2.7场效应管放大电路0课件.ppt

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1、 半导体三极管有两大类型半导体三极管有两大类型 一是一是双极型半导体三极管双极型半导体三极管(BJT)二是二是场效应半导体三极管场效应半导体三极管(FET)双极型半导体三极管是由两种载双极型半导体三极管是由两种载流子参与导电的半导体器件，它由两流子参与导电的半导体器件，它由两个个 PN 结组合而成，是一种结组合而成，是一种CCCS器件。器件。场效应型半导体三极管仅由一种场效应型半导体三极管仅由一种载流子参与导电，是一种载流子参与导电，是一种VCCS器件。器件。BJT是是一一种种电电流流控控制制元元件件(iB iC)，工工作作时时，多多数数载载流流子子和和少少数载流子都参与运行，所以被称为双极型

2、器件。数载流子都参与运行，所以被称为双极型器件。场场效效应应管管（Field Effect Transistor简简称称FET）是是一一种种电电压压控控制制器器件件(uGS iD)，工工作作时时，只只有有一一种种载载流流子子参参与与导导电电，因因此此它它是单极型器件。是单极型器件。FET因因其其制制造造工工艺艺简简单单，功功耗耗小小，温温度度特特性性好好，输输入入电电阻阻极极高高等优点，得到了广泛应用。等优点，得到了广泛应用。2.7 2.7 场效应管场效应管场效应管的特点场效应管的特点 1）压控器件：输入电压控制输出电流的半导体器件。）压控器件：输入电压控制输出电流的半导体器件。3）抗辐射能力

3、强：因为是单极型器件（由一种载流子参与）抗辐射能力强：因为是单极型器件（由一种载流子参与导电的半导体器件）导电的半导体器件）2）输入阻抗高）输入阻抗高4）结构简单，便于集成）结构简单，便于集成1 1）结型场效应三极管）结型场效应三极管JFETJFET (Junction type Field Effect(Junction type Field Effect TransisterTransister)2 2）绝缘栅型场效应三极管）绝缘栅型场效应三极管IGFETIGFET (Insulated Gate Field Effect (Insulated Gate Field Effect Tran

4、sisterTransister)IGFET也称金属氧化物半导体三极管金属氧化物半导体三极管MOSFETMOSFET （Metal Oxide Semiconductor FET）场效应管的场效应管的分类及符号分类及符号 绝缘栅型场效应三极管绝缘栅型场效应三极管（MOSFETMOSFET）分为分为 增强型增强型 N N沟道、沟道、P P沟道沟道 耗尽型耗尽型 N N沟道、沟道、P P沟道沟道结型场效应三极管结型场效应三极管JFETJFET又分为又分为 N N沟道、沟道、P P沟道沟道FET绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管(MOSFET)结型场效应管结型场效应管(JFET)增强型增强型耗尽型耗尽型N

5、沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道2.7.1 2.7.1 结型场效应管结型场效应管 一、一、结构与符号结构与符号两个两个PNPN结夹着一个结夹着一个NN型沟道。型沟道。三个电极：三个电极：g g：栅极：栅极 d d：漏极：漏极 s s：源极：源极符号：符号：-p+p漏极漏极d(Drain)源极源极s(Source)栅极栅极g(Gate)NN沟道沟道P沟道沟道 二、工作原理二、工作原理v UGS0，以形成漏电流，以形成漏电流iD正常放大时外加偏置电压的要求正常放大时外加偏置电压的要求 1 1、栅源电压对沟道的控制作用、栅源电压对沟道的控制作用 在栅源间加在栅源间加负电压负

6、电压uGS，令，令uDS=0 当当uGS=0时，导电沟道最宽。时，导电沟道最宽。当当uGS时，时，PN结反偏，耗尽层结反偏，耗尽层变宽，导电沟道变窄，沟道电阻变宽，导电沟道变窄，沟道电阻增大。增大。当当uGS到一定值时到一定值时，沟道会完，沟道会完全合拢。全合拢。定义：定义：夹断电压夹断电压UP（UGS（off）使导电使导电沟道完全合拢（消失）所需要的栅沟道完全合拢（消失）所需要的栅源电压源电压uGS。二、工作原理二、工作原理对于对于N沟道的沟道的JFET，UP 0v UDS0 UDS0 UGS0(1).uGS=0,uDS0PN+SGN+iD=0D+当UGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的二

