模电-第3章-场效应管课件

第第3 3章章 场效应晶体管和基本放大电路场效应晶体管和基本放大电路3.1 3.1 场效应晶体管场效应晶体管3.2 3.2 场效应管放大电路场效应管放大电路1作业作业n3-4n 3-7（第（第3问，当问，当RS2取最大值时计算取最大值时计算AU）n 3-8n 3-10n 3-112本章的重点与难点本章的重点与难点重点重点:1.了解场效应管的工作原理；了解场效应管的工作原理；2.掌握掌握场效应管的外特性及主要参数；场效应管的外特性及主要参数；3.掌掌握握场场效效应应管管放放大大电电路路静静态态工工作作点点与与动动态态参参数（数（Au、Ri、Ro）的分析方法。）的分析方法。难点难点:通通过过外外部部电电压压对对导导电电沟沟道道的的控控制制作作用用来来说说明明结结型场效应管及绝缘栅型场效应管的工作原理。型场效应管及绝缘栅型场效应管的工作原理。3场效应管输入回路内阻很高场效应管输入回路内阻很高(1071012)，热稳定性，热稳定性好，噪声低，比晶体管耗电小，应用广泛。好，噪声低，比晶体管耗电小，应用广泛。仅靠多数载流子导电，又称仅靠多数载流子导电，又称单极型单极型晶体管。晶体管。场效应管场效应管（FET）：是利用输入回路的电场效应是利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件。来控制输出回路电流的一种半导体器件。3.1 3.1 场效应晶体管场效应晶体管4按结构不同分为：按结构不同分为：结型结型(JFET)绝缘栅型绝缘栅型(IGFET)每种类型的场效应管又分为每种类型的场效应管又分为N沟道和沟道和P沟道沟道两种两种类型。类型。场效应管的分类场效应管的分类53.1.1 结型场效应管结型场效应管 N沟道结型场效应管是沟道结型场效应管是在同一块在同一块N型半导体上型半导体上制作两个高掺杂的制作两个高掺杂的P区，区，将它们连接在一起引出将它们连接在一起引出电极电极栅极栅极g。N型半导体型半导体分别引出分别引出漏极漏极d、源极源极s。1.N沟道结型场效应管的结构沟道结型场效应管的结构sgP+N导电沟道导电沟道源极源极s栅极栅极g漏极漏极d6结型场效应管的符号结型场效应管的符号N沟道符号沟道符号dsgdsgP沟道符号沟道符号7(1)g、s间和间和d、s间均短路的情况间均短路的情况导电沟道具有一定的宽度导电沟道具有一定的宽度并且等宽并且等宽2.工作原理电压控制作用工作原理电压控制作用(以以N沟道为例加以说明沟道为例加以说明)8(2)g、s间加负电压和间加负电压和d、s间短路间短路|UGS|增加到某一数值增加到某一数值,耗尽耗尽区区相接相接,沟道消失沟道消失,沟沟道电阻趋于无穷大，沟道电阻趋于无穷大，沟道夹断道夹断此时此时GS的值的值为为夹断电压夹断电压UGS（off）|UGS|增大，耗尽增大，耗尽区区增增宽，沟道变窄，宽，沟道变窄，沟道沟道电电阻增大。阻增大。等宽变化等宽变化N沟道沟道JFETUGS(off)09 UDS的作用产生漏极电流的作用产生漏极电流ID，使沟道中，使沟道中各点和栅极间的各点和栅极间的电压不再相等电压不再相等，近漏极电压，近漏极电压最大，近源极电压最小。最大，近源极电压最小。导导电沟道宽度不再相等。电沟道宽度不再相等。dsgUDSiD(3)g、s间短路，间短路，d、s间加正向电压间加正向电压随着随着UDS 的增加，的增加，ID近似近似线线性性增加增加,d-s间间呈电阻特性呈电阻特性。10UGD=UGS-UDS=-UDS当当UDS 增加到增加到|UGS（off）|。漏极附漏极附近的耗尽区相接，称为近的耗尽区相接，称为预夹断预夹断。UDSdsgAID随着随着UDS 增加，增加，ID增大。增大。沟道在漏极处越来越窄。沟道在漏极处越来越窄。此时，此时，UGD=UGS（off）UDS 再增加，夹断区长度增加（再增加，夹断区长度增加（AA）。）