5场效应管放大电路.pptx

P沟道耗尽型P沟道P沟道N沟道增强型N沟道N沟道（耗尽型）FET场效应管JFET结型MOSFET绝缘栅型(IGFET)耗尽型耗尽型：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在增强型增强型：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道场效应管的分类：场效应管的分类：第1页/共58页5.1 金属金属-氧化物氧化物-半导体半导体（MOS）场效应管）场效应管沟道增强型沟道增强型MOSFET的主要参数的主要参数沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET沟道沟道MOSFET沟道长度调制效应沟道长度调制效应第2页/共58页沟道增强型沟道增强型MOSFET1.结构结构（N沟道）沟道）L：沟道长度：沟道长度W：沟道宽度：沟道宽度tox：绝缘层厚度：绝缘层厚度通常通常 W L 第3页/共58页沟道增强型沟道增强型MOSFET剖面图剖面图1.结构结构（N沟道）沟道）符号符号第4页/共58页沟道增强型沟道增强型MOSFET2.工作原理工作原理（1）vGS对沟道的控制作用对沟道的控制作用当当vGSGS00时时 无导电沟道，无导电沟道，d、s间加电压时，也间加电压时，也无电流产生。无电流产生。当当00vGS GS V VT T 时时 在电场作用下产生导电沟道，在电场作用下产生导电沟道，d、s间加间加电压后，将有电流产生。电压后，将有电流产生。vGSGS越大，导电沟道越厚越大，导电沟道越厚V V V VT T T T 称为开启电压称为开启电压称为开启电压称为开启电压图1 (b)第5页/共58页2.工作原理工作原理（2）vDS对沟道的控制作用对沟道的控制作用靠近漏极靠近漏极d d处的电位升高处的电位升高电场强度减小电场强度减小 沟道变薄沟道变薄当当vGSGS一定（一定（vGS GS V VT T）时，）时，vDSDS较小较小 I ID D 沟道电位梯度沟道电位梯度 整个沟道呈整个沟道呈楔形分布楔形分布第6页/共58页当当vGSGS一定（一定（vGS GS V VT T）时，）时，vDSDS I ID D 沟道电位梯度沟道电位梯度 当当vDSDS增加到使增加到使vGDGD=V VT T 时，时，在紧靠漏极处出现预夹断。在紧靠漏极处出现预夹断。2.工作原理工作原理（2）vDS对沟道的控制作用对沟道的控制作用在预夹断处：在预夹断处：vGDGD=vGSGS-vDS DS=V VT T第7页/共58页预夹断后，预夹断后，vDSDS 夹断区延长夹断区延长沟道电阻沟道电阻 I ID D基本不变基本不变2.工作原理工作原理（2）vDS对沟道的控制作用对沟道的控制作用第8页/共58页2.工作原理工作原理（3）vDS和和vGS同时作用时同时作用时 vDSDS一定，一定，vGSGS变化时变化时:给定一个给定一个vGS GS，就有一条不同，就有一条不同的的 iD D vDS DS 曲线。曲线。第9页/共58页3.V-I 特性曲线及大信号特性方程特性曲线及大信号特性方程（1）输出特性及大信号特性方程）输出特性及大信号特性方程 截止区截止区(vGSVT)当当vGSVT时时，导导电电沟沟道道尚尚未未形形成成，iD0，为为截截止止工工作状态。作状态。第10页/共58页3.V-I 特性曲线及大信号特性方程特性曲线及大信号特性方程（1）输出特性及大信号特性方程）输出特性及大信号特性方程 可变电阻区可变电阻区:vDS（vGSVT）rdso是一个受是一个受vGS控制的可变电阻控制的可变电阻 可变电阻区,由于vDS较小V-I 特性可近似表示为:&1&2&3第11页/共58页3.V-I 特性曲线及大信号特性方程特性曲线及大信号特性方程（1）输出特性及大信号特性方程）输出特性及大信号特性方程 可变电阻区可变电阻区 n：反型层中电子迁移率：反型层中电子迁移率Cox：栅栅极极（与与衬衬底底间间）氧氧化层单位面积电容化层单位面积电容本征电导因子本征电导因子其中其中Kn为电导常数，单位：为电导常数，单位：mA/VmA/V2 2第12页/共58页3.V-I 特性曲线及大信号特性方程特性曲线及大信号特性方程（1）输出特性及大信号特性方程）输出特性及大信号特性方程 饱和区饱和区（恒流区又称放大区）（恒流区又称放大区）vGS GS V VT T ，且，且vDSDS（v vGSGSV VT T）是是vGSGS2 2V VT T时的时的iD D V V-I I 特性：特性：&1第13页/共58页3.V-I 特性曲线及大信号特性方程特性曲线及大信号特性方程（2）转移特性）转移特性&1&2&3（a）（b）第14页/共58页沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET p2051.