模拟电子技术-第三章-场效应管及其基本电路概要优秀PPT.ppt

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1、第三章第三章 场效应管及其基本电路场效应管及其基本电路1场效应晶体管（场效应管）利用多数载流场效应晶体管（场效应管）利用多数载流子的漂移运动形成电流。子的漂移运动形成电流。场效应管场效应管FET(FieldEffectTransistor)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IGFET双极型晶体管主要是利用基区非平衡少数双极型晶体管主要是利用基区非平衡少数载流子的扩散运动形成电流。载流子的扩散运动形成电流。2JFET利用利用PN结反向电压对耗尽层厚度的结反向电压对耗尽层厚度的限制来变更导电沟道的宽度，从而限制来变更导电沟道的宽度，从而限制漏极电流的大小。限制漏极电流的大

2、小。IGFET绝缘栅极场效应管利用栅源电压的绝缘栅极场效应管利用栅源电压的大小来变更半导体表面感生电荷的大小来变更半导体表面感生电荷的多少，从而限制漏极电流的大小。多少，从而限制漏极电流的大小。331结型场效应管结型场效应管311结型场效应管的结构及工作原理结型场效应管的结构及工作原理N型型沟沟道道PPDGSDSG(a)N沟道沟道JFET图图31结型场效应管的结构示意图及其表示符号结型场效应管的结构示意图及其表示符号Gate栅极栅极Source源极源极Drain漏极漏极箭头方向表示栅箭头方向表示栅源间源间PN结若加结若加正向偏置电压时正向偏置电压时栅极电流的实际栅极电流的实际流淌方向流淌方向4

3、P型型沟沟道道NNDGSDSG(b)P沟道沟道JFET图图31结型场效应管的结构示意图及其表示符号结型场效应管的结构示意图及其表示符号5工作原理工作原理1.UGS对场效应管对场效应管ID的影响的影响(转移特性曲线转移特性曲线)NDGSPP条件：条件：UDS加正电压，加正电压，N沟道的多子（自由电子）沟道的多子（自由电子）形成漂移电流形成漂移电流漏极漏极电流电流ID。UGS反偏电压反偏电压 ID如何如何变更？变更？UGSUDSID6(a)UGS=0，沟道最宽，沟道最宽当当 UGS =0时，沟道宽，时，沟道宽，所以所以ID较大。较大。NDGSPPUDS7(b)UGS负压增大，沟道变窄负压增大，沟道

4、变窄当当 UGS PN结变厚结变厚导电沟道变窄导电沟道变窄沟沟道电导率道电导率电阻电阻IDDSPPUGSUDS8(c)UGS负压进一步增大，沟道夹断负压进一步增大，沟道夹断图图32栅栅源源电电压压UGS对对沟沟道道的的限限制制作作用用示示意意图图DSPPUGS直到直到UGS=UGS（off）时，）时，沟道完全消逝，沟道完全消逝，ID=0。UGSoff夹断电压夹断电压9312结型场效应管的特性曲线结型场效应管的特性曲线一、转移特性曲线一、转移特性曲线式中：式中：IDSS饱和电流，表示饱和电流，表示uGS=0时的时的iD值；值；UGSoff夹断电压，表示夹断电压，表示uGS=UGSoff时时iD为

5、零。为零。10uGS/V012312345IDSSUGSoffiD/mA(a)转移特性曲线转移特性曲线为为保保证证场场效效应应管管正正常常工工作作，PN结结必必需需加加反向偏置电压反向偏置电压问题：若问题：若UDS增大，转移特性曲线如何变更？增大，转移特性曲线如何变更？分析：分析：UDS增大，多子形成的漂移电流增大，增大，多子形成的漂移电流增大，ID增加，增加，转移特性曲线上移。转移特性曲线上移。112、UDS对场效应管对场效应管ID的影响（输出特性曲线）的影响（输出特性曲线）输出特性曲线分为四个区域输出特性曲线分为四个区域12DGSUDSUGS沟道局部夹断沟道局部夹断IDDGS(a)uDS-

