3场效应管及其基本放大电路ppt课件

1、第第3 3章章 场效应管场效应管及其基本放大电及其基本放大电路路3.1结型场效应管结型场效应管3.2绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管小小 结结3.3场效应管的主要参数及交流小信号模场效应管的主要参数及交流小信号模型型3.4场效应管放大电路场效应管放大电路3.5辅修内容辅修内容包含半导体元件包含半导体元件等等等等你想知道吗？你想知道吗？场效应管的结构与特性？场效应管的结构与特性？场效应管有放大作用？场效应管有放大作用？怎样用场效应管构成放大电路？怎样用场效应管构成放大电路？在数字集成电路中应用更广泛在数字集成电路中应用更广泛电子电路电子电路你知道吗？你知道吗？引引 言言场效应管场效应管 FET (F

2、ield Effect Transistor)类型：类型：结型结型 JFET (Junction Field Effect Transistor)绝缘栅型绝缘栅型 IGFET(Insulated Gate FET)特点：特点：1. 单极性器件单极性器件(每个每个FET中只有一种载流子导电中只有一种载流子导电)3. 工艺简单、易集成、功耗小、工艺简单、易集成、功耗小、 体积小、成本低体积小、成本低2. 输入电阻高输入电阻高 (107 1015 ，IGFET 可高达可高达 1015 )3.1.1 JFET的结构与工作原理的结构与工作原理3.1.2 JFET的特性曲线的特性曲线1. 结构与符号结构与

3、符号N 沟道沟道 JFETP 沟道沟道 JFET导电沟道导电沟道栅极栅极g 漏极漏极d 源极源极s3.1.1 JFET的结构与工作原理的结构与工作原理什么是增强型？什么是耗尽型？什么是增强型？什么是耗尽型？结型场效应管是增强型还是耗尽型？结型场效应管是增强型还是耗尽型？2. N沟道沟道JFET的工作原理的工作原理1UGS 对沟道的控制作用设对沟道的控制作用设UDS=0）当当|UGS|增加时，增加时，导电沟道均匀变窄，导电沟道均匀变窄，沟道电阻增加。沟道电阻增加。UGS(off)夹断电压。对于夹断电压。对于N沟道，沟道， UGS(off)0UGS(OFF)UGS沟道宽度沟道宽度0SGDuDS+-

4、uGS+-iDiS当当UGS0，PN结反偏结反偏当当UGS 0， uGD = uGS - uDS沟道为楔型因为从沟道为楔型因为从S到到D端存在电位梯度）端存在电位梯度）预夹断预夹断(a) uGDUGS(off) 时，未夹断状态。时，未夹断状态。 DS呈电阻特性。呈电阻特性。(b) uGD=UGS(off) 时，预夹断状时，预夹断状态。态。(c) uGDUGS(off) ， uGDUGS(off) 恒流区饱和区）：恒流区饱和区）： 沟道夹断，但未完全夹断。沟道夹断，但未完全夹断。uGSUGS(off) ， uGDUGS(off) 夹断区：夹断区： 导电沟道被完全夹断。导电沟道被完全夹断。uGSU

5、GS(th) 时，衬底中电子被吸引到时，衬底中电子被吸引到P 区中区中G极极下下 ， 形成导电沟道反型层）。形成导电沟道反型层）。 uGS 越大沟道越大沟道越厚。越厚。 0 uGS UGS(th), uGD=uGS-uDS) uGSUGS(th) ，uDS0时，沟道为楔时，沟道为楔型型（越靠近（越靠近D端，端，PN结反向电压越大）结反向电压越大） (PN结越厚结越厚)(a) uGDUGS(th) 时，时，未夹断状态。未夹断状态。 DS呈电阻特性。呈电阻特性。(b) uGD=UGS(th) 时，时，预夹断状态。预夹断状态。(c) uGDUGS(th) ， uGDUGS(th) 恒流区饱和区）：恒

6、流区饱和区）： 沟道夹断但未完全夹断。沟道夹断但未完全夹断。uGSUGS(th) ， uGDUGS(th) 夹断区截止区）：夹断区截止区）： 导电沟道被完全夹断。导电沟道被完全夹断。uGS UGS(th) 时恒流区）：时恒流区）：2GS(th)GSDOD)1( UuIiIDO uGS = 2UGS(th) 时时的的 iD 值值开启电压开启电压OSGDuDS+-uGS+-iDiS（2转移特性曲线：转移特性曲线：与双极型三极管相比，为什么场效应管没有输入特性曲线？与双极型三极管相比，为什么场效应管没有输入特性曲线？场效应管的输入电阻？栅极电流？场效应管的输入电阻？栅极电流？SGDB Sio2 绝缘

