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1、05 二月 2023模拟电子电路1第三章第三章 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路场效应晶体管（场效应管）利用多数载流场效应晶体管（场效应管）利用多数载流子的漂移运动形成电流。子的漂移运动形成电流。场效应管FET(Field Effect Transistor)结型场效应管结型场效应管JFET绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管IGFET双极型晶体管主要是利用基区非平衡少数双极型晶体管主要是利用基区非平衡少数载流子的扩散运动形成电流。载流子的扩散运动形成电流。05 二月 2023模拟电子电路23.1.1 结型场效应管结型场效应管 一、结型场效应管的结构及工作原理一、结型场效应管的结构及工作原理N
2、型沟道P+P+DGSDSG(a)N沟道JFET图31结型场效应管的结构示意图及其表示符号Gate栅极栅极Source源极源极Drain 漏极漏极箭头方向表示栅箭头方向表示栅源间源间PN结若加结若加正向偏置电压时正向偏置电压时栅极电流的实际栅极电流的实际流动方向流动方向ID05 二月 2023模拟电子电路3P型沟道N+N+DGSDSG(b)P沟道JFET图31结型场效应管的结构示意图及其表示符号ID05 二月 2023模拟电子电路4NDGSP+P+(a)UGS=0，沟道最宽05 二月 2023模拟电子电路5(b)UGS负压增大，沟道变窄DSPPUGS05 二月 2023模拟电子电路6(c)UGS
3、负压进一步增大，沟道夹断图32栅源电压UGS对沟道的控制作用示意图DSPPUGSUGSoff夹断电压夹断电压05 二月 2023模拟电子电路7DGSUDSUGS沟道局部夹断沟道局部夹断IDDGS(a)uDS-uGS|UGSoff|（预夹断后（预夹断后）几乎不变几乎不变05 二月 2023模拟电子电路8（1）输出特性曲线）输出特性曲线 1.可变电阻区可变电阻区 当漏、栅间电压当漏、栅间电压uDS-uGS|UGSoff|时，即时，即预夹断前预夹断前所对应的区域，所对应的区域，iD的大小同时受的大小同时受uGS 和和uDS的控制。的控制。当当uDS很小时很小时，uDS对沟道的影响可以忽略，沟对沟道的
4、影响可以忽略，沟道的宽度及相应的电阻值仅受道的宽度及相应的电阻值仅受uGS的控制。输出特性的控制。输出特性可近似为一组直线，此时，可近似为一组直线，此时，JFET可看成一个受可看成一个受uGS控控制的可变线性电阻器（称为制的可变线性电阻器（称为JFET的输出电阻）；的输出电阻）；当当uDS较大时较大时，uDS对沟道的影响就不能忽略，对沟道的影响就不能忽略，致使输出特性曲线呈弯曲状。致使输出特性曲线呈弯曲状。二、二、结型场效应管的特性曲线结型场效应管的特性曲线05 二月 2023模拟电子电路9图33JFET的转移特性曲线和输出特性曲线(b)输出特性曲线1234iD/mA01020uDS/V可变电
5、阻区恒截止区2V1.5V1VuDSuGSUGSoff515流区击穿区UGS0VUGSoff0.5V05 二月 2023模拟电子电路102.恒流区恒流区(1)当当UGSoffuGS|UGSoff|时，即预夹断后时，即预夹断后所对应的区域。所对应的区域。iD的大小几乎不受的大小几乎不受uDS的控制。的控制。05 二月 2023模拟电子电路11图33JFET的转移特性曲线和输出特性曲线(b)输出特性曲线1234iD/mA01020uDS/V可变电阻区恒截止区2V1.5V1VuDSuGSUGSoff515流区击穿区UGS0VUGSoff0.5V05 二月 2023模拟电子电路12DGSUDSUGS沟道
6、局部夹断IDDGS(a)uDS-uGS|UGSoff|（预夹断后）几乎不变05 二月 2023模拟电子电路134.击穿区击穿区随着随着uDS增大，靠近漏区的增大，靠近漏区的PN结反偏电压结反偏电压 uDG(=uDS-uGS)也随之增大。也随之增大。当当|UGS|UGSoff|时，沟道被全部夹断，时，沟道被全部夹断，iD=0，故此区为截止区。，故此区为截止区。3.截止区截止区05 二月 2023模拟电子电路14图33JFET的转移特性曲线和输出特性曲线(b)输出特性曲线1234iD/mA01020uDS/V可变电阻区恒截止区2V1.5V1VuDSuGSUGSoff515流区击穿区UGS0VUGS
