模拟电路课件讲义5场效应管放大电路.ppt

1 1 场效应管的基本问题（自学）场效应管的基本问题（自学）2 2 场效应管放大电路场效应管放大电路3 3 各种放大器件电路性能比较各种放大器件电路性能比较11.场效应管根据结构不同分为哪两大类？场效应管根据结构不同分为哪两大类？2.何谓耗尽型？何谓增强型？何谓耗尽型？何谓增强型？VP夹断电压和夹断电压和VT开启电压开启电压分别是何种类型场效应管的重要参数之一？分别是何种类型场效应管的重要参数之一？3.场效应管有哪三个电极？和场效应管有哪三个电极？和BJT管如何对应？管如何对应？4.场效应管的两个电压场效应管的两个电压VGS和和VDS分别起何主要作用？分别起何主要作用？5.场效应管输出特性曲线分为哪几个区？作放大时工作场效应管输出特性曲线分为哪几个区？作放大时工作在哪个区？为什么？在哪个区？为什么？6.场效应管是双极型场效应管是双极型？单极型？电压控制器件还是电流？单极型？电压控制器件还是电流控制器件？它的输入电阻如何？（与控制器件？它的输入电阻如何？（与BJT对比）对比）7.根据场效应管特点作放大时，应如何合理设置根据场效应管特点作放大时，应如何合理设置Q点？点？2场效应管是电压控制器件。场效应管是电压控制器件。它具有输入阻抗高，噪声低的优点。它具有输入阻抗高，噪声低的优点。本章是本课程的难点，但不是本课程的重点。本章是本课程的难点，但不是本课程的重点。由于学时数少，又因为场效应管放大电路与由于学时数少，又因为场效应管放大电路与三极管放大电路有许多相同之处，所以，本章学三极管放大电路有许多相同之处，所以，本章学习采用对比学习法，即将场效应管与三极管放大习采用对比学习法，即将场效应管与三极管放大电路比较，了解相同点，掌握不同点。电路比较，了解相同点，掌握不同点。3三极管特点三极管特点电流控制器件（基极电流控制晶体管导电能力）电流控制器件（基极电流控制晶体管导电能力）输入阻抗不高输入阻抗不高双极型器件（两种载流子：多子少子参与导电）双极型器件（两种载流子：多子少子参与导电）噪声高噪声高场效应管特点场效应管特点电压控制器件（用电压产生电场来控制器件电压控制器件（用电压产生电场来控制器件的导电能力）故称为的导电能力）故称为Field Effect Transistor输入阻抗极高输入阻抗极高单极型器件（一种载流子：多子参与导电）单极型器件（一种载流子：多子参与导电）噪声小噪声小缺点速度慢缺点速度慢4图解法，估算法，微变等效电路法图解法，估算法，微变等效电路法三极管三极管场效应管场效应管三极管放大器三极管放大器场效应管放大器场效应管放大器分析方法分析方法分析方法分析方法5场效应三极管（场效应三极管（FET）只只有有一一种种载载流流子子参参与与导导电电，且且利利用用电电场场效效应应来来控控制制电流的三极管，称为电流的三极管，称为场效应管场效应管，也称，也称单极型三极管。单极型三极管。场效应管分类场效应管分类结型场效应管（结型场效应管（JFET）绝缘栅场效应管（绝缘栅场效应管（MOSFET）特点特点单极型器件单极型器件(一种载流子导电一种载流子导电)；输入电阻高；（输入电阻高；（1071015）工工艺艺简简单单、易易集集成成、功功耗耗小小、体体积积小小、噪声低、成本低等。噪声低、成本低等。