第3章场效应管及其基本放大电路PPT讲稿.ppt

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1、第第3章章 场效应管及其场效应管及其基本放大电路基本放大电路第1页，共104页，编辑于2022年，星期二第九讲 场效应管及其放大电路一、场效应管一、场效应管二、场效应管放大电路静态工作点的二、场效应管放大电路静态工作点的设置方法设置方法三、场效应管放大电路的动态分析三、场效应管放大电路的动态分析四、复合管四、复合管第2页，共104页，编辑于2022年，星期二一、一、场效应管场效应管(Field-Effect Transistors)1.结型场效应管结型场效应管(Junction FET)2.金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应管半导体场效应管 (Metal-Oxide-Semiconducto

2、r FET)耗尽型耗尽型MOSFET增强型增强型MOSFET3.金属金属-半导体场效应管半导体场效应管(Metal-Semiconductor FET)N沟道、沟道、P沟道沟道第3页，共104页，编辑于2022年，星期二一、JFET（以N沟道为例）场效应管有三个极：源极场效应管有三个极：源极(s)、栅极、栅极(g)、漏极、漏极(d)，对应于晶体管，对应于晶体管的的e、b、c；有三个工作区域：截止区、恒流区、可变电阻区，对；有三个工作区域：截止区、恒流区、可变电阻区，对应于三极管的截止区、放大区和饱和区。应于三极管的截止区、放大区和饱和区。1 1、结型场效应管、结型场效应管导电导电沟道沟道源极源

3、极栅极栅极漏极漏极符号符号结构示意图结构示意图第4页，共104页，编辑于2022年，星期二栅-源电压对导电沟道宽度的控制作用沟道最宽沟道最宽沟道变窄沟道变窄沟道消失沟道消失称为夹断称为夹断uGS可以控制导电沟道的宽度。为什么可以控制导电沟道的宽度。为什么g-s必须加负电压？必须加负电压？UGS（off）为了使输入阻抗大为了使输入阻抗大(不允许出现栅流不允许出现栅流iG)，也为了使栅源电压对沟道宽度及漏极，也为了使栅源电压对沟道宽度及漏极电流有效地进行控制，电流有效地进行控制，PN结一定要反偏，所以在结一定要反偏，所以在N沟道沟道JFET中，中，uGS必须为负值。必须为负值。第5页，共104页，

4、编辑于2022年，星期二漏-源电压对漏极电流的影响 uGSUGS（off）且不变，且不变，VDD增大，增大，iD增大增大。预夹断预夹断uGDUGS(off)VDD的增大，几乎全部用来克服沟道的电阻，的增大，几乎全部用来克服沟道的电阻，iD几乎不变，进入恒流区，几乎不变，进入恒流区，iD几乎仅仅决定于几乎仅仅决定于uGS。场效应管工作在恒流区的条件？场效应管工作在恒流区的条件？uGDUGS(off)uGDuGSUGS(off)第6页，共104页，编辑于2022年，星期二g-s电压控制电压控制d-s的等效电的等效电阻阻输出特性预夹断轨迹，预夹断轨迹，uGDUGS（off）(uDS uDG+uGS)

5、uDSuGSUGS(off)可可变变电电阻阻区区恒恒流流区区iD几乎仅决定几乎仅决定于于uGS击击穿穿区区夹断区（截止区）夹断区（截止区）夹断电压夹断电压IDSSiD 不同型号的管子不同型号的管子UGS（off）、IDSS将不将不同。同。低频跨导：低频跨导：第7页，共104页，编辑于2022年，星期二夹断夹断电压电压漏极饱和漏极饱和电流电流转移特性IDSS饱和电流，表示饱和电流，表示uGS=0时的时的iD值；值；UGS(off)夹断电压，表示夹断电压，表示uGS=UGS(off时时iD为零。为零。场效应管工作在恒流区，因而场效应管工作在恒流区，因而uGS UGS（off）且且uDS|UGS(o

