最新场效应放大电路精品课件.ppt

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1、场效应管场效应管FET与三极管与三极管BJT的区别的区别1. BJT: 是是 电流控制元件电流控制元件； FET: 是是电压控制元件电压控制元件。2. BJT 参与导电的是参与导电的是电子电子空穴空穴，因此称其为双极型器件；，因此称其为双极型器件； FET 是电压控制元件，参与导电的只有是电压控制元件，参与导电的只有一种载流子一种载流子，称为单级型器件。，称为单级型器件。3. BJT 输入电阻较低输入电阻较低，一般，一般102104 ；FET 输入电阻高输入电阻高，可达，可达1091014 场效应管的分类场效应管的分类结型场效应管结型场效应管JFETMOS型场效应管型场效应管MOSFET 双极

2、型三极管双极型三极管 场效应三极管场效应三极管噪声噪声 较大较大 较小较小温度特性温度特性 受温度影响较大受温度影响较大 较小，可有零温度系数点较小，可有零温度系数点输入电阻输入电阻 几十到几千欧姆几十到几千欧姆 几兆欧姆以上几兆欧姆以上静电影响静电影响 不受静电影响不受静电影响 易受静电影响易受静电影响集成工艺集成工艺 不易大规模集成不易大规模集成 适宜大规模和超大规模集成适宜大规模和超大规模集成PGSDUDSUGSUGS0、UGDVP时时耗尽区的形状耗尽区的形状NN越靠近漏端，越靠近漏端，PN结反压越大结反压越大IDPGSDUDSUGSUGSVp且且UDS较大时较大时UGDVP时耗尽区的形

3、状时耗尽区的形状NN沟道中仍是电阻沟道中仍是电阻特性，但是是非特性，但是是非线性电阻。线性电阻。IDGSDUDSUGSUGSVp UGD=VP时时NN漏端的沟道被夹断，漏端的沟道被夹断，称为称为予夹断。予夹断。UDS增大则被夹断增大则被夹断区向下延伸。区向下延伸。IDGSDUDSUGSUGS 0 时，时，P P型衬底中的电子受到电场力的吸型衬底中的电子受到电场力的吸引到达表层，填补空穴形成负离子的耗尽层；引到达表层，填补空穴形成负离子的耗尽层；N型导电沟道型导电沟道EGP型硅衬底型硅衬底N+N+GSD+UGSED+N型导电沟道型导电沟道当当UGS UGS(th(th）后，场后，场效应管才形成导

4、电沟道，效应管才形成导电沟道，开始导通，开始导通，若漏若漏源之间源之间加上一定的电压加上一定的电压UDS，则，则有漏极电流有漏极电流ID产生。在产生。在一定的一定的UDS下下漏极电流漏极电流ID的大小与栅源电压的大小与栅源电压UGS有有关。所以，场效应管是关。所以，场效应管是一种电压控制电流的器一种电压控制电流的器件。件。 在一定的漏在一定的漏源电压源电压UDS下，使管子由不导通变下，使管子由不导通变为导通的临界栅源电压称为开启电压为导通的临界栅源电压称为开启电压UGS(thth）。 N N沟道增强型沟道增强型MOSFETMOSFET的工作原理的工作原理 (1)栅源电压UGS的控制作用SDGP

5、N+N+SiO型衬底DSUGSU2=0空穴正离子电子负离子+ 先令漏源电压UDS=0，加入栅源电压UGS以后并不断增加。 UGS带给栅极正电荷，会将正对SiO2层的表面下的衬底中的空穴推走，从而形成一层负离子层，即耗尽层，用绿色的区域表示。 同时会在栅极下的表层感生一定的电子电荷，若电子数量较多，从而在漏源之间可形成导电沟道。 沟道中的电子和P型衬底的多子导电性质相反，称为反型层。此时若加上UDS ，就会有漏极电流ID产生。反型层 显然改变显然改变UGS就就会改变沟道，从而会改变沟道，从而影响影响ID ，这说明，这说明UGS对对ID的控制作的控制作用。用。0DSU 当UGS较小时，不能形成有效

6、的沟道，尽管加有UDS ，也不能形成ID 。当增加UGS，使ID刚刚出现时，对应的UGS称为开启电压，用UGS(th)或UT表示。 (2).漏源电压UDS的控制作用 设UGSUGS(th)，增加UDS，此时沟道的变化如下。SDGPN+N+SiO2型衬底DSU+GSUGS(th)U空穴正离子电子负离子 显然漏源电压会对沟道产生影响，因为源极和衬底相连接，所以加入UDS后， UDS将沿漏到源逐渐降落在沟道内，漏极和衬底之间反偏最大，PN结的宽度最大。所以加入UDS后，在漏源之间会形成一个倾斜的PN结区，从而影响沟道的导电性。 当UDS进一步增加时， ID会不断增加,同时，漏端的耗尽层上移，会在漏端

