第四章：場效應(yīng)管及放大電路

1、模擬電子模擬電子(1-1) 第五章第五章 場效應(yīng)管放大電路場效應(yīng)管放大電路模擬電子模擬電子(1-2)N溝道溝道P溝道溝道增強型增強型耗盡型耗盡型N溝道溝道P溝道溝道N溝道溝道P溝道溝道（耗盡型）（耗盡型）FET場效應(yīng)管場效應(yīng)管JFET結(jié)型結(jié)型MOSFET絕緣柵型絕緣柵型(IGFET)場效應(yīng)管分類：場效應(yīng)管分類：模擬電子模擬電子(1-3)4.1結(jié)型場效應(yīng)管（結(jié)型場效應(yīng)管（JFET)場效應(yīng)管又稱單極型晶體管，與雙場效應(yīng)管又稱單極型晶體管，與雙極型晶體管不同，它是多子導(dǎo)電，輸極型晶體管不同，它是多子導(dǎo)電，輸入阻抗高，溫度穩(wěn)定性好。入阻抗高，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)

2、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:模擬電子模擬電子(1-4)N基底基底 ：N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體PP兩邊是兩邊是P區(qū)區(qū)G(柵極柵極)S源極源極D漏極漏極（1）結(jié)構(gòu)）結(jié)構(gòu)1. 結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和工作原理導(dǎo)電溝道導(dǎo)電溝道模擬電子模擬電子(1-5)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模擬電子模擬電子(1-6)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模擬電子模擬電子(1-7)PGSDVDSVGSNN（2）工作原理（以）工作原理（以P溝道為例）溝道為例）NNPN結(jié)反偏，結(jié)反偏

3、，VGS越大則耗越大則耗盡區(qū)越寬，導(dǎo)盡區(qū)越寬，導(dǎo)電溝道越窄。電溝道越窄。VDS=0時時模擬電子模擬電子(1-8)VDS=0時時PGSDVDSVGSNNNNVGS越大耗盡區(qū)越越大耗盡區(qū)越寬，溝道越窄，寬，溝道越窄，電阻越大。電阻越大。但當(dāng)?shù)?dāng)VGS較小時，耗較小時，耗盡區(qū)寬度有限，存盡區(qū)寬度有限，存在導(dǎo)電溝道。在導(dǎo)電溝道。DS間間相當(dāng)于線性電阻。相當(dāng)于線性電阻。模擬電子模擬電子(1-9)PGSDVDSVGSNNVDS=0時時VGS達到一定值時達到一定值時（夾斷電壓夾斷電壓VP）,耗盡區(qū)碰到一起，耗盡區(qū)碰到一起，DS間被夾斷，漏間被夾斷，漏極電流是極電流是ID=0。模擬電子模擬電子(1-10)PG

4、SDVDSVGSNN越靠近漏端，越靠近漏端，PN結(jié)反壓越大結(jié)反壓越大UDS較小時較小時VGSVp且且VDS較大時較大時VGDVP時耗盡區(qū)的形狀時耗盡區(qū)的形狀模擬電子模擬電子(1-11)PGSDVDSVGSNN溝道中仍是電溝道中仍是電阻特性，但是阻特性，但是是非線性電阻。是非線性電阻。UDS較小時較小時VGSVp且且VDS較大時較大時VGDVP時耗盡區(qū)的形狀時耗盡區(qū)的形狀模擬電子模擬電子(1-12)GSDVDSVGSNN漏端的溝道被夾斷，漏端的溝道被夾斷，稱為稱為預(yù)夾斷。預(yù)夾斷。VDS增大則被夾增大則被夾斷區(qū)向下延伸。斷區(qū)向下延伸。VDS增大時增大時模擬電子模擬電子(1-13)GSDVDSVGS

5、VGS0時時VGS足夠大時足夠大時（VGSVT）感應(yīng)出足夠多感應(yīng)出足夠多電子，這里以電子，這里以電子導(dǎo)電為主電子導(dǎo)電為主出現(xiàn)出現(xiàn)N型的導(dǎo)型的導(dǎo)電溝道。電溝道。感應(yīng)出電子感應(yīng)出電子VT稱為閾值電壓稱為閾值電壓模擬電子模擬電子(1-28)VGSPNNGSDVDSVGS較小時，較小時，導(dǎo)電溝道相當(dāng)導(dǎo)電溝道相當(dāng)于電阻將于電阻將D-S連接起來，連接起來，VGS越大此電越大此電阻越小。阻越小。模擬電子模擬電子(1-29)VGSPNNGSDVDS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較較大時，靠大時，靠近近D區(qū)的區(qū)的導(dǎo)電溝道導(dǎo)電溝道變窄。變窄。模擬

