場效應(yīng)管及基本放大電路改

1、場效應(yīng)管及基本放大電路改第1頁，共38頁，2022年，5月20日，11點35分，星期二第五章教學(xué)要求重點與難點1、了解場效應(yīng)管（FET）的結(jié)構(gòu)及工作原理，掌握其外特性，在實際應(yīng)用中正確選擇FET的參數(shù)；2、掌握FET基本放大電路的靜態(tài)工作點的設(shè)置，掌握共源和共漏基本放大電路的等效電路分析法； 3、掌握FET與BJT放大電路各自的特點及其應(yīng)用場合；4、了解FET放大電路的頻率響應(yīng)。重點：FET的外特性，靜態(tài)工作點的設(shè)置，共源和共漏放大電路的基本分析方法，F(xiàn)ET基本放大電路的特點及其應(yīng)用。難點： 絕緣柵型場效應(yīng)管的工作原理，頻率響應(yīng)。第2頁，共38頁，2022年，5月20日，11點35分，星期二本

2、次課教學(xué)要求1、了解結(jié)型場效應(yīng)管（JFET）的結(jié)構(gòu)及工作原理；2、了解絕緣柵型場效應(yīng)管（IGFET）的結(jié)構(gòu)及工作原理； 3、掌握FET的外特性及參數(shù)，在實際應(yīng)用中正確選擇FET；4、了解FET和BJT各自的特點。第3頁，共38頁，2022年，5月20日，11點35分，星期二第5章 場效應(yīng)管及其放大電路5.1 場效應(yīng)管（FET） 5.2 場效應(yīng)管基本放大電路第4頁，共38頁，2022年，5月20日，11點35分，星期二5.1 場效應(yīng)管（FET）5.1.1 結(jié)型場效應(yīng)管5.1.2 絕緣柵型場效應(yīng)管5.1.3 場效應(yīng)管的主要參數(shù)5.1.4 FET與BJT的比較第5頁，共38頁，2022年，5月20日

3、，11點35分，星期二BJT靠iB控制iC,發(fā)射結(jié)正偏，當(dāng)有Vi時必伴隨ib，在某些場合（如測某兩點的開路電壓）導(dǎo)致較大誤差，其原因是BJT的輸入電阻低。場效應(yīng)管的特點：（1）用電（場）壓效應(yīng)來控制電流的單極性器件。（2）輸入阻抗高（1091015 ） 。（3）噪聲低（柵流約為0）。第6頁，共38頁，2022年，5月20日，11點35分，星期二場效應(yīng)管的分類第7頁，共38頁，2022年，5月20日，11點35分，星期二5.1.1 結(jié)型場效應(yīng)管（JFET）結(jié)構(gòu)及符號 場效應(yīng)管有三個極：源極（s）、柵極（g）、漏極（d）。導(dǎo)電溝道源極柵極漏極符號結(jié)構(gòu)示意圖N溝道P溝道第8頁，共38頁，2022年，

4、5月20日，11點35分，星期二JFET結(jié)構(gòu)演示第9頁，共38頁，2022年，5月20日，11點35分，星期二1、結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理（1）柵-源電壓對導(dǎo)電溝道的影響溝道最寬溝道變窄溝道消失稱為夾斷 uGS可以控制導(dǎo)電溝道的寬度。為什么g-s必須加負(fù)電壓？UGS（off）第10頁，共38頁，2022年，5月20日，11點35分，星期二1、結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理（續(xù)）（2）漏-源電壓對導(dǎo)電溝道的影響uGSUGS（off）且不變，VDD增大，iD增大。預(yù)夾斷uGDUGS（off）VDD的增大，幾乎全部用來克服溝道的電阻，iD幾乎不變，進(jìn)入恒流區(qū)，iD幾乎僅僅決定于uGS。場效應(yīng)管工作在恒流區(qū)的條

5、件是什么？uGDUGS（off）uGDUGS（off）第11頁，共38頁，2022年，5月20日，11點35分，星期二JFET工作原理演示第12頁，共38頁，2022年，5月20日，11點35分，星期二2、結(jié)型場效應(yīng)管的特性曲線（1）轉(zhuǎn)移特性夾斷電壓漏極飽和電流場效應(yīng)管工作在恒流區(qū)，因而uGSUGS（off）且uDSUGS（off）。 為什么必須用轉(zhuǎn)移特性描述uGS對iD的控制作用？第13頁，共38頁，2022年，5月20日，11點35分，星期二2、結(jié)型場效應(yīng)管的特性曲線（續(xù)）（2）輸出特性g-s電壓控制d-s的等效電阻預(yù)夾斷軌跡，uGDUGS（off）可變電阻區(qū)恒流區(qū)iD幾乎僅決定于uGS擊

