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第四章 场效应管放大电路 场效应管是一种利用电场效应来控制电流的一种半导体器 件，是仅由一种载流子参与导电的半导体器件。从参与导电的 载流子来划分，它有电子作为载流子的N沟道器件和空穴作为 载流子的P沟道器件。 场效应管： 结型 N沟道 P沟道 MOS型 N沟道 P沟道 增强型 耗尽型 增强型 耗尽型 4.1 绝缘栅型场效应管( Insulated Gate Field Effect Transister) 绝缘栅型场效应管IGFET有称金属氧化物场效应管 MOSFET( Metal Oxide Semiconductor FET)是一种利用半导体 表面的电场效应，由感应电荷的多少改变导电沟道来控制漏极 电流的器件，它的栅极与半导体之间是绝缘的，其电阻大于 109。 增强型：VGS=0时，漏源之间没有导电沟道， 在VDS作用下无iD。 耗尽型：VGS=0时，漏源之间有导电沟道， 在VDS作用下iD。 1. 结构和符号（以N沟道增强型为例） N沟道增强型MOSFET拓 扑结构左右对称，是在一 块浓度较低的P型硅上生成 一层SiO2 薄膜绝缘层，然 后用光刻工艺扩散两个高 掺杂的N型区，从N型区引 出电极作为D和S,在绝缘层 上镀一层金属铝并引出一 个电极作为G D(Drain):漏极，相当c G(Gate):栅极，相当b S(Source):源极，相当e B(Substrate):衬底 结构动画 2. 工作原理（以N沟道增强型为例） (a) VGS=0时，漏源之间相当 两个背靠背的 二极管，在D 、S之间加上电压，不管VDS 极性如何，其中总有一个PN 结反向，所以不存在导电沟 道。 VGS =0， ID =0 VGS必须大于0 管子才能工作。 （1）栅源电压VGS的控制作用 （1）栅源电压VGS的控制作用 （b）当栅极加有电压时，若 0VGSVGS(th) （ VT 称为开 启电压)时，在Sio2介质中产生 一个垂直于半导体表面的电场， 排斥P区多子空穴而吸引少子电 子。 但由于电场强度有限，吸 引到绝缘层的少子电子数量有 限，不足以形成沟道，将漏极 和源极沟通，所以不可能以形 成漏极电流ID。 0VGSVT ， ID=0 （1）栅源电压VGS的控制作用 (c)进一步增加VGS，当VGSVT时， 由于此时的栅极电压已经比较强 ，栅极下方的P型半导体表层中聚 集较多的电子，将漏极和源极沟 通，形成沟道。如果此时VDS0， 就可以形成漏极电流ID。在栅极下 方导电沟道中的电子，因与P型区 的载流子空穴极性相反，故称为 反型层。随着VGS的继续增加，反 型层变厚，ID增加 VGS 0g吸引电子反型层导电沟道 VGS 反型层变厚 VDS ID 栅源电压VGS的 控制作用动画 （2）漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用 （a）如果VGSVT且固定为某一值 ， VDS=VDGVGS=VGDVGS VGD=VGSVDS VDS为0或较小时， VGD=VGSVDS VT，沟道分布如图 ，此时VDS 基本均匀降落在沟道中， 沟道呈斜线分布。 这时，ID随VDS增大。 VDS ID （2）漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用 （2）漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用 （b）当VDS增加到使VGD=VT 时，沟道如图所示，靠近漏 极的沟道被夹断，这相当于 VDS增加使漏极处沟道缩减到 刚刚开启的情况，称为预夹 断。 （2）漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用 VDS ID 不变 （c）当VDS增加到VGDVT时，沟 道如图所示。此时预夹断区域加 长，向S极延伸。 VDS增加的部分 基本降落在随之加长的夹断沟道 上， ID基本趋于不变 漏源电压VDS对 沟道的影响动画 ID=f(VGS)VDS=const 转移特性曲线 iD vGS /V ID=f(VDS)VGS=const 输出特性曲线 vDS /V iD 3. 特性曲线（以N沟道增强型为例） 转移特性曲线的斜率gm的大小反 映了栅源电压VGS对漏极电流ID 的控制作用。 