6、ff)|转移特性曲线表达在转移特性曲线表达在uDS一定时，栅源电压一定时，栅源电压uGS对漏极电流对漏极电流iD的控制作的控制作用用第8页，共104页，编辑于2022年，星期二转移特性第9页，共104页，编辑于2022年，星期二栅极(Gate)，源极(Source)，漏极(Drain)。在JFET中，源极和漏极是可以互换的。主要参数：直流参数：夹断电压UGS(off)，饱和漏极电流IDSS，直流输入电阻RGS(DC)交流参数：低频跨导gm，极间电容Cgs，Cgd，Cds极限参数：击穿电压U(BR)DS，U(BR)GS，最大耗散功率PDM，第10页，共104页，编辑于2022年，星期二2、MOS

7、FET(N沟道增强型增强型)N沟道增强型管符号增强型管符号SiO2绝缘层绝缘层高参杂高参杂第11页，共104页，编辑于2022年，星期二MOSFET(N沟道增强型增强型)uGS增大，反型层（导电沟道）将变厚变长。当反型层增大，反型层（导电沟道）将变厚变长。当反型层将两个将两个N区相接时，形成导电沟道。区相接时，形成导电沟道。耗尽层耗尽层空穴空穴反型层反型层大到一定值大到一定值才开启才开启SiO2绝缘绝缘层层第12页，共104页，编辑于2022年，星期二增强型MOS管uDS对iD的影响 用场效应管组成放大电路时应使之工作在恒流区。用场效应管组成放大电路时应使之工作在恒流区。N沟道增强沟道增强型型

8、MOS管工作在恒流区的条件？管工作在恒流区的条件？iD随随uDS的增大的增大而增大，可变而增大，可变电阻区电阻区 uGDUGS(th),预夹断预夹断 iD几乎仅仅受几乎仅仅受控于控于uGS，恒流区，恒流区刚出现夹断刚出现夹断uGS的增大几乎全部用来克的增大几乎全部用来克服夹断区的电阻服夹断区的电阻第13页，共104页，编辑于2022年，星期二MOSFET(N沟道耗尽型)耗尽型耗尽型MOS管在管在 uGS大于大于0、小于、小于0、等于、等于0时均可导通，且与结型场时均可导通，且与结型场效应管不同，由于效应管不同，由于SiO2绝缘层的存在，在绝缘层的存在，在uGS0时仍保持时仍保持g-s间间电阻非

9、常大的特点。电阻非常大的特点。加正离子加正离子小到一定值小到一定值才夹断才夹断uGS=0时就存在导时就存在导电沟道电沟道第14页，共104页，编辑于2022年，星期二MOS管的特性增强型增强型MOS管管耗尽型耗尽型MOS管管开启电开启电压压夹断电夹断电压压第15页，共104页，编辑于2022年，星期二主要参数：一、直流参数，二、交流参数，三、极限参数一、夹断/开启电压UGS(off)/UGS(th)，饱和漏极电流IDSS，直流输入电阻RGS(DC)二、低频跨导gm，极间电容Cgs，Cgd，Cds三、最大漏极电流IDM，击穿电压U(BR)DS，U(BR)GS，最大耗散功率PDM第16页，共104

10、页，编辑于2022年，星期二3、场效应管工作在恒流区时g-s、d-s间的电压极性uGS=0可工作在恒流区的场效应管有哪几种？可工作在恒流区的场效应管有哪几种？uGS0才工作在恒流区的场效应管有哪几种？才工作在恒流区的场效应管有哪几种？uGS0才工作在恒流区的场效应管有哪几种？才工作在恒流区的场效应管有哪几种？第17页，共104页，编辑于2022年，星期二二、场效应管静态工作点的设置方法1基本共源放大电路根据场效应管工作在恒流区的条件，在根据场效应管工作在恒流区的条件，在g-s、d-s间加极性间加极性合适的电源合适的电源(固定偏置固定偏置)第18页，共104页，编辑于2022年，星期二2自给偏压

