模拟电路课件讲义5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5章 场效应管放大电路,1,场效应管的基本问题（自学）,2,场效应管放大电路,3,各种放大器件电路性能比较,1,场效应管根据结构不同分为哪两大类？,何谓耗尽型？何谓增强型？,V,P,夹断电压和,V,T,开启电压分别是何种类型场效应管的重要参数之一？,场效应管有哪三个电极？和,BJT,管如何对应？,场效应管的两个电压,V,GS,和,V,DS,分别起何主要作用？,场效应管输出特性曲线分为哪几个区？作放大时工作在哪个区？为什么？,场效应管是双极型？单极型？电压控制器件还是电流控制器件？它的输入电阻如何？（与,BJT,对比）,根据场效应管特点作放大时，应如何合理设置,Q,点？,场效应管的基本问题,2,场效应管是电压控制器件。,它具有输入阻抗高，噪声低的优点。,本章是本课程的难点，但不是本课程的重点。,由于学时数少，又因为场效应管放大电路与三极管放大电路有许多相同之处，所以，本章学习采用对比学习法，即将场效应管与三极管放大电路比较，了解相同点，掌握不同点。,3,三极管特点,电流控制器件（基极电流控制晶体管导电能力）,输入阻抗不高,双极型器件（两种载流子：多子少子参与导电）,噪声高,场效应管特点,电压控制器件（用电压产生电场来控制器件的导电能力）故称为Field Effect Transistor,输入阻抗极高,单极型器件（一种载流子：多子参与导电）,噪声小,缺点速度慢,4,图解法，估算法，微变等效电路法,三极管,场效应管,三极管放大器,场效应管放大器,分析方法,分析方法,5,场效应三极管（FET）,只有一种载流子参与导电，且利用电场效应来控制电流的三极管，称为,场效应管,，也称,单极型三极管。,场效应管分类,结型场效应管（JFET）,绝缘栅场效应管（MOSFET）,特点,单极型器件,(,一种载流子导电,)；,输入电阻高；（,10,7,10,15,）,工艺简单、易集成、功耗小、体积小、噪声低、成本低等。,6,N沟道（相当于NPN）,P沟道（相当于PNP）,增强型,耗尽型,N沟道（NPN）,P,沟道,（PNP）,N沟道（NPN）,P沟道（PNP）,（耗尽型）,FET,场效应管,JFET,结型,MOSFET,绝缘栅型,FET分类：,7,MOSFET,符号,增强型,耗尽型,N沟道,G,S,D,P沟道,G,S,D,G,S,D,G,S,D,JFET,符号,d,g,s,d,g,s,耗尽型,8,耗尽型,：场效应管没有加偏置电压时，就有,导电沟道存在,增强型,：场效应管没有加偏置电压时，没有,导电沟道,9,N,沟道,MOSFET,耗尽型,增强型,P,沟道,N,沟道,P,沟道,绝缘栅型场效应管的类别,5.1 绝缘栅型场效应管（MOSFET）,结型场效应管的输入电阻虽然可达10,6,10,9,W,，在使用中若要求输入电阻更高，仍不能满足要求。绝缘栅型场效应管又称为金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFET）具有更高输入电阻，可高达10,15,W,。且有制造工艺简单、适于集成等优点。,增强型MOS管在,v,GS,=0时，无导电沟道。,耗尽型MOS管在,v,GS,=0时，已有导电沟道存在。,10,P,N,+,S,G,D,N,+,以P型半导体作衬底,形成两个PN结,SiO,2,保护层,Al金属电极,从衬底引出电极,两边扩散两个高浓度的N区,Al金属电极,Al金属电极,5.1.1 N沟道增强型MOSFET,11,P,N,+,S,G,D,N,+,半导体,S,emiconductor,氧化物,O,xide,金属,M,etal,表示符号,G,S,D,MOSFET,12,N,P,+,S,G,D,P,+,P沟道增强型MOSFET的结构,表示符号,G,S,D,13,P,N,+,S,G,D,N,+,N沟道增强型MOSFET的工作原理,+,+,与JFET相似，MOSFET的工作原理同样表现在：,栅压,v,GS,对沟道导电能力的控制，,漏源电压,v,DS,对漏电流的影响。