第03章场效应晶体管放大器ppt

1、 3.1 场场 效效 应应 管管 场效应管是一种电压控制器件，它场效应管是一种电压控制器件，它是利用电场效应来控制其电流的大小，是利用电场效应来控制其电流的大小，从而实现放大。场效应管工作时，内部从而实现放大。场效应管工作时，内部参与导电的只有参与导电的只有多子多子一种载流子，因此一种载流子，因此又称为单极性器件。又称为单极性器件。 根据结构不同，场效应管分为两大根据结构不同，场效应管分为两大类，类，结型场效应管结型场效应管和和绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管。3.1.1 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管 绝 缘 栅 场 效 应 管绝 缘 栅 场 效 应 管 是 由 金 属是 由 金 属（Metal）

2、、氧化物（）、氧化物（Oxide）和半）和半导体（导体（Semiconductor）材料构成）材料构成的，因此又叫的，因此又叫MOS管管。 绝缘栅场效应管分为增强型和耗绝缘栅场效应管分为增强型和耗尽型两种，每一种又包括尽型两种，每一种又包括N沟道沟道和和P沟道沟道两种类型。两种类型。（1）结构与符号）结构与符号 以以N沟道增强型沟道增强型MOS管为例，它是以管为例，它是以P型半导体作为衬底，用半导体工艺技型半导体作为衬底，用半导体工艺技术制作术制作两个高浓度的两个高浓度的N型区型区，两个，两个N型区型区分别引出一个金属电极，作为分别引出一个金属电极，作为MOS管的管的源极源极S和漏极和漏极D；

3、在；在P形衬底的表面生长形衬底的表面生长一层很薄的一层很薄的SiO2绝缘层绝缘层，绝缘层上，绝缘层上引出引出一个金属电极称为一个金属电极称为MOS管的管的栅极栅极G。B为从为从衬底衬底引出的金属引出的金属电极电极，一般工作时一般工作时衬底与源极相连衬底与源极相连。图。图3-1所示为所示为N沟道增沟道增强型强型MOS管的结构与符号。管的结构与符号。 符号中的箭头表示从符号中的箭头表示从P区（衬底）指区（衬底）指向向N区（区（N沟道），虚线表示增强型。沟道），虚线表示增强型。（2）N沟道增强型沟道增强型MOS管的工作原理管的工作原理 如图如图3-2所示，在栅极所示，在栅极G和源极和源极S之间加电压

4、之间加电压UGS，漏极，漏极D和源极和源极S之间之间加电压加电压UDS，衬底，衬底B与源极与源极S相连。相连。图图3-2 N沟道增强型沟道增强型MOS管加栅源电压管加栅源电压UGS 形成导电沟道所需要的最小栅源电压形成导电沟道所需要的最小栅源电压UGS，称为开启电压，称为开启电压UGS(th)。 反型层反型层,也也就是沟道就是沟道UGS越大，沟越大，沟道电阻越小道电阻越小UDS为为0时时UDS=UGS-UGS(th)预夹断预夹断UDSUGS-UGS(th)夹断点夹断点移向源极移向源极UGS一定时一定时图图3-3 UDS对导电沟道的影响对导电沟道的影响（3）特性曲线）特性曲线 输出特性（漏极特性

5、）曲线输出特性（漏极特性）曲线图图3-4(a) N沟道增强型沟道增强型MOS管的输出特性曲线管的输出特性曲线 U UGSGS( (thth) ) 当当uDS较小时，其对沟较小时，其对沟道的影响较小，道的影响较小， uGS一定，一定，沟道大小就一定，沟道电阻沟道大小就一定，沟道电阻也一定。也一定。 uGS增加增加 ，则沟道，则沟道厚度增加，沟道电阻减小厚度增加，沟道电阻减小（可变电阻区）（可变电阻区） 。 当当uGS一定时，在一定时，在 uDS uGS- uGS(th)时，时， iD基本不随基本不随uDS 的变化而变化（恒流区）。的变化而变化（恒流区）。 当当uDS继续增大到某一临继续增大到某一

