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1、模拟电子技术模拟电子技术电子技术基础精品课程电子技术基础精品课程第四章第四章 单极型单极型场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路信息工程学院信息工程学院电子技术基础课程组电子技术基础课程组4.场效应管放大电路场效应管放大电路三极管三极管三极管放大电路三极管放大电路分析方法分析方法图解法图解法估算法估算法微变等效电路法微变等效电路法场效应管场效应管场效应管放大电路场效应管放大电路小小 结结作业作业引言引言场效应管的分类场效应管的分类JFETMOSFETFET放大电路放大电路MESFET各类各类FET放大电路性能比较放大电路性能比较引言引言三极管三极管(BJT)电流控制器件（基极电流）电流控制器
2、件（基极电流）输入阻抗不高输入阻抗不高双极型器件（两种载流子：多子少子均参与导电）双极型器件（两种载流子：多子少子均参与导电）噪声高噪声高场效应管场效应管(Field Effect Transistor)电压控制器件（栅、源极间电压）电压控制器件（栅、源极间电压）输入阻抗极高输入阻抗极高单极型器件（一种载流子：多子参与导电）单极型器件（一种载流子：多子参与导电）噪声小噪声小缺点是速度慢（缺点是速度慢（有寄生电容效应）有寄生电容效应）场效应管（和三极管相比）：优点多、应用广泛场效应管（和三极管相比）：优点多、应用广泛基本概念基本概念电压控制器件电压控制器件 电流控制器件电流控制器件 单极型器件单
3、极型器件 双极型器件双极型器件 感生沟道感生沟道 导电沟道导电沟道增强型增强型 耗尽型耗尽型 夹断电压夹断电压 开启电压开启电压 预夹断预夹断 全夹断全夹断 饱和漏极电流饱和漏极电流 栅电流栅电流 输出特性输出特性 转移特性转移特性 自偏压电路自偏压电路 分压式自偏压电路分压式自偏压电路 反相电压放大器反相电压放大器 电压跟随器电压跟随器 电流跟随器电流跟随器FET分类分类结型场效应管结型场效应管JFET（按导电沟道类型）（按导电沟道类型）P沟道沟道N沟道沟道绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管MOSFET耗尽型耗尽型(按导电沟道形成机理按导电沟道形成机理)增强型增强型P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟
4、道N沟道沟道按基本结构按基本结构结型场效应管结型场效应管一、结构和工作原理一、结构和工作原理二、特性曲线和参数二、特性曲线和参数1.1.结构与符号结构与符号2.2.工作原理工作原理 外部工作条件外部工作条件 vGS对对iD的控制作用的控制作用 vDS对对iD的影响的影响1.1.输出特性和转移特性输出特性和转移特性2.2.主要参数主要参数例题例题JFET结构与符号结构与符号N N沟道结型场效应管沟道结型场效应管dP+P+Ngs耗尽层耗尽层三个区域：一个三个区域：一个N N区，两个区，两个P P+区区三个电极：源极三个电极：源极s s，漏极，漏极d d，栅极，栅极g g一个导电沟道：一个导电沟道：
5、N N型型电路电路符号符号dgs箭头方向：栅结正偏时栅极电流的方向箭头方向：栅结正偏时栅极电流的方向（P P沟道？沟道？）JFET结构结构（P沟道）沟道）P P沟道结型场效应管沟道结型场效应管dN+N+Pgs耗尽层耗尽层三个区域：一个三个区域：一个P P区，两个区，两个N N+区区三个电极：源极三个电极：源极s s，漏极，漏极d d，栅极，栅极g g一个导电沟道：一个导电沟道：P P型型电路符号电路符号箭头方向：箭头方向：dgs工作原理（工作原理（1 1、2 2）dP+P+Ngs1.1.外部工作条件外部工作条件 vGS为负值为负值 vDS为正值为正值2.vGS对对iD的控制作用的控制作用为便于
