模拟电子技术基础ppt课件第3章场效应晶体管和基本放大电路.ppt

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1、第第3 3章章 场效应晶体管和基本放大场效应晶体管和基本放大电路电路3.1 3.1 场效应晶体管场效应晶体管3.2 3.2 场效应管放大电路场效应管放大电路第第3 3章章 场效应晶体管和基本放大场效应晶体管和基本放大电路电路作业作业作业作业思考：思考：3-1习题：习题：3-3、3-4、3-7、3-11本章的重点本章的重点与与难点难点重点重点重点重点:理解场效应管的工作原理；理解场效应管的工作原理；掌握掌握场效应管的外特性及主要参数；场效应管的外特性及主要参数；掌掌握握场场效效应应管管放放大大电电路路静静态态工工作作点点与与动动态态参参数数（Au、Ri、Ro）的分析方法。）的分析方法。难点难点难

2、点难点:通通过过外外部部电电压压对对导导电电沟沟道道的的控控制制作作用用说说明明结结型型场效应管及绝缘栅型场效应管的工作原理。场效应管及绝缘栅型场效应管的工作原理。分类：分类：分类：分类：结型结型结型结型(JFET)(JFET)绝缘栅型绝缘栅型绝缘栅型绝缘栅型(IGFET)(IGFET)场效应管输入回路内阻很高场效应管输入回路内阻很高场效应管输入回路内阻很高场效应管输入回路内阻很高(10(107 710101515 )，热稳定，热稳定，热稳定，热稳定性好，噪声低，比晶体管耗电小，应用广泛。性好，噪声低，比晶体管耗电小，应用广泛。性好，噪声低，比晶体管耗电小，应用广泛。性好，噪声低，比晶体管耗电

3、小，应用广泛。仅靠多数载流子导电，又称仅靠多数载流子导电，又称仅靠多数载流子导电，又称仅靠多数载流子导电，又称单极型单极型单极型单极型晶体管。晶体管。晶体管。晶体管。场效应管场效应管场效应管场效应管（FETFET）：是利用输入回路的电场是利用输入回路的电场是利用输入回路的电场是利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件。效应来控制输出回路电流的一种半导体器件。效应来控制输出回路电流的一种半导体器件。效应来控制输出回路电流的一种半导体器件。3.1 3.1 场效应晶体管场效应晶体管3.1.1 3.1.1 结型场效应管结型场效应管 N沟道结型场效应管是在同一块N型半导体上制作两个高掺杂

4、的P区。N沟道结构示意图沟道结构示意图SiO2N源极源极S栅极栅极G漏极漏极D NNPP1.1.结型场效应管的结构结型场效应管的结构结型场效应管的结构结型场效应管的结构 将它们连接在一起引出电极栅极G。N型半导体分别引出漏极D、源极S。P区和N区的交界面形成耗尽层。源极和漏极之间的非耗尽层称为导电沟。结型场效应管的符号结型场效应管的符号N沟道符号沟道符号dsgdsgP沟道符号沟道符号结型场效应管有结型场效应管有N沟道沟道和和P沟道沟道两种类型两种类型。2.2.2.2.工作原理电压控制作用工作原理电压控制作用工作原理电压控制作用工作原理电压控制作用d耗尽层耗尽层sgP+N导电沟道导电沟道结构示意

5、图结构示意图 若将G、S间加上不同的反偏电压，即可改变导电沟道的宽度，便实现了利用电压所产生的电场控制导电沟道中电流强弱的目的。在N型硅材料两端加上一定极性的电压，多子在电场力的作用下形成电流ID。这样既保证了栅-源之间的电阻很高，又实现了UGS对沟道电流ID的控制。d耗尽层耗尽层sgP+N导电沟道导电沟道结构示意图结构示意图2.2.2.2.工作原理电压控制作用工作原理电压控制作用工作原理电压控制作用工作原理电压控制作用正常工作正常工作时时：在栅-源之间加负向电压，(保证耗尽层承受反向电压)漏-源之间加正向电压，(以形成漏极电流）1)1)1)1)当当当当U UDSDS=0=0时，时，时，时，U

6、 UGSGS对导电沟道的控制对导电沟道的控制对导电沟道的控制对导电沟道的控制 当UGS=0时，耗尽层很窄,导电沟道宽。随|UGS|增大，耗尽层增宽，沟道变窄，电阻增大。|UGS|增加到某一数值,耗尽层闭和,沟道消失,沟道电阻趋于无穷大。1)1)1)1)当当当当U UDSDS=0=0时，时，时，时，U UGSGS对导电沟道的控制对导电沟道的控制对导电沟道的控制对导电沟道的控制由于由于PNPN结反偏，栅极电流基本为结反偏，栅极电流基本为0 0，消耗很小。，消耗很小。|UGS|增加到某一数增加到某一数值值，耗尽，耗尽层闭层闭和，沟道和，沟道消失，沟道消失，沟道电电阻阻趋趋于无于无穷穷大。定大。定义义

