第3章场效应管及其放大电路.

第3章场效应管及其放大电路结型场效应管金属-氧化物-半导体场效应管场效应管放大电路第3章场效应管及其放大电路半导体三极管(场效应管）图片第3章场效应管及其放大电路半导体三极管图片第3章场效应管及其放大电路场效应管【FET——FieldEffectTransistor】双极型三极管场效应管BJTFET电流控制的元件(iB→iC)电压控制的元件(vGS→iD)利用基极的小电流控制集电极的大电流实现放大作用。利用电场效应来控制输出电流。对照两种形式的三极管：第3章场效应管及其放大电路功耗低集成度高（单位面积上容纳的门电路数量远大于双极型三极管）输入阻抗大（107～1012）热稳定性好（与环境温度关系不大）抗干扰能力强缺点：速度低。FET的特点：体积小，重量轻，价格低，寿命长；第3章场效应管及其放大电路FET的分类：根据结构不同，可分为：结型场效应管（JFET——JunctiontypeFieldEffectTransistor）金属－氧化物－半导体场效应管（MOSFET——MetalOxide-SemiconductortypeFieldEffectTransistor）N沟道P沟道P沟道N沟道N沟道P沟道增强型耗尽型第3章场效应管及其放大电路3.1结型场效应管(JFET)1.N沟道结型场效应管符号：栅极【Gate】漏极【Drain】源极【Source】NP+P+3.1.1JFET的结构#符号中的箭头方向!三个极：源极（s）、栅极（g）、漏极（d），对应于晶体管的e、b、c；第3章场效应管及其放大电路2.P沟道结型场效应管符号：箭头：P→N栅极【Gate】漏极【Drain】源极【Source】PN+N+第3章场效应管及其放大电路当N沟道JFET工作时，需：vGSvDS+-dgs在栅极和源极间加一个负电压(vGS0),使栅极与N沟道间的PN结反偏（注意与BJT的不同！！）第3章场效应管及其放大电路夹断若vDS为一固定正值，则iD将受vGS的控制，│vGS│↑时，沟道电阻↑，iD↓。vDS＝0时vGS对导电沟道的控制作用：此时，vGS变化虽然导电沟道随之变化，但漏极电流iD总是等于0。第3章场效应管及其放大电路1、低频互导（跨导）gmUDS为定值时,漏极电流的微小变化ΔiD与对应的输入电压变化量ΔuGS之比。该参数相当于BJT的电流放大倍数β。2、夹断电压UGS(off)在漏源电压UDS为定值时,当ID小到近于零的UGS值,即UGS≤uGS(off)时,截止;UGSuGS(off)时,导通。3、饱和漏电流IDSS在uGS=0,时的漏极电流。通常令uGS=0，uDS=10V时,测得的iD即为IDSS。场效应管的主要参数常量DSGSDmUuig)(offGSDSUuvGSvDS+-dgs第3章场效应管及其放大电路sgVdDDdiGGVp+p+u=-3VDSGSuGS=-1VuuuGS(mA)=-2VDiGS=0VuGS=0VuGS=-1V3.1.2JFET的特性曲线1.输出特性曲线常数GSuDSDufi第3章场效应管及其放大电路恒流区的特点：△iD/△vGS=gm≈常数即：△iD=gm△vGS（放大原理）①可变电阻区②恒流区、饱和区、线性放大区③截止区④击穿区u=-3VDSGSuGS=-1VuuuGS(mA)=-2VDiGS=0V可变电阻区恒流区截止区击穿区截止区、恒流区、可变电阻区，对应于晶体管的截止区、放大区、饱和区。第3章场效应管及其放大电路UGS(off）时当01)(2)(GSoffGSoffGSGSDSSDuUUuIi只要给出IDSS和UGS(off）就可以把转移特性中的其他点近似计算出来。2.转移特性曲线常数DSuGSDufi可表示为：第3章场效应管及其放大电路3.2金属－氧化物－半导体（绝缘栅型）场效应管MOSFETP沟道N沟道N沟道P沟道增强型耗尽型分类：增强型：指UGS=0时，没有导电沟道，即iD=0，而必须依靠栅源电压UGS的作用，才形成感生沟道的FET。耗尽型：指UGS=0时，也会存在导电沟道，iD≠0的FET。第3章场效应管及其放大电路----N++NP衬底sgdb源极栅极漏极衬底符号：3.2.1.N沟道增强型MOSFET1.结构SiO2绝缘层铝电极半导体第3章场效应管及其放大电路定义：开启电压（UT）——刚刚产生沟道所需的栅源电压UGS。N沟道增强型MOS管的基本特性：uGS＜UT，管子截止，uGS＞UT，管子导通。uGS越大，沟道越宽，在相同的漏源电压uDS作用下，漏极电流ID越大。第3章场效应管及其放大电路在栅极下方的SiO2层中掺入了大量的金属正离子。所以当uGS=0时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。----g漏极s+N衬底P衬底源极d栅极bN++++++++++++符号3.2.2N沟道耗尽型MOSFET可以在正或负的栅源电压下工作，而且基本上无栅流第3章场效应管及其放大电路绝缘栅场效应管N沟道增强型P沟道增强型各种FET的比较与使用注意事项第3章场效应管及其放大电路绝缘栅场效应管N沟道耗尽型P沟道耗尽型第3章场效应管及其放大电路结型场效应管N沟道耗尽型P沟道耗尽型第3章场效应管及其放大电路思考：1、JEFT的栅极与沟道间的PN结在一般作为放大器件工作时，能用正向偏置吗？BJT的发射结呢？答：JEFT的栅极与沟道间的PN结在一般作为放大器件工作时，不可以用正向偏置。