模拟电子 第五章-场效应管及其基本放大电路

模拟电子技术基础FundamentalsofAnalogElectronic第五章场效应管及其放大电路第五章场效应管及其放大电路§5.1场效应管§5.2场效应管基本放大电路§5.1场效应管一、结型场效应管二、绝缘栅型场效应管三、场效应管的分类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绝缘栅场效应管特点单极型器件(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。绝缘栅型场效应管（MOSFET）由金属、氧化物和半导体制成。称为金属-氧化物-半导体场效应管，或简称MOS场效应管。特点：输入电阻可达109以上。类型N沟道P沟道增强型耗尽型增强型耗尽型uGS=0时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管；uGS=0时漏源间不存在导电沟道称增强型场效应管。一、N沟道增强型MOS场效应管1.结构和符号P型衬底N+N+BgsdSiO2源极s漏极d衬底引线B栅极gsgdB2.特性曲线(a)转移特性(b)漏极特性uGSUGS(th)，iD=0；uGS≥UGS(th)，形成导电沟道，随着uGS的增加，iD逐渐增大。2GSDDO()(1)GSthuiIU(uGS≥UGS(th))三个区：可变电阻区、恒流区、截止区。iD/mAUGS(th)2UGS(th)IDOuGS/VOiD/mAuDS/VOGSGS(th)uU预夹断轨迹恒流区可变电阻区夹断区()GSDSGSthuuU二、N沟道耗尽型MOS场效应管SGDB0uGS沟道变窄，iD减小=0漏源间存在导电沟道，iD0沟道加宽，iD增大即使uGS=0，漏源间也会形成导电沟道。N沟道耗尽型MOS管特性工作条件：uDS0；uGS正、负、零均可。iD/mAuGS/VOUGS(off)(a)转移特性IDSS(b)漏极特性iD/mAuDS/VO+1VuGS=03V1V2V43215101520uGS=UGS(off),感应电荷被“耗尽”，漏源间失去导电沟道，iD0。UGS(off)称为夹断电压IDSS称为饱和漏极电流场效应管的主要参数一、直流参数1.饱和漏极电流IDSS2.夹断电压UGS（off）3.开启电压UGS(th)4.直流输入电阻RGS为耗尽型场效应管的一个重要参数。为增强型场效应管的一个重要参数。为耗尽型场效应管的一个重要参数。输入电阻很高。结型场效应管一般在107以上，绝缘栅场效应管更高，一般大于109。二、交流参数1.低频跨导gm2.极间电容用以描述栅源之间的电压uGS对漏极电流iD的控制作用。DSDmGSΔΔuigu常数单位：iD毫安(mA)；uGS伏(V)；gm毫西门子(mS)这是场效应管三个电极之间的等效电容，包括CGS、CGD、CDS。极间电容愈小，则管子的高频性能愈好。一般为几个皮法。三、极限参数1.漏极最大允许耗散功率PDM2.漏源击穿电压U(BR)DS3.栅源击穿电压U(BR)GS由场效应管允许的温升决定。漏极耗散功率转化为热能使管子的温度升高。当漏极电流iD急剧上升产生雪崩击穿时的uDS。场效应管工作时，栅源间PN结处于反偏状态，若uGSU(BR)GS，PN将被击穿，这种击穿与电容击穿的情况类似，属于破坏性击穿。种类符号转移特性漏极特性结型N沟道耗尽型结型P沟道耗尽型绝缘栅型N沟道增强型sgdsgd+++osgdBuGSiDOUT各类场效应管的符号和特性曲线+uGS=UTuDSiD+++OiDuGS=0VuDSOuGSiDUPIDSSOuGSiD/mAUPIDSS0种类符号转移特性漏极特性绝缘栅型N沟道耗尽型绝缘栅型P沟道增强型耗尽型iDsgdBuDSiD_uGS=0+__OiDuGSUPIDSSOsgdBiDsgdBiDiDuGSUTOiDuGSUPIDSSO__o_+_o+两种半导体放大器件比较双极型半导体三极管(晶体三极管BJT)单极型半导体三极管(场效应管FET)两种载流子导电：双极性器件多数载流子导电：单极性器件内因：发射区高参杂、基区薄、集电区面积大外因：发射结正偏、集电结反偏一、放大条件BJT栅源电压改变沟道宽度从而控制漏极电流FET二、电极相对应：场效应管的s、g、d电极其功能与晶体管的e、b、c相对应。三、控制作用BJT：基极电流控制集电极电流并实现放大iC=iB电流控制器件FET：栅源之间的电压控制漏极电流并实现放大iD=gmuGS电压控制器件场效应管栅极基本不取电流，而晶体管基极总要取一定的电流，所以在只允许从信号源取极小量电流时，应选用场效应管，而在允许取一定量电流时，选用晶体管进行放大可以得到比场效应管较高的电压放大倍数。四、温度稳定性BJT：差FET：好BJT：利用多子和少子导电FET：利用多子导电在环境变化比较剧烈的情况下，采用场效应管比较合适。五、场效应管的漏源极可以互换，耗尽型绝缘栅管的栅极电压可正可负，灵活性比晶体管好。六、噪声BJT：大FET：小七、集成度：FET高八、输入电阻BJT：小FET：大§5.2场效应管基本放大电路一、场效应管静态工作点的设置方法二、场效应管放大电路的动态分析三、场效应管放大电路的频率响应一、场效应管静态工作点的设置方法根据场效应管工作在恒流区的条件，在g-s、d-s间加极性合适的电源dDQDDDSQ2GS(th)BBDODQBBGSQ)1(RIVUUVIIVU1.基本共源放大电路2.自给偏压电路sDQSQGQGSQsDQSQGQ0RIUUURIUU，2GS(off)GSQDSSDQ)1(UUII)(sdDQDDDSQRRIVU+由正电源获得负偏压称为自给偏压3.分压式偏置电路sDQSQDDg2g1g1AQGQRIUVRRRUU+2GS(th)GSQDODQ)1(UUII)(sdDQDDDSQRRIVU+即典型的Q点稳定电路二、场效应管放大电路的动态分析(N沟道增强型MOS管)DSGSDmUuig近似分析时可认为其为无穷大！根据iD的表达式或转移特性可求得gm。与晶体管的h参数等效模型类比：1.场效应管的交流等效模型用求导的方法计算gmGS(th)DOGSDmDODGSGS(th)GS(th)2d2(1)dIuigIiuUUU在Q点附近，可用IDQ表示上式中iD，则mDODQGS(th)2gIIU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。2GSDDOGS(th)(1)uiIU2.基本共源放大电路的动态分析doidmgsddioRRRRgURIUUAu3.基本共漏放大电路的动态分析++ismsmsdgssdio1RRgRgRIURIUUAu基本共漏放大电路输出电阻的分析msomsooooo1gRUgRUUIUR∥+求解场效应管放大电路的步骤(归纳)1.首先利用图解法或近似估算法确定放大电路的静态工作点Q，2.求出静态工作点处的微变等效电路参数。3.画出放大电路的微变等效电路。4.列出电路方程并求解动态性能指标。mDODQGS(th)2gIIUDQIGSQUDSQU