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第四章场效应管及其放大电路 2020 4 8 1 场效应管根据结构不同分为哪两大类 何谓耗尽型 何谓增强型 VP夹断电压和VT开启电压分别是何种类型场效应管的重要参数之一 场效应管有哪三个电极 和BJT管如何对应 场效应管的两个电压VGS和VDS分别起何主要作用 场效应管输出特性曲线分为哪几个区 作放大时工作在哪个区 为什么 场效应管是双极型 单极型 电压控制器件还是电流控制器件 它的输入电阻如何 与BJT对比 根据场效应管特点作放大时 应如何合理设置Q点 场效应管的基本问题 2020 4 8 2 场效应管是电压控制器件 它具有输入阻抗高 噪声低的优点 本章是本课程的难点 但不是本课程的重点 由于学时数少 又因为场效应管放大电路与三极管放大电路有许多相同之处 所以 本章学习采用对比学习法 即将场效应管与三极管放大电路比较 了解相同点 掌握不同点 2020 4 8 3 三极管特点 电流控制器件 基极电流控制晶体管导电能力 输入阻抗不高 双极型器件 两种载流子 多子少子参与导电 噪声高 场效应管特点 电压控制器件 用电压产生电场来控制器件的导电能力 故称为FieldEffectTransistor 输入阻抗极高 单极型器件 一种载流子 多子参与导电 噪声小 缺点速度慢 2020 4 8 4 图解法 估算法 微变等效电路法 2020 4 8 5 场效应三极管 FET 只有一种载流子参与导电 且利用电场效应来控制电流的三极管 称为场效应管 也称单极型三极管 场效应管分类 结型场效应管 JFET 绝缘栅场效应管 MOSFET 特点 单极型器件 一种载流子导电 输入电阻高 107 1015 工艺简单 易集成 功耗小 体积小 噪声低 成本低等 2020 4 8 6 N沟道 相当于NPN P沟道 相当于PNP 增强型 耗尽型 N沟道 NPN P沟道 PNP N沟道 NPN P沟道 PNP 耗尽型 FET分类 2020 4 8 7 符号 结型场效应管 JFET 一 结构 图N沟道结型场效应管结构图 N型沟道 栅极 源极 漏极 在漏极和源极之间加上一个正向电压 N型半导体中多数载流子电子可以导电 导电沟道是N型的 称N沟道结型场效应管 2020 4 8 8 P沟道场效应管 图P沟道结型场效应管结构图 P沟道场效应管是在P型硅棒的两侧做成高掺杂的N型区 N 导电沟道为P型 多数载流子为空穴 2020 4 8 9 N沟道 MOSFET 耗尽型 增强型 P沟道 N沟道 P沟道 绝缘栅型场效应管的类别 4 3绝缘栅型场效应管 MOSFET 结型场效应管的输入电阻虽然可达106 109W 在使用中若要求输入电阻更高 仍不能满足要求 绝缘栅型场效应管又称为金属 氧化物 半导体场效应管 MOSFET 具有更高输入电阻 可高达1015W 且有制造工艺简单 适于集成等优点 增强型MOS管在vGS 0时 无导电沟道 耗尽型MOS管在vGS 0时 已有导电沟道存在 2020 4 8 10 N S G D N 以P型半导体作衬底 SiO2保护层 Al金属电极 从衬底引出电极 两边扩散两个高浓度的N区 Al金属电极 Al金属电极 N沟道增强型MOSFET 2020 4 8 11 N S G D N 半导体Semiconductor 氧化物Oxide 金属Metal 表示符号 MOSFET 2020 4 8 12 P沟道增强型MOSFET的结构 表示符号 2020 4 8 13 N S G D N N沟道增强型MOSFET的工作原理 与JFET相似 MOSFET的工作原理同样表现在 栅压vGS对沟道导电能力的控制 漏源电压vDS对漏极电流的影响 2020 4 8 14 N S G D N N沟道增强型MOSFET的工作原理 1 vGS对沟道的控制作用 当vGS 0时 漏源极间是两个背靠背的PN结 无论漏源极间如何施加电压 总有一个PN结处于反偏状态 