山东理工模拟电子第3章

1、 第第3 3章章 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路3.1 结型场效应管结型场效应管3.2 绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管3.3 场效应管的主要参数及特点场效应管的主要参数及特点3.4 场效应管放大电路场效应管放大电路第三章第三章 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路 场效应三极管场效应三极管（Field Effect Transistor, FET）简）简称称场效应管场效应管，是利用电场效应来控制电流的，只有一种，是利用电场效应来控制电流的，只有一种载流子（多数载流子）参与导电，也称载流子（多数载流子）参与导电，也称单极型三极管，单极型三极管，是一种电压控制器件。是一种电压控制器

2、件。场效应管分类场效应管分类结型场效应管结型场效应管绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管特点特点单极型器件单极型器件( (一种载流子导电一种载流子导电) )； 输入电阻高；输入电阻高；工艺简单、易集成、功耗小、体积小、工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低。成本低。第三章第三章 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路DSGN符号符号N型型沟沟道道N型硅棒型硅棒栅极栅极源极源极漏极漏极P+P+P 型区型区耗尽层耗尽层( (PN 结结) )在漏极和源极之间加在漏极和源极之间加上一个正向电压，上一个正向电压，N 型半型半导体中多数载流子电子可导体中多数载流子电子可以导电。以导电。3.1.1 结型场效应管

3、的结构结型场效应管的结构N 沟道结型场效应管沟道结型场效应管3.1 结型场效应管结型场效应管(JFET)第三章第三章 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路 N 沟道结型场效应管沟道结型场效应管用改变用改变 uGS 大小来控制漏极电流大小来控制漏极电流 iD 的。的。GDSNN型型沟沟道道栅极栅极源极源极漏极漏极P+P+耗尽层耗尽层*在栅极和源极之间在栅极和源极之间加反向电压，耗尽层会变加反向电压，耗尽层会变宽，导电沟道宽度减小，宽，导电沟道宽度减小，使沟道本身的电阻值增大，使沟道本身的电阻值增大，漏极电流漏极电流 iD 减小，反之，减小，反之，漏极漏极 iD 电流将增加。电流将增加。 *耗

4、尽层的宽度改变耗尽层的宽度改变主要在沟道区。主要在沟道区。3.1.2 结型场效应管的工作原理结型场效应管的工作原理第三章第三章 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路1. uGS对对iD的影响：的影响：设设uDS = 0，在栅源之间加负电源在栅源之间加负电源 VGG，改变，改变 VGG 大小，观察耗尽层的变化。大小，观察耗尽层的变化。iD = 0gdSN型型沟沟道道P+P+ ( (a) ) uGS = 0uGS = 0 时，耗时，耗尽层比较窄，尽层比较窄，导电沟比较宽导电沟比较宽uGS 由零逐渐增大，由零逐渐增大，耗尽层逐渐加宽，导耗尽层逐渐加宽，导电沟相应变窄。电沟相应变窄。当当uGS=U

5、GS(off),耗尽层合耗尽层合拢，导电沟被夹断拢，导电沟被夹断,夹夹断电压断电压UGS(off)为负值为负值 ( (b) )UGS(off) uGS 0，在栅源间加负电源在栅源间加负电源VGG，观察，观察 uGS 变化时耗尽层和漏极变化时耗尽层和漏极 iD。GDSNiSiDP+P+VDDVGG( (b) )VDDGDSNiSiDP+P+VGG( (a) )UGS(off) 第三章第三章 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路( (1) ) 改变改变 uGS ，改变了改变了 PN 结中电场，控制了结中电场，控制了 iD ，故称场效应，故称场效应管；管； ( (2) )结型场效应管栅源之间加反

6、向偏置电压，使结型场效应管栅源之间加反向偏置电压，使 PN 反偏，反偏，栅极基本不取电流，因此，场效应管输入电阻很高。栅极基本不取电流，因此，场效应管输入电阻很高。VDDGDSNiSiDP+P+ VGG( (d) )VDDGDSNiSiDP+P+ VGG( (c) )特性曲线特性曲线第三章第三章 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路1. 转移特性转移特性( (N 沟道结型场效应管为例沟道结型场效应管为例) )常数常数 DS)(GSDUufiO uGSiDIDSSUGS(off) uGS = 0 ，ID 最大；最大；uGS 愈负，愈负，ID 愈小；愈小；uGS = UGS(off)，ID 0

