电子技术培训课件 第3章

3.1结型场效应管（JFET）第3章场效应管放大电路*3.2绝缘栅场效应管3.3场效应管的特点及主要参数3.4场效应管放大电路本章重点与难点了解场效应管放大电路的组成、结构特点及其性能指标；理解场效应管的主要参数和场效应管的特点。掌握场效应管放大电路结构、工作原理、静态和动态分析方法。本章重点本章难点P沟道耗尽型P沟道P沟道N沟道增强型N沟道N沟道（耗尽型）FET场效应管JFET结型MOSFET绝缘栅型(IGFET)耗尽型：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在增强型：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道场效应管的分类：3.1结型场效应管•3.1.1结构–N沟道结型场效应管gPPdNsgdsgPPdNsgdsd-漏极s-源极g-栅极#符号中的箭头方向表示什么？gdsNNPgds符号中栅极的箭头方向可理解为两个结的正向导电方向P沟道结型场效应管gPPdNsgds3.1.2场效应管工作原理ggRPPdGGVDDVNsGSvDSvDidR耗尽层为了保证场效应管工作在放大状态，栅极与源极之间的结处于反向偏置以N沟道结型场效应管为例ggRPPdGGVDDVNsGSvDSvDidR耗尽层工作原理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。工作原理②vDS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。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工作原理（以N沟道JFET为例）③vGS和vDS同时作用时当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。#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。3.1.3场效应管特性曲线场效应管的主要特性曲线：ggRPPdGGVDDVNsGSvDSvDioffGSGSDSVvva.)(ggRPPdGGVDDVNsGSvDSvDiAoffGSGSDSVvvb.)(ggRPPdGGVDDVNsGSvDSvDiAoffGSGSDSVvvc.)(dRdRdR（１）输出特性曲线（２）转移特性曲线一、输出特性曲线CuDSDGSufi|)(/DSvV0GSv.DSGSGSoffvvV0.5V1.0V-1.5V-2.0V10206420mAiD/图3-6N沟道结型扬效应管的输出特性曲线/DSvV0GSv.DSGSGSoffvvV0.5V1.0V-1.5V-2.0V10206420mAiD/图3-6N沟道结型扬效应管的输出特性曲线三个工作区：（1)可变电阻区；(2)恒流区；（3）截止区可变电阻区恒流区截止区二、转移特性曲线-2mAiD/240-11020024mAiD/DSSIabcde-0.5V-1.0V-1.5V-2.0V10DSvV.GSoffV/GSvV0GSv/DSvV(a)转移特性曲线(b)输出特性曲线CuGSDDSufi|)(2GSDDSSGS.off1viIV2GSDDSSGS.off1viIV2GSDDSSGS.off1viIV对于对结型场效管来说是管子所能输出的最大电流，饱和漏极电流3.2绝缘栅型场效应管3.2.1N沟道增强型MOSFET3.2.2N沟道耗尽型MOSFET3.2.3P沟道MOSFET3.2.4沟道长度调制效应P沟道耗尽型P沟道P沟道N沟道增强型N沟道N沟道（耗尽型）FET场效应管JFET结型MOSFET绝缘栅型(IGFET)耗尽型：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在增强型：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道场效应管的分类：3.2.1N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WL3.2.1N沟道增强型MOSFET剖面图1.结构（N沟道）符号3.2.1N沟道增强型MOSFET2.工作原理（1）vGS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0uGSUT时产生电场，但未形成导电沟道（感生沟道），d、s间加电压后，没有电流产生。当uGS≥UT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UT称为开启电压2.工作原理（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当uGS一定（uGSUT）时，uDSiD沟道电位梯度当vDS增加到使vGD=VT时，在紧靠漏极处出现预夹断。2.工作原理（2）uDS对沟道的控制作用在预夹断处：uGD=uGS-uDS=UT预夹断后，uDS夹断区延长沟道电阻iD基本不变2.工作原理（2）uDS对沟道的控制作用2.工作原理（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。3.V-I特性曲线及大信号特性方程（1）输出特性及大信号特性方程①截止区当uGS＜UT时，导电沟道尚未形成，iD＝0，为截止工作状态。