漏 源极间没有导电沟道 将不会有漏电流出现iD 0 2020 4 8 15 N沟道增强型MOSFET的工作原理 vDS 0 vGS增加 作用于半导体表面的电场就越强 吸引到P衬底表面的电子就越多 导电沟道越厚 沟道电阻越小 N S G D N 开始形成沟道时的栅源极电压称为开启电压 用VT表示 导电沟道增厚沟道电阻减小 2020 4 8 16 N S G D N N沟道增强型MOSFET的工作原理 1 vGS对沟道的控制作用 vDS 0 当vGS VT时 电场增强将P衬底的电子吸引到表面 这些电子在栅极附近的P衬底表面便形成一个N型薄层 称为反型层 形成导电沟道 出现反型层 且与两个N 区相连通 在漏源极间形成N型导电沟道 2020 4 8 17 N沟道增强型MOSFET的工作原理 综上所述 N沟道MOS管在vGS VT时 不能形成导电沟道 管子处于截止状态 这种必须在vGS VT时才能形成导电沟道的MOS管称为增强型MOS管 只有当vGS VT时 方能形成沟道 N S G D N 沟道形成以后 在漏 源极间加上正向电压vDS 就有漏极电流产生 2020 4 8 18 MOS管的伏安特性用输出特性和转移特性描述 MOSFET的特性曲线 输出特性 转移特性 输出特性当栅源电压 vGS C为常量时 漏极电流iD与漏源电压vDS之间的关系 与BJT类似 输出特性曲线也分为可变电阻区 饱和区 截止区和击穿区几部分 2020 4 8 19 输出特性 MOSFET的特性曲线 2 4 0 6 10 20 可变电阻区 放大区 截止区 击穿区 2020 4 8 20 0 2 4 0 6 10 20 转移特性曲线 输出特性曲线 MOSFET的特性曲线 2020 4 8 21 耗尽型NMOS管 1 耗尽型NMOS管结构示意图 耗尽型NMOS管在vGS 0时 漏源极间已有导电沟道产生 通过施加负的栅源电压 夹断电压 使沟道消失 而增强型NMOS管在vGS VT时才出现导电沟道 2020 4 8 22 耗尽型NMOS管 1 耗尽型NMOS管结构示意图 N沟道耗尽型MOS管符号 P沟道耗尽型MOS管符号 2020 4 8 23 耗尽型MOS管 N沟道耗尽型MOS管当vGS为负时 沟道变窄 沟道电阻变大 iD减小 当vGS负向增加到某一数值时 导电沟道消失 iD趋于零 管子截止 使沟道消失时的栅源电压称为夹断电压 用VP表示 2 耗尽型MOS管原理 2020 4 8 24 耗尽型MOS管 在饱和区内 耗尽型MOS管的电流方程与结型场效应管的电流方程相同 即 3 耗尽型MOS管电流方程 增强型MOS管见书 2020 4 8 25 场效应管与三极管的性能比较 1 场效应管的源极s 栅极g 漏极d分别对应于三极管的发射极e 基极b 集电极c 它们的作用相似 2 场效应管是电压控制电流器件 由vGS控制iD 其跨导gm一般较小 因此场效应管的放大能力较差 三极管是电流控制电流器件 由iB控制iC 3 场效应管的输入电阻比三极管的输入电阻高 因此场效应管栅极几乎不取电流 而三极管工作时基极总要吸取一定的电流 2020 4 8 26 场效应管与三极管的性能比较 4 场效应管 多子参与导电 三极管有多子和少子两种载流子参与导电 所以场效应管比三极管的噪声小 在低噪声放大电路的输入级应选用场效应管 5 场效应管源极和漏极可以互换使用 且特性变化不大 而三极管的集电极与发射极互换使用时 其特性差异很大 b值将减小很多 6 场效应管制造工艺简单 且具有功耗低等优点 因而场效应管易于集成 被广泛用于大规模和超大规模集成电路中 2020 4 8 27 符号 结型场效应管 一 结构 图N沟道结型场效应管结构图 N型沟道 栅极 源极 漏极 在漏极和源极之间加上一个正向电压 N型半导体中多数载流子电子可以导电 导电沟道是N型的 称N沟道结型场效应管 2020 4 8 28 P沟道场效应管 图P沟道结型场效应管结构图 P沟道场效应管是在P型硅棒的两侧做成高掺杂的N型区 