6N沟道（相当于沟道（相当于NPN）P沟道（相当于沟道（相当于PNP）增强型增强型耗尽型耗尽型N沟道（沟道（NPN）P 沟道沟道（PNP）N沟道（沟道（NPN）P沟道沟道（PNP）（耗尽型）（耗尽型）FET 场效应管场效应管JFET结型结型MOSFET绝缘栅型绝缘栅型FET分类：分类：7MOSFET符号符号增强型增强型耗尽型耗尽型N沟道沟道GSDP沟道沟道GSDGSDGSDJFET符号符号dgsdgs耗尽型耗尽型8耗尽型耗尽型：场效应管没有加偏置电压时，就有：场效应管没有加偏置电压时，就有 导电沟道存在导电沟道存在增强型增强型：场效应管没有加偏置电压时，没有：场效应管没有加偏置电压时，没有 导电沟道导电沟道9N沟道沟道MOSFET耗尽型耗尽型增强型增强型P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道绝缘栅型场效应管的类别绝缘栅型场效应管的类别 5.1 5.1 绝缘栅型场效应管（绝缘栅型场效应管（MOSFETMOSFET）结型场效应管的输入电阻虽然可达结型场效应管的输入电阻虽然可达106109，在使用，在使用中若要求输入电阻更高，仍不能满足要求。绝缘栅型场效应中若要求输入电阻更高，仍不能满足要求。绝缘栅型场效应管又称为金属管又称为金属-氧化物氧化物-半导体场效应管（半导体场效应管（MOSFET）具有更高）具有更高输入电阻，可高达输入电阻，可高达1015 。且有制造工艺简单、适于集成等。且有制造工艺简单、适于集成等优点。优点。增强型增强型MOS管在管在vGS=0时，无导电沟道。时，无导电沟道。耗尽型耗尽型MOS管在管在vGS=0时，已有导电沟道存在。时，已有导电沟道存在。10PN+SGDN+以以P型半导体作衬底型半导体作衬底形成两个形成两个PN结结SiO2保护层保护层Al金属电极金属电极从衬底引出电极从衬底引出电极两边扩散两个两边扩散两个高浓度的高浓度的N区区Al金属电极金属电极Al金属电极金属电极 5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET11PN+SGDN+半导体半导体Semiconductor氧化物氧化物Oxide金属金属Metal表示符号表示符号GSDMOSFET12NP+SGDP+P沟道增强型沟道增强型MOSFET的结构的结构表示符号表示符号GSD13PN+SGDN+N沟道增强型沟道增强型MOSFET的工作原理的工作原理+与与JFET相似，相似，MOSFET的工作的工作原理同样表现在：原理同样表现在：栅压栅压vGS对沟道导对沟道导电能力的控制，电能力的控制，漏源电压漏源电压vDS对漏对漏电流的影响。电流的影响。14PN+SGDN+N沟道增强型沟道增强型MOSFET的工作原理的工作原理+(1)vGS对沟道的控制作用对沟道的控制作用 当当vGS=0时，时，漏源极间是两个背靠漏源极间是两个背靠背的背的PN结，无论漏源结，无论漏源极间如何施加电压，极间如何施加电压，总有一个总有一个PN结处于反结处于反偏状态，漏偏状态，漏-源极间没源极间没有导电沟道，将不会有导电沟道，将不会有漏电流出现有漏电流出现iD0。15 N沟道增强型沟道增强型MOSFET的工作原理的工作原理(1)vGS对沟道的控制作用对沟道的控制作用,vDS=0vGS增加，作用于半导增加，作用于半导体表面的电场就越强，体表面的电场就越强，吸引到吸引到P衬底表面的电衬底表面的电子就越多，导电沟道子就越多，导电沟道越厚，沟道电阻越小。越厚，沟道电阻越小。PN+SGDN+开始形成沟道时的栅开始形成沟道时的栅源极电压称为源极电压称为开启电开启电压，用压，用VT表示表示。导电沟道增厚导电沟道增厚沟道电阻减小沟道电阻减小16PN+SGDN+N沟道增强型沟道增强型MOSFET的工作原理的工作原理+(1)vGS对沟道的控制作用对沟道的控制作用,vDS=0当当vGSVT时，电场增强时，电场增强将将P衬底的电子吸引到表衬底的电子吸引到表面，这些电子在栅极附面，这些电子在栅极附近的近的P衬底表面便形成一衬底表面便形成一个个N型薄层，称为型薄层，称为反型层反型层形成导电沟道形成导电沟道出现反型层出现反型层且与两个且与两个N+区相连通，区相连通，在漏源极间形成在漏源极间形成N型导电型导电沟道沟道。