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1、第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路第九讲 场效应管及其放大电路一、场效应管一、场效应管二、场效应管放大电路静态工作点二、场效应管放大电路静态工作点的设置方法的设置方法三、场效应管放大电路的动态分析三、场效应管放大电路的动态分析四、复合管四、复合管第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路一、一、场效应管场效应管(Field-EffectTransistors)1.结型场效应管结型场效应管(JunctionFET)2.金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应管半导体场效应管(Metal-Oxide-SemiconductorFET)3.耗尽型耗尽型MOSFET4.增加型增加型
2、MOSFET5.金属金属-半导体场效应管半导体场效应管(Metal-SemiconductorFET)6.N沟道、沟道、P沟道沟道第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路一、JFET（以N沟道为例）场效应管有三个极：源极场效应管有三个极：源极(s)、栅极、栅极(g)、漏极、漏极(d)，对应于晶，对应于晶体管的体管的e、b、c；有；有三个工作区域：截止区、恒流区、可变三个工作区域：截止区、恒流区、可变电阻区，对应于三极管的截止区、放大区和饱和区。电阻区，对应于三极管的截止区、放大区和饱和区。1 1、结型场效应管、结型场效应管导电导电沟道沟道源极源极栅极栅极漏极漏极符号符号结构示意图结构
3、示意图第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路栅-源电压对导电沟道宽度的限制作用沟道最宽沟道最宽沟道变窄沟道变窄沟道消失沟道消失称为夹断称为夹断uGS可以限制导电沟道的宽度。为什么可以限制导电沟道的宽度。为什么g-s必需加负电压？必需加负电压？UGS（off）为了使输入阻抗大为了使输入阻抗大(不允许出现栅流不允许出现栅流iG)，也为了使栅源电压对沟道宽度及，也为了使栅源电压对沟道宽度及漏极电流有效地进行限制，漏极电流有效地进行限制，PN结确定要反偏，所以在结确定要反偏，所以在N沟道沟道JFET中，中，uGS必需为负值。必需为负值。第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路漏-
4、源电压对漏极电流的影响 uGSUGS（off）且不变，且不变，VDD增大，增大，iD增大增大。预夹断预夹断uGDUGS(off)VDD的增大，几乎全部用来克服沟道的增大，几乎全部用来克服沟道的电阻，的电阻，iD几乎不变，进入恒流区，几乎不变，进入恒流区，iD几乎仅仅确定于几乎仅仅确定于uGS。场效应管工作在恒流区的条件？场效应管工作在恒流区的条件？uGDUGS(off)uGDuGSUGS(off)第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路g-s电压限电压限制制d-s的等的等效电阻效电阻输出特性预夹断轨迹，预夹断轨迹，uGDUGS（off）(uDSuDG+uGS)uDSuGSUGS(of
5、f)可可变变电电阻阻区区恒恒流流区区iD几乎仅确几乎仅确定于定于uGS击击穿穿区区夹断区（截止区）夹断区（截止区）夹断电压夹断电压IDSSiD不同型号的管子不同型号的管子UGS（off）、IDSS将不同。将不同。低频跨导：低频跨导：第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路夹断夹断电压电压漏极饱漏极饱和电流和电流转移特性IDSS饱和电流，表示饱和电流，表示uGS=0时的时的iD值；值；UGS(off)夹断电压，表示夹断电压，表示uGS=UGS(off时时iD为零。为零。场效应管工作在恒流区，因而场效应管工作在恒流区，因而uGS UGS（off）且且uDS|UGS(off)|转移特性曲线
6、表达在转移特性曲线表达在uDS确定时，栅源电压确定时，栅源电压uGS对漏极电流对漏极电流iD的限制作用的限制作用第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路转移特性第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路栅极(Gate)，源极(Source)，漏极(Drain)。在JFET中，源极和漏极是可以互换的。主要参数：直流参数：夹断电压UGS(off)，饱和漏极电流IDSS，直流输入电阻RGS(DC)沟通参数：低频跨导gm，极间电容Cgs，Cgd，Cds极限参数：击穿电压U(BR)DS，U(BR)GS，最大耗散功率PDM，第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路2、MOSFE
7、T(N沟道增加型)N沟道增加型管符号SiO2绝缘层绝缘层高参杂高参杂第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路MOSFET(N沟道增加型)uGS增大，反型层（导电沟道）将变厚变长。当增大，反型层（导电沟道）将变厚变长。当反型层将两个反型层将两个N区相接时，形成导电沟道。区相接时，形成导电沟道。耗尽层耗尽层空穴空穴反型层反型层大到确定大到确定值才开启值才开启SiO2绝绝缘层缘层第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路增加型MOS管uDS对iD的影响 用场效应管组成放大电路时应使之工作在恒流区。N沟道增加型MOS管工作在恒流区的条件？iD随随uDS的增的增大而增大，可大而增大，可
