第五章-场效应管放大电路分析PPT课件

.,1,第5章场效应管放大电路,.,2,主要内容及基本要求：,1、了解场效应管的基本原理（注意与三极管的相同点和不同点）；2、了解场效应管几个工作区的特点（注意与三极管的相同点和不同点）；3、掌握场效应管小信号模型的规律（注意与三极管的相同点和不同点）；4、掌握场效应管放大电路的分析方法（注意与三极管的相同点和不同点）。,.,3,场效应管,结型场效应管,场效应晶体管是由一种载流子导电的、用输入电压控制输出电流的半导体器件。从参与导电的载流子来划分，它有自由电子导电的N沟道器件和空穴导电的P沟道器件。（简记为FET）,按照场效应管的结构划分，有结型场效应管和绝缘栅型场效应管两大类。,1.结构,与双极型晶体管的比较：1、均有三个引脚（极）；2、形状类似；3、都可以实现信号的放大；4、导电原理不同；5、形成电路的特点不同；6、应用场合不同。,.,4,2.工作原理,N沟道场效应管工作时，在栅极与源极之间加负电压，栅极与沟道之间的PN结为反偏。在漏极、源极之间加一定正电压，使N沟道中的多数载流子(电子)由源极向漏极漂移，形成iD。iD的大小受VGS的控制。,P沟道场效应管工作时，极性相反，沟道中的多子为空穴。,注意：N沟道、P沟道的区别类似于三极管中的NPN管和PNP管，我们讨论较多的是N沟道型的FET,.,5,栅源电压VGS对iD的控制作用,当VGS0时，PN结反偏，耗尽层变厚，沟道变窄，沟道电阻变大，ID减小；,VGS更负，沟道更窄，ID更小；直至沟道被耗尽层全部覆盖，沟道被夹断，ID0。这时所对应的栅源电压VGS称为夹断电压VP。（D、S被断开）,.,6,漏源电压VDS对iD的影响,当VDS增加到多少时最上面的一点会合在一起呢？,VDS=|VP|时，在紧靠漏极处出现预夹断点,首先设VGS=0（或保持一恒定值），VDS逐渐增加：刚开始时随着VDS的增加，电流也基本线性增加；,随VDS增大，电压的不均匀性开始显现，而且这种不均匀性会越来越明显。为什么会这样呢？,随着VDS的继续增加，夹断区仅略有增加。,VP,当VDS继续增加时，预夹断点向源极方向伸长为预夹断区。由于预夹断区电阻很大，使主要VDS降落在该区，由此产生的强电场力能把未夹断区漂移到其边界上的载流子都吸至漏极，形成漏极饱和电流。（称为饱和电流的原因）,为什么？,.,7,JFET工作原理（动画2-9),.,8,(3)伏安特性曲线,输出特性曲线,恒流区：(又称饱和区或放大区）,(2)受控性：输出电流受输入电压vGS控制,(1)恒流性：输出电流iD基本上不受输出电压vDS影响,用途：可做放大器和恒流源。条件：(1)栅源沟道未夹断(2)漏源沟道予夹断,特点：,.,9,(3)伏安特性曲线,预夹断条件：,而：,即：,所以：,.,10,可变电阻区,特点（2）当vGS为定值时,iD是vDS的（近似）线性函数，管子的漏源间呈现为线性电阻，且其阻值受vGS控制。,特点（1）管压降vDS很小。,用途：做压控线性电阻和无触点的、闭合状态的电子开关。,条件：源端与漏端沟道都不夹断,.,11,夹断区,用途：做无触点的、接通状态的电子开关。,条件：整个沟道都夹断,击穿区,当漏源电压增大到时，漏端PN结发生雪崩击穿，使iD剧增的区域。其值一般为（2050）V之间。管子不能在击穿区工作。,特点：,.,12,总结：场效应管在不同的vGS、vDS电压下处在不同的工作区中：1、可变电阻区：vDSvGS-VP、vGSVP3、截止区：vGSVBR(DS),.,13,转移特性曲线,输入电压VGS对输出漏极电流ID的控制,.,14,.,15,结型场效应管的特性小结,.,16,金属-氧化物-半导体场效应管,绝缘栅型场效应管MetalOxideSemiconductorMOSFET分为增强型N沟道、P沟道耗尽型N沟道、P沟道,增强型：没有导电沟道，,耗尽型：存在导电沟道，,N沟道P沟道增强型,N沟道P沟道耗尽型,.,17,N沟道增强型场效应管,.,18,N沟道增强型场效应管的工作原理,（1）栅源电压VGS的控制作用,.,19,（1）.栅源电压VGS的控制作用,的N型沟道。