7、。两个重要参数两个重要参数饱和漏极电流饱和漏极电流 IDSS( (uGS = 0 时的时的 ID) )夹断电压夹断电压 UGS(off) ( (ID = 0 时的时的 uGS) )3.1.3 结型场效应管的特性曲线结型场效应管的特性曲线 )(12GS(off)GSDSSDUuII 0 GSGS(off) uU（当（当 时）时）第三章第三章 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路2. 输出特性（漏极特性）输出特性（漏极特性）常数常数 GS)(DSDUufi第三章第三章 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路场效应管的两组特性曲线之间互相联系，可根据漏场效应管的两组特性曲线之间互相联系，可根据

8、漏极特性用作图的方法得到相应的转移特性。极特性用作图的方法得到相应的转移特性。UDS = 常数常数iD/mA0 0.5 1 1.5uGS /VUDS = 15 V5iD/mAuDS /V0UGS = 0 0.4 V 0.8 V 1.2 V 1.6 V10 15 20250.10.20.30.40.5结型场效应管栅极基本不取电流，其输入电阻很高，结型场效应管栅极基本不取电流，其输入电阻很高，可达可达 107 以上。如希望得到更高的输入电阻，可采用绝以上。如希望得到更高的输入电阻，可采用绝缘栅场效应管。缘栅场效应管。在漏极特性上用作图法求转移特性在漏极特性上用作图法求转移特性第三章第三章 场效应管

9、及其放大电路场效应管及其放大电路 由金属、氧化物和半导体制成。称为由金属、氧化物和半导体制成。称为金属金属-氧化物氧化物-半半导体场效应管导体场效应管，或简称，或简称 MOS 场效应管场效应管。特点：输入电阻可达特点：输入电阻可达 109 以上。以上。类型类型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uGS = 0 时漏源间存在导电沟道称时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管；耗尽型场效应管；uGS = 0 时漏源间不存在导电沟道称时漏源间不存在导电沟道称增强型场效应管。增强型场效应管。3.2 绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管第三章第三章 场效应管及其放大电路场效应

10、管及其放大电路3.2.1 N 沟道增强型沟道增强型 MOS 场效应管场效应管1. 结构结构P 型衬底型衬底N+N+SiO2源极源极 S漏极漏极 d衬底引线衬底引线 B栅极栅极 g符号符号SgdB第三章第三章 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路2. 工作原理工作原理 绝缘栅场效应管利用绝缘栅场效应管利用 uGS 来来控制控制“感应电荷感应电荷”的多少，改变的多少，改变由这些由这些“感应电荷感应电荷”形成的导电形成的导电沟道的状况，以控制漏极电流沟道的状况，以控制漏极电流 iD。工作原理分析工作原理分析( (1) )uGS = 0 漏源之间相当于两个背靠漏源之间相当于两个背靠背的背的 PN

11、结，无论漏源之间加何结，无论漏源之间加何种极性电压，种极性电压，总是不导电总是不导电。SBDP 型衬底型衬底N+N+BgSd第三章第三章 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路( (2) ) uDS = 0，0 uGS UGS(th) )导电沟道呈现一个楔形。导电沟道呈现一个楔形。漏极形成电流漏极形成电流 ID 。靠近漏极沟道达到临界开靠近漏极沟道达到临界开启程度，出现预夹断。启程度，出现预夹断。由于夹断区的沟道电阻很大，由于夹断区的沟道电阻很大，uDS 逐渐增大时，导电逐渐增大时，导电沟道两端电压基本不变，沟道两端电压基本不变，iD 因而基本不变。因而基本不变。a. uDS UGS(th)

12、P 型衬底型衬底BgsduGSuDSN+N+P 型衬底型衬底N+BgsduGSuDSN+P 型衬底型衬底BgSduGSuDSN+N+P 型衬底型衬底N+N+BgSduGSuDS夹断区夹断区b. uDS= uGS UGS(th)，uGD = UGS(th)c. uDS uGS UGS(th)， uGD UGS(th)( (uGS UGS(th) )：饱和区：饱和区：击穿区：击穿区uGDUGS(th)时，若时，若uGS不变，则不变，则iD几乎不变。几乎不变。uGD=UGS(th)时，预夹断时，预夹断uDS进一步增大，进一步增大， iD迅速上升。迅速上升。第三章第三章 场效应管及其放大电路场效应管及

13、其放大电路( (2) )转移特性转移特性uGS UGS(th) 时时：UGS(th) 2UGS(th)IDOuGS /ViD /mAOIDO 为为 uGS =2UGS(th)时的时的iD值值第三章第三章 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路3.2.2 N 沟道耗尽型沟道耗尽型 MOS 场效应管场效应管P型衬底型衬底N+N+BgSd+制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子。制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子。即使即使 uGS = 0 也会形成也会形成 N 型导电沟道。型导电沟道。uGS = 0，uDS 0，产生，产生较大的漏极电流；较大的漏极电流；uGS 0； uGS 正、负