6、uGS|UGSoff|（预夹断后）（预夹断后）几乎不变几乎不变13图图33JFET的转移特性曲线和输出特性曲线的转移特性曲线和输出特性曲线(b)输出特性曲线输出特性曲线1234iD/mA01020uDS/V可可变变电电阻阻区区恒恒截止区截止区2V1.5V1VuDSuGS SUGSoff515流流区区击击穿穿区区UGS0VUGSoff0 0.5V14当当uDS=0时，时，iD=0。当当uDS很小时，很小时，uDSiD(近似线性增大近似线性增大)当当uDS较大时，靠近较大时，靠近D极的极的uDG的反偏电压的反偏电压靠近靠近D极的耗尽层变宽极的耗尽层变宽导电沟道渐渐变窄，导电沟道渐渐变窄，沟道电阻沟

7、道电阻“预夹断预夹断”。出现出现预夹断的条件预夹断的条件为：为：或或1.可变电阻区（相当于晶体管的饱和区）可变电阻区（相当于晶体管的饱和区）15uGS对对iD上升的斜率影响较大，在这一上升的斜率影响较大，在这一区域内，区域内，JFET可看作一个受可看作一个受uGS限制的可限制的可变电阻，即漏、源电阻变电阻，即漏、源电阻rDS=f(uGS)，故称，故称为可变电阻区。为可变电阻区。162.恒流区（相当于晶体管的放大区）恒流区（相当于晶体管的放大区）当漏、栅间电压当漏、栅间电压|uDG|UGSoff|时，即预夹时，即预夹断后所对应的区域。断后所对应的区域。当当UGS确定时：确定时：uDS漂移电流漂移

8、电流iD，但同时，但同时uDSD结变宽结变宽iD，因此，因此iD变更很小，只是略变更很小，只是略有增加。有增加。因此：因此：uDS对对iD的限制实力很弱。（类似基的限制实力很弱。（类似基区宽度调制效应）区宽度调制效应）17当当UGSoff UGS|UGSoff|时，沟道被全部夹断，时，沟道被全部夹断，iD=0，故此区为截止区。，故此区为截止区。3.截止区截止区1932绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管(IGFET)绝绝缘缘栅栅场场效效应应管管是是利利用用半半导导体体表表面面的的电电场场效效应应进进行行工工作作的的，也也称称为为表表面面场场效效应应器器件件。IGFET最最常常用用的的是是金金属属氧氧化

9、化物物半半导体导体MOSFET(MetalOxideSemiconductorFET)。20优点：优点：（1）输入偏流小，即输入电阻高达）输入偏流小，即输入电阻高达1010。（2）制造工艺简洁；）制造工艺简洁；（3）热稳定性好。）热稳定性好。IGFET分类：分类：（1）依据导电类型，分为）依据导电类型，分为N沟道和沟道和P沟道两类。沟道两类。（2）依据）依据uGS=0时，漏源之间是否有导电沟道又时，漏源之间是否有导电沟道又可分为增加型（无可分为增加型（无ID）和耗尽型（有）和耗尽型（有ID）两种。）两种。21MOSFETN沟道沟道P沟道沟道增加型增加型N-EMOSFET耗尽型耗尽型增加型增加型

10、耗尽型耗尽型N-DMOSFETP-EMOSFETP-DMOSFET22源极源极栅极栅极漏极漏极氧化层氧化层(SiO2)BWP型衬底型衬底NNL耗耗尽尽层层A1层层SGD(a)立体图立体图321绝缘栅场效应管的结构绝缘栅场效应管的结构23图图35绝绝缘缘栅栅(金金属属-氧氧化化物物-半半导导体体)场场效效应应管管结结构构示示意意图图(b)剖面图剖面图SGDNNP型硅衬底型硅衬底绝缘层绝缘层(SiO2)衬底引线衬底引线 B半导体半导体24322N沟道增加型沟道增加型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DGS(c)符号符号BBN

