第四章场效应管放大电路

4.1结型场效应管4.2金属-氧化物-半导体场效应管4.4场效应管放大电路学习指导小结4.3场效应管的主要参数概述场效应管是通过改变外加电压产生的电场强度来控制其导电能力的半导体器件。它不仅具有双极型三极管的体积小、重量轻、耗电少、寿命长等优点，而且还具有输入电阻高、热稳定性好、抗辐射能力强、噪声低、制造工艺简单、便于集成等特点。因而，在大规模及超大规模集成电路中得到了广泛的应用。根据结构和工作原理不同,场效应管可分为两大类:结型场效应管(JFET)和绝缘栅型场效应管(IGFET).主要内容:(1)结型场效应管的结构及工作原理(2)金属-氧化物-半导体场效应管的结构及工作原理(3)场效应管放大电路的静态及动态性能分析学习指导学习目标：1.正确理解各种场效应管的工作原理2.熟练掌握各种场效应管的外特性及主要参数3.熟练掌握共源、共漏放大电路的工作原理及直流偏置4.会用场效应管小信号模型分析法求解共源、共漏放大电路的电压增益、输入电阻和输出电阻学习方法：学习本章内容时，应特别注意使用比较和归纳的方法：1.与三极管及其放大电路进行比较（两种管子的结构、工作原理、外特性、主要参数、小信号模型等的比较；两种器件组成的放大电路的直流偏置电路及静态、动态分析方法的比较；共射与共源、共集与共漏等放大电路性能的比较）。2.不同类型（结型与绝缘栅型）、不同沟道的各种场效应管之间的比较与归纳（工作原理、电压极性、主要参数的比较等）。概述场效应管与晶体管的区别1.晶体管是电流控制元件；场效应管是电压控制元件。2.晶体管参与导电的是电子—空穴，因此称其为双极型器件；场效应管是电压控制元件，参与导电的只有一种载流子，因此称其为单极型器件。3.晶体管的输入电阻较低，一般102~104；场效应管的输入电阻高，可达109~1014场效应管的分类结型场效应管JFETMOS型场效应管JFETN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)4.1结型场效应管结型场效应管的结构结型场效应管的工作原理结型场效应管的特性曲线及参数1、结型场效应管（JFET)结构P+P+NGSD导电沟道结型场效应管动画一源极，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结型场效应管①VGS对沟道的控制作用当VGS＜0时当沟道夹断时,ID减小至0，此时对应的栅源电压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，ID继续变小DP+P+NGSVDSIDVGS当VGS=0时，沟道最宽，沟道电阻最小，在VDS的作用下N沟道内的电子定向运动形成漏极电流ID,此时最大。沟道电阻变大ID变小2、结型场效应管（JFET)的工作原理根据其结构，它只能工作在反偏条件下，N沟道管加负栅源电压，P沟道管加正栅源电压，否则将会出现栅流。动画二4.1结型场效应管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2、结型场效应管（JFET)的工作原理DP+P+NGSVDSIDVGS4.1结型场效应管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=VP2、结型场效应管（JFET)的工作原理DP+P+NGSVDSIDVGS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。JFET是利用PN结反向电压对耗尽层厚度的控制，来改变导电沟道的宽窄，从而控制漏极电流的大小。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？const.DSDGS)(vvfi(2)转移特性const.GSDDS)(vvfi)0()1(GSP2PGSDSSDvVVvIiVP(1)输出特性3、结型场效应管（JFET)的特性曲线及参数动画三动画四①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)GS结型场效应管N沟道耗尽型P沟道耗尽型4.2金属-氧化物-半导体场效应管增强型MOS场效应管耗尽型MOS场效应管MOS场效应管分类4.2MOS场效应管MOS场效应管N沟道增强型的MOS管P沟道增强型的MOS管N沟道耗尽型的MOS管P沟道耗尽型的MOS管4.2MOS场效应管一、N沟道增强型MOS场效应管结构增强型MOS场效应管漏极D→集电极C源极S→发射极E绝缘栅极G→基极B衬底B电极—金属绝缘层—氧化物基体—半导体因此称之为MOS管4.2MOS场效应管动画五当VGS较小时，虽然在P型衬底表面形成一层耗尽层，但负离子不能导电。当VGS=VT时,在P型衬底表面形成一层电子层，形成N型导电沟道，在VDS的作用下形成iD。二、N沟道增强型MOS场效应管工作原理增强型MOS管VDSiD++--++--++++----VGS反型层当VGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的PN结，无论VDS之间加什么电压都不会在D、S间形成电流iD,即iD≈0.当VGSVT时,沟道加厚，沟道电阻减少，在相同VDS的作用下，iD将进一步增加。开始时无导电沟道，当在VGSVT时才形成沟道,这种类型的管子称为增强型MOS管动画六一方面MOSFET是利用栅源电压的大小，来改变半导体表面感生电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。