7、此此时时UGS的的值为值为夹夹夹夹断断断断电压电压电压电压U UGSGS（offoff）dsgUDSID2）、间短路，、间加正向电压）、间短路，、间加正向电压 当当 UDS=0时，虽有导时，虽有导电沟道，但电沟道，但ID为为零。零。当当UDS 0时时，产生，产生ID，但但沟道中各点和栅极之沟道中各点和栅极之沟道中各点和栅极之沟道中各点和栅极之间电压不再相等间电压不再相等间电压不再相等间电压不再相等，近，近漏漏极电压最大，近源极电极电压最大，近源极电压最小。压最小。导电导电沟道沟道宽宽度不再相度不再相等，近漏极沟道窄，近等，近漏极沟道窄，近源极沟道源极沟道宽宽。dsgUDSID 随着UDS增加，

8、栅-漏电压|UGD|增加，近漏端沟道进一步变窄。只要漏极附近的耗尽区不出现相接，沟道电阻基沟道电阻基本决定于本决定于U UGSGS。2）、间短路，、间加正向电压）、间短路，、间加正向电压 随着UDS 的增加，ID线性增加。dsds间间呈呈电电阻特性阻特性。UDSdsgAID 预夹预夹预夹预夹断断断断时时时时，导电导电导电导电沟道沟道沟道沟道内仍有内仍有内仍有内仍有电电电电流流流流I ID D 。随着UDS增加，当UGD=UGS-UDS=UGS（off）时,靠近漏极出现夹断点。称U UGDGD=U UGSGS（offoff）为预为预夹断。夹断。2）、间短路，、间加正向电压）、间短路，、间加正向电

9、压UDSdsgAID 预夹断之后，UDS 再增加，预夹断延伸,夹断区长度增加（AA）。夹断区的阻力增大。此此时时的的ID称称为为“饱饱和漏极和漏极电电流流IDSS”A 由于由于U UDSDS的增加几乎全部的增加几乎全部落在落在夹夹断区，漏极断区，漏极电电流流I ID D基基本保持不本保持不变变。2）、间短路，、间加正向电压）、间短路，、间加正向电压 UGS 增加，使导电沟道变窄，、间的正电压使沟道不等宽。dsgUDSUGSID3 3）、）、）、）、间间间间加加加加负负负负向向向向电压电压电压电压，、，、，、，、间间间间加正向加正向加正向加正向电压电压电压电压 导电导电沟道沟道夹夹断后，断后，I

10、 ID D几乎几乎仅仅仅仅决定于决定于U UGSGS而与而与U UDSDS 基基本无关。本无关。当当当当U UGSGS一定一定一定一定时时时时，I ID D表表表表现现现现出出出出恒流特性恒流特性恒流特性恒流特性。此。此时时可以把可以把ID近近似看成似看成UGS控制的控制的电电流源。流源。dsgUDSUGSID3 3）、）、）、）、间间间间加加加加负负负负向向向向电压电压电压电压，、，、，、，、间间间间加正向加正向加正向加正向电压电压电压电压 称场效应管为称场效应管为称场效应管为称场效应管为电压控制电压控制电压控制电压控制元件元件元件元件。1 1）U UGDGD U UGSGS（offoff）

11、时时时时（未出现夹断前），对于不（未出现夹断前），对于不同的同的UGS，漏源之间等效成不同阻值的电阻，漏源之间等效成不同阻值的电阻，ID随随UDS 的增加的增加 线性线性增加增加。（。（对应可变电组区对应可变电组区对应可变电组区对应可变电组区）2 2）U UGDGD=U UGSGS（offoff）时，漏源之间预夹断时，漏源之间预夹断时，漏源之间预夹断时，漏源之间预夹断。3 3）U UGDGD U UGSGS（offoff）。）。特点：可通过改变特点：可通过改变U UGSGS来改变漏源间电阻值。来改变漏源间电阻值。1)可可变电变电阻区阻区 IDUDS条件：条件：条件：条件：U UGDGD 0 0

12、 0 0 U UDSDS =0=0=0=0：由于绝缘层由于绝缘层SiO2的存的存在，栅极电流为零。栅极在，栅极电流为零。栅极金属层将聚集大量正电荷，金属层将聚集大量正电荷，排斥排斥P型衬底靠近型衬底靠近SiO2的的空穴，形成耗尽层。空穴，形成耗尽层。3 3）U UGSGS继续增加继续增加继续增加继续增加,U UDSDS =0=0=0=0:P衬底衬底BN+N+SGD反型层反型层 使导电沟道刚刚形成的栅使导电沟道刚刚形成的栅使导电沟道刚刚形成的栅使导电沟道刚刚形成的栅-源电压称为源电压称为源电压称为源电压称为开启电压开启电压开启电压开启电压U UGS(thGS(th)。（2 2）工作原理）工作原理

