国家十一五规划教材-李春茂主编-电子技术-第3章 场效应晶体管放大电路

Chap第3章场效应管放大电路Sect3.1、结型场效应管3.2、绝缘栅场效应管MOS3.3场效应管的主要参数3.4场效应管放大电路Chap场效应管FET与三极管BJT的区别Sect1.BJT:是电流控制元件；FET:是电压控制元件。2.BJT参与导电的是电子—空穴，因此称其为双极型器件；FET是电压控制元件，参与导电的只有一种载流子，称为单级型器件。3.BJT输入电阻较低，一般102~104；FET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MOSFET双极型三极管场效应三极管噪声较大较小温度特性受温度影响较大较小，可有零温度系数点输入电阻几十到几千欧姆几兆欧姆以上静电影响不受静电影响易受静电影响集成工艺不易大规模集成适宜大规模和超大规模集成Chap3.1、结型场效应管Sect3.1.1、结构与工作原理漏极D集电极C栅极G基极B源极S发射极E导通条件：•UGS0UBE0•UDS0UBC01)在一定UDS作用下,栅源极电压为负,栅源极勾道通,UGS决定电流iD的大小2)沟道中只有一种截流子——单极型晶体管1、结构Chap2.JFET工作原理N沟道结型场效应三极管只能工作在负栅压区，P沟道的只能工作在正栅压区，当UGS=0时，沟道较宽，在UDS的作用下N沟道内的电子定向运动形成漏极电流ID。当UGS＜0时，PN结反偏，PN结加宽，漏源间的沟道将变窄，ID将减小，当UGS继续向负方向增加，沟道继续变窄，ID继续减小直至为0。当漏极电流为零时所对应的栅源电压UGS称为夹断电压UP。P+P+NGSDUDSIDDP+P+NGSUDSIDUGS预夹断UGS=UP夹断状态ID=0Sect导电沟道Chap3.1.2JFET特性曲线UP转移特性曲线输出特性曲线Sect∣)(DSDUficonstGSU1.输出特性曲线：可变电阻区线性放大区ID=gmUGS击穿区IDSS：饱和栅极漏极电流,UGS=0UP：预夹断电压,iD=0UT：开启电压,不通转通2.转移特性曲线：2PGSDSSD)(1UUIIUTChap3.2、绝缘栅场效应管MOSSect3.2.1.N沟道增强型MOS场效应管漏极D→集电极C源极S→发射极E栅极G→基极B衬底B电极—金属绝缘层—氧化物基体—半导体称之为MOS管类型：N沟道增强型P沟道耗尽型退出1.结构和工作原理Chap当UGS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UGS=UT时,在P型衬底表面形成一层电子层，形成N型导电沟道在UDS的作用下形成ID。UDSID++--++--++++----UGS反型层当UGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的PN结，无论UDS之间加上电压不会在D、S间形成电流ID,即ID≈0.当UGSUT时,沟道加厚，沟道电阻减少，在相同UDS的作用下ID将进一步增加开始无导电沟道，当在UGSUT时才形成沟道,这种类型的管子称为增强型MOS管SectN沟道增强型MOS工作原理Chap2.N沟道增强型MOS特性曲线UDS一定时，UGS对漏极电流ID的控制关系曲线ID=f(UGS)UDS=C1).转移特性曲线UDSUGS-UTUGS(V)ID(mA)UT在恒流区，ID与UGS的关系为ID≈K(UGS-UT)2沟道较短时，应考虑UDS对沟道长度的调节作用：ID≈K(UGS-UT)2（1+UDS)K—导电因子（mA/V2)—沟道调制长度系数LWCKOXn2LWK2nSK2DSULLn—沟道内电子的表面迁移率COX—单位面积栅氧化层电容W—沟道宽度L—沟道长度Sn—沟道长宽比K'—本征导电因子SectChap2).输出特性曲线2.恒流区：UGS一定，ID基本不随UDS变化而变3.击穿区：UDS增加到某一值时，ID开始剧增而出现击穿。ID开始剧增时UDS称为漏源击穿电压。UGS=6VUGS=4VUGS=5VUGS=3VUGS=UT=3VUGS(V)ID(mA)SectUGS一定时，ID与UDS的变化曲线，是一族曲线ID=f(UDS)UGS=C1.可变电阻区：近线性ID≈2K(UGS-UT)UDS可变电阻区:当UGS变化时，RON将随之变化恒阻区:当UGS一定时，RON近似为一常数2K1UU1dIdURTGS0dUDDSonGSChap3.2.2N沟道耗尽型MOS场效应管+++++++耗尽型MOS管存在原始导电沟道Sect1.工作原理当UGS=0时，UDS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IDSS当UGS＞0时，将使ID进一步增加。当UGS＜0时，UGS的减小漏极电流逐渐减小。直至ID=0。对应ID=0的UGS称为夹断电压UP退出Chap2.