结构和工作原理结构和工作原理（N沟道）沟道）二氧化硅绝缘层中掺有大量的正离子二氧化硅绝缘层中掺有大量的正离子 可以在正或负的栅源电压下工作，而且基本上无栅流可以在正或负的栅源电压下工作，而且基本上无栅流(a)(b)第15页/共58页沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET2.V-I 特性曲线及大信号特性方程特性曲线及大信号特性方程&2耗尽型:输出特性转移特性增强型增强型:&1第16页/共58页沟道沟道MOSFET&1第17页/共58页第18页/共58页沟道长度调制效应沟道长度调制效应实际上饱和区的曲线并不是平坦的实际上饱和区的曲线并不是平坦的L的单位为的单位为 m当不考虑沟道调制效应时，当不考虑沟道调制效应时，0 0，曲线是平坦的。，曲线是平坦的。修正后修正后第19页/共58页的主要参数的主要参数 P208一、直流参数一、直流参数NMOSNMOS增强型增强型1.1.开启电压开启电压V VT T （增强型参数）（增强型参数）2.2.夹断电压夹断电压V VP P （耗尽型参数）（耗尽型参数）3.3.饱和漏电流饱和漏电流I IDSSDSS （耗尽型参数）（耗尽型参数）4.4.直流输入电阻直流输入电阻R RGSGS （10109 910101515 ）二、交流参数二、交流参数 1.1.输出电阻输出电阻r rdsds 当不考虑沟道调制效应时，当不考虑沟道调制效应时，0 0，rdsds&2第20页/共58页的主要参数的主要参数2.2.低频互导低频互导g gm m 二、交流参数二、交流参数 则则其中其中&1近似估算gm的方法：由由 第21页/共58页得：其中其中第22页/共58页的主要参数的主要参数end三、极限参数三、极限参数 1.1.最大漏极电流最大漏极电流I IDMDM 2.2.最大耗散功率最大耗散功率P PDMDM 4.4.最大栅源电压最大栅源电压V V（BRBR）GSGS:是指栅源间反向电流开始急剧增 加时的VGS值3.3.最大漏源电压最大漏源电压V V（BRBR）DSDS:发生雪崩击穿、开始急剧上升 时 的值第23页/共58页5.2 MOSFET放大电路放大电路放大电路放大电路&11.直流偏置及静态工作点的计算直流偏置及静态工作点的计算2.图解分析图解分析3.小信号模型分析小信号模型分析第24页/共58页放大电路放大电路1.直流偏置及静态工作点的计算直流偏置及静态工作点的计算（1）简单的共源极放大电路）简单的共源极放大电路（N沟道）沟道）直流通路直流通路共源极放大电路共源极放大电路第25页/共58页放大电路放大电路1.直流偏置及静态工作点的计算直流偏置及静态工作点的计算l简单的共源极放大电路简单的共源极放大电路l带源极电阻的带源极电阻的NMOS共源极放大电路共源极放大电路因为因为:若若否则，否则，管子没有工作在饱和区。须满足须满足VGS VT，否则工作在截止区，否则工作在截止区则管子工作在饱和区。则管子工作在可变电阻区。且若若（1）简单的共源极放大电路）简单的共源极放大电路第26页/共58页假设工作在饱和区假设工作在饱和区满足满足假设成立，结果即为所求。假设成立，结果即为所求。解：解：例：例：设设Rg1=60k，Rg2=40k，Rd=15k，P212试计算电路的静态漏极电流试计算电路的静态漏极电流IDQ和漏源和漏源电压电压VDSQ。VDD=5V，VT=1V，第27页/共58页放大电路放大电路1.直流偏置及静态工作点的计算直流偏置及静态工作点的计算（2）带源极电阻的）带源极电阻的NMOS共源极放大电路共源极放大电路工作在假设饱和区：工作在假设饱和区：需要验证是否满足需要验证是否满足&1&2浏览p213例题第28页/共58页放大电路放大电路1.直流偏置及静态工作点的计算直流偏置及静态工作点的计算静态时，静态时，vI0 0，VG 0 0，ID I电流源偏置电流源偏置 VS VG VGS（饱和区）（饱和区）&1第29页/共58页放大电路放大电路 p2152.图解分析图解分析由于负载开路，交流负由于负载开路，交流负载线与直流负载线相同载线与直流负载线相同&1&2&3第30页/共58页放大电路放大电路3.