模拟电路线性第3章场效应管课件

3.2 结型场效应管结型场效应管3.3 场效管应用原理场效管应用原理3.1 MOS场效应管场效应管第三章第三章 场效应管场效应管1概概 述述 场效应管是另一种具有正向受控作用的半导体器场效应管是另一种具有正向受控作用的半导体器件。它件。它比比BJTBJT体积小、工艺简单，器件特性便于控制，体积小、工艺简单，器件特性便于控制，是目前制造大规模集成电路的主要有源器件。是目前制造大规模集成电路的主要有源器件。场效应管与三极管主要区别：后述。场效应管与三极管主要区别：后述。场效应管输入电阻远大于三极管输入电阻。场效应管输入电阻远大于三极管输入电阻。三极管三极管R Ri i不高，在许多场合不能满足要求。不高，在许多场合不能满足要求。场效应管是单极型器件（三极管是双极型器件）。场效应管是单极型器件（三极管是双极型器件）。FETFET靠半导体中的靠半导体中的多数载流子导电多数载流子导电多数载流子导电多数载流子导电，又称单极型晶体管。，又称单极型晶体管。三极管是三极管是两种两种载流子载流子载流子载流子导电。导电。导电。导电。2 FETFET优点：优点：输入电阻大（输入电阻大（Ri 10107 710101212）、）、噪音低、热稳定性好、抗辐射能力强、体积小、噪音低、热稳定性好、抗辐射能力强、体积小、工艺简单，便于集成，因此应用广泛。工艺简单，便于集成，因此应用广泛。主要用于高输入阻抗放大器的输入级。主要用于高输入阻抗放大器的输入级。场效应管场效应管：压控：压控电流源器件（电流源器件（ID=gmVGS）。）。三极管：流控三极管：流控电流源器件（电流源器件（IC=IB）。FETFET利用输入回路的利用输入回路的电电电电压压（电场效应）电场效应）电场效应）电场效应）来控制输出回路来控制输出回路电流的器件，故此命名。电流的器件，故此命名。概概 述述33.1 3.1 MOS场效应管场效应管P沟道（沟道（P-EMOS）N沟道（沟道（N-EMOS）P沟道（沟道（P-DMOS）N沟道（沟道（N-DMOS）MOSFETFET增强型（增强型（E）耗尽型（耗尽型（D）N-MOS管与管与P-MOS管工作原理相似，不同之管工作原理相似，不同之处仅在于处仅在于它们形成电流的载流子性质不同，因此，它们形成电流的载流子性质不同，因此，导致加在各极上的电压极性相反导致加在各极上的电压极性相反。JFET结型结型N沟道沟道P沟道沟道N-JFETP-JFET分类：分类：分类：分类：金属氧化物场效应管金属氧化物场效应管（IGFET绝缘栅型）绝缘栅型）4N+N+P+P+PUSGD3.1.1 3.1.1 N N沟道沟道增强型增强型MOSMOS场效应管场效应管q N-EMOS FET结构示意图结构示意图源极源极漏极漏极衬底极衬底极 SiO2绝缘层绝缘层金属栅极金属栅极P P型硅型硅 衬底衬底SGUD电路符号电路符号l沟道长度沟道长度W沟道沟道宽度宽度5MOSMOS管管外部工作条件外部工作条件:两个两个PNPN结反偏。结反偏。N-EMOSN-EMOS管为：管为：VDS 0 (保证栅漏保证栅漏PN结反偏结反偏)。U接电路最低电位或与接电路最低电位或与S极相连极相连(保证源衬保证源衬PN结反偏结反偏)。VGS 0(形成导电沟道形成导电沟道)。1 1、由由金金属属、氧氧化化物物和和半半导导体体制制成成。称称为为金金属属-氧氧化化物物-半半导体场效应管导体场效应管(M-O-S)(M-O-S)。2、栅极有、栅极有SiO2绝缘层绝缘层，或简称，或简称 I-G-FET场效应管。场效应管。6 3.1.1 N3.1.1 N沟道增强型（沟道增强型（EMOSEMOS）管）管说明说明说明说明 MOS管衬底一般与源极相连使用；管衬底一般与源极相连使用；栅极和衬底间形成电容。栅极和衬底间形成电容。一一.工作原理工作原理 1、沟道形成原理。沟道形成原理。(1)(1)设设VDS=0，当当VGS=0时，时，iD=0。图图(a)(a)3.1 3.1 绝缘栅型场效应管（绝缘栅型场效应管（MOSMOS管）管）栅栅 衬之间衬之间相当于以相当于以SiO2为介质的平板电容器。为介质的平板电容器。7 (2)当当VGS0时，时，VGS对对沟道沟道导电能力的控制作导电能力的控制作用。图用。