11、电路由正电源获得负偏压由正电源获得负偏压称为自给偏压称为自给偏压哪种场效应管能够采用这种电路形式设置哪种场效应管能够采用这种电路形式设置Q点？点？耗尽型耗尽型第19页，共104页，编辑于2022年，星期二3分压式偏置电路为什么加为什么加Rg3?其数值应大些小些？其数值应大些小些？哪种场效应管能够采用这种电路形式设置哪种场效应管能够采用这种电路形式设置Q点？点？即典型的即典型的Q点稳定电路点稳定电路第20页，共104页，编辑于2022年，星期二三、场效应管放大电路的动态分析近似分析时可认为近似分析时可认为其为无穷大！其为无穷大！根据根据iD的表达式或转的表达式或转移特性可求得移特性可求得gm。1

12、场效应管的交流等效模型与晶体管的与晶体管的h参数等效模型类比：输入端口电阻无穷大；输出端参数等效模型类比：输入端口电阻无穷大；输出端口口全微分全微分第21页，共104页，编辑于2022年，星期二跨导跨导gmgm与与uGS呈线性关系呈线性关系耗尽型场效应管耗尽型场效应管第22页，共104页，编辑于2022年，星期二跨导跨导gmgm与与uGS呈线性关系呈线性关系增强型场效应管增强型场效应管第23页，共104页，编辑于2022年，星期二2.基本共源放大电路的动态分析基本共源放大电路的动态分析若若Rd=3k，Rg=5k，gm=2mA/V，则，则与共射电路比较。与共射电路比较。第24页，共104页，编辑

13、于2022年，星期二3.基本共漏共漏放大电路的动态分析若Rs=3k，gm=2mA/V，则第25页，共104页，编辑于2022年，星期二基本共漏放大电路输出电阻的分析若Rs=3k，gm=2mA/V，则Ro=?3000/500=500/7第26页，共104页，编辑于2022年，星期二四、复合管复合管的组成：多只管子合理连接等效成一只管子。复合管的组成：多只管子合理连接等效成一只管子。不同类型的管子复合后，其类不同类型的管子复合后，其类型决定于型决定于T1管。管。目的：增大目的：增大/gm，减小前级驱动电流，改变管子的类型。，减小前级驱动电流，改变管子的类型。第27页，共104页，编辑于2022年，

14、星期二讨论一判断下列各图是否能组成复合管复合管中复合管中每只管子的电每只管子的电压方向一致压方向一致前级管子各极电流都有合前级管子各极电流都有合适的通路适的通路后级的基极接前级的后级的基极接前级的e/c/d/s第28页，共104页，编辑于2022年，星期二Ri=?Ro=?讨论二第29页，共104页，编辑于2022年，星期二Rg3的作用的作用讨论三OVER第30页，共104页，编辑于2022年，星期二二、输出特性曲线二、输出特性曲线输出特性曲线表达以UGS为参变量时iD与uDS的关系。如图33(b)所示，根据特性曲线的各部分特征，我们将其分为四个区域：1.恒流区恒流区恒流区相当于双极型晶体管的放

15、大区。其主要特征为：(1)当UGSoffUGS|UGSoff|(33)时，沟道在漏极附近被局部夹断(称为预夹断)，如图34(b)所示。此后，uDS再增大，电压主要降到局部夹断区，而对整个沟道的导电能力影响不大。所以uDS的变化对iD影响很小。第32页，共104页，编辑于2022年，星期二2.可变电阻区可变电阻区当uDS很小，|uDS-uGS|UGSoff|时，沟道被全部夹断，iD=0，故此区为截止区。若利用JFET作为开关，则工作在截止区，即相当于开关打开。4.击穿区击穿区随 着 uDS增 大，靠 近 漏 区 的 PN结 反 偏 电 压uDG(=uDS-uGS)也随之增大。第35页，共104页

16、，编辑于2022年，星期二32 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管(IGFET)321 绝缘栅场效应管的结构绝缘栅场效应管的结构如图35所示，其中图(a)为立体结构示意图，图(b)为平面结构示意图。第36页，共104页，编辑于2022年，星期二图 35绝 缘 栅(金 属-氧 化 物-半 导 体)场 效 应 管 结 构 示 意 图 (a)立体图；(b)剖面图第37页，共104页，编辑于2022年，星期二322N沟道增强型沟道增强型MOSFET(EnhancementNMOSFET)一、导电沟道的形成及工作原理一、导电沟道的形成及工作原理如图36所示，若将源极与衬底相连并接地，在栅极和源极之间加正压UG

