zch0场效应管及放大.ppt

模拟电子技术基础,电子教案 V1.0,陈大钦 主编,华中科技大学电信系 邹韬平,2,章目录,模拟电子技术基础,第1章 绪论 2学时,第2章 半导体二极管及其应用电路 4学时,第3章 半导体三极管及其放大电路基础 14学时,第4章 多级放大电路及模拟集成电路基础 6学时,第5章 信号运算电路 4学时,第6章 负反馈放大电路 6学时,第7章 信号处理与产生电路 4学时,第8章 场效应管及其放大电路 4学时,共：44学时,第9章 功率放大电路,第10章 集成运算放大器,第11章 直流电源,2个器件,BJT,FET,二极管,核心 内容,1个电路,三极管,放大电路,集成运放,完美的 放大电路,核心 基础,3,已知图示放大电路中三极管的 =60，rbe=3k。,分析举例 提高输入电阻,(1) 若电容C3断开，求Ri,(2) 接上C3后，求Ri 。,4,引言：多级放大输入级提高Ri的途径,稳定Q,自举电容,5,+iB, = 0.98,Ri= vI / iB =1k,Ri= vI / iE = 20,6,引言,8 场效应管放大电路,1、问题的引出,进一步提高Ri ， 但BJT的Je正偏，rbe较小,7,109,1012,引言,8 场效应管放大电路,(1) 问题的引出,(2) 分类,进一步提高Ri ， 但BJT的Je必须正偏，使rbe(r)较小,FET 场效应管,JFET 结型,MOSFET 绝缘栅型,N沟道,P沟道,增强型,耗尽型,N沟道,P沟道,N沟道,P沟道,（耗尽型）,反偏的PN结,106,8 场效应管及其放大电路,8.2 结型场效应管,8.1 金属-氧化物-半导体(MOS)场效应管,8.3 场效应管放大电路及模拟集成电路基础,8.4 各种放大器件及电路性能比较,类比：与BJT放大电路,自学（归纳、比较）,简单介绍，与JFET对比,掌握场效应管的工作原理 注意与BJT的异同点,计划4学时,9,8.2 结型场效应管,8.2.1 结型场效应管的结构和工作原理,8.2.2 结型场效应管的特性曲线及参数,2. 工作原理,1. 结构和符号,2. 主要参数 (阅读),1. 特性曲线与特性方程,Junction Field-Effect Transistor,要点：,(1) 了解JFET (PN结FET)的工作原理和特性 (2) 特别注意与BJT的异同点,10,8.2.1 结型场效应管的结构和工作原理,(1) 结构和符号,(2) 工作原理,导电沟道电阻 长度、宽度、掺杂,已知PN结反偏时： 空间电荷区(耗尽层)加宽 且反偏电压耗尽层,问题：如何提高Rib ? BJT：Je正偏,使rbe较小(iB0),JFET:希望iB=0,反偏PN结,N型导电沟道,漏极D(d),源极S(s),栅极G(g),11,(2) 工作原理,(1) 结构和符号, VGS对沟道的控制作用(VDS=0), VDS对沟道的影响(VGS=0), VGS和VDS同时作用时,N沟道结型场效应管,(a) 结构剖面图,(b) 结构示意图,8.2.1 结型场效应管的结构和工作原理,12,结论: 可变电阻(受vGS控制) 耗尽型(沟道被耗尽时为全夹断),(2) 工作原理, VGS对沟道的控制作用(VDS=0), VGS=0, VGS0 (反偏), VGS= VP,耗尽层加厚,沟道变窄,沟道电阻增大, VGS=0 沟道最宽 沟道电阻最小, VGS0: 随|VGS | , VGS= VP(夹断电压) 沟道为全夹断,8.2.1 结型场效应管的结构和工作原理,13,(2) 工作原理, VDS对沟道的影响(VGS=0), VDS ID ,影响：由于VGD0，使靠近漏极处的耗尽层加宽， 沟道变得不等宽，呈楔(xi)形分布。, VGD=VP 时：在紧靠漏极处出现预夹断。, VDS 夹断区等比例延长,故ID基本不变(饱和),VGD=VGSVDS, VDS较小时：楔形对沟道电阻影响不大, VDS较大时：楔形对沟道影响增大，使沟道电阻，ID,VDS(sat)=VGSVP=VP, VDS ID略有增大，沟道长度调制 (枝节问题-251页),8.2.1 结型场效应管的结构和工作原理,14,(2) 工作原理,结论：预夹断后为饱和区，iD不依赖vDS。