7、极管，在D、S之间加上电压不会在D、S间形成电流。1、栅源电压、栅源电压uGS的控制作用的控制作用PN+SGN+iD=0D+(2).uGS 0,uDS=0产生垂直向下的电场1、栅源电压、栅源电压uGS的控制作用的控制作用PN+SGN+iD=0D+电场排斥空穴吸引电子形成耗尽层当0UGSUT时，SiO2中产生一垂直于表面的电场，P型表面上感应出现许多电子，但电子数量有限，不能形成沟道。1、栅源电压、栅源电压uGS的控制作用的控制作用PN+SGN+iD=0D+当uGS=UT时出现反型层，形成导电沟道N沟道UT：门限电压N沟道增强型MOS管，简称NMOS1、栅源电压、栅源电压uGS的控制作用的控制作

8、用 当当uGS0V时时纵向电场纵向电场将靠近栅极下方的空穴向将靠近栅极下方的空穴向下排斥下排斥耗尽层。耗尽层。当当uGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的时，漏源之间相当两个背靠背的 二极管，在二极管，在d、s之间加上电压也不会形成电流，即管子截止。之间加上电压也不会形成电流，即管子截止。再增加再增加uGS纵向电场纵向电场将将P区少子电子聚集到区少子电子聚集到P区表面区表面形成导电沟道，形成导电沟道，如果此时加有漏源电压，如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流就可以形成漏极电流id。动画2-41、栅源电压、栅源电压uGS的控制作用的控制作用 定义：定义：开启电压开启电压 UT(UGS(th)

9、刚刚产生沟道所需的刚刚产生沟道所需的栅源电压栅源电压UGS。N沟道增强型沟道增强型MOS管的基本特性：管的基本特性：uGS UT，管子截止，管子截止，uGS UT，管子导通。，管子导通。uGS 越大，沟道越宽，在相同的漏源电压越大，沟道越宽，在相同的漏源电压uDS作作用下，漏极电流用下，漏极电流iD越大。越大。PN+SGN+iD0D+uDS(d)沟道反型层呈楔形(b)沿沟道有电位梯度(c)绝缘层内不同点的电场强度不同,左高右低(a)漏极电流iD0uDS增大，iD增大当UGSUT时，由于此时栅压较强，P型半导体表层中将聚集较多的电子，可以形成沟道，将漏极和源极连通。如果此时加有漏源电压，就可以形

10、成漏极电流iD。当当u uGSGSU UT T，且固定为某一值时，来分析漏源电压，且固定为某一值时，来分析漏源电压u uDSDS对漏对漏极电流极电流I ID D的影响。的影响。2 2、漏源电压、漏源电压u uDSDS的控制作用的控制作用PN+SGN+iD0D+uDS升高uDS反型层变窄即沟道变窄当UDS继续增加时，由于沟道电阻的存在，沟道上将产生压降，使得电位从源极到漏极逐渐增大，从而使得SiO2层上的有效栅压从源极到漏极减小，反型层中的电子也将从源极到漏极逐渐减少。2 2、漏源电压、漏源电压u uDSDS的控制作用的控制作用PN+SGN+iD0D+当uGD=UT时uDS沟道 在漏极端夹断(b

11、)管子 预夹断(a)iD达到 最大值即uGS-uDS=UT时,当当U UDSDS大大于于一一定定值值后后，SiOSiO2 2层层上上的的有有效效栅栅压压小小于于形形成成反反型型层层所所需需的的门门限限电电压压，则则靠靠近近漏漏端端的的反反型型层层厚厚度度减减为为零零，出出现现沟沟道夹断，道夹断，i iD D将不再随将不再随U UDSDS的增大而增大，趋于一饱和值。的增大而增大，趋于一饱和值。2 2、漏源电压、漏源电压u uDSDS的控制作用的控制作用PN+SGN+iD0D+当uDS进一步增大(a)iD达到 最大值且恒定uDS沟道夹断区延长场效应管是利用栅极与源极之间的电压控制漏源电流的元件。栅