14、、零均可。正、负、零均可。 3 V输出特性输出特性iD/mAuDS /VO+1VuGS=0 1 V 2 V432151015 202GS(off)GSDSSD)1(UuIi iD/mAuGS /VOUGS(off)转移特性转移特性IDSS第三章第三章 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路关于场效应管符号的说明：关于场效应管符号的说明：DGSBDGSBDGSBSGDN沟道增强型沟道增强型MOS管，衬管，衬底箭头向里。底箭头向里。漏、衬底和漏、衬底和源、分开，源、分开，表示零栅压表示零栅压时沟道不通。时沟道不通。表示衬底表示衬底在内部没在内部没有与源极有与源极连接。连接。N沟道耗沟道耗尽型尽型

15、MOS管。漏、管。漏、衬底和源衬底和源不断开表不断开表示零栅压示零栅压时沟道已时沟道已经连通。经连通。 N沟道结沟道结型型MOS管。管。没有绝缘没有绝缘层。层。第三章第三章 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路一、直流参数一、直流参数1. 饱和漏极电流饱和漏极电流 IDSS2. 夹断电压夹断电压 UGS(off)3. 开启电压开启电压 UGS(th)4. 直流输入电阻直流输入电阻 RGS为耗尽型场效应管的一个重要参数。为耗尽型场效应管的一个重要参数。为增强型场效应管的一个重要参数。为增强型场效应管的一个重要参数。为耗尽型场效应管的一个重要参数。为耗尽型场效应管的一个重要参数。输入电阻很高。

16、结型场效应管一般在输入电阻很高。结型场效应管一般在 107 以上，绝以上，绝缘栅场效应管更高，一般大于缘栅场效应管更高，一般大于 109 。3.3 场效应管的主要参数及特点场效应管的主要参数及特点3.3.1 场效应管的主要参数场效应管的主要参数第三章第三章 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路二、交流参数二、交流参数1. 低频跨导低频跨导 gm2. 极间电容极间电容 用以描述栅源之间的电压用以描述栅源之间的电压 uGS 对漏极电流对漏极电流 iD 的控的控制作用。制作用。常数常数 DSGSDmUuig单位：单位：iD 毫安毫安( (mA) )；uGS 伏伏( (V) )；gm 毫西门子毫西

17、门子( (mS) ) 这是场效应管三个电极之间的等效电容，包括这是场效应管三个电极之间的等效电容，包括 CGS、CGD、CDS。 极间电容愈小，则管子的高频性能极间电容愈小，则管子的高频性能愈好。一般为几个皮法。愈好。一般为几个皮法。iD 越大，越大，gm 越大。越大。第三章第三章 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路三、极限参数三、极限参数2. 漏源击穿电压漏源击穿电压 U(BR)DS3. 栅源击穿电压栅源击穿电压U(BR)GS当漏极电流当漏极电流 ID 急剧上升产生雪崩击穿时的急剧上升产生雪崩击穿时的 UDS 。 场效应管工作时，栅源间场效应管工作时，栅源间 PN 结处于反偏状态，若结

18、处于反偏状态，若UGS U(BR)GS ，PN 将被击穿，这种击穿与电容击穿的将被击穿，这种击穿与电容击穿的情况类似，属于破坏性击穿。情况类似，属于破坏性击穿。1.最大漏极电流最大漏极电流 IM4. 漏极最大允许耗散功率漏极最大允许耗散功率 PDM 由场效应管允许的温升决定。漏极耗散功率转化由场效应管允许的温升决定。漏极耗散功率转化为热能使管子的温度升高。为热能使管子的温度升高。第三章第三章 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路3.3.2 场效应管的特点及使用注意事项场效应管的特点及使用注意事项1 1、场效应管的特点、场效应管的特点(1) (1) 场效应管是电压控制元件，它以栅源电压控制漏

19、极场效应管是电压控制元件，它以栅源电压控制漏极电流，并通过低频跨导反映它的放大能力；电流，并通过低频跨导反映它的放大能力；(2) (2) 由于栅极基本不取电流，因此，输入电阻非常高。由于栅极基本不取电流，因此，输入电阻非常高。(3) (3) 由于低频跨导较小，所以组成放大电路时，电压放由于低频跨导较小，所以组成放大电路时，电压放大倍数比双极性三极管的低；大倍数比双极性三极管的低；(4) (4) 场效应管只有一种载流子参与导电，而双极性三极场效应管只有一种载流子参与导电，而双极性三极管既有多子又有少子参与导电，而少子受温度、辐射管既有多子又有少子参与导电，而少子受温度、辐射等因素影响较大，因而场

