第03章場效應晶體管放大器ppt

1、 3.1 場場 效效 應應 管管 場效應管是一種電壓控制器件，它場效應管是一種電壓控制器件，它是利用電場效應來控制其電流的大小，是利用電場效應來控制其電流的大小，從而實現(xiàn)放大。場效應管工作時，內(nèi)部從而實現(xiàn)放大。場效應管工作時，內(nèi)部參與導電的只有參與導電的只有多子多子一種載流子，因此一種載流子，因此又稱為單極性器件。又稱為單極性器件。 根據(jù)結構不同，場效應管分為兩大根據(jù)結構不同，場效應管分為兩大類，類，結型場效應管結型場效應管和和絕緣柵場效應管絕緣柵場效應管。3.1.1 絕緣柵場效應管絕緣柵場效應管 絕 緣 柵 場 效 應 管絕 緣 柵 場 效 應 管 是 由 金 屬是 由 金 屬（Metal）

2、、氧化物（）、氧化物（Oxide）和半）和半導體（導體（Semiconductor）材料構成）材料構成的，因此又叫的，因此又叫MOS管管。 絕緣柵場效應管分為增強型和耗絕緣柵場效應管分為增強型和耗盡型兩種，每一種又包括盡型兩種，每一種又包括N溝道溝道和和P溝道溝道兩種類型。兩種類型。（1）結構與符號）結構與符號 以以N溝道增強型溝道增強型MOS管為例，它是以管為例，它是以P型半導體作為襯底，用半導體工藝技型半導體作為襯底，用半導體工藝技術制作術制作兩個高濃度的兩個高濃度的N型區(qū)型區(qū)，兩個，兩個N型區(qū)型區(qū)分別引出一個金屬電極，作為分別引出一個金屬電極，作為MOS管的管的源極源極S和漏極和漏極D；

3、在；在P形襯底的表面生長形襯底的表面生長一層很薄的一層很薄的SiO2絕緣層絕緣層，絕緣層上，絕緣層上引出引出一個金屬電極稱為一個金屬電極稱為MOS管的管的柵極柵極G。B為從為從襯底襯底引出的金屬引出的金屬電極電極，一般工作時一般工作時襯底與源極相連襯底與源極相連。圖。圖3-1所示為所示為N溝道增溝道增強型強型MOS管的結構與符號。管的結構與符號。 符號中的箭頭表示從符號中的箭頭表示從P區(qū)（襯底）指區(qū)（襯底）指向向N區(qū)（區(qū)（N溝道），虛線表示增強型。溝道），虛線表示增強型。（2）N溝道增強型溝道增強型MOS管的工作原理管的工作原理 如圖如圖3-2所示，在柵極所示，在柵極G和源極和源極S之間加電壓

4、之間加電壓UGS，漏極，漏極D和源極和源極S之間之間加電壓加電壓UDS，襯底，襯底B與源極與源極S相連。相連。圖圖3-2 N溝道增強型溝道增強型MOS管加柵源電壓管加柵源電壓UGS 形成導電溝道所需要的最小柵源電壓形成導電溝道所需要的最小柵源電壓UGS，稱為開啟電壓，稱為開啟電壓UGS(th)。 反型層反型層,也也就是溝道就是溝道UGS越大，溝越大，溝道電阻越小道電阻越小UDS為為0時時UDS=UGS-UGS(th)預夾斷預夾斷UDSUGS-UGS(th)夾斷點夾斷點移向源極移向源極UGS一定時一定時圖圖3-3 UDS對導電溝道的影響對導電溝道的影響（3）特性曲線）特性曲線 輸出特性（漏極特性

5、）曲線輸出特性（漏極特性）曲線圖圖3-4(a) N溝道增強型溝道增強型MOS管的輸出特性曲線管的輸出特性曲線 U UGSGS( (thth) ) 當當uDS較小時，其對溝較小時，其對溝道的影響較小，道的影響較小， uGS一定，一定，溝道大小就一定，溝道電阻溝道大小就一定，溝道電阻也一定。也一定。 uGS增加增加 ，則溝道，則溝道厚度增加，溝道電阻減小厚度增加，溝道電阻減小（可變電阻區(qū)）（可變電阻區(qū)） 。 當當uGS一定時，在一定時，在 uDS uGS- uGS(th)時，時， iD基本不隨基本不隨uDS 的變化而變化（恒流區(qū)）。的變化而變化（恒流區(qū)）。 當當uDS繼續(xù)增大到某一臨繼續(xù)增大到某一