图(b)(b)若若VGS0（正栅源电压）（正栅源电压）耗尽层，耗尽层，如图如图(b)所示。所示。(3)(3)开启电压开启电压开启电压开启电压V VGS(th)GS(th)：使沟道刚刚形成的栅源电压。：使沟道刚刚形成的栅源电压。：使沟道刚刚形成的栅源电压。：使沟道刚刚形成的栅源电压。VGS反型层加厚反型层加厚沟道电阻变小。沟道电阻变小。当当VGS耗尽层加宽耗尽层加宽反型层反型层N型型导电沟道，导电沟道，如如图图(C)所示。所示。反型层反型层VGS越大，反型层中越大，反型层中n 越多，导电能力越强。越多，导电能力越强。82、当、当VGSVGS(th)且一定时，且一定时，VDS对沟道导电能力对沟道导电能力i iD D的的影响。影响。图图(d)(d)VDSDS VGDGD沟道变窄沟道变窄沟道变窄沟道变窄若若若若V VG GD D=V VGS(th)GS(th)预夹断预夹断 V VDSDS（假设（假设V VGSGS V VGS(th)GS(th)且保持不变）且保持不变）讲讲P1049 V VDSDS夹断区加长夹断区加长夹断区加长夹断区加长 预夹断前：预夹断前：ds间呈电阻特性间呈电阻特性 预夹断后：预夹断后：预夹断后：预夹断后：VDG VGS(th)V DS VGS(th)V DS VGSVGS(th)考考虑虑沟沟道道长长度度调调制制效效应应(CLME)(CLME)，输输出出特特性性曲曲线线随随VDS的增加略有上翘。的增加略有上翘。注意：饱和区（又称有源区）对应三极管放大区。注意：饱和区（又称有源区）对应三极管放大区。20数学模型：数学模型：工作在饱和区时，工作在饱和区时，MOSMOS管的正向受控作管的正向受控作用，服从平方律关系式：用，服从平方律关系式：若考虑若考虑CLME，则，则ID的修正方程：的修正方程：其中：其中：称称沟道长度调制系数，其值与沟道长度调制系数，其值与l 有关。有关。通常通常 =(0.005 0.03)V-1（3-1-7）（3-1-8）饱和漏极电流饱和漏极电流V VGSGS=2=2V VGS(th)GS(th)时的时的时的时的i iD D21q 3 3、截止区、截止区特点：特点：相当于相当于MOS管三个电极断开。管三个电极断开。ID/mAVDS/V0VDS=VGS VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5V沟道未形成时的工作区沟道未形成时的工作区条件：条件：VGS VGS(th)ID=0=0以下的工作区域。以下的工作区域。IG0，ID0q 4 4、击穿区击穿区 VDS增大增大到一定值时到一定值时漏衬漏衬PN结结雪崩击穿雪崩击穿 ID剧增。剧增。VDS沟道沟道 l 对于对于l 较小的较小的MOS管管穿通击穿。穿通击穿。V VDSDS过大时过大时22 MOSMOS管管C COXOX很小，当带电物体（很小，当带电物体（烙铁烙铁或人或人）靠近）靠近金属栅极时金属栅极时Q Q大大，感生电荷在，感生电荷在SiOSiO2 2绝缘层中将产生很绝缘层中将产生很大的电压大的电压V VGSGS(=Q/(=Q/C COXOX)，使，使绝缘层绝缘层击穿，造成击穿，造成MOSMOS管永管永久性损坏久性损坏。MOS管保护措施：管保护措施：分立的分立的MOS管：管：各极引线短接、烙铁外壳接地。各极引线短接、烙铁外壳接地。MOS集成电路：集成电路：TD2D1D1 与与D2：(1)限制限制VGS间间最大电压。最大电压。（2）对感）对感 生电荷起旁生电荷起旁路作用。路作用。23 NEMOS管管转移特性曲线转移特性曲线VGS(th)=3VVDS=5V 转移特性曲线反映转移特性曲线反映VDS为常数时，为常数时，VGS对对ID的控的控制作用制作用,可由输出特性转换得到。可由输出特性转换得到。ID/mAVDS/V0VDS=VGS VGS(th)VGS=5V3.5V4V4.5VVDS=5VID/mAVGS/V012345 转移特性曲线中转移特性曲线中,ID=0 时对应的时对应的VGS值值,即开启即开启电压电压VGS（th）。24q三、三、衬底效应衬底效应 集成电路中，许多集成电路中，许多MOS管做在同一衬底上，为保证管做在同一衬底上，为保证U与与S、D之间之间PN结反偏，衬底应接电路最低电位（结反偏，衬底应接电路最低电位（N沟道）或最高电位（沟道）或最高电位（P沟道）。