单极型场效应管及其放大电路

1、上页上页下页下页电子技术基础精品课程电子技术基础精品课程模拟电子技术基础模拟电子技术基础(Field Effect Transistor)4.1 单极型场效应管概述单极型场效应管概述4.3 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管(MOSFET)4.4 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管管4.5 各种场效应管特性比较及注意事项各种场效应管特性比较及注意事项 4.2 结型场效应管结型场效应管(JEFT)4.6 场效应管放大器及其静态分析场效应管放大器及其静态分析4.7 场效应管放大电路微变等效电路分析场效应管放大电路微变等效电路分析基本要求基本要求:1 了解了解JFET和和MOS管的工作原理、特性曲线及主要参数

2、管的工作原理、特性曲线及主要参数2 掌握用估算法和小信号模型法分析静态及动态性能指标掌握用估算法和小信号模型法分析静态及动态性能指标3 了解三极管及场效应管放大电路的特点了解三极管及场效应管放大电路的特点上页上页下页下页电子技术基础精品课程电子技术基础精品课程模拟电子技术基础模拟电子技术基础N沟道沟道P沟道沟道增强型增强型耗尽型耗尽型N沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道（耗尽型）（耗尽型）FET场效应管场效应管JFET结型结型MOSFET绝缘栅型绝缘栅型(IGFET)分类分类增强型增强型FET vGS=0时没有导电沟道，时没有导电沟道，iD=0;vGS0形成形成 感生沟道的感生沟道的FET

3、。符号中的虚线表明了其特点。符号中的虚线表明了其特点。 反之，为反之，为耗尽型耗尽型。4.1 单极型单极型场效应管场效应管概述概述上页上页下页下页电子技术基础精品课程电子技术基础精品课程模拟电子技术基础模拟电子技术基础4.2 结型场效应管(JFET) 4.2.1 JFET的结构 4.2.3 JFET的特性曲线 4.2.2 JFET的工作原理 4.2.3 JFET的主要参数 上页上页下页下页电子技术基础精品课程电子技术基础精品课程模拟电子技术基础模拟电子技术基础 结构示意图 N沟道沟道P沟道沟道按导电沟道分按导电沟道分 4.2.1 JFET的结构上页上页下页下页电子技术基础精品课程电子技术基础精

4、品课程模拟电子技术基础模拟电子技术基础 源极源极，用用S或或s表示表示N型导电沟道型导电沟道漏极漏极，用用D或或d表示表示 P型区型区P型区型区栅极栅极，用用G或或g表示表示栅极栅极，用用G或或g表示表示符号符号符号符号 结构实际结构 栅结正偏时，栅极电流的方向从栅结正偏时，栅极电流的方向从P指向指向N 4.2.1 JFET的结构上页上页下页下页电子技术基础精品课程电子技术基础精品课程模拟电子技术基础模拟电子技术基础偏置电压的要求：偏置电压的要求：1 )栅栅-源极间加一负电压源极间加一负电压(vGS 0)作用：作用：使栅使栅-源极间的源极间的PN结反偏，栅极电流结反偏，栅极电流iG0，场效应管

5、呈现，场效应管呈现很高的输入电阻很高的输入电阻(高达高达107 左右左右)。2)漏漏-源极间加一正电压源极间加一正电压(vDS0)作用：作用：使使N沟道中的多数载流子电子在电场作用下由源极向漏极沟道中的多数载流子电子在电场作用下由源极向漏极作漂移运动，形成漏极电流作漂移运动，形成漏极电流iD。 在上述两个电源的作用下在上述两个电源的作用下,iD的大小主要受栅的大小主要受栅-源电压源电压vGS控制，控制，同时也受漏同时也受漏-源电压源电压vDS的影响。的影响。工作原理（以（以N沟道沟道JFET为例）为例） 4.2.2 JFET的工作原理上页上页下页下页电子技术基础精品课程电子技术基础精品课程模拟

