最新资料模拟电路课件讲义5场效应管放大电路ppt模版课件

1 场效应管的基本问题（自学） 2 场效应管放大电路 3 各种放大器件电路性能比较 1 1. 场效应管根据结构不同分为哪两大类？ 2. 何谓耗尽型？何谓增强型？VP夹断电压和VT开启电压 分别是何种类型场效应管的重要参数之一？ 3. 场效应管有哪三个电极？和BJT管如何对应？ 4. 场效应管的两个电压VGS和VDS分别起何主要作用？ 场效应管输出特性曲线分为哪几个区？作放大时工作 在哪个区？为什么？ 场效应管是双极型 ？单极型？电压控制器件还是电流 控制器件？它的输入电阻如何？（与BJT对比） 根据场效应管特点作放大时，应如何合理设置Q点？ 2 场效应管是电压控制器件。 它具有输入阻抗高，噪声低的优点。 本章是本课程的难点，但不是本课程的重点 。 由于学时数少，又因为场效应管放大电路与 三极管放大电路有许多相同之处，所以，本章学 习采用对比学习法，即将场效应管与三极管放大 电路比较，了解相同点，掌握不同点。 3 三极管特点 电流控制器件（基极电流控制晶体管导电能力） 输入阻抗不高 双极型器件（两种载流子：多子少子参与导电） 噪声高 场效应管特点 电压控制器件（用电压产生电场来控制器件 的导电能力）故称为Field Effect Transistor 输入阻抗极高 单极型器件（一种载流子：多子参与导电） 噪声小 缺点速度慢 4 图解法，估算法，微变等效电路法 三极管场效应管 三极管放大器场效应管放大器 分析方法分析方法 5 场效应三极管（FET） 只有一种载流子参与导电，且利用电场效应来控制 电流的三极管，称为场效应管，也称单极型三极管。 场效应管分类 结型场效应管（JFET） 绝缘栅场效应管（MOSFET） 特点 单极型器件(一种载流子导电)； 输入电阻高；（1071015） 工艺简单、易集成、功耗小、体积小 、噪声低、成本低等。 6 N沟道（相当于NPN） P沟道（相当于PNP） 增强型 耗尽型 N沟道（NPN） P 沟道 （PNP） N沟道（NPN） P沟道 （PNP） （耗尽型） FET 场效应管 JFET 结型 MOSFET 绝缘栅型 FET分类： 7 MOSFET符号 增强型 耗尽型 N沟道 G S D P沟道 G S D G S D G S D JFET符号 d g s d g s 耗尽型 8 耗尽型：场效应管没有加偏置电压时，就有 导电沟道存在 增强型：场效应管没有加偏置电压时，没有 导电沟道 9 N沟道 MOSFET 耗尽型 增强型 P沟道 N沟道 P沟道 绝缘栅型场效应管的类别 5.1 绝缘栅型场效应管（MOSFET） 结型场效应管的输入电阻虽然可达106109，在使用 中若要求输入电阻更高，仍不能满足要求。绝缘栅型场效应 管又称为金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFET）具有更 高输入电阻，可高达1015 。且有制造工艺简单、适于集成 等优点。 增强型MOS管在vGS=0时，无导电沟道。 耗尽型MOS管在vGS=0时，已有导电沟道存在。 10 P N+ SGD N+ 以P型半导体作衬底 形成两个PN结 SiO2保护层 Al金属电极 从衬底引出电极 两边扩散两个 高浓度的N区 Al金属电极 Al金属电极 5.1.1 N沟道增强型MOSFET 11 P N+ S G D N+ 半导体 Semiconductor 氧化物 Oxide 金属 Metal 表示符号 G S D MOSFET 12 N P+ S G D P+ P沟道增强型MOSFET的结构 表示符号 G S D 13 P N+ SGD N+ N沟道增强型MOSFET的工作原理 + + 与JFET相似， MOSFET的工作 原理同样表现在： 栅压vGS对沟道导 电能力的控制， 漏源电压vDS对漏 电流的影响。 