,14,P,N,+,S,G,D,N,+,N沟道增强型MOSFET的工作原理,+,+,(1),v,GS,对沟道的控制作用,当,v,GS,=0时，,漏源极间是两个背靠背的PN结，无论漏源极间如何施加电压，总有一个PN结处于反偏状态，漏-源极间没有导电沟道，将不会有漏电流出现,i,D,0。,15,N沟道增强型MOSFET的工作原理,(1),v,GS,对沟道的控制作用,v,DS,=0,v,GS,增加，作用于半导体表面的电场就越强，吸引到P衬底表面的电子就越多，导电沟道越厚，沟道电阻越小。,P,N,+,S,G,D,N,+,+,+,开始形成沟道时的栅源极电压称为,开启电压，用,V,T,表示,。,导电沟道增厚,沟道电阻减小,16,P,N,+,S,G,D,N,+,N沟道增强型MOSFET的工作原理,+,+,(1),v,GS,对沟道的控制作用,v,DS,=0,当,v,GS,V,T,时，电场增强,将P衬底的电子吸引到表面，这些电子在栅极附近的P衬底表面便形成一个N型薄层，称为,反型层,形成导电沟道,出现反型层,且与两个N+区相连通，在漏源极间形成,N型导电沟道,。,17,N沟道增强型MOSFET的工作原理,(1),v,GS,对沟道的控制作用,v,DS,=0,综上所述：,N沟道MOS管在,v,GS,V,T,时，不能形成导电沟道，管子处于截止状态。,这种必须在,v,GS,V,T,时才能形成导电沟道的MOS管称为,增强型MOS管,。,只有当,v,GS,V,T,时，方能形成沟道。,P,N,+,S,G,D,N,+,+,+,沟道形成以后，在漏-源极间加上正向电压,v,DS,，就有漏极电流产生。,18,MOS管的伏安特性用,输出特性,和,转移特性,描述,MOSFET的特性曲线,输出特性,转移特性,输出特性,描述当栅源电压|,v,GS,|=C为常量时，漏电流,i,D,与漏源电压,v,DS,之间的关系。,输出特性曲线也分为,可变电阻区,、,饱和区,、,截止区,和,击穿区,几部分。,+,+,19,a,输出特性,MOSFET的特性曲线,2,4,0,6,10,20,可变电阻区,放大区,截止区,击穿区,20,(1),可变电阻区,a.,v,DS,较小，沟道尚未夹断,b.,v,DS,v,GS,-,V,T,c,.管子相当于受,v,GS,控制的,压控电阻,a,输出特性,2,4,0,6,10,20,可变电阻区,MOSFET的特性曲线,21,(2),放大区(饱和区、恒流区),a.,沟道予夹断,c,.i,D,几乎与,v,DS,无关,d.,i,D,只受,v,GS,的控制,b.,v,DS,v,GS,-,V,T,2,4,0,6,10,20,放大区,a,输出特性,MOSFET的特性曲线,22,a.,v,GS,V,T,(3),截止区,b.,沟道完全夹断,c.,i,D,=,0,2,4,0,6,10,20,a,输出特性,MOSFET的特性曲线,截止区,23,0,2,4,0,6,10,20,转移特性曲线,输出特性曲线,MOSFET的特性曲线,24,耗尽型,NMOS,管,1).,耗尽型,NMOS,管结构示意图,s,g,d,N,+,N,+,SiO,2,Al,b,耗尽层,（导电沟道）,反型层,P,耗尽型NMOS管,在,v,GS,=0时，漏源极间已有导电沟道产生，通过施加负的栅源电压（夹断电压）使沟道消失，而,增强型NMOS管,在,v,GS,V,T,时才出现导电沟道。,25,耗尽型,NMOS,管,1).,耗尽型,NMOS,管结构示意图,s,g,d,N,+,N,+,SiO,2,Al,b,耗尽层,（导电沟道）,反型层,P,N沟道耗尽型MOS管符号,P沟道耗尽型MOS管符号,G,S,D,G,S,D,26,耗尽型,MOS,管,s,g,d,N,+,N,+,SiO,2,Al,b,耗尽层,（导电沟道）,反型层,P,N沟道耗尽型MOS管,当,v,GS,为负时，沟道变窄，沟道电阻变大，,i,D,减小。