【教学课件】第4章场效应管放大电路

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,BJT的缺点：输入电阻较低,温度特性差。,场效应管(FET)：利用电场效应控制其电流的半导体器件。,优点：,输入电阻非常高,(高达10,7,10,15,欧姆)，,噪声低，热稳定性好，,抗辐射能力强，工艺简单，便于集成。,根据结构不同分为：,结型,场效应管(JFET);,绝缘栅型,场效应管(MOSFET),根据沟道性质分为：,N沟道;P沟道,根据偏压为零时沟道能否导电分为：,耗尽型，增强型,场效应管工作时，只有一种极性的载流子参与导电，,所以场效应管又称为,单极型晶体管,。,1,4.1 结型场效应管,4.1.1 JFET的结构和工作原理,1.结构:,N,d,g,s,高搀杂的P型区,.,N沟道,JEFT的示意图,N型导电沟道,符号,g,d,s,对于N沟道JEFT,工作于放大状态，,v,GS,0,g栅极，s源极，d漏极,2,P,d,g,s,高搀杂的N型区.,P型导电沟道,P沟道,JEFT的示意图,对于P沟道JEFT,工作于放大状态，,v,GS,0.v,DS,0,g,d,s,符号,3,2.工作原理,(1)v,GS,对i,D,的控制作用,v,GS,=0,V,p,v,GS,V,P,且不变,v,DS,=0，,耗尽层均匀,v,GS,V,p,v,GD,V,p,：沟道呈电阻性，,i,D,随v,DS,升高几乎成正比例的增加。,v,DS,不为0时，,耗尽层变成锲型。,v,DS,增加，,锲型的斜率加大。,N,d,g,s,N,d,g,s,耗尽层,i,D,6,v,GD,=v,GS,-v,DS,v,DS,，v,GD,当,v,GD,=V,P,时，,靠近D端两边的耗尽层,相接触,预夹断,。,i,D,达到了最大值 I,DSS,。,此时：,v,DS,=v,GS,-V,P,v,DS,再加大，,v,GD,v,GS,-V,P,),耗尽层两边相接触的长度,增加，i,D,基本上不随v,DS,的,增加而上升，漏极电流趋于,饱和,饱和区，恒流区。,N,d,g,s,N,g,d,s,预夹断,夹断长度增加,7,4-1-2,N沟道，JFET的特性曲线,输出特性,i,D,=f(,v,DS,),|,v,GS,=,常数,在该区FET 可以看,成一个压控电阻。,特点:,v,GS,越负，耗尽层越宽，漏源间的电阻越大，输出曲线越倾斜。,i,D,与 v,DS,几乎成线性关系。,1区:,可变电阻区,0v,GS,V,P,0v,GD,V,p,8,2区：饱和区,（恒流区，线性放大区）,0 v,GS,V,p,v,GD,V,p,特点:,i,D,随 v,GS,下降而减少,i,D,受 v,GS,的控制。,v,DS,增加时，i,D,基本保持不变，成,恒流特性,。,在该区域，场效应管等效成一个,受v,GS,控制的恒流源,。,场效应管作放大器时工作在该区域。,9,4区：,击穿区,v,DS,太大，致使栅漏PN结雪崩击穿，FET处于击穿状态.。场效应管一般不能工作在该区域内。,3区：,截止区,v,GS,V,P,，v,GD,V,P,i,D,=0,场效应管截止,10,(2)转移特性曲线,i,D,=f(v,GS,)|v,DS=常数,表征栅源电压v,GS,对漏极电流的控制作用，,场效应管是电压控制器件。,在饱和区内，FET可看作压控电流源。,转移特性方程：,i,D,=I,DSS,(1-v,GS,/V,P,),2,V,P,I,DSS,v,GS,-,0.8 0.4,v,GS,11,（3）主要参数,夹断电压：V,P,当导电沟道刚好完全被关闭时，栅源所对应的电压 v,GS,称为夹断电压。,夹断电压与半导体的搀杂浓度有关。,饱和漏电流：I,DSS,场效应管处于,饱和区，,且,v,GS,=0,时的漏极电流，对于结型场效应管，为最大工作电流。,低频互导：g,m,g,m,=di,D,/dv,GS,|v,DS,=常数,反映了栅源电压对漏极电流的控制能力，是转移特性曲线上，静态工作点处的斜率。,12,输出电阻：r,d,输出电阻反映了v,DS,对 i,D,的影响，是输出特性上，静态工作点处切线斜率的倒数。,在饱和区内，i,D,随v,DS,改变很小，因此 r,d,数值很大。,最大漏源电压：V,(BR)DS,最大耗散功率：P,DM,13,4.3 金属-氧化物-半导体场效应管,4.3.1 N沟道增强型MOSFET,金属栅极、SiO,2,绝缘层、半导体，构成平板电容器。,MOSFET 利用栅源电压的大小，来改变衬底 b表面感生电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。,N沟道增强型MOS管示意图,N沟道增强型,MOS管符号,s,g,d,衬底b,P,N+,N+,铝,SiO,2,MOS场效应管的类型：,增强型,：包括,N沟道和P沟道,耗尽型,：包括,N沟道和P沟道,d,s,g,b,P沟道增强型,MOS管符号,d,s,g,b,14,1、沟道形成原理,v,DS,=0时，v,GS,的作用,在SiO,2,绝缘层中产生垂直向下的电场，,该电场排斥P区中的多子空穴，而将少子电子吸向衬底表面。