场效应管及其放大电路

第四章场效应管及其放大电路1.场效应管根据结构不同分为哪两大类？2.何谓耗尽型？何谓增强型？VP夹断电压和VT开启电压分别是何种类型场效应管的重要参数之一？3.场效应管有哪三个电极？和BJT管如何对应？4.场效应管的两个电压VGS和VDS分别起何主要作用？5.场效应管输出特性曲线分为哪几个区？作放大时工作在哪个区？为什么？6.场效应管是双极型？单极型？电压控制器件还是电流控制器件？它的输入电阻如何？（与BJT对比）7.根据场效应管特点作放大时，应如何合理设置Q点？场效应管是电压控制器件。它具有输入阻抗高，噪声低的优点。本章是本课程的难点，但不是本课程的重点。由于学时数少，又因为场效应管放大电路与三极管放大电路有许多相同之处，所以，本章学习采用对比学习法，即将场效应管与三极管放大电路比较，了解相同点，掌握不同点。三极管特点电流控制器件（基极电流控制晶体管导电能力）输入阻抗不高双极型器件（两种载流子：多子少子参与导电）噪声高场效应管特点电压控制器件（用电压产生电场来控制器件的导电能力）故称为FieldEffectTransistor输入阻抗极高单极型器件（一种载流子：多子参与导电）噪声小缺点速度慢oiRRA、、Q、图解法，估算法，微变等效电路法三极管场效应管三极管放大器场效应管放大器分析方法分析方法场效应三极管（FET）只有一种载流子参与导电，且利用电场效应来控制电流的三极管，称为场效应管，也称单极型三极管。场效应管分类结型场效应管（JFET）绝缘栅场效应管（MOSFET）特点单极型器件(一种载流子导电)；输入电阻高；（≥107～1015）工艺简单、易集成、功耗小、体积小、噪声低、成本低等。N沟道（相当于NPN）P沟道（相当于PNP）增强型耗尽型N沟道（NPN）P沟道（PNP）N沟道（NPN）P沟道（PNP）（耗尽型）FET场效应管JFET结型MOSFET绝缘栅型FET分类：DSGN符号结型场效应管（JFET）一、结构图N沟道结型场效应管结构图N型沟道N型硅棒栅极源极漏极P+P+P型区耗尽层(PN结)在漏极和源极之间加上一个正向电压，N型半导体中多数载流子电子可以导电。导电沟道是N型的，称N沟道结型场效应管。P沟道场效应管图P沟道结型场效应管结构图N+N+P型沟道GSDP沟道场效应管是在P型硅棒的两侧做成高掺杂的N型区(N+)，导电沟道为P型，多数载流子为空穴。符号GDSN沟道MOSFET耗尽型增强型P沟道N沟道P沟道绝缘栅型场效应管的类别4.3绝缘栅型场效应管（MOSFET）结型场效应管的输入电阻虽然可达106～109，在使用中若要求输入电阻更高，仍不能满足要求。绝缘栅型场效应管又称为金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFET）具有更高输入电阻，可高达1015。且有制造工艺简单、适于集成等优点。增强型MOS管在vGS=0时，无导电沟道。耗尽型MOS管在vGS=0时，已有导电沟道存在。PN+SGDN+以P型半导体作衬底形成两个PN结SiO2保护层Al金属电极从衬底引出电极两边扩散两个高浓度的N区Al金属电极Al金属电极N沟道增强型MOSFETPN+SGDN+半导体Semiconductor氧化物Oxide金属Metal表示符号GSDMOSFETNP+SGDP+P沟道增强型MOSFET的结构表示符号GSDPN+SGDN+N沟道增强型MOSFET的工作原理GSvDSv–++–与JFET相似，MOSFET的工作原理同样表现在：栅压vGS对沟道导电能力的控制，漏源电压vDS对漏极电流的影响。PN+SGDN+N沟道增强型MOSFET的工作原理GSvDSv–++–(1)vGS对沟道的控制作用当vGS=0时，漏源极间是两个背靠背的PN结，无论漏源极间如何施加电压，总有一个PN结处于反偏状态，漏-源极间没有导电沟道，将不会有漏电流出现iD≈0。