6、临界时，由于加到沟道中耗尽层界时，由于加到沟道中耗尽层的电压太高，电场很强致使栅的电压太高，电场很强致使栅漏间的漏间的PN结产生击穿，结产生击穿， iD急急剧增大（击穿区）剧增大（击穿区） 。 转移特性曲线转移特性曲线图图3-4(b) N沟道增强型沟道增强型MOS管的转移特性曲线管的转移特性曲线 U UGSGS( (thth) )0 uGS uGS(th) iD=0uGS uGS(th) iD0，且随且随uGS增大而增大增大而增大在在uGS不变时不变时2.耗尽型绝缘栅场效应管耗尽型绝缘栅场效应管（1）结构、符号与工作原理）结构、符号与工作原理图图3-6 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管的结构与符

7、号管的结构与符号 预先注入预先注入离子离子（2）特性曲线）特性曲线图图3-7 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管的输出特性曲线和转移特性曲线管的输出特性曲线和转移特性曲线 当当uDS一定时，在一定时，在 uGS增加增加时，时， iD增加。增加。在在 uGS加负电压时，会在加负电压时，会在衬底表面产生正电荷，以衬底表面产生正电荷，以抵消抵消N沟道中的电子，使沟道中的电子，使沟道变窄。沟道变窄。U UGSGS( (offoff) )U UGSGS( (offoff) ) 耗尽型耗尽型MOS管工作时，其栅源管工作时，其栅源电压电压UGS可以为可以为0，也可以取正值，也可以取正值或负值，这个特点使其在应用

8、中或负值，这个特点使其在应用中具有更大的灵活性。具有更大的灵活性。3. 增强型增强型MOS管与耗尽型比较管与耗尽型比较绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管 有开启电压有开启电压UGS(th)：指：指UDS为一为一定值时，形成导电沟道，使增强型定值时，形成导电沟道，使增强型MOS管导通所需要的栅源电压值。管导通所需要的栅源电压值。3.1. 2 结型场效应管结型场效应管 结型场效应管分为结型场效应管分为N沟道结型沟道结型管管和和P沟道结型管沟道结型管，它们都具有，它们都具有3个个电极：栅极、源极和漏极，分别与电极：栅极、源极和漏极，分别与三极管的基极、发射极和集电极三极管的基极、发射极和集电极相相对应对应

9、。1.结型场效应管的结构与符号结型场效应管的结构与符号 图图3-8所示为所示为N沟道结型场沟道结型场效应管的结构与符号，结型场效效应管的结构与符号，结型场效应管符号中的应管符号中的箭头箭头，表示由表示由P区区指向指向N区区。 P沟道结型场效应管的构成与沟道结型场效应管的构成与N沟道类似，只是所用杂质半导体的沟道类似，只是所用杂质半导体的类型要反过来。图类型要反过来。图3-9所示为所示为P沟道沟道结型场效应管的结构与符号。结型场效应管的结构与符号。2.N沟道结型场效应管的工作原理沟道结型场效应管的工作原理 （1）当栅源电压）当栅源电压UGS=0时，两个时，两个PN结的耗尽层比较窄，中间的结的耗尽

10、层比较窄，中间的N型型导电沟道比较宽，沟道电阻小，如导电沟道比较宽，沟道电阻小，如图图3-10.1所示。所示。图图3-10.1 UGS=0时的导电沟道时的导电沟道 （2）当）当UGS0时，两个时，两个PN结反向结反向偏置，偏置，PN结的耗尽层变宽，中间的结的耗尽层变宽，中间的N型导电沟道相应变窄，沟道导通型导电沟道相应变窄，沟道导通电阻增大，如图电阻增大，如图3-10.2所示。所示。UDSUGSUDS=0UGS变化变化图图3-10.3 UGSUP时的导电沟道时的导电沟道 UDSUGS （3）当）当Uoff0时，可产生时，可产生漏极电流漏极电流ID。ID的大小将随栅源电压的大小将随栅源电压UGS

11、的的变化而变化，从而实现电压对漏极电流的控变化而变化，从而实现电压对漏极电流的控制作用。制作用。 UDS的存在，使得漏极附近的电位高，的存在，使得漏极附近的电位高，而源极附近的电位低，即沿而源极附近的电位低，即沿N型导电沟道从型导电沟道从漏极到源极形成一定的电位梯度，这样靠近漏极到源极形成一定的电位梯度，这样靠近漏极附近的漏极附近的PN结所加的反向偏置电压大，结所加的反向偏置电压大，耗尽层宽；靠近源极附近的耗尽层宽；靠近源极附近的PN结反偏电压结反偏电压小，耗尽层窄，导电沟道成为一个楔形，如小，耗尽层窄，导电沟道成为一个楔形，如图图3-10.4所示。所示。UDSUGS 为实现场效应管栅源电压对

