第四章 场效应管及其放大电路

4.1结型场效应管4.3金属-氧化物-半导体场效应管4.4场效应管放大电路4.5各种放大器件电路性能比较*4.2砷化镓金属-半导体场效应管场效应管是一种利用电场效应来控制其电流大小的半导体器件。特点：输入电阻高、噪声低、热稳定性能好、抗辐射能力强。主要用于大规模和超大规模集成电路中。单极型晶体管常用于数字集成电路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(IGFET)场效应管分类：4.1结型场效应管结构工作原理输出特性转移特性主要参数4.1.1JFET的结构和工作原理4.1.2JFET的特性曲线及参数(JunctiontypeFieldEffectTransisstor)源极，用S或s表示N型导电沟道漏极，用D或d表示P型区P型区栅极，用G或g表示栅极，用G或g表示符号符号4.1.1JFET的结构和工作原理4.1结型场效应管1.结构#符号中的箭头方向表示什么？N沟道结型场效应管的结构2.工作原理（以N沟道为例）vDS=0V时NGSDvDSVGSNNPPiDPN结反偏，VGS越负,则耗尽区越宽，导电沟道越窄。①VGS对沟道的控制作用VDSNGSDVGSPPiDVGS达到一定值时耗尽区碰到一起，DS间的导电沟道被夹断。当沟道夹断时，对应的栅源电压VGS称为夹断电压VP（或VGS(off)）。VGS继续减小对于N沟道的JFET，VP0。NGSDVDSVGSNNiDVDS=0V时PP②VDS对沟道的控制作用当VGS=0时，VDSiD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。NGSDVDSVGSPP越靠近漏端，PN结反压越大iD当VDS增加到使VGD=VP时，在紧靠漏极处出现预夹断。此时VDS夹断区延长沟道电阻ID基本不变GSDVDSVGSPPiDN③VGS和VDS同时作用时VGS越小耗尽区越宽，沟道越窄，电阻越大。iD减小。当VPVGS0时，导电沟道更容易夹断，对于同样的VDS，iD的值比VGS=0时的值要小。在预夹断处VGD=VGS-VDS=VP结型场效应管的工作原理综上分析可知•沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电，所以场效应管也称为单极型三极管。•JFET是电压控制电流器件，iD受vGS控制•预夹断前iD与vDS呈近似线性关系；预夹断后，iD趋于饱和。4.1结型场效应管#为什么JFET的输入电阻比BJT高得多？•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。4.1结型场效应管#JFET有正常放大作用时，沟道处于什么状态？4.1.2JFET的特性曲线及参数const.DSDGS)(vvfi2.转移特性const.GSDDS)(vvfi)0()1(GSP2PGSDSSDvVVvIiVP1.输出特性结型场效应管的输出特性曲线转移特性曲线的形成①夹断电压VP(或VGS(off))：②饱和漏极电流IDSS：③低频跨导gm：DSGSDmVvig时）（当0)1(2GSPPPGSDSSmvVVVvIg或4.1结型场效应管3.主要参数漏极电流约为零时的VGS值。VGS=0时对应的漏极电流。低频跨导反映了vGS对iD的控制作用。gm可以在转移特性曲线上求得，单位是mS(毫西门子)。④输出电阻rd：GSDDSdVivr4.1结型场效应管3.主要参数⑤直流输入电阻RGS：对于结型场效应三极管，反偏时RGS约大于107Ω。⑧最大漏极功耗PDM⑥最大漏源电压V(BR)DS⑦最大栅源电压V(BR)GS1.N沟道结型场效应管的特性曲线转移特性曲线vGS0iDIDSSVP夹断电压饱和漏极电流小结（JFET管）输出特性曲线iDvDS0vGS=0V-1V-3V-4V-5VN沟道结型场效应管的特性曲线-2V可变电阻区夹断区恒流区予夹断曲线击穿区转移特性曲线vGS0iDIDSSVP饱和漏极电流夹断电压2P沟道结型场效应管DGS符号栅源端加正电压漏源端加负电压予夹断曲线iDvDS2VvGS=0V1V3V4V5V可变电阻区夹断区恒流区输出特性曲线0P沟道结型场效应管结型场效应管的缺点：1.栅源极间的电阻虽然可达107以上，但在某些场合仍嫌不够高。3.栅源极间的PN结加正向电压时，将出现较大的栅极电流。绝缘栅场效应管可以很好地解决这些问题。2.在高温下，PN结的反向电流增大，栅源极间的电阻会显著下降。*4.2砷化镓金属-半导体场效应管（略）（Metal-SmeiconductorField-EffectTransistor)MESFET以N沟道为主4.3金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFET）(Metal-Oxide-semiconductortypeFieldEffectTransistor)特点：输入电阻很高，最高可达到1015欧姆。表面场效应器件MOSFET绝缘栅型(IGFET)增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道P沟道耗尽型是当vGS=0时，存在导电沟道，iD≠0.增强型是当vGS=0时，不存在导电沟道，iD=0。4.3金属-氧化物-半导体场效应管:(MOS)1结构和电路符号PNNgsdP型硅衬底两个N区SiO2绝缘层金属铝gsd4.3.1N汮道增强型MOSFET三个铝电极栅极与漏极、源极无电接触。MOS管的结构2工作原理以N沟道增强型为例PNNGSDVDSVGSVGS=0时D-S间相当于两个反接的PN结iD=0对应截止区(1)VGS改变感生沟道电阻以控制iD的大小。