模擬電路第3章.ppt

1、3 場效應晶體管及其放大電路,三極管的主要特點：,1. 電流控制型器件。,2. 輸入電流大，輸入電阻小。,3. 兩種極型的載流子都參與導電，又稱為雙極型晶體管，簡稱BJT（Bipolar Junction Transistor)。,場效應管，簡稱FET(Field Effect Transistor )，其主要特點：,(a) 輸入電阻高，可達107 1015W。,(b) 起導電作用的是多數(shù)（一種）載流子，又稱為單極型晶體管。,(c) 體積小、重量輕、耗電省、壽命長。,(d) 噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強和制造工藝簡單。,(e) 在大規(guī)模集成電路制造中得到了廣泛的應用。,1. 結型場效應管，

2、簡稱JFET (Junction Field Effect Transistor),場效應管按結構可分為：,場效應管的類型：,2. 絕緣柵型場效應管，簡稱IGFET (Isolated Gate Field Effect Transistor),3.1 結型場效應管,3.1.1 結型場效應管的結構和類型,N溝道JFET結構示意圖,P+,P+,形成SiO2保護層,以N型半導體作襯底,漏極D（drine),源極S（source),柵極G（gate),N型導電溝道,符號,稱為N溝道JFET,符號,P溝道JFET結構示意圖,N溝道結型場效應管,P溝道結型場效應管,3.1.2 結型場效應管的工作原理,電

3、路圖,1uDS=0時，uGS對溝道的控制作用,a當uGS=0時,溝道無變化,bUGS(off)uGS0,P+,+,(a) PN結加寬,(b) PN結主要向N區(qū)擴展,(c) 導電溝道變窄,(c) 導電溝道電阻增大,P+,P+,(a) PN結合攏,(b) 導電溝道夾斷,c 0 uGS=UGS(off),+,當uDS=0時，uGS對溝道的控制作用動畫演示,2當uGS =0時，uDS對溝道的控制作用,a0uDS|UGS(off)|,(b) 沿溝道有電位梯度,(c)沿溝道PN結反偏電壓不同,(a) 漏極電流iD0 uDS增大，iD增大。,uDS,(d)溝道PN結呈楔形,P+,buDS=|UGS(off)

4、|,(a) iD達到最大值,(b) 溝道點夾斷(預夾斷),cuDS|UGS(off)|,(a) iD達到最大值 幾乎不隨uDS的增大而變化,(b) 溝道夾斷區(qū)延長,當uGS =0時，uDS對溝道的控制作用動畫演示,3當uDS 0時，uGS(0）對溝道的控制作用,a. uDS和uGS將一起改變溝道的寬度,c.當uDG= | UGS(off) | 時，溝道出現(xiàn)予夾斷。此時，uDS=|UGS(off)| + uGS,b.PN結在漏極端的反偏電壓最大。 uDG= uDS-uGS,uDS 、uGS共同對溝道的控制作用動畫演示,（1）JFET是利用uGS 所產(chǎn)生的電場變化來改變溝道電阻的大小，,（2）場效

5、應管為一個電壓控制型的器件。,（3） 在N溝道JFET中，uGS和UGS（off）均為負值。,小結：,在P溝道JFET中，uGS和UGS（off）均為正值。,即利用電場效應控制溝道中流通的電流大小，因而稱為場效應管。,3.1.3 結型場效應管的伏安特性,在正常情況下，iG =0，管子無輸入特性。,1輸出特性（漏極特性）,特性曲線,可 變 電 阻 區(qū),放大區(qū),截止區(qū),可 變 電 阻 區(qū),(1) 可變電阻區(qū),a. uDS較小，溝道尚未夾斷,b. uDS |UGS(off)| + uGS,c. 管子相當于受uGS控制的壓控電阻,各區(qū)的特點：,放大區(qū),(2) 放大區(qū),放大區(qū)也稱為飽和區(qū)、恒流區(qū)。,b.

6、 uDS |UGS(off)| + uGS,a. 溝道予夾斷,c. iD幾乎與uDS無關。,d. iD只受uGS的控制。,截止區(qū),a. uGSUGS(off),(3) 截止區(qū),b.溝道完全夾斷,c. iD0,2轉移特性,表示場效應管的uGS對iD的控制特性。,定義,轉移特性曲線可由輸出特性曲線得到,（1）對于不同的uDS，所對應的轉移特性曲線不同。,曲線特點：,（2）當管子工作于恒流區(qū)時，轉移特性曲線基本重合。,當管子工作于恒流區(qū)時,稱為零偏漏極電流,3.1.4 結型場效應管的主要電參數(shù),1直流參數(shù),(3) 直流輸入電阻RGS,(1) 夾斷電壓UGS(off),(2) 零偏漏極電流IDSS （

