第4章模拟电子课件

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,4,章 场效应管及其电路,4.3,场效应管放大电路,4.3.1,共源放大电路,4.3.2,共漏放大电路,4.3.3,复合互补源极跟随器,第,4,章 场效应管及其电路,【,本章难点,】,MOS,管的原理和转移特性及主要参数,场效应管的微变等效电路法,【,本章,要点,】,MOS,管的原理、特性和主要参数,结型场效应管原理、特性及主要参数,场效应管放大电路的组成与原理,第,4,章 场效应管及其电路,场效应管,(FET),是一种电压控制器件，它是利用输入电压产生电场效应来控制输出电流的。它具有输入电阻高、噪声低、热稳定性好、耗电省等优点，目前已被广泛应用于各种电子电路中。,场效应管按其结构不同分为结型,(JFET),和绝缘栅型,(IGFET),两种，其中绝缘栅型场效应管由于其制造工艺简单，便于大规模集成，因此应用更为广泛。,4.1,绝缘栅场效应管,(MOSFET,),第,4,章 场效应管及其电路,绝缘栅型场效应管,简称,MOS,管，由于其内部由金属,氧化物,半导体三种材料制成，可分为增强型和耗尽型两大类，每类中又有,N,沟道和,P,沟道之分。,4.1.1 N,沟道增强型场效应管,(NMOS,管,),1,结构,如,图,4-1,（,a,）所示，在一块掺杂浓度较低的,P,型硅片上，通过扩散工艺形成两个高掺杂的 区，通过金属铝引出两个电极分别作为源极,S,和漏极,D,，再在半导体表面覆盖一层二氧化硅绝缘层，在源漏极之间的绝缘层上制作一铝电极，作为栅极,G,。,4.1,绝缘栅场效应管,(MOSFET),第,4,章 场效应管及其电路,(a),结构示意图,(b),电路符号,图,4-1 N,沟道增强型,MOS,管,4.1,绝缘栅场效应管,(MOSFET),第,4,章 场效应管及其电路,2,工作原理,(1),栅源电压 时的,情况,如图,4-2,所示，漏源之间为一条由半导体,N-P-N,组成的两个反向串联的,PN,结，因此即使加入漏源电压 ，因无导电沟道形成，漏极电流 。,图,4-2,时的情况,4.1,绝缘栅场效应管,(MOSFET),第,4,章 场效应管及其电路,2,工作原理,如图,4-3,所示，由,P,型半导体转化成的,N,型薄层，被称为反型层。反型层使漏源之间形成一条由半导体,N-N-N,组成的导电沟道。若此时加入漏源电压 ，就会有漏极电流 产生。,(,2),栅源电压 ，漏源电压 时的情况,栅源电压,漏源电压 时的情况,图,4-3,4.1,绝缘栅场效应管,(MOSFET,),第,4,章 场效应管及其电路,3,特性曲线,(1),转移特性曲线,转移特性曲线是指,增强型,NMOS,管在漏源电压,一定时，输出电流 与输入电压 的关系曲线，,即,转移特性曲线的表达式为,是 时的 值,为开启电压,。,图,4-4,转移,特性曲线,（,4-1,）,4.1,绝缘栅场效应管,(MOSFET),第,4,章 场效应管及其电路,(2),输出特性曲线,输出特性是指增强型,NMOS,管在栅源电压 一定时，输出电流 与漏源电压 的关系曲线，如图,4-5,所示，其函数关系式为,图,4-5,输出特性曲线,4.1,绝缘栅场效应管,(MOSFET),第,4,章 场效应管及其电路,4.1.2 P,沟道增强型场效应管,(PMOS,管,),P,沟道增强型,MOS,管和,N,沟道增强型,MOS,管的主要区别在于作为衬底的半导体材料的类型不同，,P,沟道增强型,MOS,管以,N,型硅作为衬底，另外，漏极和源极是从 引出，反型层为,P,型，对应的导电沟道也为,P,型结构，其符号如图,4-6,所示。,实际应用中，常常将,P,沟道增强型,MOS,管和,N,沟道增强型,MOS,管结合起来使用，称为,CMOS,，也可称为互补,MOS,。