模电第五章场效应管.ppt

第5章 场效应管放大电路,引言,场效应管（FET）是第二种主要类型的三端放大器件，有两种主要类型：,1、金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFET）,2、结型场效应管（JFET）,场效应管是电压控制电流型器件，属单极型器件。本章重点介绍MOS管放大电路。,定义：,场效应管是一种利用半导体内的电场效应来控制其电流大小的半导体器件。,分类：,场效应管（FET）,结 型（JFET）,绝缘栅型（MOSFET）,P沟道JFET,N沟道JFET,N沟道MOSFET,P沟道MOSFET,耗尽型D,耗尽型D,增强型E,（耗尽型）,增强型E, 51 金属-氧化物-半导体场效应管 （MOSFET）,5.1.1N沟道增强型MOSFET,1、结构和符号,N沟道增强型,N沟道耗尽型,2、工作原理（N沟道增强型）,（1）、VGS=0， 没有导电 沟道,源区、衬底和漏区形成两个背靠背的PN结，无论VDS的极性如何，其中总有一个PN结是反偏的。因此漏源之间的电阻很大，即没有导电沟道， iD0。,2、工作原理（N沟道增强型）,（2）、VDS=0， VGS 对导电 沟道的影响,VGSVT时，导电沟道开始形成,这种依靠栅源电压的作用才形成导电沟道的FET称为增强FET。,在漏源电压作用下开始导电时的栅源电压VGS叫做开启电压VT,VGDVT,VGD=VT,VGDVT,预夹断,夹断,（3）、VGS一定， VDS 对导电 沟道的影响,由左到右， VDS逐渐增大,(1)、输出（漏极）特性曲线,iD= f（ VDS ）| VGS = 常数,3、特性曲线,(1)、输出（漏极）特性曲线,iD= f（ VDS ）| VGS = 常数,3、特性曲线,1、截止区： VGS VT导电沟道未形成。,2、可变电阻区： VDS（ VGS VT ） iD的表达式见5.1.24式,3、饱和区： VGS VT，且VDS（ VGS VT ）时， 区内V-I特性表达式为,(2)、转移特性曲线：iD= f（ vGS ）| vDS = 常数,在饱和区内， iD受VDS影响很小，不同VDS下的转移特性基本重合。,在饱和区内有：,(2)、转移特性曲线：iD= f（ vGS ）| vDS = 常数,转移特性曲线可以由函数式画出，也可以直接从输出特性曲线上用作图法求出。,5.1.2 N沟道耗尽型MOS管,1、结构和符号,2、工作原理和特性曲线(详见课本),5.1.2 N沟道耗尽型MOS管,1、结构,工作原理:由于正离子的作用，也和增强型接入栅源电压并VGSVT时相似，可形成导电沟道。当外加VGS0时，使沟道变宽， VGS0时，使沟道变窄，从而使漏极电流减小。当 VGS减小到某值时，以致感应的负电荷消失，耗尽,区扩展到整个沟道，沟道完全被夹断。这时即使有漏源电压，也不会有漏极电流。此时的栅源电压称为夹断电压（截止电压）VP。,在饱和区内，,5.1.2 N沟道耗尽型MOS管,2、特性曲线,在饱和区内，,/V,IDSS为零栅压的漏极电流，称为饱和漏极电流。,5.1.3 P沟道MOSFET管,1、结构和符号,对增强型MOS管，沟道产生的条件是：,可变电阻区与饱和区的界线为:,在饱和区内（iD假定正向为流入漏极）：,PMOS管正常工作时， VDS和 VT必为负值，电流方向与NMOS管相反。,5.1.4 沟道长度调制效应,在理想情况下，当MOSFET工作于饱和区时，漏极电流与漏极电压无关。而实际MOS管的输出特性还应考虑沟道长度调制效应，即VGS固定， VDS增加时， iD会有所增加。输出特性的每根曲线会向上倾斜。因此，考虑到沟道长度调制参数，iD式子应修正为,（1）开启电压 VT: VDS为某一定值（如为10V）使iD等于一微小电流（如50A）时的VGS 。