场效应管及放大电路课件

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1、电子技术基础,模拟部分 （第六版）,电子技术基础模拟部分,1 绪论 2 运算放大器 3 二极管及其基本电路 4 场效应三极管及其放大电路 5 双极结型三极管及其放大电路 6 频率响应 7 模拟集成电路 8 反馈放大电路 9 功率放大电路 10 信号处理与信号产生电路 11 直流稳压电源,4 场效应三极管及放大电路,4.1 金属-氧化物-半导体（MOS）场效应三极管 4.2 MOSFET基本共源极放大电路 4.3 图解分析法 4.4 小信号模型分析法 4.5 共漏极和共栅极放大电路 4.6 集成电路单级MOSFET放大电路 4.7 多级放大电路 4.8 结型场效应管（JFET）及其放大电路 *4

2、.9 砷化镓金属-半导体场效应管 4.10 各种FET的特性及使用注意事项,场效应管的分类：,P沟道,耗尽型,P沟道,P沟道,（耗尽型）,4.1 金属-氧化物-半导体（MOS）场效应三极管,4.1.1 N沟道增强型MOSFET 4.1.2 N沟道耗尽型MOSFET 4.1.3 P沟道MOSFET 4.1.4 沟道长度调制等几种效应 4.1.5 MOSFET的主要参数,4.1.1 N沟道增强型MOSFET,1. 结构,L ：沟道长度,W ：沟道宽度,tox ：绝缘层厚度,通常 W L,4.1.1 N沟道增强型MOSFET,剖面图,符号,1. 结构,4.1.1 N沟道增强型MOSFET,（1）VG

3、S对沟道的控制作用,当VGS0时,无导电沟道， d、s间加电压时，也无电流产生。,当0 VGS VTN 时,产生电场，但未形成导电沟道（反型层），d、s间加电压后，没有电流产生。,2. 工作原理,4.1.1 N沟道增强型MOSFET,当VGS VTN 时,在电场作用下产生导电沟道，d、s间加电压后，将有电流产生。,VGS越大，导电沟道越厚,VTN 称为N沟道增强型MOSFET开启电压,（1）VGS对沟道的控制作用,2. 工作原理,必须依靠栅极外加电压才能产生反型层的MOSFET称为增强型器件,2. 工作原理,（2）VDS对沟道的控制作用,靠近漏极d处的电位升高,电场强度减小,沟道变薄,当VGS

4、一定（VGS VTN ）时，,VDS,ID,沟道电位梯度,整个沟道呈楔形分布,当VDS增加到使VGD=VTN 时，在紧靠漏极处出现预夹断。,在预夹断处：VGD=VGS-VDS =VTN,（2）VDS对沟道的控制作用,当VGS一定（VGS VTN ）时，,VDS,ID,沟道电位梯度,2. 工作原理,预夹断后，VDS,夹断区延长,沟道电阻,ID基本不变,（2）VDS对沟道的控制作用,2. 工作原理,（3）VDS和VGS同时作用时,VDS一定，VGS变化时,给定一个vGS ，就有一条不同的 iD vDS 曲线。,2. 工作原理,以上分析可知,沟道中只有一种类型的载流子参与导电，所以场效应管也称为单极

5、型三极管。,MOSFET是电压控制电流器件（VCCS），iD受vGS控制。,预夹断前iD与vDS呈近似线性关系；预夹断后，iD趋于饱和。,# 为什么MOSFET的输入电阻比BJT高得多？,MOSFET的栅极是绝缘的，所以iG0，输入电阻很高。,只有当vGSVTN时，增强型MOSFET的d、s间才能导通。,3. I-V 特性曲线及大信号特性方程,（1）输出特性及大信号特性方程, 截止区 当vGSVTN时，导电沟道尚未形成，iD0，为截止工作状态。, 可变电阻区 vDS （vGSVTN）,由于vDS较小，可近似为,rdso是一个受vGS控制的可变电阻,（1）输出特性及大信号特性方程,3. I-V

