第四章场效应管放大电路

1、模拟电子技术模拟电子技术主讲教师：张立权主讲教师：张立权2007-12-1第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路123金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应管半导体场效应管MOSFET放大电路放大电路结型场效应管结型场效应管引引 言言v 优点： 输入阻抗高、热稳定性好、噪声低、抗辐射能力强 及省电等。BJTFET电流电流控制电流的器件控制电流的器件两种两种载流子参与导电载流子参与导电属于双极型器件属于双极型器件利用利用电场效应电场效应来控制来控制电流的器件电流的器件一种一种载流子参与导电载流子参与导电属于单极型器件属于单极型器件v 分类：场效应管场效应管JFETMOSFETN沟道沟道P沟

2、道沟道N沟道沟道P沟道沟道增强型增强型耗尽型耗尽型增强型增强型耗尽型耗尽型第一节第一节 金属金属- -氧化物氧化物- -半导体场效应管半导体场效应管1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFETv 结构及电路符号sgdN PN 衬底衬底sgdP衬底衬底SiO2绝缘层金属Al箭头方向表示由P指向NN沟道增强型沟道增强型sgdP NP 衬底衬底sgdN衬底衬底SiO2绝缘层金属Al箭头方向表示由P指向Nv P沟道增强型结构及符号v 特点： 栅极g相当基极b，源极s相当发射极e，漏极d相当 集电极c。VGS=0时v N沟道增强型MOS管的工作原理v 栅源电压栅源电压VGS的控制作用的控制作用SGDN P

3、N 衬底衬底GSVDSVv VGS=0时时D-S间相当两个背靠背的PN结0DIVGS0时v VGS0时时SGDN PN 衬底衬底GSVDSVSiO2绝缘层的存在，栅极电流为零0DI此电场排斥多子空穴，剩下不能移动的负离子，形成耗尽层。由于电容效应会产生一垂直向下的电场E。v VGSVT时时VGSVT时，VT称为开启开启电压电压SGDN PN 衬底衬底GSVDSV0DI此电场吸引足够多的电子，形成N型沟道型沟道，也称反型层反型层。2007-12-1v VGS控制作用小结： VGSVT ，ID0，场效应管工作于输出特性曲线的 截止区截止区。 VGS较小时 ，感应的电子较少，导电沟道的电阻较 大。在

4、VDS一定时，随着VGS增加，导电沟道阻值变 小，漏极电流ID增大。 VGSVT 随着VDS继续增加，会产生预夹断预夹断现象，此时有 VGD=VGS-VDSVT VDS继续增加，当VGD=VGS-VDS0时时SGDN PN 衬底衬底GSVDSV+ + + + + + +VGS0时随着VGS的增加，导电沟道变宽，漏极电流ID增大。v VGS0时时SGDN PN 衬底衬底GSVDSV+ + + + + + +随着VGS的反向增加，导电沟道变窄，漏极电流ID减小。当VGS增至某一数值时，沟道完全被夹断。漏极电流ID0。ID=0时的栅源电压称为夹断夹断电压电压VP。v N沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管可

5、在正或负的栅源电压下工作。管可在正或负的栅源电压下工作。v N沟道耗尽型MOS管的特性曲线 耗尽型MOS管在vGS0时就有导电沟道，加反向电压才能夹断。v 转移特性和输出特性曲线DiGSv0PVGSPvVGDPvVGDPvVDiDSv00GSv0GSv1.3 MOSFET和和BJT的比较的比较BJTMOS结结 构构C、E极一般不可极一般不可互换使用互换使用D、S极一般可互换极一般可互换使用使用导电机理导电机理多子扩散少子漂移多子扩散少子漂移多子漂移多子漂移放大原理放大原理电流控制电流电流控制电流电压控制电流电压控制电流外界影响外界影响受温度影响较大受温度影响较大受温度影响较小受温度影响较小输入

