模電場(chǎng)效應(yīng)管放大電路

5場(chǎng)效應(yīng)管放大電路5.1場(chǎng)效應(yīng)管5.1場(chǎng)效應(yīng)管5.1.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管5.1.2絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管5.1.3場(chǎng)效應(yīng)管的參數(shù)和型號(hào)重、難點(diǎn)：場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理、特性曲線及參數(shù)概述場(chǎng)效應(yīng)管（FET,FieldEffectTransistor）是一種利用電場(chǎng)效應(yīng)來(lái)控制其電流大小的半導(dǎo)體器件。由于FET主要利用一種載流子（多子）導(dǎo)電，因此屬于單極型晶體管。特點(diǎn)：體積小、重量輕、耗電省、壽命長(zhǎng)輸入阻抗高（108～109Ω）噪聲低，熱穩(wěn)定性好抗輻射能力強(qiáng)，制造工藝簡(jiǎn)單沒(méi)有二次擊穿現(xiàn)象，安全工作區(qū)域?qū)捹N片和小型封裝場(chǎng)效應(yīng)管TO220及類似封裝場(chǎng)效應(yīng)管TO247及類似封裝場(chǎng)效應(yīng)管部分場(chǎng)效應(yīng)管外形圖片部分場(chǎng)效應(yīng)管外形圖片金屬封裝及軍品級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管特種封裝場(chǎng)效應(yīng)管（絕緣底板模塊封裝）結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管JunctiontypeFET絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管InsulatedGateFETN溝道JFETP溝道JFET金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）其它（PMOS、NMOS、VMOS型FET等）

N溝道P溝道增強(qiáng)型增強(qiáng)型耗盡型耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管(FET,FieldEffectTransistor)

根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可分類如下：§5.1.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管1.結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)dsgd漏極g柵極P+P+N耗盡層s源極GateDrainSourceJFET(JunctionTypeFET)體內(nèi)場(chǎng)效應(yīng)器件N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)N型溝道d漏極g柵極N+N+P耗盡層s源極P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)和符號(hào)dsg§5.1.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(JFET)1.結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)BJT和FET電極的類比BJTFET基極b（base）柵極g(Gate)集電極c(collector)漏極d(Drain)發(fā)射極e(emitter)源極s(Source)BJT放大電路組態(tài)共基極(common-base)共集電極(common-collector)共發(fā)射極(common-emitter)FET放大電路組態(tài)共柵極(common-gate)共漏極(common-drain)共源極(common-source)§5.1.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(JFET)1.結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理（1）柵源電壓VGS對(duì)溝道的控制作用（2）漏源電壓VDS對(duì)溝道的控制作用N溝道JFET工作時(shí)，需要在柵-源極間加一負(fù)電壓vGS，使PN結(jié)反偏，柵極電流iG≈0，場(chǎng)效應(yīng)管呈現(xiàn)很高的輸入電阻(rGS高達(dá)108Ω左右)。在漏-源極間加一正電壓vDS，使N溝道中的多子電子在電場(chǎng)作用下由源極向漏極作漂移運(yùn)動(dòng)，形成漏極電流iD。iD的大小主要受柵-源電壓vGS控制，同時(shí)也受漏-源電壓vDS的影響。①柵源電壓VGS對(duì)iD的控制作用當(dāng)VGS＜0時(shí)，PN結(jié)反偏，耗盡層變厚，溝道變窄，溝道電阻變大，ID減??；VGS更負(fù)，溝道更窄，ID更??；直至溝道被耗盡層全部覆蓋，溝道被夾斷，

ID≈0。這時(shí)所對(duì)應(yīng)的柵源電壓VGS稱為夾斷電壓VP②漏源電壓VDS對(duì)iD的影響在柵源間加電壓VGS＞VP，漏源間加電壓VDS。則因漏端耗盡層所受的反偏電壓為比源端耗盡層所受的反偏電壓VGS大，使靠近漏端的耗盡層比源端厚，溝道比源端窄，使溝道呈楔形。隨VDS增大，這種不均勻性更明顯。當(dāng)VDS增加到使VGD=VGS-VDS=VP時(shí)，在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷點(diǎn)當(dāng)VDS繼續(xù)增加時(shí)，預(yù)夾斷點(diǎn)向源極方向伸長(zhǎng)為預(yù)夾斷區(qū)。由于預(yù)夾斷區(qū)電阻很大，使主要VDS降落在該區(qū)，由此產(chǎn)生的強(qiáng)電場(chǎng)力能把未夾斷區(qū)漂移到其邊界上的載流子都掃至漏極，形成漏極飽和電流

