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1、3.1场效应管 引言结型场效应管场效应管的主要参数场效应管第1页/共46页引 言场效应管 FET(Field Effect Transistor)类型：结型 JFET(Junction Field Effect Transistor)绝缘栅型 IGFET(Insulated Gate FET)第2页/共46页特点：1.单极性器件(一种载流子导电)3.工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低2.输入电阻高 (107 1015，IGFET 可高达 1015 )第3页/共46页结型场效应管1.结构与符号N 沟道 JFETP 沟道 JFET第4页/共46页2.工作原理(1)UGS对ID的控制作用(a)
2、uGS=0 (b)UGS(off)uGS 0沟道楔型耗尽层刚相碰时称预夹断。此时 uGD=UGS(off)；当 uDS，预夹断点下移。uGS0、uDS0时的情况 第7页/共46页3.转移特性和输出特性UGS(off)当 UGS(off)uGS 0 时,uGSiDIDSSuDSiDuGS=3 V 2 V 1 V0 V 3 VOO第8页/共46页场效应管MOS 场效应管（绝缘栅场效应管）N沟道绝缘栅场效应管P沟道绝缘栅场效应管增强型耗尽型增强型耗尽型第9页/共46页一、增强型 N 沟道 MOSFET (Mental Oxide Semi FET)1.结构与符号P 型衬底(掺杂浓度低)N+N+用扩散
3、的方法制作两个 N 区在硅片表面生一层薄 SiO2 绝缘层S D用金属铝引出源极 S 和漏极 DG在绝缘层上喷金属铝引出栅极 GB耗尽层S 源极 SourceG 栅极 Gate D 漏极 DrainSGDB第10页/共46页2.工作原理1)uGS 对导电沟道的影响(uDS=0)反型层(沟道)第11页/共46页1)uGS 对导电沟道的影响(uDS=0)a.当 UGS=0，DS 间为两个背对背的 PN 结；b.当 0 UGS UGS(th)DS 间的电位差使沟道呈楔形，uDS，靠近漏极端的沟道厚度变薄。预夹断(UGD=UGS(th)：漏极附近反型层消失。预夹断发生之前：uDS iD。预夹断发生之后
4、：uDS iD 不变。第13页/共46页3.转移特性曲线2 4 64321uGS/ViD/mAUDS=10 VUGS(th)当 uGS UGS(th)时：uGS=2UGS(th)时的 iD 值开启电压O第14页/共46页4.输出特性曲线可变电阻区uDS 107 MOSFET：RGS=109 1015IDSSuGS/ViD/mAO第22页/共46页4.低频跨导 gm 反映了uGS 对 iD 的控制能力，单位 S(西门子)。一般为几毫西(mS)uGS/ViD/mAQO第23页/共46页PDM=uDS iD，受温度限制。5.漏源动态电阻 rds6.最大漏极功耗 PDM第24页/共46页场效应管与晶体
5、管的比较管子名称晶体管场效应管导电机理利用多子和少子导电利用多子导电控制方式电流控制电压控制放大能力高较低直流输入电阻小约几k大JFET可达107以上,MOS可达1010稳定性受温度和辐射的影响较大温度稳定性好、抗辐射能力强噪声中等很小结构对称性集电极和发射极不对称，不能互换漏极和源极对称，可互换使用适用范围都可用于放大电路和开关电路等第25页/共46页3.2场效应管放大电路分压式自偏压放大电路场效应管放大电路第26页/共46页场效应管放大电路三种组态：共源、共漏、共栅特点：输入电阻极高，噪声低，热稳定性好 1.固定偏压放大电路一、电路的组成（1）合适的偏置 P109 表3-3（2）能输入能输
