模擬電子技術(shù)第3章第二部分

第三章場(chǎng)效應(yīng)管放大器絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管

3.2場(chǎng)效應(yīng)管放大電路效應(yīng)管放大器的靜態(tài)偏置效應(yīng)管放大器的交流小信號(hào)模型效應(yīng)管放大電路3.1場(chǎng)效應(yīng)管只有一種載流子參與導(dǎo)電，且利用電場(chǎng)效應(yīng)來(lái)控制電流的三極管，稱(chēng)為場(chǎng)效應(yīng)管，也稱(chēng)單極型三極管。場(chǎng)效應(yīng)管分類(lèi)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管特點(diǎn)單極型器件(一種載流子導(dǎo)電)；

輸入電阻高(1071015)；工藝簡(jiǎn)單、易集成、功耗小、體積小、成本低。3.1場(chǎng)效應(yīng)管增強(qiáng)型耗盡型1、結(jié)構(gòu)和符號(hào)一、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（N溝道為例）

場(chǎng)效應(yīng)管有三個(gè)極：源極（s）、柵極（g）、漏極（d），對(duì)應(yīng)于晶體管的發(fā)射極e、基極b、集電極c。導(dǎo)電溝道源極柵極漏極符號(hào)結(jié)構(gòu)示意圖N溝道1)柵-源電壓uGS對(duì)導(dǎo)電溝道寬度的控制作用溝道最寬溝道變窄溝道消失稱(chēng)為夾斷

當(dāng)uDS=0，uGS可以控制導(dǎo)電溝道的寬度。2、工作原理

當(dāng)溝道消失時(shí)，uGS=UGS（off）稱(chēng)為夾斷電壓2)漏-源電壓UDS對(duì)漏極電流ID的影響

當(dāng)UGS（off）<uGS<0時(shí)，uDS對(duì)漏極電流的影響。溝道為楔型，電流增大預(yù)夾斷，電流趨于飽和電流達(dá)到飽和uGD＝UGS（off）（可變電阻區(qū)）（恒流區(qū)）場(chǎng)效應(yīng)管工作在恒流區(qū)的條件是什么？管子工作在恒流區(qū)，滿足uGS＞UGS（off）且uGD＜UGS（off）g-s電壓控制d-s間等效電阻1)輸出特性預(yù)夾斷軌跡，uGD＝UGS（off）可變電阻區(qū)恒流區(qū)iD幾乎僅決定于uGS擊穿區(qū)夾斷區(qū)（截止區(qū)）夾斷電壓UGS（off）

有三個(gè)工作區(qū)域：截止區(qū)(夾斷區(qū))、恒流區(qū)、可變電阻區(qū)，類(lèi)似于晶體管的截止區(qū)、放大區(qū)、飽和區(qū)。IDSS

3、特性曲線漏極飽和電流ΔiD低頻跨導(dǎo)gm：用來(lái)描述動(dòng)態(tài)的柵-源電壓uGS對(duì)漏極電流iD的控制作用（恒流區(qū)）ΔuGS輸出特性2)轉(zhuǎn)移特性曲線：iD=f（uGS）│uDS=常量

可根據(jù)輸出特性曲線作出移特性曲線。例：作uDS=10V的一條轉(zhuǎn)移特性曲線：漏極飽和電流夾斷電壓

恒流區(qū)中iD的表達(dá)式為：

不同型號(hào)的管子UGS（off）、IDSS將不同。

由金屬、氧化物和半導(dǎo)體制成，稱(chēng)為金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管，或簡(jiǎn)稱(chēng)MOS管。特點(diǎn)：輸入電阻可達(dá)109以上，用于大規(guī)模集成電路。類(lèi)型N溝道P溝道增強(qiáng)型耗盡型增強(qiáng)型耗盡型UGS=0時(shí)漏源間存在導(dǎo)電溝道稱(chēng)耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管.UGS=0時(shí)漏源間不存在導(dǎo)電溝道稱(chēng)增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管.二、絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管1、增強(qiáng)型MOS管符號(hào)和結(jié)構(gòu)（N溝道為例）符號(hào)結(jié)構(gòu)示意圖uGS增大，反型層（導(dǎo)電溝道）將變厚變長(zhǎng)。當(dāng)反型層將兩個(gè)N區(qū)相接時(shí)，形成導(dǎo)電溝道。SiO2絕緣層耗盡層反型層uGS＝UGS（th）溝道開(kāi)啟金屬層iD隨uDS的增大而增大uGD＝UGS（th）iD幾乎僅僅受控于uGS當(dāng)uGS>

UGS(th)時(shí)，漏源電壓uDS

對(duì)iD的影響(可變電阻區(qū))(恒流區(qū))N溝道增強(qiáng)型MOS管工作在恒流區(qū)的條件是什么？預(yù)夾斷，電流趨于飽和管子工作在恒流區(qū)，滿足uGS＞UGS（th）且uGD＜UGS（th）2、耗盡型MOS管符號(hào)和結(jié)構(gòu)（N溝道為例）符號(hào)結(jié)構(gòu)示意圖加正離子uGS=0時(shí)就存在導(dǎo)電溝道

