场效应管以及其基本放大电路

1、关于场效应管及其基本放大电路第一张，PPT共六十四页，创作于2022年6月3. 1结型场效应管 引言3.1.1 结型场效应管的结构及类型3.1.3 结型场效应管的伏安特性3.1.2 结型场效应管的工作原理3.1.4 结型场效应管的主要参数第二张，PPT共六十四页，创作于2022年6月引 言场效应管 FET (Field Effect Transistor)类型：增强型耗尽型绝缘栅型场效应管(IGFET)结型场效应管(JFET)场效应管(FET)N沟道P沟道N沟道P沟道N沟道P沟道第三张，PPT共六十四页，创作于2022年6月特点：1. 单极性器件(一种载流子导电)3. 工艺简单、易集成、功耗小

2、、 体积小、成本低2. 输入电阻高 (107 1015 ，IGFET 可高达 1015 )第四张，PPT共六十四页，创作于2022年6月3.1 结型场效应管 3.1.1 结型场效应管的结构及类型N 沟道 JFETP 沟道 JFET第五张，PPT共六十四页，创作于2022年6月3.1.2 结型场效应管的工作原理1. 当uDS=0时，栅源电压uGS对导电沟道的控制作用 uGS=0 UGS（off）uGS 0 此时 uGD = UGS(off)； 沟道楔型耗尽层刚相碰时称预夹断。当 uDS ，预夹断点下移。第八张，PPT共六十四页，创作于2022年6月3.1.3 结型场效应管的伏安特性1. 输出特性

3、 第九张，PPT共六十四页，创作于2022年6月2. 转移特性 UGS(off)uGS0和管子工作在恒流区的条件下 第十张，PPT共六十四页，创作于2022年6月3.1.4 结型场效应管的主要参数1. 直流参数(1) 夹断电压UGS（off） 指 uDS = 某值，使漏极电流 iD 为某一小电流时的 uGS 值。 结型型场效应管，当 uGS = 0 时所对应的漏极电流。(2) 饱和漏极电流IDSS第十一张，PPT共六十四页，创作于2022年6月(3) 直流输入电阻RGS(DC) 是指漏源电压为零时，栅源电压与栅极电流之比。结型场效应管的RGS(DC)一般大于107。 反映了uGS 对 iD 的

4、控制能力，单位 S(西门子)。一般为几毫西 (mS)uGS /ViD /mAQO2. 交流参数(1) 低频跨导gm 第十二张，PPT共六十四页，创作于2022年6月(2) 极间电容 CGS约为13pF，而CGD约为0.11pF 3. 极限参数 (1) 最大漏极电流IDM (2) 最大漏源电压U(BR)DS (3) 最大栅源电压U(BR)GS (4) 最大耗散功率PDM PDM = uDS iD，受温度限制。第十三张，PPT共六十四页，创作于2022年6月3.2 绝缘栅场效应管MOS 场效应管（绝缘栅场效应管）N沟道绝缘栅场效应管P沟道绝缘栅场效应管增强型耗尽型增强型耗尽型第十四张，PPT共六十

5、四页，创作于2022年6月1、增强型 N 沟道 MOSFET (Mental Oxide Semi FET)1. 结构与符号P 型衬底(掺杂浓度低)N+N+用扩散的方法制作两个 N 区在硅片表面生一层薄 SiO2 绝缘层S D用金属铝引出源极 S 和漏极 DG在绝缘层上喷金属铝引出栅极 GB耗尽层S 源极 SourceG 栅极 Gate D 漏极 DrainSGDB3.2.1 增强型MOS管第十五张，PPT共六十四页，创作于2022年6月2. 工作原理反型层(沟道)(1) 导电沟道的形成uGS=0 uGS0 且uGSUGS(th) 第十六张，PPT共六十四页，创作于2022年6月1) uGS

6、对导电沟道的影响 (uDS = 0)a. 当 UGS = 0 ，DS 间为两个背对背的 PN 结；b. 当 0 UGS UGS(th)DS 间的电位差使沟道呈楔形，uDS，靠近漏极端的沟道厚度变薄。预夹断(UGD = UGS(th)：漏极附近反型层消失。预夹断发生之前： uDS iD。预夹断发生之后：uDS iD 不变。第十八张，PPT共六十四页，创作于2022年6月(1) 输出特性 可变电阻区uDS UGS(th) 时：uGS = 2UGS(th) 时的 iD 值开启电压O第二十张，PPT共六十四页，创作于2022年6月二、耗尽型 N 沟道 MOSFETSGDB Sio2 绝缘层中掺入正离子

7、在 uGS = 0 时已形成沟道；在 DS 间加正电压时形成 iD，uGS UGS(off) 时，全夹断。第二十一张，PPT共六十四页，创作于2022年6月输出特性uGS /ViD /mA转移特性IDSSUGS(off)夹断电压饱和漏极电流当 uGS UGS(off) 时，uDS /ViD /mAuGS = 4 V 2 V0 V2 VOO第二十二张，PPT共六十四页，创作于2022年6月三、P 沟道 MOSFET增强型耗尽型SGDBSGDB第二十三张，PPT共六十四页，创作于2022年6月N 沟道增强型SGDBiDP 沟道增强型SGDBiD2 2 OuGS /ViD /mAUGS(th)SGD

