模拟电子-第五章-场效应管及其基本放大电路课件.ppt

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1、模拟电子技术基础Fundamentals of Analog Electronic 第五章 场效应管及其放大电路第五章 场效应管及其放大电路5.1 5.1 场效应管场效应管5.2 5.2 场效应管基本放大电路场效应管基本放大电路5.1 场效应管一、一、结型场效应管结型场效应管二、二、绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管三、场效应管的分类三、场效应管的分类只只有有一一种种载载流流子子参参与与导导电电，且且利利用用电电场场效效应应来来控控制制电流的三极管，称为电流的三极管，称为场效应管场效应管，也称，也称单极型三极管。单极型三极管。场效应管分类场效应管分类结型结型场效应管场效应管绝缘栅场效应管绝缘栅场

2、效应管特点特点单极型器件单极型器件(一种载流子导电一种载流子导电)；输入电阻高；输入电阻高；工工艺艺简简单单、易易集集成成、功功耗耗小小、体体积积小小、成本低。成本低。绝缘栅型场效应管（绝缘栅型场效应管（MOSFET）由由金金属属、氧氧化化物物和和半半导导体体制制成成。称称为为金金属属-氧氧化化物物-半导体场效应管半导体场效应管，或简称，或简称 MOS 场效应管场效应管。特点：输入电阻可达特点：输入电阻可达 109 以上。以上。类型类型N 沟道沟道P 沟道沟道增强型增强型耗尽型耗尽型增强型增强型耗尽型耗尽型uGS=0 时漏源间存在导电沟道称时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管；耗尽型场效应管；

3、uGS=0 时漏源间不存在导电沟道称时漏源间不存在导电沟道称增强型场效应管。增强型场效应管。一、一、N 沟道增强型沟道增强型 MOS 场效应管场效应管1.结构和符号结构和符号P 型衬底型衬底N+N+BgsdSiO2源极源极 s漏极漏极 d衬底引线衬底引线 B栅极栅极 gsgdB2.特性曲线特性曲线(a)转移特性转移特性(b)漏极特性漏极特性uGS UGS(th)，iD=0；uGS UGS(th)，形形成成导导电电沟沟道道，随随着着 uGS 的的增增加加，iD 逐渐增大。逐渐增大。(uGS UGS(th)三三个个区区：可可变变电电阻阻区区、恒流区、截止区。恒流区、截止区。iD/mAUGS(th)

4、2UGS(th)IDOuGS/VOiD/mAuDS/VO预夹断轨迹预夹断轨迹恒流区恒流区 可变可变电阻区电阻区夹断区夹断区二、二、N 沟道耗尽型沟道耗尽型 MOS 场效应管场效应管SGDB0沟道加宽，沟道加宽，iD 增大增大即使即使 uGS=0，漏源间也会形成导电沟道。，漏源间也会形成导电沟道。N 沟道耗尽型沟道耗尽型 MOS 管特性管特性工作条件：工作条件：uDS 0；uGS 正、负、正、负、零均可。零均可。iD/mAuGS/VOUGS(off)(a)转移特性转移特性IDSS(b)漏极特性漏极特性iD/mAuDS/VO+1VuGS=0-3 V-1 V-2 V43215101520uGS=UG

5、S(off),感感应应电电荷荷被被“耗耗尽尽”，漏漏源源间间失失去去导导电沟道，电沟道，iD 0。UGS(off)称为夹断电压称为夹断电压IDSS称为称为饱和漏极电流饱和漏极电流 场效应管的主要参数场效应管的主要参数一、直流参数一、直流参数1.饱和漏极电流饱和漏极电流 IDSS2.夹断电压夹断电压 UGS（off）3.开启电压开启电压 UGS(th)4.直流输入电阻直流输入电阻 RGS为耗尽型场效应管的一个重要参数。为耗尽型场效应管的一个重要参数。为增强型场效应管的一个重要参数。为增强型场效应管的一个重要参数。为耗尽型场效应管的一个重要参数。为耗尽型场效应管的一个重要参数。输入电阻很高。结型场

6、效应管一般在输入电阻很高。结型场效应管一般在 107 以上，绝以上，绝缘栅场效应管更高，一般大于缘栅场效应管更高，一般大于 109 。二、交流参数二、交流参数1.低频跨导低频跨导 gm2.极间电容极间电容 用以描述栅源之间的电压用以描述栅源之间的电压 uGS 对漏极电流对漏极电流 iD 的控的控制作用。制作用。单位：单位：iD 毫安毫安(mA)；uGS 伏伏(V)；gm 毫西门子毫西门子(mS)这这是是场场效效应应管管三三个个电电极极之之间间的的等等效效电电容容，包包括括 CGS、CGD、CDS。极极间间电电容容愈愈小小，则则管管子子的的高高频频性性能能愈愈好好。一一般般为几个皮法。为几个皮法

7、。三、极限参数三、极限参数1.漏极最大允许耗散功率漏极最大允许耗散功率 PDM2.漏源击穿电压漏源击穿电压 U(BR)DS3.栅源击穿电压栅源击穿电压U(BR)GS 由由场场效效应应管管允允许许的的温温升升决决定定。漏漏极极耗耗散散功功率率转转化化为为热能使管子的温度升高。热能使管子的温度升高。当当漏极电流漏极电流 iD 急剧上升产生雪崩击穿时的急剧上升产生雪崩击穿时的 uDS。场场效效应应管管工工作作时时，栅栅源源间间 PN 结结处处于于反反偏偏状状态态，若若uGS U(BR)GS，PN 将将被被击击穿穿，这这种种击击穿穿与与电电容容击击穿穿的的情情况类似，属于破坏性击穿。况类似，属于破坏性

