电子技术基础(第五版)康华光05场效应管放大电路.ppt

1,5.1 金属-氧化物-半导体场效应管,5.2 MOSFET放大电路,5.3 结型场效应管,5.4 各种放大器件电路性能比较,5 场效应管放大电路,2,N沟道,P沟道,N沟道,P沟道,增强型,耗尽型,增强型,耗尽型,（耗尽型）,按结构不同场效应管有两种:,3,5.1 金属-氧化物-半导体（MOS）场效应管,5.1.1 N沟道增强型MOSFET,5.1.4 MOSFET的主要参数,5.1.2 N沟道耗尽型MOSFET,5.1.3 P沟道MOSFET,4,5.1.1 N沟道增强型MOSFET,1. 结构,P型硅衬底,剖面图,衬底引线,栅极和其它电极及硅片之间是绝缘的，栅极电流几乎为零，输入电阻很高，最高可达1015 ，故称绝缘栅型场效应管(IGFET)。,源极,栅极,漏极,又称金属-氧化物-半导体场效应管(MOSFET) 。,5,P型硅衬底,由结构图可见，N+型漏区和N+型源区之间被P型衬底隔开，漏极和源极之间是两个背靠背的PN结。,当栅源电压vGS = 0 时，不管漏极和源极之间所加电压的极性如何，其中总有一个PN结是反向偏置的，漏极电流近似为零。,2. 工作原理,（1）vGS对沟道的控制作用,6,当vGS 0时,产生电场，排斥空穴而吸引电子。,当vGS VT 时，,在电场作用下产生导电沟道。,vGS越大，导电沟道越厚,VT 称为开启电压,D、S间加电压后，将有电流产生。,P型硅衬底,（1）vGS对沟道的控制作用,7,符号,vGS=0时,没有导电沟道,必须依靠栅源电压的作用，才能形成导电沟道的FET称为增强型FET。,8,（2）vDS对沟道的控制作用,当vGS一定（vGS VT ）时，,vDS,iD,产生沟道电位梯度，靠近漏极d处的电位升高，电场强度减小，沟道变薄。 整个沟道呈楔形分布。,P型硅衬底,迅速增大,9,P型硅衬底,iD,当vDS增加到使vGD=VT时，在紧靠漏极处出现预夹断。,在预夹断处：vGD=vGS-vDS =VT,预夹断后，vDS ,夹断区延长,沟道电阻,iD基本不变,饱和,（2）vDS对沟道的控制作用,10,（3） vDS和vGS同时作用时,给定一个vGS ，就有一条不同的 iD vDS 曲线。,P型硅衬底,iD,vGD=vGS-vDS,当 vGS VT时，vGS越小导电沟道越容易夹断。,改变vGS的值，iD的饱和值随之改变。,漏极电流iD的饱和值与栅源电压vGS有关。所以，场效应管是一种电压控制电流的器件。,11,综上分析可知：,沟道中只有一种类型的载流子参与导电， 所以温度稳定性好，场效应管也称为单极型晶体管。,场效应管是电压控制电流器件，iD受vGS控制。,场效应管的输入电阻高，基本上不需要信号源提供电流。,12,3. 特性曲线,（1）输出特性, 截止区,截止区,vGSVT 导电沟道尚未形成 iD = 0，为截止状态。,13, 可变电阻区,vGD = vGS vDS VT,即 vDSvGSVT时,沟道预夹断前 iD与vDS呈近似线性关系 FET可看作受vGS控制的可变电阻,可变电阻区,14, 可变电阻区,vGSVT ，且vDSvGSVT,Kn为电导常数，单位：mA/V2,15, 饱和区（恒流区/放大区）,vGS VT ， 且vDS vGS - VT,是vGS2VT时iD的饱和值,沟道预夹断后 iD达到饱和，只与vGS有关,16,（2）转移特性,当vGS VT ，且vDSvGSVT时，,17,5.1.2 N沟道耗尽型MOSFET,1. 结构和工作原理,SiO2绝缘层中 掺有正离子,预埋了N型 导电沟道,18,由于耗尽型场效应管预埋了导电沟道，所以在vGS= 0时，若漏源之间加上一定的电压vDS，也会有漏极电流 iD 产生。,当vGS 0时，使导电沟道变宽，iD 增大； 当vGS 0时，使导电沟道变窄，iD 减小；,当vGS达到一定负值时，N型导电沟道消失，iD= 0，称为场效应管处于夹断状态（即截止）。这时的vGS称为夹断电压，用VP表示。,这时的漏极电流用 IDSS表示，称为饱和漏极电流。,19,2. 特性曲线,20,5.1.3 P沟道MOSFET,P沟道增强型,结构,加电压才形成 P型导电沟道,21,5.1.3 P沟道MOSFET,P 沟道耗尽型管,预埋了P型 导电沟道,SiO2绝缘层中 掺有负离子,22,5.1.3 P沟道MOSFET,23,5.1.4 MOSFET的主要参数,1. 开启电压VT (或VGS(th),一、直流参数,2. 夹断电压VP (或VGS(off),4. 直流输入电阻RGS：,在漏源极短路的情况下，栅源间加一定电压时的栅源直流电阻。对于MOS场效应管RGS可达109 1015。,3. 饱和漏极电流IDSS,增强型MOS管的参数,24,二、交流参数,1. 低频互导（跨导）gm：,低频跨导反映了vGS对iD的控制作用。