,图,4-6 P,沟道增强型,MOS,管电路符号,4.1,绝缘栅场效应管,(MOSFET),第,4,章 场效应管及其电路,4.1.3 N,沟道耗尽型场效应管,N,沟道耗尽型,MOS,管在制造时，在二氧化硅绝缘层中预先掺入了大量的正离子。因而使,P,衬底表面也可感应出较多的自由电子，形成反型层，建立起导电沟道,其结构如图,4-7,（,a,）所示。,将 时有导电沟道存在的场效应管通称为耗尽型场效应管，符号中导电沟道用实线表示。,4.1,绝缘栅场效应管,(MOSFET),第,4,章 场效应管及其电路,(a),结构示意图,(b),电路符号,N,沟道耗尽型,MOS,管其漏极电流 和栅源电压 之间的关系表达式为,图,4-7 N,沟道耗尽型,MOS,管,(4-2),4.1,绝缘栅场效应管,(MOSFET),第,4,章 场效应管及其电路,4.1.4 P,沟道耗尽型场效应管,P,沟道耗尽型,MOS,管除了漏极、源极和衬底的半导体材料类型与,N,沟道耗尽型,MOS,管的对偶外，还有一个明显的区别就是在二氧化硅绝缘层中掺入的是负离子，其符号如图,4-8,所示。,图,4-8 P,沟道耗尽型,MOS,管电路符号,4.2,结型场效应管,(JFET),第,4,章 场效应管及其电路,4.2.1,结型场效应管的结构,结型场效应管其内部结构如图,4-9,所示，与绝缘栅型场效应管不同的是漏极,D,和源极,S,通常可以对调使用。结型场效应管也可分为,N,沟道和,P,沟道两种。,图,4-9,结型场效应管,4.2,结型场效应管,(JFET),第,4,章 场效应管及其电路,4.2.2,结型场效应管的工作原理,图,4-10,时，对导电沟道的影响,4.2,结型场效应管,(JFET),第,4,章 场效应管及其电路,如图,4-10(a),所示，场效应管两侧的,PN,结均处于零偏置，因此耗尽层很薄，中间的导电沟道最宽，沟道等效电阻最小。当 时，在 作用下，场效应管两侧的耗尽层加宽，相应的中间导电沟道变窄，沟道等效电阻增大，如图,4-10(b),所示。当 的反偏值增大到某一值时，场效应管两侧的耗尽层相接，导电沟道消失，这种现象称为夹断，如图,4-10(c),所示，发生夹断时的栅源电压即为夹断电压 。此时，沟道等效电阻趋于无穷大，即使加入 ，漏极电流 依然为零。,4.2,结型场效应管,(JFET),第,4,章 场效应管及其电路,4.2.3,特性曲线,1,输出特性曲线,图,4-11 N,沟道,JFET,特性曲线,图,4-11(a),就是,N,沟道结型场效应管的输出特性曲线，由图可见，其工作状态分为四个区域。,4.2,结型场效应管,(JFET),第,4,章 场效应管及其电路,(1),可变电阻区,较小，场效应管尚未出现预夹断的区域。该工作区的特点是：与 近似成线性关系，改变 曲线斜率就发生变化。因此，工作在该区的场效应管可以看作是一个受栅源电压 控制的可变电阻，即压控电阻。,(2),恒流区,较大超过 ，输出特性曲线趋于水平的区域。在这一区域内，与 无关，只受 控制，是一个受电压控制的电流源。场效应管作为放大器件应用时，均工作在这一区域，所以又称为放大区。,4.2,结型场效应管,(JFET),第,4,章 场效应管及其电路,(,3),击穿区,值很大，超过漏源击穿电压 ，漏极电流 迅速上升，对应输出特性曲线上翘的部分。击穿后场效应管不能正常工作，甚至很快烧毁，因此，不允许场效应管工作在此区域。,(4),截止区,输出特性曲线靠近横轴，漏极电流 的区域。此时，导电沟道被完全夹断，故也被称为夹断区。,4.2,结型场效应管,(JFET),第,4,章 场效应管及其电路,2,转移特性曲线,在,N,沟道,JFET,转移特性曲线上，处的,而 处的 。在恒流区，与 之间的关系可近似表示为,条件为：,4.2,结型场效应管,(JFET),第,4,章 场效应管及其电路,4.2.4,场效应,管的主要参数及使用注意事项,1,场效应管的主要参数,(,1),夹断电压,为耗尽型管子,(,含结型,),的参数,是指,u,DS,为某一定值而,i,D,减小到某一微小值时的,u,GS,值。