N沟道增强型MOSFET的工作原理vDS=0vGS增加，作用于半导体表面的电场就越强，吸引到P衬底表面的电子就越多，导电沟道越厚，沟道电阻越小。PN+SGDN+GSvDSv–++–开始形成沟道时的栅源极电压称为开启电压，用VT表示。导电沟道增厚沟道电阻减小PN+SGDN+N沟道增强型MOSFET的工作原理GSvDSv–++–(1)vGS对沟道的控制作用,vDS=0当vGSVT时，电场增强将P衬底的电子吸引到表面，这些电子在栅极附近的P衬底表面便形成一个N型薄层，称为反型层形成导电沟道出现反型层且与两个N+区相连通，在漏源极间形成N型导电沟道。N沟道增强型MOSFET的工作原理综上所述：N沟道MOS管在vGS＜VT时，不能形成导电沟道，管子处于截止状态。这种必须在vGS≥VT时才能形成导电沟道的MOS管称为增强型MOS管。只有当vGS≥VT时，方能形成沟道。PN+SGDN+GSvDSv–++–沟道形成以后，在漏-源极间加上正向电压vDS，就有漏极电流产生。MOS管的伏安特性用输出特性和转移特性描述MOSFET的特性曲线输出特性CvDSDGS)|f(vi转移特性CvSDS)|f(viDG输出特性当栅源电压|vGS|=C为常量时，漏极电流iD与漏源电压vDS之间的关系。与BJT类似，输出特性曲线也分为可变电阻区、饱和区、截止区和击穿区几部分。DiGSvDSvGi++––输出特性TGSVvTGSVvMOSFET的特性曲线CvDSDGS)|f(vi24061020mA/DiVDS/vTGSDSVvv可变电阻区放大区截止区击穿区0VGS/vVV2TVVv2TGS24061020mA/DiVDS/vTGSDSVvv转移特性曲线Vv3GSVv4GSV3V4mA/DiVv10DS输出特性曲线MOSFET的特性曲线耗尽型NMOS管1).耗尽型NMOS管结构示意图sgdN+N+SiO2Alb耗尽层（导电沟道）反型层P耗尽型NMOS管在vGS=0时，漏源极间已有导电沟道产生，通过施加负的栅源电压（夹断电压）使沟道消失，而增强型NMOS管在vGS≥VT时才出现导电沟道。耗尽型NMOS管1).耗尽型NMOS管结构示意图sgdN+N+SiO2Alb耗尽层（导电沟道）反型层PN沟道耗尽型MOS管符号P沟道耗尽型MOS管符号GSDGSD耗尽型MOS管sgdN+N+SiO2Alb耗尽层（导电沟道）反型层PN沟道耗尽型MOS管当vGS为负时，沟道变窄，沟道电阻变大，iD减小。当vGS负向增加到某一数值时，导电沟道消失，iD趋于零，管子截止；使沟道消失时的栅源电压称为夹断电压，用VP表示。2).耗尽型MOS管原理耗尽型MOS管在饱和区内，耗尽型MOS管的电流方程与结型场效应管的电流方程相同，即3).耗尽型MOS管电流方程（增强型MOS管见书）2PGSDSSDVv1IiPGSVv场效应管与三极管的性能比较1．场效应管的源极s、栅极g、漏极d分别对应于三极管的发射极e、基极b、集电极c，它们的作用相似。2．场效应管是电压控制电流器件，由vGS控制iD，其跨导gm一般较小，因此场效应管的放大能力较差；三极管是电流控制电流器件，由iB控制iC。3．场效应管的输入电阻比三极管的输入电阻高。因此场效应管栅极几乎不取电流；而三极管工作时基极总要吸取一定的电流。场效应管与三极管的性能比较4．场效应管——多子参与导电；三极管有多子和少子两种载流子参与导电；所以场效应管比三极管的噪声小，在低噪声放大电路的输入级应选用场效应管。5．场效应管源极和漏极可以互换使用，且特性变化不大；而三极管的集电极与发射极互换使用时，其特性差异很大，b值将减小很多。6．场效应管制造工艺简单，且具有功耗低等优点；因而场效应管易于集成，被广泛用于大规模和超大规模集成电路中。DSGN符号结型场效应管一、结构图N沟道结型场效应管结构图N型沟道N型硅棒栅极源极漏极P+P+P型区耗尽层(PN结)在漏极和源极之间加上一个正向电压，N型半导体中多数载流子电子可以导电。导电沟道是N型的，称N沟道结型场效应管。