模擬電子技術第章場效應管及其放大電路PPT學習教案

1、會計學1模擬電子技術第章場效應管及其放大模擬電子技術第章場效應管及其放大(fngd)電路電路第一頁，共32頁。符號符號結構示意圖結構示意圖柵極柵極漏極漏極源極源極導電導電(dodin)溝道溝道結型場效應管結型場效應管P溝溝道道(u do)結結型型場場效效應應管管N溝溝道道(u do)結結型型場場效效應應管管第1頁/共32頁第二頁，共32頁。GSv溝道溝道(u do)最寬最寬溝道變窄溝道變窄溝道消失溝道消失稱為夾斷稱為夾斷UGS（off）1. 1. 工作工作(gngzu)(gngzu)原理原理Di0GSv0GSPvVPGSVv)(offGSVPV夾斷電壓常用夾斷電壓常用 或或 表示。表示。第2頁

2、/共32頁第三頁，共32頁。DSvDiGSv0GSPvV設設 為固定值，且為固定值，且 。vGDVPvGSVP且不變，且不變，VDD增大增大(zn d)，iD增大增大(zn d)。PDSGSVvvDSGSGDvvvPGSDSVvvvGDVPPGSDSVvv預夾斷預夾斷(ji dun)第3頁/共32頁第四頁，共32頁。vGDVPPGSDSVvv預夾斷預夾斷(ji dun)vGDVPPGSDSVvv VDD的增大，幾乎全部用來克服溝道的增大，幾乎全部用來克服溝道的電阻，的電阻，iD幾乎不變，進入恒流區(qū)，幾乎不變，進入恒流區(qū)，iD幾乎僅僅幾乎僅僅(jnjn)決定于決定于vGS。第4頁/共32頁第五頁

3、，共32頁。2. 結型場效應管的特性結型場效應管的特性(txng)曲線及電流方程曲線及電流方程（1）輸出特性）輸出特性常數(shù)GSvvfi)(DSDg-s電壓電壓控制控制(kngzh)d-s的的等效電阻等效電阻常量DSGSDmVvig預夾斷預夾斷(ji dun)軌軌跡，跡，vGDVP可可變變電電阻阻區(qū)區(qū)恒恒流流區(qū)區(qū)iD幾乎僅決幾乎僅決定于定于vGS擊擊穿穿區(qū)區(qū)夾斷區(qū)（截止區(qū)）夾斷區(qū)（截止區(qū)）夾斷電壓夾斷電壓IDSSiD 不同型號的管子不同型號的管子VP、IDSS將不同。將不同。低頻跨導：低頻跨導：第5頁/共32頁第六頁，共32頁。（2）轉移）轉移(zhuny)特性特性常數(shù)DSvvfi)(GSD場效

4、應管工作場效應管工作(gngzu)在恒流區(qū)，因而在恒流區(qū)，因而vGSVP且且vGDVP。PGSDSVvv夾斷夾斷電壓電壓漏極飽漏極飽和電流和電流2D)1 (PGSDSSVvIi第6頁/共32頁第七頁，共32頁。 第7頁/共32頁第八頁，共32頁。絕緣絕緣(juyun)柵場效應管柵場效應管絕緣柵型場效應管的柵極與源極、柵極與漏極之間均采用絕緣柵型場效應管的柵極與源極、柵極與漏極之間均采用(ciyng)SiO2絕緣層隔離，因此而得名。絕緣層隔離，因此而得名。 又因為又因為(yn wi)絕緣柵型場效應管中各電極為金屬鋁，絕緣層為氧絕緣柵型場效應管中各電極為金屬鋁，絕緣層為氧化物，導電溝道為半導體，故

5、又稱為金屬化物，導電溝道為半導體，故又稱為金屬氧化物氧化物半導體場效應半導體場效應管，簡稱為管，簡稱為MOS管管Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）。）。 管溝道耗盡型管溝道耗盡型管耗盡型管溝道增強型管溝道增強型管增強型管）絕緣柵場效應管（MOSPMOSNMOSMOSPMOSNMOSMOS第8頁/共32頁第九頁，共32頁。1N溝道溝道(u do)增強型增強型MOS管管襯底襯底SiO2絕緣層絕緣層高摻雜高摻雜(chn z)漏極漏極柵極柵極(shn j)源極源極結構示意圖結構示意圖電路符號電路符號第9頁/共32頁第十頁，共32頁。（1