20、效应管比双极性三极管的温等因素影响较大，因而场效应管比双极性三极管的温度稳定性好、抗辐射能力强、噪声系数小；度稳定性好、抗辐射能力强、噪声系数小；第三章第三章 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路(5) 场效应管的漏极与源极可以互相使用，互换后特性场效应管的漏极与源极可以互相使用，互换后特性变化不大。但如果制造时已将源极和衬底连在一起，变化不大。但如果制造时已将源极和衬底连在一起，则漏极与源极不能互换；则漏极与源极不能互换；(6) 场效应管比三极管的种类多，且制造简单，适于集场效应管比三极管的种类多，且制造简单，适于集成化，因而应用于大规模和超大规模集成电路中；成化，因而应用于大规模和超大

21、规模集成电路中；(7) 场效应管不仅可用于放大电路和开关电路，而且还场效应管不仅可用于放大电路和开关电路，而且还可以作压控电阻使用；可以作压控电阻使用；(8) 存放和运放存放和运放MOS场效应管时，避免栅极悬空，应将场效应管时，避免栅极悬空，应将栅极和源极相连。栅极和源极相连。第三章第三章 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路共同点：共同点：(1) 都具有放大作用，因此都能作为放大电路中都具有放大作用，因此都能作为放大电路中的核心元件。的核心元件。(2) 都有三个电极都有三个电极:对应对应 FET的栅极的栅极g、源极、源极s和漏极和漏极d BJT的基极的基极b、发射极、发射极e和集电极和集

22、电极c(3) 都是非线性元件，所采用的分析方法也是基都是非线性元件，所采用的分析方法也是基本上一致的。本上一致的。2 2、场效应管与晶体管的比较、场效应管与晶体管的比较第三章第三章 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路双极型三极管双极型三极管场效应三极管场效应三极管结结 构构NPN型型PNP型型C、E一般不可倒置使用一般不可倒置使用 结型耗尽型结型耗尽型 N沟道沟道 P沟道沟道绝缘栅增强型绝缘栅增强型 N沟道沟道 P沟道沟道绝缘栅耗尽型绝缘栅耗尽型 N沟道沟道 P沟道沟道D、S一般可倒置使用一般可倒置使用载流子载流子多子、少子多子、少子多子多子输入量输入量电流输入电流输入电压输入电压输入控

23、制控制电流控制电流源电流控制电流源()电压控制电流源电压控制电流源 (gm)噪声噪声较大较大较小较小温度特性温度特性受温度影响较大受温度影响较大较小较小输入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静电影响静电影响不受静电影响不受静电影响易受静电影响易受静电影响集成工艺集成工艺不易大规模集成不易大规模集成适宜大规模和超大规模集成适宜大规模和超大规模集成场效应管与晶体管的比较及特点场效应管与晶体管的比较及特点第三章第三章 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路场效应管和双极性三极管一样，都有三个极，并且场效应管和双极性三极管一样，都有三个极，并且一一对应。它们都能实现能量

24、的控制，构成放大电路。一一对应。它们都能实现能量的控制，构成放大电路。 在组成放大电路时，场效应管也有三种接法，即在组成放大电路时，场效应管也有三种接法，即共共源放大电路源放大电路、共漏放大电路共漏放大电路和和共栅放大电路共栅放大电路，分析方法，分析方法也基本相同。也基本相同。 不同的是，场效应管是通过栅源电压不同的是，场效应管是通过栅源电压uGS来控制漏极来控制漏极电流电流iD的，因此需要有合适的栅源电压。的，因此需要有合适的栅源电压。 共栅电路电路很少使用，主要介绍共栅电路电路很少使用，主要介绍N沟道增强型沟道增强型MOS场效应管场效应管组成的共源和共漏放大电路。组成的共源和共漏放大电路。

25、3.4场效应管放大电路场效应管放大电路第三章第三章 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路VDD+uO iDVT+ uiVGGRGSDGRD与双极型三极管对应关系与双极型三极管对应关系b G , e S , c D 为了使场效应管为了使场效应管工作在恒流区实现放工作在恒流区实现放大作用，应满足：大作用，应满足：GS(th)GSDSGS(th)GS UuuUu ( (UGS(th)：开启电压：开启电压) )3.4.1 共源极放大电路共源极放大电路即即 uGD = uGS uDS UGS(th)第三章第三章 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路近似估算法近似估算法图解法图解法 (1) 近似估

