场效应管与放大电路

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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,MOSFET,绝缘栅型,(IGFET),分类：,结型场效应管,结构,工作原理,输出特性,转移特性,主要参数,JFET的结构和工作原理,JFET的特性曲线及参数,1.结构,（以N沟道JFET为例）,2. 工作原理,V,GS,对沟道的控制作用,当,V,GS,0时,（以N沟道JFET为例）,当沟道夹断时，对应的栅源电压,V,GS,称为,夹断电压,V,P,（ 或,V,GS(off),）。,对于N沟道的JFET，,V,P,0,。,PN结反偏,耗尽层加厚,沟道变窄。,V,GS,继续减小，沟道继续变窄,V,DS,对沟道的控制作用,当,V,GS,=0时，,V,DS,I,D,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,V,DS,增加到使,V,GD,=,V,P,时，在紧靠漏极处出现预夹断。,此时,V,DS,夹断区延长,沟道电阻,I,D,基本不变,V,GS,和,V,DS,同时作用时,当,V,P,V,GS,0,，就可以形成漏极电流,I,D,。在栅极下方导电沟道中的电子，因与P型区的载流子空穴极性相反，故称为,反型层,。随着,V,GS,的继续增加，,反型层,变厚,，,I,D,增加,V,GS,0,g,吸引电子反型层导电沟道,V,GS, 反型层变厚,V,DS,I,D,（2）漏源电压,V,DS,对漏极电流,I,D,的控制作用,（a）,如果,V,GS,V,T,且固定为某一值，,V,DS,=,V,DG,V,GS,=,V,GD,V,GS,V,GD,=,V,GS,V,DS,V,DS,为0或较小时，,V,GD,=,V,GS,V,DS,V,T,，,沟道分布如图，此时,V,DS,基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。,这时，I,D,随V,DS,增大。,V,DS, ,I,D,（2）漏源电压,V,DS,对漏极电流,I,D,的控制作用,（2）漏源电压,V,DS,对漏极电流,I,D,的控制作用,（b）当,V,DS,增加到使,V,GD,=,V,T,时，沟道如图所示，,靠近漏极的沟道被夹断，,这相当于,V,DS,增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为,预夹断,。,（2）漏源电压,V,DS,对漏极电流,I,D,的控制作用,V,DS, ,I,D,不变,（c）当,V,DS,增加到,V,GD,V,T,时，沟道如图所示。此时预夹断区域加长，向S极延伸。,V,DS,增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上，,I,D,基本趋于不变,漏源电压,V,DS,对沟道的影响动画,I,D,=,f,(,V,GS,),V,DS,=const,转移特性曲线,i,D,v,GS,/V,I,D,=,f,(,V,DS,),V,GS,=const,输出特性曲线,v,DS,/V,i,D,3. 特性曲线（以N沟道增强型为例）,转移特性曲线的斜率,g,m,的大小反映了栅源电压,V,GS,对漏极电流,I,D,的控制作用。,g,m,的量纲为mA/V，称为,跨导,。,g,m,=,I,D,/,V,GS,V,DS,=const,输出特性曲线,v,DS,/V,i,D,(1) 截止区（夹断区）,V,GS, V,T,以下区域就是截止区,V,GS,V,T,I,D,=0,(2) 放大区（恒流区）,产生夹断后，V,DS,增大，I,D,不变的区域，,V,GS,-V,DS, ,V,P,V,DS,I,D,不变,处于恒流区的场效应管相当于一个压控电流源,(3)饱和区（可变电阻区）,未产生夹断时，V,DS,增大，I,D,随着增大的区域,V,GS,-V,DS, ,V,P, V,DS,I,D,处于饱和区的场效应管相当于一个压控可变电阻,4.