第4章场效应管放大电路.ppt

1、1,第四章 场效应管放大电路,BJT的缺点：输入电阻较低, 温度特性差。 场效应管(FET)：利用电场效应控制其电流的半导体器件。 优点：输入电阻非常高(高达1071015欧姆)，噪声低，热稳定性好， 抗辐射能力强，工艺简单，便于集成。,根据结构不同分为：结型场效应管(JFET); 绝缘栅型场效应管(MOSFET) 根据沟道性质分为：N沟道; P沟道 根据偏压为零时沟道能否导电分为：耗尽型，增强型,场效应管工作时，只有一种极性的载流子参与导电， 所以场效应管又称为单极型晶体管。,2,4.1 结型场效应管,4.1.1 JFET的结构和工作原理 1. 结构:,高搀杂的P型区.,N沟道JEFT的示意

2、图,N型导电沟道,对于N沟道JEFT 工作于放大状态， vGS0,g栅极，s源极，d漏极,3,高搀杂的N型区.,P型导电沟道,P沟道JEFT的示意图,对于P沟道JEFT 工作于放大状态， vGS 0. vDS 0,4,2. 工作原理,(1) vGS对iD的控制作用,vGS=0,VpvGS0,vGSVP,耗尽层两侧刚刚合拢，沟道全部 夹断时的vGS称为夹断电压VP,先设：vDS=0,5,vGS 对沟道的影响：,改变 vGS 的大小，可以有效的控制耗尽层的宽度，从而改变沟道电阻的大小。 若在漏源极间加上固定的正向电压，则漏极流向源极的电流 iD 将受 vGS 的控制。 对N沟道，vGS 减小，沟道

3、电阻增大，iD 减小。,vDS=0时，耗尽层均匀,6,(2) VDS 对 iD 的影响 设：vGSVP且不变,vDS=0，耗尽层均匀,vGSVp vGDVp ：沟道呈电阻性， iD随vDS升高几乎成正比例的增加。,vDS不为0时，耗尽层变成锲型。 vDS增加，锲型的斜率加大。,7,vGD=vGS-vDS vDS ，vGD 当 vGD=VP时， 靠近D端两边的耗尽层 相接触预夹断。 iD达到了最大值 IDSS。 此时：vDS=vGS-VP,vDS再加大，vGD vGS-VP) 耗尽层两边相接触的长度 增加，iD基本上不随vDS的 增加而上升，漏极电流趋于 饱和饱和区，恒流区。,预夹断,夹断长度增

4、加,8,4-1-2 N沟道，JFET的特性曲线,输出特性 iD=f(vDS)|vGS=常数,在该区FET 可以看 成一个压控电阻。,特点: vGS越负，耗尽层越宽，漏源间的电阻越大，输出曲线越倾斜。 iD与 vDS 几乎成线性关系。,1区: 可变电阻区 0vGSVP , 0vGDVp,9,2区 ：饱和区 （恒流区，线性放大区 ） 0 vGS Vp, vGDVp,特点: iD 随 vGS下降而减少, iD受 vGS 的控制。 vDS 增加时，iD基本保持不变，成恒流特性。,在该区域，场效应管等效成一个受vGS控制的恒流源。,场效应管作放大器时工作在该区域。,10,4区：击穿区 vDS太大，致使栅

5、漏PN结雪崩击穿，FET处于击穿状态.。场效应管一般不能工作在该区域内。,3区：截止区 vGSVP ，vGDVP iD=0 场效应管截止,11,(2) 转移特性曲线 iD= f (vGS)|vDS= 常数,表征栅源电压vGS对漏极电流的控制作用， 场效应管是电压控制器件。,在饱和区内，FET可看作压控电流源。 转移特性方程： iD=IDSS(1-vGS/VP)2,12,（3）主要参数,夹断电压：VP 当导电沟道刚好完全被关闭时，栅源所对应的电压 vGS 称为夹断电压。 夹断电压与半导体的搀杂浓度有关。 饱和漏电流：IDSS 场效应管处于饱和区，且 vGS=0 时的漏极电流，对于结型场效应管，为

6、最大工作电流。 低频互导：gm gm=diD/dvGS|vDS=常数 反映了栅源电压对漏极电流的控制能力，是转移特性曲线上，静态工作点处的斜率。,13,输出电阻： rd 输出电阻反映了vDS对 iD的影响，是输出特性上，静态工作点处切线斜率的倒数。 在饱和区内，iD随vDS改变很小，因此 rd 数值很大。 最大漏源电压：V(BR)DS 最大耗散功率： PDM,14,4.3 金属-氧化物-半导体场效应管,4.3.1 N沟道增强型MOSFET 金属栅极、SiO2绝缘层、半导体，构成平板电容器。 MOSFET 利用栅源电压的大小，来改变衬底 b表面感生电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。,N沟道增强

