模擬電路場效應(yīng)管及其基本放大電路

1、信息技術(shù)學(xué)院模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 第五章 場效應(yīng)管及其放大電路信息技術(shù)學(xué)院第五章 場效應(yīng)管及其放大電路5.1 5.1 場效應(yīng)管場效應(yīng)管5.2 5.2 場效應(yīng)管基本放大電路場效應(yīng)管基本放大電路信息技術(shù)學(xué)院5.1 場效應(yīng)管一、結(jié)型場效應(yīng)管一、結(jié)型場效應(yīng)管二、絕緣柵型場效應(yīng)管二、絕緣柵型場效應(yīng)管三、場效應(yīng)管的分類三、場效應(yīng)管的分類信息技術(shù)學(xué)院 BJT是一種電流控制元件是一種電流控制元件(iB iC)，工作時，多數(shù)載流子和少數(shù)，工作時，多數(shù)載流子和少數(shù)載流子都參與導(dǎo)電，所以被稱為雙極型器件。載流子都參與導(dǎo)電，所以被稱為雙極型器件。 FET只有一種載流子參與導(dǎo)電，利用輸入回路的電場效應(yīng)來控只有一種載流子參與

2、導(dǎo)電，利用輸入回路的電場效應(yīng)來控制輸出回路電流的三極管，稱為場效應(yīng)管，也稱單極型三極管。制輸出回路電流的三極管，稱為場效應(yīng)管，也稱單極型三極管。特點(diǎn)特點(diǎn)單極型器件單極型器件( (一種載流子導(dǎo)電一種載流子導(dǎo)電) )； 輸入電阻高；輸入電阻高；工藝簡單、易集成、功耗小、體積小、成本低。工藝簡單、易集成、功耗小、體積小、成本低。FETFET分類：分類： 絕緣柵場效應(yīng)管絕緣柵場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管增強(qiáng)型增強(qiáng)型耗盡型耗盡型P P溝道溝道N N溝道溝道P P溝道溝道N N溝道溝道P P溝道溝道N N溝道溝道信息技術(shù)學(xué)院場效應(yīng)管有三個極：源極（場效應(yīng)管有三個極：源極（s）、柵極（、柵極（g）、漏極

3、（）、漏極（d），對），對應(yīng)于晶體管的應(yīng)于晶體管的e、b、c；場效應(yīng)管場效應(yīng)管有有三個工作區(qū)域：截止區(qū)、恒流區(qū)、可變電阻區(qū)，對三個工作區(qū)域：截止區(qū)、恒流區(qū)、可變電阻區(qū)，對應(yīng)于應(yīng)于晶體晶體管的截止區(qū)、放大區(qū)、飽和區(qū)。管的截止區(qū)、放大區(qū)、飽和區(qū)。單極型管噪聲小、抗輻射能力強(qiáng)、低電壓工作噪聲小、抗輻射能力強(qiáng)、低電壓工作信息技術(shù)學(xué)院 在漏極和源極之間加上一個在漏極和源極之間加上一個正向電壓，正向電壓，N 型半導(dǎo)體中多型半導(dǎo)體中多數(shù)載流子電子可以導(dǎo)電。數(shù)載流子電子可以導(dǎo)電。 導(dǎo)電溝道是導(dǎo)電溝道是 N 型的，稱型的，稱N 溝道結(jié)型場效應(yīng)管溝道結(jié)型場效應(yīng)管。DSGNN型型溝溝道道N型硅棒型硅棒柵極柵極源極源

4、極漏極漏極P+P+P 型區(qū)型區(qū)耗盡層耗盡層( (PN 結(jié)結(jié)) )(Source)(Grid)(Drain)一、結(jié)型場效應(yīng)管（以N溝道為例）1. 結(jié)構(gòu)符號符號信息技術(shù)學(xué)院P 溝道場效應(yīng)管溝道場效應(yīng)管N+N+P型型溝溝道道GSD P 溝道場效應(yīng)管是在溝道場效應(yīng)管是在 P 型硅型硅棒的兩側(cè)做成高摻雜的棒的兩側(cè)做成高摻雜的 N 型型區(qū)區(qū)(N+)，導(dǎo)電溝道為，導(dǎo)電溝道為 P 型，型，多數(shù)載流子為空穴。多數(shù)載流子為空穴。符號符號gds信息技術(shù)學(xué)院2. 工作原理 （1 1）柵）柵- -源電壓對導(dǎo)電溝道寬度的控制作用源電壓對導(dǎo)電溝道寬度的控制作用 u uDSDS=0=0溝道最寬溝道最寬溝道變窄溝溝道變窄溝道電