IDSS。預(yù)夾斷點(diǎn)夾斷區(qū)i543210－1－2－3－4vDS=12VvGS/VD/mAIDSSVP在VP≤vGS≤0的范圍內(nèi),漏極電流iD與柵極電壓vGS的關(guān)系為場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線分為轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線。轉(zhuǎn)移特性在vDS一定時(shí),漏極電流iD與柵源電壓vGS之間的關(guān)系稱為轉(zhuǎn)移特性。即3.結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線01234524681012141618iD/mAvDS/V夾斷區(qū)可變電阻區(qū)－4V－3V－2V－1V擊穿區(qū)恒流區(qū)(放大區(qū))vGS＝0V輸出特性是指柵源電壓vGS一定,漏極電流iD與漏源電壓vDS之間的關(guān)系,即2)輸出特性預(yù)夾斷點(diǎn)JFET特點(diǎn)小結(jié)：正常工作時(shí)，JFET柵極、溝道之間的PN結(jié)是反向偏置的。因此，其iG≈0，輸入電阻很高。JFET是電壓控制電流器件，iD受vGS的控制。預(yù)夾斷之前，iD與vDS呈近似線性關(guān)系；預(yù)夾斷后，iD趨于飽和。P溝道JFET工作時(shí)，其電源極性與N溝道JFET極性相反。結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管N溝道耗盡型P溝道耗盡型JFET特點(diǎn)小結(jié)：金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）N溝道P溝道增強(qiáng)型增強(qiáng)型耗盡型耗盡型vGS=0時(shí)，不存在導(dǎo)電溝道vGS=0時(shí)，存在導(dǎo)電溝道§5.1.2絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管中應(yīng)用最廣泛的是金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET

（Metal-Oxide-SemiconductortypeFET）表面場(chǎng)效應(yīng)器件

(a)N溝道結(jié)構(gòu)圖;(b)N溝道符號(hào);(c)P溝道符號(hào)1.N溝道增強(qiáng)型MOSFET（1）結(jié)構(gòu)(a）(b）(c）gdsgdssgdN＋N＋P型硅襯底襯底引線SiO2襯底襯底1.N溝道增強(qiáng)型MOSFET（2）工作原理MOSFET與JFET的工作原理類似，也是由柵源電壓vGS控制溝道的大小，從而改變溝道電阻，影響vDS和iD之間的關(guān)系。增強(qiáng)型MOSFET與JFET不同在于，在vGS=0時(shí)，導(dǎo)電溝道是不存在的；只有當(dāng)|vGS|大于某一特定值時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)電溝道。gdN＋N＋P型硅襯底sUGGUDDiD

N溝道增強(qiáng)型MOS管工作原理vGS=0時(shí)，源區(qū)、襯底和漏區(qū)形成兩個(gè)背靠背的PN結(jié)，漏源之間不存在導(dǎo)電溝道。vGS>0時(shí)，柵極鋁層和P型襯底以SiO2為介質(zhì)形成平板電容。電場(chǎng)方向如圖。該電場(chǎng)吸引P型襯底少子（電子）在柵極附近的P型層表面形成一個(gè)N型薄層，稱之為反型層。也稱為感生溝道。當(dāng)vDS>VT（開(kāi)啟電壓）時(shí)，產(chǎn)生漏極電流iD。N+N+感生溝道

gdN＋N＋P型硅襯底sUGGUDDiD

N溝道增強(qiáng)型MOS管工作原理N+N+當(dāng)ID從DS流過(guò)溝道時(shí)，沿途會(huì)產(chǎn)生壓降，進(jìn)而導(dǎo)致沿著溝道長(zhǎng)度上柵極與溝道間的電壓分布不均勻，溝道呈楔形當(dāng)vDS大到一定值時(shí)，形成一個(gè)夾斷區(qū)，此時(shí)iD趨于飽和。若VDS進(jìn)一步增大，直至即VGS-VDS=VT時(shí)，漏端溝道消失，出現(xiàn)預(yù)夾斷點(diǎn)。預(yù)夾斷點(diǎn)夾斷區(qū)其中ID0是vGS=2VT時(shí)的iD值。

（3）特性曲線

（a）N溝道增強(qiáng)型MOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線在vGS≥VT時(shí),iD與vGS的關(guān)系可用下式表示:4321iD/mA02468vGS/VvDS＝10VVT＝3V012345iD/mA6V5V4V3V24681012141618vDS/VvGS=（b）N溝道增強(qiáng)型MOSFET的輸出特性曲線飽和區(qū)截止區(qū)恒流區(qū)擊穿區(qū)gds2.N溝道耗盡型MOSFETN溝道耗盡型MOSFET，由于絕緣層具有正離子，即使vGS=0，仍能形成N型導(dǎo)電溝道當(dāng)vGS>0時(shí)，導(dǎo)電溝道加寬，ID增加++++++++++當(dāng)vGS<0時(shí)，導(dǎo)電溝道變窄，ID減小隨著vGS的減小，ID進(jìn)一步減小，直至ID=0，對(duì)應(yīng)的VGS稱為夾斷電壓VP增強(qiáng)型MOS管特性小結(jié)絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管N溝道增強(qiáng)型P溝道增強(qiáng)型耗盡型MOSFET的特性曲線絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管