6、讨论，先假设漏源为便于讨论，先假设漏源极间所加的电压极间所加的电压vDS=0(a)当当vGS=0时，沟道较宽，其时，沟道较宽，其 电阻较小。电阻较小。(b)当当vGS0时，时，PN结反偏，沟结反偏，沟道变窄，其电阻增大。道变窄，其电阻增大。(c)当当vGS进一步减小到一定程度（进一步减小到一定程度（vGS VP），），沟道消失，失去导电能力。沟道消失，失去导电能力。全夹断全夹断工作原理（工作原理（3 3）3.vDS对对iD的影响的影响（假设（假设vGS值固定，值固定，且且VPvGS0）dP+P+NgsVGGVDD(a)当漏源电压当漏源电压vDS从零开始增大从零开始增大时，沟道中有电流时，沟道中
7、有电流iD流过。流过。(b)在在vDS较小时，较小时，iD随随vDS增增加而几乎呈线性地增加。加而几乎呈线性地增加。(c)随着随着vDS的进一步增加，的进一步增加，出现楔形沟道出现楔形沟道(d)当当vDS增加到增加到vDS=vGS-VP，即，即VGD=vGS-vDS=VP(夹断电压夹断电压)时，时，预夹断预夹断(e)继续增加，饱和，继而发生击穿继续增加，饱和，继而发生击穿JFET特性曲线特性曲线1.输出特性输出特性+场效应管的输入电流场效应管的输入电流iG 0，输入特性无意，输入特性无意义，故用义，故用输出特性输出特性和和转移特性转移特性描述伏安特描述伏安特性（本质为同一个物理过程）。性（本质
8、为同一个物理过程）。02461020可变电阻区可变电阻区放大（饱和）区放大（饱和）区截止区截止区三个工作区域三个工作区域JFET输出特性上的工作区域输出特性上的工作区域24061020可变电阻区可变电阻区 可变电阻区可变电阻区 恒流区恒流区 夹断区夹断区 击穿区击穿区放大区放大区截止区截止区JFET转移特性曲线转移特性曲线2.转移特性转移特性 10（transfer characteristic）在图示电路中，已知场效应管的在图示电路中，已知场效应管的 ；问在下列三种；问在下列三种情况下，管子分别工作在那个区？情况下，管子分别工作在那个区？（b）（c）（a）例题例题GDS解（解（a）因为因为v
9、GS0时，时，SiO2绝缘层上产生电场。绝缘层上产生电场。方向垂直于半导体表方向垂直于半导体表面，由栅极指向衬底。面，由栅极指向衬底。该电场排斥空穴、该电场排斥空穴、吸引电子。在吸引电子。在 vGS较较小的情况下形成小的情况下形成耗耗尽层尽层。电场排斥空穴电场排斥空穴形成耗尽层形成耗尽层MOSFET工作原理工作原理3PN+SGDN+(1)vGS对沟道的控制作用对沟道的控制作用,vDS=0vGS继续增大继续增大将将P衬底的电子吸引衬底的电子吸引到表面，形成一个到表面，形成一个N型薄层，型薄层，反型层反型层，形成导电沟道形成导电沟道出现反型层出现反型层且与两个且与两个N+区相连区相连通，在漏源极间
10、形通，在漏源极间形成成N型导电沟道型导电沟道。开开启电压，启电压，VTMOSFET工作原理工作原理4(1)vGS对沟道的控制作用对沟道的控制作用,vDS=0vGS越大，作用于半越大，作用于半导体表面的电场就越导体表面的电场就越强，吸引到强，吸引到P衬底表衬底表面的电子就越多，导面的电子就越多，导电沟道越厚，沟道电电沟道越厚，沟道电阻越小。阻越小。PN+SGDN+导电沟道增厚导电沟道增厚沟道电阻减小沟道电阻减小MOSFET工作原理工作原理5(2)vDS对对iD的影响的影响当当vGSVT且为一确定且为一确定值时，漏值时，漏-源电压源电压vDS对导电沟道及电流对导电沟道及电流iD的影响与结型场效应的