P沟道场效应管图P沟道结型场效应管结构图N+N+P型沟道GSDP沟道场效应管是在P型硅棒的两侧做成高掺杂的N型区(N+)，导电沟道为P型，多数载流子为空穴。符号GDSMOSFET符号增强型耗尽型N沟道GSDP沟道GSDGSDGSDJFET符号dgsdgs耗尽型场效应管放大电路的三种组态场效应管放大电路根据场效应管在放大电路中的连接方式，场效应管放大电路分为三种组态：共源极电路、共栅极电路和共漏极电路共源极电路（对应共射电路）：栅极是输入端，漏极是输出端，源极是输入输出的公共电极。共栅极电路（对应共基电路）：源极是输入端，漏极是输出端，栅极是输入输出的公共电极。共漏极电路（对应共集电极电路）：栅极是输入端，源极是输出端，漏极是输入输出的公共电极。4.5场效应管（FET）放大电路根据前面讲的场效应管的结构和工作原理，和双极性三极管比较可知，场效应管具有放大作用。场效应管的三个极和双极性三极管的三个极存在着对应关系即：G(栅极)→b(基极)S(源极)→e(发射极)D(漏极)→c(集电极)所以根据双极性三极管放大电路，可组成相应的场效应管放大电路。IDGRDSBUDSUGS输入输出共源组态：输入：GS输出：DS场效应管（FET）放大电路的三种工作组态以NMOS（E）为例：GRDDBUDSUGS输入输出共漏组态：输入：GD输出：SDIDGRDSBUDS输入输出共栅组态：输入：SG输出：DGID(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。场效应管（FET）放大电路的组成原则：静态分析：估算法、图解法。动态分析：微变等效电路法。场效应管（FET）放大电路的分析方法：但由于两种放大器件各自的特点，故不能将双极性三极管放大电路的三极管简单地用场效应管取代，组成场效应管放大电路。双极性三极管是电流控制器件，组成放大电路时，应给双极性三极管设置偏置偏流。而场效应管是电压控制器件，故组成放大电路时，应给场效应管设置偏置偏压：合适的栅极电压（简称栅压，为Q点电压），保证放大电路具有合适的工作点，避免输出波形产生严重的非线性失真。4.5.1静态工作点与偏置电路由于场效应管种类较多，故采用的偏置电路，其电压极性必须考虑。以N沟道为例：N沟道的结型场效应管只能工作在UGS0的区域，MOS管又分为耗尽型和增强型，增强型工作在UGS0，而耗尽型工作在UGS0。工程中常用的FET放大电路的偏置方式有两种：自给偏压电路分压式偏置电路直流偏置电路：保证管子工作在饱和区，输出信号不失真。1.直流偏置电路（1）自偏压电路vGSvGS=-iDR可见该电路的直流偏压是靠本身源极电阻Rs上的压降设置的，故名自给偏压式电路。另电路种Cs对Rs起交流旁路作用，Cs为源极旁路电容。如图所示。因为在FET的源极接入了Rs，所以即使uGS=0，也有漏源电流ID流过Rs，而栅极经RG接地，UG=0V，故在静态时负栅压UGS=UG-US=0V-IDRS。vGS栅极电阻RG的作用：(1)为栅偏压提供通路(2)泻放栅极积累电荷源极电阻RS的作用：提供负栅偏压漏极电阻RD的作用：把iD的变化变为uDS的变化UGSQ=UGQ–USQ=–IDQRS)(SDDDDDSRRIUUvGS=-iDR（2）分压式自偏压电路SGGSVVVRIVRRRDDDg2g1g2这种直流偏置电路类同于自举式射极输出器的偏置电路。电源电压VDD经RG1、RG2分压后，经RG3提供栅压：)(212GGDDGGRRVRU同时ID在Rs上也产生直流压降Us=IDRs。因而FET的栅—源电压为：vGSvGS=-iDR注意：该电路产生负的栅源电压，所以只能用于需要负栅源电压的电路。对于自给偏压式FET放大电路，已知VP，计算Q点：VGS、ID、VDS。vGS=2PGSDSSD)1(VvIiVDS=VDD-ID(Rd+R)由方程：-iDR可解出Q点的VGS、ID、VDS2.Q点的确定（1）估算法2PGSDSSD)1