N溝道耗盡型P溝道耗盡型1.場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)（P21）

1）夾斷電壓VP或開(kāi)啟電壓VT2）飽和漏電流IDSS3）漏源擊穿電壓V（BR）DS4)柵源擊穿電壓V（BR）GS5）直流輸入電阻RGS6）最大漏極功耗PDM7）跨導(dǎo)gm5.1.3場(chǎng)效應(yīng)管的參數(shù)和型號(hào)5.1.3場(chǎng)效應(yīng)管的參數(shù)和型號(hào)2.場(chǎng)效應(yīng)三極管的型號(hào)命名方法第一種命名方法與雙極型三極管相同，第二位字母代表材料，D是P型硅，反型層是N溝道；C是N型硅P溝道。第三位字母J代表結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，O代表絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管。例如,3DJ6D是結(jié)型N溝道場(chǎng)效應(yīng)三極管，3DO6C是絕緣柵型N溝道場(chǎng)效應(yīng)三極管。第二種命名方法是CS××#，CS代表場(chǎng)效應(yīng)管，××以數(shù)字代表型號(hào)的序號(hào)，#用字母代表同一型號(hào)中的不同規(guī)格。例如CS14A、CS45G等?！?.2場(chǎng)效應(yīng)管放大電路

與三極管一樣,根據(jù)輸入、輸出回路公共端選擇不同,將場(chǎng)效應(yīng)管放大電路分成共源(common-source)、共漏(common-drain)和共柵(common-gate)三種組態(tài)。本節(jié)主要介紹常用的共源和共漏兩種放大電路。漏極電阻：將漏極電流轉(zhuǎn)換成漏極電壓，并影響放大倍數(shù)Au旁路電容：消除Rs對(duì)交流信號(hào)的衰減源極電阻：利用IDQ在其上的壓降為柵源極提供偏壓柵極電阻：將Rs壓降加至柵極d＋UDDR＋C2＋RsCsRgC1＋＋－ui＋－uo共源放大電路1.電路組成及直流偏置

由于柵極電阻上無(wú)直流電流,因而自偏置式共源放大電路gsd

Rg1，Rg2：柵極分壓電阻使柵極獲得合適的工作電壓柵極電阻：用來(lái)提高輸入電阻分壓偏置式共源放大電路Rd＋C2＋VDD－vo＋Rs＋CsRg1Rg3Rg2＋C1＋－vi1.場(chǎng)效應(yīng)管放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)gdsID

2.動(dòng)態(tài)分析

放大電路的動(dòng)態(tài)參數(shù)可由微變等效電路求出。1）場(chǎng)效應(yīng)管的微變等效電路

2）共源放大電路的微變等效電路3）求動(dòng)態(tài)參數(shù)：增益、輸入電阻、輸出電阻場(chǎng)效應(yīng)管的微變等效電路GSDrd=

VDS/

ID很大，可忽略。SGDrd場(chǎng)效應(yīng)管的微變等效電路壓控電流源SGD共源放大電路的微變等效電路Rg1Rg2Rg3Ri＋－Vi＋Vgs－ggmVgsRdRL＋－VoRodsRd＋C2＋VDD－vo＋Rs＋CsRg1Rg3Rg2＋C1＋－vi

（1）電壓放大倍數(shù):

（2）輸入電阻:

（3）輸出電阻:靜態(tài)分析無(wú)輸入信號(hào)時(shí)（ui=0），估算：UDS和ID。IDUDSR1=150kR2=50kRG=1MRD=10kRS=10kRL=10kgm=3mA/VUDD=20V例+UDD=+20VuoRSuiCSC2C1R1RDRGR2RL150K50K1M10K10KGDS10K設(shè)：UG>>UGS則：UGUS而：IG=0+UDD+20V所以：=直流通道IDUDSIGR1RDRGR2150K50K1M10KRS10KGDS動(dòng)態(tài)分析微變等效電路SGR2R1RGDRLRDUgsgmUgsUiUoId+UDD=+20VuoRSuiCSC2C1R1RDRGR2RL150K50K1M10K10KGDS10KSGD動(dòng)態(tài)分析：UgsUiUgsgmIdriroUoSGR2R1RGRLDRLRD電壓放大倍數(shù)負(fù)號(hào)表示輸出輸入反相電壓放大倍數(shù)估算=-3（10//10）=-15R’L=RD//RLR1=150kR2=50kRG=1MRD=10kRS=10kRL=10kgm=3mA/VUDD=20Vro=RD

=10K輸入電阻、輸出電阻=1+0.15//0.05=1.0375Mri=RG+R1//R2R1=150kR2=50kRG=1MRD=10kRS=10kRL=10kgm=3mA/VUDD=20VSGR2R1RGRLDRLRDriro共漏放大電路

共漏放大電路又稱源極輸出器。＋VDD＋C2RRg2C1＋＋－vi＋－voRg1＋VDD＋C2RRg2C1＋＋－vi＋－voRg1靜態(tài)分析gdsIDRg1Rg2＋－Vi＋Vgs－ggmVgsR＋－Vods動(dòng)態(tài)分析：(源極輸出器)uo+UDD+20VRSuiC1R1RGR2RL150K50K1M10KDSC2G10KR1=150kR2=50kRG=1MRS