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1、1,第4章 场效应管及其 基本放大电路,2,4.1 引言,场效应管的优点 输入阻抗高 抗干扰能力强 功耗小 分类： 结型场效应管 JFET 绝缘栅型场效应管IGFET 又称为MOSFET N沟道场效应管 P沟道场效应管,3,4.2 场效应管,4.2.1 绝缘栅场效应管 种类： 增强型（沟道从无到有） N P 耗尽型（沟道从有到无） N P,4,1. 结构,一、 N沟道增强型MOS管,5,N沟道增强型MOS管的符号如上图所示。左面的一个衬底在内部与源极相连，右面的一个没有连接，使用时需要在外部连接。,N沟道增强型MOS管的符号,6,2. N沟道增强型MOS管的工作原理,分两个方面进行讨论： 一是
2、栅源电压UGS对沟道产生的影响，从而对漏极电流ID产生影响； 二是漏源电压UDS对沟道产生影响，从而对漏极电流ID产生影响。,7,令漏源电压UDS=0，加入栅源电压UGS以后并不断增加。,UGS带给栅极正电荷，将正 对SiO2层表面下衬底中的空穴推走，从而形成负离子层，即耗尽层，用绿色的区域表示。,在栅极下的表层感生一定的电子电荷，从而在漏源之间可形成导电沟道，即反型层。,反型层,（1） 栅源电压UGS的控制作用,栅源电压的控制作用,8,反型层形成后，此时若加上UDS ，就会有漏极电流ID产生。,当UGS较小时，不能形成有 效的沟道，尽管加有UDS ，也 不能形成ID 。当增加UGS，使 ID
3、刚刚出现时，对应的UGS称为 开启电压，用UGS(th)或UT表示。,显然改变UGS就会改变沟道，从而影响ID ，这说明UGS对ID的控制作用。,9,设UGSUGS(th)，增加 UDS，此时沟道的变化如下。,漏源电压也会对沟道产生影响，因为源极和衬底相连接，所以加入UDS后， UDS将从漏到源逐渐降落在沟道内，漏极和衬底间反偏最大，PN结的宽度最大。所以加入UDS后，在漏源之间会形成一个楔形的PN结区，从而影响沟道的导电性。,2. 漏源电压UDS的控制作用,漏源电压的控制作用,10,当UDS进一步增加时， ID会不断增加，同时，漏端的耗尽层上移，会在漏端出现夹断，这种状态称为预夹断。,预夹断
4、,当UDS进一步增加时， 漏端的耗尽层向源极伸展，此时ID基本不再增加，增 加的UDS基本上降落在预夹断区。,漏源电压的控制作用,11,3. 特性曲线,（1）输出特性曲线 当UGSUGS(th)，且固定为某一值时，反映UDS对ID的影响，即iD=f(uDS)UGS=const这一关系曲线称为漏极输出特性曲线。,曲线分五个区域：,（1）可变电阻区,（2）恒流区（放大区）,（3）截止区,（4）击穿区,（5）过损耗区,可变电阻区,截止区,击穿区,过损耗区,12,（2）转移特性曲线,转移特性曲线的斜率gm反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。 gm称为跨导。,单位mS（mA/V）,13,从漏极输出特性曲
5、线可以得到转移特性曲线， 过程如下：,14,二、 N沟道耗尽型MOSFET,N沟道耗尽型管的结构和符号,SiO2中掺入正离子 符号：沟道连续 工作原理： 导电沟道存在 沟道被削弱 当 时，沟道消失 沟道被增强,15,N沟道耗尽型场效应管的转移特性曲线如右上图所示。耗尽型场效应管的转移特性曲线也可以用下式表示,夹断电压,IDSS,当UGS=0时，对应的漏极饱和电流用IDSS表示。当UGS0时，将使ID进一步增加。UGS0时，随着UGS的减小漏极电流逐渐减小，直至ID=0。对应ID=0的UGS称为夹断电压，用符号UGS(off)表示，有时也用UP表示。,耗尽型管的特性转移特性,16,三、P沟道MO