6、穿區(qū)夾斷區(qū)（截止區(qū)）夾斷電壓IDSSiD 不同型號的管子UGS（off）、IDSS將不同。低頻跨導(dǎo)：第14頁，共38頁，2022年，5月20日，11點35分，星期二JFET小結(jié)綜上分析可知 溝道中只有一種類型的多數(shù)載流子參與導(dǎo)電， 所以場效應(yīng)管也稱為單極型三極管。JFET是電壓控制電流器件，iD受uGS控制預(yù)夾斷前iD與uDS呈近似線性關(guān)系；預(yù)夾斷后， iD趨于飽和。# 為什么JFET的輸入電阻比BJT高得多？ JFET柵極與溝道間的PN結(jié)是反向偏置的，因 此iG0，輸入電阻很高。第15頁，共38頁，2022年，5月20日，11點35分，星期二5.1.2 絕緣柵場效應(yīng)管（IGFET）分類： 增

7、強型 N溝道、P溝道 耗盡型 N溝道、P溝道結(jié)構(gòu) 3個電極：漏極D，源極S，柵極G1個襯底引腳（B）。符號：N溝道增強型管P溝道增強型管第16頁，共38頁，2022年，5月20日，11點35分，星期二5.1.2 絕緣柵型場效應(yīng)管（IGFET）導(dǎo)電溝道的形成SiO2絕緣層襯底耗盡層空穴高摻雜反型層大到一定值才開啟( Metal Oxide Semiconductor FET) MOSFET。通常稱為MOS管 uGS增大，反型層（導(dǎo)電溝道）將變厚變長。當(dāng)反型層將兩個N區(qū)相接時，形成導(dǎo)電溝道。第17頁，共38頁，2022年，5月20日，11點35分，星期二N溝道增強型MOS管結(jié)構(gòu)演示第18頁，共38

8、頁，2022年，5月20日，11點35分，星期二1、絕緣柵型場效應(yīng)管的工作原理（1）柵-源電壓對導(dǎo)電溝道的影響 當(dāng)uGS0V時縱向電場將靠近柵極下方的空穴向下排斥耗盡層。 當(dāng)uGS=0V時，漏源之間相當(dāng)于兩個背靠背的 二極管，在d、s之間加上電壓也不會形成電流，即管子截止。 再增加uGS縱向電場將P區(qū)少子電子聚集到P區(qū)表面形成導(dǎo)電溝道，如果此時加有漏源電壓，就可以形成漏極電流id。第19頁，共38頁，2022年，5月20日，11點35分，星期二柵源電壓uGS對溝道的影響演示第20頁，共38頁，2022年，5月20日，11點35分，星期二1、絕緣柵型場效應(yīng)管的工作原理（續(xù)）（2）漏-源電壓對導(dǎo)電

9、溝道的影響 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溝道增強型MOS管工作在恒流區(qū)的條件是什么？ iD隨uDS的增大而增大，可變電阻區(qū) uGDUGS（th）,預(yù)夾斷 iD幾乎僅僅受控于uGS，恒流區(qū)剛出現(xiàn)夾斷uDS的增大幾乎全部用來克服夾斷區(qū)的電阻第21頁，共38頁，2022年，5月20日，11點35分，星期二漏源電壓uDS對溝道的影響演示第22頁，共38頁，2022年，5月20日，11點35分，星期二增強型NMOS管工作原理動畫演示第23頁，共38頁，2022年，5月20日，11點35分，星期二2、絕緣柵型場效應(yīng)管的特性曲線 可根據(jù)輸出特性曲線作出轉(zhuǎn)移特性曲線。例：作uDS=10V的一

10、條轉(zhuǎn)移特性曲線：UGS（th）輸出特性曲線iD=f(uDS)uGS=const轉(zhuǎn)移特性曲線iD=f(uGS)uDS=const第24頁，共38頁，2022年，5月20日，11點35分，星期二輸出特性（續(xù)） 截止區(qū)當(dāng)vGSUGS(th)時，導(dǎo)電溝道尚未形成，iD0，為截止工作狀態(tài)。第25頁，共38頁，2022年，5月20日，11點35分，星期二輸出特性（續(xù)） 可變電阻區(qū)vDS（vGSVT）由于vDS較小，可近似為rdso是一個受vGS控制的可變電阻 第26頁，共38頁，2022年，5月20日，11點35分，星期二n ：反型層中電子遷移率Cox ：柵極（與襯底間）氧化層單位面積電容本征電導(dǎo)因子其中