7、出现夹断，这种状态称为预夹断。预夹断 当UDS进一步增加时， 漏端的耗尽层向源极伸展，此时ID基本不再增加，增加的UDS基本上降落在夹断区。DI2.N2.N沟道沟道增强型增强型MOSMOS特性曲线特性曲线 U UDSDS一定时，一定时，U UGSGS对漏极电流对漏极电流I ID D的控制的控制 关系曲线关系曲线 I ID D= =f f( (U UGSGS) ) U UDSDS=C=C 1). 1). 转移特性曲线转移特性曲线UDSUGS-UTUGS(V)ID(mA)UT在恒流区，ID与UGS的关系为IDK(UGS-UT)2沟道较短时，应考虑UDS对沟道长度的调节作用：IDK(UGS-UT)2

8、（1+ UDS)K导电因子（导电因子（mA/V2) 沟道调制长度系数沟道调制长度系数LWCKOXn2 LWK2nSK2DSULL n沟道内电子的表面迁移率沟道内电子的表面迁移率COX单位面积栅氧化层电容单位面积栅氧化层电容W沟道宽度沟道宽度L沟道长度沟道长度Sn沟道长宽比沟道长宽比K本征导电因子本征导电因子有导电沟道有导电沟道无导电无导电沟道沟道UDSUGS/ID/mAUDS/Vo oUGS= 1VUGS= 2VUGS= 3VUGS= 4V2). 2). 输出特性曲线输出特性曲线2. 恒流区恒流区：UGS一定，一定，ID基本不随基本不随UDS变化而变变化而变3.击穿区击穿区： UDS 增加到某

9、一值时，增加到某一值时，ID开始剧增而出开始剧增而出现击穿。现击穿。ID开始剧增时开始剧增时UDS称为漏源击穿称为漏源击穿电压。电压。UGS=6VUGS=4VUGS=5VUGS=3VUGS=UT=3VUGS(V)ID(mA)U UGSGS一定时，一定时， I ID D与与U UDSDS的变化曲线，是一族曲线的变化曲线，是一族曲线 I ID D= =f f( (U UDSDS) ) U UGSGS=C =C 1.可变电阻区：可变电阻区： 近线性近线性 ID 2K(UGS-UT)UDS可变电阻区可变电阻区:当UGS变化时，RON将随之变化恒阻区恒阻区: 当UGS一定时，RON近似为一常数2K1UU

10、1dIdURTGS0dUDDSonGSN型衬底型衬底P+P+GSD符号：符号：结构结构SiO2绝缘层绝缘层加电压才形成加电压才形成 P型导电沟道型导电沟道 增强型场效应管只有当增强型场效应管只有当时才形成导时才形成导电沟道。电沟道。GSD符号：符号：SiO2绝缘层中绝缘层中掺有正离子掺有正离子予埋了予埋了N型型 导电沟道导电沟道 由于耗尽型场效应管预埋了导电沟道，所以在由于耗尽型场效应管预埋了导电沟道，所以在UGS= 0时，时，若漏若漏源之间加上一定的电压源之间加上一定的电压UDS，也，也会有漏极电流会有漏极电流 ID 产生。产生。 当当UGS达到一定达到一定负值时，负值时，N型导电沟道消失，

11、型导电沟道消失，ID= 0，称为场效应管处于夹断状态（即截止）。称为场效应管处于夹断状态（即截止）。这时的这时的UGS称为夹断电压，用称为夹断电压，用UGS(off(off）表示。表示。 夹断电压夹断电压 耗尽型的耗尽型的MOS管管UGS= 0时就有导电沟道，加反时就有导电沟道，加反向电压到一定值时才能夹断。向电压到一定值时才能夹断。 UGS(off)转移特性曲线转移特性曲线0ID/mA UGS /V-1-2-34812161 2U DSUGS=0UGS0漏极特性曲线漏极特性曲线0ID/mA16 201248121648IDSS符号：符号：GSD予埋了予埋了P P型型 导电沟道导电沟道SiO2

12、绝缘层中绝缘层中掺有负离子掺有负离子GSDGSDN沟道沟道GSDGSDP沟道沟道3.2.2 N3.2.2 N沟道沟道耗尽型耗尽型MOSMOS场效应管场效应管+ + + + + + + 耗尽型耗尽型MOS管存在管存在原始导电沟道原始导电沟道1. 1. 工作原理工作原理当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UGS0时，将使ID进一步增加。当UGS0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退出退出2.2. 特性曲线特性曲线转移特性曲线转移特性曲线UGS(V)ID(mA)UP在恒流区在恒流区IDK(

