模擬電子技術基礎課件 第3章 場效應管及其放大電路

1、第第2 2章章 雙極型三極管及其放大電路雙極型三極管及其放大電路 電氣與電子工程學院第第2 2章章 雙極型三極管及其放大電路雙極型三極管及其放大電路只有一種載流子（只有一種載流子（多子多子）參與導電，且利用電場效）參與導電，且利用電場效應來控制電流的三極管，稱為應來控制電流的三極管，稱為場效應管場效應管，也稱，也稱單極型三單極型三極管。極管。場效應管分類場效應管分類結型場效應管結型場效應管絕緣柵場效應管絕緣柵場效應管特點特點單極型器件單極型器件( (一種載流子導電一種載流子導電) )； 輸入電阻高；輸入電阻高；工藝簡單、易集成、功耗小、體積小、工藝簡單、易集成、功耗小、體積小、成本低。成本低。

2、第第2 2章章 雙極型三極管及其放大電路雙極型三極管及其放大電路 電氣與電子工程學院 第第2 2章章 雙極型三極管及其放大電路雙極型三極管及其放大電路DSGN符符號號N 溝道結型場效應管結構圖溝道結型場效應管結構圖N型型溝溝道道N型硅棒型硅棒柵極柵極源極源極漏極漏極P+P+P 型區(qū)型區(qū)耗盡層耗盡層( (PN 結結) )在漏極和源極之間加在漏極和源極之間加上一個正向電壓，上一個正向電壓，N 型半型半導體中多數載流子電子可導體中多數載流子電子可以導電。以導電。導電溝道是導電溝道是 N 型的，型的，稱稱 N 溝道結型場效應管溝道結型場效應管。 第第2 2章章 雙極型三極管及其放大電路雙極型三極管及其

3、放大電路P 溝道場效應管溝道場效應管P 溝道結型場效應管結構圖溝道結型場效應管結構圖N+N+P型型溝溝道道GSD P 溝道場效應管是在溝道場效應管是在 P 型硅棒的兩側做成高摻型硅棒的兩側做成高摻雜的雜的 N 型區(qū)型區(qū)( (N+) )，導電溝導電溝道為道為 P 型型，多數載流子為，多數載流子為空穴?？昭ā７柗朑DS第第2 2章章 雙極型三極管及其放大電路雙極型三極管及其放大電路N 溝道結型場效應管溝道結型場效應管用改變用改變 uGS 大小來大小來控制控制漏極電流漏極電流 iD 。GDSNN型型溝溝道道柵極柵極源極源極漏極漏極P+P+耗盡層耗盡層*在柵極和源極之間在柵極和源極之間加反向電壓，

4、耗盡層會變加反向電壓，耗盡層會變寬，導電溝道寬度減小，寬，導電溝道寬度減小，使溝道本身的電阻值增大，使溝道本身的電阻值增大，漏極電流漏極電流 iD 減小，反之，減小，反之，漏極漏極 iD 電流將增加。電流將增加。 *耗盡層的寬度改變耗盡層的寬度改變主要在溝道區(qū)。主要在溝道區(qū)。 第第2 2章章 雙極型三極管及其放大電路雙極型三極管及其放大電路設設uDS = 0 ，在柵源之間加負電源在柵源之間加負電源 VGG，改變，改變 VGG 大大小。觀察耗盡層的變化。小。觀察耗盡層的變化。iD = 0GDSN型型溝溝道道P+P+ ( (a) ) uGS = 0uGS = 0 時，耗時，耗盡層比較窄，盡層比較窄

5、，導電溝比較寬導電溝比較寬uGS 由零逐漸增大，由零逐漸增大，耗盡層逐漸加寬，導耗盡層逐漸加寬，導電溝相應變窄。電溝相應變窄。當當 uGS = UP，耗盡層合，耗盡層合攏，導電溝被夾斷，夾攏，導電溝被夾斷，夾斷電壓斷電壓 UP 為負值。為負值。iD = 0GDSP+P+N型型溝溝道道 ( (b) ) uGS 0，在柵源間加負，在柵源間加負 VGG，觀察，觀察 uDS 變化時耗盡層和漏極變化時耗盡層和漏極 ID 。GDSP+NISIDP+P+VDDVGG uDS 較小較小 ，ID 較小。較小。注意：當注意：當 uDS 0 時，耗盡層呈現楔形。時，耗盡層呈現楔形。第第2 2章章 雙極型三極管及其放