6、臨界時，由于加到溝道中耗盡層界時，由于加到溝道中耗盡層的電壓太高，電場很強致使柵的電壓太高，電場很強致使柵漏間的漏間的PN結產(chǎn)生擊穿，結產(chǎn)生擊穿， iD急急劇增大（擊穿區(qū)）劇增大（擊穿區(qū)） 。 轉移特性曲線轉移特性曲線圖圖3-4(b) N溝道增強型溝道增強型MOS管的轉移特性曲線管的轉移特性曲線 U UGSGS( (thth) )0 uGS uGS(th) iD=0uGS uGS(th) iD0，且隨且隨uGS增大而增大增大而增大在在uGS不變時不變時2.耗盡型絕緣柵場效應管耗盡型絕緣柵場效應管（1）結構、符號與工作原理）結構、符號與工作原理圖圖3-6 N溝道耗盡型溝道耗盡型MOS管的結構與符

7、號管的結構與符號 預先注入預先注入離子離子（2）特性曲線）特性曲線圖圖3-7 N溝道耗盡型溝道耗盡型MOS管的輸出特性曲線和轉移特性曲線管的輸出特性曲線和轉移特性曲線 當當uDS一定時，在一定時，在 uGS增加增加時，時， iD增加。增加。在在 uGS加負電壓時，會在加負電壓時，會在襯底表面產(chǎn)生正電荷，以襯底表面產(chǎn)生正電荷，以抵消抵消N溝道中的電子，使溝道中的電子，使溝道變窄。溝道變窄。U UGSGS( (offoff) )U UGSGS( (offoff) ) 耗盡型耗盡型MOS管工作時，其柵源管工作時，其柵源電壓電壓UGS可以為可以為0，也可以取正值，也可以取正值或負值，這個特點使其在應用

8、中或負值，這個特點使其在應用中具有更大的靈活性。具有更大的靈活性。3. 增強型增強型MOS管與耗盡型比較管與耗盡型比較絕緣柵場效應管絕緣柵場效應管 有開啟電壓有開啟電壓UGS(th)：指：指UDS為一為一定值時，形成導電溝道，使增強型定值時，形成導電溝道，使增強型MOS管導通所需要的柵源電壓值。管導通所需要的柵源電壓值。3.1. 2 結型場效應管結型場效應管 結型場效應管分為結型場效應管分為N溝道結型溝道結型管管和和P溝道結型管溝道結型管，它們都具有，它們都具有3個個電極：柵極、源極和漏極，分別與電極：柵極、源極和漏極，分別與三極管的基極、發(fā)射極和集電極三極管的基極、發(fā)射極和集電極相相對應對應

9、。1.結型場效應管的結構與符號結型場效應管的結構與符號 圖圖3-8所示為所示為N溝道結型場溝道結型場效應管的結構與符號，結型場效效應管的結構與符號，結型場效應管符號中的應管符號中的箭頭箭頭，表示由表示由P區(qū)區(qū)指向指向N區(qū)區(qū)。 P溝道結型場效應管的構成與溝道結型場效應管的構成與N溝道類似，只是所用雜質半導體的溝道類似，只是所用雜質半導體的類型要反過來。圖類型要反過來。圖3-9所示為所示為P溝道溝道結型場效應管的結構與符號。結型場效應管的結構與符號。2.N溝道結型場效應管的工作原理溝道結型場效應管的工作原理 （1）當柵源電壓）當柵源電壓UGS=0時，兩個時，兩個PN結的耗盡層比較窄，中間的結的耗盡

10、層比較窄，中間的N型型導電溝道比較寬，溝道電阻小，如導電溝道比較寬，溝道電阻小，如圖圖3-10.1所示。所示。圖圖3-10.1 UGS=0時的導電溝道時的導電溝道 （2）當）當UGS0時，兩個時，兩個PN結反向結反向偏置，偏置，PN結的耗盡層變寬，中間的結的耗盡層變寬，中間的N型導電溝道相應變窄，溝道導通型導電溝道相應變窄，溝道導通電阻增大，如圖電阻增大，如圖3-10.2所示。所示。UDSUGSUDS=0UGS變化變化圖圖3-10.3 UGSUP時的導電溝道時的導電溝道 UDSUGS （3）當）當Uoff0時，可產(chǎn)生時，可產(chǎn)生漏極電流漏極電流ID。ID的大小將隨柵源電壓的大小將隨柵源電壓UGS

