏源间短路时，栅、源间加 反
7、向电压呈现的直流电阻。,JFET：RGS 107 ,MOSFET：RGS = 109 1015,4. 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),O,PDM = uDS iD，受温度限制。,5. 漏源动态电阻 rds,6. 最大漏极功耗 PDM,3.2.3 场效应管与晶体管的比较,3. 2 场效应管放大电路,3.2.2 分压式自偏压放大电路,3.2.1 场效应管放大电路,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 P109
8、表3-3 （2）能输入能输出,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,+VDD,RD,C2,CS,+,+,+ uo ,C1,+ ui ,RG,RS,G,S,D,二、静态分析,RL,1.估算法,2.自给偏压放大电路,UDSQ = VDD IDQ(RS + RD),UGSQ = IDQRS,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
9、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。,(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,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,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.,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。,从输入端口看入，相当于电阻 rgs()。,从输出端口看入为受 ugs 控制的电流源。,id = gmugs,小信号模型,根据
10、,2. 场效应管放大电路 的微变等效电路,RL,RD,+ uo ,+ ui ,G,S,D,+ ugs ,gmugs,id,ii,RG,3.计算放大电路的动态指标,注意：自给偏压电路只适用耗尽型场效应管放大电路,3.2.2 分压式自偏压放大电路,调整电阻的大小，可获得：,UGSQ 0,UGSQ = 0,UGSQ 0,RL,+VDD,RD,C2,CS,+,+,+ uo ,C1,+ ui ,RG2,RS,G,S,D,RG1,一、电路组成,二、静态分析,UDSQ = VDD IDQ(RS + RD),三、动态分析,RL,RD,+ uo ,+ ui ,RG2,G,S,D,RG1,+ ugs ,gmugs
11、,id,ii,四、改进电路,目的：为了提高输入电阻,有 CS 时：,无 CS 时：,RS,Ri、Ro 不变,3.2.3共漏放大电路,io,Ro,例 耗尽型 N 沟道 MOS 管，RG = 1 M， RS = 2 k，RD= 12 k ，VDD = 20 V。 IDSS = 4 mA，UGS(off) = 4 V，求 iD 和 uO 。,iG = 0, uGS = iDRS,iD1= 4 mA,iD2= 1 mA,uGS = 8 V, UGS(off),增根,uGS = 2 V,uDS = VDD iD(RS + RD) = 20 14 = 6 (V),uO = VDD iD RD = 20 1
12、4 = 8 (V),在放大区,例 已知 UGS(off)= 0.8 V，IDSS = 0.18 mA， 1. 求“Q”。2.求AU,Ri,RO,解方程得：IDQ1 = 0.69 mA，UGSQ = 2.5V (增根，舍去),IDQ2 = 0.45 mA ， UGSQ = 0.4 V,UDSQ = VDD IDQ(RS1+RS2 + RD),动态分析：,例 gm= 0.65 mA/V，ui = 20sint (mV)，求交流输出 uo。,+ ,RD,G,D,S,RG,RS,iD,+ uO ,+ VDD ,ui,VGG,10 k,4 k,交流通路,小信号等效电路,ui = ugs+ gmugsRS,ugs= ui / (1 + gmRS),uo = gmui RD / (1 + gmRS),= 36sin t (mV),