6、大電路雙極型三極管及其放大電路GDSP+NISIDP+P+VDDVGGuGD = |UP|, 預夾斷預夾斷i 趨于飽和趨于飽和GDSISIDP+VDDVGGP+P+ （3）預夾斷前，預夾斷前，iD與與uDS基本呈線性關系，預夾斷后，基本呈線性關系，預夾斷后，iD趨于飽和。趨于飽和。( (c) )( (d) )( (1) 1) 改變改變 u uGSGS ，改變了，改變了 PN PN 結中電場，控制了結中電場，控制了 i iD D ，故稱場效應管；，故稱場效應管；(2)(2)結型場效應管柵源之間結型場效應管柵源之間PNPN結反偏，柵極基本不取電流，輸入電阻結反偏，柵極基本不取電流，輸入電阻很高；很

7、高；第第2 2章章 雙極型三極管及其放大電路雙極型三極管及其放大電路N溝道結型場效應管的漏極特性 第第2 2章章 雙極型三極管及其放大電路雙極型三極管及其放大電路( (N 溝道結型場效應管為例溝道結型場效應管為例) )常數常數 DS)(GSDUUfIUGS = 0 ，ID 最大；最大；UGS 愈負，愈負，ID 愈小愈小UGS = UP，ID 0。兩個重要參數兩個重要參數飽和漏極電流飽和漏極電流 IDSS( (UGS = 0 時的時的 ID) )夾斷電壓夾斷電壓 UP= UGS(off)( (ID = 0 時的時的 UGS) )UDSIDVDDVGGDSGV + +V + +UGS特性曲線測試電

8、路特性曲線測試電路+ + mAO uGS/VID/mAIDSSUP轉移特性轉移特性)0( )1(GSP2PGSDSSD時時當當UUUUII 第第2 2章章 雙極型三極管及其放大電路雙極型三極管及其放大電路場效應管的兩組特性曲線之間互相聯(lián)系，可根據漏場效應管的兩組特性曲線之間互相聯(lián)系，可根據漏極特性用作圖的方法得到相應的轉移特性。極特性用作圖的方法得到相應的轉移特性。UDS = 常數常數ID/mA0 0.5 1 1.5UGS /VUDS = 15 V5ID/mAUDS /V0UGS = 0 0.4 V 0.8 V 1.2 V 1.6 V10 15 20250.10.20.30.40.5結型場效應

9、三極管的柵壓只能是結型場效應三極管的柵壓只能是P溝道的為正，溝道的為正，N溝溝道的為負。道的為負。結型場效應管柵極基本不取電流，其輸入電阻結型場效應管柵極基本不取電流，其輸入電阻很高，可達很高，可達 108 以上。如希望得到更高的輸入電阻，可以上。如希望得到更高的輸入電阻，可采用絕緣柵場效應管。采用絕緣柵場效應管。在漏極特性上用作圖法求轉移特性在漏極特性上用作圖法求轉移特性第第2 2章章 雙極型三極管及其放大電路雙極型三極管及其放大電路電氣與電子工程學院第第2 2章章 雙極型三極管及其放大電路雙極型三極管及其放大電路 由金屬、氧化物和半導體制成。稱為由金屬、氧化物和半導體制成。稱為金屬金屬-氧

10、化物氧化物-半半導體場效應管導體場效應管，或簡稱，或簡稱 MOS 場效應管場效應管。特點：輸入電阻可達特點：輸入電阻可達 109 以上。以上。類型類型N 溝道溝道P 溝道溝道增強型增強型耗盡型耗盡型增強型增強型耗盡型耗盡型UGS = 0 時漏源間存在導電溝道稱時漏源間存在導電溝道稱耗盡型場效應管；耗盡型場效應管；UGS = 0 時漏源間不存在導電溝道稱時漏源間不存在導電溝道稱增強型場效應管。增強型場效應管。第第2 2章章 雙極型三極管及其放大電路雙極型三極管及其放大電路襯底引線襯底引線 B源極源極柵極柵極漏極漏極SiO2第第2 2章章 雙極型三極管及其放大電路雙極型三極管及其放大電路 絕緣柵場