const.DSDGS)(uufi3.U-I特性曲线及大信号特性方程（1）输出特性及大信号特性方程const.DSDGS)(vvfi②可变电阻区vDS≤（vGS－VT）])(2[2DSDSTGSnDvvvVKi由于vDS较小，可近似为DSTGSnD)(vvVKi2常数GSDDSdsoddvvir)(TGSnVKv21rdso是一个受vGS控制的可变电阻3.V-I特性曲线及大信号特性方程（1）输出特性及大信号特性方程②可变电阻区DSTGSnD)(vvVKi2)(TGSndsoVKrv21n：反型层中电子迁移率Cox：栅极（与衬底间）氧化层单位面积电容本征电导因子oxnnCμKLWCμLWKK22oxnnn其中Kn为电导常数，单位：mA/V23.V-I特性曲线及大信号特性方程（1）输出特性及大信号特性方程③饱和区（恒流区又称放大区）vGSVT，且vDS≥（vGS－VT）2)(TGSnDVKiv221)(TGSTnVVKv21)(TGSDOVIv2TnDOVKI是vGS＝2VT时的iDV-I特性：3.V-I特性曲线及大信号特性方程（2）转移特性const.GSDDS)(vvfi21)(TGSDODVIiv3.2.2N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3.2.2N沟道耗尽型MOSFET2.V-I特性曲线及大信号特性方程21)(PGSDSSDVIiv21)(TGSDODVIiv（N沟道增强型）3.2.3P沟道MOSFET3.2.4沟道长度调制效应实际上饱和区的曲线并不是平坦的)()(DSTGSnDvv12VKi)()(DSTGSDOvv112VIL的单位为m1V1.0L当不考虑沟道调制效应时，＝0，曲线是平坦的。修正后场效应管的主要特点是:输入电阻高，抗辐射能力强，易于集成.主要参数包括:直流参数、交流参数、极限参数三部分。3.3场效应管的特点及主要参数一、直流参数1.夹断电压VP（耗尽型参数）2.饱和漏电流IDSS（耗尽型参数）3.直流输入电阻RGS（109Ω～1015Ω）二、交流参数1.输出电阻rdsGSDDSdsVirv当不考虑沟道调制效应时，＝0，rds→∞主要参数主要参数DSGSDmVigv2.低频互导gm反映了栅源电压对漏极电流的控制能力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U（BR）DS4.最大栅源电压U（BR）GS3.4场效应管放大电路利用场效应管栅源电压对漏极电流的控制作用，可构成场效应管放大电路。管子工作在恒流区，且也要选择合适的静态工作点。场效应管的三个电极与晶体三极管的三个电极存在着对应关系其放大倍数的计算，也采用交流小信号等效电路分析方法。3.4.1场效应管偏置电路3.4.2场效应管的微变等效电路3.4.3场效应管的基本放大电路性能分析3.4场效应管放大电路•场效应管放大电路也应由偏置电路建立一个合适的静态工作点。•不同类型的场效应管对偏置电压的极性有不同要求3.4.1场效应管偏置电路一.直流偏置电路（1）自偏压电路GRSRSISC2CDDV1CDRT1CGR2CSCTDR1GR2GRSRDDV（a）（b）自偏压方式混合偏压方式图3-12场效应管的偏置方式iVoVoViVgdsgds1)组成；2)uGS=?(2)分压式自偏压电路(混合偏置)1）组成；2)uGS=?GRSRSISC2CDDV1CDRT1CGR2CSCTDR1GR2GRSRDDV（a）（b）自偏压方式混合偏压方式图3-12场效应管的偏置方式iVoVoViVgdsgds二.电路分析电路分析的任务:静态分析和动态分析1.静态分析场效应管的静态工作点指直流量uGS、iD和uDS，它们同样对应于特性曲线上的某—点Q。通常可用图解法和估算法确定，在这里介绍估算法。GRSRSISC2CDDV1CDRT1CGR2CSCTDR1GR2GRSRDDV（a）（b）自偏压方式混合偏压方式图3-12场效应管的偏置方式iVoVoViVgdsgds2212)1(PGSDSSDSDGGGDDGSuuIiRiRRRVu以分压式自偏压电路为例对求得，则2212)1(PGSDSSDSDGGGDDGSuuIiRiRRRVu()DSDDDDsuViRR2.动态分析动态分析仍采用微变等效电路器件的等效电路模型为：gPPdNsgdsgsmUggsrdsrdIgsUgssd+_+_dsUgsmUgdIgsUgssd+_+_dsUgPPdNsgdsGR1R2RgsdDRLRiVOVgsVgsmgV(a)电路(b)等效电路图3-14共源电路及等效电路GR1R2RgsdDRLRiVOVgsVgsmgV(a)电路(b)等效电路图3-14共源电路及等效电路(1).共源极放大电路DDV1CGRsRT2CLRiVOVLRsRgsVGRgsdOViVgsmgVGRsRI0R0rVgsmgVgsVDDV1CGRsRT2CLRiVOVLRsRgsVGRgsdOViVgsmgVGRsRI0R0rVgsmgVgsVDDV1CGRsRT2CLRiVOVLRsRgsVGRgsdOViVgsmgVGRsRI0R0rVgsmgVgsV(2).共漏极放大电路场效应管属于单极性电压控制型器件，它有结型和绝缘栅型两大类。本章小结场效应管的栅极电流近似为零，输入电阻很大；因为场效应管的跨导比小，故场效应管放大电路的电压放大倍数较小。场效应管放大电路有共源极、共栅极和共漏极三种组态，分析方法分为静态分析和动态分析。