大連理工大學(xué)模擬電子線路第五版第五章

1、 第五章 場效應(yīng)管放大電路場效應(yīng)管與雙極型晶體管不同，它是多子導(dǎo)電，輸入阻抗場效應(yīng)管與雙極型晶體管不同，它是多子導(dǎo)電，輸入阻抗高，溫度穩(wěn)定性好。高，溫度穩(wěn)定性好。結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管JFET絕緣柵型場效應(yīng)管絕緣柵型場效應(yīng)管MOS場效應(yīng)管有兩種場效應(yīng)管有兩種:N溝道溝道P溝道溝道耗盡型耗盡型增強型增強型耗盡型耗盡型增強型增強型N溝道溝道P溝道溝道5 場效應(yīng)管放大電路場效應(yīng)管放大電路G(柵極柵極)S源極源極D漏極漏極1、結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)5.1 結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管(JFET)擴散情況：NPNNNPP基底基底 ：N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體兩邊是兩邊是P區(qū)區(qū)導(dǎo)電溝道導(dǎo)電溝道NPP5.1.1 JFET的結(jié)構(gòu)和

2、工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理NPPG(柵極柵極)S源極源極D漏極漏極N溝道結(jié)型場效應(yīng)管溝道結(jié)型場效應(yīng)管DGS符號符號柵極上的箭頭表示柵極電流的方向（由P區(qū)指向N區(qū)）。結(jié)型場效應(yīng)管代表符號中柵極上的箭頭方向，可以確認溝道的類型。PNNG(柵極柵極)S源極源極D漏極漏極P溝道結(jié)型場效應(yīng)管溝道結(jié)型場效應(yīng)管DGS符號符號2、工作原理（以、工作原理（以N溝道為例）溝道為例）vDS=0V時時vGSNGSDvDSNNPPiDPN結(jié)反偏，結(jié)反偏，vGS越大則耗盡區(qū)越越大則耗盡區(qū)越寬，導(dǎo)電溝道越寬，導(dǎo)電溝道越窄。窄。vGS0V(1)vGS對導(dǎo)電溝道及對導(dǎo)電溝道及iD的控制的控制vDS=0V時時NGSDvDSvGSN

3、NiDPPvGS越大耗盡區(qū)越寬，越大耗盡區(qū)越寬，溝道越窄，電阻越大。溝道越窄，電阻越大。但當(dāng)?shù)?dāng)vGS較小時，耗盡較小時，耗盡區(qū)寬度有限，存在導(dǎo)區(qū)寬度有限，存在導(dǎo)電溝道。電溝道。DS間相當(dāng)于間相當(dāng)于線性電阻。線性電阻。VDS=0時時NGSDVDSVGSPPIDVGS達到一定值時達到一定值時（夾斷電壓夾斷電壓VP）,耗耗盡區(qū)碰到一起，盡區(qū)碰到一起，DS間被夾斷，這時，即間被夾斷，這時，即使使vDS 0V，漏極電，漏極電流流iD=0A。vGS0、vGD=vGS-vDSVP時時耗盡區(qū)的形狀耗盡區(qū)的形狀NGSDvDSvGSPPiD越靠近漏端，越靠近漏端，PN結(jié)反壓越大結(jié)反壓越大6V6V0V2V4V 導(dǎo)

4、電溝道中電位分布情況 (1)vDS對對iD的影響的影響vGSVp且且vDS較大時較大時vGDVP時時耗盡區(qū)的形狀耗盡區(qū)的形狀NGSDvDSvGSPPiD溝道中仍是電阻溝道中仍是電阻特性，但是是非特性，但是是非線性電阻。線性電阻。vGSVp vGD=VP時時vDS增大則被夾斷增大則被夾斷區(qū)向下延伸。區(qū)向下延伸。NGSDvDSvGSPPiD漏端的溝道被夾斷，漏端的溝道被夾斷，稱為稱為予夾斷。予夾斷。vGS0時時vGS足夠大時足夠大時（vGSVT）感應(yīng)）感應(yīng)出足夠多電子，出足夠多電子，這里出現(xiàn)以電子這里出現(xiàn)以電子導(dǎo)電為主的導(dǎo)電為主的N型型導(dǎo)電溝道。導(dǎo)電溝道。感應(yīng)出電子感應(yīng)出電子VT稱為開啟電壓稱為開