。A预夹断时，导电沟道内仍有电流预夹断时，导电沟道内仍有电流ID，且，且UDS增大时增大时ID几乎不变。几乎不变。对应对应UGS0时的时的ID最大，称为最大，称为“饱饱和漏极电流和漏极电流IDSS”11g、s间的负电压使导电沟间的负电压使导电沟道变窄（等宽）道变窄（等宽）；d、s间间的正电压使沟道不等宽的正电压使沟道不等宽。UGS 增加，导电沟道变窄，增加，导电沟道变窄，沟道电阻增大，相同沟道电阻增大，相同UDS产产生的生的ID减小。减小。dsgUDSUGSID(4)g、s间加负向电压，间加负向电压，d、s间加正向电压间加正向电压（综合（综合（2 2）（）（3 3）两种情况）两种情况）12称场效应管为称场效应管为电压控制元件。电压控制元件。由于由于UDS的增加几乎全的增加几乎全部落在夹断区，漏极电部落在夹断区，漏极电流流ID基本保持不变。基本保持不变。ID几乎仅仅决定于几乎仅仅决定于UGS，表现出恒流特性。表现出恒流特性。AdsgUDSUGSID132.工作原理电压控制作用工作原理电压控制作用正常工作时（放大）：正常工作时（放大）：在栅在栅-源之间加源之间加负向电压负向电压，(保证耗尽层承受反向电压保证耗尽层承受反向电压)漏漏-源之间加源之间加正向电压正向电压，(以形成漏极电流）以形成漏极电流）这样既保证了栅源之间的电阻这样既保证了栅源之间的电阻很高，又实现了很高，又实现了ugs对沟道电流对沟道电流iD的控制。的控制。d耗尽层耗尽层sgP+N导电沟道导电沟道结构示意图结构示意图2.工作原理电压控制作用工作原理电压控制作用143.结型场效应管的特性结型场效应管的特性ID=f(UDS)UGS =常数常数（1）输出特性曲线）输出特性曲线因场效应管栅极电流几乎为因场效应管栅极电流几乎为零，不讨论输入特性。零，不讨论输入特性。输出特性和转移特性输出特性和转移特性从图中可以看出，管子的工作状态分为四个区域：从图中可以看出，管子的工作状态分为四个区域：可变电阻区，恒流区，夹断区及击穿区。可变电阻区，恒流区，夹断区及击穿区。UGS 015UDS较小、曲线靠近纵轴的部分较小、曲线靠近纵轴的部分。也就是预夹断轨迹左边区域。也就是预夹断轨迹左边区域。1)可变电阻区可变电阻区 条件条件：|UGS|UGS（off）|UGD|UGS（off）|预夹断轨迹预夹断轨迹：连接连接各曲线上各曲线上UGD=UGS（off）的点的点特点：可通过改变特点：可通过改变UGS大小来改变漏源间电阻值。大小来改变漏源间电阻值。16UDS较大、较大、ID基本不随基本不随UDS的增的增加而增加的部分加而增加的部分。预夹断轨迹右边区域。预夹断轨迹右边区域。2)恒流区（饱和区，放大区）恒流区（饱和区，放大区）条件：条件：|UGS|UGS（off）|特点：特点：ID只受只受UGS 控制控制17 导电沟道全部夹断。导电沟道全部夹断。4)4)击穿区：击穿区：U UDSDS增加到一定程度，电流急剧增大增加到一定程度，电流急剧增大(雪崩）。雪崩）。不允许管子工作在击穿区。不允许管子工作在击穿区。3)夹断区（截止区）夹断区（截止区）条件条件：|UGS|UGS（off）|特点：特点：ID 0184 43 32 21 10 04 48 81212U UGSGS =0V=0V 3V3V 4V4V输出特性输出特性输出特性输出特性转移特性转移特性转移特性转移特性1 12 23 3 1V 1V 2 20 0 1 1 2 2 3 3 U UGSGS/V VU UGS(off)GS(off)U UDSDS/V VI ID D/mA/mAI ID D/mA/mA转移特性曲线与输出特性曲线有严格的对应关系转移特性曲线与输出特性曲线有严格的对应关系 4 44 4（2）转移特性）转移特性ID=f(UGS)UDS =常数常数反映反映UGS对对ID的控制作用的控制作用UDS=8VIDSSUGS=0时产时产生预夹断时生预夹断时的漏极电流的漏极电流放大区的转移特性曲线几乎重合。