条件vDS vDS(sat),VDS(sat)=VGSVP,预夹断点轨迹,VDS(sat)=VGSVP=VP, VGS和VDS同时作用时,8.2.1 结型场效应管的结构和工作原理,15,综上分析可知,耗尽型沟道,JFET是电压控制电流器件， iD受vGS控制,预夹断前iD与vDS呈近似线性关系(受vGS控制可变电阻)； 预夹断后, iD趋于饱和。,JFET栅极与沟道间的PN结是 反向偏置的,因此iG0,Ri很高。,8.2.1 结型场效应管的结构和工作原理,沟道中只有多数载流子参与导电,场效应管也称单极型三极管。,16,8.2.2 结型场效应管的特性曲线及参数,(1) 输出特性,(2) 转移特性,(1) 输入特性,(2) 输出特性,共射,# JFET有正常放大作用时，沟道处于什么状态？,共源,17,(1) 输出特性,(2) 转移特性,VP,IDSS,饱和区理想i-v特性,考虑饱和区非零斜率,饱和区,饱和区条件,vDS VDS(sat)=vGSVP,(预夹断点轨迹),8.2.2 结型场效应管的特性曲线及参数,18,# JFET有正常放大作用时，沟道处于什么状态？,不同点：,相同点： 类似的输出特性，都具有放大作用（恒流）。,(1) 参变量不同,(2) 可变电阻区 饱和区,饱和区,19,8.1 金属-氧化物-半导体(MOS)场效应管,8.1.1 N沟道增强型MOS场效应管,8.1.2 N沟道耗尽型MOS场效应管,8.1.3 P沟道MOS场效应管,8.1.4 MOS场效应管的主要参数,要点：,掌握MOS管 (1)与JFET的异同 (2) 沟道？,20,(1) 结构和符号,三层结构：M-O-S,绝缘；没有沟道(增强型),尺寸小: L=1m; tox=0.04m,(2) 基本工作原理,8.1.1 N沟道增强型MOS场效应管,21,(2) 基本工作原理, 沟道是如何产生的, vGS对沟道的控制作用, vDS对沟道的影响,vGS=0,无沟道,vGS必须0 理由(感应沟道),在电场作用下 空穴电子的运动,vGS 吸引电子越多,vGS=VT 时， 形成N型感生沟道 (电子)反型层 开启(阈值)电压,沟道形成后 则同JFET vGS 沟道加宽,8.1.1 N沟道增强型MOS场效应管,22,(2) 基本工作原理, vDS对沟道的影响(与JFET类似),沟道不等宽,预夹断,饱和区,预夹断 vDS=VDS(sat),VGD=VTN=VGSVDS,VDS(sat)=VGSVTN,8.1.1 N沟道增强型MOS场效应管,23,(a) 输出特性及特性方程,(3) 特性曲线与特性方程,8.1.1 N沟道增强型MOS场效应管, 截止区, 可变电阻区, 饱和区（恒流区、放大区）,vGS VT ，没有导电沟道 ， iD0。,vGSVT，有沟道；但vDS (vGS VT ) ，导电沟道未预夹断。,漏源之间可以看成受vGS控制的可变电阻,vDS (vGS VT ) ，导电沟道预夹断后。,图8.1.3 N沟道增强型MOS管输出特性,=VT,24,(b) 转移特性,(3) 特性曲线与特性方程,8.1.1 N沟道增强型MOS场效应管,图8.1.4 N沟道增强型MOS管转移特性,转移特性可以直接从输出特性上用作图法求出。在饱和区内，不同vDS下的转移特性基本重合。,图8.1.3 N沟道增强型MOS管输出特性,25,8.1.2 N沟道耗尽型MOS场效应管,N沟道耗尽型MOSFET,N沟道增强型MOSFET,8.1.3 P沟道MOS场效应管,26,N沟道耗尽型MOSFET特性曲线, 截止区, 可变电阻区, 饱和区（恒流区、放大区）,vGSVP，iD=0,vGSVP，0vDSvGSVP,vGSVP，vDSvGSVP,增强,耗尽,增强,耗尽,8.1.2 N沟道耗尽型MOS场效应管,27,8.1.4 MOS场效应管的主要参数,8.1 金属-氧化物-半导体(MOS)场效应管,一、直流参数,二、交流参数,三、极限参数,1. 开启电压VT,2. 夹断电压VP,3. 