6、电子技术基础模拟电子技术基础(1) VGS对沟道的控制作用对沟道的控制作用 (假设假设vDS=0)当当VGS0时时 当沟道夹断时，对应当沟道夹断时，对应的栅源电压的栅源电压VGS称为称为夹断夹断电压电压VP （ 或或VGS(off) ）。）。对于对于N沟道的沟道的JFET，VP V(BR)DS反向击穿反向击穿 4.2.2 JFET的工作原理上页上页下页下页电子技术基础精品课程电子技术基础精品课程模拟电子技术基础模拟电子技术基础(3) VGS和和VDS同时作用时同时作用时导电沟道更容易夹断，导电沟道更容易夹断，对于同样的对于同样的VDS ， ID的值比的值比VGS=0时的值要小。时的值要小。VG

7、D=VGS- -VDS =VP 当当VP VGS0 时，时，在预夹断处在预夹断处iD/mA 0 vDS/VvGS=0vGS=-1VvGS=VP预夹断轨迹预夹断轨迹VGD=VGS- -VDS =VP 预夹断点预夹断点VGS VP 沟道截止沟道截止iD=0截止区截止区 4.2.2 JFET的工作原理上页上页下页下页电子技术基础精品课程电子技术基础精品课程模拟电子技术基础模拟电子技术基础综上分析可知综上分析可知 沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电， 所以场效应管也称为单极型三极管。 JFET是电压控制电流器件，iD受vGS控制 预夹断前iD与vDS呈近似线性关系；预夹断后， iD趋于饱和。 JF

8、ET栅极与沟道间的PN结是反向偏置的，因 此iG0，输入电阻很高。 4.2.2 JFET的工作原理上页上页下页下页电子技术基础精品课程电子技术基础精品课程模拟电子技术基础模拟电子技术基础const.DSDGS)( vvfi2. 转移特性转移特性 const.GSDDS)( vvfi)0()1(GSP2PGSDSSD vVVvIiVP1. 输出特性输出特性 饱和区饱和区线性放大区线性放大区 VGS v vT T( (开启电压开启电压) )时，出现时，出现N N型导型导电沟道电沟道 当当 vGS足够大，足够大， VT 时，衬底中电子被吸引到表面，形成时，衬底中电子被吸引到表面，形成N型导电沟道型导

9、电沟道(感生沟道感生沟道)，将两个，将两个N型区连通。型区连通。反型层反型层( (沟道沟道) )VGG电场耗尽层耗尽层电场N型导电型导电沟道沟道(感生感生) 源区、衬底和漏区形成源区、衬底和漏区形成2个背靠背的个背靠背的PN结，无论结，无论vDS极性如何总有一个极性如何总有一个PN结结反偏，电阻大，无导电沟道，反偏，电阻大，无导电沟道，iD=0； 4.3.2 N 沟道增强型沟道增强型 MOS管的工作原理管的工作原理增强型增强型FET vGS=0时没有导电沟道，时没有导电沟道，iD=0;vGS0形成感生沟道形成感生沟道 的的FET。上页上页下页下页电子技术基础精品课程电子技术基础精品课程模拟电子

10、技术基础模拟电子技术基础v源极源极S与衬底相连与衬底相连工作原理工作原理 此时，若加入此时，若加入 vDS 则有漏极电流则有漏极电流iD 产生。产生。反型层反型层( (沟道沟道) )VGG电场耗尽层耗尽层电场N型导电型导电沟道沟道(感生感生)开启电压开启电压VT 在在vDS作用下开始导电时的作用下开始导电时的vGS。(1) (1) 当当v vGS GS =0=0 ，D D、S S间没有导电沟道间没有导电沟道(2) (2) 当当v vGS GS v vT T( (开启电压开启电压) )时，出现时，出现N N型导型导电沟道电沟道 vGS 越大，越大，沟道越厚，沟道电阻越小。沟道越厚，沟道电阻越小。

11、 加入加入vDS后，沟道两端因电位不同，靠近后，沟道两端因电位不同，靠近S端厚，端厚，D端薄，端薄，沟道呈楔形。沟道呈楔形。VGG 4.3.2 N 沟道增强型沟道增强型 MOS管的工作原理管的工作原理上页上页下页下页电子技术基础精品课程电子技术基础精品课程模拟电子技术基础模拟电子技术基础vVGGVGG工作原理工作原理(3) (3) 可变电阻区和饱和区的形成机制可变电阻区和饱和区的形成机制 在在vGS VT时，若外加时，若外加vDS较小较小(vDS vGS-VT)，iD将随将随vDS上升迅速增大。上升迅速增大。iD /mAuDS /VuGS = 2 V4 V6 V8 V 当当vDS增大到一定值，

