第4章场效应管放大电路

第4章场效应管放大电路第4章场效应管放大电路场效应管的输入电阻高达Ω,不吸收信号源电流，不消耗信号源功率属于电压控制器件。由于一种载流子（多数载流子）参与导电，又称单极型三极管。15810104.1场效应三极管第4章场效应管放大电路特点单极型器件(一种载流子导电)；输入电阻高；工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低。第4章场效应管放大电路N沟道P沟道增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道P沟道（耗尽型）FET场效应管JFET结型MOSFET绝缘栅型场效应管分类：第4章场效应管放大电路DSGN符号4.1.1结型场效应管JunctionFieldEffectTransistor结构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。N沟道场效应管是在N型硅棒的两侧做成高掺杂的P型区(P+)。第4章场效应管放大电路P沟道场效应管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GDS第4章场效应管放大电路一、结型场效应管工作原理N沟道结型场效应管用改变UGS大小来控制漏极电流ID的。GDSNN型沟道栅极源极漏极P+P+耗尽层在栅极和源极之间加反向电压，耗尽层会变宽，导电沟道宽度减小，使沟道本身的电阻值增大，漏极电流ID减小，反之，漏极ID电流将增加。耗尽层的宽度改变主要在沟道区。第4章场效应管放大电路1.UGS对导电沟道的控制作用ID=0GDSN型沟道P+P+(a)UGS=0UGS=0时，耗尽层比较窄，导电沟比较宽UGS由零逐渐减小，耗尽层逐渐加宽，导电沟相应变窄。当UGS=UGS（Off)，耗尽层合拢，导电沟被夹断.ID=0GDSP+P+N型沟道(b)UGS(off)UGS0VGGID=0GDSP+P+(c)UGS＜UGS(off)VGGUGS(off)为夹断电压,为负值。UGS(off)也可用UP表示第4章场效应管放大电路当uGS=0时，uDSiD（线性）g、d间PN结的反向电压增加，使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，从上至下呈楔形分布。当uDS增加到使uGD=UP时，在紧靠漏极处出现预夹断。此时uDS夹断区延长沟道电阻iD基本不变2.UDS对导电沟道的控制作用第4章场效应管放大电路3.uGS和uDS同时作用时当UPuGS0时，导电沟道更容易夹断，对于同样的uDS，iD的值比uGS=0时的值要小。iD/mAuDS/VOUGS=0V-1-2-3-4-5-6-7第4章场效应管放大电路综上分析可知•JFET是电压控制电流器件，iD受uGS控制。•预夹断前iD与uDS呈近似线性关系；预夹断后，iD趋于饱和。•JFET栅极与沟道间的PN结是反向偏置的，因此iG0，输入电阻很高。GSDmuig低频跨导可以把iD近似看成uGS控制的电流源。第4章场效应管放大电路小结(1)当uDSuGS-uGS(off)时，d-s之间未出现预夹断对应于不同的uGS，d-s间等效成不同阻值的电阻。(2)当uDS使uGD＝uGS(off)时，d-s之间预夹断(3)当uDS使uGDuGS(off)时，iD几乎仅仅决定于uGS，而与uDS无关。此时，可以把iD近似看成uGS控制的电流源。第4章场效应管放大电路二、结型场效应管的特性曲线1.输出特性曲线当栅源之间的电压UGS不变时，漏极电流iD与漏源之间电压uDS的关系，即常数GS)(DSDUufi第4章场效应管放大电路IDSS/VPGSDSUUUiD/mAuDS/VOUGS=0V-1-2-3-4-5-6-7V8PU预夹断轨迹恒流区可变电阻区漏极特性也有三个区：可变电阻区、恒流区和夹断区。