电子技术基础(第五版)康华光05场效应管放大电路

15.1金属-氧化物-半导体场效应管5.2MOSFET放大电路5.3结型场效应管5.4各种放大器件电路性能比较2N沟道P沟道N沟道P沟道增强型耗尽型增强型耗尽型（耗尽型）FETFieldEffectTransistor场效应管JFET结型MOSFET按结构不同场效应管有两种:35.1金属-氧化物-半导体（MOS）场效应管5.1.1N沟道增强型MOSFET5.1.4MOSFET的主要参数5.1.2N沟道耗尽型MOSFET5.1.3P沟道MOSFET45.1.1N沟道增强型MOSFET1.结构P型硅衬底耗尽层SiO2铝铝铝剖面图衬底引线栅极和其它电极及硅片之间是绝缘的，栅极电流几乎为零，输入电阻很高，最高可达1015，故称绝缘栅型场效应管(IGFET)。源极栅极漏极又称金属-氧化物-半导体场效应管(MOSFET)。高掺杂N区5P型硅衬底由结构图可见，N+型漏区和N+型源区之间被P型衬底隔开，漏极和源极之间是两个背靠背的PN结。当栅源电压vGS=0时，不管漏极和源极之间所加电压的极性如何，其中总有一个PN结是反向偏置的，漏极电流近似为零。2.工作原理（1）vGS对沟道的控制作用SDVDD6当vGS0时,产生电场，排斥空穴而吸引电子。当vGSVT时，在电场作用下产生导电沟道。vGS越大，导电沟道越厚VT称为开启电压D、S间加电压后，将有电流产生。P型硅衬底VGGVDDN型沟道iD（1）vGS对沟道的控制作用7符号vGS=0时,没有导电沟道P型硅衬底必须依靠栅源电压的作用，才能形成导电沟道的FET称为增强型FET。8（2）vDS对沟道的控制作用当vGS一定（vGSVT）时，vDSiD产生沟道电位梯度，靠近漏极d处的电位升高，电场强度减小，沟道变薄。整个沟道呈楔形分布。P型硅衬底VGGVDDiD迅速增大9P型硅衬底VGGVDDiD当vDS增加到使vGD=VT时，在紧靠漏极处出现预夹断。在预夹断处：vGD=vGS-vDS=VT预夹断后，vDS夹断区延长沟道电阻iD基本不变夹断区饱和（2）vDS对沟道的控制作用10（3）vDS和vGS同时作用时给定一个vGS，就有一条不同的iD–vDS曲线。P型硅衬底VGGVDDiDvGD=vGS-vDS当vGSVT时，vGS越小导电沟道越容易夹断。改变vGS的值，iD的饱和值随之改变。漏极电流iD的饱和值与栅源电压vGS有关。所以，场效应管是一种电压控制电流的器件。11综上分析可知：•沟道中只有一种类型的载流子参与导电，所以温度稳定性好，场效应管也称为单极型晶体管。•场效应管是电压控制电流器件，iD受vGS控制。•场效应管的输入电阻高，基本上不需要信号源提供电流。123.特性曲线（1）输出特性const.DSDGS)(vvfi①截止区截止区vGS＜VT导电沟道尚未形成iD=0，为截止状态。13②可变电阻区vGD=vGS–vDS≥VT即vDS≤vGS－VT时沟道预夹断前iD与vDS呈近似线性关系FET可看作受vGS控制的可变电阻可变电阻区14②可变电阻区vGSVT，且vDS≤vGS－VT])(2[2DSDSTGSnDvvvVKiKn为电导常数，单位：mA/V2DSTGSnD)(2vvVKi15③饱和区（恒流区/放大区）vGSVT，且vDSvGS-VT2TGSnD)(VKiv2TGS2Tn)1(VVKv2TGSDO)1(VIv2TnDOVKI是vGS＝2VT时iD的饱和值沟道预夹断后iD达到饱和，只与vGS有关16（2）转移特性const.GSDDS)(vvfi21)(TGSDODVIiv当vGSVT，且vDS≥vGS－VT时，17符号5.1.2N沟道耗尽型MOSFET1.结构和工作原理SiO2绝缘层中掺有正离子预埋了N型导电沟道18由于耗尽型场效应管预埋了导电沟道，所以在vGS=0时，若漏–源之间加上一定的电压vDS，也会有漏极电流iD产生。