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1、杨 凌, 模 拟 电 子 线 路 第4章,第 4 章 场效应管及其基本放大电路,4.0 引言,MOSFET在20世纪70年代和80年代导致了第二次电子革命,在这次革命中,产生了台式计算机和手持计算器.MOSFET在IC电路中占用很小的芯片面积,因而可以用来制造高密度的VLSI 电路和大容量的存储器.,4.1 JFET (体内场效应器件),JFET的开发先于MOSFET, 但其应用远不如MOSFET. JFET仅限于一些特殊的应用. 一、结构、符号,图 4.1,4.1 JFET,二、工作原理 VGS0, VDS 0,1、VGS对ID的控制作用,4.1 JFET,(a) VGS(off)VGS 0
2、,(b) VGSVGS(off),改变VGS的大小,可以有效地控制沟道电阻的大小. VGS 沟道电阻 ID,图 4.3,4.1 JFET,图 4.4,2、VDS对ID的影响,(b) VDS=VGSVGS(off),当VGD=VGSVDS=VGS(off)时,沟道预夹断. IDSS,4.1 JFET,3、几点结论: JFET的IG0,故其输入电阻很高; JFET是电压控制电流器件,ID受VGS控制; 预夹断前, ID与VDS近似成线性关系;预夹断后, ID趋于饱和.,三、特性曲线,4.1 JFET,图 4.5,1、可变电阻区 VGS(off)VGS0, VDSVGSVGS(off) VGSRon
3、 ,VGSRon,4.1 JFET,2、恒流区 ( 饱和区、线性放大区 ) VGS(off)VGS0, VDSVGSVGS(off),4.1 JFET,四、主要参数 1、夹断电压VP 2、饱和漏电流IDSS 3、最大漏源电压V(BR)DS 4、最大栅源电压V(BR)GS 5、直流输入电阻RGS (106109) 6、低频互导(跨导)gm:表征FET放大能力的重要参数,4.1 JFET,7、输出电阻rd (一般在几十千欧到几百千欧之间),8、最大耗散功率PDM,PDM = VDS ID,9、极间电容,Cgs Cgd,4.2 MOSFET (表面场效应器件),MOSFET与BJT相比,体积小、输入
4、电阻高、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强,因此在近代微电子学中得到了广泛应用,尤其在集成电路技术中占有非常重要的地位. MOSFET中的电流由电场控制,电场与半导体表面和电流的方向垂直.利用与半导体表面垂直的电场控制半导体的电导率或控制半导体中的电流,这种现象称为场效应. 一、分类,4.2.1 增强型MOSFET,二、结构、符号( EMOS N沟道),图 4.6,三、工作原理,4.2.1 增强型MOSFET,1、导电沟道的形成原理 (VB=VS),图 4.7,当VGSVGS(th)时,导电沟道形成. VGS(th)开启电压.,4.2.1 增强型MOSFET,2、VDS对沟道导电能力的控制,图
5、4.8,4.2.1 增强型MOSFET,四、特性曲线,(b),(a),1、,2、,图 4.9,4.2.1 增强型MOSFET,1、可变电阻区 VGSVGS(th), VDSVGSVGS(th) VGS Ron 2、恒流区(放大区、饱和区) VGSVgs(th), VDSVGSVGS(th),3、截止区 VGSVGS(th), ID=0. 4、击穿区 VGSVGS(th), VDSVGSVGS(th),4.2.1 增强型MOSFET,(1) VDS 漏区与衬底间的PN结发生雪崩击穿 ID. (2) VGS SiO2绝缘层击穿, 造成器件永久损坏,为了 防止这种破坏性击穿,常 在栅极加保护二极管,
6、如 图4.10所示.,五、主要参数 与JFET 基本相同,注意VGS(th)与VGS(off)的区别.,4.2.1 增强型MOSFET,六、P沟道EMOS,图 4.11,4.2.2 耗尽型MOSFET,一、结构、符号,图 4.12,VGS=0时,便存在原始沟道,VGS可正、可负、可为零.,4.2.2 耗尽型MOSFET,二、特性曲线,4.2.3 各种FET的比较,VGS,VGS,ID,ID,ID,VGSRon,VGS ID = ID0 ( 1)2 VT,表 4.1,一、,图 4.14,ID /mA,二、,4.3 各种FET的比较,三、使用注意事项 1、 VU N沟道:接低电位; P沟道:接高电