11、UGSNPN结结(耗尽层耗尽层)P型衬底型衬底DS25B(a)UGSUGSth，导电沟道已形成导电沟道已形成uGS越大越大沟道越宽沟道越宽沟道电阻越小沟道电阻越小iD越大越大这这种种必必需需依依靠靠G-S电电压压作作用用才才能能形形成成导导电电沟沟道道的的场场效应管，称为增加型场效应管。效应管，称为增加型场效应管。27图图3-7ENMOSFET的转移特性的转移特性二、转移特性二、转移特性(1)当当uGSUGSth时时，iD0，uGS越越大大，iD也也随随之之增增大大，二二者者符符合合平方律关系。平方律关系。2829BN导电沟道导电沟道P型衬底型衬底UGSN三、三、uDS对沟道导电实力的限制（转

12、移特性）对沟道导电实力的限制（转移特性）30图图39uDS增增大大，沟沟道道被被局局部部夹夹断断(预预夹夹断断)状状况况31iD0uDSUGS6V截止区截止区4V3V2V5V可可变变电电阻阻区区(a)恒恒流流区区区区穿穿击击图图38输出特性输出特性32(1)截止区：截止区：uGSUGSth，导电沟道未形成，导电沟道未形成，iD=0。(2)恒流区恒流区曲线间隔匀整，曲线间隔匀整，uGS对对iD限制实力强。限制实力强。uDS对对iD的限制实力弱，曲线平坦。的限制实力弱，曲线平坦。进入恒流区的条件，即预夹断条件为进入恒流区的条件，即预夹断条件为即：即：|uGD|UGSth33(b)厄尔利电压厄尔利电

13、压uDSiD0UGSUA(厄厄尔利电压尔利电压)沟道调制系数沟道调制系数：厄尔利电压：厄尔利电压UA的倒数，的倒数，曲线越平坦曲线越平坦|UA|越大越大越小。越小。34考虑考虑uDS对对iD的微弱影响后恒流区的电流方程的微弱影响后恒流区的电流方程为：为：但但0就有就有iD电流，且电流，且uGSiD；当当uGS减小为负值时，减小为负值时，iD；当当uGS=UGSoff时，时，iD=0，管子进入截止状态。，管子进入截止状态。37图图310N沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管的特性及符号管的特性及符号(a)转移特性；转移特性；(b)输出特性；输出特性；(c)表示符号表示符号38图图310N沟道耗尽型沟道耗

14、尽型MOS管的特性及符号管的特性及符号(a)转移特性；转移特性；(b)输出特性；输出特性；(c)表示符号表示符号(c)DGSB39式中：式中：ID0表示表示uGS=0时所对应的漏极电流。时所对应的漏极电流。40图图310N沟沟道道耗耗尽尽型型MOS管管的的特特性性及及符符号号(a)转移特性；转移特性；(b)输出特性；输出特性；(c)表示符号表示符号41324各种类型各种类型MOS管的符号及特性对比管的符号及特性对比DGSDGSN沟道沟道P沟道沟道结型结型FET图图311各种场效应管的符号对比各种场效应管的符号对比42图图311各种场效应管的符号对比各种场效应管的符号对比4344图图312各种场

15、效应管的转移特性和输出特性对比各种场效应管的转移特性和输出特性对比(a)转移特性；转移特性；(b)输出特性输出特性uDSiD0线性线性可变电阻区可变电阻区012345601231233456789结型结型P 沟沟耗尽型耗尽型MOS P沟沟345601201231233456789结型结型N沟沟耗尽型耗尽型 增加型增加型MOS N沟沟UGS/VUGS/V增加型增加型45各种类型场效应管的工作区间小结：各种类型场效应管的工作区间小结：JFETUGSoffUGSoffN沟道沟道P沟道沟道uGSiD截止区：截止区：GS结夹断。结夹断。可变电阻区：可变电阻区：GS结未夹断，结未夹断，GD结未夹断结未夹断