沟道）。若若|VUS|-+VUS耗尽层中负离子数耗尽层中负离子数 因因VGS不变（不变（G极正电荷量不变）极正电荷量不变）ID VUS=0ID/mAVGS/VO-2V-4V根据衬底电压对根据衬底电压对ID的控制作用，又的控制作用，又称称U极为极为背栅极。背栅极。PP+N+N+SGDUVDSVGS-+-+阻挡层宽度阻挡层宽度 表面层中表面层中电子电子数数 25q 四、四、P沟道沟道EMOS管管+-+-VGSVDS+-+-NN+P+SGDUP+N-EMOS管与管与P-EMOS管管工作原理相似。工作原理相似。即即 VDS 0、VGS 0，VGS 正、负、零均可。正、负、零均可。外部工作条件：外部工作条件：DMOS管在饱和区与非饱和区的管在饱和区与非饱和区的ID表达式表达式与与EMOS管管相同相同。DMOS-P与与N差别仅在电压极性与电流方向相反。差别仅在电压极性与电流方向相反。转移特性转移特性313.1.3 3.1.3 四种四种MOS场效应管比较：场效应管比较：P113q 电路符号及电流流向电路符号及电流流向SGUDIDSGUDIDUSGDIDSGUDIDN-EMOSN-DMOSP-DMOSP-EMOSq 转移特性转移特性IDVGS0VGS(th)IDVGS0VGS(th)IDVGS0VGS(th)IDVGS0VGS(th)323.1.3 六种场效应管的符号及特性如图所示。六种场效应管的符号及特性如图所示。P113N-JFETN-JFET管管管管P-JFETP-JFET管管管管33N-DMOSN-DMOS管管管管N-EMOSN-EMOS管管管管34P-DMOSP-DMOS管管管管P-DMOSP-DMOS管管管管353.1.4 3.1.4 小信号电路模型小信号电路模型P112P112qN-EMOSN-EMOS管简化小信号电路模型管简化小信号电路模型(与三极管对照与三极管对照)gmvgsrdsgdsicvgs-vds+-（2）rds为为场效应管场效应管输出电阻：输出电阻：（1）由于）由于场场效应管效应管G G、S S之间开路，之间开路，I IG G 0 0，所以输入电阻，所以输入电阻r rgsgs 。而而三极管发三极管发射结正偏，射结正偏，故输入电阻故输入电阻r rb b e e较小。较小。与三极管与三极管输出电阻表达式输出电阻表达式 相似。相似。rb ercebceibic+-+vbevcegmvb e36 将场效应管视为二端口网络将场效应管视为二端口网络 栅、源之间只有电压栅、源之间只有电压VGS，而无电流，而无电流i iD D=f f(v(vGSGS,v,vDSDS)取全微分得：取全微分得：+-+（3-1-9）37令令 若信号较小，则若信号较小，则gm和和rds近似为常数近似为常数于是，有于是，有 场效应管的低频小信号等效模型如图所示场效应管的低频小信号等效模型如图所示场效应管的低频小信号等效模型如图所示场效应管的低频小信号等效模型如图所示（3-1-10）38说明说明说明说明 跨导跨导gm由由VGS=VGSQ时的转移特性曲线上时的转移特性曲线上Q点处切线斜率决定，点处切线斜率决定，如图所示如图所示Qgmrds为为VGS=VGSQ时输出特性曲线上时输出特性曲线上Q点处切线斜率的倒数点处切线斜率的倒数Q39理想时理想时,r rdsds=（开路）（开路）（开路）（开路）场效应管简化等效模型场效应管简化等效模型QQ40 MOS管管跨导跨导利用利用得得三极管三极管跨导跨导 通常通常MOS管的跨导比管的跨导比三极管的三极管的跨导要小一个数跨导要小一个数量级以上，即量级以上，即MOS管放大能力比三极管弱。管放大能力比三极管弱。（3-1-13）（3-1-7）（2-5-4）41q 计及衬底计及衬底效应的效应的MOS管简化电路模型管简化电路模型 考虑到衬底电压考虑到衬底电压vus对漏极电流对漏极电流id的控制作用，小信的控制作用，小信号等效电路中需增加一个压控电流源号等效电路中需增加一个压控电流源gmuvus。