可变电阻区时，不放大区的转移特性曲线几乎重合。可变电阻区时，不同的同的UDS，转移特性曲线有很大差别。，转移特性曲线有很大差别。19恒流区恒流区ID近似表达式为：近似表达式为：30123 UGS/VUGS(off)ID/mA4IDSS12N沟道沟道结型场效应管，栅源之间加结型场效应管，栅源之间加反向反向电压。电压。P沟沟道道结型场效应管，栅源之间加结型场效应管，栅源之间加正向正向电压。电压。201.4.2 绝缘栅型场效应管（绝缘栅型场效应管（MOS管管)栅栅-源电压为零时，无导电沟道的管子称为源电压为零时，无导电沟道的管子称为增强型增强型栅栅-源电压为零时，已建立了导电沟道的管子称为源电压为零时，已建立了导电沟道的管子称为耗尽型耗尽型MOS管分类：管分类：N沟道（沟道（N MOS）增强型增强型 耗尽型耗尽型 P沟道（沟道（P MOS）增强型增强型 耗尽型耗尽型 绝缘栅型场效应管采用绝缘栅型场效应管采用sio2绝缘层隔离，栅极为金绝缘层隔离，栅极为金属铝，又称为属铝，又称为MOS管。管。211、N沟道增强型沟道增强型MOS管管（1）结构）结构 通常通常衬底和源极连接在一起衬底和源极连接在一起使用。使用。栅栅-源电压改变时，源电压改变时，将改变衬底靠近绝缘层处感将改变衬底靠近绝缘层处感应电荷的多少，从而控制漏应电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。极电流的大小。P型硅衬底型硅衬底源极源极S 栅极栅极G 漏极漏极D 衬底引线衬底引线BN+N+SiO2DBSGN沟道符号沟道符号DBSGP沟道符号沟道符号22SiO2P型硅衬底型硅衬底耗尽层耗尽层衬底引线衬底引线BN+N+SGDUDSID=0D与与S之间是两个之间是两个PN结反向串联，结反向串联，无论无论D与与S之间加之间加什么极性的电压，什么极性的电压，漏极电流均接近于漏极电流均接近于零。零。（2）工作原理工作原理1)1)UGS=023 由于绝缘层由于绝缘层SiO2的存在，栅极的存在，栅极电流为零。电流为零。栅源电压产生向下的电场强度，栅源电压产生向下的电场强度，基底靠近栅极形成基底靠近栅极形成N型型薄层，薄层，称为反型层。称为反型层。这个反型层就构成了漏源之间这个反型层就构成了漏源之间的导电沟道。的导电沟道。PN+N+SGD反型层反型层2）UGS 0，UDS=024UGS到达到达UGS（th)后，后，UGS越大，反型层越宽，导电沟越大，反型层越宽，导电沟道电阻越小，相同的道电阻越小，相同的UDS产生的电流产生的电流ID大，从而实大，从而实现了现了压控电流作用压控电流作用。产生反型层（导电沟道）时产生反型层（导电沟道）时对应的栅对应的栅-源电压称为源电压称为 开启电压开启电压UGS(th)PN+N+SGD反型层反型层25 UDS作用产生漏极电流作用产生漏极电流ID。沟。沟道各点对栅极电压不再相等，道各点对栅极电压不再相等，导电沟道导电沟道宽度不再相等宽度不再相等，沿源，沿源-漏方向逐渐变窄。漏方向逐渐变窄。3）UGS UGS(th），UDS 0P衬底衬底B BN+N+SGDUGD=UGS-UDS UGS(th），UDS 0P衬底衬底BN+N+SGD27恒流区恒流区击击穿穿区区可可变变电电阻阻区区夹断区夹断区输出特性输出特性转移特性转移特性（3）特性曲线特性曲线28恒流区恒流区ID和和UGS的近似关系：的近似关系：IDO是是UGS=2UGS(th)时的时的ID。UDS=10V0123246UGS/VUGs(th)ID/mAI IDODO29制造时制造时,在在sio2绝缘层中掺入大量绝缘层中掺入大量的正离子的正离子,即使即使UGS=0，在正离子，在正离子的作用下，源的作用下，源-漏之间也存在导漏之间也存在导电沟道。