7、也稱為漏極飽和電流）,2交流參數(shù),(1) 跨導gm 也稱為互導。其定義為：,當管子工作在放大區(qū)時,得管子的跨導,由,可見，gm與IDQ有關。IDQ越大，gm也就越大。,3. 極限參數(shù),(1) 漏極最大允許耗散功率 PDSM,(2) 最大漏極電流IDSM,柵源電容Cgs,柵漏電容Cgd,漏源電容Cds,(3) 柵源擊穿電壓U（BR）GS,(4) 漏源擊穿電壓U（BR）DS,例 在圖示電路中，已知場效應管的 ；問在下列三種情況下，管子分別工作在那個區(qū)？,（b）,（c）,（a）,解（a）因為uGSUGS(off) , 管子工作在截止區(qū)。,（b）因,管子工作在放大區(qū)。,（c）因這時的,管子工作在可變電

8、阻區(qū)。,3.2 絕緣柵型場效應管,N溝道,IGFET,耗盡型,增強型,P溝道,N溝道,P溝道,絕緣柵型場效應管的類別,3.2.1 增強型絕緣柵場效應管,1. 結構示意圖,N+,S,G,D,N+,以P型半導體作襯底,SiO2保護層,引出柵極,Al,從襯底引出電極,兩邊擴散兩個高濃度的N區(qū),故又稱為MOS管,管子組成：,a. 金屬 （Metal),b. 氧化物 (Oxide),c.半導體(Semiconductor),2. 工作原理,電路連接圖,(1) uGS =0 ,uDS0,源極和漏極之間始終有一個PN結反偏，iD=0,2uGS 0 ,uDS =0,產(chǎn)生垂直向下的電場,電場排斥空穴,形成耗盡層

9、,吸引電子,形成導電溝道,當uGS =UGS(th)時,出現(xiàn)反型層,UGS(th)開啟電壓,N溝道增強型MOS管，簡稱NMOS,N溝道,3當uGS UGS(th） ,uDS0時.,uDS,(b) 沿溝道有電位梯度,(a) 漏極電流iD0 uDS增大，iD增大。,uDS,(b) 沿溝道有電位梯度,3當uGS UGS(th） ,uDS0時.,(c)不同點的電場強度不同,左高右低,(a) 漏極電流iD0 uDS增大，iD增大。,uDS,(d)溝道反型層呈楔形,(b) 沿溝道有電位梯度,3當uGS UGS(th） ,uDS0時.,(c)不同點的電場強度不同,左高右低,(a) 漏極電流iD0 uDS增大

10、，iD增大。,a. uDS升高,溝道變窄,uDS,反型層變窄,b. 當uGD =uGS-uDS=UGS(th）時,uDS,溝道在漏極端夾斷,(b) 管子預夾斷,(a) iD達到最大值,c. 當uDS進一步增大,(a) iD達到最大值且恒定,uDS,uDS,溝道夾斷區(qū)延長,(b) 管子進入恒流區(qū),增強型NMOS管工作原理動畫演示,2伏安特性與參數(shù),a輸出特性,可 變 電 阻 區(qū),放大區(qū),截止區(qū),輸出特性曲線,(1) 可變電阻區(qū),a. uDS較小，溝道尚未夾斷,b. uDS uGS- |UGS(th)|,c.管子相當于受uGS控制的壓控電阻,各區(qū)的特點：,可 變 電 阻 區(qū),2,4,0,6,10,

11、20,(2) 放大區(qū)(飽和區(qū)、恒流區(qū)),a. 溝道予夾斷,c. iD幾乎與uDS無關,d. iD只受uGS的控制,b. uDS uGS- |UGS(th)|,截止區(qū),a. uGSUGS(th),(3) 截止區(qū),b.溝道完全夾斷,c. iD=0,管子工作于放大區(qū)時函數(shù)表達式,b轉移特性曲線,式中，K為與管子有關的參數(shù),例 圖示為某一增強型NMOS管的轉移特性。試求其相應的常數(shù)K值。,解 由圖可知，該管的,UGS（th）= 2 V,當UGS = 8 V 時，ID = 2 mA,故,3.2.2 耗盡型MOS管,1. MOS管結構示意圖,絕緣層中滲入了正離子,出現(xiàn)反型層,形成導電溝道,導電溝道增寬,a

