场效应管及其放大电路课件

,模 拟 电 子 技 术,第 3章场效应管及其放大路,3.1 场效应管,3.2 场效应管及放大电路,第 3章场效应管及其放大路3.1 场效应管3.2 场效应管,3.1场效应管,引言,3.6.1 结型场效应管,3.6.3 场效应管的主要参数,3.6.2 MOS 场效应管,3.1场效应管 引言3.6.1 结型场效应管3.6,引 言,场效应管,FET,(,F,ield,E,ffect,T,ransistor,),类型：,结型,JFET,(,J,unction,F,ield,E,ffect,T,ransistor,),绝缘栅型,IGFET,(,I,nsulated,G,ate,FET,),引 言场效应管 FET(Field Effect Tr,特点：,1.单极性器件,(,一种载流子导电,),3.工艺简单、易集成、功耗小、,体积小、成本低,2.输入电阻高,(,10,7,10,15,，IGFET 可高达 10,15,),特点：1.单极性器件(一种载流子导电)3.工艺简单、易集,3.1.1 结型场效应管,1.结构与符号,N 沟道 JFET,P 沟道 JFET,3.1.1 结型场效应管1.结构与符号N 沟道 JFET,2.工作原理,(1)U,GS,对I,D,的控制作用,2.工作原理(1)UGS对ID的控制作用,2.U,DS,对I,D,的影响,3.U,DS,和U,GS,共同作用,u,GS,0，,u,DS,0,此时,u,GD,=,U,GS,(,off,),；,沟道楔型,耗尽层刚相碰时称,预夹断。,当,u,DS,，,预夹断,点,下移。,2.UDS对ID的影响3.UDS和UGS共同作用uGS,3.转移特性和输出特性,U,GS,(,off,),当,U,GS,(,off,),u,GS,0 时,u,GS,i,D,I,DSS,u,DS,i,D,u,GS,=,3 V,2 V,1 V,0 V,3 V,O,O,3.转移特性和输出特性UGS(off)当 UGS(off),3.1.2 MOS 场效应管,MOS 场效应管（绝缘栅场效应管,）,N沟道绝缘栅场效应管,P沟道绝缘栅场效应管,增强型,耗尽型,增强型,耗尽型,3.1.2 MOS 场效应管MOS 场效应管（绝缘栅场效应,一、增强型,N,沟道,MOSFET,(,M,ental,O,xide,S,emi FET,),1.结构与符号,P,型衬底,(掺杂浓度低),N,+,N,+,用扩散的方法,制作两个 N 区,在硅片表面生一层薄 SiO,2,绝缘层,S D,用金属铝引出,源极 S 和漏极 D,G,在绝缘层上喷金属铝引出栅极 G,B,耗,尽,层,S,源极,Source,G,栅极,Gate,D,漏极,Drain,S,G,D,B,一、增强型 N 沟道 MOSFET1.结构与符号P 型衬底,2.工作原理,1,),u,GS,对导电沟道的影响,(,u,DS,=0,),反型层,(,沟道,),2.工作原理1)uGS 对导电沟道的影响(uDS=,1,),u,GS,对导电沟道的影响,(,u,DS,=0,),a.,当,U,GS,=0,，DS 间为两个背对背的 PN 结；,b.,当 0,U,GS,U,GS,(,th,),),DS 间的电位差使沟道呈楔形，,u,DS,，靠近漏极端的沟道厚度变薄。,预夹断,(,U,GD,=,U,GS,(,th,),),：,漏极附近反型层消失。,预夹断发生之前：,u,DS,i,D,。,预夹断发生之后：,u,DS,i,D,不变。,2)uDS 对 iD的影响(uGS UGS(th),3.转移特性曲线,2 4 6,4,3,2,1,u,GS,/V,i,D,/mA,U,DS,=10 V,U,GS,(th),当,u,GS,U,GS,(,th,),时：,u,GS,=2,U,GS,(,th,),时的,i,D,值,开启电压,O,3.转移特性曲线2 4 64uGS/ViD/mA,4.