其它类型MOS管,（1）N沟道耗尽型： N沟道耗尽型MOSFET的结构和符号如图所示，制造时在栅极下方的绝缘层中掺入了大量的金属正离子。所以当,V,GS,=0时，这些正离子已经在感应出反型层，在漏源之间形成了沟道。于是只要有漏源电压，就有漏极电流存在。,各种类型MOS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,各种类型MOS管的特性曲线,绝缘栅场效应管,N,沟,道,耗,尽,型,P,沟,道,耗,尽,型,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。,绝缘栅型场效应管,MOSFET,反型层,u,DS,不变，,u,GS,增大，反型层（导电沟道）将变厚。当反型层将两个N区相接时，管子导通。,1.N,沟道增强型管,SiO,2,绝缘层,2.耗尽型管,加正离子,u,GS,=0时就存在导电沟道。,绝缘栅型场效应管特性曲线,1)增强型MOS,管,2)耗尽型MOS管,开启电压,各种场效应管所加偏压极性小结,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,PNP型,结型耗尽型 N沟道 P沟道,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与可倒置使用,载流子,多子扩散少子漂移,多子漂移,控制,电流控制电流源CCCS(,),电压控制电流源VCCS(,g,m,),噪声,较大,较小,温度特性,受温度影响较大,较小，可有零温度系数点,输入电阻,几十到几千欧姆,几兆欧姆以上,静电影响,不受静电影响,易受静电影响,集成工艺,不易大规模集成,适宜大规模和超大规模集成,1. 直流偏置电路,FET的直流偏置电路及静态分析,（1）,自给,偏压电路,v,GS,v,GS,=,-,i,D,R,（2）混合偏压,电路,2. 静态工作点,Q点：,V,GS,、,I,D,、,V,DS,v,GS,=,V,DS,=,已知,V,P,，由,V,DD,-,I,D,(,R,d,+,R,),-,i,D,R,可解出Q点的,V,GS,、,I,D,、,V,DS, 夹断电压,V,P,(或,V,GS(off),)：, 饱和漏极电流,I,DSS,：, 低频跨导,g,m,：,或,3. 主要参数,漏极电流约为零时的,V,GS,值 。,V,GS,=0时对应的漏极电流。,低频跨导反映了,v,GS,对,i,D,的控制作用。,g,m,可以在转移特性曲线上求得，单位是mS(毫西门子)。, 输出电阻,r,d,：,3. 主要参数, 直流输入电阻,R,GS,：,对于结型场效应三极管，反偏时,R,GS,约大于10,7,。, 最大漏极功耗,P,DM,最大漏源电压V,(BR)DS,最大栅源电压V,(BR)GS,FET放大电路组成原则及分析方法,(1) 静态：适当的静态工作点，使场效应管工作在,恒流区,，FET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：,小信号等效电路法。,分析方法：,1. 直流偏置电路,FET的直流偏置电路及静态分析,（1）,自给,偏压电路,v,GS,v,GS,=,-,i,D,R,适用于耗尽型,（2）混合偏压,电路,可同时适用于耗尽型和增强型,2. 静态工作点,Q点：,V,GS,、,I,D,、,V,DS,v,GS,=,V,DS,=,已知,V,P,，由,V,DD,-,I,D,(,R,d,+,R,),-,i,D,R,可解出Q点的,V,GS,、,I,D,、,V,DS,FET的交流参数和小信号模型 FET的主要交流参数,1）,低频跨导,g,m,：,低频跨导反映了,v,GS,对,i,D,的控制作用。,g,m,可以在,转移特性曲线,上求得，单位是mS(毫西门子)。,2）漏极内阻,r,ds,：,很大，,可忽略。