11、效應管利用絕緣柵場效應管利用 UGS 來控制來控制“感應電荷感應電荷”的多的多少，改變由這些少，改變由這些“感應電荷感應電荷”形成的導電溝道的狀況，形成的導電溝道的狀況，以控制漏極電流以控制漏極電流 ID。工作原理分析工作原理分析( (1) )UGS = 0 漏源之間相當于兩個背靠漏源之間相當于兩個背靠背的背的 PN 結，無論漏源之間加何結，無論漏源之間加何種極性電壓，種極性電壓，總是不導電總是不導電。SBD第第2 2章章 雙極型三極管及其放大電路雙極型三極管及其放大電路( (2) ) UDS = 0，0 UGS UT) )導電溝道呈現一個楔形。導電溝道呈現一個楔形。漏極形成電流漏極形成電流

12、ID 。b. UDS= UGS UT， UGD = UT靠近漏極溝道達到臨界開靠近漏極溝道達到臨界開啟程度，出現預夾斷。啟程度，出現預夾斷。c. UDS UGS UT， UGD UT由于夾斷區(qū)的溝道電阻很大，由于夾斷區(qū)的溝道電阻很大，UDS 逐漸增大時，導電逐漸增大時，導電溝道兩端電壓基本不變，溝道兩端電壓基本不變，ID 因而基本不變。因而基本不變。a. UDS UTP 型襯底型襯底N+N+BGSDVGGVDDP 型襯底型襯底N+N+BGSDVGGVDDP 型襯底型襯底N+N+BgSdVGGVDD夾斷區(qū)夾斷區(qū)第第2 2章章 雙極型三極管及其放大電路雙極型三極管及其放大電路dP型襯底型襯底N+N

13、+BgSVGGVDDP型襯底型襯底N+N+BgSdVGGVDDP型襯底型襯底N+N+BgSdVGGVDD夾斷區(qū)夾斷區(qū)UDS 對導電溝道的影響對導電溝道的影響( (a) ) UGD UT( (b) ) UGD = UT( (c) ) UGD UT第第2 2章章 雙極型三極管及其放大電路雙極型三極管及其放大電路( (a) )轉移特性轉移特性( (b) )輸出特性輸出特性ID/mAUDS /VOTGSUU 預夾斷軌跡預夾斷軌跡恒流區(qū)恒流區(qū)擊穿區(qū)擊穿區(qū) 可變可變電阻區(qū)電阻區(qū)UGS 時時) )三個區(qū)：可變電阻區(qū)、三個區(qū)：可變電阻區(qū)、恒流區(qū)恒流區(qū)( (或飽和區(qū)或飽和區(qū)) )、擊穿、擊穿區(qū)。區(qū)。UT 2UT

14、IDOUGS /VID /mAO第第2 2章章 雙極型三極管及其放大電路雙極型三極管及其放大電路P型襯底型襯底N+N+BgSd+制造過程中預先在二氧化硅的絕緣層中摻入正離子，制造過程中預先在二氧化硅的絕緣層中摻入正離子，這些正離子電場在這些正離子電場在 P 型襯底中型襯底中“感應感應”負電荷，形成負電荷，形成“反反型層型層”。即使。即使 UGS = 0 也會形成也會形成 N 型導電溝道。型導電溝道。+UGS = 0，UDS 0，產生，產生較大的漏極電流；較大的漏極電流；UGS 0；UGS 正、負、正、負、零均可。零均可。ID/mAUGS /VOUGS(off)( (a) )轉移特性轉移特性ID

15、SSMOS 管的符號管的符號SGDBSGDB( (b) )輸出特性輸出特性ID/mAUDS /VO+1VUGS=0 3 V 1 V 2 V432151015 20特性曲線特性曲線第第2 2章章 雙極型三極管及其放大電路雙極型三極管及其放大電路電氣與電子工程學院第第2 2章章 雙極型三極管及其放大電路雙極型三極管及其放大電路第第2 2章章 雙極型三極管及其放大電路雙極型三極管及其放大電路第第2 2章章 雙極型三極管及其放大電路雙極型三極管及其放大電路DSDmGSuigu常數單位：單位：ID 毫安毫安( (mA) )；UGS 伏伏( (V) )；gm 毫西門子毫西門子( (mS) )第第2 2章章