6、S管,N,P+,P+,P沟道MOS管的结构与N沟道MOS管相同，只不过半导体的极性相反，电源电压、偏置电压的极性也相反。漏极电流的方向相反，夹断电压和开启电压的极性也相反。 衬底由P型改为N型；,漏、源两个电极的搀杂由 N+改为P+。,P沟道MOSFET的结构,增强型 耗尽型,17,场效应三极管有二种结构形式： 1.绝缘栅场效应晶体管(MOSFET)-增强型 耗尽型 2.结型场效应晶体管(JFET)-只有耗尽型,4.2.2 结型场效应管,18,1. 结型场效应晶体管的结构,JFET的结构与MOSFET相似，工作机理则相同。,PN结,N沟道,19,（1） 栅源电压对沟道的控制作用,2. 结型场效
7、应管的工作原理,场效应管是一种电压控制电流源器件，它的漏极电流受栅源电压UGS和漏源电压UDS的双重控制。,栅源电压的控制作用,20,（2） 漏源电压对沟道的控制作用,预加断,预加断,漏源电压对沟道的控制作用,21,各种场效应管符号和特性曲线比较,场效应管分类,2. 结型场效应晶体管,N沟道耗尽型,1. 绝缘栅场效应晶体管,P沟道耗尽型,增强型,耗尽型,N沟道,P沟道,N沟道,P沟道,22,N沟道增强型MOS管，衬底箭头向里。漏、衬底和源、开，表示零栅压时沟道不通。,表示衬底在内部没有与源极连接。,N沟道耗尽型MOS管。漏、衬底和源不断开表示零栅压时沟道已经连通。,N沟道结型MOS管。没有绝缘
8、层 ，只有耗尽型。,如果是P沟道，箭头则向外。,场效应管的符号,23,N沟道 增强型MOSFET,类型,漏极输出特性曲线,转移特性曲线,P沟道 增强型MOSFET,场效应管的特性曲线,24,N沟道 耗尽型MOSFET,P沟道 耗尽型MOSFET,类型,漏极输出特性曲线,转移特性曲线,25,N沟道 JFET,类型,漏极输出特性曲线,转移特性曲线,P沟道 JFET, 开启电压UGS(th) (或UT)-开启电压是增强型MOS管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值, 场效应管不导通。, 夹断电压UGS(off) (或UP)-夹断电压是耗尽型场效应管的参数，当UGS=UGS(off) 时,漏极电流为零
9、。, 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。,1. 直流参数, 输入电阻RGS-场效应三极管的栅源输入电阻的典型值，对于结型场效应三极管，反偏时RGS约大于107，对于绝缘栅型场效应三极管, RGS约是1091015。,4.2.3 FET的参数,27, 低频跨导gm -低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用，这一点与晶体管的控制作用相似。gm可以在转 移特性曲线上求取，单位是mS(毫西门子)。, 极间电容-场效应晶体管的三个电极之间存在电容。一般Cgs和Cgd约为13pF， Cds约为0.11pF。,2. 交流参数,28,3. 极限流参数, 最大漏极电流IDM
10、-场效应管正常工作时的漏极电流的上限值。, 击穿电压U(BR)GS-结型场效应管栅源之间所加的反向电压使PN结击穿的电压值，或绝缘栅场效应管的栅极绝缘层击穿的电压值。,最大漏极功耗PDM-最大漏极功耗可由PDM= UDS ID决定，与双极型晶体管的PCM相当。, 击穿电压U(BR)DS-场效应管进入恒流区， uds的增加使 iD骤然增加的漏源电压值。,29,4. 场效应晶体管的型号,场效应三极管的型号, 现行有两种命名方法。其一是与 双极型晶体管相同，第三位字母J代表结型场效应管，O代表 绝缘栅场效应管。第二位字母代表材料，D是P型硅，反型层 是N沟道；C是N型硅P沟道。例如,3DJ6D是结型
