2.7場效應(yīng)管放大電路0課件

2.7場效應(yīng)管放大電路

半導(dǎo)體三極管有兩大類型

一是雙極型半導(dǎo)體三極管(BJT)

二是場效應(yīng)半導(dǎo)體三極管(FET)

雙極型半導(dǎo)體三極管是由兩種載流子參與導(dǎo)電的半導(dǎo)體器件，它由兩個(gè)PN結(jié)組合而成，是一種CCCS器件。

場效應(yīng)型半導(dǎo)體三極管僅由一種載流子參與導(dǎo)電，是一種VCCS器件。BJT是一種電流控制元件(iB~iC)，工作時(shí)，多數(shù)載流子和少數(shù)載流子都參與運(yùn)行，所以被稱為雙極型器件。

場效應(yīng)管（FieldEffectTransistor簡稱FET）是一種電壓控制器件(uGS~iD)，工作時(shí)，只有一種載流子參與導(dǎo)電，因此它是單極型器件。

FET因其制造工藝簡單，功耗小，溫度特性好，輸入電阻極高等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用。2.7場效應(yīng)管場效應(yīng)管的特點(diǎn)1）壓控器件：輸入電壓控制輸出電流的半導(dǎo)體器件。3）抗輻射能力強(qiáng)：因?yàn)槭菃螛O型器件（由一種載流子參與導(dǎo)電的半導(dǎo)體器件）2）輸入阻抗高4）結(jié)構(gòu)簡單，便于集成1）結(jié)型場效應(yīng)三極管JFET

(JunctiontypeFieldEffectTransister)

2）絕緣柵型場效應(yīng)三極管IGFET(InsulatedGateFieldEffectTransister)IGFET也稱金屬氧化物半導(dǎo)體三極管MOSFET

（MetalOxideSemiconductorFET）場效應(yīng)管的分類及符號(hào)

絕緣柵型場效應(yīng)三極管（MOSFET）分為

增強(qiáng)型

N溝道、P溝道

耗盡型

N溝道、P溝道結(jié)型場效應(yīng)三極管JFET又分為

N溝道、P溝道FET絕緣柵場效應(yīng)管(MOSFET)結(jié)型場效應(yīng)管(JFET)增強(qiáng)型耗盡型N溝道P溝道N溝道P溝道N溝道P溝道2.7.1結(jié)型場效應(yīng)管

一、結(jié)構(gòu)與符號(hào)兩個(gè)PN結(jié)夾著一個(gè)N型溝道。三個(gè)電極：

g：柵極

d：漏極

s：源極符號(hào)：---p++p漏極d(Drain)源極s(Source)柵極g(Gate)NN溝道P溝道

二、工作原理UGS<0，使柵極PN結(jié)反偏，iG=0UDS>0，以形成漏電流iD正常放大時(shí)外加偏置電壓的要求

1、柵源電壓對(duì)溝道的控制作用

在柵源間加負(fù)電壓uGS

，令uDS

=0

①當(dāng)uGS=0時(shí)，導(dǎo)電溝道最寬。②當(dāng)│uGS│↑時(shí)，PN結(jié)反偏，耗盡層變寬，導(dǎo)電溝道變窄，溝道電阻增大。③當(dāng)│uGS│↑到一定值時(shí)，溝道會(huì)完全合攏。定義：夾斷電壓UP（UGS（off））——使導(dǎo)電溝道完全合攏（消失）所需要的柵源電壓uGS。