5、啟電壓vGS較小時，導(dǎo)電較小時，導(dǎo)電溝道相當(dāng)于電阻溝道相當(dāng)于電阻將將D-S連接起來，連接起來，vGS越大此電阻越越大此電阻越小。小。PNNGSDvDSvGSPNNGSDvDSvGS當(dāng)當(dāng)vDS不太大不太大時，導(dǎo)電溝時，導(dǎo)電溝道在兩個道在兩個N區(qū)區(qū)間是均勻的。間是均勻的。當(dāng)當(dāng)vDS較大時，較大時，靠近靠近D區(qū)的區(qū)的導(dǎo)電溝道變導(dǎo)電溝道變窄。窄。PNNGSDvDSvGS夾斷后，即夾斷后，即使使vDS 繼續(xù)增繼續(xù)增加，加，ID仍呈仍呈恒流特性恒流特性。iDvDS增加，增加，vGD=VT 時，時，靠近靠近D端的溝道被夾斷，端的溝道被夾斷，稱為予夾斷。稱為予夾斷。三、增強型三、增強型N溝道溝道MOS管的特性

6、曲線管的特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線0iDvGSVT輸出特性曲線輸出特性曲線iDv DS0VGS0四、耗盡型四、耗盡型N溝道溝道MOS管的特性曲線管的特性曲線耗盡型的耗盡型的MOS管管vGS=0時就有導(dǎo)電溝道，加反向時就有導(dǎo)電溝道，加反向電壓才能夾斷。電壓才能夾斷。轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線0iDvGSVT輸出特性曲線輸出特性曲線iDvDS0vGS=0vGS0五、說明：五、說明：（1）MOS管由四種基本類型；（2）MOS管的特性與結(jié)型場效應(yīng)管的特性類似；（3）增強型的MOS管的vGS必須超過一定的值以使溝道形成； 耗盡型的MOS管使形成溝道的vGS可正可負；（4）MOS管的輸入阻抗特別高（5

7、）衡量場效應(yīng)管的放大能力用跨導(dǎo) 單位：msDSGSDmVVIgGGSDCGSIVR)(六、六、MOS管的有關(guān)問題管的有關(guān)問題（2）交流參數(shù)低頻跨導(dǎo)：極間電容：柵源電容CGS，柵漏電容CGD，漏源電容CDS（3）極限參數(shù) 最大漏極電流IDM，最大耗散功率P0M，漏源擊穿電壓V(BR)DS柵源擊穿電壓VBR)GS1、主要參數(shù)（1）直流參數(shù)開啟電壓VT指增強型的MOS管夾斷電壓VP指耗盡型的MOS管零柵壓漏極電流IDSS直流輸入電阻： 通常很大10101015左右三三 極極 管管場場 效效 應(yīng)應(yīng) 管管導(dǎo)電機構(gòu)雙極性器件單極性器件導(dǎo)電方式載流子的擴散與漂移漂移控制方式電流控制電壓控制類 型NPN 型、

8、PNP 型P、N 溝道，增強、耗盡型放大參數(shù)=30100gm=16ms輸入電阻1021041071015抗輻射能力差好噪 聲大小熱穩(wěn)定性差好制造工藝復(fù)雜簡單、成本低；便于集成靈活性C、E 不能互換D、S 可以互換六、六、MOS管的有關(guān)問題管的有關(guān)問題2、場效應(yīng)管與三極管的比較六、六、MOS管的有關(guān)問題管的有關(guān)問題3、使用注意事項（1）結(jié)型場效應(yīng)管的柵源電壓不能接反，但可在開路狀態(tài)下保存；（2）MOS管在不使用時，須將各個電極短接；（3）焊接時，電烙鐵必須有外接地線，最好是斷電后再焊接；（4）結(jié)型場效應(yīng)管可用萬用表定性檢測管子的質(zhì)量，而MOS管必須用專門的儀器來檢測；（5）若用四引線的場效應(yīng)管，

9、其襯底引線應(yīng)正確連接；vGSiD0vDS:N溝道加正壓 P溝道加負壓各種場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性對比 (a)轉(zhuǎn)移特性IDSSVPIDSSN溝道JFETN溝道增強MOSVTN溝道耗盡MOSP溝道耗盡MOSP溝道增強MOSVTP溝道JFETIDSSVPVPVP各種場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性對比 (b)輸出特性結(jié)型vGS和vDS相反增強型vGS同vDS同極性耗盡型vGS任意 極 性放大區(qū)條件vDSN溝道管：正極性(vDS0)vDSvGSVP0P溝道管：負極性(vDS0)vDSVGSVPVP(或VT)P溝道管：vGSVP(或VT)FET放大偏置時vDS與vGS應(yīng)滿足的關(guān)系 5.4場效應(yīng)管放大電路