饱和漏电流IDSS,4. 直流输入电阻RGS,1. 低频跨导gm,2. 输出电阻rds,3. 极间电容Cgs、Cgd,1. 最大漏极电流IDM,2. 最大耗散功率PDM,3. 最大漏源电压V(BR)DS,4. 最大栅源电压V(BR)GS,8.2.2 结型场效应管的特性曲线及参数,28,MOS晶体管工作原理小结,各种FET的特性比较,vGS =VP,vGS =VT,vGS =VP,29,MOS晶体管工作原理小结,各种FET的特性比较,vGS =VP,vGS =VT,VPvGS 0,vDSVDS(sat)=vGSVP,VPvGS,vDSVDS(sat)=vGSVT,vDSVDS(sat)=vGSVP,VTvGS,vGS =VP,30,8.3 场效应管放大电路及模拟集成电路基础,8.3.1 场效应管放大电路的静态分析,8.3.2 场效应管的微变等效电路,8.3.3 场效应管电流源,8.3.4 场效应管差分放大电路, ,31,分析思路,8.3 场效应管放大电路及模拟集成电路基础,VP,两个要点：,1、合适的静态工作点,2、叠加原理的应用,32,8.3.1 场效应管放大电路的静态分析,8.3 场效应管放大电路及模拟集成电路基础,1. 直流偏置电路,（b）分压式自偏压电路,分压式射极偏置电路,耗尽MOS管,结型场效应管,增强MOS管,33,电压分压器偏置, 根据Je正偏VBE回路, 假设三极管处于放大状态, 根据Jc反偏即VCE回路,BJT求解Q：IBQ 、ICQ 、VCEQ,硅管VBE = 0.7V，锗管VBE = 0.2V。, 判断：VCE VCE(sat)=0.2V (放大or 饱和),FET求解Q：VGSQ 、IDQ 、VDSQ, 假设Q点在饱和区, 根据合适的vGS, 根据合适的vDS, 判断：VGS VT (增强NMOS) VDS VDS(sat) = (vGS VT )(饱和or可变电阻),8.3.1 场效应管放大电路的静态分析,1. 直流偏置电路,34,8.3.1 场效应管放大电路的静态分析,8.3 场效应管放大电路及模拟集成电路基础,1. 直流偏置电路,（b）分压式自偏压电路,（a）自偏压电路,耗尽MOS管,结型场效应管,图8.3.1 场效应管的两种偏置电路,35,8.3.1 场效应管放大电路的静态分析,8.3 场效应管放大电路及模拟集成电路基础,2. 静态工作点的确定,公式估算法,公式估算法确定静态工作点(VGSQ 、IDQ和VDSQ)：,图解法,与半导体三极管放大电路类似,饱和区 转移特性方程,G、S偏置方程,沟道所在回路KVL方程,耗尽MOS管,结型场效应管,增强MOS管,分压式 自偏压电路,自偏压电路,对于N沟道增强型场效应管，如果计算出的VDSQVGSQVT，说明该场效应管工作在饱和区。,36,例8.3.4,共漏极电路如图8.3.8所示，其中场效应管为N沟道结型 场效应管。已知Rg1=2M，Rg2=47k，Rg3=10M，Rd=30k，R=2k，VDD=18V，场效应管的VP=1V，Kn=0.5mA/V2，且=0。 试确定Q点，并计算电压增益、输入电阻和输出电阻。,图8.3.8 例8.3.4电路,解：, 首先计算Q点,VGSQ = 0.4 2IDQ,设场效应管工作在饱和区,因 IDSS =0.5mA，所以IDQ = 0.31mA。 VGSQ= 0.22V， VDSQ= VDDIDQ (Rd +R) =8.1V。,KnIDSS/Vp2,37,MOS共源电路的电压传输特性,vGSVT ，截止区(无沟道)，iD0， vDS8V。,vGSVT，vDS (vGS VT ) ，饱和区(预夹断)。,VT3V，VDD8V， Rd4k,vGSVT，vDS (vGS VT ) ，可变电阻区。,BJT共射电路的电压传输特性,当 VI 0.7V, BJT 截止， VO= 5V,当 VI 0.7V，VO 0.2V，放大,When VO= 0.2V, yield VI= 1.9V. For VI1.9V, T is saturation.,当 VI 0.7V，VO 0.2V，饱和,38,MOS共源电路的电压传输特性,vGSVT ，截止区(无沟道)，iD0， vDS8V。