12、使增大到一定值，使vGS-vDS = vGD=VT (vDSvGS-VT) 时，靠近时，靠近D端反型层端反型层消失，产生夹断。消失，产生夹断。 vDS继续增大，夹断点左移。继续增大，夹断点左移。夹断区夹断区-反型层消反型层消失后的耗失后的耗尽区尽区注意：注意：沟道夹断时，耗尽区中仍沟道夹断时，耗尽区中仍有电流流过。有电流流过。 vDS继续增加时，增加的部分主要降继续增加时，增加的部分主要降落在夹断区，而降落在导电沟道上的电压落在夹断区，而降落在导电沟道上的电压基本不变，因此基本不变，因此vDS增加，增加，iD趋于饱和。趋于饱和。 当当vDS=vGS-VT时，称为预夹断时，称为预夹断(预夹断临界

13、条件预夹断临界条件) 。可变电可变电阻区阻区饱和饱和区区预夹预夹断点断点归纳：利用栅源电压的大小改变半导体表面感生电荷的多少，归纳：利用栅源电压的大小改变半导体表面感生电荷的多少，以改变沟道电阻的大小，进而可以控制漏极电流的大小。以改变沟道电阻的大小，进而可以控制漏极电流的大小。 4.3.2 N 沟道增强型沟道增强型 MOS管的工作原理管的工作原理上页上页下页下页电子技术基础精品课程电子技术基础精品课程模拟电子技术基础模拟电子技术基础(1) (1) 输出特性及输出特性及电流电流方程方程a、截止区、截止区(vGS0 时时，感应更多电子，沟道变宽，在，感应更多电子，沟道变宽，在vDS作用下作用下i

14、D更大；更大； vGS0,使沟道中的感应电子减少，沟道变窄，在使沟道中的感应电子减少，沟道变窄，在vDS作用下，作用下， iD 减小。减小。4.44.4 N N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSMOS管管上页上页下页下页电子技术基础精品课程电子技术基础精品课程模拟电子技术基础模拟电子技术基础输出特性输出特性vGS /ViD /mAIDSSVP夹断夹断电压电压饱和漏饱和漏极电流极电流当当 vGS VP 时，时，2P)1(GSDSSDVvIi vDS /ViD /mAvGS = 4 V 2 V0 V2 VOO转移特性转移特性vGS 可正可负，可正可负，iG 04.4.2 工作特性工作特性4.44.4 N

15、N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSMOS管管上页上页下页下页电子技术基础精品课程电子技术基础精品课程模拟电子技术基础模拟电子技术基础增强型增强型耗尽型耗尽型SGDBSGDB4.44.4 N N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSMOS管管上页上页下页下页电子技术基础精品课程电子技术基础精品课程模拟电子技术基础模拟电子技术基础综上分析可知综上分析可知 感生沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电， 所以场效应管也称为单极型三极管。 MOSFET是电压控制电流器件，iD受vGS控制 预夹断前iD与vDS呈近似线性关系；预夹断后， iD趋于饱和。 MOSFET的栅极绝缘，iG=0，输入电阻很高。 绝缘栅绝缘栅场效应管

16、场效应管上页上页下页下页电子技术基础精品课程电子技术基础精品课程模拟电子技术基础模拟电子技术基础N 沟道沟道增强型增强型SGDBiDP 沟道沟道增强型增强型SGDBiD2 2 OvGS /ViD /mAVTSGDBiDN 沟道耗尽沟道耗尽型型iDSGDBP 沟道耗尽沟道耗尽型型VPIDSSvGS /ViD /mA 5 O54.5.1 各类各类 FET 符号、特性符号、特性4.5 4.5 各种场效应管特性比较及注意事项各种场效应管特性比较及注意事项上页上页下页下页电子技术基础精品课程电子技术基础精品课程模拟电子技术基础模拟电子技术基础O uDS /ViD /mA5 V2 V0 V uGS = N