只要加正向电沟道。只要加正向UDS，就会，就会产生产生ID。UGS0,并且当并且当UGS小于某一值时，小于某一值时，导电沟道消失，此时的导电沟道消失，此时的UGS称为称为夹断电压夹断电压UGS(off)。结构示意图结构示意图P源极源极S漏极漏极D 栅极栅极GBN+N+正离子正离子反型层反型层SiO22、N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSMOS管管30dN沟道符号沟道符号BsgP沟道符号沟道符号dBsgMOSMOS管符号管符号DBSGN沟道符号沟道符号DBSGP沟道符号沟道符号耗尽型耗尽型MOSMOS管符号管符号增强型增强型MOSMOS管符号管符号31432104812UGS=1V2V3V输出特性输出特性转移特性转移特性N N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSMOS管的特性曲线管的特性曲线 1230V1012123 UGS/V2.特性曲线特性曲线 ID UGSUGs(off)UDS/VUDS=10VID/mAID/mA32场效场效应管应管的符的符号及号及特性特性76页页结型结型N沟道沟道结型结型P沟道沟道NMOS增强型增强型NMOS耗尽型耗尽型PMOS增强型增强型PMOS耗尽型耗尽型（+）（+）（+）（+）（-）（-）（-）（-）33判断判断N沟道结型场沟道结型场效应效应管的工作状态管的工作状态UGS（off）0(1)UGSUGS（off），UGDUGS（off），UGDUGS（off）：可变电阻区可变电阻区34判断判断MOS管的工作状态管的工作状态N沟道增强型：沟道增强型：UGS（th）0(1)UGSUGS（th），UGDUGS（th），UGDUGS（th）：可变电阻区可变电阻区35P沟道增强型：沟道增强型：UGS（th）UGS（th）：夹断区：夹断区(2)UGSUGS（th）：恒流区恒流区(3)UGSUGS（th），UGDUGS（th）：可变电阻区可变电阻区36 测得某放大电路中三个测得某放大电路中三个MOS管的三个电极的电位及它们的管的三个电极的电位及它们的开启电压如表所示。试分析各管的工作状态（夹断区、恒开启电压如表所示。试分析各管的工作状态（夹断区、恒流区、可变电阻区）。流区、可变电阻区）。管号管号U UGS(th)GS(th)/V/VUs/VUs/VU UG G/V/VU UD D/V/V工作状态工作状态T14-513T2-43310T3-4605恒流区恒流区夹断区夹断区可变电阻区可变电阻区增强型增强型NMOSPMOS373.1.3 场效应管的主要参数场效应管的主要参数1、直流参数、直流参数 （1）开启电压开启电压UGS(th)UDS为固定值能产生漏极电流为固定值能产生漏极电流ID所需的栅所需的栅-源电源电压压UGS的最小值。的最小值。增强型增强型MOS管的参数管的参数。（NMOS管为正，管为正，PMOS管为负）管为负）38 （2）夹断电压夹断电压 UGS(off)UDS为固定值使漏极电流近似等于零时所需的栅为固定值使漏极电流近似等于零时所需的栅-源电压。源电压。结型场效应管和耗尽型结型场效应管和耗尽型MOS管管的参数。的参数。（NMOS管为负，管为负，PMOS管为正）。管为正）。39 （4）直流输入电阻直流输入电阻RGS（DC）栅栅-源电压与栅极电流的比值，其值很高源电压与栅极电流的比值，其值很高,一般为一般为107-1010左右。左右。（3）饱和漏极电流）饱和漏极电流IDSS 对于对于耗尽型耗尽型MOS管管,在在UGS=0情况下产生情况下产生 预夹断时预夹断时的漏极电流。的漏极电流。