,v,GS,不够大时,，吸向衬底表面的电子将与空穴复合而消失，衬底表面留下了负离子的空间电荷区耗尽层，并与两个PN结的耗尽层相连，此时源区和漏区隔断。,无导电沟道 i,D,=0,v,GS,=0时,，i,D,=0,0v,GS,V,T,刚形成反型层所需的 v,GS,的值,开启电压V,T,。,v,GS,V,T,，,沟道形成，,v,DS,0时，将形成电流i,D,。,v,GS,，,沟道加宽，沟道电阻，,i,D,。,g,P,d,s,N+,N+,N沟道,当外加正 v,DS,时，源区的多子(电子)将沿反型层漂移到漏区形成漏极电流i,D,。,16,v,GS,V,T,且不变,v,DS,对沟道的影响,导电沟道形成后，,在v,DS,的作用下，形成漏极电流i,D,，,沿沟道ds，电位逐渐下降,sio,2,中电场沿沟道ds逐渐加大，,导电沟道的宽度也沿沟道逐渐加大，靠近漏极端最窄。,v,GS,V,T,且,v,GD,V,T,(v,DS,v,GS,-V,T,),沟道畅通，场效应管等效为小电阻,（可变电阻区）。,P,N+,N+,g,d,s,v,DS,使沟道不再均匀,17,v,DS,再，,使,v,GD,v,GS,-V,T,)夹断点向左移动，沟道中形成高阻区，电压的增加全部降在高阻区，i,D,基本不变,恒流区。,v,DS,v,GD,沟道斜率，,靠近漏极端更窄。,当,v,GD,=V,T,时 (v,DS,=v,GS,-V,T,),靠近漏极端的反型层刚好消失,预夹断。,预夹断,g,d,P,N+,N+,s,s,g,d,s,P,N+,N+,18,3、特性曲线,1区：可变电阻区,:,v,GS,V,T,v,GD,V,T,沟道呈电阻性，i,D,随v,DS,的增大而线性增大。,电阻值随v,GS,增加而减小。,2区：恒流区(线性放大区）,v,GS,V,T,v,GD,V,T,i,D,=I,DO,(v,GS,/V,T,)-1,2,I,DO,是v,GS,=2V,T,时，i,D,的值。,i,D,受 v,GS,的控制。,4区：击穿区,3区,截止区,v,GS,V,T,v,GD,V,TP,T,1,截止,v,GSN,=V,DD,V,TN,T,2,导通,v,o,=0,v,i,=0,v,GSP,=-V,DD,V,TP,T,1,导通,v,GSN,=00,i,D,为电子电流,i,DS,0（电流实际方向流入漏极）,P沟道：v,DS,0,i,D,为空穴电流,i,DS,0（电流实际方向流出漏极）,衬底的极性,：必须保证PN结反偏。,N沟道：P型,衬底须接在电路中的最低电位上。,P沟道：N型,衬底须接在电路中的最高电位上。,增强型MOS管：,v,GS,单极性，总与,v,DS,一致（N沟道正，P沟道负）。,v,GS,=0,时,i,DS,=0。,耗尽型MOS管,：,v,GS,可正可负。,J型场效应管：,v,GS,单极性，总与,v,DS,相反（N沟道负,，P沟道正)。,v,GS,=0,时i,DS,0（绝对值达最大）,转移特性：,N沟道,v,GS,i,DS,v,GS,i,DS,P沟道,22,4.4 场效应管放大电路,4.4.1 FET的直流偏置电路及静态分析,1,零偏压电路,2,自偏压电路,V,GS,=-I,D,R,S,V,GS,=0,R,d,V,DD,s,g,R,G,d,b,直流偏置电路,R,d,V,DD,s,g,R,G,d,b,R,S,适应于耗尽型MOS场效应管,适应于结型或耗尽型MOS管,23,3,分压式自偏压电路,V,GS,可正可负,适应于任何一种类型.,静态工作点的确定,根据外部电路列出线性方程,列出场效应管的转移特性方程,R,d,V,DD,s,g,R,g1,d,b,R,S,R,g2,R,g3,增强型MOS管,J型、耗尽型MOS管,24,例,R,g3,s,g,R,R,d,V,DD,R,g1,d,R,g2,J型管i,D,不能大于I,DSS,1.59mA的结果舍去,I,D,=0.31mA,25,4.4.2 FET的小信号模型分析法,FET的低频小信号简化模型,g,d,s,FET低频小信号模型,r,d,r,gs,g,d,s,c,gs,c,gd,c,ds,FET高频小信号模型.,r,gs,g,d,s,r,d,26,应用小信号模型分析FET的放大电路,共源放大:,如果接有外负载R,L,R,d,V,DD,s,g,R,g1,d,b,R,R,g2,R,g3,R,g,=R,g1,/R,g2,R,g,R,g3,g,d,s,R,d,R,L,R,L,27,源极电阻上无并联电容:,共源电路的特点:,电压增益大,输出电压和输入电压反相.,输入电阻高,输出电阻由漏极电阻R,d,决定.,s,R,g,d,R,g3,R,g,R,d,R,g,=R,g1,/R,g2,28,共漏极放大器(源极跟随器),g,s,d,R,S,R,g3,R,g,R,L,V,DD,s,g,R,g1,d,R,R,g2,R,g3,R,L,R,g,=R,g1,/R,g2,，R,L,=R/R,L,29,输出电阻,特点:,电压增益小于1,但接近于1.且输入输出同相.,输入电阻高,而输出电阻较低.,s,g,d,R,S,R,g3,R,g,R,30,