gmvgsrdsgdsidvgs-vds+-gmuvusgmu称背栅（称背栅（衬底衬底）跨导：）跨导：工程上，工程上，为常为常数，数，一般一般 =0.1 0.2（3-1-16）42q MOS管管高频小信号电路模型高频小信号电路模型 当当高高频频应应用用、需需计计及及管管子子极极间间电电容容影影响响时时，应应采用如下高频等效电路模型。采用如下高频等效电路模型。gmvgsrdsgdsidvgs-vds+-CdsCgdCgs栅源极间栅源极间平板电容平板电容漏源极间电容漏源极间电容（漏衬与（漏衬与源衬之间的势垒电容）源衬之间的势垒电容）栅漏极间栅漏极间平板电容平板电容43 场场效效应应管管电电路路分分析析方方法法与与三三极极管管的的相相似似，可可采采用用估估算算法法（公公式式）分分析析电电路路直直流流工工作作点点；采采用用小小信信号等效电路法号等效电路法分析电路动态指标。分析电路动态指标。图解法图解法少用。少用。3.1.5 3.1.5 MOS管电路分析方法管电路分析方法P116 场效应管估算法分析思路与三极管相同，场效应管估算法分析思路与三极管相同，但但两种两种管工作原理不同，故外部工作条件明显不同。管工作原理不同，故外部工作条件明显不同。q一、估算法一、估算法441 1、MOS管管截止模式判断方法截止模式判断方法假定假定MOS管工作在放大模式：管工作在放大模式：放大模式放大模式非饱和模式非饱和模式（需重新计算需重新计算Q Q点点）N沟道管沟道管：VGS VGS(th)截止条件截止条件2 2、MOS管管非饱和与饱和（放大）模式判断方法非饱和与饱和（放大）模式判断方法a)a)由直流通路写出管外电路由直流通路写出管外电路VGS与与ID之间关系式。之间关系式。c)c)联立解上述方程，选出合理的一组解。联立解上述方程，选出合理的一组解。d)d)判断电路工作模式：判断电路工作模式：若若|VDS|VGSVGS(th)|若若|VDS|0，P沟道沟道：VDS|VGS(th)|，|VDS|VGS VGS(th)|VGS|VGS(th)|，q 饱和区（放大区）工作条件饱和区（放大区）工作条件|VDS|VGS(th)|，q 非饱和区（可变电阻区）数学模型非饱和区（可变电阻区）数学模型（3-1-5）MOS管管47q N-EMOSN-EMOS直流简化电路模型直流简化电路模型(与三极管相对照与三极管相对照)（1）场效应管）场效应管G、S之间开路之间开路 ，IG 0。三极管发射结由于正偏而导通，等效三极管发射结由于正偏而导通，等效为为VBE(on)。（2）FET输出端等效为输出端等效为压控压控电流源，满足平方律方程：电流源，满足平方律方程：三极管输出端等效为三极管输出端等效为流控流控电流源，满足电流源，满足IC=IB。SGDIDVGSSDGIDIG 0ID(VGS)+-VBE(on)ECBICIBIB+-（3-1-7）48例例1 已知已知 nCOXW/(2l)=0.25mA/V2，VGS(th)=2V,求求ID解：解：假设假设T工作在放大模式（工作在放大模式（?区区）VDD(+20V)1.2M 4k TSRG1RG2RDRS0.8M 10k GID带入已知条件解上述方程组得：带入已知条件解上述方程组得：ID=1mAVGS=4V及ID=2.25mAVGS=-1V（舍去）（舍去）VDS=VDD-ID（RD+RS）=6V因此因此 验证得知：验证得知：VDS VGSVGS(th)，VGS VGS(th)，假设成立。假设成立。（3-1-7）例例2：（：（3-1-7）q3.1.5 3.1.5 分析方法：分析方法：P116P11649q二、小信号等效电路法二、小信号等效电路法FET小信号等效电路分析法与三极管相似。小信号等效电路分析法与三极管相似。利用微变等效电路分析交流指标。利用微变等效电路分析交流指标。画交流通路。画交流通路。将将FETFET用小信号电路模型代替。用小信号电路模型代替。计算微变参数计算微变参数gm、rds注：具体分析将在注：具体分析将在第四章中第四章中详细介绍。详细介绍。50 3.2 3.2 结型场效应管（结型场效应管（JFETJFET）N沟道管沟道管P沟道管沟道管实际结构及符号如下图所实际结构及符号如下图所示。示。P-JFET P-JFET除偏置电压极性、载流子类型与除偏置电压极性、载流子类型与N-JFETN-JFET不同不同外，其工作原理完全相同，因此，只讨论外，其工作原理完全相同，因此，只讨论N-JFETN-JFET。