第四章场效应管放大电路

1、,4.1 结型场效应管,4.2 金属-氧化物-半导体场效应管,4.4 场效应管放大电路,4 场效应管放大电路,学习指导,小结,作业,4.3 场效应管的主要参数,概述,场效应管是通过改变外加电压产生的电场强度来控制其导电能力的半导体器件。 它不仅具有双极型三极管的体积小、重量轻、耗电少、寿命长等优点，而且还具有输入电阻高、热稳定性好、抗辐射能力强、噪声低、制造工艺简单、便于集成等特点。因而，在大规模及超大规模集成电路中得到了广泛的应用。 根据结构和工作原理不同,场效应管可分为两大类:结型场效应管(JFET)和绝缘栅型场效应管(IGFET). 主要内容: (1)结型场效应管的结构及工作原理 (2)

2、金属-氧化物-半导体场效应管的结构及工作原理 (3)场效应管放大电路的静态及动态性能分析,学习指导,学习目标： 1.正确理解各种场效应管的工作原理 2.熟练掌握各种场效应管的外特性及主要参数 3.熟练掌握共源、共漏放大电路的工作原理及直流偏置 4.会用场效应管小信号模型分析法求解共源、共漏放大电路的电压增益、输入电阻和输出电阻,学习方法： 学习本章内容时，应特别注意使用比较和归纳的方法： 1.与三极管及其放大电路进行比较（两种管子的结构、工作原理、外特性、主要参数、小信号模型等的比较；两种器件组成的放大电路的直流偏置电路及静态、动态分析方法的比较；共射与共源、共集与共漏等放大电路性能的比较）。

3、 2.不同类型（结型与绝缘栅型）、不同沟道的各种场效应管之间的比较与归纳（工作原理、电压极性、主要参数的比较等）。,概 述,场效应管与晶体管的区别,1. 晶体管是电流控制元件；场效应管是电压控制元件。 2. 晶体管参与导电的是电子空穴，因此称其为双极型器件； 场效应管是电压控制元件，参与导电的只有一种载流子， 因此称其为单极型器件。 3. 晶体管的输入电阻较低，一般102104； 场效应管的输入电阻高，可达1091014,场效应管的分类,结型场效应管JFET,MOS型场效应管JFET,N沟道,P沟道,增强型,耗尽型,N沟道,P沟道,N沟道,P沟道,（耗尽型）,4.1 结型场效应管,结型场效应管

4、的结构,结型场效应管的工作原理,结型场效应管的特性曲线及参数,1、结型场效应管（JFET)结构,G,S,D,导电沟道,结型场效应管,动画一,源极，用S或s表示,N型导电沟道,漏极，用D或d表示, VGS对沟道的控制作用,当VGS0时,当沟道夹断时,ID减小至0，此时对应的栅源电压VGS称为夹断电压VP ( 或VGS(off) )。,对于N沟道的JFET，VP 0。,PN结反偏,耗尽层加厚,沟道变窄,VGS继续减小，沟道继续变窄， ID继续变小,当VGS=0时，沟道最宽，沟道电阻最小，在VDS的作用下N沟道内的电子定向运动形成漏极电流ID,此时最大。,沟道电阻变大,ID变小,2、结型场效应管（J

5、FET)的工作原理,根据其结构，它只能工作在反偏条件下，N沟道管加负栅源电压， P沟道管加正栅源电压，否则将会出现栅流。,动画二, VDS对沟道的控制作用,当VGS=0时，,VDS,ID ,G、D间PN结的反向电压增加，使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，从上至下呈楔形分布。,当VDS增加到使VGD=VP 时，在紧靠漏极处出现预夹断。,此时VDS ,夹断区延长,沟道电阻,ID基本不变,2、结型场效应管（JFET)的工作原理,VGS和VDS同时作用时,当VP VGS0 时，,导电沟道更容易夹断，,对于同样的VDS ， ID的值比VGS=0时的值要小。,在预夹断处,VGD=VGS-VDS =VP,

6、2、结型场效应管（JFET)的工作原理,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。,# 为什么JFET的输入电阻比BJT高得多？,JFET栅极与沟道间的PN结是反向偏置的，因 此iG0，输入电阻很高。,JFET是利用PN结反向电压对耗尽层厚度的控制，来改变导电沟道的宽窄，从而控制漏极电流的大小。,# JFET有正常放大作用时，沟道处于什么状态？,(2) 转移特性,VP,(1) 输出特性,3、结型场效应管（JFET)的特性曲线及参数,动画三,