8、BiDN 沟道耗尽型iDSGDBP 沟道耗尽型UGS(off)IDSSuGS /ViD /mA 5 O5FET 符号、特性的比较第二十四张，PPT共六十四页，创作于2022年6月O uDS /ViD /mA5 V2 V0 V2 VuGS = 2 V0 V 2 V 5 VN 沟道结型SGDiDSGDiDP 沟道结型uGS /ViD /mA5 5 OIDSSUGS(off)O uDS /ViD /mA5 V2 V0 VuGS = 0 V 2 V 5 V第二十五张，PPT共六十四页，创作于2022年6月3.1.3 场效应管的主要参数开启电压 UGS(th)(增强型) 夹断电压 UGS(off)(耗尽

9、型) 指 uDS = 某值，使漏极 电流 iD 为某一小电流时 的 uGS 值。UGS(th)UGS(off)2. 饱和漏极电流 IDSS耗尽型场效应管，当 uGS = 0 时所对应的漏极电流。IDSSuGS /ViD /mAO第二十六张，PPT共六十四页，创作于2022年6月UGS(th)UGS(off)3. 直流输入电阻 RGS 指漏源间短路时，栅、源间加 反向电压呈现的直流电阻。JFET：RGS 107 MOSFET：RGS = 109 1015IDSSuGS /ViD /mAO第二十七张，PPT共六十四页，创作于2022年6月4. 低频跨导 gm 反映了uGS 对 iD 的控制能力，单

10、位 S(西门子)。一般为几毫西 (mS)uGS /ViD /mAQO第二十八张，PPT共六十四页，创作于2022年6月PDM = uDS iD，受温度限制。5. 漏源动态电阻 rds6. 最大漏极功耗 PDM第二十九张，PPT共六十四页，创作于2022年6月3.2.3 场效应管与晶体管的比较管子名称晶体管场效应管导电机理利用多子和少子导电利用多子导电控制方式电流控制电压控制放大能力高较低直流输入电阻小约几k大JFET可达107以上, MOS可达1010稳定性受温度和辐射的影响较大温度稳定性好、抗辐射能力强噪声中等很小结构对称性集电极和发射极不对称，不能互换漏极和源极对称，可互换使用适用范围都可

11、用于放大电路和开关电路等第三十张，PPT共六十四页，创作于2022年6月 【例3-1】 已知某场效应管的转移特性曲线如图3-15 所示，试确定场效应管的类型。UGS（th）=2V 为N沟道增强型MOS管。 第三十一张，PPT共六十四页，创作于2022年6月【例3-2】 电路如图3-16(a)所示，场效应管的输出特性如图3-16(b)所示，分析当uI3V、8V、12V三种情况下场效应管分别工作在什么区域。 解： UGS（th）=5V uGSuI 第三十二张，PPT共六十四页，创作于2022年6月 当uI3V时，uGS小于开启电压，即uGSUGS(th)，场效应管导通，假设场效应管工作在恒流区，根

12、据输出特性可知iD0.6mA，则管压降 uDSVDDiDRd=120.63.310V 第三十四张，PPT共六十四页，创作于2022年6月uGSUGS(th)=8V5V=3V，所以，uDSuGSUGS(th)，说明假设成立，即场效应管工作在恒流区。 因为：uDS10V第三十五张，PPT共六十四页，创作于2022年6月当uI12V时，uGSUGS(th)，场效应管导通， 假设场效应管工作在恒流区 可知，当UGS=12V时 iD4mA 第三十六张，PPT共六十四页，创作于2022年6月则：uDS=VDDiDRd=1243.31.2V 而电路实际的uDS0 所以：假设不正确，实际的iD小于4mA 故场

13、效应管工作在可变电阻区。 第三十七张，PPT共六十四页，创作于2022年6月【例3-3】 图3-17所示电路，已知RD=3.3k，RG=100k，VDD=10V，VGG=2V，场效应管的UGS(off)=5V，IDSS=3mA，试分析场效应管工作在什么区域。 解： UGSQ=VGG=2VUGS(off) 场效应管导通假设场效应管工作在恒流区 UGSQUGS(off)= 2(5)=3V UDSQUGSQUGS(off) 假设正确 第三十八张，PPT共六十四页，创作于2022年6月3. 3场效应管放大电路3.3.2 场效应管放大电路的动态分析3.3.1 场效应管放大电路的直流偏置与静态分析第三十九