6、特性曲线及大信号特性方程, 可变电阻区,n ：反型层中电子迁移率 Cox ：栅极（与衬底间）氧化层单位面积电容,本征电导因子,其中,Kn为电导常数，单位：mA/V2,（1）输出特性及大信号特性方程,3. I-V 特性曲线及大信号特性方程, 饱和区 （恒流区又称放大区）,vGS VTN ，且vDS（vGSVTN）,是vGS2VTN时的iD,I-V 特性：,（1）输出特性及大信号特性方程,必须让FET工作在饱和区（放大区）才有放大作用。,3. I-V 特性曲线及大信号特性方程,（2）转移特性,# 为什么不谈输入特性？,在饱和区，iD受vGS控制,3. I-V 特性曲线及大信号特性方程,4.1.2

7、N沟道耗尽型MOSFET,1. 结构和工作原理,二氧化硅绝缘层中掺有大量的正离子，已存在导电沟道,可以在正或负的栅源电压下工作，而且基本上无栅流,4.1.2 N沟道耗尽型MOSFET,（N沟道增强型）,2. I-V 特性曲线及大信号特性方程,4.1.3 P沟道MOSFET,# 衬底是什么类型的半导体材料？,# 哪个符号是增强型的？,# 在增强型的P沟道MOSFET 中，vGS应加什么极性的电压才能工作在饱和区（线性放大区）？,4.1.3 P沟道MOSFET,# 是增强型还是耗尽型特性曲线？,# 耗尽型特性曲线是怎样的？vGS加什么极性的电压能使管子工作在饱和区（线性放大区）？,电流均以流入漏极

8、的方向为正！,4.1.4 沟道长度调制等几种效应,实际上饱和区的曲线并不是平坦的（N沟道为例）,L的单位为m,当不考虑沟道调制效应时，0，曲线是平坦的。,修正后,VA称为厄雷（Early）电压,1. 沟道长度调制效应,4.1.4 沟道长度调制等几种效应,衬底未与源极并接时，衬底与源极间的偏压vBS将影响实际的开启（夹断）电压和转移特性。,VTNO表示vBS = 0时的开启电压,2. 衬底调制效应（体效应）,N沟道增强型,对耗尽型器件的夹断电压有类似的影响,4.1.4 沟道长度调制等几种效应,2. 衬底调制效应（体效应）,通常，N沟道器件的衬底接电路的最低电位，P沟道器件的衬底接电路的最高电位。

9、,为保证导电沟道与衬底之间的PN结反偏，要求： N沟道: vBS 0 P沟道: vBS 0,4.1.4 沟道长度调制等几种效应,3. 温度效应,VTN和电导常数Kn随温度升高而下降，且Kn受温度的影响大于VTN受温度的影响。,当温度升高时，对于给定的VGS，总的效果是漏极电流减小。,可变电阻区,饱和区,4.1.4 沟道长度调制等几种效应,4. 击穿效应,（1）漏衬击穿 外加的漏源电压过高，将导致漏极到衬底的PN结击穿。,若绝缘层厚度tox= 50 纳米时，只要约30V的栅极电压就可将绝缘层击穿，若取安全系数为3，则最大栅极安全电压只有10V。,（2）栅极击穿,通常在MOS管的栅源间接入双向稳压

10、管，限制栅极电压以保护器件。,4.1.5 MOSFET的主要参数,一、直流参数,1. 开启电压VT （增强型参数）,2. 夹断电压VP （耗尽型参数）,4.1.5 MOSFET的主要参数,一、直流参数,3. 饱和漏电流IDSS （耗尽型参数）,4. 直流输入电阻RGS （1091015 ）,4.1.5 MOSFET的主要参数,所以,1. 输出电阻rds,当不考虑沟道调制效应时，0，rds,实际中，rds一般在几十千欧到几百千欧之间。,二、交流参数,对于增强型NMOS管,有,4.1.5 MOSFET的主要参数,2. 低频互导gm,二、交流参数,则,其中,又因为,所以,NMOS增强型,4.1.5

11、MOSFET的主要参数,三、极限参数,1. 最大漏极电流IDM,2. 最大耗散功率PDM,3. 最大漏源电压V（BR）DS,4. 最大栅源电压V（BR）GS,4.2 MOSFET基本共源极放大电路,4.2.1 基本共源极放大电路的组成 4.2.2 基本共源放大电路的工作原理 4.2.3 放大电路的习惯画法和主要分析法,4.2.1 基本共源极放大电路的组成,1. 如何让MOS管工作在饱和区？,元件作用,VGG： 提供栅源电压使 vGS VTN,VDD和Rd ： 提供合适的漏源电压，使 vDS vGS - VTN,Rd 还兼有将电流转换成电压的作用,（VGG vi）,通常称VGG和VDD为三极管的