5、阻增大道電阻增大溝道消失稱溝道消失稱夾斷，溝道夾斷，溝道電阻無窮大電阻無窮大 uGS可以控制導(dǎo)電溝道的寬度。為什么可以控制導(dǎo)電溝道的寬度。為什么g-s必須加負(fù)電壓？必須加負(fù)電壓？UGS（off） (a)uGS = 0 (b)UGS(off) uGS UGS（off）若若uDS=0V，有導(dǎo)電溝道，但是多子不產(chǎn)生定向移動，漏極電流，有導(dǎo)電溝道，但是多子不產(chǎn)生定向移動，漏極電流iD為零。為零。若若uDS0V，則有電流，則有電流iD從漏極流向源極，從而使溝道中各點(diǎn)電位與柵電位從漏極流向源極，從而使溝道中各點(diǎn)電位與柵電位不再相等，而是沿溝道從源極到漏極逐漸升高，造成漏極一邊耗盡層比靠不再相等，而是沿溝道

6、從源極到漏極逐漸升高，造成漏極一邊耗盡層比靠近源極一邊的寬。近源極一邊的寬。DSGSGDuuuGDDSuu, 靠近漏極一邊的導(dǎo)電溝道必靠近漏極一邊的導(dǎo)電溝道必將隨之變窄。只要柵將隨之變窄。只要柵-漏間不出漏間不出現(xiàn)夾斷區(qū)域，溝道電阻仍將基現(xiàn)夾斷區(qū)域，溝道電阻仍將基本上決定于柵本上決定于柵-源電壓源電壓uGS.信息技術(shù)學(xué)院夾斷區(qū)變長，夾斷區(qū)變長，uDS的增大的增大，幾乎全部用來，幾乎全部用來克服溝道的電阻，克服溝道的電阻，iD幾乎不變，進(jìn)入恒流幾乎不變，進(jìn)入恒流區(qū)，區(qū)，iD幾乎僅僅決定于幾乎僅僅決定于uGS ，表現(xiàn)出表現(xiàn)出iD的恒的恒流特性流特性。場效應(yīng)管工作在恒流區(qū)的條件是什么？場效應(yīng)管工作在

7、恒流區(qū)的條件是什么？uGDUGS（off）uGDUGS（off）預(yù)夾斷預(yù)夾斷uGDUGS（off）DSGSGDuuuGDDSuu,信息技術(shù)學(xué)院GS(offGS(off)GDGSDS)DSGSu=u-uu-U,:即DSGSDu=ui常量確定的，就有確定的漏極電流受到柵漏極電流受到柵-源電壓控制，故稱場效應(yīng)管為電壓控制元件。源電壓控制，故稱場效應(yīng)管為電壓控制元件。GSDmuig低頻跨導(dǎo)（3）柵）柵-源電壓對漏極電流的控制作用源電壓對漏極電流的控制作用 uGD 0，由于，由于SiO2的存的存在，柵極電流為零。柵極金屬層在，柵極電流為零。柵極金屬層聚集正電荷，它們排斥聚集正電荷，它們排斥P型襯底靠型襯

8、底靠近近SiO2一側(cè)的空穴，使之剩下不一側(cè)的空穴，使之剩下不能移動的負(fù)離子區(qū)，形成耗盡層。能移動的負(fù)離子區(qū)，形成耗盡層。 uGS增大，耗盡層增寬；襯底的自增大，耗盡層增寬；襯底的自由電子吸引到耗盡層與絕緣層之由電子吸引到耗盡層與絕緣層之間，形成反型層，反型層將變厚間，形成反型層，反型層將變厚變長，當(dāng)反型層將變長，當(dāng)反型層將D-S間相接時，間相接時，形成導(dǎo)電溝道。形成導(dǎo)電溝道。 當(dāng)柵源之間不加電壓時，漏源之間相當(dāng)當(dāng)柵源之間不加電壓時，漏源之間相當(dāng)于兩個背靠背的于兩個背靠背的 PN 結(jié)，無論漏源之間加結(jié)，無論漏源之間加何種極性電壓，何種極性電壓，總是不導(dǎo)電總是不導(dǎo)電，iD=0 開啟電壓開啟電壓UG