二、工作原理對(duì)于N溝道的JFET，UP<0。2、漏源電壓對(duì)溝道的控制作用

在漏源間加電壓uDS

，令uGS=0

由于uGS=0，所以導(dǎo)電溝道最寬。

①當(dāng)uDS=0時(shí)，iD=0。②uDS↑→iD

↑

→靠近漏極處的耗盡層加寬，溝道變窄，呈楔形分布。③當(dāng)uDS

↑，使uGD=uGS-

uDS=UP時(shí)，在靠漏極處夾斷——預(yù)夾斷。預(yù)夾斷前，uDS↑→iD

↑。預(yù)夾斷后，uDS↑→iD

幾乎不變。④uDS再↑，預(yù)夾斷點(diǎn)下移。

在漏源間加電壓uDS

，令uGS=0

由于uGS=0，所以導(dǎo)電溝道最寬。

①當(dāng)uDS=0時(shí)，iD=0。②uDS↑→iD

↑

→靠近漏極處的耗盡層加寬，溝道變窄，呈楔形分布。③當(dāng)uDS

↑，使uGD=uGS-

uDS=UP時(shí)，在靠漏極處夾斷——預(yù)夾斷。預(yù)夾斷前，uDS↑→iD

↑。預(yù)夾斷后，uDS↑→iD

幾乎不變。④uDS再↑，預(yù)夾斷點(diǎn)下移。

3、柵源電壓uGS和漏源電壓uDS共同作用

iD=f（uGS、uDS）,可用兩組特性曲線來描繪。

飽和漏極電流動(dòng)畫2-9u=-3VDSGSuGS=-1VuuuGS(mA)=-2VDiGS=0V設(shè)：UP=

-3V1、輸出特性曲線：iD=f（uDS

）│uGS=常數(shù)三、結(jié)型場效應(yīng)管的伏安特性u(píng)GS=0VuGS=-1V四個(gè)區(qū)：恒流區(qū)的特點(diǎn)：△iD

/△uGS=gm≈常數(shù)

即：△iD

=gm△uGS

（放大原理）

（a）可變電阻區(qū)（預(yù)夾斷前）。

（b）恒流區(qū)也稱飽和區(qū)（預(yù)夾斷后）。

（c）夾斷區(qū)。

（d）擊穿區(qū)。u=-3VDSGSuGS=-1VuuuGS(mA)=-2VDiGS=0V可變電阻區(qū)uDS=uGS-UP恒流區(qū)夾斷區(qū)擊穿區(qū)2、轉(zhuǎn)移特性曲線：iD=f（uGS）│uDS=常數(shù)

可根據(jù)輸出特性曲線作出轉(zhuǎn)移特性曲線（在飽和區(qū)內(nèi)）UGS(off)N溝道JFET正常放大時(shí)各電極電壓極性g、s間為反偏壓（g為低電位、s為高電位）d、s間為正偏壓（d為高電位、s為低電位）iG0P溝道JFET正常放大時(shí)各電極電壓極性g、s間為正偏壓（g為高電位、s為低電位）d、s間為反偏壓（d為低電位、s為高電位）四、結(jié)型場效應(yīng)管的主要參數(shù)①夾斷電壓UP(或UGS(off))：②飽和漏極電流IDSS：

③

低頻跨導(dǎo)gm：或漏極電流約為零時(shí)的UGS值。UGS=0時(shí)對(duì)應(yīng)的漏極電流。

低頻跨導(dǎo)反映了uGS對(duì)iD的控制作用。gm可以在轉(zhuǎn)移特性曲線上求得，單位是mS(毫西門子)。④輸出電阻rds：⑤直流輸入電阻RGS：

對(duì)于結(jié)型場效應(yīng)三極管，反偏時(shí)RGS約大于107Ω。⑧最大漏極功耗PDM⑥最大漏源電壓U(BR)DS⑦最大柵源電壓U(BR)GS2.7.2絕緣柵型場效應(yīng)管

絕緣柵型場效應(yīng)管(MetalOxide

SemiconductorFET)，簡稱MOSFET。分為：

增強(qiáng)型

N溝道、P溝道耗盡型N溝道、P溝道PN+SGDN+以P型半導(dǎo)體作襯底形成兩個(gè)PN結(jié)SiO2保護(hù)層引出兩個(gè)電極引出兩個(gè)電極引出柵極Al從襯底引出電極兩邊擴(kuò)散兩個(gè)高濃度的N區(qū)管子組成→a.金屬（Metal）b.氧化物(Oxide)c.半導(dǎo)體(Semiconductor)故稱為MOS管一、結(jié)構(gòu)和符號(hào)一、結(jié)構(gòu)和符號(hào)4個(gè)電極：漏極D，源極S，柵極G和襯底B。二、工作原理PN+SGDN+–++–以N溝道增強(qiáng)型MOS管為例正常放大時(shí)外加偏置電壓的要求：UGS>0UDS>0UDS>0UGS>0(1).