N 导电沟道为P型 多数载流子为空穴 2020 4 8 29 MOSFET符号 增强型 耗尽型 JFET符号 耗尽型 2020 4 8 30 场效应管放大电路的三种组态 场效应管放大电路 根据场效应管在放大电路中的连接方式 场效应管放大电路分为三种组态 共源极电路 共栅极电路和共漏极电路 共源极电路 对应共射电路 栅极是输入端 漏极是输出端 源极是输入输出的公共电极 共栅极电路 对应共基电路 源极是输入端 漏极是输出端 栅极是输入输出的公共电极 共漏极电路 对应共集电极电路 栅极是输入端 源极是输出端 漏极是输入输出的公共电极 2020 4 8 31 4 5场效应管 FET 放大电路 根据前面讲的场效应管的结构和工作原理 和双极性三极管比较可知 场效应管具有放大作用 场效应管的三个极和双极性三极管的三个极存在着对应关系即 G 栅极 b 基极 S 源极 e 发射极 D 漏极 c 集电极 所以根据双极性三极管放大电路 可组成相应的场效应管放大电路 2020 4 8 32 场效应管 FET 放大电路的三种工作组态 以NMOS E 为例 2020 4 8 33 1 静态 适当的静态工作点 使场效应管工作在恒流区 场效应管的偏置电路相对简单 2 动态 能为交流信号提供通路 场效应管 FET 放大电路的组成原则 场效应管 FET 放大电路的分析方法 2020 4 8 34 但由于两种放大器件各自的特点 故不能将双极性三极管放大电路的三极管简单地用场效应管取代 组成场效应管放大电路 双极性三极管是电流控制器件 组成放大电路时 应给双极性三极管设置偏置偏流 而场效应管是电压控制器件 故组成放大电路时 应给场效应管设置偏置偏压 合适的栅极电压 简称栅压 为Q点电压 保证放大电路具有合适的工作点 避免输出波形产生严重的非线性失真 4 5 1静态工作点与偏置电路 2020 4 8 35 由于场效应管种类较多 故采用的偏置电路 其电压极性必须考虑 以N沟道为例 N沟道的结型场效应管只能工作在UGS0 而耗尽型工作在UGS 0 工程中常用的FET放大电路的偏置方式有两种 自给偏压电路分压式偏置电路 直流偏置电路 保证管子工作在饱和区 输出信号不失真 1 直流偏置电路 2020 4 8 36 1 自偏压电路 vGS vGS iDR 可见该电路的直流偏压是靠本身源极电阻Rs上的压降设置的 故名自给偏压式电路 另电路种Cs对Rs起交流旁路作用 Cs为源极旁路电容 如图所示 因为在FET的源极接入了Rs 所以即使uGS 0 也有漏源电流ID流过Rs 而栅极经RG接地 UG 0V 故在静态时负栅压UGS UG US 0V IDRS 2020 4 8 37 vGS 栅极电阻RG的作用 1 为栅偏压提供通路 2 泻放栅极积累电荷 源极电阻RS的作用 提供负栅偏压 漏极电阻RD的作用 把iD的变化变为uDS的变化 UGSQ UGQ USQ IDQRS vGS iDR 2020 4 8 38 2 分压式自偏压电路 这种直流偏置电路类同于自举式射极输出器的偏置电路 电源电压VDD经RG1 RG2分压后 经RG3提供栅压 同时ID在Rs上也产生直流压降Us IDRs 因而FET的栅 源电压为 2020 4 8 39 vGS vGS iDR 注意 该电路产生负的栅源电压 所以只能用于需要负栅源电压的电路 对于自给偏压式FET放大电路 已知VP 计算Q点 VGS ID VDS vGS VDS VDD ID Rd R 由方程 iDR 可解出Q点的VGS ID VDS 2 Q点的确定 1 估算法 2020 4 8 40 VDS VDD ID Rd R 可解出Q点的VGS ID VDS 对于分压式自偏压电路FET放大电路 已知VP 计算Q点 VGS ID VDS 由方程 2020 4 8 41 调整电阻的大小 可获得 UGSQ 0 UGSQ 0 UGSQ 0 该电路产生的栅源电压可正可负 所以适用于所有的场效应管电路 2020 4 8 42 例1耗尽型N沟道MOS管 