gm可以在转移特性曲线上求得，单位是mS(毫西门子)。,2. 输出电阻rds：,25,三、极限参数,2. 最大耗散功耗PDM,3. 最大漏源电压V(BR)DS,4. 最大栅源电压V(BR)GS,1. 最大漏极电流IDM,26,FET与BJT的比较,27,场效应管放大电路与三极管放大电路结构上相类似，有三种组态：共源极放大电路(CS)、共漏极放大电路(CD)和共栅极放大电路(CG)。,场效应管放大电路的分析与三极管放大电路一样，包括静态分析和动态分析。,5.2 MOSFET放大电路,28,一、直流偏置及静态工作点的计算,直流通路,1、简单的共源极放大电路,场效应管放大电路需要设置合适的静态工作点，否则将造成输出信号的失真。,29,假设工作在饱和区，即,验证是否满足,若满足，说明假设成立，场效应管工作在饱和区； 若不满足，说明假设错误，场效应管工作在可变电阻区。,须满足VGSQ VT ，否则工作在截止区,Q点：VGSQ 、 IDQ 、 VDSQ,30,假设工作在饱和区,满足,假设成立，结果即为所求。,解：,31,N沟道增强型MOS管电路的静态分析:,1、画出直流通路； 2、求VGSQ，若VGSQ VT ，设MOS管工作在饱和区，利用饱和区电流-电压关系分析电路，求IDQ、 VDSQ ； 4、若VDSQVGSQ-VT，说明假设错误， MOS管工作在可变电阻区，需利用可变电阻区电流-电压关系重新分析电路。,32,2、带源极电阻的NMOS共源极放大电路,假设工作在饱和区,需要验证是否满足,33,VG 0，IDQ I,VS VG VGSQ,（饱和区）,3、电流源偏置的NMOS共源极放大电路,VD VDD IDQ Rd,VDSQ VD VS,34,二、 图解分析,由于负载开路，交流负载线与直流负载线相同,VGSQ =VGG,35,三、 小信号模型分析,1、MOSFET的小信号模型,输入端口：栅极电流为零，输入端口视为开路，栅-源极间只有电压存在。,输出端口：,在小信号情况下，对上式取全微分得,其中，,36,高频小信号模型,37,2、MOSFET放大电路分析举例,解：假设工作在饱和区，求Q点,得,38,s,39,s,场效应管放大电路具有高输入阻抗的特点，所以特别适用于作为多极放大电路的输入级。,40,41,42,5.3 结型场效应管, 结构, 工作原理,5.3.1 JFET的结构和工作原理,5.3.2 JFET的特性曲线及参数,5.3.3 JFET放大电路,43,5.3.1 JFET的结构和工作原理,1. 结构 (N沟道),源极(Source),N型导电沟道,栅极(Gate),漏极(Drain),44,代表符号,45,2. 工作原理, vGS对沟道的控制作用,当vGS0时,（以N沟道JFET为例）,当沟道夹断时，对应的栅源电压VGS称为夹断电压VP （ 或VGS(off) ）。,对于N沟道的JFET，VP 0。,PN结反偏,耗尽层加厚,沟道变窄,vGS继续减小，沟道继续变窄。,沟道电阻变大,46, vDS对沟道的控制作用,当vGS=0时，,vDS,iD ,同时，PN结反偏，耗尽层变厚，沟道变窄。,当vDS增加到使vGD=VP 时，在紧靠漏极处出现预夹断。,预夹断后vDS ,夹断区延长,沟道电阻,iD基本不变,迅速增大,饱和,并且，越靠近漏极d处的电位越高， PN结所加反向电压越大，耗尽层越厚。整个沟道呈楔形分布。,47, vGS和vDS同时作用时,当VP vGS0 时，vGS越小导电沟道越容易夹断。,对于同样的vDS ， 改变vGS的值，iD随之改变。,在预夹断处,vGD=vGS-vDS =VP,vGD=vGS-vDS,JFET栅极与沟道间的PN结是反向偏置的，因此iG 0，输入电阻很高。,48,5.3.2 JFET的特性曲线及参数,# JFET有正常放大作用时，沟道处于什么状态？,49,与耗尽型MOSFET类似,3. JFET的参数,50,一、直流偏置及静态工作点的计算,5.3.3 JFET放大电路,1、自偏压电路,vGS,vGS,vGS,vGS,VGS,假设工作在饱和区,若VP VGSQ VP， 则假设成立。,51,2、分压式自偏压电路,需要判断静态工作点是否在饱和区,52,1. 小信号模型,（1）低频模型,gm：低频跨导,rd：输出电阻,rgs ：输入电阻,二、动态分析,53,（2）高频模型,54,2. 动态指标分析,（1）中频小信号模型,交流通路,小信号等效电路,忽略 rgs和 rd,55,（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,56,5.4 各种放大器件电路性能比较,共源极电路与共射极电路均有电压放大作用，而且输出电压与输入电压相位相反。为此，可统称这两种放大电路为反相电压放大器。,57,共漏极电路与共集电极电路均有输出电流压与输入电压接近相等。因此，可将这两种放大电路称为电压跟随器。,