7、位. VB=VS 2、 D S, 若VB=VS, 则 D S. 3、 保存: JFET可在开路状态下存放,但使用是VGS不能接反;MOSFET存放时须将各电极短路,以免外电场作用而使管子损坏. 4、 焊接时,电烙铁必须有外接地线,以屏蔽交流电场,防止损坏管子.特别是焊接MOSFET 时,最好断电后再焊接.,4.3 各种FET的比较,一、低频模型,4.4 小信号电路模型,图 4.15,vGS=VGSQ+vgs iG = 0 vDS=VDSQ+vds iD=IDQ+id,4.4 小信号电路模型,二、高频模型,4.5 场效应管放大电路,基本场效应管放大电路有共源、共漏、共栅三种组态,分别与BJT的共
8、射、共集、共基组态相对应. 4.5.1 FET的直流偏置电路及静态分析,(c) 分压式自偏压,图 4.17,4.5.1 FET的直流偏置电路及静态分析,【例4-1】在图 4.18所示电路中,已知RG1= 2M, RG2= 47k, RS=2k, RD=30k, VDD=18V; 设IDSS = 0.5mA, VP=1V. 试 确定Q点. 【解】,VS=IDRS =2ID,VGS=VGVS = (0.412ID )V,假设JFET工作在放大区,则有:,4.5.1 FET的直流偏置电路及静态分析,ID = (0.960.65)mA 得: IDQ = 0.31mA,进而求得: VDSQ=VDDIDQ
9、 (RD +RS )=180.31(30+2) 8.1V VGSQ= 0.412IDQ =0.4120.31 = 0.21V 由上述结果可知: VGSVP, VDSVGSVP , 所以,该晶体管确实处在放大区,上述计算结果有效.,4.5.2 FET放大电路,一、共源放大器 1、基本共源放大器,图 4.19,4.5.2 FET放大电路,g,Ri=RG3+RG1RG2 ( 4-6) Ro=RDrds RD ( 4-7),4.5.2 FET放大电路,2、带源极电阻的共源放大器,(b),图 4.20,g,4.5.2 FET放大电路,Ri=RG3+RG1RG2 ( 4- 9),Ro RD ( 4-10)
10、,4.5.2 FET放大电路,二、共漏放大器(源极跟随器),图 4.21,4.5.2 FET放大电路,4.5.2 FET放大电路,Ri=RG3+RG1RG2 ( 4-13),( 4-14),4.5.2 FET放大电路,图 4.22,三、共栅放大器,(b),(a),4.5.2 FET放大电路,Ro=RD ( 4-17),(d) 图 4.22,4.5.2 FET放大电路,四、小结 1、FET三种基本组态放大器的性能特点与BJT放大器相似; 2、 ig= 0, 对共源和共漏放大器, Ri，Ai; 3、在相同静态电流下, gm(FET) gm(BJT),所以, AV(CS、CG) AV(CE、CB)
11、Ri(CG) Ri(CB), Ro(CD) Ro(CC),章末总结与习题讨论,一、本章小结 1、熟悉FET的分类、结构、符号、工作原理,掌握FET的特 性曲线及工作特点; 2、了解FET放大器的常用偏置电路; 3、掌握FET的小信号电路模型; 4、熟悉FET放大器的三种基本组态电路, 并与BJT三种基本 组态电路相比较. 二、习题讨论 【例4-2】电路如图 4.23所示,试确定电压增益AV和输入电阻Ri,章末总结与习题讨论,输出电阻Ro .假设晶体管VF 的参数gm已知且rds=;晶体 管VT的参数、 rbe已知. 【解】: VFCD; VTCE.,Ri = Ri1 RG Ro = Ro2 RC,章末总结与习题讨论,【例4-3】电路如图 4.24(a)所示,试确定电压增益AV.假设晶体 管 VF和VT的参数如下:gm=1mS, rbb=300, VBE=0.65V, =80.,章末总结与习题讨论,图 4.24 (b),【解】画出电路的交流等效电路如图 4.24(b)所示.,章末总结与习题讨论,其中:,IEQ= (1+)IBQ 3.97mA,RB=R3R41.82k,章末总结与习题讨论,【解】,【练习】 画出该电路的交流通路.,欢 迎 提 出 批 评 指 正 !,