PNNGSDVDSVGSVGS0时VGS足够大时（VGSVT）感应出足够多电子，这里出现以电子导电为主的N型导电沟道。感应出电子VT称为阈值电或开启电压：在VDS作用下开始导电的VGS。VGS较小时，导电沟道相当于电阻将D-S连接起来，VGS越大此电阻越小。PNNGSDVDSVGSVDS0时iDPNNGSDVDSVGS当VDS不太大时，导电沟道在两个N区间是均匀的。当VDS较大时，靠近D区的导电沟道变窄。（2）VDS改变iDPNNGSDVDSVGS夹断后，即使VDS继续增加，iD仍呈恒流特性。iDVDS增加，VGD=VT时，靠近D端的沟道被夹断，称为予夹断。栅源电压对沟道的影响漏源电压对沟道的影响（1）输出特性曲线iDVDS0VGS03.增强型N沟道MOS管的特性曲线const.DSDGS)(vvfi可变电阻区恒流区击穿区3.增强型N沟道MOS管的特性曲线(2)转移特性曲线0iDvGSVTvDS=10Vconst.GSDDS)(vvfi(3)计算公式)()1(2GSDTGSTDOVvVvIiNPPgsdgsdP沟道增强型4.参数见表4.1.1栅源端加负电压漏源端加负电压1.N沟道耗尽型予埋了导电沟道（正离子），在P型衬底表面形成反型层（N型）。∴在vGS＝0时，就有感生沟道，当VDS＞0时，则有iD通过。gsdNgsdPNeee4.3.2耗尽型MOSFET2.P沟道耗尽型NPPgsdgsd予埋了导电沟道（负离子）3.耗尽型N沟道MOS管的特性曲线耗尽型的N沟道MOS管VGS=0时就有导电沟道，加反向电压才能夹断。转移特性曲线0iDVGSVP输出特性曲线iDvDS0vGS=0vGS0vGS04.3.3各种FET的特性比较及使用注意事项。（见P173－P175）栅源电压可正可负。4.4场效应管放大电路直流偏置电路静态工作点FET小信号模型动态指标分析三种基本放大电路的性能比较4.4.1FET的直流偏置及静态分析4.4.2FET放大电路的小信号模型分析法1.直流偏置电路4.4.1FET的直流偏置电路及静态分析（1）自偏压电路（2）分压式自偏压电路vGSvGSvGSvGSvGSVGS=-IDRSVGSVGVDDg2g1g2VRRRRID4.4结型场效应管2.静态工作点Q点：VGS、ID、VDSVGS=2PGSDSSD)1(VVIIVDS=已知VP，由VDD-ID(Rd+R)-IDR可解出Q点的VGS、ID、VDS如知道FET的特性曲线，也可采用图解法。4.4结型场效应管4.4.2FET放大电路的小信号模型分析法1.FET小信号模型（1）低频模型4.4结型场效应管（2）高频模型4.4结型场效应管2.动态指标分析（1）中频小信号模型4.4结型场效应管2.动态指标分析（2）中频电压增益（3）输入电阻（4）输出电阻忽略rdiVgsVRVggsm)1(mgsRgVoVdgsmRVgmVARgRgmdm1//iiRR由输入输出回路得则giiIVR)]//([g2g1g3RRR)]//([)1(g2g1g3mgsgsRRRRgrr通常则)//(g2g1g3iRRRRdoRRRgrr)1(mgsgsgsgsgsmgsgsgs)(rVRVgrVV输出电压与输入电压反相。例4.4.2共漏极放大电路如图示。试求中频电压增益、输入电阻和输出电阻。（2）中频电压增益（3）输入电阻iVgsV)//(LgsmRRVg)//(1LmgsRRgVoV)//(LgsmRRVgmVA)//(1)//(LmLmRRgRRg得)//(g2g1g3iRRRR解：（1）中频小信号模型由ioVV1例题（4）输出电阻TIRIgsmVgRVTgsVTVoRm11gR所以由图有TTIVgsmVgm1//gR例题场效应管放大电路(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：场效应管的微变等效电路GSD),(DSGSDuufiDSDSDGSGSDDuuiuuiiDSDSGSmurug1GSDmuig跨导DDSDSiur漏极输出电阻uGSiDuDS很大，可忽略。场效应管的微变等效电路为：GSDuGSiDuDSSGDugsgmugsudsSGDrDSugsgmugsuds场效应管的共源极放大电路一、静态分析求：UDS和ID。设：UGUGS则：UGUS而：IG=0所以：UDD=20VuoRSuiCSC2C1R1RDRGR2RL150k50k1M10k10kGDS10kV5212DDGURRRUmA5.0SGSSDRURUIV10)(DSDDDDSRRIUUuoUDD=20VRSuiCSC2C1R1RDRGR2RL150k50k1M10k10kGDS10k二、动态分析sgR2R1RGRL'dRLRD微变等效电路gsmUggsUsgR2R1RGRL'dRLRDgsUgsmUgiUoUgsiUU)//(LDgsmoRRUgULmuRgA'21//RRRrGiM0375.1ro=RD=10k源极输出器uo+UDDRSuiC1R1RGR2RL150k50k1M10kDSC2G一、静态分析USUGmA50.RURUISGSSDUDS=UDD-US=20-5=15VV5211DDGURRRUuo+UDDRSuiC1R1RGR2RL150k50k1M10kDSC2GLgsmgsLgsmiouRUgURUgUUA11LmLmRgRgiUoUgsUgsmUgdIrirorogR2R1RGsdRLRS微变等效电路二、动态分析rirorogR2R1RGsdRLRS微变等效电路21//RRRrGiM0375.1输入电阻ri输出电阻ro加压求流法mgsmgsdogUgUIUr1SooRrr//UIdIgd微变等效电路roroR2R1RGsRSgsUgsmUg场效应管放大电路小结(1)场效应管放大