14、张，PPT共六十四页，创作于2022年6月3.2.1 场效应管放大电路三种组态：共源、共漏、共栅特点：输入电阻极高， 噪声低，热稳定性好 1. 固定偏压放大电路一、电路的组成（1）合适的偏置（2）能输入能输出+VDDRDC2+C1+uiRGGDRL+UoVGG三种组态：共源、共漏、共栅三种组态：共源、共漏、共栅三种组态：共源、共漏、共栅第四十张，PPT共六十四页，创作于2022年6月第四十一张，PPT共六十四页，创作于2022年6月栅极电阻 RG 的作用：(1)为栅偏压提供通路(2)泻放栅极积累电荷源极电阻 RS 的作用：提供负栅偏压漏极电阻 RD 的作用：把 iD 的变化变为 uDS 的变化

15、+VDDRDC2CS+uoC1+uiRGRSGSDUGS+VDDRD0C1RGRSGSDIDUDSRL 2.自给偏压放大电路第四十二张，PPT共六十四页，创作于2022年6月 UDSQ = VDD IDQ(RS + RD) UGS+VDDRDRGRSGSDIDUDSUGSQ = IDQRS二、静态分析1.估算法第四十三张，PPT共六十四页，创作于2022年6月2.图解法 在输出特性上作直流负载线 作负载转移特性曲线 作输入回路的直流负载线 确定静态工作点 转移特性曲线与输入回路的直流负载线的交点即为静态工作点Q，Q点对应的横坐标值即为UGSQ，纵坐标值即为IDQ，再根据IDQ在输出特性曲线上求

16、出静态工作点Q，确定UDSQ。 第四十四张，PPT共六十四页，创作于2022年6月 (a) 转移特性曲线 (b) 输出特性曲线图 自给偏压电路Q点的图解第四十五张，PPT共六十四页，创作于2022年6月1. 场效应管的等效电路三、动态分析场效应管电路小信号等效电路分析法第四十六张，PPT共六十四页，创作于2022年6月移特性可知，gm是转移特性在静态工作点Q处 gm为低频跨导，反映了管子的放大能力，从转切线的斜率.第四十七张，PPT共六十四页，创作于2022年6月rds为场效应管的共漏极输出电阻，为输出特性在Q点处的切线斜率的倒数，如图所示，通常rds在几十千欧到几百千欧之间。第四十八张，PP

17、T共六十四页，创作于2022年6月从输入端口看入，相当于电阻 rgs()。从输出端口看入为受 ugs 控制的电流源。id = gmugs小信号模型根据rgs Sidgmugs+ugs+udsGDrds第四十九张，PPT共六十四页，创作于2022年6月2. 场效应管放大电路 的微变等效电路RLRD+uo+uiGSD+ugsgmugsidiiRG3.计算放大电路的动态指标注意：自给偏压电路只适用耗尽型场效应管放大电路第五十张，PPT共六十四页，创作于2022年6月3.2.2 分压式自偏压放大电路调整电阻的大小，可获得：UGSQ 0UGSQ = 0UGSQ 0RL+VDDRDC2CS+uoC1+ui

18、RG2RSGSDRG1一、电路组成二、静态分析第五十一张，PPT共六十四页，创作于2022年6月 UDSQ = VDD IDQ(RS + RD) 三、动态分析RLRD+uo+uiRG2GSDRG1+ugsgmugsidii第五十二张，PPT共六十四页，创作于2022年6月四、改进电路目的：为了提高输入电阻有 CS 时：RL+VDDRDC2CS+uoC1+uiRG2RSGSDRG1RG3RLRD+uo+uiRG2GSDRG3RG1+ugsgmugsidii无 CS 时：RSRi、Ro 不变第五十三张，PPT共六十四页，创作于2022年6月3.2.3共漏放大电路RL+VDDC2+uoC1+uiRG

19、2RSGSDRG1RG3RLRS+uo+uiRG2GSDRG3RG1+ugsgmugsiiioRo第五十四张，PPT共六十四页，创作于2022年6月例 耗尽型 N 沟道 MOS 管，RG = 1 M， RS = 2 k，RD= 12 k ，VDD = 20 V。 IDSS = 4 mA，UGS(off) = 4 V，求 iD 和 uO 。iG = 0 uGS = iDRS第五十五张，PPT共六十四页，创作于2022年6月iD1= 4 mAiD2= 1 mAuGS = 8 V UGS(off)增根 uGS = 2 V uDS = VDD iD(RS + RD) = 20 14 = 6 (V) u

20、O = VDD iD RD = 20 14 = 8 (V)在放大区例 已知 UGS(off)= 0.8 V，IDSS = 0.18 mA， 1. 求“Q”。2.求AU,Ri,RO第五十六张，PPT共六十四页，创作于2022年6月解方程得：IDQ1 = 0.69 mA，UGSQ = 2.5V (增根，舍去) IDQ2 = 0.45 mA ， UGSQ = 0.4 V RLRDC2CS+uoC1+uiRG2GSDRG1RG310 k10 k200 k64 k1 M2 k5 k+24V第五十七张，PPT共六十四页，创作于2022年6月例gm= 0.65 mA/V，ui = 20sint (mV)，求交流输出 uo。+RDGDSRGRSiD+uO+VDDuiVGG10 k4 k交流通路+RDGDSRGRSid+uOui小信号等效电路 +ui