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1、Tan YuehengDepartment of P.&E.I.S模拟电子技术5 5 场效应管放大电路场效应管放大电路Tan YuehengDepartment of P.&E.I.S模拟电子技术教教 学学 要要 求求1 1、理解场效应管的结构特点、理解场效应管的结构特点2 2、理解场效应管的工作原理、理解场效应管的工作原理3 3、掌握场效应管的特性与工作状态、掌握场效应管的特性与工作状态4 4、理解场效应管的模型、理解场效应管的模型5 5、掌握场效应管放大电路的分析方法、掌握场效应管放大电路的分析方法Tan YuehengDepartment of P.&E.I.S模拟电子技术N N沟道沟道
2、P P沟道沟道增强型增强型耗尽型耗尽型N N沟道沟道P P沟道沟道N N沟道沟道P P沟道沟道（耗尽型）（耗尽型）FETFET场效应管场效应管JFETJFET结型结型MOSFETMOSFET绝缘栅型绝缘栅型(IGFET)(IGFET)分类：分类：场效应管是一种利用场效应管是一种利用电场效应电场效应(电压电压)来来控制其导通电流大小的半导体器件。控制其导通电流大小的半导体器件。场场 效效 应应 管管Tan YuehengDepartment of P.&E.I.S模拟电子技术 场效应管不仅体积小、重量轻、耗电场效应管不仅体积小、重量轻、耗电省、寿命长，而且还有输入阻抗高、噪声省、寿命长，而且还有
3、输入阻抗高、噪声低、温度稳定性好、抗辐射能力强、制造低、温度稳定性好、抗辐射能力强、制造工艺简单等特点。工艺简单等特点。场场 效效 应应 管管 场效应管与双极型晶体管不同，它是场效应管与双极型晶体管不同，它是电压控制型电压控制型器件，只依靠一种载流子导电器件，只依靠一种载流子导电（电子或空穴），又称（电子或空穴），又称单极型晶体管单极型晶体管。Tan YuehengDepartment of P.&E.I.S模拟电子技术5.3 5.3 结型场效应管结型场效应管(JFET)(JFET)5 5 场效应管放大电路场效应管放大电路Tan YuehengDepartment of P.&E.I.S模拟电
4、子技术N基底基底：N型半导体型半导体PP两边是两边是P+区区G(栅极栅极)S源极源极D漏极漏极 结型场效应管（结型场效应管（JFET）导电沟道导电沟道Tan YuehengDepartment of P.&E.I.S模拟电子技术NPPG(栅极栅极)S源极源极D漏极漏极N沟道结型场效应管沟道结型场效应管DGSDGSJFET管的类型和符号管的类型和符号Tan YuehengDepartment of P.&E.I.S模拟电子技术PNNG(栅极栅极)S源极源极D漏极漏极P沟道结型场效应管沟道结型场效应管DGSDGSJFET管的类型和符号管的类型和符号Tan YuehengDepartment of
5、P.&E.I.S模拟电子技术UGSN沟道结型管的工作原理沟道结型管的工作原理NGSDUDSNNPP PN结反偏，结反偏，UGS越负则越负则耗尽区越宽，耗尽区越宽，导电沟道越导电沟道越窄。窄。Tan YuehengDepartment of P.&E.I.S模拟电子技术NGSDUDSNNPP 当当UGS较小时，耗较小时，耗尽区宽度有限，存在尽区宽度有限，存在导电沟道。导电沟道。DS间相当间相当于线性电阻。于线性电阻。UGS越大耗尽越大耗尽区越宽，沟道越区越宽，沟道越窄，电阻越大。窄，电阻越大。Tan YuehengDepartment of P.&E.I.S模拟电子技术NGSDUDSNNPPPP
6、 UGS达到一定值时达到一定值时（夹断电压夹断电压VP）,耗尽区碰到一起，耗尽区碰到一起，DS间被夹断，漏极间被夹断，漏极电流电流ID=0。IDTan YuehengDepartment of P.&E.I.S模拟电子技术IDU DS0UGS=0V-1V-3V-4V-5VN沟道结型管的特性曲线沟道结型管的特性曲线输出特性曲线：输出特性曲线：Tan YuehengDepartment of P.&E.I.S模拟电子技术IDU DS0UGS=0V-1V-3V-4V-5V三个工作区三个工作区可变电可变电阻区阻区截止区截止区饱和饱和区区恒流恒流区区放大放大区区N沟道结型管的特性曲线沟道结型管的特性曲线
7、Tan YuehengDepartment of P.&E.I.S模拟电子技术UGS0IDIDSSVP夹断电压夹断电压饱和漏极电流饱和漏极电流N沟道结型管的特性曲线沟道结型管的特性曲线转移特性曲线：转移特性曲线：Tan YuehengDepartment of P.&E.I.S模拟电子技术VPN沟道结型管的特性曲线沟道结型管的特性曲线输出特性曲线到转移特性曲线的转换：输出特性曲线到转移特性曲线的转换：Tan YuehengDepartment of P.&E.I.S模拟电子技术P沟道结型场效应管沟道结型场效应管PGSDUDSUGSNNNNIDTan YuehengDepartment of P