把开始形成反型层的VGS值称为该管的开启电压VT。这时，若在漏源间加电压VDS，就能产生漏极电流ID，即管子开启。VGS值越大，沟道内自由电子越多，沟道电阻越小，在同样VDS电压作用下，ID越大。这样，就实现了输入电压VGS对输出电流ID的控制。,当VGSVT时，衬底中的电子进一步被吸至栅极下方的P型衬底表层，使衬底表层中的自由电子数量大于空穴数量，该薄层转换为N型半导体，称此为反型层。形成N源区到N漏区,ID,.,20,栅源电压VGS对漏极电流ID的控制作用,.,21,2.漏源电压VDS对沟道导电能力的影响,当VGSVT且固定为某值的情况下，若给漏源间加正电压VDS则源区的自由电子将沿着沟道漂移到漏区，形成漏极电流ID，当ID从DS流过沟道时，沿途会产生压降，进而导致沿着沟道长度上栅极与沟道间的电压分布不均匀。源极端电压最大，由此感生的沟道最深；离开源极端，越向漏极端靠近，则栅沟间的电压线性下降，由它们感生的沟道越来越浅；直到漏极端，栅漏,间电压最小，由此感生的沟道也最浅。可见，在VDS作用下导电沟道的深度是不均匀的，沟道呈锥形分布。若VDS进一步增大，则漏端沟道消失，出现预夹断点（A点）。,A,.,22,当VDS为0或较小时，此时VDS基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。,当VDS增加到使VGD=VT时，漏极处沟道将缩减到刚刚开启的情况，称为预夹断。源区的自由电子在VDS电场力的作用下，仍能沿着沟道向漏端漂移，一旦到达预夹断区的边界处，就能被预夹断区内的电场力扫至漏区，形成漏极电流。,当VDS增加到使VGDVT时，预夹断点向源极端延伸成小的夹断区。由于预夹断区呈现高阻，而未夹断沟道部分为低阻，因此，VDS增加的部分基本上降落在该夹断区内，而沟道中的电场力基本不变，漂移电流基本不变，所以，从漏端沟道出现预夹断点开始，ID基本不随VDS增加而变化。,.,23,增强型MOSFET的工作原理,.,24,MOSFET的特性曲线,1.漏极输出特性曲线,.,25,2.转移特性曲线VGS对ID的控制特性,转移特性曲线的斜率gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。其量纲为mA/V，称gm为跨导。gm=ID/VGSQ（mS),ID=f(VGS)VDS=常数,.,26,增强型MOS管特性小结,.,27,耗尽型MOSFET,N沟道耗尽型MOS管，它是在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了大量的金属正离子，在管子制造过程中，这些正离子已经在漏源之间的衬底表面感应出反型层，形成了导电沟道。因此，使用时无须加开启电压（VGS=0），只要加漏源电压，就会有漏极电流。当VGS0时，将使ID进一步增加。VGS0时，随着VGS的减小ID逐渐减小，直至ID=0。对应ID=0的VGS值为夹断电压VP。,.,28,耗尽型MOSFET的特性曲线,.,29,场效应三极管的参数和型号,一、场效应三极管的参数1.开启电压VT开启电压是MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值,场效应管不能导通。,2.夹断电压VP夹断电压是耗尽型FET的参数，当VGS=VP时,漏极电流为零。,3.饱和漏极电流IDSS耗尽型场效应三极管,当VGS=0时所对应的漏极电流。,.,30,4.输入电阻RGS,结型场效应三极管，反偏时RGS约大于107；绝缘栅型场效应三极管,RGS约是1091015。,5.低频跨导gm低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用，gm可以在转移特性曲线上求取，单位是mS(毫西门子)。,6.最大漏极功耗PDM最大漏极功耗可由PDM=VDSID决定，与双极型三极管的PCM相当。,.,31,7.输出电阻rd从输出特性曲线上可以了解这个概念。,.,32,(2)场效应三极管的型号,场效应三极管的型号,现行有两种命名方法。