9、S(th)：使溝道剛剛形成的柵源：使溝道剛剛形成的柵源電壓電壓SiO2絕緣層絕緣層襯底襯底耗盡層耗盡層空穴空穴高摻雜高摻雜反型層反型層大到一定大到一定值才開啟值才開啟信息技術(shù)學(xué)院uDS 對導(dǎo)電溝道的影響對導(dǎo)電溝道的影響 (uGS UGS(th)溝道沿源溝道沿源-漏方向逐漸變窄，導(dǎo)電漏方向逐漸變窄，導(dǎo)電溝道呈現(xiàn)一個楔形。溝道呈現(xiàn)一個楔形。uDS增大使漏增大使漏極電流極電流iD線性增大。線性增大。a. uDS UGS(th) iD隨隨uDS的增大而增的增大而增大，可變電阻區(qū)大，可變電阻區(qū)信息技術(shù)學(xué)院b. uDS= uGS UGS(th)， uGD = UGS(th)靠近漏極溝道達(dá)到臨界開啟程度，靠

10、近漏極溝道達(dá)到臨界開啟程度，出現(xiàn)預(yù)夾斷。出現(xiàn)預(yù)夾斷。uGDUGS（th），預(yù)夾斷，預(yù)夾斷剛出現(xiàn)夾斷剛出現(xiàn)夾斷uDS 對導(dǎo)電溝道的影響對導(dǎo)電溝道的影響 (uGS UGS(th)信息技術(shù)學(xué)院c. uDS uGS UGS(th)， uGD UGS(th) 用場效應(yīng)管組成放大電路時應(yīng)使之工作在恒流區(qū)。用場效應(yīng)管組成放大電路時應(yīng)使之工作在恒流區(qū)。N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOS管工作在恒流區(qū)的條件是什么？管工作在恒流區(qū)的條件是什么？信息技術(shù)學(xué)院2. 耗盡型 MOS管加正離子加正離子小到一定小到一定值才夾斷值才夾斷uGS=0時就存在時就存在導(dǎo)電溝道導(dǎo)電溝道 制造過程中預(yù)先在二氧化硅的絕緣層中摻入正離子，這些正

11、制造過程中預(yù)先在二氧化硅的絕緣層中摻入正離子，這些正離子電場在離子電場在P型襯底中型襯底中“感應(yīng)感應(yīng)”負(fù)電荷，形成負(fù)電荷，形成“反型層反型層”。即使。即使 uGS = 0 也會形成也會形成 N 型導(dǎo)電溝道。型導(dǎo)電溝道。uGS = 0，uDS 0，產(chǎn)生較大的漏極電流；，產(chǎn)生較大的漏極電流；uGS U(BR)GS ，PN 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。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。2. 漏極最大允許耗散功率漏極最大允許耗散功率 PDMIDM是管子正常工作時漏極電流的上限值。是管子正常工作時漏極電流的上限值。信息技術(shù)學(xué)院雙極型和場效應(yīng)型三極管的比較

12、雙極型三極管雙極型三極管場效應(yīng)三極管場效應(yīng)三極管結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)NPNNPN型型結(jié)型耗盡型結(jié)型耗盡型 N N溝道溝道 P P溝道溝道PNPPNP型型絕緣柵增強(qiáng)型絕緣柵增強(qiáng)型 N N溝道溝道 P P溝道溝道 絕緣柵耗盡型絕緣柵耗盡型 N N溝道溝道 P P溝道溝道C C與與E E一般不可倒置使用一般不可倒置使用D D與與S S有的型號可倒置使用有的型號可倒置使用載流子載流子多子擴(kuò)散少子漂移多子擴(kuò)散少子漂移多子漂移（空穴被排斥，形多子漂移（空穴被排斥，形成反型層）成反型層）輸入量輸入量電流輸入電流輸入電壓輸入電壓輸入控制控制電流控制電流源電流控制電流源CCCS(CCCS() )電壓控制電流源電壓控制電流源