17 N沟道增强型沟道增强型MOSFET的工作原理的工作原理(1)vGS对沟道的控制作用对沟道的控制作用,vDS=0综上所述：综上所述：N沟道沟道MOS管在管在vGSVT时，时，不能形成导电沟道，管子不能形成导电沟道，管子处于截止状态。处于截止状态。这种必须在这种必须在vGSVT时才能时才能形成导电沟道的形成导电沟道的MOS管称管称为为增强型增强型MOS管管。只有当只有当vGSVT时，方能形时，方能形成沟道。成沟道。PN+SGDN+沟道形成以后，在漏沟道形成以后，在漏-源极源极间加上正向电压间加上正向电压vDS，就有，就有漏极电流产生。漏极电流产生。18MOS管的伏安特性用管的伏安特性用输出特性输出特性和和转移特性转移特性描述描述 MOSFET的特性曲线的特性曲线输出特性输出特性 转移特性转移特性 输出特性输出特性描述当栅源电压描述当栅源电压|vGS|=C为常量时，漏电流为常量时，漏电流iD与漏与漏源电压源电压vDS之间的关系。之间的关系。输出特性曲线也分为输出特性曲线也分为可变电阻区可变电阻区、饱和区饱和区、截止区截止区和和击穿区击穿区几部分。几部分。+19a输出特性输出特性 MOSFET的特性曲线的特性曲线24061020可变电阻区可变电阻区放大区放大区截止区截止区击穿区击穿区20(1)可变电阻区可变电阻区a.vDS较小，沟道尚未夹断较小，沟道尚未夹断b.vDS vGS-VT c.管子相当于受管子相当于受vGS控制的控制的压控电阻压控电阻a输出特性输出特性24061020可变电阻区可变电阻区 MOSFET的特性曲线的特性曲线21(2)放大区放大区(饱和区、恒流区饱和区、恒流区)a.沟道予夹断沟道予夹断c.iD几乎与几乎与vDS无关无关d.iD只受只受vGS的控制的控制b.vDS vGS-VT 24061020放大区放大区a输出特性输出特性MOSFET的特性曲线的特性曲线22a.vGSVT(3)截止区截止区b.沟道完全夹断沟道完全夹断c.iD=024061020a输出特性输出特性 MOSFET的特性曲线的特性曲线截止区截止区23024061020转移特性曲线转移特性曲线输出特性曲线输出特性曲线 MOSFET的特性曲线的特性曲线24 耗尽型耗尽型NMOS管管 1).耗尽型耗尽型NMOS管结构示意图管结构示意图sgdN+N+SiO2 Alb耗尽层耗尽层（导电沟道）（导电沟道）反型层反型层P耗尽型耗尽型NMOS管管在在vGS=0时，漏源极间时，漏源极间已有导电沟道产生，已有导电沟道产生，通过施加负的栅源电通过施加负的栅源电压（夹断电压）使沟压（夹断电压）使沟道消失，而道消失，而增强型增强型NMOS管管在在vGSVT时时才出现导电沟道。才出现导电沟道。25 耗尽型耗尽型NMOS管管 1).耗尽型耗尽型NMOS管结构示意图管结构示意图sgdN+N+SiO2 Alb耗尽层耗尽层（导电沟道）（导电沟道）反型层反型层PN沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管管符号符号 P沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管管符号符号 GSDGSD26 耗尽型耗尽型MOS管管 sgdN+N+SiO2 Alb耗尽层耗尽层（导电沟道）（导电沟道）反型层反型层PN沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管管当当vGS为负时，沟道变窄，为负时，沟道变窄，沟道电阻变大，沟道电阻变大，iD减小。