12、为实现场效应管栅源电压对漏极电流的控制作用，结型场效漏极电流的控制作用，结型场效应管在工作时，栅极和源极之间应管在工作时，栅极和源极之间的的PN结必须反向偏置。结必须反向偏置。3.结型场效应管的特性曲线及主要参数结型场效应管的特性曲线及主要参数（1）输出特性曲线）输出特性曲线 输出特性曲线是指栅源电压输出特性曲线是指栅源电压UGS一一定时，漏极电流定时，漏极电流ID与漏源电压与漏源电压UDS之间之间的关系曲线，如图的关系曲线，如图3-11.1所示。所示。 图3-11.1 N沟道结型场效应管的输出特性曲线 （2）转移特性曲线）转移特性曲线 在场效应管的在场效应管的UDS一定时，一定时，ID与与U

13、GS之间的关系曲线称为场效应管的之间的关系曲线称为场效应管的转移特性曲线，如图转移特性曲线，如图3-11.2所示。它所示。它反映了场效应管栅源电压对漏极电反映了场效应管栅源电压对漏极电流的控制作用。流的控制作用。U UGSGS( (offoff) ) 当当UGS=0时，导电沟道电阻最小，时，导电沟道电阻最小，ID最大，称此电流为场效应管的饱最大，称此电流为场效应管的饱和漏极电流和漏极电流IDSS。 当当UGS=UGS(th)时，导电沟道被完时，导电沟道被完全夹断，沟道电阻最大，此时全夹断，沟道电阻最大，此时ID=0，称称UGS(th)为夹断电压。为夹断电压。各种场效应管的符号、电压极性及特性曲

14、线各种场效应管的符号、电压极性及特性曲线(P93)（3）主要参数）主要参数 夹断电压（夹断电压（UGS(th)） 饱和漏极电流饱和漏极电流IDSS 直流输入电阻（直流输入电阻（RGS）低频跨导（低频跨导（gm）最大耗散功率（最大耗散功率（PDM） 漏源击穿电压（漏源击穿电压（U（BR）DS） 栅源击穿电压（栅源击穿电压（U（BR）GS）场效应管的性能特点与选用：场效应管的性能特点与选用： （1）场效应管是）场效应管是电压控制电压控制器件，器件，输入电阻很高输入电阻很高，栅极基本不取电流，在只允许从信号源索取微弱信号栅极基本不取电流，在只允许从信号源索取微弱信号时选用场效应管。时选用场效应管。

15、（2）场效应管是多数载流子）场效应管是多数载流子导电导电，因为多子浓度，因为多子浓度主要主要取决于人为惨杂量取决于人为惨杂量，故受温度、辐射等外界条件，故受温度、辐射等外界条件的影响较小，因此在环境变化比较大的场合，选用之。的影响较小，因此在环境变化比较大的场合，选用之。 （3）场效应管的）场效应管的噪声系数比较小噪声系数比较小，所以低噪声放，所以低噪声放大器的前级选用场效应管。大器的前级选用场效应管。 （4）场效应管的）场效应管的漏、源极可互换漏、源极可互换，耗尽型，耗尽型MOS管管的栅极可正可负，应用灵活。的栅极可正可负，应用灵活。 （5）场效应管也）场效应管也可做放大可做放大电路和可控电

16、路和可控开关开关，还可，还可做做压控电阻压控电阻。选用场效应管应注意的事项：选用场效应管应注意的事项：（1）选用场效应管时，不能超过其极限参数。）选用场效应管时，不能超过其极限参数。（2）结型场效应管的源极和漏极可以互换。）结型场效应管的源极和漏极可以互换。（3）MOS管有管有3个引脚个引脚时，表明衬底已经与时，表明衬底已经与源极连在一起，漏极和源极源极连在一起，漏极和源极不能互换不能互换；有；有4个引脚时，源极和漏极可以互换。个引脚时，源极和漏极可以互换。 （4）MOS管的输入电阻高，容易造成因管的输入电阻高，容易造成因感应电荷泄放不掉而使栅极击穿永久失效。感应电荷泄放不掉而使栅极击穿永久失