类型类型MOSFETMOSFET利用利用V VGSGS大小，来改变半导体表面感生电荷的大小，来改变半导体表面感生电荷的多少，从而控制漏极电流大小。多少，从而控制漏极电流大小。JFETJFET利用利用PNPN结反向电压来结反向电压来控制控制耗尽层厚度，改变导耗尽层厚度，改变导电沟道的宽窄，从而控制漏极电流大小。电沟道的宽窄，从而控制漏极电流大小。51 3.2 N-JFET结构和工作原理结构和工作原理1.结构结构 N型导电沟道型导电沟道漏极漏极D(d)沟道电阻沟道电阻 长度、长度、宽度宽度、掺杂、掺杂P+P+反偏的反偏的PN结结 反偏电压反偏电压控制耗尽层控制耗尽层结构特点结构特点:空间电荷区空间电荷区(耗尽层耗尽层)栅极栅极G(g)导电沟道导电沟道导电沟道导电沟道源极源极S(s)N型型52q N沟道沟道JFET管管外部工作条件外部工作条件 VDS 0(保证栅漏保证栅漏PN结反偏结反偏)VGS 0(保证栅源保证栅源PN结反偏结反偏)3.2.1 3.2.1 JFET管管工作原理工作原理P+P+NGSD-+VGSVDS+-53q VGS对沟道宽度的影响：对沟道宽度的影响：|VGS|阻挡层宽度阻挡层宽度 若若|VGS|继续继续 沟道全夹断沟道全夹断使使VGS=VGS(off)夹断电压夹断电压若若VDS=0NGSD-+VGSP+P+N型沟道宽度型沟道宽度 沟道电阻沟道电阻Ron 54 VGS对沟道的控制作用（对沟道的控制作用（V VDSDS=0=0）VGS=0 VGS0(反偏反偏)耗尽层加耗尽层加宽宽厚厚|VGS|增加增加沟道变窄沟道变窄沟道电阻增大沟道电阻增大全夹断（夹断电压）全夹断（夹断电压）|uGS|u uGSGS称为夹端电压称为夹端电压称为夹端电压称为夹端电压U UGS(off)GS(off)VP沟道电阻为沟道电阻为55 VDS很很小时小时 VGD VGS由图由图 VGD=VGS-VDS因此因此 VDS ID线性线性 若若VDS 则则VGD 近漏端沟道近漏端沟道 Ron增大增大。此时此时,Ron ID 变慢。变慢。q VDS对沟道的控制对沟道的控制（假设（假设VGS 一定一定）NGSD-+VGSP+P+VDS+-此时此时W近似不变，近似不变，即即Ron不变。不变。沟道变窄沟道变窄沟道变窄沟道变窄讲讲P11956 当当VDS增加到增加到使使VGD 并并=VGS(off)时，时，A点出现点出现预夹断。预夹断。若若VDS 继续继续 A点点下移下移出现夹断区。出现夹断区。此时此时 VAS=VAG+VGS=-VGS(off)+VGS（恒定）（恒定）若忽略若忽略CLMECLME，则近似认为，则近似认为l l 不变（即不变（即R Ronon不变）。不变）。NGSD-+VGSP+P+VDS+-ANGSD-+VGSP+P+VDS+-A57 V VDSDS夹断区加长夹断区加长夹断区加长夹断区加长dsds间呈电阻特性间呈电阻特性间呈电阻特性间呈电阻特性 预夹断后：预夹断后：预夹断后：预夹断后：VDGVGS VGS(off)V DS VGS VGS(off)V DS VGSVGS(off)在饱和区，在饱和区，JFET的的ID与与VGS之间也满足平方律关系，但由于之间也满足平方律关系，但由于JFET与与MOS管结构不同，故管结构不同，故方程不同。方程不同。（3-2-3）64q三、截止区三、截止区特点：特点：沟道全夹断的工作区。沟道全夹断的工作区。条件：条件：VGS VGS(off)IG0，ID=0q四、四、击穿区击穿区VDS 增大增大到一定值时到一定值时 近近漏极漏极PN结雪崩击穿。结雪崩击穿。ID/mAVDS/V0VDS=VGS VGS(off)VGS=0V-2V-1.5V-1V-0.5V 造成造成 ID剧增。剧增。VGS 越负越负 则则VGD 越负越负 相应相应击穿电压击穿电压V(BR)DS越小越小击穿电压击穿电压V(BR)DS：V(BR)DSVGS-V(BR)GD65 JFETJFET转移特性曲线转移特性曲线 同同MOS管一样，管一样，JFET的转移特性也可由输出特的转移特性也可由输出特性转换得到性转换得到(略略)。ID=0 时对应的时对应的VGS值值 夹断电压夹断电压VGS（off）。