减小。当当vGS负向增加到某一数负向增加到某一数值时，导电沟道消失，值时，导电沟道消失，iD趋于零，管子截止；趋于零，管子截止；使沟道消失时的栅源电使沟道消失时的栅源电压称为压称为夹断电压，用夹断电压，用VP表示。表示。2).耗尽型耗尽型MOS管原理管原理27耗尽型耗尽型MOS管管 在饱和区内，耗尽型在饱和区内，耗尽型MOS管的电流方程与结型场效应管的电管的电流方程与结型场效应管的电流方程相同，即流方程相同，即 3).耗尽型耗尽型MOS管电流方程（管电流方程（增强型增强型MOSMOS管见管见P203P203）28 场效应管与三极管的性能比较场效应管与三极管的性能比较 1场效应管的源极场效应管的源极s、栅极、栅极g、漏极、漏极d分别对应于三极管分别对应于三极管的发射极的发射极e、基极、基极b、集电极、集电极c，它们的作用相似。，它们的作用相似。2场效应管是电压控制电流器件，由场效应管是电压控制电流器件，由vGS控制控制iD，其跨，其跨导导gm一般较小，因此场效应管的放大能力较差；三极管一般较小，因此场效应管的放大能力较差；三极管是电流控制电流器件，由是电流控制电流器件，由iB控制控制iC。3场效应管的输入电阻比三极管的输入电阻高。因此场场效应管的输入电阻比三极管的输入电阻高。因此场效应管栅极几乎不取电流；而三极管工作时基极总要吸效应管栅极几乎不取电流；而三极管工作时基极总要吸取一定的电流。取一定的电流。29 场效应管与三极管的性能比较场效应管与三极管的性能比较 4场效应管场效应管多子参与导电；三极管有多子和少子两种多子参与导电；三极管有多子和少子两种载流子参与导电；所以场效应管比三极管的噪声小，在低载流子参与导电；所以场效应管比三极管的噪声小，在低噪声放大电路的输入级应选用场效应管。噪声放大电路的输入级应选用场效应管。5场效应管源极和漏极可以互换使用，且特性变化不大；场效应管源极和漏极可以互换使用，且特性变化不大；而三极管的集电极与发射极互换使用时，其特性差异很大，而三极管的集电极与发射极互换使用时，其特性差异很大，b b值将减小很多。值将减小很多。6场效应管制造工艺简单，且具有功耗低等优点；因而场场效应管制造工艺简单，且具有功耗低等优点；因而场效应管易于集成，被广泛用于大规模和超大规模集成电路效应管易于集成，被广泛用于大规模和超大规模集成电路中。中。30DSGN符符号号结型场效应管结型场效应管一、结构一、结构图图N 沟道结型场效应管结构图沟道结型场效应管结构图N型型沟沟道道N型硅棒型硅棒栅极栅极源极源极漏极漏极P+P+P 型区型区耗尽层耗尽层(PN 结结)在在漏漏极极和和源源极极之之间间加加上上一一个个正正向向电电压压，N 型型半半导导体体中中多多数数载载流流子子电电子子可可以导电。以导电。导导电电沟沟道道是是 N 型型的的，称称 N 沟道结型场效应管沟道结型场效应管。31P 沟道场效应管沟道场效应管图图 P沟道结型场效应管结构图沟道结型场效应管结构图N+N+P型型沟沟道道GSD P 沟沟道道场场效效应应管管是是在在 P 型型硅硅棒棒的的两两侧侧做做成成高高掺掺杂杂的的 N 型型区区(N+)，导导电电沟沟道道为为 P 型型，多多数数载载流流子子为为空穴。空穴。符号符号GDS32MOSFET符号符号增强型增强型耗尽型耗尽型N沟道沟道GSDP沟道沟道GSDGSDGSDJFET符号符号dgsdgs耗尽型耗尽型33 场效应管放大电路的三种组态场效应管放大电路的三种组态 场效应管放大电路场效应管放大电路 根据场效应管在放大电路中的连接方式，场效应管放大根据场效应管在放大电路中的连接方式，场效应管放大电路分为三种组态：共源极电路、共栅极电路和共漏极电路电路分为三种组态：共源极电路、共栅极电路和共漏极电路共源极电路：共源极电路：栅极是输入端，漏极是输出端，源极是输入输出的公共电极。