小信号模型分析小信号模型分析（1）模型）模型静态值静态值（直流）（直流）动态值动态值（交流）（交流）非线性非线性失真项失真项 当当，vgs 2(2(VGSQ-VT)时，时，&1(5.1.6）&2gm=2Kn(VGSQ-VT)&3第31页/共58页放大电路放大电路3.小信号模型分析小信号模型分析（1）模型）模型0 0时时高频小信号模型高频小信号模型图5.2.6（a）（b）（c）（d）第32页/共58页3.小信号模型分析小信号模型分析解解:(1)(1)例的直流分析已求得：例的直流分析已求得：（2）放大电路分析）放大电路分析（例）（例）输出电阻为：图&1p218&2第33页/共58页3.小信号模型分析小信号模型分析（2）放大电路分析）放大电路分析（例）（例）s输出电压:输入电压:电压增益：输入电阻：输出电阻：源电压增益：第34页/共58页3.小信号模型分析小信号模型分析（2）放大电路分析）放大电路分析（例）（例）共漏共漏&1第35页/共58页3.小信号模型分析小信号模型分析（2）放大电路分析）放大电路分析end输入、输出电阻：图5.2.11&1第36页/共58页5.3 结型场效应管结型场效应管 p225&1的结构和工作原理的结构和工作原理的特性曲线及参数的特性曲线及参数 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 第37页/共58页的结构和工作原理的结构和工作原理1.结构结构#符号中的箭头方向表示什么？符号中的箭头方向表示什么？图5.3.1&1第38页/共58页2.工作原理工作原理 vGS对沟道的控制作用对沟道的控制作用当vGS0时（以（以N沟道沟道JFET为例）为例）当沟道夹断时，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，VP 0。PN结反偏(iD=0)耗尽层加厚沟道变窄。vGS继续减小，沟道继续变窄。第39页/共58页2.工作原理工作原理（以（以N沟道沟道JFET为例）为例）vDS对沟道的控制作用对沟道的控制作用1）当vGS=0时，vDS ID&12）当vGS值固定，且VPvGS0(a)当漏-源电压vGS从零开始增大时，沟道中有电流iD流过。(b)在vDS的作用下,导电沟道呈楔形。(c)在vDS较小时，iD随vDS增加而几 乎呈线性地增加(d)当vDS增加到vDS=vGS-VP，即VGD=vGS-vDS=VP(夹断电压)时，沟道预夹断(e)耗尽层合拢部分自A点向源极方向延伸.第40页/共58页2.工作原理工作原理（以（以N沟道沟道JFET为例）为例）vGS和和vDS同时作用时同时作用时当VP vGS0 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=VP 第41页/共58页综上分析可知综上分析可知 沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电，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所以场效应管也称为单极型三极管。JFETJFET是电压控制电流器件，是电压控制电流器件，i iD D受受vGSGS控制。控制。预夹断前预夹断前i iD D与与vDSDS呈近似线性关系；预夹断后，呈近似线性关系；预夹断后，i iD D趋于饱和。趋于饱和。#为什么为什么JFETJFET的输入电阻比的输入电阻比BJTBJT高得多？高得多？JFET JFET栅极与沟道间的栅极与沟道间的PNPN结是反向偏置的，因结是反向偏置的，因 此此i iG G 0 0，输入电阻很高。，输入电阻很高。第42页/共58页的特性曲线及参数的特性曲线及参数2.转移特性转移特性 1.输出特性输出特性 第43页/共58页与与MOSFET类似类似3.主要参数主要参数的特性曲线及参数的特性曲线及参数第44页/共58页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1.FET小信号模型小信号模型（1）低）低频模型模型图5.3.7（b）图5.3.7（a）第45页/共58页（2）高）高频模型模型第46页/共58页2.动态指标分析动态指标分析（1 1）中频小信号模型第47页/共58页2.