模拟电路场效应管及其基本放大电路

模拟电子技术基础FundamentalsofAnalogElectronic,第五章场效应管及其放大电路,第五章场效应管及其放大电路,5.1场效应管,5.2场效应管基本放大电路,5.1场效应管,一、结型场效应管,二、绝缘栅型场效应管,三、场效应管的分类,BJT是一种电流控制元件(iBiC)，工作时，多数载流子和少数载流子都参与导电，所以被称为双极型器件。,FET只有一种载流子参与导电，利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的三极管，称为场效应管，也称单极型三极管。,特点,单极型器件(一种载流子导电)；,输入电阻高；,工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低。,场效应管有三个极：源极（s）、栅极（g）、漏极（d），对应于晶体管的e、b、c；场效应管有三个工作区域：截止区、恒流区、可变电阻区，对应于晶体管的截止区、放大区、饱和区。,单极型管噪声小、抗辐射能力强、低电压工作,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。,一、结型场效应管（以N沟道为例）,1.结构,符号,P沟道场效应管,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。,2.工作原理（1）栅-源电压对导电沟道宽度的控制作用uDS=0,沟道最宽,uGS可以控制导电沟道的宽度。为什么g-s必须加负电压？,UGS（off）,(a)uGS=0,(b)UGS(off)0V，则有电流iD从漏极流向源极，从而使沟道中各点电位与栅电位不再相等，而是沿沟道从源极到漏极逐渐升高，造成漏极一边耗尽层比靠近源极一边的宽。,靠近漏极一边的导电沟道必将随之变窄。只要栅-漏间不出现夹断区域，沟道电阻仍将基本上决定于栅-源电压uGS.,夹断区变长，uDS的增大，几乎全部用来克服沟道的电阻，iD几乎不变，进入恒流区，iD几乎仅仅决定于uGS，表现出iD的恒流特性。,场效应管工作在恒流区的条件是什么？,uGDUGS（off）,uGDUGS(th),沟道沿源-漏方向逐渐变窄，导电沟道呈现一个楔形。uDS增大使漏极电流iD线性增大。,a.uDSUGS(th),iD随uDS的增大而增大，可变电阻区,b.uDS=uGSUGS(th)，uGD=UGS(th),靠近漏极沟道达到临界开启程度，出现预夹断。,uGDUGS（th），预夹断,刚出现夹断,uDS对导电沟道的影响(uGSUGS(th),c.uDSuGSUGS(th)，uGDUGS(th),用场效应管组成放大电路时应使之工作在恒流区。N沟道增强型MOS管工作在恒流区的条件是什么？,2.耗尽型MOS管,加正离子,小到一定值才夹断,uGS=0时就存在导电沟道,制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子，这些正离子电场在P型衬底中“感应”负电荷，形成“反型层”。即使uGS=0也会形成N型导电沟道。,uGS=0，uDS0，产生较大的漏极电流；,uGSU(BR)GS，PN将被击穿，这种击穿与电容击穿的情况类似，属于破坏性击穿。,2.漏极最大允许耗散功率PDM,IDM是管子正常工作时漏极电流的上限值。,双极型和场效应型三极管的比较,讨论一：利用图示场效应管组成原理性共源放大电路。,5.2场效应管基本放大电路,一、场效应管静态工作点的设置方法,二、场效应管放大电路的动态分析,三、场效应管放大电路的频率响应,(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。,组成原则：,静态分析：估算法、图解法,动态分析：微变等效电路法、图解法,分析方法：,场效应管基本放大电路,共源电路,共栅电路,共漏电路,结型场效应管放大电路的三种接法,一、场效应管静态工作点的设置方法,根据场效应管工作在恒流区的条件，在g-s、d-s间加极性合适的直流电源，就可确定合适的静态工作点。,1.基本共源放大电路,为了使场效应管工作在恒流区实现放大作用，应满足：,N增强型MOS管共源,思考：,1.N沟道共源结型场效应管的静态工作点怎样设置？2.N沟道共源耗尽型MOS的静态工作点怎样设置？,2.自给偏压电路,由正电源获得负偏压称为自给偏压,哪种场效应管放大电路能够采用这种电路形式设置Q点？耗尽型场效应管,结型场效应管共源放大电路静态分析：,3.分压式偏置电路,即典型的Q点稳定电路,二、场效应管放大电路的动态分析,1.场效应管的交流等效模型,iD的全微分为,上式中定义：,场效应管的跨导(毫西门子mS),场效应管漏源之间等效电阻,如果输入正弦信号，则可用相量代替式中的变量。,场效应管的交流等效模型,近似分析时可认为其为无穷大！,根据iD的表达式或转移特性可求得gm。,与晶体管的h参数等效模型类比：,一般gm约为0.1至20mS。rds为几百千欧的数量级。当Rd比rds小得多时，可认为等效电路的rds开路。,根据场效应管的电流方程可以求出低频跨导。如结型,小信号时，可以用IDQ来近似iD，所以有,增强型MOS管：,结型场效应管：,2.基本共源放大电路的动态分析,若Rd=3k，Rg=1M，gm=2mS，则与共射电路比较。放大能力不如共射电路,例5.2.2分压式偏置共源放大电路,电压放大倍数,输入电阻,输出电阻,3.基本共漏放大电路的动态分析,若Rs=3k，gm=2mS，则,输入电压输出电压极性相同,基本共漏放大电路输出电阻的分析,若Rs=3k，gm=2mS，则Ro=?,求解场效应管放大电路的步骤(归纳),1.首先利用图解法或近似估算法确定放大电路的静态工作点Q，2.求出静态工作点处的微变等效电路参数。3.画出放大电路的微变等效电路。4.列出电路方程并求解动态性能指标。,三种基本放大电路的性能比较,组态对应关系：,CE,BJT,FET,CS,CC