在转移特性曲线上，处的 值即为 。,(,2),饱和漏极电流,为耗尽型管子的参数，是在 时，场效应管处于预夹断时的漏极电流。在转移特性曲线上，处的 值即为 。,4.2,结型场效应管,(JFET),第,4,章 场效应管及其电路,(,3),开启电压,为增强型,MOS,管的特有参数，是指 为某一定值，使漏极电流 为某一微小值,(,接近于,0),时所需的最小 值。,(,4),低频跨导,在 为某一常数时，的微变量与相应 的微变量之比值，即,反映了栅源电压 对漏极电流 的控制能力，是表征,FET,放大能力的一个重要参数。,(4-3),4.2,结型场效应管,(JFET),第,4,章 场效应管及其电路,2,使用注意事项,场效应管的漏极和源极通常情况下可以互换使用，但对于出厂时已将源极和衬底连接在一起的场效应管，使用时应注意漏极和源极不能对调。,(2),使用时各场效应管外加电压的极性应按规定接入，特别是结型场效应管应注意栅源间加反偏电压，以保证较高的输入电阻。,4.2,结型场效应管,(JFET),第,4,章 场效应管及其电路,(3),MOS,管应注意防止栅极悬空，以免绝缘层因电荷积累过多无法泄放，导致栅源电压升高而击穿二氧化硅绝缘层，所以贮存时应将三个电极短路，焊接时应用导线将各电极连在一起，并且电烙铁必须良好接地。,(4),MOS,管中若源极与衬底分开，应保证衬源间,PN,结反偏。通常,P,衬底接低电位，,N,衬底接高电位。,4.3,场效应管放大电路,第,4,章 场效应管及其电路,4.3.1,共源放大电路,1,自偏压电路,图,4-12,自偏压电路,电路如图,4-12,所,示，场效应管的直流偏压是靠,源极电阻,R,s,上,的直流压降建立的，即,放大电路的栅偏压是依靠,FET,自身电流产生的，故称为自偏压电路。只适合由耗尽型,FET(,含,JFET),构成的放大电路。,(4-4),4.3,场效应管放大电路,第,4,章 场效应管及其电路,2.,分压式自偏压电路,图,4-13,分压式自偏压电路,电路的直流偏压是靠分压电阻,R,g1,、,R,g2,和源极电阻,R,s,共同建立的，其值为,(4-5),4.3,场效应管放大电路,第,4,章 场效应管及其电路,(1),静态分析,增强型,耗尽型,求得,I,D,和,U,GS,后,，再求,4.3,场效应管放大电路,第,4,章 场效应管及其电路,(2),动态分析,FET,的简化,H,参数等效电路,图,4-14 FET,简化,H,参数等效电路,4.3,场效应管放大电路,第,4,章 场效应管及其电路,图,4-15 FET,简化,H,参数等效电路,4.3,场效应管放大电路,第,4,章 场效应管及其电路,电压放大倍数,负号说明共源放大电路的输出电压与输入电压反相。,输入电阻,根据图,4-15,所示的,H,参数等效电路，进行动态分析,(4-6,),(4-7),输出电阻,采用“分析法”，可求得输出电阻,(4-8),4.3,场效应管放大电路,第,4,章 场效应管及其电路,4.3.2,共漏放大电路,图,4-16,是由增强型,NMOS,管构成的共漏放大电路，由其交流通路可知，漏极为输入、输出回路的公共端。由于信号从源极输出，故又称源极输出器。,图,4-16,共漏放大电路,4.3,场效应管放大电路,第,4,章 场效应管及其电路,1.,静态分析,直流电路为分压式自偏压电路，其静态分析 与之相同。,2.,动态分析,共漏放大,电路动态分析类似于第,3,章中共,集放大电路,略。,4.3,场效应管放大电路,第,4,章 场效应管及其电路,图,4-17,共漏放大,电路简化,H,参数,等效电路,其,简化,H,参数等效电路如图,4-17,所示，源极输出器电压放大倍数接近于,1,、输入电阻高和输出电阻低的特点，只不过源极输出器的输入电阻要比射极输出器大得多，通常可达几十兆欧,。,4.3,场效应管放大电路,第,4,章 场效应管及其电路,4.3.3,复合互补源极跟随器,场效应管源极跟随器的输入电阻可以做得很高，而输出电阻不是很低，且