因为当JFET正偏时，其PN结都处于正偏状态，沟道两侧的耗尽层消失，对DS沟道失去了控制作用，所以失去放大作用。BJT的发射结要求正偏。2、图示符号各表示哪种沟道的JEFT？其箭头方向代表什么？答：图(a)为N沟道，(b)为P沟道场效应管。箭头方向代表正偏方向第3章场效应管及其放大电路3.4场效应管放大电路(1)静态：适当的静态工作点，使场效应管工作在恒流区，场效应管的偏置电路相对简单。(2)动态：能为交流信号提供通路。组成原则：静态分析：估算法、图解法。动态分析：微变等效电路法。分析方法：第3章场效应管及其放大电路例分压式偏置电路下图中，设漏极电源VDD=18V，VGS(Off)=-1V，IDSS=0.5mA，求出Q点和动态分析参数。DDggggVRRRV212++——+gTRdRC12CuouiVDDCdsg1Rg2Rg3RvivoVg2MΩ47KΩ10MΩ2kΩ30kΩ4.7μF0.01μFiDVSAIg3思考：为何Vg与Rg3无关？∵Rg3＝10MΩ≈∞∴Ig3≈0，可认为在Rg3上没有压降，故Vg≈VA第3章场效应管及其放大电路漏极电源VDD经分压电阻Rg1和Rg2分压后，通过Rg3供给栅极电压Vg，则DDggggVRRRV212++——+gTRdRC12CuouiVDDCdsg1Rg2Rg3RvivoVg2MΩ47KΩ10MΩ2kΩ30kΩ4.7μF0.01μFiDVSAIg3思考：为何Vg与Rg3无关？∵Rg3＝10MΩ≈∞∴Ig3≈0，可认为在Rg3上没有压降，故Vg≈VA第3章场效应管及其放大电路SGGSVVVRIVRRRDDDg2g1g22GS(off)GSDSSD)1(VVII可解出Q点的VGS、ID已知VGS(off)，设JFET工作在恒流区RIVRRRVDDDg2g1g2GSVDS=VDD-ID(Rd+R)再求：计算Q点：即求出VGS、ID、VDS++——+gTRdRC12CuouiVDDCdsg1Rg2Rg3RvivoVg2MΩ47MΩ10MΩ2kΩ30kΩ4.7μF0.01μFiDVSAIg3该电路产生的栅源电压可正可负可为0，所以适用于所有的场效应管电路！注意啦第3章场效应管及其放大电路DDGSIIRIVRRRV33363DDDg2g1g210*24.010*210*4710*218*10*4723232GS(off)GSDSSD)1(10*5.0)11(10*5.0)1(GSGSVVVVIIVDS=VDD-ID(Rd+R)计算Q点：即求出VGS、ID、VDS++——+gTRdRC12CuouiVDDCdsg1Rg2Rg3RvivoVg2MΩ47MΩ10MΩ2kΩ30kΩ4.7μF0.01μFiDVSAIg3mAI)64.095.0(DmAIIDSS5.0DmAI31.0DVV22.0GSQVDSQ=8.1V第3章场效应管及其放大电路①画出放大电路的交流小信号等效电路②求电压放大倍数③求输入电阻④求输出电阻动态分析：【步骤与BJT放大电路相同】FET放大电路动态分析第3章场效应管及其放大电路FET的低频小信号模型，均开路。认为在简化模型中，很大，和一般dsgsrrgssgdd+–rdsgsmVggsVrgs＋-vGSiD＋-vDSdIJFET低频小信号等效模型gsd+–gsmVggsV简化后的实用模型第3章场效应管及其放大电路—++C2RuTg3DD1Rg1CCVRRgdsig2dRuoRL+-+—+uiugdugsugsmRg3g1Rg2RiRLR-S-o+gROdRiVgsVoVgsmVg①画出等效电路第3章场效应管及其放大电路②求电压放大倍数则)//(LdmioVRRgVVAmsUuUIgoffGSGSoffGSDSS22.1)122.01(110*5.0*2)1(23)()(m)0()(GSoffGSuU+—+uiugdugsugsmRg3g1Rg2RiRLR-S-o+gROdRiVgsVoVgsmVggsiVV)//(LdgsmoRRVgV15.9)103010*30(22.1)//(LdmVRRgA第3章场效应管及其放大电路③求输入电阻④求输出电阻MRRRR1010*4710*210*47*10*210*10)//(36366g2g1g3iKRR30do+—+uiugdugsugsmRg3g1Rg2RiRLR-S-o+gROdRiVgsVoVgsmVg第3章场效应管及其放大电路双极型和场效应型三极管的比较双极型三极管单极型场效应管输入量电流输入电压输入控制电流控制电流源电压控制电流源输入电阻几十到几千欧几兆欧以上热噪声较大较小，适用于低噪声放大器的前置级频率特性好相对较差静电影响不受静电影响易受静电影响制造工艺不宜大规模集成适宜大规模和超大规模集成本章小结第3章场效应管及其放大电路3.12已知电路参数如图所示，FET工作点上的互导gm=1ms，设rd＞＞Rd。（1）画出电路的小信号模型；（2）求电压增益Au；（3）求放大器的输入电阻Ri。u0—++C2RuTg3DD1Rg1CCVRRgdsig2dRuoRL+-第3章场效应管及其放大电路解（2）解（3）3102111011'1KmSKmSmLmiouXXRgRguuAM0752K100K300M22Rg1Rg3RgRi.////MKKMRgRgRgRi075.2100//30022//13第3章场效应管及其放大电路3.13已知电路参数如图所示，FET工作点上的互导gm=0.9ms，求电压增益Au；输入电阻Ri,，输出电阻R。K0171K12111K12mS901Rg1RSmO.//.//.//