26、算法近似估算法MOS 管栅极电流为零管栅极电流为零当当 ui = 0 时时UGSQ = VGG而而 iD 与与 uGS 之间近似满足之间近似满足2GS(th)GSDOD)1( UuIiIDO 为为 uGS = 2UT 时时iD的值的值2GS(th)GSQDODQ)1( UUIIDDQDDDSQRIVU 则静态漏极电流为则静态漏极电流为Q点：点：UGSQ 、 IDQ 、UDSQ1、静态分析、静态分析VDD+uO iDVT+ uiVGGRGSDGRD第三章第三章 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路(2) 图解法图解法VDDDDDRVIDQUDSQQ利用式利用式 uDS = VDD iDRD

27、画出直流负载线。画出直流负载线。图中图中 IDQ、UDSQ 即为静态值。即为静态值。UGSQ = VGG第三章第三章 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路例例1：已知已知VDD =20V、RD=3k 、 RS=1k 、 RG=500k 、UGS(off)= 4V、IDSS=8mA，确定静态工作点。确定静态工作点。UGSQ = IDQRS2GS(off)GSQDSSDQ)1 (UUII UDSQ= = VDD IDQ(RD + RS )= 12 VQ点为点为UGSQ = 2V，IDQ=2mA0G Ugds第三章第三章 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路DSDSDGSGSDDdddGSD

28、SuuiuuiiUU DSGSd1durugdsm 如果输入正弦信号，则可用相量代替上式中的变量。如果输入正弦信号，则可用相量代替上式中的变量。dSdsgsmd1UrUgI 由于没有栅极电流，所以栅源是悬空的。由于没有栅极电流，所以栅源是悬空的。几百千欧几百千欧+gsUgsmUgdsUdIdSrgdssg+ uGS+ uDSd2、动态分析、动态分析(1) 场效应管微变等效电路场效应管微变等效电路第三章第三章 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路动态参数动态参数 gm 和和 rds根据定义通过在特性曲线上作图方法中求得。根据定义通过在特性曲线上作图方法中求得。用求导的方法计算用求导的方法计算

29、 gmDDOGS(th)GS(th)GSGS(th)DOGSDm2)1(2ddiIUUuUIuig 在在 Q 点附近，可用点附近，可用 IDQ 表示上式中表示上式中 iD，则则DQDOGS(th)m2IIUg 一般一般 gm 约为约为 0.1 至至 20 mS。 rds 为几百千欧的数量级。为几百千欧的数量级。当当 RD 比比 rds 小得多时，可认为小得多时，可认为等效电路的等效电路的 rDS 开路开路。 1)-(2GS(th)GSDODUuIi 第三章第三章 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路(2) 用微变等效电路法分析共源极放大电路用微变等效电路法分析共源极放大电路VDD+uO i

30、DVT+ uiVGGRGSDGRD D+ gsUgsmUgoUdIDRGSRG+ iU微变等效电路微变等效电路第三章第三章 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路电压放大倍数电压放大倍数因栅极电流为零，因栅极电流为零，gsiUU DgsmDdoRUgRIU DmioRgUUAu 输出电阻输出电阻 Ro = RD 输入电阻输入电阻近似等于近似等于FET栅源间的电阻栅源间的电阻MOS管输入电阻高达管输入电阻高达 1010 。 D+ gsUgsmUgoUdIDRGSRG+ iU第三章第三章 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路+ VT+RGSDGRDR2VDD+RLRSR1C1CSC2+iUo

31、U3.4.2分压分压自偏压式共源放大电路自偏压式共源放大电路第三章第三章 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路1.静态分析静态分析SDQDD211GSQRIVRRRU SQGQGSQUUU UDSQ = VDD IDQ (RD + RS)-近似估算法近似估算法直流通路直流通路DD211GQVRRRU SDQSQRIU VTSDGRDR2VDD+RSR1RG2GS(th)GSQDODQ)1( UUII第三章第三章 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路图解法图解法由式由式可做出一条直线，另可做出一条直线，另外，外，iD 与与 uGS 之间满足转之间满足转移特性曲线的规律，二者移特性曲线的规律，二者之间交点为静态工作点。之间交点为静态工作点。确定确定 UGSQ， IDQ 。SDDD211GSRiVRRRu uGS/ViD/mAO24612QIDQUGSQSGQRUUGQ第三章第三章 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路SDDDRRV 根据漏极回路方程：根据漏极回路方程：在漏极特性曲线在漏极特性曲线上做直流负载线，上做直流负载线， 与与 uGS = UGS