耗盡型MOS管在

uGS＞0、uGS＜0、uGS＝0時(shí)均可導(dǎo)通，且由于SiO2絕緣層的存在，在uGS＞0時(shí)仍保持g-s間電阻非常大的特點(diǎn)。uGS＝UGS（off）<0，溝道夾斷3、MOS管的特性曲線N溝道增強(qiáng)型MOS管在恒流區(qū)時(shí)iD表達(dá)式：式中，IDO為uGS=2UGS(th)時(shí)的iD開(kāi)啟電壓夾斷電壓

耗盡型MOS管與結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性方程相類(lèi)似。N溝道耗盡型MOS管種類(lèi)符號(hào)轉(zhuǎn)移特性漏極特性

結(jié)型N溝道耗盡型

結(jié)型P溝道耗盡型

絕緣柵型

N溝道增強(qiáng)型SGDSGDIDUGS=0V+UDS++oSGDBUGSIDOUGS(th)表1.4.13各類(lèi)場(chǎng)效應(yīng)管的符號(hào)和特性曲線+UGS=UGS(th)UDSID+++OIDUGS=0V---UDSOUGSIDUGS(off)IDSSOUGSID/mAUGS(off)IDSSO種類(lèi)符號(hào)轉(zhuǎn)移特性漏極特性絕緣柵型N溝道耗盡型絕緣柵型P溝道增強(qiáng)型耗盡型IDSGDBUDSID_UGS=0+__OIDUGSUGS(off)IDSSOSGDBIDSGDBIDIDUGSUGS(th)OIDUGSUGS(off)IDSSO_IDUGS=UGS(th)UDS_o_UGS=0V+_IDUDSo+一、直流參數(shù)1.開(kāi)啟電壓UGS(th)2.夾斷電壓UGS(off)3.飽和漏極電流

IDSS4.直流輸入電阻RGS為結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管和耗盡型MOS管的一個(gè)重要參數(shù)。為耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管的一個(gè)重要參數(shù)。為增強(qiáng)型MOS管的一個(gè)重要參數(shù)。輸入電阻很高。結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管一般在107以上，

MOS管更高，一般大于109。三、場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)二、交流參數(shù)1.低頻跨導(dǎo)gm2.極間電容

用以描述柵源之間的電壓uGS

對(duì)漏極電流iD

的控制作用。單位：iD毫安(mA)；uGS

伏(V)；gm毫西門(mén)子(mS)

這是場(chǎng)效應(yīng)管三個(gè)電極之間的等效電容，包括CGS、CGD、CDS。

極間電容愈小，則管子的高頻性能愈好。一般為幾個(gè)皮法。三、極限參數(shù)1.最大漏極電流IDM2.漏源擊穿電壓U(BR)DS3.柵源擊穿電壓U(BR)GS

漏極電流的上限值當(dāng)漏極電流ID急劇上升產(chǎn)生雪崩擊穿時(shí)的UDS。

場(chǎng)效應(yīng)管工作時(shí)，若UGS>U(BR)GS

，PN結(jié)將被擊穿。4.最大耗散功率PDM

由場(chǎng)效應(yīng)管允許的溫升決定。漏極耗散功率轉(zhuǎn)化為熱能使管子的溫度升高。1.N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管：截止區(qū)（夾斷區(qū)）：uGS<UGS(off)<0恒流區(qū)：UGS(off)

<uGS<0，并且uGD<UGS(off)

四、場(chǎng)效應(yīng)管的工作區(qū)域判斷可變電阻區(qū)：UGS(off)

<uGS<0，并且uGD>UGS(off)

2.N溝道增強(qiáng)型MOS管：截止區(qū)：uGS<UGS(th),并且UGS(th)>0恒流區(qū)：uGS>UGS(th)

，并且uGD<UGS(th)

可變電阻區(qū)：uGS>UGS(th)

，并且uGD>UGS(th)

注：耗盡型MOS管與結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管相類(lèi)似。3.P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管：截止區(qū)（夾斷區(qū)）：uGS>UGS(off)>0恒流區(qū)：0<uGS<

UGS(off)

，并且uGD>UGS(off)

可變電阻區(qū)：0<uGS<UGS(off)

，并且uGD<UGS(off)

4.P溝道增強(qiáng)型MOS管：截止區(qū)：uGS>UGS(th),并且UGS(th)<0恒流區(qū)：uGS<

UGS(th)

，并且uGD>UGS(th)

可變電阻區(qū)：uGS<UGS(th)

，并且uGD<UGS(th)

