第四章场效应管放大电路

第四章场效应管放大电路第四章场效应管放大电路 学习要求学习要求 场效应管是一种利用电场效应来控制其电流大小的半导体器件 这种器件 不仅有体积小 重量轻 耗电省 寿命长等特点 而且还有输入阻抗高 噪声 低 热稳定性好 抗辐射能力强和制造工艺简单等优点 因而大大地扩展了它 的应用范围 特别是在大规模和超大规模集成电路中得到了广泛应用 根据结构的不同 场效应管可分为两大类 结型场效应管 JFET 和金属 氧 化物 半导体场效应管 本章首先介绍各类场效应管的结构 工作原理 特性曲线及参数 然后介 绍场效应管放大电路和各种放大器件电路性能的比较 第一节第一节 结型场效应管 结型场效应管 JFETJFET 一 结型场效应管一 结型场效应管 一 一 JFETJFET 的结构和特点的结构和特点 1 1 结构 结构 场效应管的结构如图 6 18 所示 它是在一块 N 型半导体的两边利用杂质扩散出高浓度 的 P 型区域 用 P 表示 形成两个 P N 结 N 型半导体的两端引出两个电极 分别称为漏漏 极极 D D 和源极源极 S S 把两边的 P 区引出电极并连在一起称为栅极栅极 G G 如果在漏 源极间加上正向 电压 N 区中的多子 也就是电子 可以导电 它们从源极 S 出发 流向漏极 D 电流方 向由 D 指向 S 称为漏极电流 ID 由于导电沟道是 N 型的 故称为 N 沟道结型场效应管 2 2 特点 特点 vGS 0 Ri很高 电压控制器件 单极性器件 3 3 N N 沟道沟道 JFETJFET 的输出特性的输出特性 在 vGS 0 时 沟道电阻最小 ID达到最大 当 vGS 0 时 耗尽层变大 沟道电阻变大 相应的 ID下降 因此形成图 6 19 所示的 特性曲线 4 4 JFETJFET 与与 BJTBJT 的特点比较的特点比较 1 场效应管是电压控制器件 通过 VGS控制 iD 从输出特性看 各条不同输出特性曲线的参变量是 VGS 在恒流区 iD与 VDS基本无关 并通过跨导 gm iD VGS VDS描述场效应管的放大作用 而晶体管是 通过 iB控制 iC 参变量是 iB 放大区 iC与 VCE基本无关 通过电流放大系数 iC iB描述放大作用 2 iG 0 所以 直流 交流 Ri都很高 而晶体管 b 极和 e 极处于正偏状态 b e 间 Ri较 小 几千欧 3 场效应管利用的是一种极性的多子导电 单极型器件 具有噪声小 受外界 T 及辐射 的影响小等特点 温度稳定性好 4 由于场效应管对称 有时 D S 极可互换使用 各项性能基本不受影响 应用时较方便 灵活 但若制造时已将 S 和衬底连在一起 则 D S 不能互换 5 场效应管的制造工艺简单 有利于大规模集成 且所占面积小 集成度高 6 MOS 场效应管 Ri高 G 极的感应电荷不易泄放 SiO2层薄 G 极与衬底间等效电容很小 感应电荷少量即可形成高电压 将 SiO2击穿而损坏管 存放管子时 应将 G S 短接 避免 G 极悬空 焊接时 烙铁外壳应接地良好 防止因烙铁漏电而击穿管子 7 场效应管的应用 场效应管在恒流区内工作时 当 GS 电压变化 VGS时 D 极电流相应变化 iD 若将 iD通过较大的 RL 从 RL上取出的 V0 iDRL 可能比 VGS大许多倍 即 VGS得到了放 大 所以场效应管和晶体管一样在电路中可起放大的作用 FETBJT 电压控制器件 gm iD VGS VSD电流控制器件 ic iB vCE 输入端 PN 结反偏 iG 0 Ri很大输入端 PN 结正偏 ib 0 rbe较小 单极型器件 一种载流子 噪声小 温度稳 定性好 双极型器件 两种种载流子 噪 声较大 温度稳定性较差 结构对称 D S 极可以互换结构非对称 C E 极不能互换 可以作为性能较好的压控电阻器线性效果差 场效应管的制造工艺简单具有对称性 有利 于大规模集成 且所占面积小 集成度高 三极管的结构非对称 制造工艺较场效应管 复杂 集成度不够高 第二节第二节 金属金属 氧化物氧化物 半导体场效应管半导体场效应管 一 一 MOS 型场效应管型场效应管 JFET 的输入电阻可达 107欧姆 但就本质而言 这是 PN 结的反向电阻 而反向偏置时 总有反向电流存在 这就限制了在某些工作条件下对阻值的更高要求 同时 从制造工艺 看 把它高度集成化还比较复杂 绝缘栅型场效应管由金属 氧化物 半导体场效应管制成 称为 Metal Oxide Semiconductor 简称为 MOSFET 这种场效应管的栅极被绝缘层 例如 SiO2 隔离 因此 Ri 更高 可达 109 欧姆以上 MOS 管与 JFET 的不同之处在于它们的导电机构和电流控制原理不同 JFET 利用耗尽 层的宽度改变导电沟道的宽度来控制 ID OSFET 则是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电流 MOS 管分为 N 沟道和 P 沟道两类 每一类又分为增强型和耗尽型 增强型 当 VGS 0 无导电沟道 ID 0 耗尽型 当 VGS 0 有导电沟道 ID 0 本章小结 1 第三章讨论的 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和小信号模型分析法 2 由于 FET 具有输入阻抗高 噪声低等一系列优点 而 BJT 电流放大系数高 若 FET 和 BJT 结使用 就可大大提高和改善电子电路的某些性能指标 3 MOS