13、UGS-UP)2沟道较短时沟道较短时IDK(UGS-UT)2（1+ UDS)ID IDSS(1- UGS /UP)2常用关系式：常用关系式：输出特性曲线输出特性曲线ID(mA)N N沟道沟道耗尽型耗尽型MOSMOS管可工作在管可工作在 U UGSGS 0 0或或U UGSGS0 0 N N沟道沟道增强型增强型MOSMOS管只能工作在管只能工作在 U UGSGS00各类绝缘栅场效应三极管的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沟道增强型绝缘栅场效应管 N沟道耗尽型P 沟道耗尽型各类场效应三极管的特性曲线各类场效应三极管的特性曲线3.3 3.3 场效应管的主要参数场效

14、应管的主要参数1. 开启电压开启电压UT MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值,场效应管不能导通。场效应管不能导通。2. 夹断电压夹断电压UP 夹断电压是耗尽型夹断电压是耗尽型FET的参数，当的参数，当UGS=UP 时时,漏极电流为零。漏极电流为零。3. 饱和漏极电流饱和漏极电流IDSS 耗尽型场效应三极管当耗尽型场效应三极管当UGS=0时所对应的漏极电流。时所对应的漏极电流。4. 直流输入电阻直流输入电阻RGS栅源间所加的恒定电压栅源间所加的恒定电压UGS与流过栅极电流与流过栅极电流IGS之比之比结型场效应管，反偏时结型场效应管，反偏

15、时RGS约大于约大于107，绝缘栅场效应管，绝缘栅场效应管RGS约是约是10910155. 漏源击穿电压漏源击穿电压BUDS 使使ID开始剧增时的开始剧增时的UDS。6.栅源击穿电压栅源击穿电压BUGSJFET：反向饱和电流剧增时的栅源电压：反向饱和电流剧增时的栅源电压 MOS：使：使SiO2绝缘层击穿的电压绝缘层击穿的电压7. 低频跨导低频跨导gm 低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用)1 (2PGSPDSSconstGSDmDSUUUIUIguDSGSm UDUIg 20020 mA/V51m g421010 1471010 对应电极对应电极 BEC

16、 GSD耗尽型耗尽型N沟道沟道MOS管的特性曲线管的特性曲线IDmAVUDSUGS 实验线路实验线路(共源极接法共源极接法)GSD输出特性曲线输出特性曲线UGS=0VU DS （V）ID（mA）01324UGS=+1VUGS=+2VUGS=-1VUGS=-2V夹断电压夹断电压UP=-2V固定一个固定一个U DS，画出，画出ID和和UGS的关系曲线，称为转移特性的关系曲线，称为转移特性曲线曲线耗尽型耗尽型N沟道沟道MOS管的特性曲线管的特性曲线转移特性曲线转移特性曲线0IDUGSUP夹断电压夹断电压跨导跨导gmUGS=0VU DS （V）ID（mA）01324UGS=+1VUGS=+2VUGS=

17、-1VUGS=-2V= ID / UGS =（3-2）/（1-0）=1/1=1mA/V UGS ID场效应管放大电路场效应管放大电路1 电路的组成原则及分析方法电路的组成原则及分析方法(1).静态：适当的静态工作点，使场效应管工静态：适当的静态工作点，使场效应管工作在恒流区作在恒流区 (2).动态动态: 能为交流信号提供通路能为交流信号提供通路组成原则组成原则静态分析：静态分析： 估算法、图解法。估算法、图解法。动态分析：动态分析：微变等效电路法。微变等效电路法。分析方法分析方法N沟道耗尽型绝缘栅场效应管沟道耗尽型绝缘栅场效应管 符号及特性曲线符号及特性曲线GSDIDUDSUGSGSDUGS=

18、0VU DS （V）ID（mA）01324UGS=+1VUGS=+2VUGS=-1VUGS=-2VQ跨导跨导gm = ID / UGS ID = gm UGSid=gmugsID = gm UGS2 场效应管的微变等效电路场效应管的微变等效电路gsuGSDdidsuSGDrDSgsugsmugdsuidrDS = UDS / ID 很大，可忽略。很大，可忽略。场效应管的微变等效电路场效应管的微变等效电路压控电流源压控电流源SGDgsugsmugdsuid 2GS(OFF)GSDSSD)1 (UUII 2GSD)41 ( 8 UISDDDG2G1G2GSRIURRRU 2GS(OFF)GSDSS