7、型MOS管示意图,N沟道增强型 MOS管符号,MOS场效应管的类型： 增强型：包括N沟道和P沟道 耗尽型：包括N沟道和P沟道,P沟道增强型 MOS管符号,15,1、沟道形成原理 vDS=0时，vGS 的作用,在SiO2绝缘层中产生垂直向下的电场， 该电场排斥P区中的多子空穴，而将少子电子吸向衬底表面。 vGS不够大时，吸向衬底表面的电子将与空穴复合而消失，衬底表面留下了负离子的空间电荷区耗尽层，并与两个PN结的耗尽层相连，此时源区和漏区隔断。无导电沟道 iD=0,vGS =0时，iD=0,0vGSVT时,16,vGS加大，将吸引更多的电子到衬底表面，形成自由电子的薄层反型层。 (表层的导电类型

8、由原来P型转化为N型) N型导电沟道形成。,vDS=0时 反型层均匀,vGSVT,刚形成反型层所需的 vGS 的值 开启电压VT 。,vGSVT，沟道形成， vDS0时，将形成电流iD。 vGS ，沟道加宽，沟道电阻， iD 。,N沟道,当外加正 vDS 时，源区的多子(电子)将沿反型层漂移到漏区形成漏极电流iD。,17, vGSVT且不变 , vDS对沟道的影响,导电沟道形成后， 在vDS的作用下，形成漏极电流iD ， 沿沟道ds，电位逐渐下降, sio2中电场沿沟道ds逐渐加大， 导电沟道的宽度也沿沟道逐渐加大，靠近漏极端最窄。,vGS VT , 且 vGD VT (vDS vGS-VT

9、) 沟道畅通，场效应管等效为小电阻（可变电阻区）。,vDS使沟道不再均匀,18,vDS再， 使 vGDvGS-VT)夹断点向左移动，沟道中形成高阻区，电压的增加全部降在高阻区，iD基本不变恒流区。,vDS , vGD , 沟道斜率， 靠近漏极端更窄。 当vGD=VT 时 (vDS= vGS-VT) 靠近漏极端的反型层刚好消失 预夹断。,预夹断,19,3 、特性曲线,1区：可变电阻区: vGSVT vGDVT 沟道呈电阻性，iD随vDS的增大而线性增大。 电阻值随vGS增加而减小。,2区：恒流区(线性放大区） vGSVT vGDVT iD=IDO(vGS/VT)-12 IDO是vGS=2VT时，

10、iD的值。 iD 受 vGS 的控制。,4区：击穿区,3区 截止区 vGSVT vGDVT iD=0,VT,20,CMOS电路,vi=VDD vGSP=0VTP T1截止 vGSN=VDDVTN T2导通 vo=0 vi=0 vGSP= -VDD VTP T1导通 vGSN=0VTN T2截止 vo= VDD,T2：N沟道,T1：P沟道,非门电路,21,4.3.2 N沟道耗尽型MOSFET,结构与N沟道增强型相同，但在SiO2的绝缘层中掺有大量的正离子。 当vGS=0时，也能在衬底表面感应出很多的电子，形成N型导电沟道。,在零栅源电压下也存在导电沟道的FET称耗尽型。 耗尽型MOSFET在零、

11、正和负栅源电压下都可工作。,N沟道耗尽型 MOS管符号,P沟道耗尽型 MOS管符号,vGS , 沟道宽度，iD vGS , 沟道宽度 ，iD ,22,4.3.3 场效应管比较,N沟道：vDS0 , iD为电子电流, iDS0（电流实际方向流入漏极） P沟道： vDS0 , iD为空穴电流, iDS0 （电流实际方向流出漏极）,衬底的极性：必须保证PN结反偏。 N沟道：P型衬底须接在电路中的最低电位上。 P沟道：N型衬底须接在电路中的最高电位上。,增强型MOS管：vGS单极性，总与vDS一致（N沟道正，P沟道负）。 vGS=0时 iDS=0。 耗尽型MOS管： vGS可正可负。 J型场效应管：

12、vGS单极性，总与vDS相反（N沟道负,，P沟道正)。 vGS=0时iDS 0（绝对值达最大）,转移特性：,N沟道,P沟道,23,4.4 场效应管放大电路,4.4.1 FET的直流偏置电路及静态分析,1 零偏压电路,2 自偏压电路,VGS= - IDRS,VGS=0,直流偏置电路,适应于耗尽型MOS场效应管,适应于结型或耗尽型MOS管,24,3 分压式自偏压电路,VGS可正可负, 适应于任何一种类型.,静态工作点的确定 根据外部电路列出线性方程 列出场效应管的转移特性方程,增强型MOS管,J型、耗尽型MOS管,25,例,J型管iD不能大于IDSS 1.59mA的结果舍去 ID=0.31mA,26,4.4.2 FET的小信号模型分析法,FET的低频小信号简化模型,FET低频小信号模型,FET高频小信号模型.,27,应用小信号模型分析FET的放大电