uGS=0,uDS≠0PN+SGN+iD=0D–++–當(dāng)UGS=0V時(shí)，漏源之間相當(dāng)兩個(gè)背靠背的二極管，在D、S之間加上電壓不會(huì)在D、S間形成電流。1、柵源電壓uGS的控制作用PN+SGN+iD=0D–++–(2).uGS

>0,uDS

=0產(chǎn)生垂直向下的電場1、柵源電壓uGS的控制作用PN+SGN+iD=0D–++–電場排斥空穴吸引電子形成耗盡層當(dāng)0＜UGS＜UT時(shí)，SiO2中產(chǎn)生一垂直于表面的電場，P型表面上感應(yīng)出現(xiàn)許多電子，但電子數(shù)量有限，不能形成溝道。1、柵源電壓uGS的控制作用PN+SGN+iD=0D–++–當(dāng)uGS

=UT時(shí)出現(xiàn)反型層，形成導(dǎo)電溝道N溝道UT：門限電壓N溝道增強(qiáng)型MOS管，簡稱NMOS1、柵源電壓uGS的控制作用

當(dāng)uGS＞0V時(shí)→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(shí)，漏源之間相當(dāng)兩個(gè)背靠背的二極管，在d、s之間加上電壓也不會(huì)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(shí)加有漏源電壓，就可以形成漏極電流id。動(dòng)畫2-41、柵源電壓uGS的控制作用

定義：開啟電壓UT(UGS(th))——?jiǎng)倓偖a(chǎn)生溝道所需的柵源電壓UGS。

N溝道增強(qiáng)型MOS管的基本特性：

uGS

＜UT，管子截止，

uGS

＞UT，管子導(dǎo)通。

uGS

越大，溝道越寬，在相同的漏源電壓uDS作用下，漏極電流iD越大。PN+SGN+iD>0D–++–uDS(d)溝道反型層呈楔形(b)沿溝道有電位梯度(c)絕緣層內(nèi)不同點(diǎn)的電場強(qiáng)度不同,左高右低(a)漏極電流iD>0uDS增大，iD增大當(dāng)UGS＞UT時(shí)，由于此時(shí)柵壓較強(qiáng)，P型半導(dǎo)體表層中將聚集較多的電子，可以形成溝道，將漏極和源極連通。如果此時(shí)加有漏源電壓，就可以形成漏極電流iD。

當(dāng)uGS＞UT，且固定為某一值時(shí)，來分析漏源電壓uDS對(duì)漏極電流ID的影響。

2、漏源電壓uDS的控制作用PN+SGN+iD>0D–++–①

uDS升高uDS反型層變窄即溝道變窄當(dāng)UDS繼續(xù)增加時(shí)，由于溝道電阻的存在，溝道上將產(chǎn)生壓降，使得電位從源極到漏極逐漸增大，從而使得SiO2層上的有效柵壓從源極到漏極減小，反型層中的電子也將從源極到漏極逐漸減少。

2、漏源電壓uDS的控制作用PN+SGN+iD>0D–++–②

當(dāng)uGD=UT時(shí)uDS溝道在漏極端夾斷(b)管子預(yù)夾斷(a)iD達(dá)到最大值即uGS-uDS=UT時(shí),當(dāng)UDS大于一定值后，SiO2層上的有效柵壓小于形成反型層所需的門限電壓，則靠近漏端的反型層厚度減為零，出現(xiàn)溝道夾斷，iD將不再隨UDS的增大而增大，趨于一飽和值。

