场效应管放大电路 (2)2精.ppt

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1、场效应管放大电路第1页，本讲稿共36页第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路1 熟悉熟悉MOSFET、JFET的外特性、主要的外特性、主要 参数、使用注意事项。参数、使用注意事项。2 掌握掌握FET放大电路的工作原理，静态偏放大电路的工作原理，静态偏置电路，会用小信号模型方法分析动态性能。置电路，会用小信号模型方法分析动态性能。3了解了解FET工作原理。工作原理。基本要求：基本要求：第2页，本讲稿共36页概概 述述4.3 4.3 结型场效应管结型场效应管4.1 4.1 绝缘栅场效应管（绝缘栅场效应管（MOSFETMOSFET）4.4 4.4 砷化镓金属半导体场效应管砷化镓金属半导体场效

2、应管4.5 4.5 各种放大器件电路性能比较各种放大器件电路性能比较4.2 MOSFET4.2 MOSFET放大电路放大电路第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路第3页，本讲稿共36页概述1、场效应管场效应管 利用电场效应来控制输出电流的半导体器件利用电场效应来控制输出电流的半导体器件 2、特点：特点：体积小、重量轻、耗电省、寿命长体积小、重量轻、耗电省、寿命长 输入电阻高输入电阻高 噪声低噪声低 热稳定好热稳定好 制造工艺简单，便于集成化制造工艺简单，便于集成化 第4页，本讲稿共36页N沟道沟道P沟道沟道增强型增强型耗尽型耗尽型N沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道FET场效应管场

3、效应管JFET结型结型MOSFET绝缘栅型绝缘栅型(IGFET)概述3、分类：分类：第5页，本讲稿共36页概概 述述4.3 4.3 结型场效应管结型场效应管4.1 4.1 绝缘栅场效应管（绝缘栅场效应管（MOSFETMOSFET）4.4 4.4 砷化镓金属半导体场效应管砷化镓金属半导体场效应管4.5 4.5 各种放大器件电路性能比较各种放大器件电路性能比较主要内容：主要内容：4.2 MOSFET4.2 MOSFET放大电路放大电路第6页，本讲稿共36页4.14.1 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管漏极漏极D 栅极和其栅极和其栅极和其栅极和其它电极及硅它电极及硅它电极及硅它电极及硅片之间是绝片之间是

4、绝片之间是绝片之间是绝缘的，称绝缘的，称绝缘的，称绝缘的，称绝缘栅型场效缘栅型场效缘栅型场效缘栅型场效应管。应管。应管。应管。金属电极金属电极1)1)1)1)N N沟道增强型管的结构沟道增强型管的结构沟道增强型管的结构沟道增强型管的结构栅极栅极G源极源极S4.1.1 4.1.1 4.1.1 4.1.1 增强型绝缘栅场效应管增强型绝缘栅场效应管增强型绝缘栅场效应管增强型绝缘栅场效应管SiO2绝缘层绝缘层P P型硅衬底型硅衬底 高掺杂高掺杂N区区第7页，本讲稿共36页GSD符号：符号：符号：符号：由于栅极是绝缘的，栅极电流几乎为零，输入由于栅极是绝缘的，栅极电流几乎为零，输入电阻很高，最高可达电阻

5、很高，最高可达1014 。漏极漏极D金属电极金属电极栅极栅极G源极源极SSiO2绝缘层绝缘层P P型硅衬底型硅衬底 高掺杂高掺杂N区区 由于金属栅极和半导体之间的绝缘层目前常用由于金属栅极和半导体之间的绝缘层目前常用二氧化硅，故又称金属二氧化硅，故又称金属-氧化物氧化物-半导体场效应管，半导体场效应管，简称简称MOS场效应管。场效应管。第8页，本讲稿共36页2 2）N N沟道增强型管的工作原理沟道增强型管的工作原理沟道增强型管的工作原理沟道增强型管的工作原理EGP型硅衬底型硅衬底N+N+GSD+UGSED+由结构图可见由结构图可见，N+型漏区和型漏区和N+型源区之间被型源区之间被P型型衬底隔开