7、动画四, 夹断电压VP (或VGS(off)：, 饱和漏极电流IDSS：, 低频跨导gm：,或,漏极电流约为零时的VGS值 。,VGS=0时对应的漏极电流。,低频跨导反映了vGS对iD的控制作用。gm可以在转移特性曲线上求得，单位是mS(毫西门子)。, 输出电阻rd：, 直流输入电阻RGS：,对于结型场效应三极管，反偏时RGS约大于107。, 最大漏极功耗PDM, 最大漏源电压V(BR)DS, 最大栅源电压V(BR)GS,结型场效应管,N 沟 道 耗 尽 型,P 沟 道 耗 尽 型,4.2金属-氧化物-半导体场效应管,增强型MOS场效应管,耗尽型MOS场效应管,MOS场效应管分类,MOS场效应

8、管,N沟道增强型的MOS管,P沟道增强型的MOS管,N沟道耗尽型的MOS管,P沟道耗尽型的MOS管,一、N沟道增强型MOS场效应管结构,增强型MOS场效应管,漏极D集电极C,源极S发射极E,绝缘栅极G基极B,衬底B,电极金属 绝缘层氧化物 基体半导体 因此称之为MOS管,动画五,当VGS较小时，虽然在P型衬底表面形成一层耗尽层，但负离子不能导电。 当VGS=VT时, 在P型衬底表面形成一层电子层，形成N型导电沟道，在VDS的作用下形成iD。,二、N沟道增强型MOS场效应管工作原理,增强型MOS管,-,-,-,-,当VGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的PN结，无论VDS之间加什么电压都不会在

9、D、S间形成电流iD,即iD0.,当VGSVT时, 沟道加厚，沟道电阻减少，在相同VDS的作用下，iD将进一步增加。,开始时无导电沟道，当在VGSVT时才形成沟道,这种类型的管子称为增强型MOS管,动画六,一方面,MOSFET是利用栅源电压的大小，来改变半导体表面感生电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。,当VGSVT，且固定为某一值时，来分析漏源电压VDS的不同变化对导电沟道和漏极电流ID的影响。,VDS=VDGVGS =VGDVGS VGD=VGSVDS,当VDS为0或较小时，相当 VGDVT ,此时VDS 基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。在VDS作用下形成ID,增强型MOS管,另一方

10、面，漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用,当VDS增加到使VGD=VT时，,当VDS增加到VGDVT时，,增强型MOS管,这相当于VDS增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为预夹断。此时的漏极电流ID 基本饱和。,此时预夹断区域加长，伸向S极。 VDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上， ID基本趋于不变。,另一方面，漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用,VGD=VGSVDS,三、N沟道增强型MOS场效应管特性曲线,增强型MOS管,iD=f(vGS)vDS=C,转移特性曲线,iD=f(vDS)vGS=C,输出特性曲线,当vGS变化时，RON将随之变化，因此称之为可变电阻区,恒流区

11、(饱和区)：vGS一定时，iD基本不随vDS变化而变化。,vGS/V,一、N沟道耗尽型MOS场效应管结构,耗尽型MOS场效应管,+ + + + + + +, ,耗尽型MOS管存在 原始导电沟道,耗尽型MOS管,二、N沟道耗尽型MOS场效应管工作原理,当VGS=0时，VDS加正向电压，产生漏极电流iD,此时的漏极电流称为漏极饱和电流，用IDSS表示。 当VGS0时,将使iD进一步增加。 当VGS0时，随着VGS的减小漏极电流逐渐减小，直至iD=0，对应iD=0的VGS称为夹断电压，用符号VP表示。,N沟道耗尽型MOS管可工作在VGS0或VGS0 N沟道增强型MOS管只能工作在VGS0,耗尽型MO

12、S管,三、N沟道耗尽型MOS场效应管特性曲线,输出特性曲线,转移特性曲线,各类绝缘栅场效应三极管的特性曲线,绝缘栅场效应管,N 沟 道 增 强 型,P 沟 道 增 强 型,绝缘栅场效应管,N 沟 道 耗 尽 型,P 沟 道 耗 尽 型,4.3 场效应管的主要参数,2. 夹断电压VP：是耗尽型FET的参数，当VGS=VP 时,漏极电流为零。,3. 饱和漏极电流IDSS 耗尽型场效应三极管当VGS=0时所对应的漏极电流。,1. 开启电压VT：MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值,场效应管不能导通。,4. 直流输入电阻RGS:栅源间所加的恒定电压VGS与流过栅极电流IGS之比。结型:大