这是增强型FET的参数。 （2）夹断电压 VP:VDS为某一定值（如为10V）使iD等于一微小电流（如20A）时的VGS。这是耗尽型FET的参数。 （3） 饱和漏极电流 IDSS: VGS=0且 VDS VP 时对应的漏极电流。常令 VDS 10V， VGS=0测出的iD就是 。这是耗尽型FET的参数。 （4）直流输入电阻RGD:漏源间短路，栅源间加一定电压时的栅源直流电阻，MOS管的RGS可达109 1015 。,一、直流参数,二、交流参数,（1）输出电阻:,5.1.5 MOSFET的主要参数（见P208210）,当不考虑沟道的调制效应（ 0）时， 当考虑沟道的调制效应（ 0）时，对增强型MOS管可导出,因此， 是一个有限值，一般在几十千欧到几百千欧之间。,（2）低频跨导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)。对N沟道增强型MOSFET管，可利用5.1.6和5.1.17式近似估算,考虑到 和,上式又可改写为,上式表明， iD越大， gm愈大。,三、极限参数,（1）最大漏极电流IDM,（2）最大漏源电压V（BR）DS,（3）最大栅源电压VGS （BR）,（4）最大耗散功率PDM,表5.1.1还列出了另外的几个主要参数。,52 场效应管放大电路,一、直流偏置电路及静态分析,1、直流偏置电路,（1）简单的共源放大电路,（N沟道增强型MOS管）,假设管的开启电压为VT ，NMOS管工作于饱和区，则,见例5.2.1,综上分析，对于N沟道增强型MOS管的直流计算，可采取如下步骤：, 设MOS管工作于饱和区，则有,VGSQ VT， IDQ 0 , 且VDSQ（ VGSQ VT ）., 利用饱和区的电流电压关系曲线分析电路。, 如果出现VGSQVT ，则MOS管可能截止，如果VDSQ（ VGSQ VT ），则MOS管可能工作在可变电阻区。, 如果初始假设被证明是错误的，则必需作出新的假设，同时重新分析电路。,P沟道MOS管电路的分析与N沟道类似，但要注意其电源极性与电流方向不同。,（2）带源极电阻的NMOS共源放大电路,由图得,当NMOS管工作于饱和区，则有,见例5.2.2和例5.2.3,1、直流偏置电路,图5.2.3,例5.2.3如图已知NMOS管参数： VT=1V,Kn=160A/V2, VT=1V,Kn=160A/V2,VDD=VSS=5V,IDQ=0.25mA,VDQ=2.5V,试求电路参数。,解：首先假设管工作于饱和区，运用下式,求得,则,计算,计算是否满足饱和条件：,确定分析正确与否。,（3）静态工作点的确定,联立方程求解得UGSQ和IDQ。,实际N沟道增强型MOS管放大电路分析：,2、图解分析,与BJT放大电路的图解分析类似。先求VGS，然后作直流负载线，其与输出特性VGS曲线的交点即为静态工作点。然后作交流负载线，即可分析其动态情形。教材上的电路是特例， VGS已知，直流负载线与交流负载线相同。,图5.2.4,3、小信号模型分析,如果输入信号很小，场效应管工作在饱和区时，和BJT一样，将场效应管也看作一个双口网络，对N沟道增强型场效应管，可近似看成iD不随VDS变化，则由5.1.6式得,式中第一项为直流或静态工作点电流IDQ;,第二项是漏极信号电流id，它同vgs是线性关系；根据5.1.18式，,第三项当vgs是正弦波时，输出电压将产生,谐波或非线性失真。我们要求第三项必需远小于第二项，即,这也就是线性放大器必需满足的小信号条件。,据此，忽略第三项可得,考虑到NMOS管的栅流为0，栅源间的电阻很大，可看成开路，而 因此可得NMOS管的低频小信号模型：,3、小信号模型分析,考虑0场效应管的输出电阻rds为有限值时，其低频模型如右模型b,3、小信号模型分析,在Vbs=0时，可得高频小信号模型如下，图中rgs可看作无限大，可忽略。