当VGS＞VT，且固定为某一值时，来分析漏源电压VDS的不同变化对导电沟道和漏极电流ID的影响。VDS=VDG＋VGS=－VGD＋VGSVGD=VGS－VDS当VDS为0或较小时，相当VGD＞VT,此时VDS基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。在VDS作用下形成ID增强型MOS管4.2MOS场效应管另一方面，漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用当VDS增加到使VGD=VT时，当VDS增加到VGDVT时，增强型MOS管这相当于VDS增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为预夹断。此时的漏极电流ID基本饱和。此时预夹断区域加长，伸向S极。VDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上，ID基本趋于不变。4.2MOS场效应管另一方面，漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用VGD=VGS－VDS三、N沟道增强型MOS场效应管特性曲线增强型MOS管iD=f(vGS)vDS=C转移特性曲线iD=f(vDS)vGS=C输出特性曲线vDS(V)iD(mA)当vGS变化时，RON将随之变化，因此称之为可变电阻区恒流区(饱和区)：vGS一定时，iD基本不随vDS变化而变化。vGS/VDTGSDTGSTGSDDiVvIVvVvIi时的是2)()1(020一、N沟道耗尽型MOS场效应管结构耗尽型MOS场效应管+++++++耗尽型MOS管存在原始导电沟道4.2MOS场效应管耗尽型MOS管二、N沟道耗尽型MOS场效应管工作原理当VGS=0时，VDS加正向电压，产生漏极电流iD,此时的漏极电流称为漏极饱和电流，用IDSS表示。当VGS＞0时,将使iD进一步增加。当VGS＜0时，随着VGS的减小漏极电流逐渐减小，直至iD=0，对应iD=0的VGS称为夹断电压，用符号VP表示。VGS(V)iD(mA)VP4.2MOS场效应管N沟道耗尽型MOS管可工作在VGS0或VGS0N沟道增强型MOS管只能工作在VGS0耗尽型MOS管三、N沟道耗尽型MOS场效应管特性曲线输出特性曲线4.2MOS场效应管VGS(V)iD(mA)VP转移特性曲线各类绝缘栅场效应三极管的特性曲线绝缘栅场效应管N沟道增强型P沟道增强型4.2MOS场效应管绝缘栅场效应管N沟道耗尽型P沟道耗尽型4.2MOS场效应管4.3场效应管的主要参数2.夹断电压VP：是耗尽型FET的参数，当VGS=VP时,漏极电流为零。3.饱和漏极电流IDSS耗尽型场效应三极管当VGS=0时所对应的漏极电流。1.开启电压VT：MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值,场效应管不能导通。4.2MOS场效应管4.直流输入电阻RGS:栅源间所加的恒定电压VGS与流过栅极电流IGS之比。结型:大于107Ω，绝缘栅:109～1015Ω。5.漏源击穿电压V(BR)DS:使ID开始剧增时的VDS。6.栅源击穿电压V(BR)GSJFET：反向饱和电流剧增时的栅源电压MOS：使SiO2绝缘层击穿的电压7.低频跨导gm：反映了栅源压对漏极电流的控制作用。CVGSDmDSdvdig4.2MOS场效应管8.输出电阻rdsCVDDSdGSdidvrs9.极间电容Cgs—栅极与源极间电容Cgd—栅极与漏极间电容Csd—源极与漏极间电容4.4场效应管放大电路场效应管偏置电路三种基本放大电路4.3场效应管放大电路FET小信号模型一、场效应管偏置电路1、自给偏置电路场效应管偏置电路的关键是如何提供栅源控制电压UGS自给偏置电路：适合结型场效应管和耗尽型MOS管外加偏置电路：适合增强型MOS管UGS=UG-US=-ISRS≈-IDRS2PGSDSSD)UU(1IIUGSQ和IDQUDSQ=ED-IDQ(RS+RD)GSD基本自给偏置电路4.3场效应管放大电路RS的作用：1.提供栅源直流偏压。2.提供直流负反馈，稳定静态工作点。RS越大，工作点越稳定。偏置电路改进型自给偏置电路大电阻（M)，减小R1、R2对放大电路输入电阻的影响D212GERRRUUGS=UG-US-IDRS2PGSDSSD)UU(1IIUGSQ和IDQUDSQ=ED-IDQ(RS+RD)D212ERRR4.3场效应管放大电路1、自给偏置电路R1R2提供一个正偏栅压UG偏置电路2、外加偏置电路D212GERRRU-IDRSD212ERRRR1和R2提供一个固定栅压UGS=UG-US注：要求UGUS，才能提供一个正偏压，增强型管子才能正常工作4.3场效应管放大电路二、场效应管的低频小信号模型iD由输出特性：iD=f(vGS,vDS)DS0ΔvDSDGS0ΔvGSDDvΔvΔiΔvΔvΔiΔiΔGSDSDSGSDvΔvΔiΔdsmgg4.3场效应管放大电路dsgsdvvidsmggSDgdsvgs+-+-vdsGidgmvgs三、三种基本放大电路1、共源放大电路（1）直流分析UGS=UG-US-IDRS2PGSDSSD)UU(1IIUGSQ和IDQUDSQ=ED-IDQ(RS+RD)D212ERRR4.3场效应管放大电路基本放大电路IdGRGR1R2RDRLDrdsRSgmUgsSUiUo未接Cs时一般rds较大可忽略ioUUUA=-gmUgsR'DUgs+gmUgsRs=-gmR'D1+gmRsR'D=RD//RL（2）动态分析Ri=RG+(R1//R2)