場效應管()課件

(1-1)

第9章

場效應管放大電路

(1-2)場效應管與雙極型晶體管導電機理不同，它是完全多子導電，輸入阻抗高，溫度穩(wěn)定性好。電信設備多利用其良好的低噪聲特性，特別是高頻低噪聲前端。

§9.1場效應晶體管結型場效應管JFET絕緣柵型場效應管MOS場效應管有兩種:FieldEffectTransistor(1-3)N溝道P溝道增強型耗盡型N溝道P溝道N溝道P溝道（耗盡型）FET場效應管JFET結型MOSFET絕緣柵型(IGFET)場效應管分類：(1-5)NPPG(柵極)S源極D漏極N溝道結型場效應管DGSDGS(1-6)PNNG(柵極)S源極D漏極P溝道結型場效應管DGSDGS(1-7)PGSDUDSUGSNN2.工作原理（以P溝道為例）NNPN結反偏，UGS越大則耗盡區(qū)越寬，導電溝道越窄。UDS較小時(1-9)PGSDUDSUGSNNUDS較小時UGS達到一定值時（夾斷電壓VP）,耗盡區(qū)碰到一起，DS間被夾斷，漏極電流是ID=0。(1-10)PGSDUDSUGSUGS<Vp且UDS較大時UGD<VP時耗盡區(qū)的形狀NN越靠近漏端，PN結反壓越大(1-11)PGSDUDSUGSUGS<Vp且UDS較大時UGD<VP時耗盡區(qū)的形狀NN溝道中仍是電阻特性，但是非線性電阻。(1-13)GSDUDSUGSUGS<VpUGD=VP時NN此時，電流ID由未被夾斷區(qū)域中的載流子形成，基本不隨UDS的增加而增加，呈恒流特性。(1-14)（3）特性曲線UGS0IDIDSSVP飽和漏極電流夾斷電壓轉移特性曲線一定UDS下的ID-UGS曲線(1-15)予夾斷曲線IDUDS2VUGS=0V1V3V4V5V可變電阻區(qū)夾斷區(qū)恒流區(qū)輸出特性曲線0(1-17)輸出特性曲線IDUDS0UGS=0V-1V-3V-4V-5VN溝道結型場效應管的特性曲線-2v(1-18)

結型場效應管的缺點：1.柵源極間的電阻雖然可達107以上，但在某些場合仍嫌不夠高。3.柵源極間的PN結加正向電壓時，將出現(xiàn)較大的柵極電流。絕緣柵場效應管可以很好地解決這些問題。2.在高溫下，PN結的反向電流增大，柵源極間的電阻會顯著下降。(1-19)9.3金屬-氧化物-半導體場效應管

MOSFET

（1）結構和電路符號PNNGSDP型基底兩個N區(qū)SiO2絕緣層Metal-Oxide-SimiconductorFieldEffectTransistor(1-21)N溝道耗盡型PNNGSD予埋了導電溝道GSD(1-22)NPPGSDGSDP溝道增強型(1-23)P溝道耗盡型NPPGSDGSD予埋了導電溝道(1-25)PNNGSDUDSUGSUGS=0時D-S間相當于兩個反接的PN結ID=0對應截止區(qū)(1-26)PNNGSDUDSUGSUGS>0時UGS足夠大時（UGS>VT）感應出足夠多電子，這里以電子導電為主出現(xiàn)N型的導電溝道。感應出電子VT稱為閾值電壓(1-27)PNNGSDUDSUGSUGS較小時，導電溝道相當于電阻將D-S連接起來，UGS越大此電阻越小。(1-29)PNNGSDUDSUGSUDS增加，UGD=VT時，靠近D端的溝道被夾斷，稱為予夾斷。夾斷后ID呈恒流特性。ID(1-30)4321051015UGS