VGS(off)ID/mAVGS/V0IDSS (N-JFET)ID/mAVGS/V0IDSSVGS(off)(P-JFET)VGS=0 时对应的时对应的ID 值值 饱和漏电流饱和漏电流IDSS。66 1、转移特性、转移特性2 2、电流方程、电流方程(VGS（off)VGSVGS-VGS(off)注意注意P P沟道管沟道管沟道管沟道管V VGSGS0067 夹断电压夹断电压VP(或或VGS(off)：饱和漏极电流饱和漏极电流IDSS：低频跨导低频跨导gm：或或3.主要参数主要参数漏极电流约为零时的漏极电流约为零时的VGS值值。VGS=0时对应的漏极电流。时对应的漏极电流。低频跨导反映了低频跨导反映了vGS对对iD的控制作用。的控制作用。gm可以在转移特性曲线上求得，单位是可以在转移特性曲线上求得，单位是mS(毫西门子毫西门子)。输出电阻输出电阻rd：683.3.主要参数主要参数 直流输入电阻直流输入电阻RGS：对于结型场效应三极管，反偏时对于结型场效应三极管，反偏时RGS约大于约大于107。最大漏极功耗最大漏极功耗PDM 最大漏源电压最大漏源电压V(BR)DS 最大栅源电压最大栅源电压V(BR)GS69 JFET电路模型同电路模型同MOS管相同。只是由于两种管子在管相同。只是由于两种管子在饱和区数学模型不同，因此，跨导计算公式不同。饱和区数学模型不同，因此，跨导计算公式不同。JFET电路模型电路模型VGSSDGIDIG 0ID(VGS)+-gmvgsrdsgdsidvgs-vds+-SIDGD（共源极）（共源极）（直流电路模型）（直流电路模型）（小信号模型）（小信号模型）利用利用得得701.JFET小信号模型小信号模型（1 1）低频模型）低频模型JFET放大电路的小信号模型分析法放大电路的小信号模型分析法71JFET放大电路的小信号模型分析法放大电路的小信号模型分析法（2 2）高频模型）高频模型72一、场效应管放大电路的特点一、场效应管放大电路的特点1.1.场效应管是电压控制元件；场效应管是电压控制元件；2.2.栅极几乎不取用电流，输入电阻非常高；栅极几乎不取用电流，输入电阻非常高；3.噪声小，受外界温度及辐射影响小；噪声小，受外界温度及辐射影响小；4.4.制造工艺简单，有利于大规模集成；制造工艺简单，有利于大规模集成；5.跨导较小，电压放大倍数一般比三极管低。跨导较小，电压放大倍数一般比三极管低。6.沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电，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所以场效应管也称为单极型单极型三极管三极管。总结：总结：73二、二、表表3.1 3.1 场效应管与晶体管的比较场效应管与晶体管的比较场效应管场效应管晶体管晶体管电极电极g g、s s、d db b、e e、c c控制类型控制类型电压输入控制电压输入控制电压输入控制电压输入控制VCCS(VCCS(g gm m)电流输入控制电流输入控制电流输入控制电流输入控制CCCS()控制能力控制能力较弱（较弱（较弱（较弱（g gmm较小）较小）较小）较小）(g gmm15mS)15mS)较强（较强（较强（较强（较大）较大）较大）较大）(20100)20100)参与导电参与导电的载流子的载流子多子多子多子多子漂移漂移多子扩散多子扩散少子漂移少子漂移噪声系数噪声系数小小小小大大大大74 双极型三极管双极型三极管 场效应三极管场效应三极管 噪声噪声 较大较大 较小较小温度特性温度特性 受温度影响较大受温度影响较大 较小，可有零温度系数点较小，可有零温度系数点输入电阻输入电阻 几十到几千欧姆几十到几千欧姆 几兆欧姆以上几兆欧姆以上静电影响静电影响 不受静电影响不受静电影响 易受静电影响易受静电影响集成工艺集成工艺 不易大规模集成不易大规模集成 适宜大规模和超大规模集成适宜大规模和超大规模集成 C C与与E E不可互换使用不可互换使用 D D与与S S可互换使用可互换使用二、二、表表3.1 3.1 场效应管与晶体管的比较场效应管与晶体管的比较75q三、各类三、各类FET管管VDS、VGS极性比较极性比较 VDS极性与极性与ID流向仅取决于沟道类型流向仅取决于沟道类型 VGS极性取决于工作方式及沟道类型极性取决于工作方式及沟道类型 由于由于FETFET类型较多，单独记忆较困难，现将各类类型较多，单独记忆较困难，现将各类FETFET管管V VDSDS、V VGSGS极性及极性及I ID D流向归纳如下：流向归纳如下：N沟道沟道FET：VDS 0，ID流入管子漏极。