6、）工作）工作(gngzu)原理原理 （a）耗盡層的形成(xngchng)（b）導電溝道）導電溝道(u do)的形成的形成 對導電溝道寬度及漏極電流對導電溝道寬度及漏極電流 的控制作用的控制作用GSvDi耗盡層耗盡層空空穴穴大到一定大到一定值才開啟值才開啟反型層反型層 vGS增大，反型層（導電溝道）將變厚變長。當反型層將兩增大，反型層（導電溝道）將變厚變長。當反型層將兩個個N區(qū)相接時，形成導電溝道。區(qū)相接時，形成導電溝道。使導電溝道剛剛形成的柵源電壓使導電溝道剛剛形成的柵源電壓 稱為開啟電壓稱為開啟電壓，GSv用用VT表示，有時也用表示，有時也用VGS(th)表示。表示。 第10頁/共32頁第十

7、一頁，共32頁。 對導電溝道寬度及漏極電流對導電溝道寬度及漏極電流 的控制作用的控制作用DSvDiTGSVv設設 且為定值。且為定值。0,0DDSiv時變化隨時，DSDTGSDSviVvv第11頁/共32頁第十二頁，共32頁。時，產(chǎn)生預夾斷TGSDSVvvTGDVv飽和時，DTGSDSiVvv剛出現(xiàn)剛出現(xiàn)(chxin)夾斷夾斷iD幾乎幾乎(jh)僅僅受控于僅僅受控于vGSvGS的增大幾乎全部的增大幾乎全部用來克服用來克服(kf)夾斷區(qū)夾斷區(qū)的電阻的電阻第12頁/共32頁第十三頁，共32頁。（2）特性曲線）特性曲線(qxin)和電流方程和電流方程（a）輸出特性）輸出特性 （b）轉移）轉移(zhu

8、ny)特性特性 開啟開啟(kiq)電壓電壓2D) 1(TGSDOVvIi電流方程：電流方程： 第13頁/共32頁第十四頁，共32頁。 耗盡型MOS管在 vGS0、 vGS 0、 vGS 0時均可導通，且與結型場效應管不同，由于SiO2絕緣層的存在(cnzi)，在vGS0時仍保持g-s間電阻非常大的特點。加正離子加正離子小到一定小到一定(ydng)值值才夾斷才夾斷vGS=0時就存在時就存在導電導電(dodin)溝道溝道2N溝道耗盡型溝道耗盡型MOS管管第14頁/共32頁第十五頁，共32頁。3P溝道溝道(u do)MOS管管P溝道溝道MOS管是在管是在N型襯底表面生成型襯底表面生成P型反型層作為導

9、電溝道。型反型層作為導電溝道。P溝道溝道MOS管與管與N溝道溝道MOS管的結構和工作原理類似，并且也有增強型和耗盡型兩種。使用時，柵源電壓管的結構和工作原理類似，并且也有增強型和耗盡型兩種。使用時，柵源電壓 和漏源電壓和漏源電壓 的極性與的極性與N溝道溝道MOS管相反。管相反。 GSvDSv)0(P)0(N)00(P)00(N)00(P)00(NDSGSDSGSDSGSDSGSDSGSDSGS極性任意，溝道極性任意，溝道耗盡型，溝道，溝道增強型絕緣柵型，溝道，溝道結型場效應管uuuuuuuuuuuu第15頁/共32頁第十六頁，共32頁。場效應管的主要參數(shù)場效應管的主要參數(shù)1直流參數(shù)直流參數(shù)(c