8、.&E.I.S模拟电子技术UGS0IDIDSSVP饱和漏极电流饱和漏极电流夹断电压夹断电压P沟道结型场效应管沟道结型场效应管转移特性曲线：转移特性曲线：Tan YuehengDepartment of P.&E.I.S模拟电子技术IDU DS2VUGS=0V1V3V4V5V可变电阻区可变电阻区夹断区夹断区恒流区恒流区0P沟道结型场效应管沟道结型场效应管输出特性曲线：输出特性曲线：Tan YuehengDepartment of P.&E.I.S模拟电子技术或或 夹断电压夹断电压V VP P：漏极电流约为零时的漏极电流约为零时的V VGSGS值值 。饱和漏极电流饱和漏极电流I IDSSDSS：V
9、 VGSGS=0=0时对应的漏极电流。时对应的漏极电流。g gm m可以在转移特性曲线上求得可以在转移特性曲线上求得:主主 要要 参参 数数 低频跨导低频跨导g gm m：反映反映v vGSGS对对i iD D的控制作用。的控制作用。Tan YuehengDepartment of P.&E.I.S模拟电子技术 最大漏极功耗最大漏极功耗P PDMDM 最大漏源电压最大漏源电压V V(BR)DS(BR)DS 最大栅源电压最大栅源电压V V(BR)GS(BR)GS 输出电阻输出电阻r rd d：主主 要要 参参 数数 直流输入电阻直流输入电阻R RGSGS：R RGSGS约大于约大于10107 7
10、Tan YuehengDepartment of P.&E.I.S模拟电子技术习题：习题：课课 外外 作作 业业Tan YuehengDepartment of P.&E.I.S模拟电子技术5.1 MOS5.1 MOS场效应管场效应管5 5 场效应管放大电路场效应管放大电路Tan YuehengDepartment of P.&E.I.S模拟电子技术 MOS MOS管与管与JFETJFET的导电机制和电流控制原的导电机制和电流控制原理不同：理不同：JFET JFET利用耗尽层的宽度改变导电沟道的利用耗尽层的宽度改变导电沟道的宽度来控制宽度来控制I ID D,MOSFET MOSFET是是利用半
11、导体表面的电场效应，利用半导体表面的电场效应，由感应电荷的多少改变导电沟道来控制电由感应电荷的多少改变导电沟道来控制电流。流。MOS 场场 效效 应应 管管Tan YuehengDepartment of P.&E.I.S模拟电子技术PNNGSDP型型Si衬底衬底电阻率较高电阻率较高两个两个N+区，区，高掺杂高掺杂N沟道沟道MOS场效应管场效应管Tan YuehengDepartment of P.&E.I.S模拟电子技术PNNGSD半导体半导体铝铝SiO2绝缘层绝缘层N沟道沟道MOS场效应管场效应管Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transist
12、orTan YuehengDepartment of P.&E.I.S模拟电子技术PNNGSDUDDUGS MOS MOS管利用管利用G G、S S极电压的大小，改变半导体极电压的大小，改变半导体表面感生电荷的多少，来控制表面感生电荷的多少，来控制D D极电流的大小。极电流的大小。N沟道沟道MOS场效应管场效应管Tan YuehengDepartment of P.&E.I.S模拟电子技术UGS=0时时ID=0对应截止区对应截止区 D D、S S间电阻很大，没有形成导电沟道，间电阻很大，没有形成导电沟道，I ID D=0=0PNNGSDUDDUGSD-S间相当间相当于两个反接于两个反接的的PN
13、结结N沟道沟道MOS场效应管场效应管Tan YuehengDepartment of P.&E.I.S模拟电子技术PNNGSDUDDUGSU UGSGS00时时感应出电子感应出电子 当当V VGSGS00，G G、P P间是间是以以S Si iO O2 2为介质的平板为介质的平板电容电容CC电场电场EE排斥排斥P P型型S Si i中的多子从而中的多子从而在表面留下带负电的在表面留下带负电的离子组成的耗尽层，离子组成的耗尽层，同时吸引少子到衬底同时吸引少子到衬底表面。表面。N沟道沟道MOS场效应管场效应管Tan YuehengDepartment of P.&E.I.S模拟电子技术P PN N