6、電子模擬電子(1-30)VGSPNNGSDVDSVDS增加，增加，VGD=VT時，時，靠近靠近D端的溝端的溝道被夾斷，道被夾斷，稱為稱為預(yù)預(yù)夾斷。夾斷。夾斷后夾斷后ID呈呈恒流特性。恒流特性。ID模擬電子模擬電子(1-31)分析分析:（1）柵極電壓）柵極電壓vGS正偏；利用正偏；利用vGS大小改變大小改變半導(dǎo)體表面感生電荷的多少，從而控制半導(dǎo)體表面感生電荷的多少，從而控制iD的大小。的大小。vGS=0時時vGS0 到到vGS VT時時無溝道無溝道 iD=0導(dǎo)電溝道形成導(dǎo)電溝道形成iD 0 vGS 溝道變寬溝道變寬 iD vGS 溝道變窄溝道變窄 iD 模擬電子模擬電子(1-32)（2）漏極電壓

7、）漏極電壓vDS對對iD有影響有影響vDS=0時，導(dǎo)電溝道等寬。時，導(dǎo)電溝道等寬。vDS 0時，導(dǎo)電溝道不等寬。時，導(dǎo)電溝道不等寬。夾斷條件夾斷條件vGD=VT(開啟電壓）開啟電壓）夾斷前：夾斷前： vDS iD 管子呈現(xiàn)恒阻性管子呈現(xiàn)恒阻性夾斷后：夾斷后： vDS iD 幾乎不變幾乎不變 管子呈現(xiàn)恒流性管子呈現(xiàn)恒流性壓控電阻壓控電阻放大區(qū)放大區(qū)模擬電子模擬電子(1-33)（3）耗盡型）耗盡型MOSFET特點特點事先在絕緣層與襯底加一定的正電荷或負(fù)電荷，事先在絕緣層與襯底加一定的正電荷或負(fù)電荷，使外加的使外加的vGS可正可負(fù)?？烧韶?fù)。模擬電子模擬電子(1-34)2. 增強型增強型N溝道溝道M

8、OS管的特性曲線管的特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線0iDvGSVT模擬電子模擬電子(1-35)輸出特性曲線輸出特性曲線iDv DS0vGS0模擬電子模擬電子(1-36)耗盡型耗盡型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，時就有導(dǎo)電溝道，加反向電壓才能夾斷。加反向電壓才能夾斷。轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線0iDvGSVT模擬電子模擬電子(1-37)輸出特性曲線輸出特性曲線iDv DS0vGS=0vGS0模擬電子模擬電子(1-38)總結(jié)場效應(yīng)管的特點：總結(jié)場效應(yīng)管的特點：場效應(yīng)管為壓控電流器件。場效應(yīng)管為壓控電流器件。輸入電阻很高輸入電阻很高 J型

9、型106109 J型型1015 只有一種載流子導(dǎo)電只有一種載流子導(dǎo)電 N溝道為電子溝道為電子 P溝道為空穴溝道為空穴稱單極型晶體管，故熱穩(wěn)定性好。稱單極型晶體管，故熱穩(wěn)定性好。模擬電子模擬電子(1-39)制造工藝簡單，易于集成。制造工藝簡單，易于集成。柵極面積大，高頻特性不好。柵極面積大，高頻特性不好。模擬電子模擬電子(1-40)4.3場效應(yīng)管的主要性能參數(shù)場效應(yīng)管的主要性能參數(shù)1.直流參數(shù)：直流參數(shù)：VP-耗盡型耗盡型(夾斷電壓夾斷電壓)VT-增強型增強型(開啟電壓開啟電壓)IDSS-耗盡型耗盡型(飽和漏電流飽和漏電流)RGS (直流輸入電阻直流輸入電阻)V(BR)DSV(BR)GS反向電壓

10、反向電壓PDM=iD vDS(功耗功耗)模擬電子模擬電子(1-41)2.動態(tài)參數(shù)：動態(tài)參數(shù)：Cvvig DSGSDm)V1(V2PGSPDSSVI CDDSdGS vivr互導(dǎo)互導(dǎo)動態(tài)電阻動態(tài)電阻值很大值很大極間電容極間電容噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)模擬電子模擬電子(1-42)3.使用時應(yīng)注意的問題使用時應(yīng)注意的問題J型型vGS不能接反。不能接反。IG型型存放時三個電極不能開路。存放時三個電極不能開路。焊接時不能帶電（烙鐵外皮必須接地）。焊接時不能帶電（烙鐵外皮必須接地）。IG型襯底的處理應(yīng)妥善：型襯底的處理應(yīng)妥善：N襯底接高電平襯底接高電平P襯底接低電平襯底接低電平外接好的，外接好的，與源極相連與源極

11、相連模擬電子模擬電子(1-43)4.4 場效應(yīng)管放大電路場效應(yīng)管放大電路電路的組成原則及分析方法電路的組成原則及分析方法(1).靜態(tài)：適當(dāng)?shù)撵o態(tài)工作點，使靜態(tài)：適當(dāng)?shù)撵o態(tài)工作點，使FET工作在恒流工作在恒流區(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)動態(tài): 能為交流信號提供通路。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。分析方法分析方法模擬電子模擬電子(1-44)場效應(yīng)管放大電路分場效應(yīng)管放大電路分共源極放大電路共源極放大電路共漏極放大電路共漏極放大電路共柵極放