13、于107，绝缘栅:1091015。,5. 漏源击穿电压V(BR)DS: 使ID开始剧增时的VDS。,6.栅源击穿电压V(BR) GS JFET：反向饱和电流剧增时的栅源电压 MOS：使SiO2绝缘层击穿的电压,7. 低频跨导gm ：反映了栅源压对漏极电流的控制作用。,8. 输出电阻rds,9. 极间电容,Cgs栅极与源极间电容 Cgd 栅极与漏极间电容Csd 源极与漏极间电容,4.4 场效应管放大电路,场效应管偏置电路,三种基本放大电路,FET小信号模型,一、场效应管偏置电路,1、自给偏置电路,自给偏置电路：,适合结型场效应管和耗尽型MOS管,外加偏置电路：,适合增强型MOS管,UGS = U

14、G-US,= -ISRS, -IDRS,UGSQ和IDQ,UDSQ=ED-IDQ(RS+RD),RS的作用：1.提供栅源直流偏压。2.提供直流负反馈，稳定静态工作点。RS越大，工作点越稳定。,偏置电路,大电阻（M)， 减小R1、R2对放大电 路输入电阻的影响,UGS = UG-US,-IDRS,UGSQ和IDQ,UDSQ=ED-IDQ(RS+RD),1、自给偏置电路,偏置电路,2、外加偏置电路,-IDRS,R1和R2提供一个固定栅压,UGS = UG-US,注：要求UGUS，才能提供一个正偏压，增强型管子才能 正常工作,二、场效应管的低频小信号模型,由输出特性：,iD=f(vGS,vDS),三

15、、三种基本放大电路,1、共源放大电路,（1） 直流分析,基本放大电路,D,S,Ui,Uo,未接Cs时,一般rds较大可忽略,=,- gmUgsRD,Ugs,+ gmUgsRs,RD=RD/RL,（2） 动态分析,ri=RG+(R1/R2),RG,ro RD,基本放大电路,未接Cs时,ri=RG+(R1/R2),RG,ro RD,接入Cs时,AU= -gm(rds/RD/RL),ri=RG+(R1/R2),RG,ro =RD/rds RD,Rs的作用是提供直流栅源电压、引入直流负反馈来稳定工作点。但它对交流也起负反馈作用，使放大倍数降低。接入CS可以消除RS对交流的负反馈作用。,基本放大电路,2

16、、共漏放大电路,Ui,Uo,=,gmUgsRS,Ugs,+ gmUgsRs,RS=rds/RS/RL RS/RL,1,gmRS1,AU1,ri=RG,电压增益,输入电阻,基本放大电路,输出电阻,- gmUgs,Ugs= -Uo,=Uo(1/Rs+gm),电压增益,2、共漏放大电路,基本放大电路,3、共栅放大电路,电压增益,Id=gmUgs+Uds/rds,Uds=Uo-Ui,Uo= -IdRD,Ugs= -Ui,Id= -gmUi+(- IdRD -Ui)/rds,AU gmRD,输入电阻,ri =Ui/Id,rdsRD gmrds1,ri 1/gm,riRs/1/gm,基本放大电路,电压增益

17、,AU gmRD,输入电阻,ri 1/gm,riRs/1/gm,输出电阻,ro =rds,ro=rds/RD RD,电压增益高，输入电阻很低，输出电阻高，输出电压与输入电压同相,3、共栅放大电路,组态对应关系：,CE,BJT,FET,CS,CC,CD,CB,CG,BJT,FET,CE：,CC：,CB：,CS：,CD：,CG：,三种基本放大电路的性能比较,CE：,CC：,CB：,CS：,CD：,CG：,CE：,CC：,CB：,CS：,CD：,CG：,三种基本放大电路的性能比较,解：,画中频小信号等效电路,例题,例题,由于,则,小 结,由于结构和工作原理的不同，使场效应管具有一些不同于三极管的特点

18、。将两者结合使用，取长补短，可改善和提高放大电路的某些性能指标。,小 结,按照结构的不同，场效应管分为结型和绝缘栅型两种类型，MOS管属于绝缘栅型。每一类型均有N沟道和P沟道两种，两者的主要区别在于电压的极性和电流的方向不同。MOS管又分为增强型和耗尽型两种形式。,正确理解场效应管工作原理的关键是掌握电压vGS及vDS对导电沟道和电流iD的不同作用，掌握预夹断与夹断这两个状态的区别和条件。转移特性和输出特性曲线描述了vGS、vDS和iD三者间的关系。与三极管类似，场效应管有截止区(即夹断区)、恒流区(即放大区)和可变电阻区三个工作区域。在恒流区，可将iD看成受电压vGS控制的电流源。gm、VP（或VT）、IDSS、IDM、PDM、V(BR)DS和极间电容是场效应管的主要参数。,小 结,为了保证场效应管工作在放大区，电压v