11、的的變化而變化，從而實現(xiàn)電壓對漏極電流的控變化而變化，從而實現(xiàn)電壓對漏極電流的控制作用。制作用。 UDS的存在，使得漏極附近的電位高，的存在，使得漏極附近的電位高，而源極附近的電位低，即沿而源極附近的電位低，即沿N型導電溝道從型導電溝道從漏極到源極形成一定的電位梯度，這樣靠近漏極到源極形成一定的電位梯度，這樣靠近漏極附近的漏極附近的PN結所加的反向偏置電壓大，結所加的反向偏置電壓大，耗盡層寬；靠近源極附近的耗盡層寬；靠近源極附近的PN結反偏電壓結反偏電壓小，耗盡層窄，導電溝道成為一個楔形，如小，耗盡層窄，導電溝道成為一個楔形，如圖圖3-10.4所示。所示。UDSUGS 為實現(xiàn)場效應管柵源電壓對

12、為實現(xiàn)場效應管柵源電壓對漏極電流的控制作用，結型場效漏極電流的控制作用，結型場效應管在工作時，柵極和源極之間應管在工作時，柵極和源極之間的的PN結必須反向偏置。結必須反向偏置。3.結型場效應管的特性曲線及主要參數(shù)結型場效應管的特性曲線及主要參數(shù)（1）輸出特性曲線）輸出特性曲線 輸出特性曲線是指柵源電壓輸出特性曲線是指柵源電壓UGS一一定時，漏極電流定時，漏極電流ID與漏源電壓與漏源電壓UDS之間之間的關系曲線，如圖的關系曲線，如圖3-11.1所示。所示。 圖3-11.1 N溝道結型場效應管的輸出特性曲線 （2）轉移特性曲線）轉移特性曲線 在場效應管的在場效應管的UDS一定時，一定時，ID與與U

13、GS之間的關系曲線稱為場效應管的之間的關系曲線稱為場效應管的轉移特性曲線，如圖轉移特性曲線，如圖3-11.2所示。它所示。它反映了場效應管柵源電壓對漏極電反映了場效應管柵源電壓對漏極電流的控制作用。流的控制作用。U UGSGS( (offoff) ) 當當UGS=0時，導電溝道電阻最小，時，導電溝道電阻最小，ID最大，稱此電流為場效應管的飽最大，稱此電流為場效應管的飽和漏極電流和漏極電流IDSS。 當當UGS=UGS(th)時，導電溝道被完時，導電溝道被完全夾斷，溝道電阻最大，此時全夾斷，溝道電阻最大，此時ID=0，稱稱UGS(th)為夾斷電壓。為夾斷電壓。各種場效應管的符號、電壓極性及特性曲

14、線各種場效應管的符號、電壓極性及特性曲線(P93)（3）主要參數(shù)）主要參數(shù) 夾斷電壓（夾斷電壓（UGS(th)） 飽和漏極電流飽和漏極電流IDSS 直流輸入電阻（直流輸入電阻（RGS）低頻跨導（低頻跨導（gm）最大耗散功率（最大耗散功率（PDM） 漏源擊穿電壓（漏源擊穿電壓（U（BR）DS） 柵源擊穿電壓（柵源擊穿電壓（U（BR）GS）場效應管的性能特點與選用：場效應管的性能特點與選用： （1）場效應管是）場效應管是電壓控制電壓控制器件，器件，輸入電阻很高輸入電阻很高，柵極基本不取電流，在只允許從信號源索取微弱信號柵極基本不取電流，在只允許從信號源索取微弱信號時選用場效應管。時選用場效應管。

15、（2）場效應管是多數(shù)載流子）場效應管是多數(shù)載流子導電導電，因為多子濃度，因為多子濃度主要主要取決于人為慘雜量取決于人為慘雜量，故受溫度、輻射等外界條件，故受溫度、輻射等外界條件的影響較小，因此在環(huán)境變化比較大的場合，選用之。的影響較小，因此在環(huán)境變化比較大的場合，選用之。 （3）場效應管的）場效應管的噪聲系數(shù)比較小噪聲系數(shù)比較小，所以低噪聲放，所以低噪聲放大器的前級選用場效應管。大器的前級選用場效應管。 （4）場效應管的）場效應管的漏、源極可互換漏、源極可互換，耗盡型，耗盡型MOS管管的柵極可正可負，應用靈活。的柵極可正可負，應用靈活。 （5）場效應管也）場效應管也可做放大可做放大電路和可控電

16、路和可控開關開關，還可，還可做做壓控電阻壓控電阻。選用場效應管應注意的事項：選用場效應管應注意的事項：（1）選用場效應管時，不能超過其極限參數(shù)。）選用場效應管時，不能超過其極限參數(shù)。（2）結型場效應管的源極和漏極可以互換。）結型場效應管的源極和漏極可以互換。（3）MOS管有管有3個引腳個引腳時，表明襯底已經(jīng)與時，表明襯底已經(jīng)與源極連在一起，漏極和源極源極連在一起，漏極和源極不能互換不能互換；有；有4個引腳時，源極和漏極可以互換。個引腳時，源極和漏極可以互換。 （4）MOS管的輸入電阻高，容易造成因管的輸入電阻高，容易造成因感應電荷泄放不掉而使柵極擊穿永久失效。感應電荷泄放不掉而使柵極擊穿永久失