6、，漏极和源极之间是两个背靠背的衬底隔开，漏极和源极之间是两个背靠背的PN结结。当栅源电压当栅源电压UGS=0 时时，不管漏极和源极之间所不管漏极和源极之间所加电压的极性如何，其加电压的极性如何，其中总有一个中总有一个PN结是反向结是反向偏置的，反向电阻很高，偏置的，反向电阻很高，漏极电流近似为零漏极电流近似为零。SD第9页，本讲稿共36页2 2 2 2）N N沟道增强型管的工作原理沟道增强型管的工作原理沟道增强型管的工作原理沟道增强型管的工作原理EGP型硅衬底型硅衬底N+N+GSD+UGSED+当当UGS 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

7、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在漏极电源的作用在漏极电源的作用在漏极电源的作用在漏极电源的作用下将产生漏极电流下将产生漏极电流下将产生漏极电流下将产生漏极电流I ID D，管子导通。，管子导通。，管子导通。，管子导通。当当当当U UGS GS U UGSGS（thth）时，时，时，时，将将将将出现出现出现出现N N型导电沟型导电沟型导电沟型导电沟道，将道，将道，将道，将D-SD-S连接起连接起连接起连接起来。来。来。来。U UGSGS愈高，导愈高，导愈高，导愈高，导电沟道愈宽。电沟道愈宽。电沟道愈宽。电沟道愈宽。ID第10页，本讲稿共3

8、6页2 2 2 2）N N沟道增强型管的工作原理沟道增强型管的工作原理沟道增强型管的工作原理沟道增强型管的工作原理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，场效后，场效应管才形成导电沟道，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

9、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）。ID第11页，本讲稿共36页工作原理小结工作原理小结1.正常放大时各极电压极性：正常放大时各极电压极性：G、S间加正偏压间加正偏压VGG S+GD、S间外加偏压间外加偏压VDDDS衬底衬底S第12页，本讲稿共36页2.工作原理工作原理:(P200)(1)vGS 对对 iD的控制作用：的控制作用：vGS =0，无导电沟道无导电沟道 iD=0 vGS 垂直电场垂直电场 vGS VT 形成形成导电沟道导电沟道 vGS 导电沟道厚度导电沟道厚度 沟道电阻沟道电阻 iD 开启

10、电压开启电压（刚好形成导（刚好形成导电沟道时的电沟道时的vGS)第13页，本讲稿共36页(2)vDS对导电沟道的影响作用对导电沟道的影响作用：vDS (=vGS-vDS=VT)vDS 夹断区增长夹断区增长iD不随不随vDS增大而增加增大而增加 vDS iD随随vDS增大而增加增大而增加导电沟道倾斜，导电沟道倾斜，预夹断预夹断第14页，本讲稿共36页3 3 3 3）特性曲线）特性曲线）特性曲线）特性曲线有导电沟道有导电沟道转移特性曲线转移特性曲线转移特性曲线转移特性曲线无导电无导电沟道沟道ID/mAUDS/V0 0UGS=1VUGS=2VUGS=3VUGS=4V漏极特性曲线漏极特性曲线漏极特性曲

11、线漏极特性曲线可变电阻区可变电阻区可变电阻区可变电阻区恒流区恒流区恒流区恒流区截止区截止区截止区截止区开启电压开启电压开启电压开启电压U UGSGS(th(th(th(th）UDSUGS/第15页，本讲稿共36页N型衬底型衬底P+P+GSD符号：符号：结构结构4)P4)P4)P4)P沟道增强型沟道增强型沟道增强型沟道增强型 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U UGSGS U UGSGS(th(th(th(th）时才形成导时才形成导电沟道。电沟道。第16页，本讲稿共36页结构结构4.1.2 耗尽型绝缘栅场效应管耗尽型绝

12、缘栅场效应管GSD符号：符号：SiO2绝缘层中绝缘层中掺有正离子掺有正离子预埋了预埋了N型型 导电沟道导电沟道 如果如果如果如果MOSMOS管在制造时导电沟道就已形成，称为管在制造时导电沟道就已形成，称为管在制造时导电沟道就已形成，称为管在制造时导电沟道就已形成，称为耗尽型场效应管。耗尽型场效应管。耗尽型场效应管。耗尽型场效应管。1)N1)N沟道耗尽型管沟道耗尽型管沟道耗尽型管沟道耗尽型管第17页，本讲稿共36页2.2.耗尽型绝缘栅场效应管耗尽型绝缘栅场效应管 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