,FET的小信号模型,G,S,D,u,GS,i,D,u,DS,S,G,D,u,gs,g,m,u,gs,u,ds,S,G,D,r,DS,u,gs,g,m,u,gs,u,ds,VCCS,场效应管应用,例1：,作反相器用。,|V,p1,|=|V,p2,|=V,T,0|V,T,|V,T,，,截止,T,n,:V,GSn=,V,dd,V,T,，导通,V,o,= 0,V,i,= 0时：,T,p,:V,GSp,=-V,dd,V,T,，导通,T,n,:V,GSn=,0V,T,，,截止,V,o,= +V,dd,Tn,s,Vi,Tp,s,Vo,V,i,V,o,+V,dd,T,p,T,n,场效应管应用,例2：压控电阻,场效应管工作在可变电阻区时，,i,D,随,v,DS,的增加几乎成线性增大，而增大的比值受,v,GS,控制。所以可看成是受,v,GS,控制的电阻。,v,i,v,o,例3：,共源极电路组成,比较共源和共射放大电路，它们只是在偏置电路和受控源的类型上有所不同。只要将微变等效电路画出，就是一个解电路的问题了。,图中,R,g1,、,R,g2,是栅极偏置电阻，,R,s,是源极电阻，,R,d,是漏极负载电阻。与共射基本放大电路的,R,b1,、,R,b2,，,R,e,和,R,c,分别一一对应。而且只要结型场效应管栅源间PN结是反偏工作，无栅流，那么JFET和MOSFET的直流通道和交流通道是一样的,。,直流分析,（估算法）,直流通路,直流分析(估算法）：,V,G,=,V,DD,R,g2,/(,R,g1,+R,g2,),V,GS,=,V,G,V,S,=,V,G,I,D,R,I,D,=,I,DSS,1(,V,GS,/V,P,),2,V,DS,=,V,DD,I,D,(,R,d,+R,),解出,V,GS,、,I,D,和,V,DS,。,交流分析,微变等效电路,共漏极放大电路,直流分析,V,G,=,V,DD,R,g2,/(,R,g1,+R,g2,),V,GS,=,V,G,V,S,=,V,G,I,D,R,I,D,=,I,DSS,1(,V,GS,/V,P,),2,V,DS,=,V,DD,I,D,R,由此可以解出,V,GS,、,I,D,和,V,DS,。,与三极管共集电极电路对应,直流通路：,交流分析,输出电阻,已知：g,m,=0.3mA/V I,DSS,=3mA V,P,=-2V 试分析该电路。,解：静态分析：,V,GS,=-RI,D,I,D,=,I,DSS,1(,V,GS,/V,P,),2,代入参数得：,3I,D,2,-7I,D,+3=0,I,DQ,=0.57mA I,D,=1.77mA（不合理，舍去）,V,GSQ,=-1.14V V,DSQ,=V,DD,-I,D,(R,d,+R)=8.31V,+v,i,-,C,1,0.01u,Q,R,g,10M,R,2K,R,d,15K,R,L,18K,C,2,0.1u,C,3,10u,V,DD,18V,+v,o,-,动态分析：,R,i,=R,g,=10M,R,o,=R,d,=15K,场效应管放大电路小结,(1) 场效应管放大器输入电阻很大。,(2) 场效应管共源极放大器(漏极输出)输入输出反相，电压放大倍数大于1；输出电阻=,R,D,。,(3) 场效应管源极跟随器输入输出同相，电压放大倍数小于1且约等于1；输出电阻小。,三种基本放大电路的性能比较,组态对应关系：,CE,BJT,FET,CS,CC,CD,CB,CG,BJT,FET,电压增益：,CE：,CC：,CB：,CS：,CD：,CG：,输出电阻：,三种基本放大电路的性能比较,BJT,FET,输入电阻：,CE：,CC：,CB：,CS：,CD：,CG：,CE：,CC：,CB：,CS：,CD：,CG：, 夹断电压,V,P,(或,V,GS(off),)：, 饱和漏极电流,I,DSS,：, 低频跨导,g,m,：,或,3. 主要参数,漏极电流约为零时的,V,GS,值 。,V,GS,=0时对应的漏极电流。,低频跨导反映了,v,GS,对,i,D,的控制作用。,g,m,可以在转移特性曲线上求得，单位是mS(毫西门子)。, 输出电阻,r,d,：,