RG 1M RS 2k RD 12k VDD 20V IDSS 4mA UGS off 4V 求iD和uO iG 0 uGS iDRS 2020 4 8 43 iD1 4mA iD2 1mA uGS 8V UGS off 增根 uGS 2V uDS VDD iD RS RD 20 14 6 V uO VDD iDRD 20 14 8 V 在放大区 2020 4 8 44 解方程得 IDQ1 0 69mA UGSQ 2 5V 增根 舍去 IDQ2 0 45mA UGSQ 0 4V 例2已知UGS off 0 8V IDSS 0 18mA 求 Q 2020 4 8 45 2 图解法 以自给偏压电路为例 由漏极回路写出方程 在输出特性曲线上做出直流负载线MN 1 在输出特性上作直流负载线 vGS 2020 4 8 46 2 在iD uGS坐标系中作负载转移特性 2020 4 8 47 3 仍在iD uGS坐标系中作源极负载线 这是一个在iD uGS坐标系上过原点的直线方程 自给偏压放大电路 iD uGS还需满足式 作出该直线段OL iD uGS Rs 由于该直线段的斜率为 1 Rs 所以称之为源极负载线 见图中曲线 2020 4 8 48 4 确定Q点 5 截出Q点的电压 电流值 源极负载线OL与负载转移特性曲线之交点 即曲线 与曲线 之交点 就是静态工作点Q UGS ID UDS 2020 4 8 49 例1 电路如图所示 场效应管为3DJG 其输出特性曲线如图4 18所示 已知RD 2k RS 1 2k UDD 15V 试用图解法确定该放大器的静态工作点 2020 4 8 50 解 写出输出回路的电压电流方程 即直流负载线方程 设 2020 4 8 51 在输出特性图上将上述两点相连得直流负载线 2020 4 8 52 在转移特性曲线上 作出UGS IDRS的曲线 由上式可看出它在uGS iD坐标系中是一条直线 找出两点即可 令 连接该两点 在uGS iD坐标系中得一直线 此线与转移特性曲线的交点 即为Q点 对应Q点的值为 2020 4 8 53 例 试计算下图的静态工作点 已知R1 50k R2 150k RG 1M RD RS 10k RL 1M CS 100 F UDD 20V 场效应管为3DJF 其Up 5V IDSS 1mA 2020 4 8 54 解 即 将UGS代入ID式得 漏极对地电压为 UD UDD IDRD 20 0 61 10 13 9V 2020 4 8 55 4 5 2场效应管的微变等效电路 求微分式 定义 与BJT的H参数模型的建立过程相类同 将FET看作是一个双口网络 如图所示 因FET的栅极电流iG 0 故仅存关系为iD与uGS uDS成函数关系 即 2020 4 8 56 如果用id ugs uds分别表示iD uGS uDS的变化部分 则上式可写为 低频跨导 漏极输出电阻 与双极型晶体管一样 场效应管也是一种非线性器件 而在交流小信号情况下 也可以由它的线性等效电路 交流小信号模型来代替 在低频小信号条件下 FET在Q点附近小范围内 可以直代曲 即可认为此时特性曲线线性 gm及rds为常数 2020 4 8 57 2020 4 8 58 场效应管的微变等效电路为 其中 gmvgs是压控电流源 它体现了输入电压对输出电流的控制作用 gm称为低频跨导 rds为漏极电阻 类似于双极型晶体管的rce 其值大概为几百K欧姆 因FET的栅极电流iG 0 输入电阻 理论值为无穷大 2020 4 8 59 4 5 3共源组态基本放大电路 对于采用场效应三极管的共源基本放大电路 可以与共射组态接法的基本放大电路相对应 只不过场效应三极管是电压控制电流源 即VCCS 共源组态的基本放大电路如图03 28所示 a 采用结型场效应管 b 采用绝缘栅场效应管 图03 28共源组态接法基本放大电路 比较共源和共射放大电路 它们只是在偏置电路和受控源的类型上有所不同 只要将微变等效电路画出 