13、上一定的电压UDS，也会，也会有漏极电流有漏极电流 ID 产生。产生。当当当当U UGS GS 0 0时，使导电沟道变宽，时，使导电沟道变宽，时，使导电沟道变宽，时，使导电沟道变宽，I ID D 增大；增大；增大；增大；当当当当U UGS GS 0 0时，使导电沟道变窄，时，使导电沟道变窄，时，使导电沟道变窄，时，使导电沟道变窄，I ID D 减小；减小；减小；减小；U UGSGS负值愈高，沟道愈窄，负值愈高，沟道愈窄，负值愈高，沟道愈窄，负值愈高，沟道愈窄，I ID D就愈小。就愈小。就愈小。就愈小。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，型导电沟道消失，ID=0，称为场

14、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。这这这这时的时的时的时的漏极电流用漏极电流用漏极电流用漏极电流用 I IDSSDSS表表表表示，称为饱和漏极电流。示，称为饱和漏极电流。示，称为饱和漏极电流。示，称为饱和漏极电流。第18页，本讲稿共36页2)2)耗尽型耗尽型耗尽型耗尽型N N沟道沟道沟道沟道MOSMOS管的特性曲线管的特性曲线管的特性曲线管的特性曲线夹断电压夹断电压 耗尽型的耗尽型的MOS管管UGS=0时就有导电沟道，加反向时就有导电沟道，加反向电压到一定值时才能夹断。电压到一

15、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 UDSDS=常数常数常数常数U DSUGS=0UGS0漏极特性曲线漏极特性曲线0ID/mA16 201248121648IDSS第19页，本讲稿共36页2.耗尽型绝缘栅场效应管耗尽型绝缘栅场效应管3)P 3)P 沟道耗尽型管沟道耗尽型管沟道耗尽型管沟道耗尽型管N型衬底型衬底P+结构结构P+符号：符号：GSD预埋了预埋了P P型型 导电沟道导电沟道SiO2绝缘层中绝缘层中掺有负离子掺有负离子第20页，本讲稿共36页耗尽型耗尽型耗尽型耗尽型GSDGSD增强型增强型增强型增强型N沟道沟道

16、P P沟道沟道沟道沟道GSDGSDN N沟道沟道沟道沟道P沟道沟道GG、S S之间加一定之间加一定之间加一定之间加一定电压才形成导电沟道电压才形成导电沟道电压才形成导电沟道电压才形成导电沟道在制造时就具有在制造时就具有在制造时就具有在制造时就具有原始原始原始原始导电沟道导电沟道导电沟道导电沟道源源极极漏漏极极栅栅极极第21页，本讲稿共36页4.1.3 4.1.3 场效应管的主要参数场效应管的主要参数场效应管的主要参数场效应管的主要参数1)开启电压开启电压 UGS(th)：是增强型是增强型MOS管的参数管的参数2)夹断电压夹断电压 UGS(off)：3)饱和漏电流饱和漏电流 IDSS：是结型和耗

17、尽型是结型和耗尽型MOS管的参数管的参数4)低频跨导低频跨导 gm：表示栅源电压对漏极电流表示栅源电压对漏极电流 的控制能力的控制能力极限参数：极限参数：最大漏极电流、耗散功率、击穿电压。最大漏极电流、耗散功率、击穿电压。第22页，本讲稿共36页 4.1.44.1.44.1.44.1.4场效应管与晶体管的比较场效应管与晶体管的比较场效应管与晶体管的比较场效应管与晶体管的比较 双极型三极管双极型三极管双极型三极管双极型三极管 单极型场效应管单极型场效应管单极型场效应管单极型场效应管 电流控制电流控制 电压控制电压控制 控制方式控制方式电子和空穴两种载电子和空穴两种载流子同时参与导电流子同时参与导