11、N沟道场效应 晶体管，3DO6C是绝缘栅型N沟道场效应晶体管。,第二种命名方法是CS#，CS代表场效应管，以数字代表型号的序号，#用字母代表同一型号中的不同规格。例如CS14A、CS45G等。,30,几种常用的场效应三极管的主要参数见下表。,场效应晶体管的参数,31,总结：,关于 和 的极性 （1）N沟道 P沟道 （2）用作增强型 和 极性相同 用作耗尽型（包括结型FET） 和 极性相反 （3）若 正确 错了 相当于电阻 2.工作在恒流区的条件,32,4.2.4 BJT和FET的比较,BJT：CCCS 内阻小 双极型 热稳定性差 功耗大 不易集成 响应速度快 FET：VCCS 内阻大 单极型
12、热稳定性好 功耗小 易于集成 响应速度慢,33,4.3.1 共源放大电路,N沟道结型场效应管分压偏置电路,一、静态分析1.分压偏置电路,结型场效应管和耗尽型场效应管,4.3 FET基本放大电路,34,因IDQ是二次方程，需要从中确定一个合理的解。一般可根据静态工作点是否合理，栅源电压是否超出了夹断电压，漏源电压是否进入饱和区等情况来确定。,注意以上计算是针对由耗尽型场效应管构成的放大电路，若放大电路采用的是增强型场效应晶体管，则应采用下式计算漏极电流,式中IDO是uGS=2UGS(th) 时所对应的iD。,N沟道增强型绝缘栅场效应管分压偏置电路,35,自给偏压共源组态场效应管放大电路如图所示。
13、建立正确的偏压就是建立正确的静态工作点，图示电路中的场效应管应该采用N沟道耗尽型MOSFET。因为栅流等于0，所以UG=0V、US=IDR， UGSQ= -IDQR 。,根据场效应管的转移特性曲线，静态工作点Q应位于第二象限。漏极电流,自给偏压共源放大电路,管压降 UDSQ= VDDIDQ(Rd+R),一、静态分析2.自给偏压电路,36,场效应晶体管放大电路的三种组态,场效应晶体管有三种不同的组态(或称为三种接法)： 共源极组态，与共发射极组态对应； 共漏极组态，与共集电极组态对应； 共栅极组态，与共基极组态对应。,(a) 共源组态,(b) 共漏组态,(c) 共栅组态,场效应放大电路的三种组态
14、,37,采用场效应晶体管构成放大电路时，必须将静态工作点偏置到具有线性特性的恒流区。但是场效应晶体管与双极型晶体管不同，它是电压控制电流源器件，所以场效应管是电压偏置。分析场效应管放大电路也必须要正确地区分静态和动态，正确地区分直流通路和交流通路。在进行动态分析之前，也需要先进行静态工作点的计算。,对于绝缘栅型场效应管放大电路，根据转移特性曲线，可以确定栅源电压UGS是正还是负，还是可正可负；对于结型场效应管放大电路，以避免栅流来决定栅源电压UGS的正、负。,场效应晶体管放大电路设置偏置的原则,38,具体的偏置电路形式：场效应晶体管放大电路的电压偏置有两种形式，分压偏置和自给栅偏压。,对于不同
15、类型的场效应管： 对于MOS增强型N沟道管放大电路， UGS0， UGS0 截止。 对于MOS耗尽型N沟道管放大电路， UGS0; 对于MOS耗尽型P沟道管放大电路， UGS0，也可UGS0 。,对于结型场效应管放大电路，无论是N沟道还是P沟道管，以避免出现栅流来决定栅源电压UGS的正、负。即N沟道管放大电路为UGS0。,39,场效应管放大电路分压偏置,分压偏置电路,(b) 采用耗尽型管,(a) 采用增强型管,由于没有栅流，栅极电位仅由Rg1和Rg2分压确定，所以分压偏置既可以得到正偏压，又可以得到负偏压。对于图 (a)也可以采用结型场效应管。,40,场效应管放大电路自给栅偏压,图02.03.03 自给栅偏压,自给偏压场效应管放大电路如图02.03.03所示。该电路因为栅流等于0，所以，栅极电位等于0。所以只能N沟道管建立负偏压；P沟道管建立正偏压。所以图示电路,UG=0V US=IDR UGSQ= -IDQR,41,3. （1）耗尽型可以用自给偏压 也可以用分 压偏置 （2）增强型 只能用分压偏置,42,与双极型晶体管一样，可以用一个线性模型来代替场效应管，条件仍然是工作在恒流区，或是微变信号。与双极型晶体管相比，因为场效应管的栅源之间的输入电阻十分大，可视为开路。输出回路是一个受控源，即电压控