12、极通过氧化物或绝缘体与沟道隔离，栅极与衬底之间没有电流，即iG=02 2、漏源电压、漏源电压u uDSDS的控制作用的控制作用2 2、漏源电压、漏源电压u uDSDS的控制作用的控制作用 当当u uGSGSU UT T，且固定为某一值时，漏源电压，且固定为某一值时，漏源电压u uDSDS对漏极电流对漏极电流I ID D的的影响。影响。（a）uds=0时，时，id=0。（b）uds id；同时沟道靠漏区变窄。同时沟道靠漏区变窄。（c）当）当uds增加到使增加到使ugd=UT时，时，沟道靠漏区夹断，称为沟道靠漏区夹断，称为预夹断预夹断。（d）uds再增加，预夹断区再增加，预夹断区加长，加长，uds

13、增加的部分基本降增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上，落在随之加长的夹断沟道上，id基本不变。基本不变。动画2-5GSD电路符号虚线表示沟道在施加外电压后才形成增强型箭头朝里表示N沟道；三、增强型三、增强型MOSMOS场效应管的伏安特性场效应管的伏安特性 四个区：四个区：（a）可变电阻区）可变电阻区（预夹断前）。（预夹断前）。1、输出特性曲线：、输出特性曲线：iD=f(uDS)uGS=consti(V)(mA)DDSuGS=6Vuu=5VGS=4VuGSu=3VGS（b）恒流区也称饱和）恒流区也称饱和 区（预夹断区（预夹断 后）。后）。（c）夹断区（截止区）。）夹断区（截止区）。（d）击穿

14、区。）击穿区。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三、增强型三、增强型MOSMOS场效应管的伏安特性场效应管的伏安特性 四个区：四个区：（a）可变电阻区）可变电阻区（预夹断前）。（预夹断前）。1、输出特性曲线：、输出特性曲线：iD=f(uDS)uGS=consti(V)(mA)DDSuGS=6Vuu=5VGS=4VuGSu=3VGS（b）恒流区也称饱和）恒流区也称饱和 区（预夹断区（预夹断 后）。后）。（c）夹断区（截止区）。）夹断区（截止区）。（d）击穿区。）击穿区。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与与JFETJFET相比，两者结相比，两者结构不同

15、，产生沟道的构不同，产生沟道的方式不同。但都是利方式不同。但都是利用沟道导电，且外特用沟道导电，且外特性都表现为栅源电压性都表现为栅源电压控制漏极电流。控制漏极电流。2、转移特性曲线、转移特性曲线：iD=f(uGS)uDS=const 可根据输出特性曲线作出可根据输出特性曲线作出转转移特性曲线移特性曲线。例：作例：作uDS=10V的一条的一条转移特性曲线：转移特性曲线：i(mA)DGS=6Vuu=5VGS=4VuGSu=3VGSuDS(V)Di(mA)10V12341432(V)uGS246UGS(th)（当UGSUGS(th)时）其中IDO为当uGS=2UGS(th)时的iD值 一个重要参数

16、一个重要参数跨导跨导gm：gm=iD/uGS uDS=const (单位单位mS)gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。在转移特性曲线上，在转移特性曲线上，gm为的曲线的斜率。为的曲线的斜率。在输出特性曲线上也可求出在输出特性曲线上也可求出gm。1(mA)DSu=6V=3VuuGS(V)1D624i43=5V(mA)243iDGS210V(V)uGSiDGSuiDN N沟道沟道增强型增强型MOSMOS场效应管场效应管正常放大时各电极电压极性正常放大时各电极电压极性g、s间为间为正偏压正偏压（g为高电位、为高电位、s为低电位）为低电位）d、s间为

17、间为正偏压正偏压（d为高电位、为高电位、s为低电位）为低电位）P P沟道沟道增强型增强型MOSMOS场效应管场效应管正常放大时各电极电压极性正常放大时各电极电压极性g、s间为间为反偏压反偏压（g为低电位、为低电位、s为高电位）为高电位）d、s间为间为反偏压反偏压（d为低电位、为低电位、s为高电位）为高电位）四、耗尽型四、耗尽型MOS场效应管场效应管特点：特点：当当uGS=0时，就有沟道，时，就有沟道，加入加入uDS，就有就有iD。当当uGS0时，沟道增宽，时，沟道增宽，iD进一步增加。进一步增加。当当uGS0时，沟道变窄，时，沟道变窄，iD减小。减小。在栅极下方的在栅极下方的SiOSiO2 2