18、电载流子载流子载流子载流子电子或空穴中一种电子或空穴中一种载流子参与导电载流子参与导电类类 型型 NPN和和PNP N沟道和沟道和P沟道沟道放大参数放大参数放大参数放大参数 rce很高很高 rds很高很高 输出电阻输出电阻输出电阻输出电阻输入输入电阻电阻电阻电阻较低较低较高较高热稳定性热稳定性 差差 好好制造工艺制造工艺 较复杂较复杂 简单，成本低简单，成本低对应电极对应电极 BEC GSD第23页，本讲稿共36页概概 述述4.3 4.3 结型场效应管结型场效应管4.1 4.1 绝缘栅场效应管（绝缘栅场效应管（MOSFETMOSFET）4.4 4.4 砷化镓金属半导体场效应管砷化镓金属半导体场

19、效应管4.5 4.5 各种放大器件电路性能比较各种放大器件电路性能比较4.2 MOSFET4.2 MOSFET放大电路放大电路第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路第24页，本讲稿共36页4.2 场效应管放大电路场效应管放大电路 场效应晶体管具有输入电阻高、噪声低等优点，场效应晶体管具有输入电阻高、噪声低等优点，场效应晶体管具有输入电阻高、噪声低等优点，场效应晶体管具有输入电阻高、噪声低等优点，常用于多级放大电路的输入级以及要求噪声低的放常用于多级放大电路的输入级以及要求噪声低的放常用于多级放大电路的输入级以及要求噪声低的放常用于多级放大电路的输入级以及要求噪声低的放大电路。大电路。大

20、电路。大电路。场效应管的源极、漏极、栅极相当于双极型晶体场效应管的源极、漏极、栅极相当于双极型晶体管的发射极、集电极、基极。管的发射极、集电极、基极。场效应管的共源极放大电路和源极输出器与双极场效应管的共源极放大电路和源极输出器与双极型晶体管的共发射极放大电路和射极输出器在结构型晶体管的共发射极放大电路和射极输出器在结构上也相类似。上也相类似。场效应管放大电路的分析与双极型晶体管放大电场效应管放大电路的分析与双极型晶体管放大电场效应管放大电路的分析与双极型晶体管放大电场效应管放大电路的分析与双极型晶体管放大电路一样，包括静态分析和动态分析。路一样，包括静态分析和动态分析。路一样，包括静态分析和

21、动态分析。路一样，包括静态分析和动态分析。第25页，本讲稿共36页4.2.1.4.2.1.4.2.1.4.2.1.自给偏压式偏置电路自给偏压式偏置电路自给偏压式偏置电路自给偏压式偏置电路 栅源电压栅源电压UGS是由场效应管自身的电流提供的，是由场效应管自身的电流提供的，故称自给偏压。故称自给偏压。U UGSGS =R=RS SI IS S =R=RS SI ID D+UDD RSCSC2C1RDRG+T+_ _+_ _uiuOIS+_ _UGST为为N沟道耗尽型场效应管沟道耗尽型场效应管 增强型增强型增强型增强型MOSMOS管因管因管因管因U UGSGS=0=0时，时，时，时，I ID D 0

22、 0，故不能采用故不能采用故不能采用故不能采用自给偏压式电路。自给偏压式电路。自给偏压式电路。自给偏压式电路。第26页，本讲稿共36页+UDD RSCSC2C1RDRG+T+_ _+_ _uiuOIS+_ _UGS静态分析可以用估算法或图解法静态分析可以用估算法或图解法(略略 )估算法：估算法：UGS=RSID将已知的将已知的UGS(off)、IDSS代入上两式，解代入上两式，解出出UGS、ID;由由 UDS=UDD ID（RD+RS）解出）解出UDS列出静态时的关系式列出静态时的关系式 对增强型对增强型MOS管构成的放大电路需用图解法来管构成的放大电路需用图解法来确定静态值。确定静态值。第2

23、7页，本讲稿共36页+UDD RSCSC2C1RDRG+T+_ _+_ _uiuOIS+_ _UGS例：例：已知已知UDD=20V、RD=3k、RS=1k、RG=500k、UGS(off)=4V、IDSS=8mA，确定静态工作点。确定静态工作点。解：用解：用估算法估算法UGS=1 IDUDS=20 2（3+1）=12 V列出关系式列出关系式解出解出 UGS1=2V、UGS2=8V、ID1=2mA、ID2=8mA 因因UGS2 UGS(off)故舍去故舍去，所求静态解为所求静态解为UGS=2V ID=2mA、第28页，本讲稿共36页4.2.24.2.2 分压式偏置电路分压式偏置电路分压式偏置电路