=5V6V4V3V2VID/mAUDS=10V增強型

MOS

管的特性曲線

0123飽和區(qū)擊穿區(qū)可變電阻區(qū)246UGS

/

VUGs(th)輸出特性轉移特性UDS/VID/mA

可變電阻區(qū)：UGS不變，ID與UDS成正比，漏源之間相當于一個可變電阻。(1-31)4321051015UGS

=5V6V4V3V2VID/mAUDS=10V增強型

NMOS

管的特性曲線

0123飽和區(qū)擊穿區(qū)可變電阻區(qū)246UGS

/

V3.特性曲線UGs(th)輸出特性轉移特性UDS/VID/mA(1-32)4321051015UGS

=5V6V4V3V2VID/mAUDS=10V增強型

NMOS

管的特性曲線

0123飽和區(qū)擊穿區(qū)可變電阻區(qū)246UGS

/

V3.特性曲線UGs(th)輸出特性轉移特性UDS/VID/mA擊穿區(qū)：UDS過大，ID急劇增加。(1-33)4321051015UGS

=5V6V4V3V2VID/mAUDS=10V增強型

NMOS

管的特性曲線

0123飽和區(qū)擊穿區(qū)可變電阻區(qū)246UGS

/

V3.特性曲線UGs(th)輸出特性轉移特性UDS/VID/mA轉移特性：

ID=f（

UGS）|

u=常數(shù)(1-34)（3）N溝道增強型MOS管的特性曲線轉移特性曲線0IDUGSVT(1-35)耗盡型N溝道MOS管的特性曲線耗盡型的MOS管UGS=0時就有導電溝道，加反向電壓才能夾斷。轉移特性曲線0IDUGSVT(1-36)輸出特性曲線UGS=0VUDS（V）ID（mA）01324UGS=+1VUGS=+2VUGS=-1VUGS=-2V夾斷電壓UP=-2V固定一個UDS，畫出ID和UGS的關系曲線，稱為轉移特性曲線

9.3.1場效應三極管的參數(shù)和型號

(1)場效應三極管的參數(shù)

①開啟電壓VGS(th)(或VT)

開啟電壓是MOS增強型管的參數(shù)，柵源電壓小于開啟電壓的絕對值,場效應管不能導通。

②夾斷電壓VGS(off)(或VP)

夾斷電壓是耗盡型FET的參數(shù)，當VGS=VGS(off)時,漏極電流為零。③飽和漏極電流IDSS

耗盡型場效應三極管,當VGS=0時所對應的漏極電流。(1-38)④輸入電阻RGS

場效應三極管的柵源輸入電阻的典型值，對于結型場效應三極管，反偏時RGS約大于107Ω，對于絕緣柵型場效應三極管,RGS約是109～1015Ω。

⑤低頻跨導gm

低頻跨導反映了柵壓對漏極電流的控制作用，這一點與電子管的控制作用相似。gm可以在轉移特性曲線上求取，單位是mS(毫西門子)。

(1-39)跨導gmUGS=0VUDS（V）ID（mA）01324UGS=+1VUGS=+2VUGS=-1VUGS=-2V=

ID/

UGS=（3-2）/（1-0）=1/1=1mA/V

UGS

ID9.3.2雙極型和場效應型三極管的比較

雙極型三極管

場效應三極管結構NPN型結型耗盡型N溝道P溝道

PNP型絕緣柵增強型N溝道P溝道絕緣柵耗盡型N溝道P溝道

C與E一般不可倒置使用D與S有的型號可倒置使用載流子多子擴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CCCS(β)電壓控制電流VCCS(gm)(1-41)

雙極型三極管

場效應三極管噪聲較大較小溫度特性受溫度影響較大較小，可有零溫度系數(shù)點輸入電阻幾十到幾千歐姆幾兆歐姆以上靜電影響不受靜電影響易受靜電影響集成工藝不易大規(guī)模集成適宜大規(guī)模和超大規(guī)模集成(1-42)

各種類型MOS管的符號及特性對比

給出各種N溝道和P溝道場效應管的符號。

給出各種場效應管的轉移特性和輸出特性。各種管子的輸出特性形狀是一樣的，只是控制電壓UGS不同。(1-43)

各種場效應管的符號對比(1-44)

各種場效應管的符號對比(1-45)

關于場效應管符號的說明：N溝道增強型MOS管，襯底箭頭向里。漏、襯底和源、分開，表示零柵壓時溝道不通。表示襯底在內部沒有與源極連接。N溝道耗盡型MOS管。漏、襯底和源不斷開表示零柵壓時溝道已經(jīng)連通。N溝道結型MOS管。沒有絕緣層。如果是P溝道，箭頭則向外。(1-46)

各種場效應管的轉移特性對比

轉移特性(1-47)各種場效應管的輸出特性對比輸出特性

9.3.3伏安特性曲線

場效應三極管的特性曲線類型比較多，根據(jù)導電溝道的不同，以及是增強型還是耗盡型可有四種轉移特性曲線和輸出特性曲線，其電壓和電流方向也有所不同。如果按統(tǒng)一規(guī)定正方向，特性曲線就要畫在不同的象限。為了便于繪制，將P溝道管子的正方向反過來設定。有關曲線繪于圖02.18之中。(1-49)

各類場效應三極管的特性曲線絕緣柵場效應管N溝道增強型P溝道增強型(1-50)絕緣柵場效應管

N溝道耗盡型P

溝道耗盡型(1-51)結型場效應管

N溝道耗盡型P溝道耗盡型(1-52)