漏极特性1.输出特性（漏极特性）曲线夹断区UDSiDVDDVGGDSGV+V+uGS特性曲线测试电路+mA击穿区第4章场效应管放大电路2.转移特性(N沟道结型场效应管)常数DS)(GSDUufiOuGSiDIDSSUGS(off)转移特性uGS=0，iD最大；uGS愈负，iD愈小；uGS=UGS(off)，iD0。两个重要参数饱和漏极电流IDSS(uGS=0时的iD)夹断电压UGS(off)(iD=0时的uGS)UDSiDVDDVGGDSGV+V+uGS特性曲线测试电路+mA第4章场效应管放大电路转移特性OuGS/VID/mAIDSSUP转移特性结型场效应管转移特性曲线的近似公式：)0()1(GSGS(off)2GS(off)GSDSSDuUUuIi第4章场效应管放大电路＊结型P沟道的特性曲线SGD转移特性曲线iDUGS（Off）IDSSOuGS输出特性曲线+++o栅源加正电压，(PN结反偏)漏漏源加负电压。第4章场效应管放大电路一.N沟道增强型MOSFET1.结构（N沟道）L：沟道长度W：沟道宽度tox：绝缘层厚度通常WL（动画2-3）4.1.2绝缘栅型场效应管第4章场效应管放大电路一.N沟道增强型MOSFET剖面图1.结构（N沟道）符号第4章场效应管放大电路2.工作原理（1）uGS对沟道的控制作用当uGS=0时无导电沟道，d、s间加电压时，也无电流产生。当uGS≥VT时在电场作用下产生导电沟道，d、s间加电压后，将有电流产生。uGS越大，导电沟道越厚VT称为开启电压第4章场效应管放大电路（2）uDS对沟道的控制作用靠近漏极d处的电位升高电场强度减小沟道变薄当uGS一定（uGSUT）时，uDSiD沟道电位梯度整个沟道呈楔形分布第4章场效应管放大电路当UDS增加到使uGD=UT时，在紧靠漏极处出现预夹断。在预夹断处：uGD=uGS-uDS=UT第4章场效应管放大电路预夹断后，uDS夹断区延长沟道电阻iD基本不变第4章场效应管放大电路（3）uDS和uGS同时作用时uDS一定，uGS变化时给定一个uGS，就有一条不同的iD–uDS曲线。第4章场效应管放大电路（4）正常放大时外加偏置电压的要求:0DSVTUuGSTUuuGSDS第4章场效应管放大电路3.V-I特性曲线（1）输出特性const.DSDGS)(uufi①截止区当uGS＜UT时，导电沟道尚未形成，iD＝0，为截止工作状态。第4章场效应管放大电路②可变电阻区uDS≤（uGS－UT）rdso是一个受uGS控制的可变电阻第4章场效应管放大电路③饱和区（恒流区又称放大区）uGSUT，且uDS≥（uGS－VT）第4章场效应管放大电路（2）转移特性const.GSDDS)(uufi2TGSDOD)1(UIiuIDO是uGS=2UT时的iD第4章场效应管放大电路二.N沟道耗尽型MOSFET1.结构和工作原理简述（N沟道）二氧化硅绝缘层中掺有大量的正离子可以在正或负的栅源电压下工作，而且基本上无栅流第4章场效应管放大电路2.V-I特性曲线第4章场效应管放大电路P沟道MOSFET第4章场效应管放大电路4.1.3MOSFET的主要参数一、直流参数1.开启电压VT（增强型参数）2.夹断电压VP（耗尽型参数）3.饱和漏电流IDSS（耗尽型参数）4.直流输入电阻RGS（109Ω～1015Ω）二、交流参数1.输出电阻rdsGSDDSdsUiru第4章场效应管放大电路DSGSDmUigu2.低频互导gm第4章场效应管放大电路end三、极限参数1.最大漏极电流IDM2.最大耗散功率PDM3.最大漏源电压V（BR）DS4.最大栅源电压V（BR）GS第4章场效应管放大电路4.2场效应管放大电路4.2.1场效应管放大电路的三种接法（以N沟道结型场效应管为例）场效应管放大电路的三种接法（a）共源电路（b）共漏电路（c）共栅电路Q点：UGSQ、IDQ、UDSQUGSQ=2PGSQDSSDQ)1(UUIIUDSQ=已知UP或UGS（Off)VDD-IDQ(Rd+R)--IDQR可解出Q点的UGSQ、IDQ、UDSQ如知道FET的特性曲线，也可采用图解法。