8、变电阻区变电阻区 uGDUGS(th),预夹断预夹断 iD几乎仅仅几乎仅仅受控于受控于uGS，恒，恒流区流区刚出现夹断刚出现夹断uGS的增大几乎全部用的增大几乎全部用来克服夹断区的电阻来克服夹断区的电阻第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路MOSFET(N沟道耗尽型)耗尽型耗尽型MOS管在管在uGS大于大于0、小于、小于0、等于、等于0时均可导通，时均可导通，且与结型场效应管不同，由于且与结型场效应管不同，由于SiO2绝缘层的存在，在绝缘层的存在，在uGS0时仍保持时仍保持g-s间电阻特别大的特点。间电阻特别大的特点。加正离子加正离子小到确定小到确定值才夹断值才夹断uGS=0时就存
9、在时就存在导电沟道导电沟道第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路MOS管的特性增加型增加型MOS管管耗尽型耗尽型MOS管管开启开启电压电压夹断夹断电压电压第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路主要参数：一、直流参数，二、沟通参数，三、极限参数一、夹断/开启电压UGS(off)/UGS(th)，饱和漏极电流IDSS，直流输入电阻RGS(DC)二、低频跨导gm，极间电容Cgs，Cgd，Cds三、最大漏极电流IDM，击穿电压U(BR)DS，U(BR)GS，最大耗散功率PDM第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路3、场效应管工作在恒流区时g-s、d-s间的电压极性u
10、GS=0可工作在恒流区的场效应管有哪几种？可工作在恒流区的场效应管有哪几种？uGS0才工作在恒流区的场效应管有哪几种？才工作在恒流区的场效应管有哪几种？uGS0才工作在恒流区的场效应管有哪几种？才工作在恒流区的场效应管有哪几种？第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路二、场效应管静态工作点的设置方法1基本共源放大电路依据场效应管工作在恒流区的条件，在g-s、d-s间加极性合适的电源(固定偏置)第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路2自给偏压电路由正电源获得负偏压由正电源获得负偏压称为自给偏压称为自给偏压哪种场效应管能够接受这种电路形式设置哪种场效应管能够接受这种电路形式设
11、置Q点？点？耗尽型耗尽型第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路3分压式偏置电路为什么加为什么加Rg3?其数值应大些小些？其数值应大些小些？哪种场效应管能够接受这种电路形式设置哪种场效应管能够接受这种电路形式设置Q点？点？即典型的即典型的Q点稳定电路点稳定电路第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路三、场效应管放大电路的动态分析近似分析时可认近似分析时可认为其为无穷大！为其为无穷大！依据依据iD的表达式或转的表达式或转移特性可求得移特性可求得gm。1场效应管的沟通等效模型与晶体管的h参数等效模型类比：输入端口电阻无穷大；输出端口全微分全微分第第3章章场效应管及其基本电路场效
12、应管及其基本电路跨导跨导gmgm与与uGS呈线性关系呈线性关系耗尽型场效应管耗尽型场效应管第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路跨导跨导gmgm与与uGS呈线性关系呈线性关系增加型场效应管增加型场效应管第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路2.基本共源放大电路的动态分析基本共源放大电路的动态分析若若Rd=3k，Rg=5k，gm=2mA/V，则，则与共射电路比较。与共射电路比较。第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路3.基本共漏共漏放大电路的动态分析若Rs=3k，gm=2mA/V，则第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路基本共漏放大电路输出电阻的分
13、析若Rs=3k，gm=2mA/V，则Ro=?3000/500=500/7第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路四、复合管复合管的组成：多只管子合理连接等效成一只管子。复合管的组成：多只管子合理连接等效成一只管子。不同类型的管子复合后，其不同类型的管子复合后，其类型确定于类型确定于T1管。管。目的：增大目的：增大/gm，减小前级驱动电流，变更管子的类型。，减小前级驱动电流，变更管子的类型。第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路探讨一推断下列各图是否能组成复合管复合管中每只管子的复合管中每只管子的电压方向一样电压方向一样前级管子各极电流都前级管子各极电流都有合适的通路有合适
14、的通路后级的基极接前级的后级的基极接前级的e/c/d/s第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路Ri=?Ro=?探讨二第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路Rg3的作用的作用探讨三OVER第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路二、输出特性曲线输出特性曲线表达以UGS为参变量时iD与uDS的关系。如图33(b)所示，依据特性曲线的各部分特征，我们将其分为四个区域：1.恒流区恒流区相当于双极型晶体管的放大区。其主要特征为：(1)当UGSoffUGS|UGSoff|(33)时，沟道在漏极旁边被局部夹断(称为预夹断)，如图34(b)所示。此后，uDS再增大，电压主要降