就是一个解电路的问题了 2020 4 8 60 1 直流分析 将共源基本放大电路的直流通道画出 如图03 29所示 03 29共源基本放大电路的直流通道 图中Rg1 Rg2是栅极偏置电阻 Rs是源极电阻 Rd是漏极负载电阻 与共射基本放大电路的Rb1 Rb2 Re和Rc分别一一对应 而且只要结型场效应管栅源间PN结是反偏工作 无栅流 那么JFET和MOSFET的直流通道和交流通道是一样的 根据图03 29可写出下列方程VG VDDRg2 Rg1 Rg2 VGSQ VG VS VG IDQRIDQ IDSS 1 VGSQ VGS off 2VDSQ VDD IDQ Rd R 于是可以解出VGSQ IDQ和VDSQ 2020 4 8 61 图03 30微变等效电路 2 交流分析 画出图03 28电路的微变等效电路 如图03 30所示 与双极型三极管相比 输入电阻无穷大 相当开路 VCCS的电流源还并联了一个输出电阻rds 在双极型三极管的简化模型中 因输出电阻很大视为开路 在此可暂时保留 其它部分与双极型三极管放大电路情况一样 2020 4 8 62 电压放大倍数如果有信号源内阻RS时 gmR LRi Ri RS 式中Ri是放大电路的输入电阻 输入电阻 2020 4 8 63 输出电阻 为计算放大电路的输出电阻 可按双口网络计算原则将放大电路画成图03 31的形式 图03 31计算Ro的电路模型 将负载电阻RL开路 并想象在输出端加一个电源 将输入电压信号源短路 但保留内阻 然后计算 于是 2020 4 8 64 2020 4 8 65 4 5 4共漏组态基本放大电路 共漏组态基本放大电路如图03 32所示 图03 32共漏组态放大电路03 33直流通道 其直流工作状态和动态分析如下 1 直流分析将共漏组态基本放大电路的直流通道画于图03 33之中 于是有VG VDDRg2 Rg1 Rg2 VGSQ VG VS VG IDQRIDQ IDSS 1 VGSQ VGS off 2VDSQ VDD IDQR由此可以解出VGSQ IDQ和VDSQ 2020 4 8 66 2 交流分析 共漏放大电路的微变等效电路 电压放大倍数 共漏放大电路 比较共源和共漏组态放大电路的电压放大倍数公式 分子都是gmR L 分母对共源放大电路是1 对共漏放大电路是 1 gmR L 2020 4 8 67 共漏放大电路的微变等效电路 输入电阻 共漏放大电路 2020 4 8 68 输出电阻 计算输出电阻的原则与其它组态相同 将微变等效电路改画为图03 35 图03 35求输出电阻的微变等效电路 2020 4 8 69 2020 4 8 70 4 5 5共栅组态基本放大电路 共栅组态放大电路如图03 36所示 其微变等效电路如图03 37所示 图03 36共栅组态放大电路图03 37微变等效电路 1 直流分析与共源组态放大电路相同 2020 4 8 71 图03 36共栅组态放大电路图03 37微变等效电路 2 交流分析 电压放大倍数 输入电阻 输出电阻Ro Rd 2020 4 8 72 2020 4 8 73 4 5 6三种基本放大电路的性能比较 组态对应关系 CE BJT FET CS CC CD CB CG BJT FET CE CC CB CS CD CG 2020 4 8 74 CE CC CB CS CD CG CE CC CB CS CD CG 2020 4 8 75 场效应管放大电路小结 1 场效应管放大器输入电阻很大 2 场效应管共源极放大器 漏极输出 输入输出反相 电压放大倍数大于1 输出电阻 RD 3 场效应管源极跟随器输入输出同相 电压放大倍数小于1且约等于1 输出电阻小 2020 4 8 76 例1 场效应管的共源极放大电路 一 静态分析 求 UDS和ID 设 UG UGS 则 UG US 而 IG 0 所以 2020 4 8 77 二 动态分析 2020 4 8 78 ro RD 10k 2020 4 8 79 例2 源极