16、 雙極型三極管及其放大電路雙極型三極管及其放大電路 場效應管工作時，柵源間場效應管工作時，柵源間 PN 結處于反偏狀態(tài)，若結處于反偏狀態(tài)，若UGS U(BR)GS ，PN 將被擊穿，這種擊穿與電容擊穿的將被擊穿，這種擊穿與電容擊穿的情況類似，屬于破壞性擊穿。情況類似，屬于破壞性擊穿。第第2 2章章 雙極型三極管及其放大電路雙極型三極管及其放大電路種種 類類符符 號號轉移特性轉移特性漏極特性漏極特性 結型結型N 溝道溝道N 溝溝道道 結型結型P 溝道溝道P 溝溝道道 絕緣絕緣柵型柵型 N 溝道溝道增增強強型型SGDSGDIDUGS= 0V+ +UDS+ + +o oSGDBUGSIDOUT各類場

17、效應管的符號和特性曲線各類場效應管的符號和特性曲線+UGS = UTUDSID+OIDUGS= 0V UDSOUGSIDUPIDSSOUGSID /mAUPIDSSO第第2 2章章 雙極型三極管及其放大電路雙極型三極管及其放大電路種種 類類符符 號號轉移特性轉移特性漏極特性漏極特性絕緣絕緣柵型柵型N 溝道溝道耗耗盡盡型型絕緣絕緣柵型柵型P 溝道溝道增增強強型型耗耗盡盡型型IDSGDBUDSID_UGS=0+_OIDUGSUPIDSSOSGDBIDSGDBIDIDUGSUTOIDUGSUPIDSSO_ _IDUGS=UTUDS_ _o o_ _UGS= 0V+ +_ _IDUDSo o+ +第第

18、2 2章章 雙極型三極管及其放大電路雙極型三極管及其放大電路1. 場效應管是電壓控制元件；場效應管是電壓控制元件； 2. 柵極幾乎不取電流，輸入電阻非常高；柵極幾乎不取電流，輸入電阻非常高； 3. 一種極性的載流子導電，噪聲小，受外界溫度及一種極性的載流子導電，噪聲小，受外界溫度及輻射影響??；輻射影響小； 4. 制造工藝簡單，有利于大規(guī)模集成；制造工藝簡單，有利于大規(guī)模集成； 5. 存放管子應將柵源極短路，焊接時烙鐵外殼應接存放管子應將柵源極短路，焊接時烙鐵外殼應接地良好，防止漏電擊穿管子；地良好，防止漏電擊穿管子； 6. 跨導較小，電壓放大倍數一般比三極管低?？鐚л^小，電壓放大倍數一般比三極

19、管低。電氣與電子工程學院第第2 2章章 雙極型三極管及其放大電路雙極型三極管及其放大電路 電氣與電子工程學院 第第2 2章章 雙極型三極管及其放大電路雙極型三極管及其放大電路共源極放大電路原理電路共源極放大電路原理電路VDD+uO iDVT+ uiVGGRgSDGRd與雙極型三極管對應關系與雙極型三極管對應關系b G , e S , c D 為了使場效應管為了使場效應管工作在恒流區(qū)實現放工作在恒流區(qū)實現放大作用，應滿足：大作用，應滿足：TGSDSTGS UuuUu 圖示電路為圖示電路為 N 溝道增強型溝道增強型 MOS 場效應管場效應管組成的放組成的放大電路。大電路。( (UT=：開啟電壓：開

20、啟電壓) ) 第第2 2章章 雙極型三極管及其放大電路雙極型三極管及其放大電路VDD+uO iDVT+ uiVGGRgSDGRd共源極放大電路原理電路共源極放大電路原理電路兩種方法兩種方法近似估算法近似估算法圖解法圖解法 ( (1) ) 近似估算法近似估算法MOS 管柵極電流管柵極電流為零，當為零，當 uI = 0 時時UGSQ = VGG而而 iD 與與 uGS 之間近似滿足之間近似滿足2TGSDOD)1( UuIi( (當當 uGS UT) )式中式中 IDO 為為 uGS = 2UT 時的值。時的值。2TGSQDODQ)1( UUIIDDQDDDSQRIVU 則靜態(tài)漏極電流為則靜態(tài)漏極電

21、流為第第2 2章章 雙極型三極管及其放大電路雙極型三極管及其放大電路 ( (2) ) 圖解法圖解法用圖解法分析共源極放大電路用圖解法分析共源極放大電路的的 Q 點點VDDDDDRVIDQUDSQQ利用式利用式 uDS = VDD iDRD 畫出直流負載線。畫出直流負載線。圖中圖中 IDQ、UDSQ 即為靜態(tài)值。即為靜態(tài)值。第第2 2章章 雙極型三極管及其放大電路雙極型三極管及其放大電路),(DSGSDuufi iD 的全微分為的全微分為DSDSDGSGSDDdddGSDSuuiuuiiUU + + 上式中定義：上式中定義：DSGSDmUuig GSDdsDS1Uiru 場效應管的跨導場效應管的