14、N NG GS SD DU UDDDDU UGSGSU UGSGS00时时感应出电子感应出电子 U UGSGS足够大时足够大时,感应出足够多的感应出足够多的电子在衬底表面电子在衬底表面形成形成N N型薄层型薄层,称称为反型层，为反型层，将两将两个个N N+区相连通，区相连通，从而从而形成形成N N型的型的导电沟道。导电沟道。N沟道沟道MOS场效应管场效应管Tan YuehengDepartment of P.&E.I.S模拟电子技术PNNGSDUDDUGS UGS越大越大,感应感应电子越多，导电电子越多，导电沟道越厚，电阻沟道越厚，电阻越小。越小。在在V VDDDD作用下将有作用下将有I ID
15、 D产生，一般在漏源电压作产生，一般在漏源电压作用下开始导电时的栅源电压叫做用下开始导电时的栅源电压叫做开启电压开启电压。N沟道沟道MOS场效应管场效应管Tan YuehengDepartment of P.&E.I.S模拟电子技术GSD增强型增强型PNNGSDN沟道增强型沟道增强型MOS管的符号管的符号Tan YuehengDepartment of P.&E.I.S模拟电子技术0IDUGSVT转移特性曲线转移特性曲线N沟道增强型沟道增强型MOS管的特性曲线管的特性曲线Tan YuehengDepartment of P.&E.I.S模拟电子技术PNNGSD予埋了导予埋了导电沟道电沟道 N沟
16、道耗尽型沟道耗尽型MOS管的符号管的符号GSD耗尽型耗尽型Tan YuehengDepartment of P.&E.I.S模拟电子技术 结构与增强型相同，结构与增强型相同，只是绝缘层只是绝缘层S Si iO O2 2中掺有中掺有大量的正离子。这样，大量的正离子。这样，当当V VGSGS=0=0时时,在正离子的在正离子的作用下，作用下，P P型衬底上感型衬底上感应出较多的电子应出较多的电子,形成形成N N沟道。沟道。N沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管的工作原理管的工作原理Tan YuehengDepartment of P.&E.I.S模拟电子技术 当当V VGSGS00时，时，PNPN结结虽处于
17、正向偏置，虽处于正向偏置，但绝缘层的存在不但绝缘层的存在不会产生正向电流，会产生正向电流，而是在沟道中感应而是在沟道中感应出更多的负电荷，出更多的负电荷，在在V VDSDS作用下作用下I ID D更大。更大。N沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管的工作原理管的工作原理Tan YuehengDepartment of P.&E.I.S模拟电子技术N沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管的工作原理管的工作原理 当当V VGSGS00时时,沟道中感沟道中感应电荷应电荷，从而在，从而在V VDSDS作用下，作用下，i iD D；当；当V VGSGS小到一定值时（负值）小到一定值时（负值），反型层消失，反型层消失，D-S
18、D-S间失去导电沟道。此间失去导电沟道。此时的时的V VGSGS=V=VP P（与（与JFETJFET类类似，故为耗尽型）。似，故为耗尽型）。Tan YuehengDepartment of P.&E.I.S模拟电子技术耗尽型的耗尽型的MOS管管UGS=0时就有导电时就有导电沟道，加反向电压才能夹断。沟道，加反向电压才能夹断。0IDUGSVP转移特性曲线转移特性曲线N沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管的特性曲线管的特性曲线Tan YuehengDepartment of P.&E.I.S模拟电子技术P耗尽型耗尽型NPPGSDGSD予埋导电沟道予埋导电沟道 P沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管的符号管的符号
19、GSDP增强型增强型Tan YuehengDepartment of P.&E.I.S模拟电子技术MOS管的主要参数管的主要参数 MOS MOS管的主要参数与管的主要参数与JFETJFET基本相同。只基本相同。只是在增强型中不用夹断电压是在增强型中不用夹断电压V VP P，而用开启，而用开启电压电压V VT T，而耗尽型用夹断电压，而耗尽型用夹断电压V VP P。参见参见P208_209P208_209Tan YuehengDepartment of P.&E.I.S模拟电子技术绝绝缘缘栅栅场场效效应应管管N N沟沟道道增增强强型型P P沟沟道道增增强强型型MOS管的比较管的比较Tan Yue