gm 的量纲为mA/V ，称为跨导。 gm=ID/VGS VDS=const 输出特性曲线 vDS /V iD(1) 截止区（夹断区） VGS |VP |时的漏 极电流。（耗尽） (4) 极间电容 ：漏源电容CDS约为 0.11pF，栅源电容CGS和栅 漏极电容CGD约为13pF。 场效应管的主要参数 (5) 低频跨导 gm ：表示vGS对iD的控制作用。 在转移特性曲线上， gm 是曲线在某点上的斜率，也可由 iD的表达式求导得出，单位为 S 或 mS。 (6) 最大漏极电流 IDM (8) 漏源击穿电压 V(BR)DS 栅源击穿电压 V(BR)GS (7) 最大漏极耗散功率 PDM 场效应三极管的型号 场效应三极管的型号, 现行有两种命名方法。其一是与双 极型三极管相同，第三位字母J代表结型场效应管，O代表 绝缘栅场效应管。第二位字母代表材料，D是P型硅，反型 层是N沟道；C是N型硅P沟道。例如,3DJ6D是结型N沟道场 效应三极管，3DO6C是绝缘栅型N沟道场效应三极管。 第二种命名方法 是CS#，CS代表场 效应管，以数字代 表型号的序号，#用字 母代表同一型号中的 不同规格。例如 CS14A、CS45G等。 几种常用的场效应三极管的主要参数见表 4. 2 结型场效应管(Junction type Field Effect Transister) 1. N沟道结型场效应管的结构和符号 结型场效应管是一种利用耗尽层宽度改变导电沟道的宽窄 来控制漏极电流的大小的器件。 它是在N型半导体硅片 的两侧各制造一个PN结， 形成两个PN结夹着一个 N型沟道的结构。P区即 为栅极g(G)，N型硅的 一端是漏极d(D)，另一 端是源极s(S)。 箭头方向表示栅结正偏 或正偏时栅极电流方向 。 N沟道结型场效 应管的结构动画 2. 工作原理 ID （1）VGS对导电沟道的影响： VP(VGS(OFF) )：夹断电压 栅源之间是反偏的PN结， RGS107，所以IG=0 (a) VGS=0，VDS=0，ID=0 结型场效应管没有绝缘层，只 能工作在反偏的条件下。N沟道结 型场效应管只能工作在负栅压区， P沟道的只能工作在正栅压区，否 则将会出现栅流。 N沟道结型场效应管工作原理 ： 工作原理 (c) |VGS | = VP ， 导电沟道被全夹断 (b) 00 但|VGS-VDS| |VP | 时的漏极电流 当|vGS - vDS | | vP |后，管子工作在恒流区，vDS对iD的影响 很小。实验证明，当|vGS - vDS | | VP | 时，iD可近似表示为： 场效应管总结 双极型和场效应型三极管的比较 双极型三极管场效应三极管 结构NPN型 PNP型 结型耗尽型 N沟道 P沟道 绝缘栅 增强型 N沟道 P沟道 绝缘栅 耗尽型 N沟道 P沟道 C与E一般不可倒置使用D与可倒置使用 载流子多子扩散少子漂移多子漂移 控制电流控制电流源CCCS()电压 控制电流源VCCS(gm) 噪声较大较小 温度特性受温度影响较大较小，可有零温度系数点 输入电阻几十到几千欧姆几兆欧姆以上 静电影响不受静电影响易受静电影响 集成工艺不易大规模集成适宜大规模和超大规模集成 4.3 场效应管应用 例1：作反相器用。|Vp1|=|Vp2|=VT 0VT ，截止 Tn:VGSn=VddVT ，导通 Vo= 0 Vi= 0时： Tp:VGSp=-VddVT ，导通 Tn:VGSn=0VT ，截止 Vo= +Vdd Tn s Vi Tp s Vo Vi V o +Vdd Tp Tn 场效应管应用 例2：压控电阻 场效应管工作在可变电阻区时，iD随vDS的增加几乎成 线性增大，而增大的比值受vGS控制。所以可看成是受vGS控制 的电阻。 vi vo 2.7 场效应管放大电路 场效应管的小信号模型 共源极放大电路 共漏极放大电路 共栅组态基本放大电路 场效应管的小信号模型 已知场效应管输出特性表达式： 求全微分: 漏极与源极间等效电阻 变化量 其中： 低频跨导, 可从输出曲线上求出 场效应管的小信号模型 一般rds很大，可忽略，得 简化小信号模型: 2.7.1 共源极放大电路 以NMOS增强型场效应管为例 三极管与场效应管三种组态对照表： 电路组成 比较共源和共射放大电路，它们只是在偏置电路和 受控源的类型上有所不同。只要将微变等效电路画出， 就是一个解电路的问题了。 图中Rg1、Rg2是栅极偏置电阻，Rs是源极电阻，Rd是漏极负 载电阻。