10、場效應(yīng)管放大電路(1) 靜態(tài)：適當(dāng)?shù)撵o態(tài)工作點，使場效應(yīng)管工作在恒流靜態(tài)：適當(dāng)?shù)撵o態(tài)工作點，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。區(qū)，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：靜態(tài)分析：估算法、圖解法。估算法、圖解法。動態(tài)分析：動態(tài)分析：微變等效電路法。微變等效電路法。分析方法：分析方法： 場效應(yīng)管是電壓控制器件。它利用柵源電壓來控制漏極電流的變化。它的放大作用以跨導(dǎo)來體現(xiàn)，在場效應(yīng)管的漏極特性的水平部分，漏極電流iD的值主要取決于vGS，而幾乎與vDS無關(guān)。1、自偏壓電路、自偏壓電路2、分壓式自偏

11、壓電路、分壓式自偏壓電路SV GSVGVDDg2g1g2VRRR RID Rg：使g與地的直流電位幾乎相同（因上無電流）。R：當(dāng)IS流過R時產(chǎn)生直流壓降ISR，使S對地有一定的電壓：VGS=ISR=IDR05.4.1場效應(yīng)管的直流偏置電路及靜態(tài)分析場效應(yīng)管的直流偏置電路及靜態(tài)分析1. 直流偏置電路直流偏置電路VDDRdR-Rg+vGSiD-viC1+CSC2-+RLvoVDD=18VRCRg1RdRg3Rg22M47k10M30k2kT+Cb2Cb147u4.7u0.01uQ點：點： VGS 、 ID 、 VDSVGS =2PGSDSSD)1 (VVIIVDS =已知已知VP ，由，由VDD-

12、 ID (Rd + R )- IDR可解出可解出Q點的點的VGS 、 ID 、 VDS 靜態(tài)工作點靜態(tài)工作點以自偏壓電路為例(1) 近似估算法近似估算法 Cb10.01u4.7uCb2VDD=18VRCRdRg10M30k2kT+47u+-gsdvivo2PGSDSSD)1 (VVIIVDS = VDD- ID (Rd + R )RIRRVRVDggDDgGS212VP=-1V IDSS=0.5mAID=0.5mA(1+0.4-2ID)2ID=(0.95+0.64, 0.95-0.64)mAIDVGS則：則：VG VS而：而：IG=0所以：所以：voVDD=20VRSviCSR1RDRGR2R

13、L150k50k1M10k10kGDS10kV5212DDGVRRRVmA5 . 0SGSSDRVRVIV10)(DSDDDDSRRIVV例例5.1VDD=20VvoRSviCSR1RDRGR2RL150k50k1M10k10kGDS10k二、動態(tài)分析二、動態(tài)分析微變等效電路微變等效電路gsivv )/(LDgsmoRRvgvLmiovRgvvA21/ RRRRGiM0375.1Ro=RD=10kR2R1RGvi+-sggsvdgsmvgRLRLRDvo-+VDD=20VvoRSviR1RDRGR2RL150k50k1M10k10kGDS10kCS微變等效電路微變等效電路SgsmgsiRvgv

14、v)/(LDgsmoRRvgvSgsmgsLgsmiovRvgvRvgvvA21/ RRRRGiM0375.1Ro=RD=10kR2R1RGvi+-sggsvdgsmvgRLRLRDvo-+RSSmLmRgRg1共漏極放大器共漏極放大器源極輸出器源極輸出器vo+VDDRSviC1R1RGR2RL150k50k1M10kDSC2G一、靜態(tài)分析一、靜態(tài)分析VSVGmA5 . 0SGSSDRVRVIVDS=VDD- VS =20-5=15VV5211DDGVRRRVvo+VDDRSviC1R1RGR2RL150k50k1M10kDSC2GLgsmgsLgsmiovRvgvRvgvvA11LmLmRg

15、Rg二、動態(tài)分析二、動態(tài)分析21/RRRRGiM0375. 1RiRo Ro gR2R1RGsdRLRS微變等效電路微變等效電路vivogmvgs輸出電阻輸出電阻 Ro加壓求流法加壓求流法mgsmgsdogvgvivRT1SooRRR/TvTidigd微變等效電路微變等效電路Ro Ro R2R1RGsRSgsvgsmvg微變等效電路共柵放大器共柵放大器動態(tài)分析動態(tài)分析EDRESRdRLuigmugsgduiRdRLsRI總IiRgRIVmii1RgRIVRmiii11 、電壓放大倍數(shù)Vo=Id=gmVgsLRVi=VgsLR Av=Vo/Vi =gm2、輸入電阻 Vi=I總R=(Ii+gmVgs)R =(IigmUi)R得3、輸出電阻 Ro= RdCE / CB / CCCE /