11、Kn為電導(dǎo)常數(shù)，單位：mA/V2第27頁，共38頁，2022年，5月20日，11點35分，星期二3、N溝道耗盡型MOSFET特點：與JFET相似 當(dāng)uGS=0時，就有溝道，加入uDS，就有iD。 當(dāng)uGS0時，溝道增寬，iD進(jìn)一步增加。 當(dāng)uGS0時，溝道變窄，iD減小。不同點：柵壓可正可負(fù) 夾斷電壓（ UGS（off） ）溝道剛剛消失所需的柵源電壓UGS。 結(jié)構(gòu)：在柵極下方的SiO2層中摻入了大量的金屬正離子。所以當(dāng)uGS=0時，這些正離子已經(jīng)感應(yīng)出反型層，形成了溝道。第28頁，共38頁，2022年，5月20日，11點35分，星期二增強型與耗盡型MOSFET比較1)增強型MOS管2)耗盡型M

12、OS管開啟電壓夾斷電壓第29頁，共38頁，2022年，5月20日，11點35分，星期二4、P溝道MOSFET P溝道MOSFET的工作原理與N溝道 MOSFET完全相同，只不過導(dǎo)電的載流子不同，供電電壓極性不同而已。這如同雙極型三極管有NPN型和PNP型一樣。第30頁，共38頁，2022年，5月20日，11點35分，星期二各類FET特性曲線比較 類型符號和極性轉(zhuǎn)移特性輸出特性uGSOIDSSiDUPuGSOIDSSiDUPi uDSOuGS0 V1 VD2 V3 VuGSUP4 VuDSOuGS0 V1 ViD2 V3 VuGSUP4 VuDSOuGS5 ViD3 VuGSUT2 V4 VuG

13、SiDOUTGSD+iD+GSD+iD+GSD+iD+BJFETP溝道JFETN溝道增強型N MOS第31頁，共38頁，2022年，5月20日，11點35分，星期二uGSOiDUPIDSSiDOUTuGSuGSOIDSSiDUPuDSOuGS0 ViD2 VuGSUP4 V2 ViD5 VuGSUT3 VO uDS4 VuGS6 V iD2 VuGSUP4 VO uDS2 VuGS0 VGSD+iDB+GSD+iD+BGSD+iDB+耗盡型N MOS增強型P MOS耗盡型P MOS圖（續(xù)）第32頁，共38頁，2022年，5月20日，11點35分，星期二5.1.3 場效應(yīng)管的主要參數(shù) （P137

14、）1直流參數(shù) (1) 夾斷電壓UGS(off) (3) 飽和漏極電流 (2) 開啟電壓UGS(th)(4) 直流輸入電阻RGS柵源間的等效電阻。由于MOS管柵源間有SiO2絕緣層，輸入電阻可達(dá)1091015 。 對于結(jié)型場效應(yīng)三極管，反偏時RGS約為106 109 。第33頁，共38頁，2022年，5月20日，11點35分，星期二5.1.3 場效應(yīng)管的主要參數(shù) （續(xù)）2交流參數(shù)(1) 跨導(dǎo)gm 也稱為互導(dǎo)。其定義為(2) 極間電容柵源電容Cgs柵漏電容Cgd漏源電容Cds第34頁，共38頁，2022年，5月20日，11點35分，星期二gm的計算當(dāng)管子工作在放大區(qū)時得管子的跨導(dǎo)由可見，gm與ID

15、Q有關(guān)。IDQ越大，gm也就越大。 同理，對于增強型FET，有第35頁，共38頁，2022年，5月20日，11點35分，星期二5.1.3 場效應(yīng)管的主要參數(shù) （續(xù)）3. 極限參數(shù)漏極最大允許耗散功率 PDSM =uDSiD該值受管子最高工作溫度的限制。 (2) 最大漏極電流IDM 管子正常工作時漏極電流允許的上限值。 (3) 柵源擊穿電壓U（BR）GS是指柵源間反向電流開始急劇上升時的UGS值。漏源擊穿電壓U（BR）DS是指發(fā)生雪崩擊穿、iD開始急劇上升時的UDS值。第36頁，共38頁，2022年，5月20日，11點35分，星期二5.1.4 FET的特點及使用注意事項2、使用注意事項 (1)外加電壓極性： N溝道 ：U