第四章：场效应管及放大电路.

模拟电子(1-1)第五章场效应管放大电路模拟电子(1-2)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：模拟电子(1-3)§4.1结型场效应管（JFET)场效应管又称单极型晶体管，与双极型晶体管不同，它是多子导电，输入阻抗高，温度稳定性好。结型场效应管JFET绝缘栅型场效应管MOS场效应管有两种:模拟电子(1-4)N基底：N型半导体PP两边是P区G(栅极)S源极D漏极（1）结构1.结型场效应管的结构和工作原理导电沟道模拟电子(1-5)NPPG(栅极)S源极D漏极N沟道结型场效应管DGS模拟电子(1-6)PNNG(栅极)S源极D漏极P沟道结型场效应管DGS模拟电子(1-7)PGSDVDSVGSNN（2）工作原理（以P沟道为例）NNPN结反偏，VGS越大则耗尽区越宽，导电沟道越窄。VDS=0时模拟电子(1-8)VDS=0时PGSDVDSVGSNNNNVGS越大耗尽区越宽，沟道越窄，电阻越大。但当VGS较小时，耗尽区宽度有限，存在导电沟道。DS间相当于线性电阻。模拟电子(1-9)PGSDVDSVGSNNVDS=0时VGS达到一定值时（夹断电压VP）,耗尽区碰到一起，DS间被夹断，漏极电流是ID=0。模拟电子(1-10)PGSDVDSVGSNN越靠近漏端，PN结反压越大UDS较小时VGSVp且VDS较大时VGDVP时耗尽区的形状模拟电子(1-11)PGSDVDSVGSNN沟道中仍是电阻特性，但是是非线性电阻。UDS较小时VGSVp且VDS较大时VGDVP时耗尽区的形状模拟电子(1-12)GSDVDSVGSNN漏端的沟道被夹断，称为预夹断。VDS增大则被夹断区向下延伸。VDS增大时模拟电子(1-13)GSDVDSVGSVGSVpVGD=VP时NN此时，电流ID基本不随VDS的增加而增加，呈恒流特性。模拟电子(1-14)分析:（1）栅极电压vGS反偏，利用改变vGS的大小，改变耗尽层的厚度，从而控制漏极电流的大小。GSv耗尽层厚度导电沟道变窄Di体现了压控原理：由vGS控制iD。模拟电子(1-15)（2）漏极电压vDS对iD有影响vDS=0时，导电沟道等宽。vDS0时，导电沟道不等宽。夹断条件预夹断：vGD=VP(夹断电压）全夹断：vGS=VP夹断前：vDSiD管子呈现恒阻性夹断后：vDSiD几乎不变管子呈现恒流性压控电阻放大区模拟电子(1-16)vGS0iDIDSSVP饱和漏极电流夹断电压转移特性曲线一定vDS下的iD-vGS曲线2.P沟道结型场效应管的特性曲线及参数模拟电子(1-17)予夹断曲线iDvDS2VvGS=0V1V3V4V5V可变电阻区夹断区恒流区输出特性曲线0模拟电子(1-18)N沟道结型场效应管的特性曲线转移特性曲线vGS0iDIDSSVP模拟电子(1-19)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模拟电子(1-20)1.N沟道增强型绝缘栅场效应管（MOSFET)（1）结构和电路符号PNNGSDP型衬底两个N区SiO2绝缘层§4.2金属-氧化物-半导体场效应管模拟电子(1-21)PNNGSD金属铝导电沟道GSDN沟道增强型模拟电子(1-22)N沟道耗尽型PNNGSD在绝缘层中掺有大量的正离子GSD模拟电子(1-23)NPPGSDGSDP沟道增强型模拟电子(1-24)P沟道耗尽型NPPGSDGSD在绝缘层中掺有大量的负离子模拟电子(1-25)（2）MOS管的工作原理以N沟道增强型为例PNNGSDVDSVGS模拟电子(1-26)VGSPNNGSDVDSVGS=0时D-S间相当于两个反接的PN结ID=0对应截止区模拟电子(1-27)VGSPNNGSDVDSVGS0时VGS足够大时（VGSVT）感应出足够多电子，这里以电子导电为主出现N型的导电沟道。感应出电子VT称为阈值电压模拟电子(1-28)VGSPNNGSDVDSVGS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。模拟电子(1-29)VGSPNNGSDVDS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。模拟电子(1-30)VGSPNNGSDVDSVDS增加，VGD=VT时，靠近D端的沟道被夹断，称为预夹断。夹断后ID呈恒流特性。ID模拟电子(1-31)分析:（1）栅极电压vGS正偏；利用vGS大小改变半导体表面感生电荷的多少，从而控制iD的大小。vGS=0时vGS0到vGSVT时无沟道iD=0导电沟道形成iD0vGS沟道变宽iDvGS沟道变窄iD模拟电子(1-32)（2）漏极电压vDS对iD有影响vDS=0时，导电沟道等宽。vDS0时，导电沟道不等宽。夹断条件vGD=VT(开启电压）夹断前：vDSiD管子呈现恒阻性夹断后：vDSiD几乎不变管子呈现恒流性压控电阻放大区模拟电子(1-33)（3）耗尽型MOSFET特点事先在绝缘层与衬底加一定的正电荷或负电荷，使外加的vGS可正可负。模拟电子(1-34)2.增强型N沟道MOS管的特性曲线转移特性曲线0iDvGSVT模拟电子(1-35)输出特性曲线iDvDS0vGS0模拟电子(1-36)耗尽型N沟道MOS管的特性曲线耗尽型的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0iDvGSVT模拟电子(1-37)输出特性曲线iDvDS0vGS=0vGS0vGS0模拟电子(1-38)总结场效应管的特点：场效应管为压控电流器件。