14 P N+ SGD N+ N沟道增强型MOSFET的工作原理 + + (1) vGS对沟道的控制作用 当vGS=0时， 漏源极间是两个背靠 背的PN结，无论漏源 极间如何施加电压， 总有一个PN结处于反 偏状态，漏-源极间没 有导电沟道，将不会 有漏电流出现iD0。 15 N沟道增强型MOSFET的工作原理 (1) vGS对沟道的控制作用, vDS=0 vGS增加，作用于半导 体表面的电场就越强 ，吸引到P衬底表面的 电子就越多，导电沟 道越厚，沟道电阻越 小。 P N+ SGD N+ + + 开始形成沟道时的栅 源极电压称为开启电 压，用VT表示。 导电沟道增厚 沟道电阻减小 16 P N+ SGD N+ N沟道增强型MOSFET的工作原理 + + (1) vGS对沟道的控制作用, vDS=0 当vGSVT时，电场增强 将P衬底的电子吸引到表 面，这些电子在栅极附 近的P衬底表面便形成一 个N型薄层，称为反型层 形成导电沟道 出现反型层 且与两个N+区相连通， 在漏源极间形成N型导电 沟道。 17 N沟道增强型MOSFET的工作原理 (1) vGS对沟道的控制作用, vDS=0 综上所述： N沟道MOS管在vGSVT时 ，不能形成导电沟道，管 子处于截止状态。 这种必须在vGSVT时才能 形成导电沟道的MOS管称 为增强型MOS管。 只有当vGSVT时，方能形 成沟道。 P N+ SGD N+ + + 沟道形成以后，在漏-源极 间加上正向电压vDS，就有 漏极电流产生。 18 MOS管的伏安特性用输出特性和转移特性描述 MOSFET的特性曲线 输出特性 转移特性 输出特性描述当栅源电压|vGS|=C为常量时，漏电流iD与漏 源电压vDS之间的关系。 输出特性曲线也分为可变电阻区、 饱和区、截止区和击穿区几部分。 + + 19 a输出特性 MOSFET的特性曲线 2 4 0 6 1020 可变电阻区 放大区 截止区 击穿区 20 (1) 可变电阻区 a. vDS较小，沟道尚未夹断 b. vDS vGS- VT c.管子相当于受vGS控制的压控电阻 a输出特性 2 4 0 6 1020 可变电阻区 MOSFET的特性曲线 21 (2) 放大区(饱和区、恒流区) a. 沟道予夹断 c. iD几乎与vDS无关 d. iD只受vGS的控制 b. vDS vGS- VT 2 4 0 6 1020 放大区 a输出特性 MOSFET的特性曲线 22 a. vGSVT (3) 截止区 b.沟道完全夹断 c. iD=0 2 4 0 6 1020 a输出特性 MOSFET的特性曲线 截止区 23 0 2 4 0 6 1020 转移特性曲线输出特性曲线 MOSFET的特性曲线 24 耗尽型NMOS管 1). 耗尽型NMOS管结构示意图 sgd N+N+ SiO2 Al b 耗尽层 （导电沟道） 反型层 P 耗尽型NMOS管在 vGS=0时，漏源极间 已有导电沟道产生， 通过施加负的栅源电 压（夹断电压）使沟 道消失，而增强型 NMOS管在vGSVT时 才出现导电沟道。 25 耗尽型NMOS管 1). 耗尽型NMOS管结构示意图 sgd N+N+ SiO2 Al b 耗尽层 （导电沟道） 反型层 P N沟道耗尽型MOS管 符号 P沟道耗尽型MOS管 符号 G S D G S D 26 耗尽型MOS管 sgd N+N+ SiO2 Al b 耗尽层 （导电沟道） 反型层 P N沟道耗尽型MOS管 当vGS为负时，沟道变窄 ，沟道电阻变大，iD减 小。当vGS负向增加到某 一数值时，导电沟道消 失，iD趋于零，管子截 止； 使沟道消失时的栅源电 压称为夹断电压，用VP 表示。 2). 耗尽型MOS管原理 27 耗尽型MOS管 在饱和区内，耗尽型MOS管的电流方程与结型场效应管的电 流方程相同，即 3). 