24、分压式偏置电路1)1)静态分析静态分析静态分析静态分析+UDD RSCSC2C1RG1RDRG2RG+RLui iuo o估算法：估算法：将已知的将已知的UGS(off)、IDSS代入上两式，解代入上两式，解出出UGS、ID;由由 UDS=UDD ID（RD+RS）解出）解出UDS列出静态时的关系式列出静态时的关系式流过流过 RG 的电流为零的电流为零第29页，本讲稿共36页2)2)2)2)动态分析动态分析动态分析动态分析电压放大倍数电压放大倍数电压放大倍数电压放大倍数RG1RDRG2RG+RL+SDGT交流通路交流通路输入电阻输入电阻输出电阻输出电阻 RG是为了提是为了提高输入电阻高输入电阻

25、ri而设置的。而设置的。第30页，本讲稿共36页4.2.3 4.2.3 源极输出器源极输出器+UDD RSC2C1RG1RG2RG+RLuiuo+RG1RSRG2RG+RL+SDGT+交流通路交流通路电压放大倍数电压放大倍数特点与晶体管的特点与晶体管的特点与晶体管的特点与晶体管的射极输出器一样射极输出器一样射极输出器一样射极输出器一样第31页，本讲稿共36页当场效应管工作在可变电阻区时，漏源电阻：当场效应管工作在可变电阻区时，漏源电阻：当场效应管工作在可变电阻区时，漏源电阻：当场效应管工作在可变电阻区时，漏源电阻：场效应管可看作由栅源电场效应管可看作由栅源电场效应管可看作由栅源电场效应管可看作

26、由栅源电压控制的可变电阻。压控制的可变电阻。压控制的可变电阻。压控制的可变电阻。U DS1V1.5VUGS=0.5V0ID/mA16 2012481216482V2.5V|U UGSGS|愈大，愈大，愈大，愈大，R RDSDS愈大。愈大。愈大。愈大。N N N N沟道结型场效沟道结型场效沟道结型场效沟道结型场效应管的转移特性应管的转移特性应管的转移特性应管的转移特性第32页，本讲稿共36页（Junction type Field Effect Transistor-JFET）4.3 结型场效应管(P225(P225 P230 P230 自学自学 )要求：要求：1.了解了解JFET结构、工作原理

27、；结构、工作原理；2.掌握掌握JFET特性、符号。特性、符号。3.掌握掌握JFET工作在放大区时外加工作在放大区时外加电压极性：电压极性：4.熟悉熟悉P237 表表5.5.1第33页，本讲稿共36页P234（不要求）（不要求）4.5.1各种各种FET的特性及使用注意事项的特性及使用注意事项 (P236 自学自学 了解了解)一、各种一、各种FETFET的特性比较的特性比较 (P237 表表5.5.1)二、使用注意事项二、使用注意事项4.4 4.4 砷化镓金属半导体砷化镓金属半导体FETFET4.5 4.5 各种放大器的特性及使用注意事项各种放大器的特性及使用注意事项1 1、衬底处理：衬底源极、衬

28、底处理：衬底源极S S2 2、D D、S S可互换使用可互换使用第34页，本讲稿共36页4.5.2各种放大器件电路性能比较各种放大器件电路性能比较（P240表表5.5.2 自学自学 掌握掌握)组态对应关系：组态对应关系：CEBJTFETCSCCCDCBCG(较少使用较少使用)第35页，本讲稿共36页重点：重点：MOSFET、JFET特点及外特性。特点及外特性。用小信号模型分析法估算用小信号模型分析法估算FETFET放大电路的动态指标。放大电路的动态指标。（注意与第四章分析方法进行对比）（注意与第四章分析方法进行对比）难点：难点：JFETJFET、MOSFETMOSFET工作原理。工作原理。(了解了解)end本章小结：本章小结：作业：作业：P251 5.2.9P251 5.2.9第36页，本讲稿共36页