6、出+VDDRDC2+C1+uiRGGDRL+UoVGG第27页/共46页栅极电阻 RG 的作用：(1)为栅偏压提供通路(2)泻放栅极积累电荷源极电阻 RS 的作用：提供负栅偏压漏极电阻 RD 的作用：把 iD 的变化变为 uDS 的变化+VDDRDC2CS+uoC1+uiRGRSGSD二、静态分析UGS+VDDRDC1RGRSGSDIDUDSRL1.估算法 2.自给偏压放大电路第28页/共46页 UDSQ=VDD IDQ(RS+RD)UGS+VDDRDC1RGRSGSDIDUDSUGSQ =IDQRS第29页/共46页2.图解法 在输出特性上作直流负载线 作负载转移特性曲线 作输入回路的直流负
7、载线 确定静态工作点 转移特性曲线与输入回路的直流负载线的交点即为静态工作点Q，Q点对应的横坐标值即为UGSQ，纵坐标值即为IDQ，再根据IDQ在输出特性曲线上求出静态工作点Q，确定UDSQ。第30页/共46页 (a)转移特性曲线 (b)输出特性曲线图 自给偏压电路Q点的图解第31页/共46页1.场效应管的等效电路三、动态分析场效应管电路小信号等效电路分析法第32页/共46页移特性可知，gm是转移特性在静态工作点Q处 gm为低频跨导，反映了管子的放大能力，从转切线的斜率.第33页/共46页rds为场效应管的共漏极输出电阻，为输出特性在Q点处的切线斜率的倒数，如图所示，通常rds在几十千欧到几百
8、千欧之间。第34页/共46页从输入端口看入，相当于电阻从输入端口看入，相当于电阻 r rgsgs()。从输出端口看入为受从输出端口看入为受 u ugs gs 控制的电流源。控制的电流源。id=gmugs小信号模型根据rgs Sidgmugs+ugs+udsGDrds第35页/共46页2.2.场效应管放大电路 的微变等效电路RLRD+uo+uiGSD+ugsgmugsidiiRG3.计算放大电路的动态指标注意：自给偏压电路只适用耗尽型场效应管放大电路第36页/共46页分压式自偏压放大电路调整电阻的大小，可获得：UGSQ 0UGSQ=0UGSQ 0RL+VDDRDC2CS+uoC1+uiRG2RS
9、GSDRG1一、电路组成二、静态分析第37页/共46页 UDSQ=VDD IDQ(RS+RD)三、动态分析RLRD+uo+uiRG2GSDRG1+ugsgmugsidii第38页/共46页四、改进电路目的：为了提高输入电阻有 CS 时：RL+VDDRDC2CS+uoC1+uiRG2RSGSDRG1RG3RLRD+uo+uiRG2GSDRG3RG1+ugsgmugsidii无 CS 时：RSRi、Ro 不变第39页/共46页共漏放大电路RL+VDDC2+uoC1+uiRG2RSGSDRG1RG3RLRS+uo+uiRG2GSDRG3RG1+ugsgmugsiiioRo第40页/共46页例 耗尽型
10、 N 沟道 MOS 管，RG=1 M，RS=2 k，RD=12 k，VDD=20 V。IDSS=4 mA，UGS(off)=4 V，求 iD 和 uO。iG=0 uGS=iDRS第41页/共46页iD1=4 mAiD2=1 mAuGS=8 V UGS(off)增根 uGS=2 V uDS=VDD iD(RS+RD)=20 14=6(V)uO=VDD iD RD=20 14=8(V)在放大区例 已知 UGS(off)=0.8 V，IDSS=0.18 mA，1.求“Q”。2.求AU,Ri,RO第42页/共46页解方程得：IDQ1=0.69 mA，UGSQ=2.5V (增根，舍去)IDQ2=0.45
11、 mA，UGSQ=0.4 V RLRDC2CS+uoC1+uiRG2GSDRG1RG310 k10 k200 k64 k1 M2 k5 k+24V第43页/共46页 UDSQ=VDD IDQ(RS1+RS2+RD)动态分析：第44页/共46页例 gm=0.65 mA/V，ui=20sint(mV)，求交流输出 uo。+RDGDSRGRSiD+uO+VDDuiVGG10 k4 k交流通路+RDGDSRGRSid+uOui小信号等效电路 +ui RSRDSidgmugs+ugs+uoGDRGui=ugs+gmugsRSugs=ui/(1+gmRS)uo=gmui RD/(1+gmRS)=36sin t(mV)第45页/共46页感谢您的观看！第46页/共46页