7、off0.5V05 二月 2023模拟电子电路15（2）转移特性曲线）转移特性曲线式中：式中：IDSS饱和电流，表示饱和电流，表示uGS=0时的时的iD值；值；UGSoff夹断电压，表示夹断电压，表示uGS=UGSoff时时iD为零。为零。恒流区：恒流区：05 二月 2023模拟电子电路16uGS/V012312345IDSSUGSoffiD/mA(a)转移特性曲线为为保保证证场场效效应应管管正正常常工工作作，PN结结必必须须加加反向偏置电压反向偏置电压05 二月 2023模拟电子电路173.1.2 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管(IGFET)栅栅极极与与沟沟道道之之间间隔隔了了一一层层很很薄薄
8、的的绝绝缘缘体体，其其阻阻抗抗比比JFET的的反反偏偏PN结结的的阻阻抗抗更更大大。功功耗耗低低，集集成度高。成度高。绝绝缘缘体体一一般般为为二二氧氧化化硅硅（SiO2），这这种种IGFET称称为为金金属属氧氧化化物物半半导导体体场场效效应应管管，用用符符号号MOSFET表表 示示（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）。此此外外，还还有有以以氮氮化化硅硅为绝缘体的为绝缘体的MNSFET等等。05 二月 2023模拟电子电路18源极栅极漏极氧化层(SiO2)BWP型衬底NNL耗尽层A1层SGD(a)立体图绝缘栅场效应管的结构绝缘栅场
9、效应管的结构05 二月 2023模拟电子电路19图35绝缘栅(金属-氧化物-半导体)场效应管结构示意图(b)剖面图SGDNNP型硅衬底绝缘层(SiO2)衬底引线B半导体金属DGS(c)符号B05 二月 2023模拟电子电路20MOSFETN沟道P沟道增强型 N-EMOSFET耗尽型增强型耗尽型N-DMOSFETP-EMOSFETP-DMOSFET05 二月 2023模拟电子电路21 一、一、N沟道增强型沟道增强型MOSFET (EnhancementNMOSFET)1、导电沟道的形成及工作原理、导电沟道的形成及工作原理05 二月 2023模拟电子电路22B(a)UGSUGSth，导电沟道已形成
10、05 二月 2023模拟电子电路24图39 uDS增大，沟道被局部夹断(预夹断)情况05 二月 2023模拟电子电路252、转移特性、转移特性(1)当uGSUGSth时，iD 0，uGS越大，iD也随之增大，二者符合平方律关系。05 二月 2023模拟电子电路263、输出特性、输出特性(1)可变电阻区条件：条件：uGSUGSth 且且 uGDUGSth 随着的随着的uDS增加，增加，iD基本上线性上升；基本上线性上升；栅压愈大，曲线愈陡，电阻愈小。栅压愈大，曲线愈陡，电阻愈小。05 二月 2023模拟电子电路27iD0uDSUGS6V截止区4V3V2V5V可变电阻区(a)恒流区区穿击 图38输
11、出特性 05 二月 2023模拟电子电路28(2)恒流区恒流区曲线间隔均匀，曲线间隔均匀，uGS对对iD控制能力强。控制能力强。uDS对对iD的控制能力弱，曲线平坦的控制能力弱，曲线平坦。进入恒流区的条件，即预夹断条件为进入恒流区的条件，即预夹断条件为uGSUGSth 且且 uGDUGSth 05 二月 2023模拟电子电路29图39 uDS增大，沟道被局部夹断(预夹断)情况05 二月 2023模拟电子电路30iD0uDSUGS6V截止区4V3V2V5V可变电阻区(a)恒流区区穿击 图38输出特性 05 二月 2023模拟电子电路31(4)截止区：截止区：uGSUGSth，导电沟道未形成，导电
12、沟道未形成，iD=0。(3)击穿区击穿区当当uDSUBR(DSO)时，进入击穿区。时，进入击穿区。05 二月 2023模拟电子电路32二、二、N沟道耗尽型沟道耗尽型 MOSFET (Depletion NMOSFET)N沟耗尽型沟耗尽型MOSFET的结构与的结构与N沟增加型沟增加型MOSFET的的结构相似结构相似,不同的只是在制造器件时已在源区和漏区不同的只是在制造器件时已在源区和漏区之间做成了之间做成了N型沟道型沟道。05 二月 2023模拟电子电路33图310N沟道耗尽型MOS管的特性及符号(a)转移特性；(b)输出特性；(c)表示符号05 二月 2023模拟电子电路34图310N沟道耗尽