15、到局部夹断区，而对整个沟道的导电实力影响不大。所以uDS的变更对iD影响很小。第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路2.可变电阻区当uDS很小，|uDS-uGS|UGSoff|时，沟道被全部夹断，iD=0，故此区为截止区。若利用JFET作为开关，则工作在截止区，即相当于开关打开。4.击穿区击穿区随 着 uDS增 大，靠 近 漏 区 的 PN结 反 偏 电 压uDG(=uDS-uGS)也随之增大。第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路32绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管(IGFET)321绝缘栅场效应管的结构绝缘栅场效应管的结构如图35所示，其中图(a)为立体结构示意图，图(
16、b)为平面结构示意图。第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路图35绝缘栅(金属-氧化物-半导体)场效应管结构示意图(a)立体图；(b)剖面图第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路322N沟道增加型MOSFET(EnhancementNMOSFET)一、导电沟道的形成及工作原理如图36所示，若将源极与衬底相连并接地，在栅极和源极之间加正压UGS，在漏极与源极之间施加正压UDS，我们来视察uGS变更时管子的工作状况。第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路图36N沟道增加型MOS场效应管的沟道形成及符号第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路图36N沟道
17、增加型MOS场效应管的沟道形成及符号第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路二、转移特性N沟道增加型MOSFET的转移特性如图37所示。其主要特点为：(1)当uGSUGSth时，iD0，uGS越大，iD也随之增大，二者符合平方律关系，如式(34)所示。(34)第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路式中：UGSth开启电压(或阈值电压)；n沟道电子运动的迁移率；Cox单位面积栅极电容；W沟道宽度；L沟道长度(见图35(a)；W/LMOS管的宽长比。在MOS集成电路设计中，宽长比是一个极为重要的参数。第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路三、输出特性N沟道增加型M
18、OSFET的输出特性如图38所示。与结型场效应管的输出特性相像，它也分为恒流区、可变电阻区、截止区和击穿区。其特点为：(1)截止区：UGSUGSth，导电沟道未形成，iD=0。第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路图38输出特性(a)输出特性；(b)厄尔利电压第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路图38输出特性(a)输出特性；(b)厄尔利电压第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路(2)恒流区：曲线间隔匀整，uGS对iD限制实力强。uDS对iD的限制实力弱，曲线平坦。进入恒流区的条件，即预夹断条件为(35)第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路因为
19、UGD=UGS-UDS，当UDS增大，使UGDUGSth时，靠近漏极的沟道被首先夹断(如图39所示)。此后，UDS再增大，电压的大部分将着陆在夹断区(此处电阻大)，而对沟道的横向电场影响不大，沟道也从今基本恒定下来。所以随UDS的增大，iD增大很小，曲线从今进入恒流区。第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路图39uDS增大，沟道被局部夹断(预夹断)状况第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路沟道调制系数。不同UGS对应的恒流区输出特性延长会交于一点(见图3-8(b)，该点电压称为厄尔利电压UA。定义沟道调制系数来表达uDS对沟道及电流iD的影响。明显，曲线越平坦，|UA|
20、越大，越小。(36)第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路考虑uDS对iD微弱影响后的恒流区电流方程为但由于0，就有漏极电流。假如uGS0,指向衬底的电场加强，沟道变宽，漏极电流iD将会增大。反之，若uGSuGSth时，导电沟道才形成，iD0。3.输入电阻RGS对结型场效应管，RGS在1081012之间。对MOS管，RGS在10101015之间。通常认为RGS。第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路二、极限参数场效应管也有确定的运用极限，若超过这些极限值，管子就可能损坏。场效应管的极限参数如下：(1)栅源击穿电压U(BR)GSO。(2)漏源击穿电压U(BR)DSO。(3