17、S，在漏极与源极之间施加正压UDS，我们来观察uGS变化时管子的工作情况。第38页，共104页，编辑于2022年，星期二图36N沟道增强型MOS场效应管的沟道形成及符号第39页，共104页，编辑于2022年，星期二图36N沟道增强型MOS场效应管的沟道形成及符号第40页，共104页，编辑于2022年，星期二二、转移特性二、转移特性N沟道增强型MOSFET的转移特性如图37所示。其主要特点为：(1)当uGSUGSth时，iD0，uGS越大，iD也随之增大，二者符合平方律关系，如式(34)所示。(34)第41页，共104页，编辑于2022年，星期二式中：UGSth开启电压(或阈值电压)；n沟道电子

18、运动的迁移率；Cox单位面积栅极电容；W沟道宽度；L沟道长度(见图35(a)；W/LMOS管的宽长比。在MOS集成电路设计中，宽长比是一个极为重要的参数。第42页，共104页，编辑于2022年，星期二三、输出特性三、输出特性N沟道增强型MOSFET的输出特性如图38所示。与结型场效应管的输出特性相似，它也分为恒流区、可变电阻区、截止区和击穿区。其特点为：(1)截止区：UGSUGSth，导电沟道未形成，iD=0。第43页，共104页，编辑于2022年，星期二图38输出特性(a)输出特性；(b)厄尔利电压第44页，共104页，编辑于2022年，星期二图38输出特性(a)输出特性；(b)厄尔利电压第

19、45页，共104页，编辑于2022年，星期二(2)恒流区：曲线间隔均匀，uGS对iD控制能力强。uDS对iD的控制能力弱，曲线平坦。进入恒流区的条件，即预夹断条件为(35)第46页，共104页，编辑于2022年，星期二因为UGD=UGS-UDS，当UDS增大，使UGDUGSth时，靠近漏极的沟道被首先夹断(如图39所示)。此后，UDS再增大，电压的大部分将降落在夹断区(此处电阻大)，而对沟道的横向电场影响不大，沟道也从此基本恒定下来。所以随UDS的增大，iD增大很小，曲线从此进入恒流区。第47页，共104页，编辑于2022年，星期二图39uDS增大，沟道被局部夹断(预夹断)情况第48页，共10

20、4页，编辑于2022年，星期二沟道调制系数。不同UGS对应的恒流区输出特性延长会交于一点(见图3-8(b)，该点电压称为厄尔利电压UA。定义沟道调制系数来表达uDS对沟道及电流iD的影响。显然，曲线越平坦，|UA|越大，越小。(36)第49页，共104页，编辑于2022年，星期二考虑uDS对iD微弱影响后的恒流区电流方程为但由于0，就有漏极电流。如果uGS0,指向衬底的电场加强，沟道变宽，漏极电流iD将会增大。反之，若uGSuGSth时，导电沟道才形成，iD0。3.输入电阻输入电阻RGS对结型场效应管，RGS在1081012之间。对MOS管，RGS在10101015之间。通常认为RGS。第63

21、页，共104页，编辑于2022年，星期二二、极限参数二、极限参数场效应管也有一定的运用极限，若超过这些极限值，管子就可能损坏。场效应管的极限参数如下：(1)栅源击穿电压U(BR)GSO。(2)漏源击穿电压U(BR)DSO。(3)最大功耗PDM：PDM=IDUDS第64页，共104页，编辑于2022年，星期二三、交流参数三、交流参数1跨导跨导gm跨导gm的定义为(313)gm的大小可以反映栅源电压uGS对漏极电流iD的控制能力的强弱。gm可以从转移特性或输出特性中求得，也可以用公式计算出来。对JFET和耗尽型MOS管，电流方程为第65页，共104页，编辑于2022年，星期二(314)那么，对应工