10、nsh)（1）開啟電壓開啟電壓 TV是增強型是增強型MOS管的參數(shù)。是使漏極電流管的參數(shù)。是使漏極電流(dinli)大于零所需要的最小柵源電壓。大于零所需要的最小柵源電壓。（2）夾斷電壓夾斷電壓 )()(offGSPVV是結型場效應管和耗盡是結型場效應管和耗盡(ho jn)型型MOS管的參數(shù)。管的參數(shù)。 （3）飽和漏電流飽和漏電流 DSSI是結型場效應管和耗盡型是結型場效應管和耗盡型MOS管的參數(shù)。管的參數(shù)。當柵源電壓等于零，而漏源電壓大于夾斷電壓時的漏極電流，稱為飽和漏極電流。當柵源電壓等于零，而漏源電壓大于夾斷電壓時的漏極電流，稱為飽和漏極電流。第16頁/共32頁第十七頁，共32頁。（4）

11、直流輸入電阻直流輸入電阻 )(DCGSR結型管的結型管的 大于大于 ，MOS管的管的 大于大于 。)(DCGSR)(DCGSR7109102交流交流(jioli)參數(shù)參數(shù)（1）低頻跨導低頻跨導 mg常量DSvGSDmvig（2）輸出電阻輸出電阻 dsr常量GSvDDSdsivr一般一般(ybn)約為幾十千歐到幾百千歐。約為幾十千歐到幾百千歐。 （3）極間電容極間電容 場效應管的三個電極之間均存在極間電容。在低頻情場效應管的三個電極之間均存在極間電容。在低頻情 況下況下，它們的影響可以，它們的影響可以(ky)忽略不計，在高頻情況下，必須予忽略不計，在高頻情況下，必須予以考慮。以考慮。第17頁/共

12、32頁第十八頁，共32頁。3極限極限(jxin)參數(shù)參數(shù)（1）最大漏極電流最大漏極電流 DMI是管子是管子(gun zi)正常工作時允許的最大漏極電流。正常工作時允許的最大漏極電流。 （2）最大耗散功率最大耗散功率 DMP是管子正常工作是管子正常工作(gngzu)時允許損耗的最大功率。時允許損耗的最大功率。 （3）最大漏源電壓最大漏源電壓 DSBRV)(是指漏源間所能承受的最大電壓。是指漏源間所能承受的最大電壓。 （4）最大柵源電壓最大柵源電壓 GSBRV)(是指柵源間所能承受的最大電壓。是指柵源間所能承受的最大電壓。 第18頁/共32頁第十九頁，共32頁。場效應管與晶體場效應管與晶體(jng

13、t)三極管的比較三極管的比較（1）場效應管是電壓控制器件，用柵源電壓控制漏極電流）場效應管是電壓控制器件，用柵源電壓控制漏極電流。柵極基本不取電流，輸入電阻很高。而晶體管工作時需要信。柵極基本不取電流，輸入電阻很高。而晶體管工作時需要信號源為基極提供一定的電流，輸入電阻較小。因此，要求輸入號源為基極提供一定的電流，輸入電阻較小。因此，要求輸入電阻高的電路應選用場效應管，如果信號源可以提供一定的電電阻高的電路應選用場效應管，如果信號源可以提供一定的電流，可選用晶體管。流，可選用晶體管。（2）場效應管只有多子參與）場效應管只有多子參與(cny)導電，晶體管內既有多導電，晶體管內既有多子又有少子參與

14、子又有少子參與(cny)導電，而少子受溫度、輻射等因素影導電，而少子受溫度、輻射等因素影響較大，因而場效應管比晶體管的溫度穩(wěn)定性好、抗輻射能力響較大，因而場效應管比晶體管的溫度穩(wěn)定性好、抗輻射能力強。所以在環(huán)境條件變化很大的情況下應選用場效應管。強。所以在環(huán)境條件變化很大的情況下應選用場效應管。（3）場效應管的噪聲系數(shù)很小，所以低噪聲放大器的輸入）場效應管的噪聲系數(shù)很小，所以低噪聲放大器的輸入級及要求信噪比較高的電路應選用場效應管。當然也可選用特級及要求信噪比較高的電路應選用場效應管。當然也可選用特制的低噪聲晶體管。制的低噪聲晶體管。第19頁/共32頁第二十頁，共32頁。（4）場效應管的漏極與