流入管子漏极。P沟道沟道FET：VDS vGS vGS(th)因此因此当当 vGS vGS(th)时时N-EMOS管管工作在饱和区。工作在饱和区。伏安特性：伏安特性：iDvGSVQIQQ直流电阻：直流电阻：（小）（小）交流电阻：交流电阻：（大）（大）Tvi+-+-vRi80q N-DMOS管管GS相连相连构成有源电阻构成有源电阻v=vDS，vGS=0，i=iD由图由图因此，当因此，当 vDS 0 vGS(th)时，管子工作在饱和区。时，管子工作在饱和区。伏安特性即伏安特性即vGS=0 时的输出特性。时的输出特性。由由得知得知当当vGS=0 时，电路近似恒流输出。时，电路近似恒流输出。iDvDSVQIQQ-VGS(th)vGS=0 0Tvi+-+-vRi81q 有源电阻有源电阻构成分压器构成分压器若两管若两管 n、COX、VGS(th)相同，则相同，则联立求解得：联立求解得：T1V1I1+-I2V2+-VDDT2由图由图I1=I2V1+V2=VDDV1+V2=VDD调整沟道宽长比（调整沟道宽长比（W/l），可得所需的分压值。），可得所需的分压值。8283复习复习 1.N-JFET管管 （1）特性曲线）特性曲线 （2）电流方程）电流方程（工作于恒流区）（工作于恒流区）(3-2-3)84 （1）特性曲线）特性曲线 （2）电流方程）电流方程 2.N-EMOS2.N-EMOS管管（无原始导电沟道）（无原始导电沟道）（工作于恒流区）（工作于恒流区）(3-1-7)85 3.N-DMOS管管（有原始导电沟道）（有原始导电沟道）（有原始导电沟道）（有原始导电沟道）（1）特性曲线）特性曲线 （2）电流方程）电流方程（工作于恒流区）（工作于恒流区）注意注意P沟道管沟道管VGG和和VDD的极性应与的极性应与N沟道管的相反。沟道管的相反。86增加增加场场场场效应管放大电路的三种接法效应管放大电路的三种接法:共源接法共源接法共源接法共源接法共漏接法共漏接法共漏接法共漏接法共栅接法（极少用）共栅接法（极少用）共栅接法（极少用）共栅接法（极少用）87N-EMOS管管放大器静态放大器静态Q点的设置方法及分析计算点的设置方法及分析计算（以共源电路为例）（以共源电路为例）（以共源电路为例）（以共源电路为例）一、基本共源电路一、基本共源电路 1、电路组成、电路组成 N-EMOSN-EMOS管：管：管：管：放大放大放大放大 栅极电源栅极电源栅极电源栅极电源V VGGGG要求：要求：要求：要求：V VGGGG V VGS(th)GS(th)漏极电源漏极电源漏极电源漏极电源V VDDDD：要求：要求：要求：要求：V VDSDS V VGSGS-V VGS(th)GS(th)R Rd d：将电流的变化转化成电压的变化将电流的变化转化成电压的变化将电流的变化转化成电压的变化将电流的变化转化成电压的变化.类似例类似例2:（3-1-7）88 2 2、静态、静态Q Q点的确定点的确定 图解法图解法图解法图解法令令则则V VGSQGSQ=V VGGGG输出特性曲线输出特性曲线输出特性曲线输出特性曲线V VDSDS=V VDDDD-i iD DR Rd d交点交点QI IDQDQV VDSQDSQ 存在问题：存在问题：存在问题：存在问题：双电源供电。双电源供电。双电源供电。双电源供电。估算法估算法估算法估算法VGSQ=VGG，V VDSQDSQ=V VDDDD-I IDQDQR Rd d89二、分压式偏置电路二、分压式偏置电路 1、静态、静态Q点的确定点的确定静态时静态时于是，有于是，有说明说明说明说明R Rg3g3的作用是为使的作用是为使的作用是为使的作用是为使R Ri i增大增大增大增大类似类似例例1：(3-1-7)90+T+RGSDGRDR2VDD+RLRSR1C1CSC2+图图 2.7.5分压分压 式偏置电路式偏置电路2 2、图解法图解法由式由式可做出一条直线，可做出一条直线，另外，另外，iD 与与 uGS 之间满之间满足转移特性曲线的规律，足转移特性曲线的规律，二者间交点为静态工作二者间交点为静态工作点，确定点，确定 UGSQ，IDQ。