402、交流参数、交流参数 gm是衡量栅是衡量栅-源电压对漏极电流控制能力的一个重源电压对漏极电流控制能力的一个重要参数。要参数。（1）低频跨导）低频跨导 gm管子工作在恒流区并且管子工作在恒流区并且 UDS为常数时，漏极电流的微为常数时，漏极电流的微变量与引起这个变化的栅变量与引起这个变化的栅-源电压的微变量之比称为低源电压的微变量之比称为低频跨导，即频跨导，即41（2）交流输出电阻）交流输出电阻rdsrds反映了反映了uDS对对iD的影响，是输出特性曲线上的影响，是输出特性曲线上Q点处切点处切线斜率的倒数线斜率的倒数 rds在在恒流区很大。恒流区很大。423、极限极限极限极限参数参数（1）最大漏极电流）最大漏极电流IDM()最大漏源电压最大漏源电压U DS(BR)(3)最大栅源电压最大栅源电压U GS(BR)(4)最大耗散功率最大耗散功率P DM433.1.4 3.1.4 场效应管与双极型晶体管的比较场效应管与双极型晶体管的比较场效应管的栅极场效应管的栅极g g、源极、源极s s、漏极、漏极d d分别对应于晶体管的分别对应于晶体管的基极基极b b、发射极、发射极e e、集电极、集电极c c1 1）FETFET是电压控制元件，输入阻抗很高；是电压控制元件，输入阻抗很高；BJT BJT 是电流控制元件，输入阻抗较小；是电流控制元件，输入阻抗较小；2 2）FETFET（单极型）多子参与导电，温度稳定性好，抗（单极型）多子参与导电，温度稳定性好，抗辐射能力强，辐射能力强，FETFET噪声系数小；噪声系数小；BJTBJT为多子和少子同时参与导电，温度特性能差；为多子和少子同时参与导电，温度特性能差；443 3）FETFET漏极与源极可以互换使用；漏极与源极可以互换使用；BJTBJT的发射极与集电的发射极与集电极一般不能互换使用；极一般不能互换使用；FETFET比比BJTBJT的种类多，组成电路的种类多，组成电路更灵活；更灵活；4 4）FETFET工艺简单，功耗小，电源范围宽，更多用于大工艺简单，功耗小，电源范围宽，更多用于大规模和超大规模集成电路。规模和超大规模集成电路。）管的栅极绝缘，外界感应电荷不易泄放）管的栅极绝缘，外界感应电荷不易泄放45 例例 已知某管的输出特性曲线如图所示。试分析已知某管的输出特性曲线如图所示。试分析该管是什么类型的场效应管。该管是什么类型的场效应管。N沟道增强型沟道增强型MOS管管2105101510V8V6V uDS/ViD/mA4V开启电压开启电压UGS(th)=4V46例例 电路及管子的输出特性如图所示。试分析电路及管子的输出特性如图所示。试分析uI为为0、8V和和10V三种情况下三种情况下uO分别为几伏。分别为几伏。+VDD(+15V)RD5kuo+-uI+-2105101510V8V6V uDS/ViD/mA4V47+VDD(+15V)RD5kuo+-uI+-2105101510V8V6V uDS/ViD/mA4V输入电压为输入电压为8V48（3）当）当UGS(th)=10V时，若认为时，若认为 T工作在恒流区，工作在恒流区，则则iD为为2.2mA,uo=4V,而而uGS=10V时的预夹断电压时的预夹断电压为为uDS=6V说明管子工作在可变电阻区。说明管子工作在可变电阻区。+VDD(+15V)RD5kuo+-uI+-uDS/V2105101510V8V6ViD/mA4V349场效应管组成的放大电路与双极型晶体管一样，场效应管组成的放大电路与双极型晶体管一样，必须建立必须建立合适的静态工作点合适的静态工作点介绍几种偏置电路：介绍几种偏置电路：.场效应管放大电路场效应管放大电路.场效应管放大电路的直流偏置及静态分析场效应管放大电路的直流偏置及静态分析场效应管放大电路的直流偏置及静态分析场效应管放大电路的直流偏置及静态分析1.1.