,vGSVT，vDS (vGS VT ) ，饱和区(预夹断)。,VT3V，VDD8V， Rd4k,vGSVT，vDS (vGS VT ) ，可变电阻区。,BJT共射电路的电压传输特性,39,8.3.2 场效应管的微变等效电路,8.3 场效应管放大电路及模拟集成电路基础,(a) N沟道增强型MOS管 (b) 交流等效模型 图8.3.2 MOS管的低频小信号等效模型,(a) 共射极连接时的二端口网络 (b) H参数等效模型 图3.3.9 三极管H参数及等效模型,40,三种N沟道FET的小信号等效电路(模型),输入端口,输出端口,由于iG=0，可视为开路,低频跨导,输出电阻,8.3.2 场效应管的微变等效电路,1. 场效应管的低频小信号等效模型,41,2. 场效应管的高频小信号等效模型,8.3.2 场效应管的微变等效电路,图8.3.3 场效应管的高频小信号模型,(a) N沟道增强型MOS管 (b) 交流等效模型 图8.3.2 MOS管的低频小信号等效模型,图中: Cgd 栅漏电容 Cgs 栅源电容 Cgb 栅极-衬底间电容 Cds 漏源电容 如果源极与衬底没有相连，则还需考虑Cbs和Cbd。,42,2. 场效应管的高频小信号等效模型,8.3.2 场效应管的微变等效电路,图中: Cgd 栅漏电容 Cgs 栅源电容 Cgb 栅极-衬底间电容 Cds 漏源电容 如果源极与衬底没有相连，则还需考虑Cbs和Cbd。,43,3. 场效应管放大电路的微变等效电路分析,8.3.2 场效应管的微变等效电路,(1) 画放大电路的微变等效电路,(2) 确定H参数,(3) 计算电压增益,(4) 计算输入电阻Ri,(5) 计算输出电阻Ro,用微变等效电路法分析共源极和共漏极电路的步骤与半导体三极管电路相同。 对于共栅极电路，由于未能有效利用栅极与沟道间的高阻，所以很少应用。,分析步骤:,44,(1) 共源极放大电路的动态分析,8.3.2 场效应管的微变等效电路,图8.3.4 图8.3.1b共源极电路 的微变等效电路,图8.3.1(b),3. 场效应管放大电路的微变等效电路分析, 输入电阻, 输出电阻, 电压增益,共源极电路的特点是： 电路具有电压放大作用，并且输出电压与输入电压相位相反；输入电阻高。,45,46,47,电路如图8.3.1b所示，已知VDD=5V， Rd=5k，R=0， Rg1=300k，Rg2=200k，RL=5k，场效应管的参数为VT=1V，Kn=0.5mA/V2，rds可以视为无穷大，试确定电路的电压增益、输入电阻和输出电阻。,Ro = Rd = 5k,电压增益,输入电阻,输出电阻,例8.3.2,解：为计算gm，首先要求静态值。 该题与例8.3.1电路及参数相同，已求得VGSQ= 2V，所以有,图8.3.4 图8.3.1b共源极电路 的微变等效电路,图8.3.1(b),48,(2) 共漏极放大电路的动态分析,8.3.2 场效应管的微变等效电路,3. 场效应管放大电路的微变等效电路分析, 输入电阻, 输出电阻, 电压增益,共源极电路的特点是： 又称为源极跟随器，与射极跟随器一样，其电压增益小于1，但接近于1，输出电压与输入电压同相位。输入电阻大，输出电阻小。,(b) 微变等效电路 图8.3.6 共漏极电路,(a) 电路,49,图8.3.7 求共漏极放大电路Ro的电路,输出电阻的证明,(b) 微变等效电路 图8.3.6 共漏极电路,(2) 共漏极放大电路的动态分析,8.3.2 场效应管的微变等效电路,3. 场效应管放大电路的微变等效电路分析,由S点KCL有,50,例8.3.4,共漏极电路如图8.3.8所示，其中场效应管为N沟道结型 场效应管。已知Rg1=2M，Rg2=47k，Rg3=10M，Rd=30k，R=2k，VDD=18V，场效应管的VP=1V，Kn=0.5mA/V2，且=0。 试确定Q点，并计算电压增益、输入电阻和输出电阻。,图8.3.8 例8.3.4电路,解：, 首先计算Q点,VGSQ = 0.4 2IDQ,设场效应管工作