12、.,導電溝道變窄,b.,耗盡型MOS管可以在uGS為正或負下工作。,2伏安特性與參數(shù),a輸出特性曲線,b轉移特性曲線,函數(shù)表達式,工作于放大區(qū)時,增強型與耗盡型管子的區(qū)別：,耗盡型：,增強型：,當 時，,當 時，,MOSFET符號,增強型,耗盡型,JFET符號,場效應管的特點（與雙極型三極管比較）,（1）場效應管是一種電壓控制器件，即通過uGS來控制iD；,雙極型三極管是一種電流控制器件，即通過iB來控制iC,（2）場效應管的輸入端電流幾乎為零，輸入電阻非常高。,雙極型三極管的發(fā)射結始終處于正向偏置，有一定的輸入電流，基極與發(fā)射極間的輸入電阻較小。,（4）場效應管具有噪聲小、受輻射的影響小、熱

13、穩(wěn)定性較好，且存在零溫度系數(shù)工作點。,（3）場效應管是利用多數(shù)（一種極性）載流子導電的。,在雙極型三極管中二種極性的載流子（電子和空穴）同時參與了導電。,（5）場效應管的結構對稱，有時（除了源極和襯底在制造時已連在一起的MOS管）漏極和源極可以互換使用，且各項指標基本不受影響，使用方便、靈活。,（6）場效應管制造工藝簡單，有利于大規(guī)模集成。,每個MOS場效應管在硅片上所占的面積只有雙極性三極管5%。,（7）場效應管的跨導小，當組成放大電路時，在相同的負載電阻下，電壓放大倍數(shù)比雙極性三極管低。,（8） 由于MOS管的輸入電阻高，由外界感應產(chǎn)生的電荷不易泄露，而柵極上的絕緣層又很薄，這將在柵極上產(chǎn)

14、生很高的電場強度，以致引起絕緣層的擊穿而損壞管子。,2. 絕緣柵場效應管的柵極為什么不能開路？,思 考 題,1. 試比較三極管和場效應管的異同點。,3.3 場效應管放大電路,3.3.1 場效應管的偏置及其電路的靜態(tài)分析,1自給偏壓,IDQ,USQ= IDQ RS,UGSQ= -IDQ RS,(1) 電路,(2)自給偏壓原理,(3) 靜態(tài)分析,a. 方法一：圖解法,(a) 列寫輸出回路方程,(c) 作圖,(b) 列寫輸入回路方程,a,b,c,d,e,a,b,c,d,e,IDQ,M,N,Qo,UDSQ,Qi,UGSQ,作輸出回路直流負載線,作控制特性,作輸入回路直流負載線,b. 方法二：估算法,輸

15、入回路方程,當管子工作于放大區(qū)時,兩式聯(lián)立可求得IDQ,由此可得,例 在圖示電路其中，VDD=18V、RD=3k、RS=1k、RG=1M，F(xiàn)ET的IDSS=7mA、UGS(off)=8V。試求UGSQ 、IDQ和UDSQ 。,UGSQ =2.9V,解,由,2分壓式偏置,圖中,(1) 電路,(2) 靜態(tài)分析,故,分壓式偏置: 增強型、耗盡型,兩種偏置電路適用的FET：,自給偏壓：耗盡型,3信號的輸入和輸出,常用的耦合方式,一種典型的阻容耦合共源極放大電路,3.3.2 場效應管的微變等效電路,由場效應管工作原理知：,iD= f (uGS 、uDS),iG= 0,對iD全微分,rds為FET共源極輸

16、出電阻,故,或者,3.3.3 場效應管組成的三種基本放大電路,1共源極放大電路,微變等效電路,由圖可知,式中,a. 求電壓放大倍數(shù),由圖可知,b. 求輸入電阻Ri,根據(jù)輸出電阻的定義：,由圖可知,畫出求輸出電阻的等效電路,c. 求輸出電阻Ro,2. 共漏極放大電路,微變等效電路,由圖可知,式中,a. 求電壓放大倍數(shù),輸入電阻,b. 求輸入電阻Ri,c. 求輸出電阻Ro,由圖可知,故電路的輸出電阻,3. 共柵極放大電路,微變等效電路,a. 求電壓放大倍數(shù),故,由于,b. 求輸入電阻Ri,故,c. 求輸出電阻Ro,畫出求Ro的等效電路,1. 比較共源極場效應管放大電路和共發(fā)射極晶體管放大電路，在電路結構上有何相似之處？為什么前者的輸入電阻較高？ 2. 為什么增強型絕緣柵場效應管放大電路無法采用自給偏置？,思 考 題,例1 在圖示電路中: （1）如果電路輸入、輸出電壓的波形分別如圖(a)、(b)所示。試問該電路的靜態(tài)工作點可能處于或靠近哪個區(qū)？ （