17、 沟道结沟道结型型SGDiDSGDiDP 沟道结沟道结型型UGS(off)O uDS /ViD /mAuGS = 0 V 2 V 5 VuGS /ViD /mA5 5 OIDSS4.5 4.5 各种场效应管特性比较及注意事项各种场效应管特性比较及注意事项上页上页下页下页电子技术基础精品课程电子技术基础精品课程模拟电子技术基础模拟电子技术基础 （1）JFET的的vGS不能接反，开路保存，不能接反，开路保存，d、s可以互换；可以互换； N沟道沟道MOS管，将衬底接到电位最低点；管，将衬底接到电位最低点； 4.5 4.5 各种场效应管特性比较及注意事项各种场效应管特性比较及注意事项4.5.2 4.5

18、.2 使用场效应管的注意事项使用场效应管的注意事项 （2）当）当MOSFET的衬底与源极已经相连时，的衬底与源极已经相连时，d、s不能互换不能互换的的vGS不能接反，开路保存，不能接反，开路保存，d、s可以互换；可以互换； （3）当）当MOSFET的衬底单独引出时，应正确连接衬底，以的衬底单独引出时，应正确连接衬底，以保证沟道与衬底间的保证沟道与衬底间的PN结反偏使衬底与沟道及各电极隔离。结反偏使衬底与沟道及各电极隔离。 P沟道沟道MOS管，将衬底接到电位最高点。管，将衬底接到电位最高点。 （4）MOS管的绝缘层很薄，及易击穿，栅极不能开路，应管的绝缘层很薄，及易击穿，栅极不能开路，应将各级短

19、路存放；焊接时，电烙铁必须可靠接地，或者断电将各级短路存放；焊接时，电烙铁必须可靠接地，或者断电利用烙铁余热焊接，并注意屏蔽交流电场。利用烙铁余热焊接，并注意屏蔽交流电场。上页上页下页下页电子技术基础精品课程电子技术基础精品课程模拟电子技术基础模拟电子技术基础1 1）各极和）各极和组态对应关系组态对应关系CEBJTFETCSCCCDCBCG4.5.3 4.5.3 场效应管与三极管的性能比较场效应管与三极管的性能比较2 2）场效应管是电压控制电流器件，三极管是电流控制电流器）场效应管是电压控制电流器件，三极管是电流控制电流器件件3 3）场效应管输入电阻高，栅极电流约为）场效应管输入电阻高，栅极电

20、流约为0 04 4）场效应管是单极型器件，管噪小）场效应管是单极型器件，管噪小5 5）场效应管制造工艺简单、功耗小、易于集成）场效应管制造工艺简单、功耗小、易于集成上页上页下页下页电子技术基础精品课程电子技术基础精品课程模拟电子技术基础模拟电子技术基础4.6 场效应管放大场效应管放大器及其静态分析器及其静态分析共源、共漏、共栅共源、共漏、共栅 4.6.1 场效应管放大电路的三种组态场效应管放大电路的三种组态 4.6.2 场效应管的直流通路及静态估算场效应管的直流通路及静态估算分析分析 4.6.3 场效应管的静态图解场效应管的静态图解分析分析（自学）（自学） 求解求解QVDS QV VGSQGS

21、Q2PGSDSSDQ)1(VvII 上页上页下页下页电子技术基础精品课程电子技术基础精品课程模拟电子技术基础模拟电子技术基础TC1C2VGGRDRGVDD+ vi -+ vo -1）固定偏压）固定偏压电路电路电路特点：电路特点：VDS Q=VDD- IDQRDI IG G =0=0时，有时，有V VGSQGSQ=-V=-VGGGG解得解得: Q(IDQ , UGSQ , VDSQ) 4.6.2 场效应管的直流通路及静态估算场效应管的直流通路及静态估算分析分析 栅源电压由栅源电压由VGG提供，保证提供，保证VGS 0或或UGSQ = 0或或UGSQ 0 4.6.2 场效应管的直流通路及静态估算场