,对于后面介绍的结型场效应管，其低频和高频小信号模型分别对应于如上的低频模型图b和高频模型。具体应用见例5.2.4-5.2.6,例5.2.5,例5.2.6,3、三种基本放大电路的性能比较,(见P221表5.2.1),5.3 结型场效应管, 结构, 工作原理, 输出特性, 转移特性, 主要参数,5.3.1 JFET的结构和工作原理,5.3.2 JFET的特性曲线及参数,53 结型场效应管（JFET）,N沟道JFET结构和符号,1、结构与符号,P沟道JFET符号,一、JFET的结构和工作原理,JFET是利用半导体内的电场效应进行工作的，也称为体内场效应器件。,源极，用S或s表示,N型导电沟道,漏极，用D或d表示,5.3.1 JFET的结构和工作原理,1. 结构,# 符号中的箭头方向表示栅结正向偏置时，栅极电流的方向是由P指向N。,(1)、vDS=0，vGS对导电沟道的影响,2、工作原理（以N沟道为例，工作时vGS必需为负 ）,vGS由0变负，由左至右依次变得更负,上述分析表明，改变的vGS大小，可以有效地控制沟道电阻的大小。若在漏源极间加上固定的正向电压vDS ，则由漏极流向源极的电流iD将受的vGS控制， vGS增大时，沟道电阻增大， iD减少。 vGS进一步增大到某一定值 VP时，沟道全部被夹断，沟道电阻将趋于无穷大，相应的栅源电压称为夹断电压VP。,(2)、vGS=0， vDS 对导电沟道的影响,A即,(3)、vDS0， vGS 对导电沟道的影响,A,(a),(b),(c),(d),A点处：,上述分析表明，增加vDS ，楔形导电沟道又阻碍漏极电流iD的提高，但在vDS较小时，导电沟道靠近漏端区域仍较宽，这时阻碍的因素是次要的，故iD随vDS升高几乎成比例地增大，构成输出特性曲线的上升段。,当vDS增加到两耗尽层在A点相遇时，称为预夹断，此时A点耗尽层两边的电位差vGD用夹断电压VP来描述。在预夹断点A处，有如下关系：,当 时，有,沟道一旦在A点预夹断后，随着vDS升高,夹断长度会增加，亦即A点将向源极方向延伸。但从源极到夹断处的沟道上，沟道内电场基本不随vDS改变而变化，所以，iD不随vDS升高而上升，漏极电流趋于饱和。,如果栅源间接一可调负电源，由于栅源电压愈负，耗尽层愈宽，沟道电阻就愈大，相应的iD就愈小。因此改变栅源电压可得一族曲线。,2. 工作原理, VGS对沟道的控制作用,当VGS0时,（以N沟道JFET为例）整体理解,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。, VDS对沟道的控制作用,当VGS=0时，,VDS,ID ,G、D间PN结的反向电压增加，使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，从上至下呈楔形分布。,当VDS增加到使VGD=VP 时，在紧靠漏极处出现预夹断。,此时VDS ,夹断区延长,沟道电阻,ID基本不变, VGS和VDS同时作用时,当VP VGS0 时，,导电沟道更容易夹断，,对于同样的VDS ， ID的值比VGS=0时的值要小。,在预夹断处,VGD=VGS-VDS =VP,综上分析，可得下述结论：,1、JFET栅极、沟道之间的PN结是反向偏置的，因此，其iG0，输入电阻的阻值很高。,2、 JFET是电压控制电流器件， iD受vGS控制。,3、对于确定的vGS ，预夹断前，iD与vDS呈近似线性关系；预夹断后， iD趋于饱和。,P沟道JFET工作时，其电源极性与N沟道JFET的电源极性相反。,沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电， 所以场效应管也称为单极型三极管。