与共射基本放大电路的Rb1、Rb2，Re和Rc分别一一对 应。而且只要结型场效应管栅源间PN结是反偏工作，无栅流 ，那么JFET和MOSFET的直流通道和交流通道是一样的。 直流分析（估算法） 直流通路 直流分析(估算法）： VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2) VGS= VGVS= VGIDR IDQ= IDO1(VGS /VP)2 VDSQ= VDDID(Rd+R) 解出VGS、ID和VDS。 交流分析 微 变 等 效 电 路 共漏极放大电路 直流分析 VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2) VGS= VGVS= VGIDR ID= IDSS1(VGS /VP)2 VDS= VDDIDR 由此可以解出VGS、ID和VDS。 与三极管共集电 极电路对应 直流通路： 交流分析 输出电阻 共栅极放大电路 RoRd 例题1 共源 已知： gm=0.3mA/V IDSS=3mA VP=-2V 解：静态分析： VGS=-RID ID= IDSS1(VGS /VP)2 代入参数得： 3ID2-7ID+3=0 IDQ=0.57mA ID=1.77mA（不合理，舍去 ） VGSQ=-1.14V VDSQ=VDD-ID(Rd+R)=8.31V + vi - C1 0.01u Q Rg 10M R 2K Rd 15K RL 18K C2 0.1u C3 10u VDD 18V + vo - 例题1解 动态分析： Ri=Rg=10M Ro=Rd=15K a基本概念 a直接耦合多级放大电路 a阻容耦合多级放大电路 a变压器耦合多级放大电路 a多级放大电路的频率响应 2.8 多级放大电路 多级放大电路 单级电路:Io Ri Ro + Vi - Ii + Vo - AVoVi Io1 Ri1 Ro1 + Vi - Ii + Vo1 - AVo1Vi1 Io Ri2 Ro2 + Vo - AVo2Vi2 多级电路: vi vo 2.8.1 直接耦合多级放大电路 优点：低频性能好， 易于继集成 缺点：静态点相互影响 （温度漂移问题） 静态分析： VBB=IB1Rb1 +VBE1 VCE1=IB2Rb2 +VBE2 VCE1= VCC -（ IC1 + IB2）RC1 VCE2= VCC - IC2RC2 IC1= IB1 IC2= IB2 IB1、VC1 、 IB2 VC2 、 IC2 、 IC1 直接耦合多级放大电路动态分析 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 22 Ri1=Rb1/rbe1Ri2=Rb2/rbe2 阻容耦合多级放大电路 Ri1 = Rb1 / rbe1 Ri2 = Rb2 / rbe2 缺点：低频性能差， 不利于集成 优点：静态点互不影响 变压器耦合多级放大电路 优点：静态点互不影响，变压器起阻抗变换作用 缺点：不利于集成 n2RL N1 N2 变压器耦合多级放大电路 n12Ri2 n22RL 例题 多级放大电路1 课堂练习 （1）静态分析 （2）计算放大倍数、输 入输出电阻。 =50 rbe=1.2k 例题 多级放大电路2 例题：三极管的参数为1=50,2=30，Vcc=VEE=18V。 输入信号等于0，输出电压 估算放大电路的静态工作点 例题多级放大电路2 本章总结 k三极管的三种工作状态（放大、截止、饱和） ； k放大电路的静态、动态；直流通路、交流通路 ； k静态工作点估算 k放大电路的图解分析（静态、动态） k三极管小信号模型及微变等效电路分析法 k共射、共集、共基电路分析及性能比较 k多级放大电路分析 k三极管高频模型及共射电路的频率响应 例题2 多级放大电路 已知： VBE=0.6V, =120, gm=3mA/V, VP=-2V, IDSS=4mA + vi - Q1 Q2 Q3 Rg 10M Rs 2k Rd 15k RC2 12k Re1 200 Re2 20k Re3 3.6k RL 2k C1 C2 VCC 15V + vo - 解：静态分析： VGS=-RsID ID= IDSS1(VGS /VP)2 代入参数得： 4ID2-9ID+4=0 ID=0.61mA ID=1.64mA（舍去） VGS=-1.22V VDVCC-IDRd=5.85V （忽略IB2） IE2= (VDVBE2)/(Re1