晶体管及其小信号放大-场效应管放大电路

1 晶体管及其小信号放大 场效应管放大电路 2 场效应晶体管 (FET) 电压控制器件 多子导电 输入阻抗高 ,噪声低 ,热稳定好 ,抗辐射 ,工 艺简单 ,便于集成 , 应用广泛 3 4 场效应晶体管及场效应管放大电路 4.1 场效应晶体管 (FET) 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） FET 场效应管 JFET 结型 IGFET 绝缘栅型 4 一、结构 4.1.1 结型场效应管 栅极 漏极 源极 N沟道 利用 PN结反向电压对耗尽层宽度的控制来 改变导电沟道的宽度 ,从而控制通过的电流 5 UGS 二、工作原理（以 N沟道为例） 正常工作 : UGS0V PN结反偏， |UGS|越 大则耗尽层越宽， 导电沟道越窄，电 阻越大。 ID 初始就有沟道， 是耗尽型。 ID受 UGS 和 UDS的控制 6 UGS UDS0但较小 : ID ID随 UDS的增加而线性上升。 (UGS固定 ) 7 N G S D UGS P P UGS负到一定值时 ,耗尽 区碰到一起， DS间被夹 断， 这时，即使 UDS 0V， 漏极电流 ID=0A。 ID 夹断电压 )(offGSU 8 UGS ,但 UDS增加 到 UGS - ,即 UGD= UGS UDS = 靠近漏极的沟道夹断 . 预夹断 )(offGSU )(offGSU )(offGSU UDS增大则被夹断区 向下延伸。 此时， 电流 ID由未被夹断 区域中的载流子形 成，基本不随 UDS的 增加而增加，呈恒 流特性。 ID= IDSS ID 9 三、特性曲线和电流方程 co n s t .DSD GS)( vvfi 2. 转移特性 co n s t .GSD DS)( vvfi )0()1( GSG S ( o f f )2 G S ( o f f ) GS D S SD vVV vIi 1. 输出特性 夹断区 )(offGSU （饱和区） UGD = )(offGSU 10 结型场效应管的缺点： 1. 栅源极间的电阻虽然可达 107以上，但在 某些场合仍嫌不够高。 3. 栅源极间的 PN结加正向电压时，将出现 较大的栅极电流。 绝缘栅场效应管可以很好地解决这些问题。 2. 在高温下， PN结的反向电流增大，栅源 极间的电阻会显著下降。 11 最常见的绝缘栅型场效应管是 MOSFET( Metal Oxide Semiconductor FET)。分为 增强型 N沟道、 P沟道 耗尽型 N沟道、 P沟道 4.1.2 绝缘栅场效应管（ IGFET) 12 一 N沟道增强型 MOSFET 1 结构 13 2 工作原理 (1) V GS=0V时 ，漏源之间相当两个背靠背的 二极管，在 D 、 S之间加上电压不会在 D、 S间形成电流。 (2) VGS VGS（ th)0时 ，形成导电沟道 反 型 层 VGS越大， 沟道越宽， 电阻越小。 14 (3) VGS VGS（ th)0时， VDS0 VGD=VGS VDS VGS（ th)时发生 预夹断 VDS较小时， ID随之线性上升 VDS稍大后，产生横向电位梯度 出现预夹断后，随着 VDS继续增大，夹断点向源极方向移动， ID略有增加 15 输出特性曲线 ID=f(VDS)VGS=const （饱和区） 夹断区 3 N沟道增强型 MOS管的特性曲线 VGD=VGS（ th) 16 转移特性曲线 ID=f(VGS)VDS=const VGS（ th) 2 G S ( t h ) GS DOD )1( V vIi DOI )(2 thGSGS Vv 即 时的值 17 二 N沟道耗尽型 MOSFET 正离子 VGS为正 沟道加宽 VGS为负 沟道变窄 夹断电压 )(offGSU 使用方便 18 输出特性曲线 ID U DS 0 UGS=0 UGS0 转移特性曲线 2 G S ( of f ) GS D S SD )1( V vIi 19 P沟道 MOSFET P沟道 MOSFET的工作原理与 N沟 道 MOSFET完全相同，只不过导电 的载流子不同，供电电压极性不同 而已。这如同双极型三极管有 NPN 型和 PNP型一样。 