11、影响与结型场效应管相似。管相似。PN+SGDN+当在漏源之间施加正当在漏源之间施加正向电压向电压vDS0，且，且vDS较小时，将产生漏极较小时，将产生漏极电流电流iD。iDiDMOSFET工作原理工作原理6(2)vDS对对iD的影响，的影响，PN+SGDN+漏极电流漏极电流iD沿沟道形沿沟道形成的电压降使沟道内成的电压降使沟道内各点与栅极间的电压各点与栅极间的电压不再相等，靠近源极不再相等，靠近源极一端的电压最大、沟一端的电压最大、沟道最厚，而漏极一端道最厚，而漏极一端电压最小，其值为电压最小，其值为VGD=vGSvDS，因而，因而沟道最薄。沟道最薄。iDiDvGSVT为定值为定值沿沟道有电位
12、梯度沿沟道有电位梯度vDSMOSFET工作原理工作原理7(2)vDS对对iD的影响的影响随着随着vDS的增大，靠的增大，靠近漏极的沟道越来越近漏极的沟道越来越薄。薄。当当vDS增加到使增加到使VGD=vGSvDS=VT时，时，沟道在漏极一端出现沟道在漏极一端出现预夹断。预夹断。vGSVT为定值为定值PN+SGDN+iDiDMOSFET工作原理工作原理8(2)vDS对对iD的影响的影响再继续增大再继续增大vDS，vGSvDSVT为定值为定值PN+SGDN+iDiD管子进入饱和区管子进入饱和区iD达到最大值达到最大值由于由于vDS的增加部分几的增加部分几乎全部降落在夹断区，乎全部降落在夹断区，故故
13、iD几乎不随几乎不随vDS增大增大而增加，管子进入饱而增加，管子进入饱和区（实际的线性工和区（实际的线性工作区），作区），iD几乎仅由几乎仅由vGS决定决定。MOSFET工作原理工作原理9MOSFET特性曲线特性曲线1MOS管的伏安特性用管的伏安特性用输出特性输出特性和和转移特性转移特性描述描述输出特性输出特性 转移特性转移特性 输出特性输出特性描述当栅源电压描述当栅源电压|vGS|=C为常量时，漏电流为常量时，漏电流iD与漏与漏源电压源电压vDS之间的关系。之间的关系。输出特性曲线也分为输出特性曲线也分为可变电阻区可变电阻区、饱和区饱和区、截止区截止区和和击穿区击穿区几部分。几部分。+1.1
14、.输出特性：输出特性：10202406可变电阻区可变电阻区放大（饱和）区放大（饱和）区截止区截止区击穿区击穿区MOSFET特性曲线特性曲线2(1)可变电阻区可变电阻区a.vDS较小，沟道尚未夹断较小，沟道尚未夹断b.vDS vGS-|VT|c.管子相当于受管子相当于受vGS控制的控制的压控电阻压控电阻1.1.输出特性输出特性24061020可变电阻区可变电阻区MOSFET特性曲线特性曲线(2)放大区放大区(饱和区、恒流区饱和区、恒流区)a.沟道预夹断沟道预夹断c.iD几乎与几乎与vDS无关无关d.iD只受只受vGS的控制的控制b.vDS vGS-|VT|24061020放大区放大区1.1.输出
15、特性输出特性MOSFET特性曲线特性曲线a.vGSVT(3)截止区截止区b.沟道完全夹断沟道完全夹断c.iD=0240610201.1.输出特性输出特性截止区截止区MOSFET特性曲线特性曲线024061020转移特性曲线转移特性曲线输出特性曲线输出特性曲线MOSFET特性曲线特性曲线MOSFET（耗尽型）结构与符号（耗尽型）结构与符号sgdN+N+SiO2 Alb耗尽层耗尽层（导电沟道）（导电沟道）反型层反型层PN沟道耗尽型沟道耗尽型MOFETS符号符号 P沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET符号符号 gsdgsd1JFET栅源电压栅源电压vGS的极性不能接反，的极性不能接反，JFET可开路保存
16、。可开路保存。3.MOSFET的栅极是绝缘的，感应电荷不易泄放，而且绝的栅极是绝缘的，感应电荷不易泄放，而且绝缘层很薄，极易击穿。所以栅极不能开路，存放时应将各缘层很薄，极易击穿。所以栅极不能开路，存放时应将各电极短路。焊接时，电烙铁必须可靠接地，或者断电利用电极短路。焊接时，电烙铁必须可靠接地，或者断电利用烙铁余热焊接，并注意对交流电场的屏蔽。烙铁余热焊接，并注意对交流电场的屏蔽。2从从MOSFET的结构上看，其源极和漏极是对称的，因的结构上看，其源极和漏极是对称的，因此可以互换。当此可以互换。当MOSFET的衬底引线单独引出时，应将其的衬底引线单独引出时，应将其接到电路中的电位最低点（对接