17、效。因此，在存放因此，在存放MOS管时，要将管时，要将3个电极引个电极引线短接；线短接；焊接时焊接时，电烙铁的外壳要良好接电烙铁的外壳要良好接地，地，并并按漏极、源极、栅极的顺序进行焊按漏极、源极、栅极的顺序进行焊接接，而，而拆卸时则按相反顺序进行拆卸时则按相反顺序进行；测试时，；测试时，测量仪器和电路本身都要良好接地，要先测量仪器和电路本身都要良好接地，要先接好电路再去除电极之间的短接。测试结接好电路再去除电极之间的短接。测试结束后，要先短接电极再撤除仪器。束后，要先短接电极再撤除仪器。（5）电源没有关时，绝对不能把场效应管直）电源没有关时，绝对不能把场效应管直接插入到电路板中或从电路板中拔

18、出来。接插入到电路板中或从电路板中拔出来。（6）相同沟道的结型场效应管和耗尽型）相同沟道的结型场效应管和耗尽型MOS场效应管，在相同电路中可以通用。场效应管，在相同电路中可以通用。3.2 场效应管放大电路场效应管放大电路 场效应管同三极管一样，具有放大场效应管同三极管一样，具有放大作用。它也可以构成各种组态的放大电作用。它也可以构成各种组态的放大电路，共源极、共漏极、共栅极放大电路。路，共源极、共漏极、共栅极放大电路。场效应管由于具有输入阻抗高、温度稳场效应管由于具有输入阻抗高、温度稳定性能好、低噪声、低功耗等特点，其定性能好、低噪声、低功耗等特点，其所构成的放大电路有着独特的优点，应所构成的

19、放大电路有着独特的优点，应用越来越广泛。用越来越广泛。3.1.1 场效应管放大电路的构成场效应管放大电路的构成 场效应管是一个电压控制器件，在场效应管是一个电压控制器件，在构成放大电路时，为了实现信号不失真构成放大电路时，为了实现信号不失真的放大，的放大，同三极管放大电路一样同三极管放大电路一样也要有也要有一个合适的一个合适的静态工作点静态工作点Q，但它不需要，但它不需要偏置电流，而是需要一个偏置电流，而是需要一个合适的栅源极合适的栅源极偏置电压偏置电压UGS。场效应管放大电路常用。场效应管放大电路常用的偏置电路主要有两种：自偏压电路和的偏置电路主要有两种：自偏压电路和分压式自偏压电路。分压式

20、自偏压电路。1.自偏压电路自偏压电路 图图3-13所示为所示为N沟道结型场效应管自沟道结型场效应管自偏压放大电路。偏压放大电路。 栅源偏置电压栅源偏置电压UGS=UGUS=IDRS。 图图3-13 自偏压电路自偏压电路 2.分压式自偏压电路分压式自偏压电路 图图3-14所示为所示为N沟道结型场效应沟道结型场效应管分压式自偏压放大电路。管分压式自偏压放大电路。 图图3-14 分压式自偏压电路分压式自偏压电路 3.1.2 场效应管放大电路的分析场效应管放大电路的分析 场效应管放大电路同三极管电路的分场效应管放大电路同三极管电路的分析方法类似。析方法类似。1.场效应管微变等效电路场效应管微变等效电路 场效应管的栅极和源极之间电阻很大，场效应管的栅极和源极之间电阻很大，电压为电压为ugs，电流近似为，电流近似为0，可视为开路。，可视为开路。漏极和源极之间等效为一个受电压漏极和源极之间等效为一个受电压ugs控控制的电流源。图制的电流源。图3-15所示为场效应管的所示为场效应管的微变等效电路微变等效电路。mUGSDguiDS),(DSGSDuufi dUDSDruiGS1DSDSDGSGSDDduuiduuidi跨导跨导输出电阻输出电阻2.自偏压电路的动态分析自偏压电路的动态分析 图图3-16所示为图所示为图3-13自偏压电路自偏压电路的微变等效电路，由此可求电路的的微变等效电路