8、击穿。种种 类类符符 号号转移特性转移特性漏极特性漏极特性 结型结型N 沟道沟道耗耗尽尽型型 结型结型P 沟道沟道耗耗尽尽型型 绝缘绝缘栅型栅型 N 沟道沟道增增强强型型sgdsgdiDuGS=0V+uDS+o osgdBuGSiDOUT各类场效应管的符号和特性曲线各类场效应管的符号和特性曲线+uGS=UTuDSiD+OiDuGS=0V-uDSOuGSiDUPIDSSOuGSiD/mAUPIDSS0种种 类类符符 号号转移特性转移特性漏极特性漏极特性绝缘绝缘栅型栅型N 沟道沟道耗耗尽尽型型绝缘绝缘栅型栅型P 沟道沟道增增强强型型耗耗尽尽型型iDsgdBuDSiD_uGS=0+_OiDuGSUP

9、IDSSOsgdBiDsgdBiDiDuGSUTOiDuGSUPIDSSO_ _iDuGS=UTuDS_ _o o_ _uGS=0V+_ _iDuDSo o+两种半导体放大器件比较两种半导体放大器件比较双极双极型型半导体三极管半导体三极管(晶体三极管晶体三极管 BJT)单极型单极型半导体三极管半导体三极管(场效应管场效应管 FET)两种载流子导电：双极性器件两种载流子导电：双极性器件多数载流子导电：单极性器件多数载流子导电：单极性器件内因：发射区高参杂、内因：发射区高参杂、基区薄、集电区面积大基区薄、集电区面积大外因：发射结正偏、集电结反偏外因：发射结正偏、集电结反偏一、放大条件一、放大条件B

10、JT栅源栅源电压改变沟道宽度从而控制漏极电流电压改变沟道宽度从而控制漏极电流FET二、电极相对应：二、电极相对应：场效应管的场效应管的s、g、d电极其功能与晶体管的电极其功能与晶体管的e、b、c相对应。相对应。三、三、控制作用控制作用BJT：基极电流控制集电极电流并实现放大基极电流控制集电极电流并实现放大iC=iB 电流控制器件电流控制器件FET：栅源之间的电压控制漏极电流：栅源之间的电压控制漏极电流并实现放大并实现放大iD=gm uGS 电压控制器件电压控制器件 场效应管栅极基本不取电流，而晶体管基极总要取一定的场效应管栅极基本不取电流，而晶体管基极总要取一定的电流，所以在只允许从信号源取极

11、小量电流时，应选用场效应电流，所以在只允许从信号源取极小量电流时，应选用场效应管，而在允许取一定量电流时，选用晶体管进行放大可以得到管，而在允许取一定量电流时，选用晶体管进行放大可以得到比场效应管较高的电压放大倍数。比场效应管较高的电压放大倍数。四、温度稳定性四、温度稳定性BJT：差：差FET：好好BJTBJT：利用多子和少子导电：利用多子和少子导电FETFET：利用多子导电：利用多子导电在环境变化比较剧烈的情况下，采在环境变化比较剧烈的情况下，采用场效应管比较合适。用场效应管比较合适。五、场效应管的漏源极可以互换，耗尽型绝缘栅管的栅五、场效应管的漏源极可以互换，耗尽型绝缘栅管的栅 极电压可正

12、可负，灵活性比晶体管好。极电压可正可负，灵活性比晶体管好。六、噪声六、噪声BJT：大：大FET：小小七、集成度：七、集成度：FET高高八、输入电阻八、输入电阻BJT：小：小FET：大大5.2 5.2 场效应管基本放大电路一、场效应管静态工作点的设置方法一、场效应管静态工作点的设置方法二、场效应管放大电路的动态分析二、场效应管放大电路的动态分析三、场效应管放大电路的频率响应三、场效应管放大电路的频率响应一、场效应管静态工作点的设置方法 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间间加极性合适的电源加极性合适的电源1.基本共源放大电路2.自给偏压电路由正电源

13、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3.分压式偏置电路即典型的即典型的Q点稳定电路点稳定电路二、场效应管放大电路的动态分析 (N沟道增强型MOS管)近似分析时可认近似分析时可认为其为无穷大！为其为无穷大！根据根据iD的表达式或转移特性可求得的表达式或转移特性可求得gm。与与晶体管的晶体管的h参数等效模型类比：参数等效模型类比：1.场效应管的交流等效模型用求导的方法计算用求导的方法计算 gm在在 Q 点点附近，可用附近，可用 IDQ 表示上式中表示上式中 iD，则则一一般般 gm 约约为为 0.1 至至 20 mS。rDS 为为几几百百千千欧欧的的数数量量级级。当当 Rd 比比 rDS 小得多时，可认为等效电路的小得多时，可认为等效电路的 rDS 开路开路。2.基本共源放大电路的动态分析3.基本共漏放大电路的动态分析基本共漏放大电路输出电阻的分析求解场效应管放大电路的步骤求解场效应管放大电路的步骤(归纳归纳)1.首首先先利利用用图图解解法法或或近近似似估估算算法法确确定定放放大大电电路路的静态工作点的静态工作点 Q，2.求出静态工作点处的微变等效电路参数。求出静态工作点处的微变等效电路参数。3.画出放大电路的微变等效电路。画出放大电路的微变等效电路。4.列出电路方程并求解动态性能指标。列出电路方程并求解动态性能指标。