,1、输出（漏极）特性曲线：,iD= f（ vDS ）| VGS = 常数,可变电 阻区,恒流区,击 穿 区,5.3.2 JFET的特性曲线及参数,2、转移特性曲线：,iD= f（ vGS ）| VDS = 常数,曲线方程：（VPVGS 0） iD= IDSS （ 1 - vGS /VP ）2,输出特性、转移特性曲线间的联系,# JFET有正常放大作用时，沟道处于什么状态？,5.3.2 JFET的特性曲线及参数(整体理解）,2. 转移特性,VP,1. 输出特性,夹断状态！,（1）夹断电压 VP:漏极电流约为零时的VGS值 。 （2） 饱和漏极电流 IDSS: VGS=0时对应的漏极电流。 （3）最大漏源电压V（BR）DS （4）最大栅源电压VGS （BR） （5）直流输入电阻RGS:对于结型场效应三极管，反偏时RGS约大于107。 （6）低频跨导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)。,3、主要参数,（7）输出电阻: （8）最大耗散功率PDM,1、 JFET的小信号模型,前已述及，结型场效应管，其低频和高频小信号模型分别对应于增强型场效应管的低频模型图b和高频模型。即,2、小信号模型分析FET放大电路,（1）、共源极放大电路,有源极旁路电容Ce的情况,等效电路,2、小信号模型分析FET放大电路,（2）、共源极放大电路,有源极电阻的情况,等效电路,1、电压增益,如有RL 则 代替式中的RD,2、输入电阻,3、输出电阻,3、分析FET放大电路的静态工作点,例5.3.1求有源极电阻的共源极放大电路的Q点。,解：由图得,把题目给定的电路参数代入得,把以上2式代入1式得,JFET的确工作在饱和区，与假设一致。,5.5 各种放大器件电路性能比较,（1）与BJT比较 电压控制器件；输入电阻很大 只有一种载流子参与导电，单极型 （2）各种FET的比较 JFET、MOSFET、MESFET比较见表5.5.1,2、FET使用注意事项,5.5.1各种FET的特性及使用注意事项,1、特性比较, MOS管B的接法:一般P衬底接低电位，N衬底接高电位。,FET的s、d可互换使用（若S、B已连，则不能换）。,JFET的g、s间电压不能接反（烧管）；MOS不可开路存放。,焊接FET时，电烙铁必须接地，MOS管最好断电焊接。,5.5.2 各种放大器件电路性能比较,(2)选用放大器件和电路元件参数,例551 试设计一放大电路，要求其噪声低，能与具有高内阻的信号源匹配，且有较高的上限频率(1 MHz)。(1)确定电路方案；(2)选用放大器件和电路元件参数；(3)导出其中频区源电压增益AVSM、Ri和RO的表达式； (4)算出电路的上限截止频率。,解：(1)确定电路方案,JFET噪声低，而由它构成的倒相电压放大电路具有电压增益较高和输入电阻高的特点，因此第一级选用JFET共源电路；为消除密勒效应，第二级选用BJT电流跟随器。整个电路为共源共基串接组态，如图551所示。,在图5.5.1中，T1选用JFET CS146,其工作点上的参数为：gm1=18mS, Cgs=18pF, Cgd=0.9pF; T2选用BJT 3DG4,其工作点上的参数为：=100,其它电路元件参数如图所示。,（3）求AVSM、Ri和RO,先画出中频小信号模型电路图如下：,由图可得,2式正好说明第二级为电流跟随器。因此有,故,考虑到,即整个电路的中频区源电压增益近似等于共源电路的电压增益，后面看到，因无密勒效应，电路上限频率得以提高。,电路的输入电阻和输出电阻为：,Ri Rg,RO Rc,(4） 求 上限频率,先看图5.5.1电路 和它的高频小信号模型电路,(a),由于R2很小，因此对输入电路的作用，可近似看作Cgs与Rg并联，而Rg Rs可看作开路。