16、恒流区：恒流区：GS结未夹断，结未夹断，GD结夹断结夹断46UGSoffUGSoffN沟道沟道P沟道沟道uGSiD截止区：截止区：GS结夹断。结夹断。可变电阻区：可变电阻区：GS结未夹断，结未夹断，GD结未夹断结未夹断恒流区：恒流区：GS结未夹断，结未夹断，GD结夹结夹断断截止区：截止区：可变电阻区可变电阻区：且且恒流区：恒流区：且且47在恒流区满足：在恒流区满足：48E-MOSFET(增加型增加型)UGSthUGsthN沟道沟道P沟道沟道uGSiD截止区：截止区：GS结夹断。结夹断。可变电阻区：可变电阻区：GS结未夹断，结未夹断，GD结未夹断结未夹断恒流区：恒流区：GS结未夹断，结未夹断，G

17、D结夹断结夹断49UGSthUGsthN沟道沟道P沟道沟道uGSiD截止区：截止区：GS结夹断。结夹断。可变电阻区：可变电阻区：GS结未夹断，结未夹断，GD结结未夹断未夹断恒流区：恒流区：GS结未夹断，结未夹断，GD结夹断结夹断截止区：截止区：可变电阻区可变电阻区：且且恒流区：恒流区：且且对于对于N沟道：沟道：50UGSthUGsthN沟道沟道P沟道沟道uGSiD截止区：截止区：GS结夹断。结夹断。可变电阻区：可变电阻区：GS结未夹断，结未夹断，GD结结未夹断未夹断恒流区：恒流区：GS结未夹断，结未夹断，GD结夹断结夹断截止区：截止区：可变电阻区可变电阻区：且且恒流区：恒流区：且且对于对于P沟

18、道：沟道：51在恒流区满足：在恒流区满足：52D-MOSFET(耗尽型耗尽型)截止区：截止区：GS结夹断。结夹断。可变电阻区：可变电阻区：GS结未夹断，结未夹断，GD结未夹断结未夹断恒流区：恒流区：GS结未夹断，结未夹断，GD结夹断结夹断UGSoffUGSoffN沟道沟道P沟道沟道uGSiD53截止区：截止区：GS结夹断。结夹断。可变电阻区：可变电阻区：GS结未夹断，结未夹断，GD结结未夹断未夹断恒流区：恒流区：GS结未夹断，结未夹断，GD结夹断结夹断截止区：截止区：可变电阻区可变电阻区：且且恒流区：恒流区：且且对于对于N沟道：沟道：UGSoffUGSoffN沟道沟道P沟道沟道uGSiD54截

19、止区：截止区：GS结夹断。结夹断。可变电阻区：可变电阻区：GS结未夹断，结未夹断，GD结结未夹断未夹断恒流区：恒流区：GS结未夹断，结未夹断，GD结夹断结夹断截止区：截止区：可变电阻区可变电阻区：且且恒流区：恒流区：且且对于对于N沟道：沟道：UGSoffUGSoffN沟道沟道P沟道沟道uGSiD55在恒流区满足：在恒流区满足：5634场效应管放大器场效应管放大器场效应管有三种基本放大电路：共源、场效应管有三种基本放大电路：共源、共漏和共栅。共漏和共栅。其偏置电路也要保证管子工作在恒流其偏置电路也要保证管子工作在恒流区。由于场效应管的输入电流近似为区。由于场效应管的输入电流近似为0，因，因此它是