20 2.2.5 双极型和场效应型三极管的比较 双极型三极管 场效应三极管 结构 NPN型 结型（耗尽型） N沟道 P沟道 PNP型 绝缘栅增强型 N沟道 P沟道 绝缘栅耗尽型 N沟道 P沟道 C与 E一般不可倒置使用 D与 S一般可倒置使用 载流子 多子扩散少子漂移 多子漂移 输入量 电流输入 电压输入 控制 电流控制电流源 CCCS() 电压控制电流源 VCCS(gm) 21 4.1.4 场效应管的参数和型号 一 场效应管的参数 开启电压 VGS(th) (或 VT) 开启电压是 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。 夹断电压 VGS(off) (或 VP) 夹断电压是耗尽型 FET的参数，当 VGS=VGS(off) 时 ,漏 极电流为零。 饱和漏极电流 I DSS 耗尽型场效应三极管 , 当 VGS=0时所对应的漏极电流 22 输入电阻 RGS 场效应三极管的栅源输入电阻的典型值 ， 对于结型 场效应三极管，反偏时 RGS约大于 107，对于绝缘 栅型场效应三极管 , RGS约是 109 1015。 低频跨导 gm 低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用， 这一点与电子管的控制作用相似。 gm可以在 转移特性曲线上求取，也可由电流方程求得 DS GS D m Vv ig 最大漏极功耗 PDM 最大漏极功耗可由 PDM= VDS ID决定，与双极型 三极管的 PCM相当。 23 二 场效应三极管的型号 场效应三极管的型号 , 现行有两种命名方法。 其一是与双极型三极管相同，第三位字母 J代 表结型场效应管， O代表绝缘栅场效应管。第二位 字母代表材料， D是 P型硅，反型层是 N沟道； C是 N型硅 P沟道。例如 ,3DJ6D是结型 N沟道场效应三 极管， 3DO6C是绝缘栅型 N沟道场效应三极管。 第二种命名方法是 CS #， CS代表场效应管， 以数字代表型号的序号， #用字母代表同一型号 中的不同规格。例如 CS14A、 CS45G等。 24 几种常用的场效应三极管的主要参数 参 数 型号 P D M m W I D S S m A VR DS V VR GS V V P V g m m A / V f M M H z 3D J 2D 100 20 20 - 4 2 300 3D J 7E 100 20 20 - 4 3 90 3D J 15H 100 6 11 20 20 - 5.5 8 3DO 2E 100 0.35 1.2 12 25 100 0 C S 1 1C 100 0.3 1 - 25 - 4 2 25 半导体三极管图片 26 半导体三极管图片 27 4.2 场效应 放大电路 (1) 静态：适当的静态工作点，使场效应管工作 在恒流区，场效应管的偏置电路相对 简单。 (2) 动态：能为交流信号提供通路。 组成原则： 静态分析： 估算法、图解法。 动态分析： 微变等效电路法。 分析方法： 28 4.2.2 场效应管的直流偏置电路及静态分析 一 自偏压电路 vGS Q点： VGS 、 ID 、 VDS vGS = 2 P GS D S SD )1( V vIi VDS = VDD - ID (Rd + R ) - iDR 注意：两组解，一组不合理 （适用于耗尽型） 29 二 分压式偏置电路 SVGSV GV DD g2g1 g2 V RR R RID 2 P GS D S SD )1( V vIi （两种都适用） 30 4.2.2 场效应管的低频小信号等效模型 G S D ),( DSGSD uufi DS DS D GS GS D D uu i u u i i DS DS GSm urug 1 GS D m u ig 跨导 D DS DS i ur 漏极输出电阻 uGS iD uDS 31 GS D m u ig 32 很大， 一般可忽略 场效应管的微变等效电路为： G S D uGS iD uDS S G D ugs gmugs uds S G D rDS ugs gmugs uds JFET相同 33 4.2.3 共源极放大电路 uo UDD=20V RS ui C S C2 C1 R1 RD RG R2 RL 150k 50k 1M 10k 10k G D S 10k s g R2 R1 RG RL d RL RD 微变等效电路 gsmUg gsU 34 gsi UU )/( LDgsmo RRUgU Lmu RgA s g R2 R1 RG RL d RL RD gsU gsmUg iU oU 21 / RRRr Gi M0 3 7 5.1 ro=RD=10k