特性曲线转移特性曲线UGS(V)ID(mA)UP在恒流区ID≈K(UGS-UP)2沟道较短时ID≈K(UGS-UT)2（1+UDS)ID≈IDSS(1-UGS/UP)2常用关系式：Sect输出特性曲线ID(mA)N沟道耗尽型MOS管可工作在UGS0或UGS0N沟道增强型MOS管只能工作在UGS0Chap各类场效应三极管的特性曲线Chap3.3场效应管的主要参数Sect1.开启电压UTMOS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。2.夹断电压UP夹断电压是耗尽型FET的参数，当UGS=UP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UGS=0时所对应的漏极电流。4.直流输入电阻RGS栅源间所加的恒定电压UGS与流过栅极电流IGS之比结型场效应管，反偏时RGS约大于107Ω，绝缘栅场效应管RGS约是109～1015Ω5.漏源击穿电压BUDS使ID开始剧增时的UDS。6.栅源击穿电压BUGSJFET：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低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用)1(2PGSPDSSconstGSDmDSUUUIUIguChap3.4场效应管放大电路1、静态值：3.4.1共源组态基本放大电路GUSU2CdRDDV1CsRVTCsuiDIg2Rg1RVTVDDuiC1C2RdRLuoRg1CsRg2GURsSUVTVDDuiC1C2RdRLuoRsCsRg22CdRDDV1C++gRsRVTCsuiuo+(1).分压偏置电路g2g1DDg2GRRVRU)(12PGSDSSDUUIIUGS=UG－US=UG－IDRSUDS=VDD－ID(Rd+RS)(2).自给偏压电路)(12PGSDSSDUUIIUGS=-ISRS=-IDRSUDS=VDD－ID(Rd+RS)自给偏置电路：适合结型管和耗尽型MOS管外加偏置电路：适合增强型MOS管采用结型场效应管采用绝缘栅场效应管退出Chap2、微变等效电路1、场效应管微变等效电路受控源：电压控制电流源输入电阻：rgs很大忽略输出电阻：rds很大忽略gsdconstGSDmDSuiUIgu2.共源组态放大电路微变等效电路IDSDrdvgs+-+-vdsGiDgmvgssRg1Rg2RdRLRdsrgsUoUsUiUgsmUgsdgiIoIChap①电压放大倍数LddsL////'RRrRLmgsLddsgsm')////(RgVRRrVgAvLddsgsmo)////(RRrVgV3.交流分析②输入电阻g2g1.i.ii//RRIVr③输出电阻计算Ro的电路模型ddsooo///=RrIVrgsiUUChap例3.3.1用EWB分析图共源结型场效应管基本放大电路的静态工作点和电压放大倍数，并与理论计算相比较。已知gm=0.69mA/V,IDSS=1mA、UP=-2V。(1)．静态工作点仿真，结果列在图中。(2)．静态工作点理论计算。UDS＝VDD－（RS＋Rｄ）ID上述方程组代入数据得两组解：ID＝0.46mA，UGS＝－0.6V，UDS＝6.8V。SDg2g1g2DDGSRIRRRVU2PGS)1(UUIIDSSD(3)．动态计算。列方程Ui＝UgsUo＝－gmUgsR’L求解得：Au＝－gmR’L=－3.45(4)．电压放大倍数的仿真。Au＝－465/100=－4.65，比计算值大，这主要是由三极管参数差异造成的。如果实际安装，实测值一般与计算值也会有差别，需要通过调试使电子电路的技术指标符合要求。Chap3.4.2共漏组态基本放大电路①电压放大倍数LmLmio'1'RgRgVVAv(1)直流分析VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2)VGSQ=VG－VS=VG－IDQRIDQ=IDSS[1－(VGSQ/VGS(off))]2VDSQ=VDD－IDQR(2)交流分析②输入电阻)//(g2g1giRRRr③输出电阻)]/1//(///[')//('mdsogsmdso.ogrRUUgrRUIgso'UUmmmdsooo1//1)/1//(//'gRRgRgrRIUr退出Chap3.4.3共栅组态基本放大电路①电压放大倍数(2)交流分析②输入电阻③输出电阻(1)直流分析与共源组态放大电路相同VTVDDCgC2RdRg1RsCsRg2RLsRsUoUGUoUiIRdRLRgsdgsmUggsUiUsRsULmLdmgsLdgsmiou)//()//(RgRRgURRUgUUAmmgsmgsgsiii1//11gRgRUgRUUIUrro≈RdChap双极型和场效应三极管的三种组态基本放大电路的比较)1()1(=LbeLuRrRA