12、工作电源，vi为信号。,4.2.1 基本共源极放大电路的组成,2. 信号如何通过MOS管传递？,vi,信号由栅源回路输入、漏源回路输出，即源极是公共端，所以称此电路为共源电路。 也可看作信号由栅极输入、漏极输出。,饱和区,由MOS管的控制关系决定,由,可获得信号电压增益,（VGG vi）,4.2.2 基本共源放大电路的工作原理,1. 放大电路的静态和动态,静态：输入信号为零（vi= 0 或 ii= 0）时，放大电路的工作状态，也称直流工作状态。,动态：输入信号不为零时，放大电路的工作状态，也称交流工作状态。,此时，FET的直流量ID、VGS、VDS，在输出特性曲线上表示为一个确定的点，习惯上称

13、该点为静态工作点Q。常将上述三个电量写成IDQ、VGSQ和VDSQ。,4.2.2 基本共源放大电路的工作原理,2. 放大电路的直流通路和交流通路,仅有直流电流流经的通路为直流通路,4.2.2 基本共源放大电路的工作原理,2. 放大电路的直流通路和交流通路,直流电压源内阻为零，交流电流流经直流电压源时不产生任何交流压降， 故,直流电压源对交流相当于短路,仅有直流电流流经的通路为直流通路,4.2.2 基本共源放大电路的工作原理,2. 放大电路的直流通路和交流通路,仅有交流电流流经的通路为交流通路,直流电压源对交流相当于短路,4.2.2 基本共源放大电路的工作原理,3. 放大电路的静态工作点估算,直

14、流通路,假设NMOS管工作于饱和区，则,VGSQ = VGG,VDSQ = VDD - IDQ Rd,当已知VGG、VDD、VTN、Kn、和Rd 时，便可求得Q点（VGSQ、IDQ、VDSQ）。必须检验是否满足饱和区工作条件：VDSQ VGSQ - VTN 0。,若不满足，则说明工作在可变电阻区，此时漏极电流为,注意：电路结构不同，除FET特性方程外，其它电路方程将有差别,例4.2.1,假设NMOS管工作于饱和区，根据,已知VGG=2V，VDD=5V，VTN=1V，Kn=0.2mA/V2，Rd =12k，求Q点。,求得： VGSQ=2V，IDQ=0.2mA，VDSQ=2.6V 满足饱和区工作条

15、件： VDSQ VGSQ - VTN 0 ，结果即为所求。,解：,4.2.2 基本共源放大电路的工作原理,3. 放大电路的静态工作点估算,饱和区的条件：VGSQ VTN , IDQ 0 ， VDSQ VGSQ - VTN,增强型NMOS管,若：VGSQ VTN , NMOS管截止。,若： VDSQ VGSQ - VTN ，NMOS管可能工作在可变电阻区。,如果初始假设是错误的，则必须作出新的假设，同时重新分析电路。,# 请归纳其它管型静态工作点的计算方法,4.2.2 基本共源放大电路的工作原理,4. 放大电路的动态工作情况,在静态基础上加入小信号vi,此时电路中的总电压和电流为,vGS = V

16、GSQ + vi iD = IDQ + id vDS = vDSQ + vds,其中 id和vds为交流量,vDS = VDD - iDRd,4.2.3 放大电路的习惯画法和主要分析法,省略工作电源的直流电压符号，仅保留电压源非接“地”端子，并标注电压源名称。,习惯画法,1. 习惯画法,4.2.3 放大电路的习惯画法和主要分析法,1. 习惯画法,4.2.3 放大电路的习惯画法和主要分析法,2. 主要分析法,图解法 小信号模型分析法,4.3 图解分析法,4.3.1 用图解方法确定静态工作点Q 4.3.2 动态工作情况的图解分析 4.3.3 图解分析法的适用范围,4.3.1 用图解方法确定静态工作点Q,采用图解法分析静态工作点，必须已知FET的输出特性曲线。,静态：vi = 0, 输入回路,vGS = VGG = VGSQ, 输出回路,vCE = VCCiCRc （直流负载线）,输出回路左侧的FET端口可用输出特性曲线描述,共源放大电路,4.3.1 用