当,v,GS,负向增加到某一数值时，导电沟道消失，,i,D,趋于零，管子截止；,使沟道消失时的栅源电压称为,夹断电压，用,V,P,表示。,2).,耗尽型,MOS,管原理,27,耗尽型,MOS,管,在饱和区内，耗尽型MOS管的电流方程与结型场效应管的电流方程相同，即,3).,耗尽型,MOS,管电流方程（,增强型MOS管见P203,）,28,场效应管与三极管的性能比较,1场效应管的源极s、栅极g、漏极d分别对应于三极管的发射极e、基极b、集电极c，它们的作用相似。,2场效应管是电压控制电流器件，由,v,GS,控制,i,D,，其跨导g,m,一般较小，因此场效应管的放大能力较差；三极管是电流控制电流器件，由,i,B,控制,i,C,。,3场效应管的输入电阻比三极管的输入电阻高。因此场效应管栅极几乎不取电流；而三极管工作时基极总要吸取一定的电流。,29,场效应管与三极管的性能比较,4场效应管多子参与导电；三极管有多子和少子两种载流子参与导电；所以场效应管比三极管的噪声小，在低噪声放大电路的输入级应选用场效应管。,5场效应管源极和漏极可以互换使用，且特性变化不大；而三极管的集电极与发射极互换使用时，其特性差异很大，,b,值将减小很多。,6场效应管制造工艺简单，且具有功耗低等优点；因而场效应管易于集成，被广泛用于大规模和超大规模集成电路中。,30,D,S,G,N,符号,结型场效应管,一、结构,图N 沟道结型场效应管结构图,N型沟道,N型硅棒,栅极,源极,漏极,P,+,P,+,P 型区,耗尽层,(,PN 结,),在漏极和源极之间加上一个正向电压，N 型半导体中多数载流子电子可以导电。,导电沟道是 N 型的，称,N 沟道结型场效应管,。,31,P 沟道场效应管,图 P沟道结型场效应管结构图,N,+,N,+,P,型沟道,G,S,D,P 沟道场效应管是在 P 型硅棒的两侧做成高掺杂的 N 型区,(,N,+,),，,导电沟道为 P 型,，多数载流子为空穴。,符号,G,D,S,32,MOSFET,符号,增强型,耗尽型,N沟道,G,S,D,P沟道,G,S,D,G,S,D,G,S,D,JFET,符号,d,g,s,d,g,s,耗尽型,33,场效应管放大电路的三种组态,场效应管放大电路,根据场效应管在放大电路中的连接方式，场效应管放大电路分为三种组态：共源极电路、共栅极电路和共漏极电路,共源极电路：,栅极是输入端，漏极是输出端，源极是输入输出的公共电极。,共栅极电路：,源极是输入端，漏极是输出端，栅极是输入输出的公共电极。,共漏极电路：,栅极是输入端，源极是输出端，漏极是输入输出的公共电极。,34,场效应管放大电路的三种组态,场效应管放大电路,由于场效应管与BJT晶体管都有三个电极，FET管的 G极对应BJT管的b极、D极对应c极、S极对应e极,在放大电路中，共源对应共射、共栅对应共基、共漏对应共集。,以下分析均以N沟JFET为例，JFET由于不加栅源电压时沟道已存在，所以JFET均属于耗尽型FET。,35,FET的直流偏置电路及静态分析,FET放大电路的小信号模型分析法,场效应管放大电路,36,1.,自偏压电路,3.,静态工作点的确定,FET的直流偏置电路及静态分析,2.分压式自偏压电路,37,1,.,自给偏压共源放大电路,v,GS,V,GS,=,-,I,D,R,此电路只能用于耗尽型FET，亦称,自偏压电路,38,2.,分压式自偏压电路,此电路,既适用于耗尽型FET又适用于增强型FET,39,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,3.,静态工作点的确定,40,1.,FET小信号模型,2.,动态指标分析,3.,三种基本放大电路的性能比较,FET放大电路的小信号模型分析法,41,1.FET小信号模型,（1）,中,低频模型,42,（2）高频模型,在高频时，极间电容不能忽略，需用高频模