耗尽型MOS管电流方程（增强型MOS管见P203） 28 场效应管与三极管的性能比较 1场效应管的源极s、栅极g、漏极d分别对应于三极管 的发射极e、基极b、集电极c，它们的作用相似。 2场效应管是电压控制电流器件，由vGS控制iD，其跨 导gm一般较小，因此场效应管的放大能力较差；三极管 是电流控制电流器件，由iB控制iC。 3场效应管的输入电阻比三极管的输入电阻高。因此场 效应管栅极几乎不取电流；而三极管工作时基极总要吸 取一定的电流。 29 场效应管与三极管的性能比较 4场效应管多子参与导电；三极管有多子和少子两种 载流子参与导电；所以场效应管比三极管的噪声小，在低 噪声放大电路的输入级应选用场效应管。 5场效应管源极和漏极可以互换使用，且特性变化不大； 而三极管的集电极与发射极互换使用时，其特性差异很大 ，b值将减小很多。 6场效应管制造工艺简单，且具有功耗低等优点；因而场 效应管易于集成，被广泛用于大规模和超大规模集成电路 中。 30 D S G N 符 号 结型场效应管 一、结构 图 N 沟道结型场效应管结构图 N 型 沟 道 N型硅棒 栅极 源极 漏极 P+P+ P 型区 耗尽层 (PN 结) 在漏极和源极之间加 上一个正向电压，N 型半 导体中多数载流子电子可 以导电。 导电沟道是 N 型的， 称 N 沟道结型场效应管。 31 P 沟道场效应管 图 P沟道结型场效应管结构图 N+N+ P 型 沟 道 G S D P 沟道场效应管是在 P 型硅棒的两侧做成高掺 杂的 N 型区(N+)，导电沟 道为 P 型，多数载流子为 空穴。 符号 G D S 32 MOSFET符号 增强型 耗尽型 N沟道 G S D P沟道 G S D G S D G S D JFET符号 d g s d g s 耗尽型 33 场效应管放大电路的三种组态 场效应管放大电路 根据场效应管在放大电路中的连接方式，场效应管放大 电路分为三种组态：共源极电路、共栅极电路和共漏极电路 共源极电路： 栅极是输入端，漏极是输出端，源极是输入输出的公共电极。 共栅极电路： 源极是输入端，漏极是输出端，栅极是输入输出的公共电极 。 共漏极电路： 栅极是输入端，源极是输出端，漏极是输入输出的公共电极 。 34 场效应管放大电路的三种组态 场效应管放大电路 由于场效应管与BJT晶体管都有三个电极，FET管的 G极对应BJT管的b极、D极对应c极、S极对应e极 在放大电路中，共源对应共射、共栅对应共基、共漏 对应共集。 以下分析均以N沟JFET为例，JFET由于不加栅源电 压时沟道已存在，所以JFET均属于耗尽型FET。 35 FET的直流偏置电路及静态分析 FET放大电路的小信号模型分析法 36 1. 自偏压电路 3. 静态工作点的确定 FET的直流偏置电路及静态分析 2. 分压式自偏压电路 37 1. 自给偏压共源放大电路 vGS VGS =- IDR 此电路只能用于耗尽型FET，亦称自偏压电路 38 2. 分压式自偏压电路 此电路既适用于耗尽型FET又适用于增强型FET 39 Q点： VGS 、 ID 、 VDS vGS = VDS = 已知VP ，由 VDD- iD (Rd + R ) - iDR 可解出Q点的VGS 、 ID 、 VDS 3. 静态工作点的确定 40 1. FET小信号模型 2. 动态指标分析 3. 三种基本放大电路的性能比较 FET放大电路的小信号模型分析法 41 1. FET小信号模型 （1）中低频频模型 42 （2）高频频模型 在高频时，极间电容不能忽略，需用高频模型分析 43 2. 动态指标分析 （1）中低频小信号模型 （共源电路，分析方法同BJT） 其微变等效电路 44 2. 动态指标分析 （2）中频电压增益 （3）输入电阻 （4）输出电阻 由输入输出回路得 则 通常 则 Ri RiRo 45 例