6、电阻输入电阻几十到几千欧姆几十到几千欧姆几兆欧姆以上几兆欧姆以上电电 流流基极电流不为基极电流不为0栅极电流近似于栅极电流近似于01.4 MOSFET的主要参数的主要参数v 开启电压VT：当vDS为一固定值使iD等于微小电流时，v 栅源间的电压。v 夹断电压VP：当vDS为一固定值使iD等于微小电流时， 栅源间的电压。v 饱和漏极电流IDSS：耗尽型MOS管vGS=0时的漏极电流v 直流输入电阻RGS(DC)：栅源电压除栅流。v 低频跨导gm：在漏源电压为常数时，漏极电流的微变v 量除栅源电压的微变量。constDSDmGSvigvv 输出电阻rds：v 最大漏极电流IDM：漏极电流允许的上限

7、值。constGSDSdsDvvriv 最大耗散功率PDM：DMDSDPviv 最大漏源电压V(BR)DS：发生雪崩击穿iD急剧上升的vDSv 最大栅源电压V(BR)GS：栅源间反向电流急剧上升的vGS2007-12-1作业：作业：5.1.1 、5.1.2第二节第二节 MOSFETMOSFET放大电路放大电路v 电路组成原则及分析方法 组成原则： 静态：设置合适的静态工作点，使MOS工作在 恒流区(饱和区)。 动态：能为交流信号提供通路。 分析方法： 静态：估算法、图解法。 动态：小信号等效电路法。 2.1 静态工作点计算静态工作点计算v 基本共源极放大电路：dR1gRDDVg2C1Cov2g

8、RsdivDi源极s与衬底一般是相连的。v 直流通道：dR1gRDDVg2gRsdDIv 注意：栅极电流注意：栅极电流Ig02DQnGSTIKVV212gGSQDDggRVVRR其中，Kn为电导常数。DSQDDDdVVI Rv 静态参数有栅源电压、漏极电 流以及漏源电压。2007-12-1v MOS管工作区域判别： 若计算出的VGS(VGS-VT)，说明工作在饱和区饱和区。 若计算出的VDS(VGS-VT)，说明工作在可变电阻区可变电阻区 例例1：电路如图，各参数为： ，计算静态工作点，并 说明管子工作状态。1260k,40k,15kggdRRR215V,1V,0.2mA/VDDTnVVKdR

9、1gRDDVg2C1Cov2gRsdivDi解：解：20.2mADQnGSTIKVV2122VgGSQDDggRVVRR2VDSQDDDdVVI R因VGD=0VVGS，则VGVS，而IG=0V则有：2125VGDDRVVRR0.5mASGDSSVVIRR()10VDSDDDSDVVIRR注意：注意：漏极和源极电流相等。(2) 动态参数计算DR1RDDVG2C1Cov2RSDivDiGRSRLRSCDR1RGoVSDiVGR2RgsVmgsg vLRDIv 电压放大倍数DR1RGoVSDiVGR2RgsVmgsg vLRDIigsVV输入电压/omgsDLmgsLVg VRRg V R 输出电

10、压电压放大倍数为15mgsLoVmLigsg V RVAg RVV v 输入、输出电阻12/1.0375MiiGiVRRRRI输入电阻10koDRR输出电阻DR1RGoVSDiVGR2RgsVmgsg vLRDIiIv 信号源置零，则电压控制电流源也为零。共射电路为共射电路为 倒相电路。倒相电路。2.3 源极跟随器源极跟随器1RDDVG2C1Cov2RSDivDiGRSRLR共漏极电路例例2：电路如图，计算静态工作点和动态参数。参数如下12150k,50k,1M,10k,GSLRRRRR3mA/V,20VmDDgV解：解：(1) 估算静态工作点1RDDVG2RSDDiGRSR设VGVGS，则V