20、电压限制器件。须要选择合适的此它是电压限制器件。须要选择合适的UGS和和UDS以保证管子工作在恒流区。以保证管子工作在恒流区。57341场效应管偏置电路场效应管偏置电路常用的有两种偏置电路：常用的有两种偏置电路：RDUDDRS(自偏压自偏压电阻电阻)uiRGV(a)RDUDDRS(自偏压自偏压电阻电阻)uiRG2(b)RG1(分压式分压式偏置偏置)图图314场效应管偏置方式场效应管偏置方式(a)自偏压方式；自偏压方式；(b)混合偏置方式混合偏置方式58自偏压式自偏压式：特点是：特点是UGS=0。适合。适合JFET和和DMOSFET。混合偏置方式混合偏置方式：分压式偏置。三种场效：分压式偏置。三

21、种场效应管都适合。应管都适合。对于增加型对于增加型MOSFET，只能接受混合偏置，只能接受混合偏置方式。方式。59例：设例：设uGSoff=-5V，IDSS=1mA，试估算电路，试估算电路的静态工作点。的静态工作点。R1R2R3RDRS20V10k60解：画直流通路。解：画直流通路。估算法：估算法：由电流方程和栅源直流负载线方由电流方程和栅源直流负载线方程联立成方程组求解，即可得工作点。程联立成方程组求解，即可得工作点。R1R2R3RDRS20V因为因为iG=0，所以：，所以：61输入回路满足：输入回路满足：R1R2R3RDRS10k20V同时在放大区满足：同时在放大区满足：62联立上述两方程

22、，得到：联立上述两方程，得到：ID1=0.61mA，ID2=1.64mA将将ID1=0.61，ID2=1.64mA代入（代入（1）式，分）式，分别得到别得到UGS1=-1.1V，UGS2=-11.4V（1）（2）因为因为UGS2UGSoff，所以，所以ID2舍去。舍去。63R1R2R3RDRS10k20V则：则：UDSQ=20-0.61(10+10)=7.8V。因此：因此：IDQ=0.61mAUGSQ=-1.1V64RDUDDRSuiRGV(a)问题：对于自偏压式，如何联立方程？问题：对于自偏压式，如何联立方程？65图图315图解法求直流工作点图解法求直流工作点(a)自偏压方式；自偏压方式；(

23、b)混合偏置方式混合偏置方式图解法图解法66栅源回路直流负载线方程栅源回路直流负载线方程1.对于自偏压方式对于自偏压方式2.对于混合偏置方式对于混合偏置方式栅源回路直流负载线方程栅源回路直流负载线方程67342场效应管放大器分析场效应管放大器分析求解沟通小信号等效电路与双极型晶求解沟通小信号等效电路与双极型晶体管类似。只是场效应管的输入电流为体管类似。只是场效应管的输入电流为0，因此输出电流，因此输出电流iD只受输入电压限制，不只受输入电压限制，不受输入电流限制。限制实力用跨导受输入电流限制。限制实力用跨导gm表表示。示。68沟通小信号等效电路：沟通小信号等效电路：gmuGSrDSuDS+-G

24、SDrDS是反映了是反映了器件的沟道调器件的沟道调制效应。制效应。69gm的求法：的求法：对对JFET和耗尽型和耗尽型MOS管，管，则对应工作点则对应工作点Q的的gm为：为：70gm的求法：的求法：对增加型对增加型MOSFET，则对应工作点则对应工作点Q的的gm为：为：W/Lgm71图图316共共源源放放大大器器电电路路及及其其低低频频小小信信号号等等效效电电路路(a)电路；电路；(b)低频小信号等效电路低频小信号等效电路一、共源放大器一、共源放大器72图图316共源放大器电路及其低频小信号等效电路共源放大器电路及其低频小信号等效电路(a)电路；电路；(b)低频小信号等效电路低频小信号等效电路

25、73式式中中，且且一一般般满满足足RDRLrds。所所以，共源放大器的放大倍数以，共源放大器的放大倍数Au为为若若gm=5mA/V，则，则Au=50。Au：74输入电阻：输入电阻：输出电阻：输出电阻：75图图317基于基于Workbench平台的平台的FET放大电路的计算机仿真放大电路的计算机仿真76例：例：场效应管放大器电路如图场效应管放大器电路如图318(a)所所示，已知工作点的示，已知工作点的gm=5mA/V，试画出低频小信，试画出低频小信号等效电路，并计算增益号等效电路，并计算增益Au。uiC2C1C3RDuoRG1RG3RS2UDDRG2RS1150k50k2k10k1k1MRL1M