17、效。因此，在存放因此，在存放MOS管時，要將管時，要將3個電極引個電極引線短接；線短接；焊接時焊接時，電烙鐵的外殼要良好接電烙鐵的外殼要良好接地，地，并并按漏極、源極、柵極的順序進行焊按漏極、源極、柵極的順序進行焊接接，而，而拆卸時則按相反順序進行拆卸時則按相反順序進行；測試時，；測試時，測量儀器和電路本身都要良好接地，要先測量儀器和電路本身都要良好接地，要先接好電路再去除電極之間的短接。測試結接好電路再去除電極之間的短接。測試結束后，要先短接電極再撤除儀器。束后，要先短接電極再撤除儀器。（5）電源沒有關時，絕對不能把場效應管直）電源沒有關時，絕對不能把場效應管直接插入到電路板中或從電路板中拔

18、出來。接插入到電路板中或從電路板中拔出來。（6）相同溝道的結型場效應管和耗盡型）相同溝道的結型場效應管和耗盡型MOS場效應管，在相同電路中可以通用。場效應管，在相同電路中可以通用。3.2 場效應管放大電路場效應管放大電路 場效應管同三極管一樣，具有放大場效應管同三極管一樣，具有放大作用。它也可以構成各種組態(tài)的放大電作用。它也可以構成各種組態(tài)的放大電路，共源極、共漏極、共柵極放大電路。路，共源極、共漏極、共柵極放大電路。場效應管由于具有輸入阻抗高、溫度穩(wěn)場效應管由于具有輸入阻抗高、溫度穩(wěn)定性能好、低噪聲、低功耗等特點，其定性能好、低噪聲、低功耗等特點，其所構成的放大電路有著獨特的優(yōu)點，應所構成的

19、放大電路有著獨特的優(yōu)點，應用越來越廣泛。用越來越廣泛。3.1.1 場效應管放大電路的構成場效應管放大電路的構成 場效應管是一個電壓控制器件，在場效應管是一個電壓控制器件，在構成放大電路時，為了實現(xiàn)信號不失真構成放大電路時，為了實現(xiàn)信號不失真的放大，的放大，同三極管放大電路一樣同三極管放大電路一樣也要有也要有一個合適的一個合適的靜態(tài)工作點靜態(tài)工作點Q，但它不需要，但它不需要偏置電流，而是需要一個偏置電流，而是需要一個合適的柵源極合適的柵源極偏置電壓偏置電壓UGS。場效應管放大電路常用。場效應管放大電路常用的偏置電路主要有兩種：自偏壓電路和的偏置電路主要有兩種：自偏壓電路和分壓式自偏壓電路。分壓式

20、自偏壓電路。1.自偏壓電路自偏壓電路 圖圖3-13所示為所示為N溝道結型場效應管自溝道結型場效應管自偏壓放大電路。偏壓放大電路。 柵源偏置電壓柵源偏置電壓UGS=UGUS=IDRS。 圖圖3-13 自偏壓電路自偏壓電路 2.分壓式自偏壓電路分壓式自偏壓電路 圖圖3-14所示為所示為N溝道結型場效應溝道結型場效應管分壓式自偏壓放大電路。管分壓式自偏壓放大電路。 圖圖3-14 分壓式自偏壓電路分壓式自偏壓電路 3.1.2 場效應管放大電路的分析場效應管放大電路的分析 場效應管放大電路同三極管電路的分場效應管放大電路同三極管電路的分析方法類似。析方法類似。1.場效應管微變等效電路場效應管微變等效電路 場效應管的柵極和源極之間電阻很大，場效應管的柵極和源極之間電阻很大，電壓為電壓為ugs，電流近似為，電流近似為0，可視為開路。，可視為開路。漏極和源極之間等效為一個受電壓漏極和源極之間等效為一個受電壓ugs控控制的電流源。圖制的電流源。圖3-15所示為場效應管的所示為場效應管的微變等效電路微變等效電路。mUGSDguiDS),(DSGSDuufi dUDSDruiGS1DSDSDGSGSDDduuiduuidi跨導跨導輸出電阻輸出電阻2.自偏壓電路的動態(tài)分析自偏壓電路的動態(tài)分析 圖圖3-16所示為圖所示為圖3-13自偏壓電路自偏壓電路的微變等效電路，由此可求電路的的微變等效電