自给偏压电路自给偏压电路此电路只适用于此电路只适用于耗尽型器件耗尽型器件50静态工作点分析静态工作点分析栅极电流为栅极电流为0，则，则UGQ=0解方程求出IDQ和UGSQ51、分压式偏置电路、分压式偏置电路静态工作点分析静态工作点分析直流通路直流通路52IDQ UGSQ栅极电流为栅极电流为0增强型增强型MOSMOS管的电流方程管的电流方程静态工作点分析静态工作点分析53静态分析小结静态分析小结n利用利用场效效应管管栅极极电流流为0，得到，得到栅源源电压与与漏极漏极电流之流之间关系式。关系式。n列出列出场效效应管在恒流区的管在恒流区的电流方程。流方程。联立上述两方程，求解立上述两方程，求解UGSQ和和IDQ，并推算，并推算UDSQ。n注意解算后注意解算后应使得管子工作在恒流区。使得管子工作在恒流区。54例例3-1 自给偏压电路中自给偏压电路中,已知场效应管的输出特性已知场效应管的输出特性,用图解法确定用图解法确定Q点点(1)(1)根据输出回路方程作根据输出回路方程作直流负载线直流负载线MNMN(2)(2)根据直流负载线与各输根据直流负载线与各输出曲线的交点出曲线的交点a a、b b、c c、d d、e e所对应的所对应的i iD D和和u uGSGS的值作的值作转移转移特性特性55（4 4）源极负载线与转移特性曲线的交点为）源极负载线与转移特性曲线的交点为Q Q点点QQ(3)(3)根据输入回路方程作根据输入回路方程作源极负载线源极负载线OLOL56573.2.2 用微变等效电路法分析场效应管放大用微变等效电路法分析场效应管放大电路的动态参数电路的动态参数 场效应管的交流低频小信号模型场效应管的交流低频小信号模型求全微分求全微分58低频小信号模型低频小信号模型rdsMOSMOS管简化交流等效模型管简化交流等效模型sdg+_ _.U Ugsgsg gm mU Ugsgs59sdg+_ _.U Ugsgsg gm mU Ugsgs增强型增强型MOSMOS：gm的计算的计算60耗尽型耗尽型MOSMOS及结型及结型FETFET61应用微变等效电路分析法分析应用微变等效电路分析法分析场效应管放大电路场效应管放大电路（）（）共源放大电路共源放大电路 1)1)静态分析：静态分析：自给偏置电路自给偏置电路62微变等效电路微变等效电路 电压增益电压增益2 2）动态分析：）动态分析：63 输入电阻输入电阻 输出电阻输出电阻64例例3-3图示示电路路,计算算、和和，已知，已知解：解：由于由于gm值已给，因此值已给，因此不需要进行静态分析。不需要进行静态分析。65动态分析：动态分析：1）电压增益）电压增益66共源电路的电压增益比共射电路小，输入电阻大共源电路的电压增益比共射电路小，输入电阻大输入与输出电阻输入与输出电阻67（）共漏放大电路（）共漏放大电路静态分析静态分析68(,(,源极跟随器源极跟随器)微变等效电路微变等效电路输入电阻输入电阻电压增益电压增益动态分析动态分析69输出电阻输出电阻断开负载，输入信号短路，输出端断开负载，输入信号短路，输出端加电压，得到求输出电阻的电路加电压，得到求输出电阻的电路输出电阻较小输出电阻较小（）共漏放大电路（）共漏放大电路70解解(1)例例-图示放大电路图示放大电路,UGS(off)=-4V,IDSS=5mA(1)求静态工作点求静态工作点IDQ和和UGSQ(2)计算计算Au、Ri和和71计算计算gm电压增益电压增益72输入电阻和输出电阻输入电阻和输出电阻73 场效应管的三种基本接法：场效应管的三种基本接法：共源、共漏和共栅分别与双极型晶体管的共射、共源、共漏和共栅分别与双极型晶体管的共射、共集和共基对应，相应的输出量与输入量之间共集和共基对应，相应的输出量与输入量之间的大小和相位关系一致，可以实现反相电压放的大小和相位关系一致，可以实现反相电压放大、电压跟随、电流跟随的功能。大、电压跟随、电流跟随的功能。74个人观点供参考，欢迎讨论！