91根据漏极回路方程根据漏极回路方程在在漏漏极极特特性性曲曲线线上上做做直直流流负负载载线线，与与 uGS=UGSQ 的的交点确定交点确定 Q，由，由 Q 确定确定 UDSQ 和和 IDQ值。值。UDSQuDS=VDD iD(RD+RS)3 uDS/ViD/mA012152 V105uGS4.5V4V3.5V UGSQ3 VVDDQIDQuGS/ViD/mAO24612QIDQUGSQUGQ92 三、自给偏压电路三、自给偏压电路 1.结型场效应管放大电路。结型场效应管放大电路。（1）电路组成：）电路组成：自给偏压。自给偏压。自给偏压。自给偏压。（2）静态）静态Q点的确定：点的确定：静态时静态时 2.DMOS管放大电路。管放大电路。静态时静态时93 增加增加3.1.6 场效应管的主要参数场效应管的主要参数一、直流参数：一、直流参数：一、直流参数：一、直流参数：1 1 1 1）开启电压）开启电压）开启电压）开启电压V VGSGS（th)th)2 2 2 2）夹断电压）夹断电压）夹断电压）夹断电压V VGSGS（0ff)0ff)3 3 3 3）饱和漏极电流）饱和漏极电流）饱和漏极电流）饱和漏极电流I IDSSDSS4 4 4 4）直流输入电阻）直流输入电阻）直流输入电阻）直流输入电阻R RGSGS（DCDC）E-MOSE-MOS管的参数管的参数管的参数管的参数结型管和结型管和结型管和结型管和D-MOSD-MOS管的参数管的参数管的参数管的参数 对于耗尽型管，在对于耗尽型管，在对于耗尽型管，在对于耗尽型管，在V VGSGS=0=0时产生预夹断时的时产生预夹断时的时产生预夹断时的时产生预夹断时的i iD D定义为定义为定义为定义为I IDSSDSS。结型管：结型管：结型管：结型管：R RGS(DC)GS(DC)10107 7MOSMOS管：管：管：管：R RGS(DC)GS(DC)10109 994二、交流参数二、交流参数1 1）低频跨导）低频跨导g gm m2 2）极间电容：）极间电容：Cgs、Cgd、Cds恒流区时：恒流区时：说明说明说明说明gm是转移特性曲线上某点切线的斜率；是转移特性曲线上某点切线的斜率；iDgm三、极限参数三、极限参数3 3）最大耗散功率）最大耗散功率 PDM 1 1）最大漏极电流）最大漏极电流 IDM 2 2）击穿电压：）击穿电压：V(BR)DS、V(BR)GS9596VGS=VDS=VDD-ID(Rd+R)-IDR可解出可解出Q点的点的VGS、ID、VDS VP1、静态工作点图解、静态工作点图解FETFET的直流偏置电路及静态分析的直流偏置电路及静态分析97Q点：点：VGS、ID、VDSVGS=VDS=已知已知VP，由，由VDD-ID(Rd+R)-IDR可解出可解出Q点的点的VGS、ID、VDS FETFET的直流偏置电路及静态分析的直流偏置电路及静态分析2、静态工作点计算、静态工作点计算98 Rg1、Rg2：栅栅极极偏偏置置电电阻阻，Rs：源源极极电电阻阻，Rd：漏漏极极负负载载电电阻阻。与与共共射射基基本本放放大大电电路路的的Rb1、Rb2，Re和和Rc分分别别一一一一对对应应。要要求求：结结型型场场效效应应管管栅栅源源间间PN结结反反偏偏工工 作作，无无 栅栅 流流，JFET和和MOSFET的的直直流流通通道道和和交交流通道是一样的。流通道是一样的。例例3：直流分析：用直流分析：用（3-2-33-2-3）99 根据图可写出下列方程根据图可写出下列方程 VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2)VGSQ=VGVS=VGIDQR IDQ=IDSS1(VGSQ/VGS(off)2 VDSQ=VDDIDQ(Rd+R)于是可以解出于是可以解出VGSQ、IDQ和和VDSQ。（3-2-33-2-3）例例3：直流分析：用直流分析：用（3-2-33-2-3）100个人观点供参考，欢迎讨论！