7、层中掺入正离子在绝缘层中掺入正离子在 uGS = 0 时已形时已形成沟道；在成沟道；在 DS 间加正电压时形成间加正电压时形成 iD，uGS UGS(off) 时，全夹断。时，全夹断。UGS(OFF)UGS沟道宽度03.2.2 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFETN 沟道耗尽型沟道耗尽型 MOSFET续）续）输出特性输出特性uGS /ViD /mA转移特性转移特性IDSSUGS(off)夹断夹断电压电压饱和漏饱和漏极电流极电流当当 uGS UGS(off) 时，时，2(off)1(GSGSDSSDUuIi uDS /ViD /mAuGS = 4 V 2 V0 V2 VOOSGDuDS+-uGS+

8、-iDiS三、三、P 沟道沟道 MOSFET增强型增强型耗尽型耗尽型SGDBSGDBN 沟道增强型沟道增强型SGDBiDP 沟道增强型沟道增强型SGDBiD2 2 OuGS /ViD /mAUGS(th)SGDBiDN 沟道耗尽型沟道耗尽型iDSGDBP 沟道耗尽型沟道耗尽型UGS(off)IDSSuGS /ViD /mA 5 O5FET 符号、特性的比较符号、特性的比较MOS场效应管的转移特性曲线是怎么变化的？场效应管的转移特性曲线是怎么变化的？N沟道增强型转移特性曲线左移至与纵轴相交，变成沟道增强型转移特性曲线左移至与纵轴相交，变成N沟道耗尽型！沟道耗尽型！P沟道增强型转移特性曲线右移至与

9、纵轴相交，变成沟道增强型转移特性曲线右移至与纵轴相交，变成P沟道耗尽型！沟道耗尽型！O uDS /ViD /mA5 V2 V0 V2 VuGS = 2 V0 V 2 V 5 VN 沟道结型沟道结型SGDiDSGDiDP 沟道结型沟道结型uGS /ViD /mA5 5 OIDSSUGS(off)O uDS /ViD /mA5 V2 V0 VuGS = 0 V 2 V 5 V结型场效应管的转移特性曲线是怎么变化的？结型场效应管的转移特性曲线是怎么变化的？将将N沟道结型当成沟道结型当成N沟道耗尽型好了！沟道耗尽型好了！将将P沟道结型当成沟道结型当成P沟道耗尽型好了！沟道耗尽型好了！工作在恒流区时工作

10、在恒流区时g-s、d-s间的电压极性间的电压极性)0(P)0(N)00(P)00(N)00(P)00(NDSGSDSGSDSGSDSGSDSGSDSGS极性任意，沟道极性任意，沟道耗尽型，沟道，沟道增强型绝缘栅型，沟道，沟道结型场效应管uuuuuuuuuuuuuGS=0可工作在恒流区的场效应管有哪几种？可工作在恒流区的场效应管有哪几种？ uGS0才可能工作在恒流区的场效应管有哪几种？才可能工作在恒流区的场效应管有哪几种？ uGS0才可能工作在恒流区的场效应管有哪几种？才可能工作在恒流区的场效应管有哪几种？ N沟道沟道MOSFET工作区判断工作区判断N沟道场效应管工作状态的判别沟道场效应管工作状

11、态的判别N 沟道增强型沟道增强型SGDBiDN 沟道耗尽型沟道耗尽型iDSGDBN 沟道结型沟道结型(耗尽型耗尽型)SGDiD2 2 OuGS /ViD /mAUGS(th)UGS(off)工作状态工作状态UGS UGD恒流区恒流区UGSUGS(th) , UGSUGS(off) S端开启端开启 UGDUGS(th) , UGDUGS(th) , UGSUGS(off) S端开启端开启 UGDUGS(th) , UGDUGS(off)D端开启端开启夹断区夹断区UGSUGS(th) ,UGSUGS(off)S端夹断端夹断P沟道场效应管工作状态的判别沟道场效应管工作状态的判别P 沟道增强型沟道增强

12、型SGDBiDP 沟道耗尽型沟道耗尽型iDSGDBP 沟道结型沟道结型(耗尽型耗尽型)SGDiD2 2 OuGS /ViD /mAUGS(off)UGS(th)工作状态工作状态UGS UGD恒流区恒流区UGSUGS(th) , UGSUGS(th) , UGDUGS(off)D端夹断端夹断可变阻区可变阻区UGSUGS(th) , UGSUGS(off) S端开启端开启 UGDUGS(th) , UGDUGS(th) ,UGSUGS(off)S端夹断端夹断例例A 判断下图各场效应管的工作状态。已知判断下图各场效应管的工作状态。已知UGSth）=2V例例A 判断下图各场效应管的工作状态。已知判断下

