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,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,*,第四章 场效应管放大电路,场效应管是一种利用电场效应来控制电流的一种半导体器件，,是仅由一种载流子参与导电的半导体器件,。从参与导电的载流子来划分，它有电子作为载流子的,N沟道,器件和空穴作为载流子的,P沟道,器件。,场效应管：,结型,N沟道,P沟道,MOS型,N沟道,P沟道,增强型,耗尽型,增强型,耗尽型,4.1 绝缘栅型场效应管,( Insulated Gate Field Effect Transister),绝缘栅型场效应管IGFET有称金属氧化物场效应管,MOSFET,( Metal Oxide,Semiconductor FET),是一种利用半导体表面的电场效应，由感应电荷的多少改变导电沟道来控制漏极电流的器件，它的栅极与半导体之间是绝缘的，其电阻大于10,9,。,增强型,：V,GS,=0时，漏源之间没有导电沟道，,在V,DS,作用下无,i,D,。,耗尽型,：V,GS,=0时，漏源之间有导电沟道，,在V,DS,作用下,i,D,。,1. 结构和符号,（以N沟道增强型为例）,N沟道增强型MOSFET拓扑结构左右对称，是,在一块浓度较低的P型硅上,生成一层SiO,2,薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区，从N型区引出电极,作为D和S,在,绝缘层上镀一层金属铝并,引出一个电极作为G,D(Drain):漏极，相当c,G(Gate):栅极，相当b,S(Source):源极，相当,e,B(Substrate):衬底,结构动画,2. 工作原理（以N沟道增强型为例）,(a),V,GS,=0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，,不管V,DS,极性如何，其中总有一个PN结反向，所以不存在导电沟道。,V,GS,=0， I,D,=0,V,GS,必须大于0,管子才能工作。,（1）栅源电压,V,GS,的控制作用,（1）栅源电压,V,GS,的控制作用,（b）当栅极加有电压时，若,0,V,GS,V,GS(th),（,V,T,称为开,启电压,),时，,在Sio,2,介质中产生,一个垂直于半导体表面的电场，,排斥P区多子空穴而吸引少子电,子。,但由于电场强度有限，,吸,引到绝缘层的少子电子,数量有,限，不足以形成沟道，将漏极,和源极沟通，所以不可能以形,成漏极电流,I,D,。,0,V,GS,V,T,，,I,D,=0,（1）栅源电压,V,GS,的控制作用,(c),进一步增加,V,GS，,当,V,GS,V,T,时，由于此时的栅极电压已经比较强，栅极下方的P型半导体表层中聚集较多的电子，将漏极和源极沟通，形成沟道。如果此时,V,DS,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,栅源电压,V,GS,的控制作用动画,（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,P,|,时的漏,极电流。（耗尽）,极间电容,：,漏源电容,C,DS,约为 0.11,pF,，,栅源电容,C,GS,和栅,漏极电容,C,GD,约为13,pF,。,场效应管的主要参数,(5) 低频跨导,g,m,：表示,v,GS,对,i,D,的控制作用。,在转移特性曲线上，,g,m,是曲线在某点上的斜率，也可由,i,D,的表达式求导得出，单位为 S 或 mS。,(6) 最大漏极电流 I,DM,(8) 漏源击穿电压 V,(BR)DS,栅源击穿电压 V,(BR)GS,(7) 最大漏极耗散功率 P,DM,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。,几种常用的场效应三极管的主要参数见表,4. 2 结型场效应管,(Junction type Field Effect Transister),1. N沟道结型场效应管的结构和符号,结型场效应管是一种利用耗尽层宽度改变导电沟道的宽窄来控制漏极电流的大小的器件。,它是在N型半导体硅片,的两侧各制造一个PN结，,形成两个PN结夹着一个,N型沟道的结构。P区即,为,栅极g(G),，N型硅的,一端是,漏极d(D),，另一,端是,源极s(S),。,箭头方向表示栅结正偏或正偏时栅极电流方向。,N沟道结型场效应管的结构动画,2. 工作原理,I,D,（1）,V,GS,对导电沟道的影响：,V,P,(V,GS(OFF),)：夹断电压,栅源之间是反偏的PN结，,R,GS,10,7,，,所以I,G,=0,(a) V,GS,=0，V,DS,=0，,I,D,=0,结型场效应管没有绝缘层，只能工作在反偏的条件下。N沟道结型场效应管只能工作在负栅压区，P沟道的只能工作在正栅压区，否则将会出现栅流。,N沟道结型场效应管工作原理：,工作原理,(c) |V,GS,|,=,V,P,，,导电沟道被全夹断,(b) 0,V,GS,0 但|V,GS,-V,DS,|,|V,P,|,时的漏极电流,当|,v,GS,- v,DS,|,|,v,P,|后，管子工作在恒流区，,v,DS,对,i,D,的影响很小。实验证明，当|,v,GS,- v,DS,|,|,V,P,| 时，,i,D,可近似表示为：,场效应管总结,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,4.3 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,4.4 场效应管放大电路,场效应管的小信号模型,共源极放大电路,共漏极放大电路,共栅组态基本放大电路,4.4.1 场效应管的小信号模型,已知场效应管输出特性表达式：,求全微分:,漏极与源极间等效电阻,变化量,其中： 低频跨导,可从输出曲线上求出,场效应管的小信号模型,一般r,ds,很大，可忽略，得简化小信号模型:,4.4.2 共源极放大电路,以NMOS增强型场效应管为例,三极管与场效应管三种组态对照表：,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,4.4.3 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,4.4.4 共栅极放大电路,R,o,R,d,例题1 共源,已知：,g,m,=0.3mA/V,I,DSS,=3mA,V,P,=-2V,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,-,例题1解,动态分析：,R,i,=R,g,=10M,R,o,=R,d,=15K,例题2 多级放大电路,已知： V,BE,=0.6V,=120, g,m,=3mA/V, V,P,=-2V, I,DSS,=4mA,+,v,i,-,Q,1,Q,2,Q,3,R,g,10M,R,s,2k,R,d,15k,R,C2,12k,R,e1,200,R,e2,20k,R,e3,3.6k,R,L,2k,C,1,C,2,V,CC,15V,+,v,o,-,解：静态分析：,V,GS,=-R,s,I,D,I,D,=,I,DSS,1(,V,GS,/V,P,),2,代入参数得：,4I,D,2,-9I,D,+4=0,I,D,=0.61mA,I,D,=1.64mA（舍去）,V,GS,=-1.22V,V,D,V,CC,-I,D,R,d,=5.85V,（忽略I,B2,）,I,E2,=,(V,D,V,BE2,)/(R,e1,+R,e2,),=0.26mA,V,C2,V,CC,-I,E2,R,C2,=11.88V（忽略I,B3,）,I,E3,= (V,C2,V,BE3,)/R,e3,=3.13mA,V,CE2,V,CC,-I,E3,R,e2,=3.72V,r,be2,=12.9k,r,be3,=1.2k,例题2解,动态分析：,R,i,=R,g,=10M,R,i2,=,r,be2,+(1+,)R,e1,=37.1k,R,i3,=,r,be3,+(1+,)R,e3,/R,L,=156k,+,v,i,-,Q,1,Q,2,Q,3,R,g,10M,R,s,2k,R,d,15k,R,C2,12k,R,e1,200,R,e2,20k,R,e3,3.6k,R,L,2k,C,1,C,2,V,CC,15V,+,v,o,-,作业,
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