13、VCCS(VCCS(g gm m) )噪聲噪聲較大較大較小較小溫度特性溫度特性 受溫度影響較大受溫度影響較大較小，可有零溫度系數(shù)點(diǎn)較小，可有零溫度系數(shù)點(diǎn)輸入電阻輸入電阻幾十到幾千歐姆幾十到幾千歐姆幾兆歐姆以上幾兆歐姆以上靜電影響靜電影響不受靜電影響不受靜電影響易受靜電影響易受靜電影響集成工藝集成工藝不易大規(guī)模集成不易大規(guī)模集成適宜大規(guī)模和超大規(guī)模集成適宜大規(guī)模和超大規(guī)模集成信息技術(shù)學(xué)院討論一：利用圖示場效應(yīng)管組成原理性共源放大電路。利用圖示場效應(yīng)管組成原理性共源放大電路。信息技術(shù)學(xué)院5.2 5.2 場效應(yīng)管基本放大電路一、場效應(yīng)管靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置方法一、場效應(yīng)管靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置方法二、場效應(yīng)管

14、放大電路的動態(tài)分析二、場效應(yīng)管放大電路的動態(tài)分析三、場效應(yīng)管放大電路的頻率響應(yīng)三、場效應(yīng)管放大電路的頻率響應(yīng)信息技術(shù)學(xué)院(1) 靜態(tài)：適當(dāng)?shù)撵o態(tài)工作點(diǎn)，使場效應(yīng)管工作在恒流區(qū)，靜態(tài)：適當(dāng)?shù)撵o態(tài)工作點(diǎn)，使場效應(yīng)管工作在恒流區(qū)，場效應(yīng)管的偏置電路相對簡單。場效應(yīng)管的偏置電路相對簡單。 (2) 動態(tài)：能為交流信號提供通路。動態(tài)：能為交流信號提供通路。組成原則：組成原則：靜態(tài)分析：估算法、圖解法靜態(tài)分析：估算法、圖解法 動態(tài)分析：微變等效電路法、圖解法動態(tài)分析：微變等效電路法、圖解法分析方法：分析方法：場效應(yīng)管基本放大電路信息技術(shù)學(xué)院共源電路共源電路共柵電路共柵電路共漏電路共漏電路結(jié)型場效應(yīng)管放大電路

15、的三種接法結(jié)型場效應(yīng)管放大電路的三種接法信息技術(shù)學(xué)院一、場效應(yīng)管靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置方法 根據(jù)場效應(yīng)管工作在恒流區(qū)的條件，在根據(jù)場效應(yīng)管工作在恒流區(qū)的條件，在g-s、d-s間加極性間加極性合適的直流電源，就可確定合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。合適的直流電源，就可確定合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。GSQGG2GGDQDOGS(th)DSQDDDQdU= VVI= I(-1)UU= V-IR1. 基本共源放大電路 為了使場效應(yīng)管工作在恒流區(qū)實現(xiàn)放大作用，為了使場效應(yīng)管工作在恒流區(qū)實現(xiàn)放大作用，應(yīng)滿足：應(yīng)滿足：GS(th)GSDSGS(th)GS UuuUuN增強(qiáng)型增強(qiáng)型MOS管管 共源共源信息技術(shù)學(xué)院思考：思考：1.N溝道共

16、源結(jié)型場效應(yīng)管的靜態(tài)工作點(diǎn)怎樣設(shè)置？溝道共源結(jié)型場效應(yīng)管的靜態(tài)工作點(diǎn)怎樣設(shè)置？2.N溝道共源耗盡型溝道共源耗盡型MOS的靜態(tài)工作點(diǎn)怎樣設(shè)置？的靜態(tài)工作點(diǎn)怎樣設(shè)置？信息技術(shù)學(xué)院2. 自給偏壓電路sDQSQGQGSQsDQSQGQ0RIUUURIUU ，2GS(off)GSQDSSDQ)1 (UUII)(sdDQDDDSQRRIVU+由正電源獲得負(fù)偏壓由正電源獲得負(fù)偏壓稱為自給偏壓稱為自給偏壓哪種場效應(yīng)管放大電路能夠采用這種電路形式設(shè)置哪種場效應(yīng)管放大電路能夠采用這種電路形式設(shè)置Q點(diǎn)？點(diǎn)？耗盡型場效應(yīng)管耗盡型場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管共源放大電路靜態(tài)分析：結(jié)型場效應(yīng)管共源放大電路靜態(tài)分析：信息技術(shù)學(xué)院3