13、型MOS管的特性及符号(a)转移特性；(b)输出特性；(c)表示符号05 二月 2023模拟电子电路35图310N沟道耗尽型MOS管的特性及符号(a)转移特性；(b)输出特性；(c)表示符号(c)DGSB05 二月 2023模拟电子电路36恒流区恒流区 当当uGS=0时漏极电流称为饱和漏电流，记做时漏极电流称为饱和漏电流，记做IDSS。05 二月 2023模拟电子电路37各种类型各种类型MOS管的符号及特性对比管的符号及特性对比DGSDGSN沟道P沟道结型 FET图311各种场效应管的符号对比05 二月 2023模拟电子电路38图311各种场效应管的符号对比05 二月 2023模拟电子电路39
14、05 二月 2023模拟电子电路40图312各种场效应管的转移特性和输出特性对比 (a)转移特性；(b)输出特性uDSiD0线性线性可变电阻区可变电阻区012345601231233456789结型P 沟耗尽型MOS P沟345601201231233456789结型N沟耗尽型 增强型MOS N沟UGS/VUGS/V增强型05 二月 2023模拟电子电路413.1.3 场效应管的参数场效应管的参数 331场效应管的主要参数场效应管的主要参数一、直流参数一、直流参数1.结型场效应管和耗尽型结型场效应管和耗尽型MOSFET的主要参数的主要参数(1)饱和漏极电流IDSS(ID0)：(2)夹断电压UG
15、Soff：当栅源电压uGS=UGSoff时，iD=0。IDSS指的是对应uGS=0时的漏极电流。2.增强型MOSFET的主要参数对增强型MOSFET来说，主要参数有开启电压UGSth。05 二月 2023模拟电子电路423.输入电阻输入电阻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。二、极限参数二、极限参数(1)栅源击穿电压U(BR)GSO。(2)漏源击穿电压U(BR)DSO。(3)最大功耗PDM：PDM=IDUDS05 二月 2023模拟电子电路43三、交流参数三、交流参数1跨跨 导导gm对JFET和耗尽型MOS管，电流方程为那
16、么，对应工作点Q的gm为式中，IDQ为直流工作点电流。直流工作点电流直流工作点电流IDQ，gm 。05 二月 2023模拟电子电路44而对增强型MOSFET，其电流方程为那么，对应工作点Q的gm为直流工作点电流直流工作点电流IDQ，gm 。05 二月 2023模拟电子电路452.输出电阻输出电阻rds 恒流区的rds可以用下式计算：其中，UA为厄尔利电压。05 二月 2023模拟电子电路46 图38输出特性 uDSiD0UGSUA(厄尔利电压)(b)05 二月 2023模拟电子电路473.2 场效应工作状态分析及偏置电路场效应工作状态分析及偏置电路3.2.1场效应管工作状态分析场效应管工作状态
17、分析管型管型截止区截止区恒流区恒流区可可变电变电阻区阻区N沟道沟道JFETUGSUGSoffUGSoff UGS0 UGDUGSoffUGSoff UGS0 UGSoff UGDUGSoff0 UGSUGSoff0 UGS UGSoff 0UGD UGSoffN沟道增沟道增强强型型MOSFETUGSUGSth UGDUGSth UGDUGSthN沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFETUGSUGSoff UGDUGSoff UGDUGSoffP沟道增沟道增强强型型MOSFETUGSUGSthUGSUGSthUGSUGSth UGDUGSoffUGSUGSofUGSUGSoff UGDUGSoff=-5
18、V，解：解：因此不会工作在截止区。因此不会工作在截止区。假设管子工作在恒流区假设管子工作在恒流区 UGD=UGS-UDS=-2-6.436=-8.436V。可以得出结论：管子工作在恒流区。可以得出结论：管子工作在恒流区。05 二月 2023模拟电子电路493.2.2 场效应管偏置电路场效应管偏置电路偏置方式偏置方式自偏压方式自偏压方式分压式偏置方式分压式偏置方式 确确定定直直流流工工作作 点点 方方 法法图解法图解法解析法解析法 结型场效应管与耗尽型结型场效应管与耗尽型MOS场效应管场效应管增强型增强型MOSFET05 二月 2023模拟电子电路50 图314场效应管偏置方式(a)自偏压方式；