其一是与双极型三极管相同，第三位字母J代表结型场效应管，O代表绝缘栅场效应管。第二位字母代表材料，D是P型硅，反型层是N沟道；C是N型硅P沟道。如,3DJ6D是结型N沟道场效应三极管，3DO6C是绝缘栅型N沟道场效应三极管。,第二种命名方法是CS#，CS代表场效应管，以数字代表型号的序号，#用字母代表同一型号中的不同规格。例如CS14A、CS45G等。,.,33,几种常用场效应三极管的主要参数,.,34,双极型三极管与场效应三极管的比较,双极型三极管场效应三极管结构NPN型结型N沟道P沟道与PNP型绝缘栅增强型N沟道P沟道分类C与E一般不可绝缘栅耗尽型N沟道P沟道倒置使用D与S有的型号可倒置使用载流子多子扩散少子漂移多子漂移输入量电流输入电压输入控制电流控制电流源电压控制电流源噪声较大较小温度特性受温度影响较大较小，且有零温度系数点输入电阻几十到几千欧姆几兆欧姆以上静电影响不受静电影响易受静电影响集成工艺不易大规模集成适宜大规模和超大规模集成,.,35,.,36,结型场效应管放大电路,（1）自偏压电路及静态分析(VGSQ、IDQ、VDSQ),VGSQ=-IDQRIDQ=IDSS1(VGSQ/VP)2解方程组，去掉无意义的解,VDSQ=VDD-IDQ(Rd+R),注意与三极管的比较,.,37,（2）分压式偏压电路及静态分析,直流通道,VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2)VGSQ=VGVS=VGIDQRIDQ=IDSS1(VGSQ/VP)2VDSQ=VDDIDQ(R+Rd)由此可以解出VGSQ、IDQ和VDSQ。,不仅需要计算：VGSQ、IDQ、VDSQ还需要计算：VG,注意：Rg3的作用,.,38,（3）动态分析的小信号分析法,前提：满足外部工作条件,.,39,（3）动态分析的小信号分析法,低频模型,前提：满足外部工作条件,.,40,交流分析,小信号等效电路,电压放大倍数,输入电阻,输出电阻,.,41,N沟道耗尽型结型场效应管放大器的自偏压电路如图1(a)所示。其中场效应管的栅极通过电阻Rg接地，源极通过电阻R接地。,场效应管放大器的自偏压电路,MOS型FET的对比-直流偏置电路1.自偏压电路,图1(a),图1(b),.,42,自偏压电路工作原理,这种偏置方式靠漏极电流ID在源极电阻R上产生的电压为栅-源极间提供一个偏置电压VGS，故称为自偏压电路。静态时，源极电位VS=IDR。由于栅极电流为零，Rg上没有电压降，栅极电位VG=0，所以栅源偏置电压:VGS=VGVS=IDR耗尽型MOS管也可采用这种形式的偏置电路,图1(a),.,43,图1(b)所示电路是自偏压电路的特例，其中VGS=0。显然这种偏置电路只适用于耗尽型MOS管，因为在栅源电压大于零、等于零和小于零的一定范围内，耗尽型MOS管均能正常工作。增强型MOS管只有在栅-源电压达到其开启电压VT时，才有漏极电流ID产生，因此图1所示的自偏压电路非增强型MOS管。,图1(b),.,44,2分压器式自偏压电路分压器式自偏压电路是在自偏压电路的基础上加接分压电路后构成的，如图2所示。,图2,.,45,静态时，由于栅极电流为零，Rg3上没有电压降，所以栅极电位由Rg2与Rg1对电源VDD分压得到，即源极电位VS=IDR，因此栅源直流偏置电压VGS=VG-VS适用范围：这种偏置方式同样适用于结型场效应管或耗尽型MOS管组成的放大电路，还适用于增强型管电路。,分压器式自偏压电路工作原理：,直流通道,.,46,二、静态工作点的确定1.估算法求静态工作点,对场效应管放大电路的静态分析也可以采用图解法或公式估算法，图解法的步骤与双极型三极管放大电路的图解法相似。这里仅讨论用公式估算法求静态工作点。,.,47,工作在饱和区时场效应管漏极电流:结型场效应管和耗尽型MOS管的漏极电流,增强型MOS管的漏极电流,.,48,求静态工作点时，对于图1(a)所示的自偏压电路，可求解方程组,得到ID和VGS,管压降,图1(a),.,49,对于图2所示电路，可求解方程组,管压降,VDS=VDDID(Rd+R),得到ID和VGS,图2,.,50,例1下图电路中，设场效应管为M