22、作点Q的gm为式中，IDQ为直流工作点电流。可见，工作点电流增大，跨导也将增大。而对增强型MOSFET，其电流方程为第66页，共104页，编辑于2022年，星期二那么，对应工作点Q的gm为(315)式(315)表明，增大场效应管的宽长比和工作电流，可以提高gm。2.输出电阻输出电阻r ds 输出电阻rds定义为(316)(317)恒流区的rds可以用下式计算：第67页，共104页，编辑于2022年，星期二 332 场效应管的低频小信号模型场效应管的低频小信号模型 因为所以(318)(319)以正弦复数值表示，上式可改写为通常rds较大，对Id的影响可以忽略，则第68页，共104页，编辑于202

23、2年，星期二画出式(320)和式(321)所对应的等效电路分别如图313(a),(b)所示。由于栅流iG=0,RGS=，所以输入回路等效电路可以不画出。可见，场效应管低频小信号等效电路比晶体管的还简单。第69页，共104页，编辑于2022年，星期二图313场效应管低频小信号简化模型第70页，共104页，编辑于2022年，星期二34 场效应管放大器场效应管放大器341场效应管偏置电路场效应管偏置电路与晶体管放大器相似，静态工作点的设置对放大器的性能至关重要。在场效应管放大器中，由于结型场效应管与耗尽型MOS场效应管uGS=0时，iD0，故可采用自偏压方式，如图314(a)所示。而对于增强型MOS

24、FET，则一定要采用分压式偏置或混合偏置方式，如图314(b)所示。我们可以用两种办法确定直流工作点，一种是图解法，另一种是解析法。第71页，共104页，编辑于2022年，星期二图314场效应管偏置方式(a)自偏压方式；(b)混合偏置方式第72页，共104页，编辑于2022年，星期二一、图解法一、图解法画出N沟道场效应管的转移特性如图315所示。对于自偏压方式，栅源回路直流负载线方程为(322)在转移特性坐标上画出该负载线方程如图315(a)所示。分别求出JFET的工作点为Q1点，耗尽型MOSFET的工作点为Q2点，而与增强型MOSFET转移特性则无交点。第73页，共104页，编辑于2022年

25、，星期二图315图解法求直流工作点(a)自偏压方式；(b)混合偏置方式第74页，共104页，编辑于2022年，星期二对于混合偏置方式，栅源回路直流负载线方程为(323)画出该负载线如图315(b)所示，对于三种不同类型的场效应管的工作点分别为Q1、Q2及Q3。这里要特别注意的是，对JFET，RG2过大，或RS太小，都会导致工作点不合适，如图315(b)虚线所示。第75页，共104页，编辑于2022年，星期二二、解析法二、解析法已知电流方式及栅源直流负载线方程，联立求解即可求得工作点。例如：(324a)(324b)将式(324b)代入式(324a)，解一个iD的二次方程，有两个根，舍去不合理的一

26、个根，留下合理的一个根便是IDQ。第76页，共104页，编辑于2022年，星期二342场效应管放大器分析场效应管放大器分析与晶体管放大器相似，场效应管放大器也有共源、共漏、共栅等三种基本组态电路。一、共源放大器一、共源放大器共源放大器电路如图316(a)所示，其低频小信号等效电路如图316(b)所示。由图(b)可知，放大器输出交流电压为(325)第77页，共104页，编辑于2022年，星期二图316共源放大器电路及其低频小信号等效电路(a)电路；(b)低频小信号等效电路第78页，共104页，编辑于2022年，星期二图316共源放大器电路及其低频小信号等效电路(a)电路；(b)低频小信号等效电路

27、第79页，共104页，编辑于2022年，星期二式中，且一般满足RDRLrds。所以，共源放大器的放大倍数Au为(326)若gm=5mA/V，元件值如图316(a)所示，则Au=50。输出电阻：输入电阻：(327)(328)第80页，共104页，编辑于2022年，星期二图317给出了基于Workbench平台的场效应管电路的计算机仿真结果，从仿真中可以测出直流工作点及输入输出波形的相位关系、放大倍数等。第81页，共104页，编辑于2022年，星期二图317基于Workbench平台的FET放大电路的计算机仿真第82页，共104页，编辑于2022年，星期二由图可见，场效应管型号为inf510，栅流