12、大電路共柵極放大電路重點介紹重點介紹模擬電子模擬電子(1-45)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) 共源極共源極JFET直流偏置電路直流偏置電路 自偏壓電路自偏壓電路 +-vi+-vo+Cb2C+Cb1gdsRg0.01uF10M R2k 47uF30k Rd4.7uFVDD18V直流通路圖直流通路圖+gdsRg10M R2k 30k RdVDD18V模擬電子模擬電子(1-46)+gdsRg10M R2k 30k RdVDD18V直流通路圖直流通路圖電路特點電路特點: 柵電壓是自給的（只適用柵電壓是自給的（只適用于耗盡型），即不外加電于耗盡型），即不外

13、加電壓時也有一定的漏電流。壓時也有一定的漏電流。很很大大，相相當(dāng)當(dāng)于于開開路路，gR)(0G柵極不吸取電流柵極不吸取電流 VRIV DGS模擬電子模擬電子(1-47)分壓器式自偏壓電路分壓器式自偏壓電路+VDDvoRviCCb2Cb1Rg1RdRg3Rg22M 47k 10M 30k 2k gds18V+0.01uF47uF4.7uF+-+-+VDDRRg1RdRg3Rg22M 47k 10M 30k 2k gds18V直流通路圖直流通路圖模擬電子模擬電子(1-48)電路特點電路特點: 柵極電壓是通過分壓獲得的柵極電壓是通過分壓獲得的,適用于耗盡型和增強型。適用于耗盡型和增強型。00g3 RV

14、，故故柵柵極極電電流流為為DDg2g1g2GVRRRV RIVRRRVDDDg2g1g2GS +VDDRRg1RdRg3Rg22M 47k 10M 30k 2k gds18V直流通路圖直流通路圖 DDg2g1g2DVRRRRI模擬電子模擬電子(1-49)(2)靜態(tài)工作點的確定靜態(tài)工作點的確定 公式計算法公式計算法2PGSDSSD1 VvIi+VDDRRg1RdRg3Rg22M 47k 10M 30k 2k gds18V直流通路圖直流通路圖RIVRRRVDDDg2g1g2GS 根據(jù)根據(jù)求得求得VGS、ID和和VDS模擬電子模擬電子(1-50)dsg+-vGS+-vDSiD),(DSGSDvvfi

15、 若場效應(yīng)管工作在小信號若場效應(yīng)管工作在小信號狀態(tài)，則對該式取全微分：狀態(tài)，則對該式取全微分：DSVDSDGSVGSDDGSDSdvvidvvidi 為無限小的信號增量，將它為無限小的信號增量，將它們用有限增量代替?zhèn)冇糜邢拊隽看鎖dvgsvds2. 場效應(yīng)管放大電路的小信號模型分析法場效應(yīng)管放大電路的小信號模型分析法(1)小信號模型小信號模型 模擬電子模擬電子(1-51)dsg+-vGS+-vDSiDdsdgsmd1vrvgi dsdgsmd1VrVgI DSVDSDGSVGSDDGSDSdvvidvvidi idvgsvdsdDSD1rvi mGSDgvi 跨導(dǎo)跨導(dǎo)漏極輸漏極輸出電阻出電阻

16、模擬電子模擬電子(1-52)dsg+-vGS+-vDSiDdsdgsmd1vrvgi dsdgsmd1VrVgI gsV+-dsV+-rdsgdgsVgmdIFET低頻小信號模型低頻小信號模型模擬電子模擬電子(1-53)(2)應(yīng)用小信號模型法分析場效應(yīng)管放大電路應(yīng)用小信號模型法分析場效應(yīng)管放大電路共源極共源極JFET電路組成電路組成小信號模型小信號模型sgdRdRg2Rg1Rg3iV+-oV+-dIrdgsmVggsV+-R+VDDvoRviCb2Cb1Rg1RdRg3Rg2gds+-+-模擬電子模擬電子(1-54)sgdRdRg2Rg1Rg3iV+-oV+-dIrdgsmVggsV+-Rdg

17、smoRVgV RgRgAmdmVm1 )1(mgsgsmgsiRgVRVgVV 中頻電壓增益中頻電壓增益輸入與輸出反相輸入與輸出反相模擬電子模擬電子(1-55)sgdRdRg2Rg1Rg3iV+-oV+-dIrdgsmVggsV+-R輸入電阻輸入電阻)/(g2g1g3iRRRR 輸出電阻輸出電阻doRR 模擬電子模擬電子(1-56)共漏極共漏極JFET電路組成電路組成小信號模型小信號模型+VDDvoRviCb2Cb1Rg1Rg3Rg2gds+-+RLRs-+vssgdRLRg2Rg1Rg3iV+-oV+-gsmVggsV+-RRs-+vs模擬電子模擬電子(1-57)sgdRLRg2Rg1Rg3iV+-oV+-gsmVggsV+-RRs-+vs)/(LgsmoRRVgV 中頻電壓增益中頻電壓增益)/)(LoimoRRVVgV )/(1)/(LmLmioVmRRgRRgVVA 時時當(dāng)當(dāng)