模拟电子技术基础-第3章 场效应管 2011.10

第3章 场效应晶体管和基本放大电路,3.1 场效应晶体管3.2 场效应管放大电路,1,作业,3-4 3-7（第3问，当RS2取最大值时计算AU） 3-8 3-10 3-11,2,本章的重点与难点,重点:1. 了解场效应管的工作原理；2. 掌握场效应管的外特性及主要参数； 3. 掌握场效应管放大电路静态工作点与动态参数（Au、Ri、Ro）的分析方法。难点:通过外部电压对导电沟道的控制作用来说明结型场效应管及绝缘栅型场效应管的工作原理。,3,场效应管输入回路内阻很高(1071012)，热稳定性好，噪声低，比晶体管耗电小，应用广泛。,仅靠多数载流子导电，又称单极型晶体管。,场效应管（FET）：是利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件。,3.1 场效应晶体管,4,场效应管的分类,5,3.1.1 结型场效应管,N沟道结型场效应管是在同一块N型半导体上制作两个高掺杂的P区，将它们连接在一起引出电极栅极g。N型半导体分别引出漏极d、源极s。,1. N沟道结型场效应管的结构,6,结型场效应管的符号,7,(1) g、s间和d、s间均短路的情况,导电沟道具有一定的宽度并且等宽,2. 工作原理电压控制作用,(以N沟道为例加以说明),8,(2) g、s间加负电压和d、s间短路,| UGS |增加到某一数值,耗尽区相接,沟道消失,沟道电阻趋于无穷大，沟道夹断,此时GS的值为夹断电压UGS（off）,| UGS |增大，耗尽区增宽，沟道变窄，沟道电阻增大。等宽变化,N沟道JFETUGS(off)0,9,UDS的作用产生漏极电流ID ，使沟道中各点和栅极间的电压不再相等，近漏极电压最大，近源极电压最小。 导电沟道宽度不再相等。,(3) g、s间短路，d、s间加正向电压,随着UDS 的增加， ID近似线性增加,d-s间呈电阻特性。,10,UGD = UGS - UDS = - UDS当UDS 增加到|UGS（off）| 。漏极附近的耗尽区相接，称为预夹断。,随着UDS 增加，ID增大。沟道在漏极处越来越窄。,此时，UGD= UGS（off）,UDS 再增加，夹断区长度增加（AA）。,预夹断时，导电沟道内仍有电流ID ，且UDS增大时ID几乎不变。对应UGS0时的ID最大，称为“饱和漏极电流IDSS”,11,g、s间的负电压使导电沟道变窄（等宽）；d、s间的正电压使沟道不等宽。UGS 增加，导电沟道变窄，沟道电阻增大，相同UDS产生的ID减小。,(4) g、s间加负向电压，d、s间加正向电压,（综合（2）（3）两种情况）,12,称场效应管为电压控制元件。,由于UDS的增加几乎全部落在夹断区，漏极电流ID基本保持不变。ID几乎仅仅决定于UGS，表现出恒流特性。,13,2. 工作原理电压控制作用,正常工作时（放大）：在栅-源之间加负向电压，(保证耗尽层承受反向电压) 漏-源之间加正向电压，(以形成漏极电流）这样既保证了栅源之间的电阻很高，又实现了ugs对沟道电流iD的控制。,d,耗尽层,结构示意图,2. 工作原理电压控制作用,14,3. 结型场效应管的特性,因场效应管栅极电流几乎为零，不讨论输入特性。,输出特性和转移特性,从图中可以看出，管子的工作状态分为四个区域：可变电阻区，恒流区，夹断区及击穿区。,UGS0,15,UDS较小、曲线靠近纵轴的部分。也就是预夹断轨迹左边区域。,1) 可变电阻区,条件：|UGS | |UGS（off） | |UGD | 0 ，UDS =0,25,UGS到达UGS（th)后，UGS越大，反型层越宽，导电沟道电阻越小，相同的UDS产生的电流ID大，从而实现了压控电流作用。,产生反型层（导电沟道）时对应的栅-源电压称为 开启电压UGS(th),26,UDS作用产生漏极电流ID 。沟道各点对栅极电压不再相等，导电沟道宽度不再相等，沿源-漏方向逐渐变窄。,3）UGS UGS(th） ，UDS 0,UGD=UGS-UDS UGS(th） ，UDS 0,28,29,夹断区,输出特性,转移特性,（3） 特性曲线,恒流区ID和UGS的近似关系：,IDO是UGS = 2UGS(th)时的ID。,30,制造时,在sio2绝缘层中掺入大量的正离子,即使UGS =0，在正离子的作用下，源-漏之间也存在导电沟道。只要加正向UDS ，就会产生流入漏极的电流ID。UGSUGS（off） ：可变电阻区,36,判断MOS管的工作状态,N沟道增强型：UGS（th） 0UGSUGS（th） ， UGDUGS（th） ， UGDUGS（th） ：可变电阻区,37,P沟道增强型：UGS（th） UGS（th） ：夹断区UGSUGS（th） ：恒流区UGSUGS（th） ， UGDUGS（th） ：可变电阻区,测得某放大电路中三个MOS管的三个电极的电位及它们的开启电压如表所示。试分析各管的工作状态（夹断区、恒流区、可变电阻区）。