28、IG=0，漏极电流IDQ=0.858mA。输出波形与输入波形相位相反。用示波器光标分别测出输出信号峰峰值为3V，输入信号峰峰值为0.024V，故该电路的放大倍数为第83页，共104页，编辑于2022年，星期二例例场效应管放大器电路如图318(a)所示，已知工作点的gm=5mA/V，试画出低频小信号等效电路，并计算增益Au。第84页，共104页，编辑于2022年，星期二图318带电流负反馈的放大电路(a)电路；(b)等效电路；(c)简化等效电路第85页，共104页，编辑于2022年，星期二图318带电流负反馈的放大电路(a)电路；(b)等效电路；(c)简化等效电路第86页，共104页，编辑于20

29、22年，星期二解解(1)该电路的小信号等效电路如图318(b)所示。(2)输出电压：式中：故(329)(330)(331)将式(331)代入式(329)，得放大倍数Au为(332)第87页，共104页，编辑于2022年，星期二二、共漏放大器二、共漏放大器共漏放大器的电路如图319(a)所示，相应的等效电路如图319(b)所示。该电路的主要参数如下。1.放大倍数放大倍数Au 式中：故第88页，共104页，编辑于2022年，星期二图319共漏电路及其等效电路(a)电路；(b)等效电路第89页，共104页，编辑于2022年，星期二图319共漏电路及其等效电路(a)电路；(b)等效电路第90页，共10

30、4页，编辑于2022年，星期二所以(333)第91页，共104页，编辑于2022年，星期二2.输出电阻输出电阻Ro计算输出电阻Ro的等效电路如图320所示。首先将RL开路，短路，在输出端加信号，求出，则第92页，共104页，编辑于2022年，星期二图320计算共漏电路输出电阻Ro的等效电路第93页，共104页，编辑于2022年，星期二图320计算共漏电路输出电阻Ro的等效电路第94页，共104页，编辑于2022年，星期二由图可见式中：所以，输出电阻为第95页，共104页，编辑于2022年，星期二故输入电阻(334)共栅电路与共基电路相似，留给读者自行分析。第96页，共104页，编辑于2022年

31、，星期二343若干问题的讨论若干问题的讨论 一、晶体管的跨导比场效应管的跨导大得多一、晶体管的跨导比场效应管的跨导大得多我们知道，晶体管的电流iC与发射结电压uBE成指数关系，而场效应管的漏极电流iD与栅源电压成平方律关系。跨导表示转移特性的斜率。显然，双极型晶体管的跨导比场效应管的跨导要大得多。第97页，共104页，编辑于2022年，星期二晶体管：场效应管：结型场效应管：第98页，共104页，编辑于2022年，星期二二、关于温度稳定性二、关于温度稳定性场效应管导电机理为多数载流子的漂移电流，热稳定性较晶体管好。而且场效应管还存在一个零温度系数点，如图321所示，在这一点工作，温度稳定性会更好

32、。第99页，共104页，编辑于2022年，星期二图321场效应管的零温度系数点第100页，共104页，编辑于2022年，星期二三、关于体效应和背栅跨导三、关于体效应和背栅跨导前面所有结论都是在衬底与源极短路的前提下得出的。但是在集成电路中，在同一硅片衬底上要做许多管子。为保证正常工作，一般衬底要接到全电路的最低电位点，因此不可能所有管子的源极都与自身的衬底连接，此时，会存在源极与衬底之间的电位差UBS。为了保证沟道与衬底之间用反偏的PN结相隔离，UBS必须为负。第101页，共104页，编辑于2022年，星期二在衬底负压作用下，沟道与衬底间的耗尽层加厚，导致开启电压UGSth增大，沟道变窄，沟道电阻增大，iD减小，这种效应称之为“体效应”，或“背栅效应”，或“衬底调制效应”。为了表达衬底电压对iD的影响，引入背栅跨导gmb：(340)通常用跨导比来表示gmb的大小：(341)第102页，共104页，编辑于2022年，星期二式中,为常数，一般为0.10.2。考虑背栅跨导影响的等效电路如图322所示。图322计入背栅跨导的FET等效电路场效应管三种组态放大器的性能比较如表3-1。第103页，共104页，编辑于2022年，星期二第104页，共104页，编辑于2022年，星期二