其次 ， 得（b）图,由图b得,由BJT发射极端看进去的输出入纳为,于是图b可变为图C,考虑到,密勒电容求法：由P552定理,据此可得d图,这说明密勒效应对输入回路影响较小。而对输出回路的密勒效应较明显，但比起 仍可忽略。,由d图可知，其高频段电压增益具有三阶低通特性的形式，故得,小结,1.第4章讨论的BJT是电流控制电流器件，有两种载流子参与导电，属于双极型器件；而FET是电压控制电流器件， 只依靠一种载流子导电， 因而属于单极型器件。虽然这两种器件的控制原理有所不同，但通过类比可发现，组成电路的形式极为相似，分析的方法仍然是图解法(亦可用公式计算)和小信号模型分析法。,2.在FET放大电路中，VDS的极性决定于沟道性质，N(沟道)为正，P(沟道)为负；为了建立合适的偏置电压VGS，不同类型的FET，对偏置电压的极性有不同要求：增强型MOSFET的VGS与VDS 同极性，耗尽型MOSFET的VGS 可正、可负或为零，JFET的VGS 与 VDS极性相反。,3.按三端有源器件三个电极的不同连接方式， 两种器件(BJT，JFET、MESFET和MOSFET)可以组成六种组态。但依据输出量与输入量之间的大小与相位关系的特征， 这六种组态又可归纳为三种组态， 即反相电压放大器、 电压跟随器和电流跟随器。这为放大电路的综合设计提供了有实用意义的思路。,4.由于FET具有输入阻抗高、 噪声低(如JFET)等一系列优点， 而BJT 的高，若FET和BJT结合使用， 就可大为提高和改善电子电路的某些性能指标。BiFET模拟集成电路是按这一特点发展起来的， 从而扩展了FET的应用范围。,5.由于GaAs的电子迁移率比硅大约5-10倍， 高速CaAs MESFET正被用于高频放大和高速数字逻辑电路中， 其互导gm可达100 mS， 甚至更高。,6. MOS器件主要用于制成集成电路。 由于微电子工艺水平的不断提高，在大规模和超大规模模拟和数字集成电路中应用极为广泛， 同时在集成运算放大器和其他模拟集成电路中也得到了迅速的发展，其中BiCMOS集成电路更具有特色， 因此，MOS器件的广泛应用必须引起读者的高度重视。,作业：5.2.3;5.2.6; 5.3.7; 5.5.1; 5.5.4;,场效应管放大电路一章 习题选讲,一般的问题分析：,1，直流偏置电路 由于FET是电压控制器件，要求建立合适的直流偏置电压VGS。采用的方法主要有自偏压和分压式自偏压，前者适用于耗尽型FET，后者适用于各种类型的FET，应用较广。 2静态分析 和双极性三极管一样，对场效应管放大电路的静态分析也可以采用图解法或解析法，图解法的步骤与双极型三极管放大电路的图解法相似。注意的是解析法要验证管是否工作在饱和区。,3动态分析 场效应管放大电路中除偏置电路元件及电源外，还有隔直流电容和旁路电容等元件，它们的作用与双极型三极管阻容耦合放大电路中的相同。在正确偏置的基础上，根据动态信号(变化量)的传输方式，场效应管放大电路也有三种基本组态，即共源极、共漏极和共栅极电路。对场效应管动态工作情况的分析也可采用图解法或微变等效电路法。 对于每一种接法的电路，求解场效应管放大电路的性能指标的方法均与双极型三极管 放大电路相似。,场效应管放大电路的静态分析 场效应管是电压控制器件，它没有偏流，关键是建立适当的栅源偏压UGS。 1. 自偏压电路分析 结型场效应管常用的自偏压电路如图5.22所示。在漏极电源作用下,这种电路不宜用增强型MOS管，因为静态时该电 路不能使管子开启（即ID=0）。,图5.22 自偏压 电路图,图5.23 分压式偏置电路,式中UG为栅极电位，对N沟道耗尽型管， UGS0，所以，IDRSUG；对N沟道增强型管，UGS0，所以IDRSUG。,2. 分压式自偏压电路,使漏源电压为负,关键是记住,其