栅极是输入端，漏极是输出端，源极是输入输出的公共电极。共栅极电路：共栅极电路：源极是输入端，漏极是输出端，栅极是输入输出的公共电极。源极是输入端，漏极是输出端，栅极是输入输出的公共电极。共漏极电路：共漏极电路：栅极是输入端，源极是输出端，漏极是输入输出的公共电极。栅极是输入端，源极是输出端，漏极是输入输出的公共电极。34 场效应管放大电路的三种组态场效应管放大电路的三种组态场效应管放大电路场效应管放大电路 由于场效应管与由于场效应管与BJT晶体管都有三个电极，晶体管都有三个电极，FET管的管的 G极对应极对应BJT管的管的b极、极、D极对应极对应c极、极、S极对应极对应e极极 在放大电路中，共源对应共射、共栅对应共基、共漏在放大电路中，共源对应共射、共栅对应共基、共漏对应共集。对应共集。以下分析均以以下分析均以N沟沟JFET为例，为例，JFET由于不加栅源电由于不加栅源电压时沟道已存在，所以压时沟道已存在，所以JFET均属于耗尽型均属于耗尽型FET。35 FET FET的直流偏置电路及静态分析的直流偏置电路及静态分析 FET FET放大电路的小信号模型分析法放大电路的小信号模型分析法 361.1.自偏压电路自偏压电路3.3.静态工作点的确定静态工作点的确定 FET FET的直流偏置电路及静态分析的直流偏置电路及静态分析2.2.分压式自偏压电路分压式自偏压电路371.自给偏压共源放大电路自给偏压共源放大电路vGSVGS=-IDR此电路只能用于耗尽型FET，亦称自偏压电路自偏压电路382.分压式自偏压电路分压式自偏压电路此电路既适用于耗尽型既适用于耗尽型FET又适用于增强型又适用于增强型FET39Q点：点：VGS、ID、VDSvGS=VDS=已知已知VP，由，由VDD-iD(Rd+R)-iDR可解出可解出Q点的点的VGS、ID、VDS 3.静态工作点的确定静态工作点的确定401.1.FET FET小信号模型小信号模型2.2.动态指标分析动态指标分析3.3.三种基本放大电路的性能比较三种基本放大电路的性能比较 FET FET放大电路的小信号模型分析法放大电路的小信号模型分析法 411.FET1.FET小信号模型小信号模型 （1）中中低低频模型模型42（2）高）高频模型模型在高频时，极间电容不能忽略，需用高频模型分析432.2.动态指标分析动态指标分析 （1 1）中低频小信号模型）中低频小信号模型（共源电路，分析方法同BJT）其微变等效电路442.动态指标分析动态指标分析 （2）中频电压增益）中频电压增益（3）输入电阻）输入电阻（4）输出电阻）输出电阻由输入输出回路得由输入输出回路得则则通常通常则则RiRiRo45 例例4.4.2 共漏极放大电路如图共漏极放大电路如图示。试求中频电压增益、输入电阻示。试求中频电压增益、输入电阻和输出电阻。和输出电阻。（2）中频电压增益）中频电压增益（3）输入电阻）输入电阻得得 解：解：（1 1）中频小信号模型）中频小信号模型由由例题例题46（4 4）输出电阻）输出电阻所以所以由图有由图有例题例题 即即又又47CECS1.1.组态对应关系：组态对应关系：FETBJTCCCDCBCGBJTFET2.电压增益：电压增益：CE：CS：CC：CD：CB：CG：（common）484.输出电阻：输出电阻：BJTFET3.输入电阻：输入电阻：CE：CS：CB：CG：CC：CD：CB：CG：CC：CD：CE：CS：49