,恒流区,夹断区,可变电阻区,增强型,NMOS,PMOS,38,3.1.3 场效应管的主要参数,1、直流参数,（1）开启电压UGS(th) UDS为固定值能产生漏极电流ID所需的栅-源电压UGS的最小值。 增强型MOS管的参数。 （NMOS管为正，PMOS管为负）,39,（ 2）夹断电压 UGS(off) UDS为固定值使漏极电流近似等于零时所需的栅-源电压。 结型场效应管和耗尽型MOS管的参数。 （NMOS管为负，PMOS管为正）。,40,（4）直流输入电阻RGS（DC） 栅-源电压与栅极电流的比值，其值很高, 一般为107-1010左右。,（3）饱和漏极电流IDSS 对于耗尽型MOS管,在UGS =0情况下产生 预夹断时的漏极电流。,41,2、交流参数,gm是衡量栅-源电压对漏极电流控制能力的一个重要参数。,（1）低频跨导 gm管子工作在恒流区并且 UDS为常数时，漏极电流的微变量与引起这个变化的栅-源电压的微变量之比称为低频跨导，即,42,（2）交流输出电阻rdsrds反映了uDS对iD的影响，是输出特性曲线上Q点处切线斜率的倒数 rds在恒流区很大。,43,3、极限参数,（1）最大漏极电流IDM,()最大漏源电压U DS(BR),(3)最大栅源电压U GS(BR),(4)最大耗散功率P DM,44,3.1.4 场效应管与双极型晶体管的比较,场效应管的栅极g、源极s、漏极d分别对应于晶体管的基极b、发射极e、集电极c,1）FET是电压控制元件，输入阻抗很高；BJT 是电流控制元件，输入阻抗较小；,2）FET（单极型）多子参与导电，温度稳定性好，抗辐射能力强， FET噪声系数小；BJT为多子和少子同时参与导电，温度特性能差；,45,3）FET漏极与源极可以互换使用；BJT的发射极与集电极一般不能互换使用； FET比BJT的种类多，组成电路更灵活；4）FET工艺简单，功耗小，电源范围宽，更多用于大规模和超大规模集成电路。）管的栅极绝缘，外界感应电荷不易泄放,46,例 已知某管的输出特性曲线如图所示。试分析该管是什么类型的场效应管。,N沟道增强型MOS管,开启电压UGS(th)=4V,47,例 电路及管子的输出特性如图所示。试分析uI为0、8V和10V三种情况下uO分别为几伏。,48,2,1,0,5,10,15,10V,8V,6V,uDS / V,iD /mA,4V,输入电压为8V,49,（3）当UGS(th)=10V时，若认为 T工作在恒流区，则iD为2.2mA, uo=4V,而uGS=10V时的预夹断电压为uDS=6V说明管子工作在可变电阻区。,uDS / V,2,1,0,5,10,15,10V,8V,6V,iD /mA,4V,3,50,场效应管组成的放大电路与双极型晶体管一样，必须建立合适的静态工作点介绍几种偏置电路：,. 场效应管放大电路,.场效应管放大电路的直流偏置及静态分析,1. 自给偏压电路,此电路只适用于耗尽型器件,51,静态工作点分析,栅极电流为0，则UGQ=0,解方程求出IDQ和UGSQ,52,、分压式偏置电路,静态工作点分析,直流通路,53,IDQ UGSQ,栅极电流为0,增强型MOS管的电流方程,静态工作点分析,54,静态分析小结,利用场效应管栅极电流为0，得到栅源电压与漏极电流之间关系式。列出场效应管在恒流区的电流方程。 联立上述两方程，求解UGSQ和IDQ，并推算UDSQ。注意解算后应使得管子工作在恒流区。,55,例3-1 自给偏压电路中,已知场效应管的输出特性, 用图解法确定Q点,(1) 根据输出回路方程作直流负载线MN,(2) 根据直流负载线与各输出曲线的交点a、b、c、d、e所对应的iD和uGS的值作转移特性,56,（4）源极负载线与转移特性曲线的交点为Q点,Q,Q,(3) 根据输入回路方程作源极负载线OL,57,58,3.2.2 用微变等效电路法分析场效应管放大电路的动态参数, 场效应管的交流低频小信号模型,求全微分,59,低频小信号模型,rds,MOS管简化交流等效模型,60,增强型MOS：,gm的计算,61,耗尽型MOS及结型FET,62,应用微变等效电路分析法分析场效应管放大电路,（）共源放大电路,1)静态分析： 自给偏置电路,63,微变等效电路,电压增益,2）动态分析：,64,输入电阻,输出电阻,65,例3-3图示电路, 计算、和，已知,解：,由于gm值已给，因此不需要进行静态分析。,66,动态分析：1）电压增益,67,共源电路的电压增益比共射电路小，输入电阻大,输入与输出电阻,68,（）共漏放大电路,静态分析,69,( ,源极跟随器),微变等效电路,输入电阻,电压增益,动态分析,70,输出电阻,断开负载，输入信号短路，输出端加电压，得到求输出电阻的电路,输出电阻较小,（）共漏放大电路,71,解 (1),例-图示放大电路, UGS(off)=-4V, IDSS=5mA(1)求静态工作点IDQ和UGSQ(2)计算Au、Ri和,72,计算gm,电压增益,73,输入电阻和输出电阻,74,场效应管的三种基本接法： 共源、共漏和共栅分别与双极型晶体管的共射、共集和共基对应，相应的输出量与输入量之间