19、(b)混合偏置方式 RDUDDRS(自偏压自偏压电阻电阻)uiRGV(a)RDUDDRS(自偏压电阻)uiRG2(b)RG1(分压式分压式偏置偏置)05 二月 2023模拟电子电路51一、图解法一、图解法 栅源回路直流负载线方程栅源回路直流负载线方程1.对于自偏压方式对于自偏压方式2.对于混合偏置方式对于混合偏置方式 栅源回路直流负载线方程栅源回路直流负载线方程05 二月 2023模拟电子电路52 图315图解法求直流工作点(a)自偏压方式；(b)混合偏置方式 05 二月 2023模拟电子电路53 图314场效应管偏置方式(a)自偏压方式；(b)混合偏置方式 RDUDDRS(自偏压电阻)uiR
20、GV(a)RDUDDRS(自偏压电阻)uiRG2(b)RG1(分压式偏置)05 二月 2023模拟电子电路54二、解析法二、解析法已知电流方程及栅源直流负载线方程，联立已知电流方程及栅源直流负载线方程，联立求解即可求得工作点。求解即可求得工作点。自偏压电路自偏压电路05 二月 2023模拟电子电路55分压式偏置电路分压式偏置电路05 二月 2023模拟电子电路563.3 场效应管放大电路场效应管放大电路3.3.1 场效应管的低频小信号模型场效应管的低频小信号模型 若输入为正弦量，上式可改写为若输入为正弦量，上式可改写为通常通常rds较大，较大，Uds对对Id的影响可以忽略，则的影响可以忽略，则
21、05 二月 2023模拟电子电路57rds(a)gmUgsUdsIdDS(b)gmUgsUoIdDS图313 场效应管低频小信号简化模型05 二月 2023模拟电子电路58图313 场效应管低频小信号模型05 二月 2023模拟电子电路59 3.3.2场效应管放大器分析场效应管放大器分析一、一、共源放大电路共源放大电路例例 3.3.1共源放大电路电路如图所示，场效应管的共源放大电路电路如图所示，场效应管的gm=5mA/V，分析该电路的交流性能指标，分析该电路的交流性能指标Au、Ri和和RO。05 二月 2023模拟电子电路60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
22、小信号等效电路05 二月 2023模拟电子电路61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05 二月 2023模拟电子电路62式中，且一般满足RDRLrds。所以，共源放大器的放大倍数Au为gm=5mA/V，则Au=50。05 二月 2023模拟电子电路63输入电阻：输入电阻：输出电阻：输出电阻：05 二月 2023模拟电子电路64 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。05 二月 2023模拟电子电路65uiC2C1C3RDuoRG1RG3RS2UDDRG2RS1150k
23、50k2k10k1k1MRL1Mgm2mA/V 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(a)05 二月 2023模拟电子电路6605 二月 2023模拟电子电路67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 05 二月 2023模拟电子电路683.3.3 共漏放大电路共漏放大电路1.放大倍数放大倍数Au 式中：故 所以05 二月 2023模拟电子电路69(a)C2C1RG1RSUDDRG2150k50k2kRL10kUo.RG31MUi.gm2mA/V图319共漏电路及其等效电路 (a)电路；(b)等效电路05 二月 2023模拟电子电路7005 二月 2023模拟电子电路71图320计算共漏电路输出电阻Ro的等效电路 2.输出电阻输出电阻Ro05 二月 2023模拟电子电路72图320计算共漏电路输出电阻Ro的等效电路05 二月 2023模拟电子电路73由图可见由图可见 式中式中：所以，输出电阻为所以，输出电阻为 05 二月 2023模拟电子电路74 3.输入电阻输入电阻 05 二月 2023模拟电子电路75