输入电阻很高J型106~109J型1015只有一种载流子导电N沟道为电子P沟道为空穴称单极型晶体管，故热稳定性好。模拟电子(1-39)制造工艺简单，易于集成。栅极面积大，高频特性不好。模拟电子(1-40)§4.3场效应管的主要性能参数1.直流参数：VP-耗尽型(夹断电压)VT-增强型(开启电压)IDSS-耗尽型(饱和漏电流)RGS(直流输入电阻)V(BR)DSV(BR)GS反向电压PDM=iDvDS(功耗)模拟电子(1-41)2.动态参数：CvvigDSGSDm)V1(V2PGSPDSSVICDDSdGSvivr互导动态电阻值很大极间电容噪声系数模拟电子(1-42)3.使用时应注意的问题J型——vGS不能接反。IG型——存放时三个电极不能开路。焊接时不能带电（烙铁外皮必须接地）。IG型衬底的处理应妥善：N衬底接高电平P衬底接低电平外接好的，与源极相连模拟电子(1-43)§4.4场效应管放大电路电路的组成原则及分析方法(1).静态：适当的静态工作点，使FET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。分析方法模拟电子(1-44)场效应管放大电路分共源极放大电路共漏极放大电路共栅极放大电路重点介绍模拟电子(1-45)1.场效应管的直流偏置电路及静态分析(1)共源极JFET直流偏置电路自偏压电路+-vi+-vo+Cb2C+Cb1gdsRg0.01uF10MR2k47uF30kRd4.7uFVDD18V直流通路图+gdsRg10MR2k30kRdVDD18V模拟电子(1-46)+gdsRg10MR2k30kRdVDD18V直流通路图电路特点:栅电压是自给的（只适用于耗尽型），即不外加电压时也有一定的漏电流。很大，相当于开路，gR)(0G栅极不吸取电流VRIVDGS模拟电子(1-47)分压器式自偏压电路+VDDvoRviCCb2Cb1Rg1RdRg3Rg22M47k10M30k2kgds18V++0.01uF47uF4.7uF+-+-+VDDRRg1RdRg3Rg22M47k10M30k2kgds18V直流通路图模拟电子(1-48)电路特点:栅极电压是通过分压获得的,适用于耗尽型和增强型。00g3RV，故栅极电流为DDg2g1g2GVRRRVRIVRRRVDDDg2g1g2GS+VDDRRg1RdRg3Rg22M47k10M30k2kgds18V直流通路图DDg2g1g2DVRRRRI模拟电子(1-49)(2)静态工作点的确定公式计算法2PGSDSSD1VvIi+VDDRRg1RdRg3Rg22M47k10M30k2kgds18V直流通路图RIVRRRVDDDg2g1g2GS根据求得VGS、ID和VDS模拟电子(1-50)dsg+-vGS+-vDSiD),(DSGSDvvfi若场效应管工作在小信号状态，则对该式取全微分：DSVDSDGSVGSDDGSDSdvvidvvidi为无限小的信号增量，将它们用有限增量代替idvgsvds2.场效应管放大电路的小信号模型分析法(1)小信号模型模拟电子(1-51)dsg+-vGS+-vDSiDdsdgsmd1vrvgidsdgsmd1VrVgIDSVDSDGSVGSDDGSDSdvvidvvidiidvgsvdsdDSD1rvimGSDgvi跨导漏极输出电阻模拟电子(1-52)dsg+-vGS+-vDSiDdsdgsmd1vrvgidsdgsmd1VrVgIgsV+-dsV+-rdsgdgsVgmdIFET低频小信号模型模拟电子(1-53)(2)应用小信号模型法分析场效应管放大电路共源极JFET电路组成小信号模型sgdRdRg2Rg1Rg3iV+-oV+-dIrdgsmVggsV+-R+VDDvoRviCb2Cb1Rg1RdRg3Rg2gds++-+-模拟电子(1-54)sgdRdRg2Rg1Rg3iV+-oV+-dIrdgsmVggsV+-RdgsmoRVgVRgRgAmdmVm1)1(mgsgsmgsiRgVRVgVV中频电压增益输入与输出反相模拟电子(1-55)sgdRdRg2Rg1Rg3iV+-oV+-dIrdgsmVggsV+-R输入电阻)//(g2g1g3iRRRR输出电阻doRR模拟电子(1-56)共漏极JFET电路组成小信号模型+VDDvoRviCb2Cb1Rg1Rg3Rg2gds++-+RLRs--+vssgdRLRg2Rg1Rg3iV+-oV+-gsmVggsV+-RRs-+vs模拟电子(1-57)sgdRLRg2Rg1Rg3iV+-oV+-gsmVggsV+-RRs-+vs)//(LgsmoRRVgV中频电压增益)//)((LoimoRRVVgV)//(1)//(LmLmioVmRRgRRgVVA时当1)//(LmRRg1VmA电压跟随器oigsVVV模拟电子(1-58)sgdRLRg2Rg1Rg3iV+-oV+-gsmVggsV+-RRs-+vs输入电阻)//(g2g1g3iRRRR模拟电子(1-59)输出电阻sgdRLRg2Rg1Rg3iV+-TV+-gsmVggsV+-RRsTIRIgsmRTVgIIgsmTVgRVTgsVV因为)1(mTTgRVI故TToIVRmgR11mgRR1//o模拟电子(1-60)场效应管三种接法电路比较