26、gm2mA/V(a)77gmuGSrdSui+-GSDRS1RG3RG1RG2RDRLuo+-解：低频小信号模型如上图所示。解：低频小信号模型如上图所示。78(a)C2C1RG1RSUDDRG2150k50k2kRL10kUo.RG31MUi.gm2mA/V图图319共漏电路及其等效电路共漏电路及其等效电路(a)电路；电路；(b)等效电路等效电路二、共漏放大器二、共漏放大器79gmuGSrdSui+-GSDRSRG3RG1RG2RLuo+-Au：80gmuGSrdSui+-GSDRS1RG3RG1RG2RLuo+-或：或：81图图319共漏电路及其等效电路共漏电路及其等效电路(a)电路；电路；

27、(b)等效电路等效电路Uo.RLRSSDId.(b)gmUgs.gmUi Id(RSRL).82图图320计算共漏电路输出电阻计算共漏电路输出电阻Ro的等效电路的等效电路2.输出电阻输出电阻Ro83图图320计算共漏电路输出电阻计算共漏电路输出电阻Ro的等效电路的等效电路84由图可见由图可见式中：式中：所以，输出电阻为所以，输出电阻为85故故3.输入电阻输入电阻86343若干问题的探讨若干问题的探讨一、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晶体管的电流晶体管的电流iC与放射结电压与放射结电压uBE成指数关成指数关系，而场效应管的漏极电流系，而场效应管的漏极电流

28、iD与栅源电压成平与栅源电压成平方律关系。方律关系。87晶体管：晶体管：MOSFET：JFET：88二、关于温度稳定性二、关于温度稳定性图图321场效应管的零温度系数点场效应管的零温度系数点89三、关于体效应和背栅跨导三、关于体效应和背栅跨导90图图322计计入入背背栅栅跨跨导导的的FET等等效效电电路路9192作作业业3-13-33-43-53-73-893第三章习题课第三章习题课94例：下图所示电路能否实现正常的放大功能例：下图所示电路能否实现正常的放大功能?为什么为什么?如有错误，试改正之。如有错误，试改正之。不能实现正常放大。因为不能实现正常放大。因为FET为为N沟沟JFET，栅、源，

29、栅、源极间不能加正偏压。应将电阻接在栅极与地之间，构极间不能加正偏压。应将电阻接在栅极与地之间，构成自给负栅偏电路；或者在栅、地之间再加合适的分成自给负栅偏电路；或者在栅、地之间再加合适的分压电阻，构成混合偏置电路。压电阻，构成混合偏置电路。95不能实现正常放大。因为电路中的不能实现正常放大。因为电路中的FET为为N沟道增加沟道增加型型MOS管，而偏置电路是自给栅偏压，不能供应正管，而偏置电路是自给栅偏压，不能供应正的的UGS。故可接受混合偏置电路。故可接受混合偏置电路。96例：电路如图，例：电路如图，UGSoff=-2V,IDSS=2mA,UA=-80V。1)求静态工作点求静态工作点IDQ。2)为保证为保证JFFT工作在恒流区，工作在恒流区，试问电源电压试问电源电压UCC应取何值应取何值?3)画出低频小信号等画出低频小信号等效电路。效电路。4)试求器件的试求器件的gm,rDS值，电路的值，电路的Au，Ri和和RO。C2CSC197解解（1）98（3）99例：例：FET电路如图所示，电路如图所示，JFFT的输出特性如图所示，的输出特性如图所示，试用图解法确定其工作点。设试用图解法确定其工作点。设us0.5sintV。画出。画出输出电压和输出电流的波形图。输出电压和输出电流的波形图。100解：解：101102