17、到电路中的电位最低点（对N沟道沟道MOS管而言）或电位管而言）或电位最高点（对最高点（对P沟道沟道MOS管而言），以保证沟道与衬底间的管而言），以保证沟道与衬底间的PN结处于反向偏置，使衬底与沟道及各电极隔离。结处于反向偏置，使衬底与沟道及各电极隔离。（MOSFET）使用注意）使用注意增强型与耗尽型管子的区别：增强型与耗尽型管子的区别：耗尽型：耗尽型：增强型：增强型：当当 时，时，当当 时，时，绝缘栅型绝缘栅型场效应管（场效应管（MOSFET）小结：小结：场效应管放大电路场效应管放大电路一、常见组态：共源、共漏、共栅（用的很少）一、常见组态：共源、共漏、共栅（用的很少）二、二、直流偏置直流偏置
18、三、分析方法三、分析方法四、分析举例四、分析举例1.估算法估算法2.图解法（略）图解法（略）3.小信号模型分析法小信号模型分析法场效应管放大电路：场效应管放大电路：电压控制型器件，放大作用以跨导电压控制型器件，放大作用以跨导gm来体现来体现三极管放大电路：三极管放大电路：电流控制型器件，放大作用以电流放大电流控制型器件，放大作用以电流放大倍数来体现倍数来体现直流偏置直流偏置自偏压电路自偏压电路直流偏置电路直流偏置电路固定偏压电路固定偏压电路分压器式自偏压电路分压器式自偏压电路一、自偏压电路一、自偏压电路二、分压器式自偏压电路二、分压器式自偏压电路+_+_+_+_+_+_+自偏压原理：自偏压原理
19、：场效应管的小信号模型场效应管的小信号模型小信号前提下，可以用直线来逼近小信号前提下，可以用直线来逼近FET的特性曲线。用的特性曲线。用直线来代替，即将非线性元件线性化、非线性电路线性直线来代替，即将非线性元件线性化、非线性电路线性化。化。+小信号模型小信号模型+场效应管放大电路的动态分析场效应管放大电路的动态分析例一例一共源极放大电路共源极放大电路小信号等效电路小信号等效电路+_+_+_+_+_+小信号模型小信号模型+_+_+_+场效应管放大电路的动态分析场效应管放大电路的动态分析例二例二_+_+_+_+a.求电压放大倍数求电压放大倍数场效应管放大电路的动态分析场效应管放大电路的动态分析b.
20、求输入电阻：求输入电阻：c.求输出电阻：求输出电阻：_+2)共漏极放大电路共漏极放大电路小信号模型小信号模型_+_+_+_+场效应管放大电路的动态分析场效应管放大电路的动态分析2)共漏极放大电路共漏极放大电路小信号模型小信号模型_+_+a.求电压放大倍数求电压放大倍数场效应管放大电路的动态分析场效应管放大电路的动态分析b.求输入电阻求输入电阻_+_+c.求输入电阻求输入电阻小结小结作业作业4.4.1、4.4.25.2.95.3.55.3.65.5.4主要内容主要内容介绍结型场效应管（介绍结型场效应管（JFETJFET）和绝缘栅场效应管）和绝缘栅场效应管（MOSFETMOSFET）的工作原理、特
21、性曲线。）的工作原理、特性曲线。4.1JFET 4.3MOSFET4.1JFET 4.3MOSFET介绍各种场效应管放大电路。介绍各种场效应管放大电路。4.44.4介绍场效应管放大电路的分析方法介绍场效应管放大电路的分析方法静态分析和动态分析；其分析方法与三极管放大电路静态分析和动态分析；其分析方法与三极管放大电路相同，相同，估算法、图解法和小信号模型法。估算法、图解法和小信号模型法。4.4 4.4 最后对各种放大电路进行比较。最后对各种放大电路进行比较。本章要求本章要求1.1.了解了解FETFET的工作原理，熟悉其特性曲线的工作原理，熟悉其特性曲线2.2.掌握掌握Q Q点、点、A AV V、R Ri i、R Ro o计算计算3.3.掌握基本概念掌握基本概念沟道，夹断，预夹断，自偏压，增强，耗尽等等。沟道，夹断，预夹断，自偏压，增强，耗尽等等。