动态指标分析动态指标分析（2）中频电压增益（3）输入电阻（4）输出电阻忽略 rds，由输入输出回路得则通常则end&1第48页/共58页使用场效应管的注意事项1从场效应管的结构上看，其源极和漏极是对称的，因此源极和漏极可以互换。但有些场效应管在制造时已将衬底引线与源极连在一起，这种场效应管的源极和漏极就不能互换了。2场效应管各极间电压的极性应正确接入，结型场效应管的栅-源电压vGS的极性不能接反。3当MOS管的衬底引线单独引出时，应将其接到电路中的电位最低点（对N沟道MOS管而言）或电位最高点（对P沟道MOS管而言），以保证沟道与衬底间的PN结处于反向偏置，使衬底与沟道及各电极隔离。4MOS管的栅极是绝缘的，感应电荷不易泄放，而且绝缘层很薄，极易击穿。所以栅极不能开路，存放时应将各电极短路。焊接时，电烙铁必须可靠接地，或者断电利用烙铁余热焊接，并注意对交流电场的屏蔽。第49页/共58页*5.4 砷化镓金属砷化镓金属-半导体半导体场效应管场效应管本节不做教学要求，有兴趣者自学本节不做教学要求，有兴趣者自学第50页/共58页5.5 各种放大器件电路性能比较各种放大器件电路性能比较*自学自学p240第51页/共58页5.5 各种放大器件电路性能比较各种放大器件电路性能比较组态对应关系：CE(共射极)BJTFETCS(共源极)CC(共集电极)CD(共漏极)CB(共基极)CG(共栅极)电压增益：电压增益：BJTFETCE：CC：CB：CS：CD：CG：第52页/共58页输出电阻：输出电阻：BJTFET输入电阻：输入电阻：CE：CC：CB：CS：CD：CG：CE：CC：CB：CS：CD：CG：5.5 各种放大器件电路性能比较各种放大器件电路性能比较第53页/共58页场效应管与三极管的性能比较 1 1场效应管的源极场效应管的源极s s、栅极、栅极g g、漏极、漏极d d分别对应于三极管的发射极分别对应于三极管的发射极e e、基极、基极b b、集电极、集电极c c，它们的作用相似。，它们的作用相似。2 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v vGSGS控制控制i iD D，其放大系数，其放大系数g gm m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，由电流器件，由i iB B（或（或i iE E）控制）控制i iC C。3 3场效应管栅极几乎不取电流；而三极管工作时基极总要吸取场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。因此场效应管的输入电阻比三极管的输入电阻高。一定的电流。因此场效应管的输入电阻比三极管的输入电阻高。第54页/共58页场效应管与三极管的性能比较4 4场效应管只有多子参与导电；三极管有多子和少子两种载流子参与导电，场效应管只有多子参与导电；三极管有多子和少子两种载流子参与导电，因少子浓度受温度、辐射等因素影响较大，所以场效应管比三极管的温度因少子浓度受温度、辐射等因素影响较大，所以场效应管比三极管的温度稳定性好、抗辐射能力强。在环境条件（温度等）变化很大的情况下应选稳定性好、抗辐射能力强。在环境条件（温度等）变化很大的情况下应选用场效应管。用场效应管。5 5场效应管在源极未与衬底连在一起时，源极和漏极可以互换使用，且特场效应管在源极未与衬底连在一起时，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，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，值将减小很多。值将减小很多。6 6场效应管的噪声系数很小，在低噪声放大电路的输入级及要求信噪比较场效应管的噪声系数很小，在低噪声放大电路的输入级及要求信噪比较高的电路中要选用场效应管。高的电路中要选用场效应管。7 7场效应管和三极管均可组成各种放大电路和开关电路，但由于前者制造场效应管和三极管均可组成各种放大电路和开关电路，但由于前者制造工艺简单，且具有耗电少，热稳定性好，工作电源电压范围宽等优点，因工艺简单，且具有耗电少，热稳定性好，工作电源电压范围宽等优点，因而被广泛用于大规模和超大规模集成电路中。而被广泛用于大规模和超大规模集成电路中。第55页/共58页 解：解：画中频小信号等效电路例题例题放大电路如图所示。已知 试求电路的中频增益、输入电阻和输出电。图5.5.1第56页/共58页例题例题由于则end根据电路有第57页/共58页感谢您的观看。第58页/共58页