一、自给偏压电路JFET自给偏压共源电路耗尽型MOS管自给偏压共源电路的分析方法相同。IDQ4.2.2场效应管放大电路的静态工作点的设置方法第4章场效应管放大电路二、分压式偏置电路分压式偏置电路+T+RGSDGRDR2VDD+RLRSR1C1CSC2+++iUoU1.Q点近似估算法根据输入回路列方程+2TGSQDODQSDQDD211GSQ)1(UUIIRIVRRRU解联立方程求出UGSQ和IDQ。列输出回路方程求UDSQUDSQ=VDD–IDQ(RD+RS)将IDQ代入，求出UDSQ第4章场效应管放大电路+T+RGSDGRDR2VDD+RLRSR1C1CSC2+++iUoU分压式偏置电路2.图解法由式SDDD211SDGQGSRiVRRRRiUu+可做出一条直线，另外，iD与uGS之间满足转移特性曲线的规律，二者之间交点为静态工作点，确定UGSQ，IDQ。第4章场效应管放大电路SDDDRRV+根据漏极回路方程在漏极特性曲线上做直流负载线，与uGS=UGSQ的交点确定Q，由Q确定UDSQ和IDQ值。UDSQuDS=VDD–iD(RD+RS)3uDS/ViD/mA012152V105uGS4.5V4V3.5VUGSQ3VVDDQIDQuGS/ViD/mAO24612QIDQUGSQSGQRUUGQ第4章场效应管放大电路4.2.3场效应管放大电路的动态分析),(DSGSDuufiiD的全微分为DSDSDGSGSDDdddGSDSuuiuuiiUU+上式中定义：DSGSDmUuigGSDSDSD1Uuir——场效应管的跨导(毫西门子mS)。——场效应管漏源之间等效电导。一、场效应管的低频小信号等效模型第4章场效应管放大电路如果输入正弦信号，则可用相量代替上式中的变量。成为：dSDSgsmd1UrUgI+根据上式做等效电路如图所示。MOS管的低频小信号等效模型由于没有栅极电流，所以栅源是悬空的。是一个受控源。gsmUg++——gsUgsmUgdsUdIDSrgdSsgd第4章场效应管放大电路微变参数gm和rDS(1)根据定义通过在特性曲线上作图方法中求得。(2)用求导的方法计算gmDDOTTGSTDOGSDm2)1(2ddiIUUuUIuig在Q点附近，可用IDQ表示上式中iD，则DQDOTm2IIUg一般gm约为0.1至20mS。rDS为几百千欧的数量级。当RD比rDS小得多时，可认为等效电路的rDS开路。第4章场效应管放大电路分压式偏置电路的动态分析等效电路入图所示LgsmLdoRUgRIULDL//RRR电压放大倍数LmioRgUUAu输入、输出电阻分别为)//(21GiRRRR+分压式偏置电路等效电路—D++—gsUgSmUgoUDRGSdIiULR+—GR1R2RDoRR+T+RGSDGRDR2VDD+RLRSR1C1CSC2+++iUoU二、基本共源放大电路的动态分析第4章场效应管放大电路三、基本共漏放大电路——源极输出器或源极跟随器图2.7.9基本共漏放大电路典型电路如右图所示。+VT+SDGR2VDD+RLRSR1C1C2++iUOURG1.静态分析分析方法与“分压-自偏压式共源电路”类似，可采用估算法和图解法。第4章场效应管放大电路2.动态分析（1）.电压放大倍数图2.7.10微变等效电路LsssgsmoRRRRUgU//gssmogsiURgUUU)1(++而所以SmSmio1RgRgUUAu+.111SmuuARgA时，，当可见，（2）.输入电阻Ri=RG+(R1//R2)—D++gSUgsmUgoUSRGSiULR+—GR1R2R第4章场效应管放大电路（3）输出电阻图2.7.11微变等效电路在电路中，外