15、源極可以互換使用，互換后特）場效應管的漏極與源極可以互換使用，互換后特性變化不大。而晶體管的發(fā)射極與集電極互換后特性差性變化不大。而晶體管的發(fā)射極與集電極互換后特性差異很大，因此只在特殊需要時才互換。異很大，因此只在特殊需要時才互換。（5）場效應管比晶體管的種類多，特別是耗盡型）場效應管比晶體管的種類多，特別是耗盡型MOS管，柵源電壓可正、可負、可為零，均能控制漏極電流管，柵源電壓可正、可負、可為零，均能控制漏極電流。因而在組成放大電路時比晶體管有更大的靈活性。因而在組成放大電路時比晶體管有更大的靈活性。（6）場效應管和晶體管均可用于放大電路和開關電路）場效應管和晶體管均可用于放大電路和開關電

16、路，它們均可構成品種繁多的集成電路。但由于場效應管，它們均可構成品種繁多的集成電路。但由于場效應管集成工藝更簡單，且具有功耗小、工作電源電壓范圍寬集成工藝更簡單，且具有功耗小、工作電源電壓范圍寬等優(yōu)點，因此更加廣泛等優(yōu)點，因此更加廣泛(gungfn)地應用于大規(guī)模和超地應用于大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路之中。大規(guī)模集成電路之中。第20頁/共32頁第二十一頁，共32頁。3.2 場效應管放大場效應管放大(fngd)電路電路場效應管放大場效應管放大(fngd)電路的直流偏置和靜態(tài)分析電路的直流偏置和靜態(tài)分析1自給自給(zj)偏壓電路偏壓電路SQGQGSQVVVSDQRI2DQ)1 (PGSQDSSVVI

17、I（2） （1） )(dsDQDDDSQRRIVV（3） 第21頁/共32頁第二十二頁，共32頁。2分壓式偏置分壓式偏置(pin zh)電路電路DDgggAGQVRRRVV211SDQDDgggSQGQGSQRIVRRRVVV211（1） 2) 1(TGSQDODQVVII（2） )(dsDQDDDSQRRIVV（3） 第22頁/共32頁第二十三頁，共32頁。場效應管放大場效應管放大(fngd)電路的動態(tài)分析電路的動態(tài)分析1場效應管的交流場效應管的交流(jioli)等效模型等效模型近似分析近似分析(fnx)時可認為其為無時可認為其為無窮大！窮大！DSGSDmUuig根據(jù)根據(jù)iD的表達式或轉移特

18、性可求得的表達式或轉移特性可求得gm。第23頁/共32頁第二十四頁，共32頁。2) 1(TGSDODVvIiDODTGSIiVv2) 1(DODTGSIiVv ) 1(DSVGSDmvigGSTGSDOvVvI) 1(2) 1(2TGSDOTVvIVDODDOTIiIV2DDOTiIV2DQDOTIIV2DQDOTmIIVg2DQDSSPmIIVg2對結型管：對結型管：第24頁/共32頁第二十五頁，共32頁。2共源極放大共源極放大(fngd)電路的動態(tài)分析電路的動態(tài)分析交流交流(jioli)等等效電路效電路iovVVAGSLdGSmVRRVg)/(LmRgiRdoRR 第25頁/共32頁第二十六頁，共32頁。例在如圖所示電路例在如圖所示電路(dinl)中，已知中，已知VDD=15V，Rg1=150k，Rg2=300k， Rg3=1M， Rd= RL=5k，Rs=0.5k，MOS管的管的VT=2V， IDO=2mA 。 試求解：試求解：（1 1）電路）電路(dinl)(dinl)的靜態(tài)工作點；的靜態(tài)工作點； （2 2）電路的電壓）電路的電壓(diny)(diny)放大倍數(shù)、輸入放大倍數(shù)、輸入 電阻和輸出電阻電阻和輸出電阻; ; 解：（解：（1 1）SDQDDggg