17、. 分壓式偏置電路sDQSQDDg2g1g1AQGQRIUVRRRUU+2GS(th)GSQDODQ) 1(UUII)(sdDQDDDSQRRIVU+即典型的即典型的Q點(diǎn)穩(wěn)定電路點(diǎn)穩(wěn)定電路信息技術(shù)學(xué)院二、場效應(yīng)管放大電路的動態(tài)分析1. 場效應(yīng)管的交流等效模型DGSDSi = f(u,u)iD 的全微分為的全微分為DSDSDGSGSDDdddGSDSuuiuuiiUU + + 上式中定義：上式中定義：DSGSDmUuig GSDdsDSU1i=ru 場效應(yīng)管的跨導(dǎo)場效應(yīng)管的跨導(dǎo)(毫西門子毫西門子 mS) 場效應(yīng)管漏源之間等效電阻場效應(yīng)管漏源之間等效電阻信息技術(shù)學(xué)院如果輸入正弦信號，則可用相量代替

18、式中的變量。如果輸入正弦信號，則可用相量代替式中的變量。dmgsdsds1I = g U +Ur場效應(yīng)管的交流等效模型場效應(yīng)管的交流等效模型DSDSDGSGSDDdddGSDSuuiuuiiUU + + +gsUgsmUgdsUdIdsrGDS電壓控制電壓控制電流源電流源如果外電路電如果外電路電阻較小，可忽阻較小，可忽略略rds中電流中電流由于沒有柵極電流，所以柵源是懸空的。由于沒有柵極電流，所以柵源是懸空的。mgsmgs g U是一個受控源。是一個受控源。信息技術(shù)學(xué)院DSGSDmUuig近似分析時可認(rèn)近似分析時可認(rèn)為其為無窮大！為其為無窮大！根據(jù)根據(jù)iD的表達(dá)式或轉(zhuǎn)移特性可求得的表達(dá)式或轉(zhuǎn)移

19、特性可求得gm。與晶體管的與晶體管的h參數(shù)等效模型類比：參數(shù)等效模型類比： 一般一般 gm 約為約為 0.1 至至 20 mS。 rds 為幾百千歐的數(shù)量級。當(dāng)為幾百千歐的數(shù)量級。當(dāng) Rd 比比 rds 小得小得多時，可認(rèn)為等效電路的多時，可認(rèn)為等效電路的 rds 開路。開路。信息技術(shù)學(xué)院根據(jù)場效應(yīng)管的電流方程可以求出低頻跨導(dǎo)。如結(jié)型根據(jù)場效應(yīng)管的電流方程可以求出低頻跨導(dǎo)。如結(jié)型DDSSoffGSmiIUg)(2小信號時，可以用小信號時，可以用IDQ來近似來近似iD，所以有，所以有 DQDSSoffGSmIIUg)(2增強(qiáng)型增強(qiáng)型MOS管：管：DQDOthGSmIIUg)(2DSGSDmUui

20、g2)(1offGSGSDSSDUuIi結(jié)型場效應(yīng)管：結(jié)型場效應(yīng)管：信息技術(shù)學(xué)院2. 基本共源放大電路的動態(tài)分析doidmgsddioRRRRgURIUUAu若若Rd=3k， Rg=1M， gm=2mS，則，則與共射電路比較。與共射電路比較。放大能力不如共射電路放大能力不如共射電路?uA信息技術(shù)學(xué)院例例5.2.2 分壓式偏置共源放大電路分壓式偏置共源放大電路()()mgsdLumdLgsg URRA = -= -gRRU電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù)輸入電阻輸入電阻 ig3g1g2R =R +RR輸出電阻輸出電阻odR = R信息技術(shù)學(xué)院3. 基本共漏放大電路的動態(tài)分析+ismsmsdgssdio1RRgRgRIURIUUAu若若Rs=3k，gm=2mS，則，則?uA輸入電壓輸出電壓極性相同輸入電壓輸出電壓極性相同信息技術(shù)學(xué)院基本共漏放大電路輸出電阻的分析msomsooooo1gRUgRUUIUR+若若Rs=3k，gm=2mS，則則Ro=?信息技術(shù)學(xué)院求解場效