18、层中掺入了大量的金属正离子。所以当层中掺入了大量的金属正离子。所以当u uGSGS=0=0时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。定义：定义：夹断电压（夹断电压（UP）沟道刚刚消失所需的栅源电压沟道刚刚消失所需的栅源电压uGS。N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET的的特性曲线特性曲线输出特性曲线输出特性曲线转移特性曲线转移特性曲线1GSu01D(V)-12-2(mA)432i42vu310V=+2V1DSGSD(mA)i=-1VuGSGSGS=0V=+1Vuu(V)=-2VUPGSuUP其中其中IDSS为当为当UGS=0时的时的iD值值N N沟道耗

19、尽型沟道耗尽型MOSFETMOSFET正常放大时各电极电压极性正常放大时各电极电压极性g、s间为任意偏压间为任意偏压d、s间为正偏压（间为正偏压（d为高电位、为高电位、s为低电位）为低电位）P P沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFETMOSFET正常放大时各电极电压极性正常放大时各电极电压极性g、s间为任意偏压间为任意偏压d、s间为反偏压（间为反偏压（d为低电位、为低电位、s为高电位）为高电位）P P型型MOSMOS管也分管也分增强型增强型和和耗尽型耗尽型。其余均与其余均与NMOSNMOS相同，相同，U UDSDS和和U UT T为为负值负值。实际电流方向为流出漏极。实际电流方向为流出漏极。1.4.

20、31.4.3、场效应管的主要参数、场效应管的主要参数(1)(1)开启电压开启电压UT UT 是是MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值,场效应管不场效应管不能导通。能导通。（2）夹断电压）夹断电压UP UP 是是MOS耗尽型和结型耗尽型和结型FET的参数，当的参数，当uGS=UP时时,漏极电流为零。漏极电流为零。（3）饱和漏极电流）饱和漏极电流IDSS MOS耗尽型和结型耗尽型和结型FET,当当uGS=0时所对应的漏极电流。时所对应的漏极电流。（4）输入电阻）输入电阻RGS 结型场效应管，结型场效应管，RGS大于大于107，MOS场效应管

21、场效应管,RGS可达可达1091015。（5）低频跨导低频跨导gm gm反映了栅压对漏极电流的控制作用，单位是反映了栅压对漏极电流的控制作用，单位是mS(毫西门子毫西门子)。结型场效应管结型场效应管:增强型增强型MOS管管:（6）最大漏极功耗最大漏极功耗PDM PDM=UDS ID，与双极型三极管的，与双极型三极管的PCM相当。相当。1.4.4 各种场效应管特性的比较各种场效应管特性的比较 各种管子的输出特性形状是一样的，只是控制电压各种管子的输出特性形状是一样的，只是控制电压UGS不同不同各种场效应管的转移特性各种场效应管的输出特性对比各种场效应管的输出特性对比 双极型三极管 场效应三极管结

22、构 NPN型型 结型耗尽型结型耗尽型 N沟道 P沟道 PNP型型 绝缘栅增强型绝缘栅增强型 N沟道 P沟道 绝缘栅耗尽型绝缘栅耗尽型 N沟道 P沟道 C与与E一般不可倒置使用一般不可倒置使用 D与S有的型号可倒置使用载流子 多子扩散少子漂移 多子漂移输入量 电流输入 电压输入控制 电流控制电流源CCCS()电压控制电流源VCCS(gm)双极型和场效应型三极管的比较双极型和场效应型三极管的比较 双极型三极管双极型三极管 场效应三极管场效应三极管噪声噪声 较大较大 较小较小温度特性温度特性 受温度影响较大受温度影响较大 较小，可有零温度系数点较小，可有零温度系数点输入电阻输入电阻 几十到几千欧姆几