当vGS0时，使导电沟道变宽，iD增大；当vGS0时，使导电沟道变窄，iD减小；当vGS达到一定负值时，N型导电沟道消失，iD=0，称为场效应管处于夹断状态（即截止）。这时的vGS称为夹断电压，用VP表示。这时的漏极电流用IDSS表示，称为饱和漏极电流。192.特性曲线2PGSDSS2PGS2PnD)1()1(VIVVKivv205.1.3P沟道MOSFETP沟道增强型N型衬底P+P+结构加电压才形成P型导电沟道215.1.3P沟道MOSFETP沟道耗尽型管预埋了P型导电沟道SiO2绝缘层中掺有负离子225.1.3P沟道MOSFET235.1.4MOSFET的主要参数1.开启电压VT(或VGS(th))一、直流参数2.夹断电压VP(或VGS(off))4.直流输入电阻RGS：在漏源极短路的情况下，栅源间加一定电压时的栅源直流电阻。对于MOS场效应管RGS可达109Ω~1015Ω。3.饱和漏极电流IDSS增强型MOS管的参数耗尽型MOS管的参数24二、交流参数1.低频互导（跨导）gm：DSGSDmVvig（饱和区）)(2TGSnmVKgv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)。2.输出电阻rds：GSDDSdsVivr25三、极限参数2.最大耗散功耗PDM3.最大漏源电压V(BR)DS4.最大栅源电压V(BR)GS1.最大漏极电流IDM26FET与BJT的比较电流控制电压控制控制方式两种载流子参与导电导电方式一种载流子参与导电NPN和PNP放大参数100~20mA/V5~1mgrce很高rds很高输出电阻输入电阻4210~10较低15710~10较高BJTFET热稳定性差好制造工艺较复杂简单，成本低对应电极B—E—CG—S—D类型N沟道和P沟道增强型和耗尽型27场效应管放大电路与三极管放大电路结构上相类似，有三种组态：共源极放大电路(CS)、共漏极放大电路(CD)和共栅极放大电路(CG)。场效应管放大电路的分析与三极管放大电路一样，包括静态分析和动态分析。5.2MOSFET放大电路28一、直流偏置及静态工作点的计算直流通路1、简单的共源极放大电路场效应管放大电路需要设置合适的静态工作点，否则将造成输出信号的失真。29DDg2g1g2GSQVRRRV2TGSQnDQ)(VVKIdDQDDDSQRIVV假设工作在饱和区，即)(TGSQDSQVVV验证是否满足)(TGSQDSQVVV若满足，说明假设成立，场效应管工作在饱和区；若不满足，说明假设错误，场效应管工作在可变电阻区。须满足VGSQVT，否则工作在截止区Q点：VGSQ、IDQ、VDSQ30假设工作在饱和区满足)(TGSQDSQVVV假设成立，结果即为所求。解：mA2.0mA)12)(2.0()(22TGSnDQVVKIV2V)]15)(2.0(5[dDDDDSQRIVV例：设Rg1=60k，Rg2=40k，Rd=15k，220V/mA.nK试计算电路的静态漏极电流IDQ和漏源电压VDSQ。VDD=5V，VT=1V，V2V5406040DDg2g1g2GSQVRRRV31N沟道增强型MOS管电路的静态分析:1、画出直流通路；2、求VGSQ，若VGSQVT，说明MOS管工作在截止区；3、若VGSQVT，设MOS管工作在饱和区，利用饱和区电流-电压关系分析电路，求IDQ、VDSQ；4、若VDSQVGSQ-VT，说明假设错误，MOS管工作在可变电阻区，需利用可变电阻区电流-电压关系重新分析电路。