22、效应管的直流通路及静态估算分析分析 2PGSQDSSDQ)1(VvII VDS Q=VDD-IDQ(Rd+Rs)该电路适合于各种该电路适合于各种FET管，应用较广，类似于管，应用较广，类似于BJT管的射极偏管的射极偏置电路。场效应管放大电路的输入耦合电容可以较小。置电路。场效应管放大电路的输入耦合电容可以较小。上页上页下页下页电子技术基础精品课程电子技术基础精品课程模拟电子技术基础模拟电子技术基础4.7 场效应管的微变等效电路场效应管的微变等效电路分析法分析法4.7.1 场效应管的微变等效电路场效应管的微变等效电路 （1）低）低、中、中频模型频模型通常通常rd、rgs很大可以忽略很大可以忽略

23、简化模型简化模型 上页上页下页下页电子技术基础精品课程电子技术基础精品课程模拟电子技术基础模拟电子技术基础（2）高频模型）高频模型4.7 场效应管的微变等效电路场效应管的微变等效电路分析法分析法上页上页下页下页电子技术基础精品课程电子技术基础精品课程模拟电子技术基础模拟电子技术基础1. 分压式自偏压分压式自偏压共源极共源极放大电路放大电路 （1 1）画微变等效电路画微变等效电路4.7.2 场效应管放大电路微变等效电路场效应管放大电路微变等效电路分析分析 如果，源极接如果，源极接有旁路电容有旁路电容CS？上页上页下页下页电子技术基础精品课程电子技术基础精品课程模拟电子技术基础模拟电子技术基础（2

24、）动态指标分析动态指标分析 1）中）中低低频电压增益频电压增益2）输入电阻）输入电阻3）输出电阻）输出电阻据简化小信号模型电路据简化小信号模型电路 iV gsVRVggsm)1(mgsRgV oVdgsmRVg mVARgRgmdm1 则则)/(g2g1g3iRRRR doRR 关键：关键：用用vgs表示表示vi，vo4.7.2 场效应管放大电路微变等效电路场效应管放大电路微变等效电路分析分析画出求画出求RO电路电路 如果，源极接如果，源极接有旁路电容有旁路电容CS？上页上页下页下页电子技术基础精品课程电子技术基础精品课程模拟电子技术基础模拟电子技术基础2. 共漏极共漏极放大电路放大电路 （1

25、 1）画微变等效电路画微变等效电路4.7.2 场效应管放大电路微变等效电路场效应管放大电路微变等效电路分析分析（2）动态指标分析动态指标分析 1）中）中低低频电压增益频电压增益 iV gsVLRRVg/gsm)1(mgsLRgV oVLgsmRVgLRgRg1mLm 则则 mVA1，1上页上页下页下页电子技术基础精品课程电子技术基础精品课程模拟电子技术基础模拟电子技术基础（2）动态指标分析动态指标分析 2）输入电阻）输入电阻3）输出电阻）输出电阻)/(g2g1g3iRRRR 4.7.2 场效应管放大电路微变等效电路场效应管放大电路微变等效电路分析分析画出求画出求RO电路电路TgsVV RgV)

26、VI (RIgsmTRT RgV)V-I (RITmTRT RIR)g(1TTm V/Rg1Rg1RIVRmmTTO 较小较小上页上页下页下页电子技术基础精品课程电子技术基础精品课程模拟电子技术基础模拟电子技术基础+_T+_+G1RG2R1Ciu2CSRLRouDDV 3C+DR3. 共栅极共栅极放大电路放大电路 （1 1）画微变等效电路画微变等效电路4.7.2 场效应管放大电路微变等效电路场效应管放大电路微变等效电路分析分析（2）动态指标分析动态指标分析 1）中）中低低频电压增益频电压增益gsLdgsmio)/(VRRVgVVAv LmLdm)/(RgRRg +_DRiuSRLRou+gsmuggsd_gsu+上页上页下页下页电子技术基础精品课程电子技术基础精品课程模拟电子技术基础模拟电子技术基础（2）动态指标分析动态指标分析 2）输入电阻）输入电阻4.7.2 场效应管放大电路微变等效电路场效应管放大电路微变等效电路分析分析较小较小gsmSgsgsiiiVgRVVIVR mSmS1/11gRgR +_DRiuSRLRou+gsmuggsd_gsu+3）输出电阻）输出电阻画出求画出求