章场效应管及其放大电路

3.1场效应管

引言3.6.1结型场效应管3.6.3场效应管的主要参数3.6.2MOS场效应管引言场效应管FET

(FieldEffectTransistor)类型：结型JFET

(JunctionFieldEffectTransistor)绝缘栅型IGFET(InsulatedGateFET)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、

体积小、成本低2.输入电阻高

(107

1015

，IGFET可高达1015

)3.1.1结型场效应管1.结构与符号N沟道JFETP沟道JFET2.工作原理(1)UGS对ID的控制作用

(a)uGS=0(b)UGS(off)<uGS<0

(c)uGS≤UGS(off)

2.UDS对ID的影响(a)

UGS(off)

uDS

0(b)uDS=

UGS(off)

(c)uDS

UGS(off)

3.UDS和UGS共同作用uGS

0，uDS

>0沟道楔型耗尽层刚相碰时称预夹断。

此时

uGD=UGS(off)；

当uDS

，预夹断点下移。

uGS<0、uDS＞0时的情况

3.转移特性和输出特性UGS(off)当UGS(off)

uGS0时,uGSiDIDSSuDSiDuGS=–3V–2V–1V0V–3VOO3.1.2MOS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一、增强型N沟道MOSFET

(MentalOxideSemi—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SD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DrainSGDB2.工作原理1)uGS

对导电沟道的影响

(uDS=0)反型层(沟道)1)uGS

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)(开启电压)时，GB间的垂直电场吸引

P区中电子形成离子区(耗尽层)；c.

当uGS

UGS(th)

时，衬底中电子被吸引到表面，形成导电沟道。uGS

越大沟道越厚。2)

uDS

对

iD的影响(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。3.转移特性曲线2464321uGS/ViD/mAUDS=10VUGS(th)当uGS>UGS(th)

时：uGS=2UGS(th)

时的

iD值开启电压O4.输出特性曲线可变电阻区uDS<uGS

UGS(th)uDS

iD

，直到预夹断饱和(放大区)uDS

，iD

不变

uDS加在耗尽层上，沟道电阻不变截止区uGS

UGS(th)

全夹断iD=0

iD/mAuDS/VuGS=2V4V6V8V截止区

饱和区可变电阻区放大区恒流区O二、耗尽型N沟道MOSFETSGDBSiO2

绝缘层中掺入正离子在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。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=4V2V0V2VOO三、P沟道MOSFET增强型耗尽型SGDBSGDBN沟道增强型SGDBiDP沟道增强型SGDBiD2–2OuGS/ViD/mAUGS(th)SGDBiDN沟道耗尽型iDSGDBP沟道耗尽型UGS(off)IDSSuGS/ViD/mA–5O5FET符号、特性的比较OuDS/ViD/mA5V2V0V–2VuGS=2V0V–2V–5VN沟道结型SGDiDSGDiDP沟道结型uGS/ViD/mA5–5OIDSSUGS(off)OuDS/ViD/mA5V2V0VuGS=0V–2V–5V3.1.3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/mAOUGS(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

1015

IDSSuGS/ViD/mAO4.低频跨导gm

反映了uGS对iD的控制能力，单位S(西门子)。一般为几毫西

(mS)uGS/ViD/mAQOPDM=uDSiD，受温度限制。5.漏源动态电阻rds6.最大漏极功耗PDM3.2.3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kΩ大JFET可达107Ω以上,MOS可达1010Ω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用于放大电路和开关电路等3.2

场效应管放大电路3.2.2分压式自偏压放大电路3.2.1场效应管放大电路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

P109表3-3（2）能输入能输出+VDDRDC2+C1+ui

RGGDRL+Uo

VGG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+VDDRDC2CS+++uo

C1+ui

RGRSGSD二、静态分析UGS+VDDRDC1RGRSGSDIDUDSRL1.估算法

2.自给偏压放大电路

UDSQ=VDD–

IDQ(RS+RD)

UGS+VDDRDC1RGRSGSDIDUDSUGSQ

=–IDQRS2.图解法①在输出特性上作直流负载线②作负载转移特性曲线

③作输入回路的直流负载线

④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出静态工作点Q，确定UDSQ。

(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.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。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

+uds

GDrds2.场效应管放大电路的微变等效电路RLRD+uo

+ui

GSD+ugs

gmugsidiiRG3.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+++uo

C1+ui

RG2RSGSDRG1一、电路组成二、静态分析

UDSQ=VDD–

IDQ(RS+RD)

三、动态分析RLRD+uo

+ui

RG2GSDRG1+ugs

gmugsidii四、改进电路目的：为了提高输入电阻有CS时：RL+VDDRDC2CS+++uo

C1+ui

RG2RSGSDRG1RG3RLRD+uo

+ui

RG2GSDRG3RG1+ugs

gmugsidii无CS

时：RSRi、Ro不变3.2.3共漏放大电路RL+VDDC2++uo

C1+ui

RG2RSGSDRG1RG3RLRS+uo

+ui

RG2GSDRG3RG1+

ugsgmugsiiioRo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=iDRSiD1=4mAiD2=1mAuGS=–8V<UGS(off)增根uGS=–2V

uDS=VDD–

iD(RS+RD)=20–14=6(V)

uO=VDD–

iD

RD=20–14=8(V)在放大区例已知UGS(off)=

0.8V，IDSS=0.18mA，

1.求“Q”。2.求AU,R