2、漏源電壓uDS的控制作用PN+SGN+iD>0D–++–③

當(dāng)uDS進(jìn)一步增大(a)iD達(dá)到最大值且恒定uDS溝道夾斷區(qū)延長場效應(yīng)管是利用柵極與源極之間的電壓控制漏源電流的元件。柵極通過氧化物或絕緣體與溝道隔離，∴柵極與襯底之間沒有電流，即iG=02、漏源電壓uDS的控制作用2、漏源電壓uDS的控制作用

當(dāng)uGS＞UT，且固定為某一值時(shí)，漏源電壓uDS對(duì)漏極電流ID的影響。

（a）uds=0時(shí)，id=0。（b）uds

↑→id↑；同時(shí)溝道靠漏區(qū)變窄。（c）當(dāng)uds增加到使ugd=UT時(shí)，溝道靠漏區(qū)夾斷，稱為預(yù)夾斷。（d）uds再增加，預(yù)夾斷區(qū)加長，uds增加的部分基本降落在隨之加長的夾斷溝道上，id基本不變。動(dòng)畫2-5GSD電路符號(hào)虛線表示溝道在施加外電壓后才形成←增強(qiáng)型箭頭朝里表示N溝道；三、增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管的伏安特性

四個(gè)區(qū)：（a）可變電阻區(qū)（預(yù)夾斷前）。

1、輸出特性曲線：iD=f(uDS)

uGS=consti(V)(mA)DDSuGS=6Vuu=5VGS=4VuGSu=3VGS（b）恒流區(qū)也稱飽和區(qū)（預(yù)夾斷后）。

（c）夾斷區(qū)（截止區(qū)）。

（d）擊穿區(qū)?？勺冸娮鑵^(qū)恒流區(qū)夾斷區(qū)擊穿區(qū)三、增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管的伏安特性

四個(gè)區(qū)：（a）可變電阻區(qū)（預(yù)夾斷前）。

1、輸出特性曲線：iD=f(uDS)

uGS=consti(V)(mA)DDSuGS=6Vuu=5VGS=4VuGSu=3VGS（b）恒流區(qū)也稱飽和區(qū)（預(yù)夾斷后）。

（c）夾斷區(qū)（截止區(qū)）。

（d）擊穿區(qū)。可變電阻區(qū)恒流區(qū)夾斷區(qū)擊穿區(qū)與JFET相比，兩者結(jié)構(gòu)不同，產(chǎn)生溝道的方式不同。但都是利用溝道導(dǎo)電，且外特性都表現(xiàn)為柵源電壓控制漏極電流。2、轉(zhuǎn)移特性曲線：iD=f(uGS)

uDS=const

可根據(jù)輸出特性曲線作出轉(zhuǎn)移特性曲線。例：作uDS=10V的一條轉(zhuǎn)移特性曲線：i(mA)DGS=6Vuu=5VGS=4VuGSu=3VGSuDS(V)Di(mA)10V12341432(V)uGS246UGS(th)（當(dāng)UGS>UGS(th)時(shí)）其中IDO為當(dāng)uGS=2UGS(th)時(shí)的iD值

一個(gè)重要參數(shù)——跨導(dǎo)gm：gm=

iD/

uGS

uDS=const(單位mS)

gm的大小反映了柵源電壓對(duì)漏極電流的控制作用。

在轉(zhuǎn)移特性曲線上，gm為的曲線的斜率。在輸出特性曲線上也可求出gm。1(mA)DSu=6V=3VuuGS(V)1D624i43=5V(mA)243iDGS210V(V)△uGSi△DGSu△i△DN溝道增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管正常放大時(shí)各電極電壓極性g、s間為正偏壓（g為高電位、s為低電位）d、s間為正偏壓（d為高電位、s為低電位）P溝道增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管正常放大時(shí)各電極電壓極性g、s間為反偏壓（g為低電位、s為高電位）d、s間為反偏壓（d為低電位、s為高電位）四、耗盡型MOS場效應(yīng)管特點(diǎn)：