23、十到几千欧姆 几兆欧姆以上几兆欧姆以上静电影响静电影响 不受静电影响不受静电影响 易受静电影响易受静电影响集成工艺集成工艺 不易大规模集成不易大规模集成 适宜大规模和超大规模集成适宜大规模和超大规模集成三个电极的对应情况：三个电极的对应情况：BJTFET基极基极b栅极栅极g集电极集电极c漏漏 极极d发射极发射极e源源 极极s2.7 场效应管放大器场效应管放大器2.7.2 场效应管放大器的偏置电路及静态分析场效应管放大器的偏置电路及静态分析 保证管子工作在饱和区，输出信号不失真保证管子工作在饱和区，输出信号不失真 场效应管偏置电路特点场效应管偏置电路特点 栅极只需要偏压，不需要偏流栅极只需要偏压

24、，不需要偏流 注意各类注意各类FET的偏置极性区别：的偏置极性区别：N沟道沟道器件加器件加正漏源偏压正漏源偏压；P沟道沟道器件加器件加负漏源偏压负漏源偏压；采用偏置稳定电路采用偏置稳定电路1.自给自给偏压电路偏压电路UGS=-IDR 注意：该电路产生负的栅源电压，所以只能用于需要负栅源电压的电路。注意：该电路产生负的栅源电压，所以只能用于需要负栅源电压的电路。计算计算Q点：点：UGS、ID、UDS已知已知UP，由，由UGS=-IDR可解出可解出Q点的点的UGS、IDUDS=VDD-ID(Rd+R)再求：再求：+gTRdRRgC1C2uouiVDDCdsID 2.分压式分压式偏置电路偏置电路可解

25、出可解出Q点的点的UGS、ID 计算计算Q点：点：已知已知UP，由，由该电路产生的栅源电压可正该电路产生的栅源电压可正可负，所以适用于所有的场可负，所以适用于所有的场效应管电路。效应管电路。UDS=VDD-ID(Rd+R)再求：再求：+gTRdRC12CuouiVDDCdsg1Rg2Rg3R2.7.3 2.7.3 场效应管的小信号模型场效应管的小信号模型 与双极型晶体管一样，场效应管也是一种非线性器件，在交流小信号与双极型晶体管一样，场效应管也是一种非线性器件，在交流小信号情况下，也可以由它的线性等效电路情况下，也可以由它的线性等效电路交流小信号模型来代替。交流小信号模型来代替。其中：其中：g

26、mugs是压控电流源，它体现了输入电压对输出电流的控制作用。是压控电流源，它体现了输入电压对输出电流的控制作用。rds为输出电阻，类似于双极型晶体管的为输出电阻，类似于双极型晶体管的rce。-+dgsgsuudsidrgs很大很大,可以成开路可以成开路+-gsmugsuu-SdsgrdsgdSdirgs+-gsmugsuu-SdsgrdsgdSdi场效应管场效应管放大电路放大电路一、一、共源放大电路共源放大电路+C2RuTg3DD1Rg1CCVRRgdsig2dRuoRL+-+C2RuTg3DD1Rg1CCVRRgdsig2dRuoRL+-分析：分析：（1）画出共源放大电画出共源放大电路的交流

27、小信号等效路的交流小信号等效电路。电路。(2)电压增益电压增益 (3)输入电阻输入电阻 Rg3Rg2Rg1RdRL(4)输出电阻输出电阻GSD（2）电压增益）电压增益（3）输入电阻）输入电阻得得 分析：分析：（1 1）画）画交流小信号等效电路。交流小信号等效电路。由由二、二、共漏放大电路共漏放大电路+Cg3VsTR1DDoRuRdg1g2C2RR+-L+u-SRS+-+Su+-RSui+uo-gdsugsugsmgRg3g1Rg2RiRRLR（4 4）输出电阻）输出电阻所以所以由图有由图有+-+Sui+u-gdsugsugsmgRg3g1Rg2RRRooRRi例1：如图所示的共源放大器。求其电压增益、输入电阻、输出电阻的表达式。解：DRR=0例例2、判断下列电路能否正常工作。、判断下列电路能否正常工作。不能，因为不能，因为UGS0能能不能，因为不能，因为U UGSGS=0=0，没有，没有导电沟道导电沟道不能，因为不能，因为U UDSDS00