9.3.4場效應管與晶體管的比較1.晶體管是流控元件,場效應管是壓控元件,柵極不取電流，但放大倍數(shù)較低。2.場效應管是多子導電，單極型，溫度穩(wěn)定性好。3.場效應管噪聲系數(shù)小。4.場效應管漏、源極可以互換。6.場效應管集成工藝簡單，耗電省，工作電源電壓范圍寬，應用更廣泛。(1-53)§9.4場效應管放大電路9.4.1電路的組成原則及分析方法(1).靜態(tài)：適當?shù)撵o態(tài)工作點，使FET工作在恒流區(qū)，場效應管的偏置電路相對簡單。(2).動態(tài):能為交流信號提供通路。組成原則靜態(tài)分析：估算法、圖解法。動態(tài)分析：微變等效電路法。分析方法(1-54)gsdSGDrDS很大，可忽略。FET小信號模型(1-55)

9.4.2共源組態(tài)基本放大電路9.4.3共漏組態(tài)基本放大電路9.4.4共柵組態(tài)基本放大電路9.4.5三種組態(tài)基本放大電路的比較(1-56)9.4.2共源組態(tài)基本放大電路

對于采用場效應三極管的共源基本放大電路，可以與共射組態(tài)接法的基本放大電路相對應，只不過場效應三極管是電壓控制電流源，即VCCS。共源組態(tài)的基本放大電路(a)采用結型場效應管(b)采用絕緣柵場效應管

共源組態(tài)接法基本放大電路

比較共源和共射放大電路，它們只是在偏置電路和受控源的類型上有所不同。只要將微變等效電路畫出，就是一個解電路的問題了。(1-57)(1)直流分析

將共源基本放大電路的直流通道畫出,如圖所示。

共源基本放大電路的直流通道

圖中Rg1、Rg2是柵極偏置電阻，Rs是源極電阻，Rd是漏極負載電阻。與共射基本放大電路的Rb1、Rb2，Re和Rc分別一一對應。而且只要結型場效應管柵源間PN結是反偏工作，無柵流，那么JFET和MOSFET的直流通道和交流通道是一樣的。

據(jù)圖可寫出下列方程

VG=

VGSQ=VG－VS=VG－IDQR

IDQ=IDSS[1－(VGSQ/VGS(off))]2

VDSQ=VDD－IDQ(Rd+R)

于是可以解出VGSQ、IDQ和VDSQ。(1-58)(b)微變等效電路(2)交流分析畫出圖a電路的微變等效電路，如圖b所示。

與雙極型三極管相比，輸入電阻無窮大，相當開路。VCCS的電流源還并聯(lián)了一個輸出電阻rds，在雙極型三極管的簡化模型中，因輸出電阻很大視為開路，在此可暫時保留。其它部分與雙極型三極管放大電路情況一樣。(a)(1-59)①電壓放大倍數(shù)

如果有信號源內阻RS時

=－gmR'LRi/(Ri+RS)

式中Ri是放大電路的輸入電阻。②輸入電阻

(1-60)③輸出電阻

為計算放大電路的輸出電阻，可按雙口網(wǎng)絡計算原則將放大電路畫成下圖的形式。

計算Ro的電路模型

將負載電阻RL開路，并想象在輸出端加一個電源,將輸入電壓信號源短路，但保留內阻。然后計算

，于是

(1-61)交流參數(shù)歸納如下①電壓放大倍數(shù)③輸出電阻②輸入電阻Ri=Rg1//Rg2

或

Ri=Rg+(Rg1//Rg2)

(1-62)

例:靜態(tài)分析和動態(tài)分析求UDS和ID。+UDD+20VuoRSuiCSC2C1R1RDRGR2RL150K50K1M10K10KGDS10K(1-63)設：UG>>UGS則：UGUS而：IG=0所以：+UDD+20VuoRSuiCSC2C1R1RDRGR2RL150K50K1M10K10KGDS10K(1-64)

動態(tài)分析：UgsUiUgsgmUoIdrirosgR2R1RGRLdRLRD(1-65)ro=RD=10KsgR2R1RGRLdRLRD(1-66)9.4.3共漏組態(tài)基本放大電路共漏組態(tài)基本放大電路如圖03.32所示圖32共漏組態(tài)放大電路圖33直流通道其直流工作狀態(tài)和動態(tài)分析如下。(1)直流分析

將共漏組態(tài)基本放大電路的直流通道畫于圖33之中，于是有

VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2)

VGSQ=VG－VS=VG－IDQR

IDQ=IDSS[1－(VGSQ/VGS(off))]2

VDSQ=VDD－IDQR由此可以解出VGSQ、IDQ和VDSQ。(1-67)(2)交流分析

將圖(a)的CD放大電路的微變等效電路畫出，如圖(b)所示。(b)共漏放大電路的微變等效電路①電壓放大倍數(shù)比較共源和共漏組態(tài)放大電路的電壓放大倍數(shù)公式，分子都是gmR'L，分母對共源放大電路是1，對共漏放大電路是(1+gmR'L)。②輸入電阻(a)(1-68)

③輸出電阻