22、跨導( (毫毫西門子西門子 mS) )。 場效應管漏源之間等效電阻。場效應管漏源之間等效電阻。第第2 2章章 雙極型三極管及其放大電路雙極型三極管及其放大電路如果輸入正弦信號，則可用相量代替上式中的變量。如果輸入正弦信號，則可用相量代替上式中的變量。成為：成為：dSDSgsmd1UrUgI+ + 根據上式做等效電路如圖所示。根據上式做等效電路如圖所示。由于沒有柵極電流，所以柵源是懸空的。由于沒有柵極電流，所以柵源是懸空的。是一個受控源。是一個受控源。 gsmUg場效應管的微變等效電路Id第第2 2章章 雙極型三極管及其放大電路雙極型三極管及其放大電路微變參數微變參數 gm 和和 rds1) )

23、 根據定義通過在特性曲線上作圖方法中求得。根據定義通過在特性曲線上作圖方法中求得。2) ) 用求導的方法計算用求導的方法計算 gmDDOTTGSTDOGSDm2)1(2ddiIUUuUIuig 在在 Q 點附近，可用點附近，可用 IDQ 表示上式中表示上式中 iD，則則DQDOTm2IIUg 一般一般 gm 約為約為 0.1 至至 20 mS。 rDS 為幾百千歐的數量級。為幾百千歐的數量級。當當 RD 比比 rds 小得多時，可認為等效電路的小得多時，可認為等效電路的 rds 開路開路。第第2 2章章 雙極型三極管及其放大電路雙極型三極管及其放大電路UGS(th)IDO IDQiD iDO(

24、uGSUGS(th)-1)2ID第第2 2章章 雙極型三極管及其放大電路雙極型三極管及其放大電路 共源電路的微變等效電路idMOS 管輸入電阻高達管輸入電阻高達 109 。第第2 2章章 雙極型三極管及其放大電路雙極型三極管及其放大電路分壓-自偏壓式共源放大電路靜態(tài)時，柵極電壓由靜態(tài)時，柵極電壓由VDD經經R1、R2分壓后提供，分壓后提供，ID流經流經RS產生一個自偏壓，產生一個自偏壓，RS也有利于穩(wěn)定靜態(tài)工作點，也有利于穩(wěn)定靜態(tài)工作點，旁路電容旁路電容CS必須足夠大，必須足夠大，以免影響電壓放大倍數。以免影響電壓放大倍數。Rg用于提高放大電路的輸入電阻。用于提高放大電路的輸入電阻。 第第2

25、2章章 雙極型三極管及其放大電路雙極型三極管及其放大電路IDQ IDO(UGSQUGS(th)- 1)2IDQ分壓-自偏壓式共源放大電路解聯(lián)立方程求出解聯(lián)立方程求出 UGSQ 和和 IDQ。第第2 2章章 雙極型三極管及其放大電路雙極型三極管及其放大電路uDSOiDOiDiD可做出一條直線，另外，可做出一條直線，另外，iD 與與 uGS 之間滿足轉移特性曲之間滿足轉移特性曲線的規(guī)律，二者之間交點為靜態(tài)工作點。確定線的規(guī)律，二者之間交點為靜態(tài)工作點。確定 UGSQ， IDQ 。第第2 2章章 雙極型三極管及其放大電路雙極型三極管及其放大電路oimduAUUg R odRR分壓-自偏壓式共源放大電

26、路12(/ /)ig+RRRRId第第2 2章章 雙極型三極管及其放大電路雙極型三極管及其放大電路共漏極放大電路 第第2 2章章 雙極型三極管及其放大電路雙極型三極管及其放大電路gsUgsmUg第第2 2章章 雙極型三極管及其放大電路雙極型三極管及其放大電路SgsmoRUgU LSS/ RRR gsSmSgsmgsi)1(URgRUgUU + + + + SmSmio1RgRgUUAu+ig12(/ /)RRRR+源極輸出器的微變等效電路 idmgsg UgsUiUoU第第2 2章章 雙極型三極管及其放大電路雙極型三極管及其放大電路gsmSooUgRUI omSomSo)1(UgRUgRU+ + + + SmSmooo/111