19、D)1 (UUII )/(LDmioRRgUUAu gsiUU )(LDdR/RIUo RG1RDRG2RG+RL+SDGTOUiUdI)( LDgsmR/RUg )/(G2G1GiRRRr DORr 输入电阻输入电阻3.源极输出器源极输出器+UDD RSC2C1RG1RG2RG+RLuiuo+RG1RSRG2RG+RL+SDGTOUiUSI+gsU交流通路交流通路1)/(1)/(LSmLSmio RRgRRgUUAuogsiUUU )(LSSR/RIUo )( LSgsmR/RUg 电压放大倍数电压放大倍数)/(LSgsmgsRRUgU CDDSDSGS uiuRU DS1V1.5VUGS=

20、0.5V0ID/mA16 2012481216482V2.5V3 静态分析静态分析无输入信号时（无输入信号时（ui=0），），估算：估算：UDS和和 ID。+UDD=+20VuoRSuiCSC2C1R1RDRGR2RL150K50K1M10K10KGDS10KIDUDSR1=150k R2=50k RG=1M RD=10k RS=10k RL=10k gm =3mA/VUDD=20V设：设：UGUGS则：则：UG US而：而：IG=0mA5 . 0RURUISGSSD V10)RR(IUUDSDDDDS +UDD+20VR1RDRGR2150K50K1M10KRS10KGDS所以：所以：V5U

21、RRRUDD212G =直流通道直流通道IDUDSIG4 动态分析动态分析微变等效电路微变等效电路+UDD=+20VuoRSuiCSC2C1R1RDRGR2RL150K50K1M10K10KGDS10KSGR2R1RGDRLRDUgsgmUgsUiUoIdSGDgsugsmugdsuid 动态分析：动态分析：UgsUiUgsgmIdrirogsiUU UoSGR2R1RGRL DRLRD)R/R(UgULDgsmo = gm UiRL LmuRgA 电压放大倍数电压放大倍数负号表示输出输入反相负号表示输出输入反相电压放大倍数估算电压放大倍数估算LmuRgA R1=150k R2=50k RG=

22、1M RS=10k RD=10k RL=10k gm =3mA/VUDD=20V=-3 （10/10）=-15RL=RD/RLro=RD =10K SGR2R1RGRL DRLRD输入电阻、输出电阻输入电阻、输出电阻=1+0.15/0.05=1.0375M R1=150k R2=50k RG=1M RD=10k RS=10k RL=10k gm =3mA/VUDD=20Vrirori=RG+R1/R25 源极输出器源极输出器uo+UDD +20VRSuiC1R1RGR2RL150K50K1M10KDSC2G10KR1=150k R2=50k RG=1M RS=10k RL=10k gm =3m

23、A/VUDD=20V静态工作点静态工作点:V5URRRUDD212G =US UGmA5 . 0RURUISGSSD UDS=UDD- US =20-5=15Vuo+UDD +20VRSuiC1R1RGR2RL150K50K1M10KDSC2G10K微变等效电路：微变等效电路：微变等效电路：微变等效电路：iU gsU oU dI gsmUg LgsmgsLgsmiouRUgURUgUUA 1Rg1RgLmLm riro ro gR2R1RGsdRLRSUi=Ugs+UoUo =Id(RS/RL)=gm Ugs RL求求rigR2R1RGsdRLRSriri=RG+R1/R2求求ro加压求流法加

24、压求流法mgsmgsdoog1UgUIUr SooR/rr gsU oU dI gsmUg ro ro =RS1+gm RSIogR2R1RGsRSri=RG+R1/R2uo+UDD +20VRSuiC1R1RGR2RL150K50K1M10KDSC2G10KR1=150k R2=50k RG=1M RS=10k RL=10k gm =3mA/VUDD=20VAu =gm RL1+gm RL=3 (10/10) /1+3 (10/10) =0.94 =RS1+gm RSro=10/(1+3 10)=0.323 k 代入数值计算代入数值计算=1+0.15/0.05=1.0375 M 场效应管放大电路小结场效应管放大电路小结(1) 场效应管放大器输入电阻很大。场效应管放大器输入电阻很大。(2)场效应管共源极放大器场效应管共源极放大器(漏极输出漏极输出)输入输输入输出反相，电压放大倍数大于出反相，电压放大倍数大于1；输出电阻；输出电阻=RD。(3)场效应管源极跟随器输入输出同相，电场效应管源极跟随器输入输出同相，电压放大倍数小于压放大倍数小于1且约等于且约等于1；输出电阻小。；输出电阻小。77 结束语结束语