21、)最大功耗PDM：PDM=IDUDS第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路三、沟通参数三、沟通参数1跨导跨导gm跨导跨导gm的定义为的定义为(313)gm的大小可以反映栅源电压uGS对漏极电流iD的限制实力的强弱。gm可以从转移特性或输出特性中求得，也可以用公式计算出来。对JFET和耗尽型MOS管，电流方程为第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路(314)那么，对应工作点Q的gm为式中，IDQ为直流工作点电流。可见，工作点电流增大，跨导也将增大。而对增加型MOSFET，其电流方程为第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路那么，对应工作点Q的gm为(315)式(
22、315)表明，增大场效应管的宽长比和工作电流，可以提高gm。2.输出电阻输出电阻rds输出电阻rds定义为(316)(317)恒流区的rds可以用下式计算：第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路332场效应管的低频小信号模型场效应管的低频小信号模型因为所以(318)(319)以正弦复数值表示，上式可改写为通常rds较大，对Id的影响可以忽视，则第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路画出式(320)和式(321)所对应的等效电路分别如图313(a),(b)所示。由于栅流iG=0,RGS=，所以输入回路等效电路可以不画出。可见，场效应管低频小信号等效电路比晶体管的还简洁。第
23、第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路图313场效应管低频小信号简化模型第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路34场效应管放大器场效应管放大器341场效应管偏置电路与晶体管放大器相像，静态工作点的设置对放大器的性能至关重要。在场效应管放大器中，由于结型场效应管与耗尽型MOS场效应管uGS=0时，iD0，故可接受自偏压方式，如图314(a)所示。而对于增加型MOSFET，则确定要接受分压式偏置或混合偏置方式，如图314(b)所示。我们可以用两种方法确定直流工作点，一种是图解法，另一种是解析法。第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路图314场效应管偏置方式(a)自
24、偏压方式；(b)混合偏置方式第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路一、图解法一、图解法画出N沟道场效应管的转移特性如图315所示。对于自偏压方式，栅源回路直流负载线方程为(322)在转移特性坐标上画出该负载线方程如图315(a)所示。分别求出JFET的工作点为Q1点，耗尽型MOSFET的工作点为Q2点，而与增加型MOSFET转移特性则无交点。第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路图315图解法求直流工作点(a)自偏压方式；(b)混合偏置方式第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路对于混合偏置方式，栅源回路直流负载线方程为(323)画出该负载线如图315(b)所
25、示，对于三种不同类型的场效应管的工作点分别为Q1、Q2及Q3。这里要特殊留意的是，对JFET，RG2过大，或RS太小，都会导致工作点不合适，如图315(b)虚线所示。第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路二、解析法二、解析法已知电流方式及栅源直流负载线方程，联立求解即可求得工作点。例如：(324a)(324b)将式(324b)代入式(324a)，解一个iD的二次方程，有两个根，舍去不合理的一个根，留下合理的一个根便是IDQ。第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路342场效应管放大器分析与晶体管放大器相像，场效应管放大器也有共源、共漏、共栅等三种基本组态电路。一、共源放大
26、器共源放大器电路如图316(a)所示，其低频小信号等效电路如图316(b)所示。由图(b)可知，放大器输出沟通电压为(325)第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路图316共源放大器电路及其低频小信号等效电路(a)电路；(b)低频小信号等效电路第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路图316共源放大器电路及其低频小信号等效电路(a)电路；(b)低频小信号等效电路第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路式中，且一般满足RDRLrds。所以，共源放大器的放大倍数Au为(326)若gm=5mA/V，元件值如图316(a)所示，则Au=50。输出电阻：输入电阻：(327
27、)(328)第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路图317给出了基于Workbench平台的场效应管电路的计算机仿真结果，从仿真中可以测出直流工作点及输入输出波形的相位关系、放大倍数等。第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路图317基于Workbench平台的FET放大电路的计算机仿真第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路由图可见，场效应管型号为inf510，栅流IG=0，漏极电流IDQ=0.858mA。输出波形与输入波形相位相反。用示波器光标分别测出输出信号峰峰值为3V，输入信号峰峰值为0.024V，故该电路的放大倍数为第第3章章场效应管及其基本电路场效应