20、hengDepartment of P.&E.I.S模拟电子技术绝绝缘缘栅栅场场效效应应管管 N N沟沟道道耗耗尽尽型型P P 沟沟道道耗耗尽尽型型MOS管的比较管的比较Tan YuehengDepartment of P.&E.I.S模拟电子技术场效应管的符号比较场效应管的符号比较Tan YuehengDepartment of P.&E.I.S模拟电子技术习题：习题：课课 外外 作作 业业Tan YuehengDepartment of P.&E.I.S模拟电子技术5.2 5.2 场效应管放大电路场效应管放大电路5 5 场效应管放大电路场效应管放大电路Tan YuehengDepartme
21、nt of P.&E.I.S模拟电子技术直直 流流 偏偏 置置 电电 路路（1 1）自偏压电路）自偏压电路v vGS GS=-I ID DR R 自偏压不适用自偏压不适用于增强型于增强型MOSFETMOSFETTan YuehengDepartment of P.&E.I.S模拟电子技术（1 1）自偏压电路）自偏压电路v vGS GS=V VDS DS=已知已知V VP P，由，由V VDDDD-I ID D(R Rd d+R R)-I ID DR R可解出可解出V VGS GS、I ID D、V VDS DS Q Q点点直直 流流 偏偏 置置 电电 路路Tan YuehengDepartme
22、nt of P.&E.I.S模拟电子技术（2 2）分压式自偏压电路）分压式自偏压电路直直 流流 偏偏 置置 电电 路路Tan YuehengDepartment of P.&E.I.S模拟电子技术（1 1）FETFET小信号低频模型小信号低频模型FETFET放大电路的小信号模型放大电路的小信号模型Tan YuehengDepartment of P.&E.I.S模拟电子技术（1 1）FETFET小信号低频模型小信号低频模型FETFET放大电路的小信号模型放大电路的小信号模型Tan YuehengDepartment of P.&E.I.S模拟电子技术FETFET放大电路的小信号模型放大电路的小
23、信号模型（2 2）FETFET小信号高频模型小信号高频模型Tan YuehengDepartment of P.&E.I.S模拟电子技术共源放大器小信号等效电路共源放大器小信号等效电路Tan YuehengDepartment of P.&E.I.S模拟电子技术电压增益：电压增益：则则动动 态态 指指 标标 分分 析析Tan YuehengDepartment of P.&E.I.S模拟电子技术动动 态态 指指 标标 分分 析析输入电阻输入电阻通常通常则则Tan YuehengDepartment of P.&E.I.S模拟电子技术输出电阻输出电阻动动 态态 指指 标标 分分 析析Tan Yu
24、ehengDepartment of P.&E.I.S模拟电子技术例：共漏极放大电路如例：共漏极放大电路如图示。试求中频电压增图示。试求中频电压增益、输入电阻和输出电益、输入电阻和输出电阻。阻。（1 1）中频小信号模型）中频小信号模型Tan YuehengDepartment of P.&E.I.S模拟电子技术例：共漏极放大电路如例：共漏极放大电路如图示。试求中频电压增图示。试求中频电压增益、输入电阻和输出电益、输入电阻和输出电阻。阻。（2 2）中频电压增益）中频电压增益得得Tan YuehengDepartment of P.&E.I.S模拟电子技术（3 3）输入电阻）输入电阻例：共漏极放大
25、电路如例：共漏极放大电路如图示。试求中频电压增图示。试求中频电压增益、输入电阻和输出电益、输入电阻和输出电阻。阻。Tan YuehengDepartment of P.&E.I.S模拟电子技术例：共漏极放大电路如例：共漏极放大电路如图示。试求中频电压增图示。试求中频电压增益、输入电阻和输出电益、输入电阻和输出电阻。阻。（4 4）输出电阻）输出电阻所以所以Tan YuehengDepartment of P.&E.I.S模拟电子技术三种基本放大电路的性能比较三种基本放大电路的性能比较组态对应关系：组态对应关系：BJTFETCCCDCBCGCECS电压增益：电压增益：BJTFETCE：CC：CB：
26、CS：CD：CG：Tan YuehengDepartment of P.&E.I.S模拟电子技术BJTFETCE：CC：CB：CS：CD：CG：CE：CC：CB：CS：CD：CG：输入电阻输入电阻：输出电阻：输出电阻：Tan YuehengDepartment of P.&E.I.S模拟电子技术CE/CSCE/CSCC/CDCC/CDCB/CGCB/CG电压增益电压增益相位关系相位关系输入电阻输入电阻输出电阻输出电阻大大 小于小于1 1接近接近1 1 大大反相反相 同相同相 同相同相高高 高高 低低高高 低低 高高电路特点电路特点：Tan YuehengDepartment of P.&E.I.S模拟电子技术习题：习题：课课 外外 作作 业业