注：耗盡型MOS管與結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管相類(lèi)似。判斷下列N溝道場(chǎng)效應(yīng)管的管型和工作狀態(tài)。T1為N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，工作在截止區(qū)。管號(hào)UGS(off)或UGS(th)USUGUD結(jié)型T1-33-110MOST24-23-1.2MOST3-30010T2為增強(qiáng)型N溝道MOS管，工作在可變電阻區(qū)。T3為耗盡型N溝道MOS管，工作在恒流區(qū)。例：已知場(chǎng)效應(yīng)管的輸出特性曲線如圖,分析當(dāng)uI＝4V、8V、12V三種情況下場(chǎng)效應(yīng)管分別工作在什么區(qū)域。解：由T的輸出特性可知其開(kāi)啟電壓為5V，圖示電路uGS＝uI。

當(dāng)uI＝4V時(shí)，uGS小于開(kāi)啟電壓，故T截止。

當(dāng)uI＝8V時(shí)，設(shè)T工作在恒流區(qū)，由輸出特性得iD≈0.6mA，管壓降uDS≈VCC－iDRd≈10VuGD＝uGS－uDS≈－2V小于開(kāi)啟電壓，假設(shè)成立

當(dāng)uI＝12V時(shí)，假設(shè)T工作在恒流區(qū)，由iD≈3.8mA得：

即T工作在恒流區(qū)。

uDS≈-0.54V，uGD≈12.54V大于開(kāi)啟電壓，T工作在可變電阻區(qū)。五.雙極型和場(chǎng)效應(yīng)型三極管的比較雙極型三極管

單極型場(chǎng)效應(yīng)管載流子多子擴(kuò)散少子漂移

多子漂移輸入量電流輸入電壓輸入控制電流控制電流源電壓控制電流源輸入電阻幾十到幾千歐幾兆歐以上噪聲較大較小靜電影響不受靜電影響易受靜電影響制造工藝不宜大規(guī)模集成適宜大規(guī)模和超大規(guī)模集成

共E共S3.2.場(chǎng)效應(yīng)管放大電路（結(jié)型N溝道）+++——gTRdRgC1C2uouiVDDdVGGs++——bTRcRbC1C2uouicVBBe+CCV一.場(chǎng)效應(yīng)管放大器的直流偏置電路

保證管子工作在飽和區(qū)，輸出信號(hào)不失真1.自偏壓電路UGS=-IDR

注意：該電路產(chǎn)生負(fù)的柵源電壓，所以只能用于需要負(fù)柵源電壓的電路。計(jì)算Q點(diǎn)：UGS、ID、UDS已知UP，由UGS=-IDR可解出Q點(diǎn)的UGS、IDUDS=VDD-ID(Rd+R)再求：ID

2.分壓式自偏壓電路可解出Q點(diǎn)的UGS、ID

計(jì)算Q點(diǎn)：已知UP，由該電路產(chǎn)生的柵源電壓可正可負(fù)，所以適用于所有的場(chǎng)效應(yīng)管電路。UDS=VDD-ID(Rd+R)再求：

如果輸入信號(hào)很小，場(chǎng)效應(yīng)管工作在線性放大區(qū)（即輸出特性中的恒流區(qū)）時(shí)，與三極管一樣，可用小信號(hào)模型法進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。將場(chǎng)效應(yīng)管看成一個(gè)兩端口網(wǎng)絡(luò)，柵極與源極之間視為輸入端口，漏極與源極之間視為輸出端口。以N溝道耗盡型MOS管為例，可認(rèn)為柵極電流為零，柵-源之間只有電壓存在。漏極電流iD是柵源電壓uGS和漏源電壓uDS的函數(shù)iD=f(uGS,uDS)二.

場(chǎng)效應(yīng)管的交流小信號(hào)模型

對(duì)上式求iD的全微分可得式中iD=f(uGS,uDS)從場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線可知，當(dāng)小信號(hào)作用時(shí)，管子的電壓、電流在Q點(diǎn)附近變化，因此可認(rèn)為在Q點(diǎn)附近的特性是線性的，則gm和rds近似為常數(shù)。用正弦相量 取代變化量diD、duGS、duDS，上式可寫(xiě)成：由此可構(gòu)造出場(chǎng)效應(yīng)管的小信號(hào)模型。圖中柵-源之間只有一個(gè)柵源電壓，沒(méi)有柵極電流；漏-源之間是一個(gè)受電壓控制的電流源和電阻rds相并聯(lián)。場(chǎng)效應(yīng)管的小信號(hào)模型(a)N溝道耗盡型MOSFET；(b)小信號(hào)模型

由轉(zhuǎn)移特性可知，gm是UDS=UDSQ那條轉(zhuǎn)移特性曲線上以Q點(diǎn)為切點(diǎn)的切線斜率。在小信號(hào)作用時(shí)，可用切線來(lái)等效Q點(diǎn)附近的曲線，由于gm是輸出電流與輸入電壓的比值，故稱(chēng)為跨導(dǎo)，其單位為西門(mén)子（S），一般gm數(shù)值約為0.1~20mS。從輸出特性可知，rds是UGS=UGSQ那條輸出特性曲線上Q點(diǎn)處斜率的倒數(shù)，它表示曲線的上翹程度，rds越大，曲線越平。通常rds在幾十千歐