输出特性曲线,可变电阻区,u,DS,u,GS,U,GS,(,th,),u,DS,i,D,，直到预夹断,饱和,(放大区),u,DS,，,i,D,不变,u,DS,加在耗尽层上，沟道电阻不变,截止区,u,GS,U,GS,(,th,),全夹断,i,D,=0,i,D,/mA,u,DS,/V,u,GS,=2 V,4 V,6 V,8 V,截止区,饱和区,可,变,电,阻,区,放大区,恒流区,O,4.输出特性曲线可变电阻区uDS 10,7,MOSFET：,R,GS,=10,9,10,15,I,DSS,u,GS,/V,i,D,/mA,O,UGS(th)UGS(off)3.直流输入电阻 RGS指漏,4.,低频跨导,g,m,反映了,u,GS,对,i,D,的控制能力，,单位 S,(西门子),。一般为几,毫西,(,mS,),u,GS,/V,i,D,/mA,Q,O,4.低频跨导 gm 反映了uGS 对 iD 的控制能力，u,P,DM,=,u,DS,i,D,，受温度限制。,5.,漏源动态电阻,r,ds,6.最大漏极功耗,P,DM,PDM=uDS iD，受温度限制。5.漏源动态电阻 r,3.2.3 场效应管与晶体管的比较,管子名称,晶体管,场效应管,导电机理,利用多子和少子导电,利用多子导电,控制方式,电流控制,电压控制,放大能力,较低,高,直流输入电阻,小,约几k,大,JFET,可达10,7,以上,MOS可达10,10,稳定性,受温度和辐射的影响较大,温度稳定性好、抗辐射能力强,噪声,中等,很小,结构对称性,集电极和发射极不对称，不能互换,漏极和源极对称，可互换使用,适用范围,都可用于放大电路和开关电路等,3.2.3 场效应管与晶体管的比较管子名称晶体管场效应管导,3.2,场效应管放大电路,3.2.2 分压式自偏压放大电路,3.2.1 场效应管放大电路,3.2场效应管放大电路3.2.2 分压式自偏压放大电路3,3.2.1 场效应管放大电路,三种组态：,共源、共漏、共栅,特点：,输入电阻极高，噪声低，热稳定性好,1.固定偏压放大电路,一、电路的组成,（1）合适的偏置,（2）能输入能输出,+V,DD,R,D,C,2,+,C,1,+,u,i,R,G,G,D,R,L,+,Uo,V,GG,3.2.1 场效应管放大电路三种组态：共源、共漏、共栅特点,场效应管及其放大电路课件,栅极电阻,R,G,的作用：,(,1,),为栅偏压提供通路,(,2,),泻放栅极积累电荷,源极电阻,R,S,的作用：,提供负栅偏压,漏极电阻,R,D,的作用：,把,i,D,的变化变为,u,DS,的变化,+V,DD,R,D,C,2,C,S,+,+,+,u,o,C,1,+,u,i,R,G,R,S,G,S,D,二、静态分析,U,GS,+V,DD,R,D,C,1,R,G,R,S,G,S,D,I,D,U,DS,R,L,1.估算法,2.自给偏压放大电路,栅极电阻 RG 的作用：(1)为栅偏压提供通路(2)泻放栅极,U,DSQ,=,V,DD,I,DQ,(,R,S,+,R,D,),U,GS,+V,DD,R,D,C,1,R,G,R,S,G,S,D,I,D,U,DS,U,GSQ,=,I,DQ,R,S,UDSQ=VDD IDQ(RS+RD)UGS,2.图解法,在输出特性上作直流负载线,作负载转移特性曲线,作输入回路的直流负载线,确定静态工作点 转移特性曲线与输入回路的直,流负载线的交点即为静态工作点,Q,，,Q,点对应的横坐,标值即为,U,GSQ,，纵坐标值即为,I,DQ,，再根据,I,DQ,在,输出特性曲线上求出静态工作点,Q,，确定,U,DSQ,。,2.图解法 在输出特性上作直流负载线 作负载转移特性曲线,(a)转移特性曲线 (b)输出特性曲线,图 自给偏压电路,Q,点的图解,(a)转移特性曲线,1.场效应管的等效电路,三、动态分析,场效应管电路小信号等效电路分析法,1.场效应管的等效电路三、动态分析场效应管电路小信号等效,移特性可知，,g,m,是转移特性在静态工作点,Q,处,g,m,为低频跨导，反映了管子的放大能力，从转,切线的斜率.,移特性可知，gm是转移特性在静态工作点Q处 gm为低频跨导，,r,ds,为场效应管的共漏极输出电阻，为输出特性在,Q,点处的切线斜率的倒数，如图所示，通常,r,ds,在几十千欧到几百千欧之间。