11、GVS，而IG=0V则有：2125VGDDRVVRR0.5mASGDSSVVIRR15VDSDDSVVV(2) 动态参数计算1RDDVG2C1Cov2RSDivDiGRSRLR1RGoVDSiVGR2RgsVmgsg vLRDISRv 电压放大倍数igsoVVV输入电压/omgsSLmgsLVg VRRg V R输出电压电压放大倍数为0.941mgsLoVigsmgsLg V RVAVVg V R1RGoVDSiVGR2RgsVmgsg vLRDISR2007-12-1v 输入电阻12/1.0375MiiGiVRRRRI输入电阻1RGoVDSiVGR2RgsVmgsg vLRDISRv 输出电

12、阻1gstoDmgsmVVRIg Vg 1RGtVDSGR2RgsVmgsg vDISRtIoRoR输出电阻1/0.323kooSSmRRRRg第三节第三节 结型场效应管结型场效应管3.1 N沟道结型场效应管沟道结型场效应管v 结构及电路符号dP NP sgsgd箭头方向表示栅结正偏时，栅极电流的方向由P指向Nv P沟道结型场效应管结构和符号dN PN sgsgd箭头方向表示栅结正偏时，栅极电流的方向由P指向NDNP P SGGSVv N沟道JFET工作原理v 栅源电压栅源电压VGS的控制作用的控制作用v VDS=0，栅源间加负电压，栅源间加负电压P P PN结反偏，|VGS|越大则耗尽区越宽

13、，导电沟道越窄，电阻增大。DNSGGSVP P v |VGS|VP|时时P P |VGS|增至一定值(夹断电压夹断电压VP)，两耗尽层合拢，导电沟道夹断。此时即使VDS 0V，漏极电流ID=0A0DI2007-12-1v VGS控制作用小结： 改变VGS的大小 ，可控制导电沟道电阻的大小，对 于固定的VDS，VGS的增加使漏极电流ID减小。 结型场效应管由于没有绝缘层，只能工作在反偏结型场效应管由于没有绝缘层，只能工作在反偏 的条件下，否则会出现栅流。的条件下，否则会出现栅流。即输入电阻较大。v 漏源电压漏源电压VDS的控制作用的控制作用v VGS=0，漏源间加正电压，漏源间加正电压DNP P

14、 SGDSVP P 由于存在电位梯度，越靠近漏端，PN结反偏电压越大，耗尽层越宽。2007-12-1v VDS控制作用小结： 增加VDS的大小 ，一方面可增加漏极电流ID，另一 方面由于导电沟道变窄，电阻增大，又使漏极电流 ID减小。但是在预夹断前，可近似认为沟道电阻基但是在预夹断前，可近似认为沟道电阻基 本上决定于本上决定于VGS，即，即ID随随VDS线性增加。线性增加。 VDS对沟道的影响是不均匀的，使沟道呈楔形。v VGS0，漏源间加正电压，漏源间加正电压P P DNSGDSVGSV|VGS|VP|时DIP P 随着VDS增加，ID线性增大。当VDS增加至使VGD=VGS-VDS=VP时

15、，靠近漏端的沟道被预夹断。|VGS|VP|时DI 恒定P P DNSGDSVGSV随着VDS继续增加，夹断区向下延伸。增加的VDS主要降落在夹断区上，因此，ID基本恒定。P P v N沟道JFET特性曲线 在漏源电压vDS一定的条件下，栅源电压vGS对漏极电流iD的控制特性。constDSDGSvif vv 转移特性曲线 转移特性曲线可由输出 特性曲线获得。 DiGSv0PVDSSI 其中， IDSS为饱和漏极电流。 2)1 (PGSDSSDVVIiv 输出特性曲线 在栅源电压vGS一定的情况下，漏极电流iD与漏源电压vDS之间的关系。constGSDDSvif vDiDSv0DSSI0GSvPV| |GSPvvGDPvVGDPvVDiDSv00GSv2V GSv4V GSvv P沟道JFET特性曲线v 转移特性曲线DiGSv0PVDSSIN沟道转移特性曲线DiGSv0PVDSSIP沟道转移特性曲线v 输出特性曲线GS