13、图各场效应管的工作状态。已知UGSth）=2VuGSUGS(th)iDUGS(th)uGS=0从iD的方向可知S端夹断FET截止为什么要画出转移特性曲线？为什么要画出转移特性曲线？为了便于分析！为了便于分析！例例A 判断下图各场效应管的工作状态。已知判断下图各场效应管的工作状态。已知UGSth）=2VuGSUGS(th)iDUGS(th)uGD=0所以FET不会截止，FET处于放大状态例例A 判断下图各场效应管的工作状态。已知判断下图各场效应管的工作状态。已知UGSth）=2VuGSUGS(th)iDUGS(th)uGS=0=S端夹断FET截止VD=-12V例例C 判断下图各场效应管的工作状态

14、，并求漏极电位判断下图各场效应管的工作状态，并求漏极电位VD。 已知已知UGSoff）=2V， IDSS=4mAuGSUGS(off)iD2V4mAUGS(off)uGS=0S端开启端开启FET工作在可变电阻区工作在可变电阻区12VRg100KRd2.7KdsguGD= uSD =12-iDRd=12-4*2.7=1.2S端开启端开启FET工作在恒流区工作在恒流区uGD= uSD =- uDS =-(12-iD(Rd+Rs)=-12+4*2=-4D端开启端开启UGS(th)uGS=3VMOS管工作在可变电阻区管工作在可变电阻区S端开启端开启k5 . 015 . 0GSdDSds 常常数数u i

15、uR例例F 3个个MOS管的各极电位和开启电压如表所示，分析管的各极电位和开启电压如表所示，分析各管的工作状态。各管的工作状态。管号UGS(th) (V)VS (V)VG(V)VD(V)T14-513T2-40-3-10T3-4605解：解：管号UGS(th) (V)UGS (V)UGD(V)工作状态工作状态T14，N,增64S开启=-2-4S夹断夹断T3-4 ， P,增-6-4S开启-5 107 MOSFET：RGS = 109 1015 SGDuDS+-uGS+-iDiSSGDuDS+-uGS+-iDiS4. 低频跨导低频跨导 gm 常常数数 DSGSDmUuig反映了反映了uGS 对对

16、iD 的控制能力，的控制能力，单位单位 S(西门子西门子)。一般为几毫西。一般为几毫西 (mS)uGS /ViD /mAQOPDM = uDS iD，受温度限制。，受温度限制。5. 漏源动态电阻漏源动态电阻 rds常常数数 GSdDS dsuiur7. 最大漏极功耗最大漏极功耗 PDMSGDuDS+-uGS+-iDiSSGDuDS+-uGS+-iDiS8. 最大漏极电流最大漏极电流 IDM9. 栅源击穿电压栅源击穿电压 UBR(GS)10. 漏源击穿电压漏源击穿电压 UBR(DS)6. 极间电容极间电容 Cgs ， Cgd ， Cds GDSiD+uDS+uGS),(DSGSDuufi 设设D

17、SDSDGSGSDDGSDS|duuiduuidiuu 则则dsDSDmGSD1|,|GSDSruiguiuu 令令dsdsgsmd1UrUgI 则则gm 跨导，跨导， rds 输出电阻。输出电阻。通常通常 rgs ， rds RL，故可以忽略认为断开）。，故可以忽略认为断开）。 rds FET FET的低频小信号模型的低频小信号模型rgs idSgmugs+ugs+udsGD为什么要建立小信号模型？为了便于分析！为什么要建立小信号模型？为了便于分析！3.3.2 场效应管的交流小信号模型场效应管的交流小信号模型对于对于N沟增强尽型，根据沟增强尽型，根据2GS(th)GSDOD) 1(UuIiD

18、QDOGS(th)GS(th)GS(th)GSDOm21) 1(2IIUUUuIdudigGSDuGS /ViD /mAUGS (th)OuGS /ViD /mAIDSSUGS(off)O对于对于N沟道耗尽型，根据沟道耗尽型，根据2GS(off)GSDSSD)1 (UuIiDQDSSGS(off)GS(off)GS(off)GSDSSm21)1 (2IIUUUuIdudigGSD对于对于P沟道增强型、耗尽型，根据？沟道增强型、耗尽型，根据？ gm=?3.4.1 场效应管放大电路的静态偏置及静态分析场效应管放大电路的静态偏置及静态分析3.4.2 场效应管放大电路的动态分析场效应管放大电路的动态分