當(dāng)uGS=0時(shí)，就有溝道，加入uDS，就有iD。當(dāng)uGS＞0時(shí)，溝道增寬，iD進(jìn)一步增加。

當(dāng)uGS＜0時(shí)，溝道變窄，iD減小。

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(shí)，這些正離子已經(jīng)感應(yīng)出反型層，形成了溝道。

定義：夾斷電壓（UP）——溝道剛剛消失所需的柵源電壓uGS。N溝道耗盡型MOSFET的特性曲線輸出特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線1GSu01D(V)-12-2(mA)432i42vu310V=+2V1DSGSD(mA)i=-1VuGSGSGS=0V=+1Vuu(V)=-2V＝UPGSuUP其中IDSS為當(dāng)UGS=0時(shí)的iD值N溝道耗盡型MOSFET正常放大時(shí)各電極電壓極性g、s間為任意偏壓d、s間為正偏壓（d為高電位、s為低電位）P溝道耗盡型MOSFET正常放大時(shí)各電極電壓極性g、s間為任意偏壓d、s間為反偏壓（d為低電位、s為高電位）P型MOS管也分增強(qiáng)型和耗盡型。其余均與NMOS相同，UDS和UT為負(fù)值。實(shí)際電流方向?yàn)榱鞒雎O。1.4.3、場效應(yīng)管的主要參數(shù)(1)

開啟電壓UT

UT

是MOS增強(qiáng)型管的參數(shù)，柵源電壓小于開啟電壓的絕對(duì)值,場效應(yīng)管不能導(dǎo)通。

（2）夾斷電壓UP

UP

是MOS耗盡型和結(jié)型FET的參數(shù)，當(dāng)uGS=UP時(shí),漏極電流為零。

（3）飽和漏極電流IDSS

MOS耗盡型和結(jié)型FET,當(dāng)uGS=0時(shí)所對(duì)應(yīng)的漏極電流。

（4）輸入電阻RGS

結(jié)型場效應(yīng)管，RGS大于107Ω，MOS場效應(yīng)管,RGS可達(dá)109～1015Ω。（5）

低頻跨導(dǎo)gm

gm反映了柵壓對(duì)漏極電流的控制作用，單位是mS(毫西門子)。結(jié)型場效應(yīng)管:增強(qiáng)型MOS管:（6）最大漏極功耗PDM

PDM=UDSID，與雙極型三極管的PCM相當(dāng)。1.4.4各種場效應(yīng)管特性的比較

各種管子的輸出特性形狀是一樣的，只是控制電壓UGS不同各種場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性各種場效應(yīng)管的輸出特性對(duì)比

雙極型三極管場效應(yīng)三極管結(jié)構(gòu)NPN型

結(jié)型耗盡型

N溝道P溝道 PNP型

絕緣柵增強(qiáng)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(hào)可倒置使用載流子多子擴(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CCCS(β)電壓控制電流源VCCS(gm)雙極型和場效應(yīng)型三極管的比較

雙極型三極管場效應(yīng)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(diǎn)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)模集成三個(gè)電極的對(duì)應(yīng)情況：BJTFET基極b柵極g集電極c漏極d發(fā)射極e源極s2.7場效應(yīng)管放大器2.7.2場效應(yīng)管放大器的偏置電路及靜態(tài)分析

保證管子工作在飽和區(qū)，輸出信號(hào)不失真場效應(yīng)管偏置電路特點(diǎn)①柵極只需要偏壓，不需要偏流②注意各類FET的偏置極性區(qū)別：

N溝道器件加正漏源偏壓；

P溝道器件加負(fù)漏源偏壓；

③采用偏置穩(wěn)定電路1.自給偏壓電路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：+++——gTRdRRgC1C2uouiVDDCdsID

2.分壓式偏置電路可解出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效應(yīng)管電路。UDS=VDD-ID(Rd+R)再求：++——+gTRdRC12CuouiVDDCdsg1Rg2