322、带源极电阻的NMOS共源极放大电路2TGSQnDQ)(VVKI假设工作在饱和区需要验证是否满足)(TGSQDSQVVVSGGSQVVV)(dDQSSDDDSQRRIVVV])([SSSSDDg2g1g2VVVRRR)(SSDQVRI33VG＝0，IDQ＝IVS＝VG－VGSQ2TGSQnDQ)(VVKI（饱和区）3、电流源偏置的NMOS共源极放大电路VD＝VDD－IDQRdVDSQ＝VD－VS34二、图解分析由于负载开路，交流负载线与直流负载线相同VGSQ=VGGIDQVDSQvDS/VtOtiD/mAOidvoVDDVDD/RdOiD/mAvDS/VQQ’Q’’dDDDDSRiVv35三、小信号模型分析1、MOSFET的小信号模型输入端口：栅极电流为零，输入端口视为开路，栅-源极间只有电压存在。输出端口：),(DSGSDvvfi在小信号情况下，对上式取全微分得DSDSDGSGSDDGSQDSQdvvidvvidiVV其中，mGSDDSQgviVdsDDSGSQrivVdsdsgsmd1vrgiv故36高频小信号模型dsdsgsmd1vrgiv372、MOSFET放大电路分析举例例1：设Rs=4k，Rg1=150k，Rg2=47k，Rd=10k，R=0.5kVDD=5V，-VSS=-5V，VT=1V，。试计算电路的电压增益，输入电阻和输出电阻。2nV/A500K2TGSQnDQ)(VVKI)(])([SSDQSSSSDDg2g1g2GSQVRIVVVRRRV解：假设工作在饱和区，求Q点)(dDQSSDDDSQRRIVVV得V2mA5.0GSQDQVI，V75.4DSQV，38V/mA1V/mA)12(5.02)(2TGSQnmVVKgs39)1()(mgsgsmgsiRgRgvvvv67.61mdmioRgRgAvvvk79.35//g2g1iRRRk10doRRs场效应管放大电路具有高输入阻抗的特点，所以特别适用于作为多极放大电路的输入级。dgsmoRgvv40例2：画出如图所示共漏极放大电路的小信号等效电路，并计算电路的电压增益、输入电阻和输出电阻。41RgRgAgsmgsgsmiovvvvvv11mmRgRgg2g1i//RRRmdsmdstto1////111grRgrRiRv425.3结型场效应管结构工作原理5.3.1JFET的结构和工作原理5.3.2JFET的特性曲线及参数5.3.3JFET放大电路435.3.1JFET的结构和工作原理1.结构(N沟道)源极(Source)N型导电沟道栅极(Gate)漏极(Drain)P型区P型区耗尽层44代表符号452.工作原理①vGS对沟道的控制作用当vGS＜0时（以N沟道JFET为例）当沟道夹断时，对应的栅源电压VGS称为夹断电压VP（或VGS(off)）。对于N沟道的JFET，VP0。PN结反偏耗尽层加厚沟道变窄vGS继续减小，沟道继续变窄。+-vGSVGG沟道电阻变大46②vDS对沟道的控制作用当vGS=0时，vDSiD同时，PN结反偏，耗尽层变厚，沟道变窄。当vDS增加到使vGD=VP时，在紧靠漏极处出现预夹断。预夹断后vDS夹断区延长沟道电阻iD基本不变迅速增大VDD+-vDSA饱和iD并且，越靠近漏极d处的电位越高，PN结所加反向电压越大，耗尽层越厚。整个沟道呈楔形分布。47③vGS和vDS同时作用时当VPvGS0时，vGS越小导电沟道越容易夹断。对于同样的vDS，改变vGS的值，iD随之改变。在预夹断处vGD=vGS-vDS=VPvGD=vGS-vDS+-vDS+-vGSVDDVGG•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。485.3.2JFET的特性曲线及参数#JFET有正常放大作用时，沟道处于什么状态？VPconst.DSDGS)(vvfi输出特性const.GSDDS)(vvfi转移特性),0()1(GSDSGSP2PGSDSSDPVvvvVVvIi　　49与耗尽型MOSFET类似3.JFET的参数50一、直流偏置及静态工作点的