19、析 1. 自给偏压电路自给偏压电路+VDDRDC2CS+uoC1+uiRGRSGSDUGSQ = VGQ VSQ = IDQRS 0UGSQ = 0UGSQ 0解方程组得解方程组得)(SDDQDDDSQDQGSQRRIVUIU 估算法静态分析估算法静态分析RL+VDDRDC2CS+uoC1+uiRG2RSGSDRG1RG3偏置电压偏置电压 UGS由谁提供？由谁提供？QUDS=VDD -ID(RD+RS) 图解法静态分析图解法静态分析直流通路QiD (mA)uDS(v)UGSUGSQ UDSQ IDQ IDQ RL+VDDRDC2CS+uoC1+uiRG2RSGSDRG1RG3SDG2G1G2D

20、DGS RIRRRVU uGS(v)iD (mA)uGS(th)IDO例例G : 耗尽型耗尽型 N 沟道沟道 MOS 管，管，RG = 1 M ， RS = 2 k ，RD= 12 k ，VDD = 20 V。 IDSS = 4 mA，UGS(off) = 4 V，求，求 iD 和和 uO 。2GS(off)GSDSSD)1(UuIi iG = 0 uGS = iDRS2DD)421(4 iiRDGDSRGRSiD+uO+VDD045D2D iiiD1= 4 mAiD2= 1 mAuGS = 8 V UGS(off) uGS = 2 V uDS = VDD iD(RS + RD) = 20 1

21、4 = 6 (V) uO = VDD iD RD = 20 14 = 8 (V)在放大区在放大区增根增根(舍去）舍去）为什么舍去？为什么舍去？因为因为iD与与uGS矛盾！矛盾！解方程得：解方程得：IDQ1 = 0.69 mA，UGSQ = 2.5V (增根，增根，舍去舍去) GQ(V) 8 . 5 64 200 64 24 VDQDQGSQ128 . 5 )210(8 . 5IIU 2DQ2GS(off)GSQDSSDQ)8 . 0128 . 51 (18. 0)1 (IUUII IDQ2 = 0.45 mA ， UGSQ = 0.4 V RLRDC2CS+uoC1+uiRG2GSDRG1RG

22、310 k10 k200 k64 k1 M2 k5 k+24V例例H : 知知 UGS(off)= 0.8 V，IDSS = 0.18 mA，求求“Q”。id = gmugs场效应管等效电路分析法场效应管等效电路分析法GDSiD+uDS+uGSSidgmugs+ugs+udsGD3.4.2 场效应管放大电路的动态分析场效应管放大电路的动态分析LmgsLDgsmio)/(RgURRUgUUAu +ugs1. 共源放大电路共源放大电路有有 CS 时：时：RL+VDDRDC2CS+uoC1+uiRG2RSGSDRG1RG3RLRD+uo+uiRG2GSDRG3RG1gmugsidiiG2G1G3i/

23、 RRRR DoRR 无无 CS 时：时：RSSgsmgsLDgsm)/(RUgURRUgAu SmLm1RgRg Ri、Ro 不不变变+ugs作交流通路作交流通路例例G : gm= 0.65 mA/V，ui = 20sin t (mV)，求交流，求交流输出输出 uo。+RDGDSRGRSiD+uO+VDDui+ VGG10 k 4 k 交流通路交流通路+RDGDSRGRSid+uOui小信号等效电路小信号等效电路 +ui RSRDSidgmugs+ugs+uoGDRGui = ugs+ gmugsRSugs= ui / (1 + gmRS)uo = gmugs RD = gmui RD /

24、(1 + gmRS)= 36sin t (mV)例例3-2 (1)利用图解法求利用图解法求Q点；点；(2)利用等效电路法求利用等效电路法求Au 、Ri 和和 Ro。例例3-2 (1)利用图解法求利用图解法求Q点；点；(2)利用等效电路法求利用等效电路法求Au 、Ri 和和 Ro。解解 (1)利用图解法求利用图解法求Q点点DGSSDGS2IURIU UDS=VDD -ID(RD+RS) UDS=10 -7ID从图中读得从图中读得UGSQ= -2VUDSQ3VIDQ1mA例例3-2 (1)利用图解法求利用图解法求Q点；点；(2)利用等效电路法求利用等效电路法求Au 、Ri 和和 Ro。解解 (2)利用等效电路法求利用等效电路法求Au 、Ri 和和 Ro。根据根据2GS(off)GSDSSD)1 (UuIimA/V12DQDSSGS(of