28、管及其基本电路例例场效应管放大器电路如图318(a)所示，已知工作点的gm=5mA/V，试画出低频小信号等效电路，并计算增益Au。第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路图318带电流负反馈的放大电路(a)电路；(b)等效电路；(c)简化等效电路第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路图318带电流负反馈的放大电路(a)电路；(b)等效电路；(c)简化等效电路第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路解解(1)该电路的小信号等效电路如图318(b)所示。(2)输出电压：式中：故(329)(330)(331)将式(331)代入式(329)，得放大倍数Au为(332)第
29、第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路二、共漏放大器二、共漏放大器共漏放大器的电路如图319(a)所示，相应的等效电路如图319(b)所示。该电路的主要参数如下。1.放大倍数放大倍数Au式中：故第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路图319共漏电路及其等效电路(a)电路；(b)等效电路第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路图319共漏电路及其等效电路(a)电路；(b)等效电路第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路所以(333)第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路2.输出电阻输出电阻Ro计算输出电阻Ro的等效电路如图320所示。首先将R
30、L开路，短路，在输出端加信号，求出，则第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路图320计算共漏电路输出电阻Ro的等效电路第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路图320计算共漏电路输出电阻Ro的等效电路第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路由图可见式中：所以，输出电阻为第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路故输入电阻(334)共栅电路与共基电路相像，留给读者自行分析。第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路343若干问题的探讨一、晶体管的跨导比场效应管的跨导大得多我们知道，晶体管的电流iC与放射结电压uBE成指数关系，而场效应管的漏极电流i
31、D与栅源电压成平方律关系。跨导表示转移特性的斜率。明显，双极型晶体管的跨导比场效应管的跨导要大得多。第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路晶体管：场效应管：结型场效应管：第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路二、关于温度稳定性二、关于温度稳定性场效应管导电机理为多数载流子的漂移电流，热稳定性较晶体管好。而且场效应管还存在一个零温度系数点，如图321所示，在这一点工作，温度稳定性会更好。第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路图321场效应管的零温度系数点第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路三、关于体效应和背栅跨导前面全部结论都是在衬底与源极短路的
32、前提下得出的。但是在集成电路中，在同一硅片衬底上要做很多管子。为保证正常工作，一般衬底要接到全电路的最低电位点，因此不行能全部管子的源极都与自身的衬底连接，此时，会存在源极与衬底之间的电位差UBS。为了保证沟道与衬底之间用反偏的PN结相隔离，UBS必需为负。第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路在衬底负压作用下，沟道与衬底间的耗尽层加厚，导致开启电压UGSth增大，沟道变窄，沟道电阻增大，iD减小，这种效应称之为“体效应”，或“背栅效应”，或“衬底调制效应”。为了表达衬底电压对iD的影响，引入背栅跨导gmb：(340)通常用跨导比来表示gmb的大小：(341)第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路式中,为常数，一般为0.10.2。考虑背栅跨导影响的等效电路如图322所示。图322计入背栅跨导的FET等效电路场效应管三种组态放大器的性能比较如表3-1。第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路精品课件精品课件！第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路精品课件精品课件！第第3章章场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路