,rds为场效应管的共漏极输出电阻，为输出特性在Q点处的切线斜,从输入端口看入，相当于电阻,r,gs,(,)。,从输出端口看入为受,u,gs,控制的电流源。,i,d,=,g,m,u,gs,小信号模型,根据,r,gs,S,i,d,g,m,u,gs,+,u,gs,+,u,ds,G,D,r,ds,从输入端口看入，相当于电阻 rgs()。从输出端口看入为受,2.场效应管放大电路,的微变等效电路,R,L,R,D,+,u,o,+,u,i,G,S,D,+,u,gs,g,m,u,gs,i,d,i,i,R,G,3.计算放大电路的动态指标,注意：自给偏压电路只适用耗尽型场效应管放大电路,2.场效应管放大电路RLRD+GSD+gmugsidii,3.2.2 分压式自偏压放大电路,调整电阻的大小，可获得：,U,GSQ,0,U,GSQ,=0,U,GSQ,0,R,L,+V,DD,R,D,C,2,C,S,+,+,+,u,o,C,1,+,u,i,R,G2,R,S,G,S,D,R,G1,一、电路组成,二、静态分析,3.2.2 分压式自偏压放大电路调整电阻的大小，可获得：UG,U,DSQ,=,V,DD,I,DQ,(,R,S,+,R,D,),三、动态分析,R,L,R,D,+,u,o,+,u,i,R,G2,G,S,D,R,G1,+,u,gs,g,m,u,gs,i,d,i,i,UDSQ=VDD IDQ(RS+RD)三、动,四、改进电路,目的：为了提高输入电阻,有,C,S,时：,R,L,+V,DD,R,D,C,2,C,S,+,+,+,u,o,C,1,+,u,i,R,G2,R,S,G,S,D,R,G1,R,G3,R,L,R,D,+,u,o,+,u,i,R,G2,G,S,D,R,G3,R,G1,+,u,gs,g,m,u,gs,i,d,i,i,无,C,S,时：,R,S,R,i,、,R,o,不变,四、改进电路目的：为了提高输入电阻有 CS 时：RL+VDD,3.2.3共漏放大电路,R,L,+V,DD,C,2,+,+,u,o,C,1,+,u,i,R,G2,R,S,G,S,D,R,G1,R,G3,R,L,R,S,+,u,o,+,u,i,R,G2,G,S,D,R,G3,R,G1,+,u,gs,g,m,u,gs,i,i,i,o,R,o,3.2.3共漏放大电路RL+VDDC2+C1+RG2RSG,例,耗尽型,N,沟道,MOS,管，,R,G,=,1,M,，,R,S,=,2,k,，,R,D,=,12,k,，,V,DD,=,20,V。,I,DSS,=,4,mA，,U,GS,(,off,),=,4,V，求,i,D,和,u,O,。,i,G,=0,u,GS,=,i,D,R,S,例 耗尽型 N 沟道 MOS 管，RG=1 M，iG,i,D1,=4 mA,i,D2,=1 mA,u,GS,=,8 V,U,GS,(,off,),增根,u,GS,=,2 V,u,DS,=,V,DD,i,D,(,R,S,+,R,D,)=20,14=,6(V),u,O,=,V,DD,i,D,R,D,=20,14=,8(V),在放大区,例,已知,U,GS(off),=,0.8 V，,I,DSS,=0.18 mA，,1.求“,Q,”。2.求A,U,R,i,R,O,iD1=4 mAiD2=1 mAuGS=8 V,解方程得：,I,DQ1,=0.69 mA，,U,GSQ,=,2.5V,(,增根，舍去),I,DQ2,=0.45 mA,，,U,GSQ,=,0.4 V,R,L,R,D,C,2,C,S,+,+,+,u,o,C,1,+,u,i,R,G2,G,S,D,R,G1,R,G3,10 k,10 k,200 k,64 k,1 M,2 k,5 k,+24V,解方程得：IDQ1=0.69 mA，UGSQ=2,例,g,m,=0.65 mA