13、 耗尽层增宽耗尽层增宽,将衬底的自由将衬底的自由电子吸引到耗尽层与绝缘层电子吸引到耗尽层与绝缘层之间。形成之间。形成N型薄层，称为反型薄层，称为反型层。这个反型层就构成了型层。这个反型层就构成了漏源之间的导电沟道。漏源之间的导电沟道。UGS越大，反型层越厚，越大，反型层越厚，导电沟道电阻越小。导电沟道电阻越小。将产生一定的漏极将产生一定的漏极电流电流ID。沟道中各点沟道中各点对栅极电压不再相等，对栅极电压不再相等，导电沟道宽度不再相等，导电沟道宽度不再相等，沿源沿源-漏方向逐渐变窄。漏方向逐渐变窄。ID随着的随着的U UDSDS增加而线增加而线性增大。性增大。P衬底衬底BN+N+SGD4 4）

14、U UGSGS U UGS(thGS(th)，U UDSDS 0 0：（2 2）工作原理）工作原理5 5）U UGSGS U UGS(thGS(th),U UGDGD =U UGS(thGS(th)：P衬底衬底BN+N+SGD（2 2）工作原理）工作原理 随着随着UDS的增大，的增大，UGD减小，减小，当当UDS增大到增大到UGD=U UGS(thGS(th)时时 ，导电沟道在漏极一端产生夹断，导电沟道在漏极一端产生夹断，称为称为预夹断预夹断预夹断预夹断。5 5）U UGSGS U UGS(thGS(th),U UGDGD =U UGS(thGS(th)：P衬底衬底BN+N+SGD 若若UDS

15、继续增大，夹断区继续增大，夹断区延长。漏电流延长。漏电流ID几乎不变化，几乎不变化，管子进入恒流区。管子进入恒流区。ID几乎仅几乎仅仅决定于仅决定于UGS。此时可以把此时可以把I ID D近似看成近似看成近似看成近似看成U UGSGS控制的电流源控制的电流源控制的电流源控制的电流源。（2）工作原理）工作原理恒流区恒流区击击穿穿区区可可变变电电阻阻区区（3）特性曲线特性曲线4321051015UGS=5V6V4V3V2VID/mAUDS=10V0123246UGS/VUGs(th)输出特性输出特性转移特性转移特性 UDS/VID/mA夹断区夹断区ID和和UGS的近似关系：的近似关系：I IDOD

16、O是是U UGSGS =2=2U UGS(th)GS(th)时的时的I ID D。UDS=10V0123246UGS/VUGs(th)ID/mAI IDODO（3）特性曲线特性曲线 制造时制造时,在在sio2绝缘层中掺入绝缘层中掺入大量的正离子大量的正离子,即使即使UGS =0=0，在在正离子的作用下，源正离子的作用下，源-漏之间也漏之间也存在导电沟道。只要加正向存在导电沟道。只要加正向U UDSDS ，就会产生就会产生ID。结构示意图结构示意图P源极源极S漏极漏极D 栅极栅极GBN+N+正离子正离子反型层反型层SiO22.N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSMOS管管(1)(1)结结构构 只有当只有

17、当U UGSGS小于某一值时，才会小于某一值时，才会使导电沟道消失，此时的使导电沟道消失，此时的U UGSGS称为称为夹断电压夹断电压U UGS(GS(off)off)。dN沟道符号沟道符号BsgP沟道符号沟道符号dBsgMOSMOS管管符号符号DBSGN沟道符号沟道符号DBSGP沟道符号沟道符号耗尽型耗尽型MOS管管符号符号增强型增强型MOS管管符号符号N N N N沟道耗尽型沟道耗尽型沟道耗尽型沟道耗尽型MOSMOSMOSMOS管的特性曲线管的特性曲线管的特性曲线管的特性曲线 （2）特性曲线特性曲线432104812UGS=1V2V3V输出特性输出特性转移特性转移特性1230V101 21

18、23 UGS/V ID UGSUGs(off)UDS/VUDS=10VID/mAID/mANMOS耗尽型PMOS耗尽型场场效效应应管的符号及特性管的符号及特性NMOS增强型PMOS增强型场场效效应应管的符号及特性管的符号及特性P沟道结型N沟道结型场场效效应应管的符号及特性管的符号及特性 例：例：测得某放大电路中三个MOS管的三个电极的电位及它们的开启电压如表所示。试分析各管的工作状态（截止区、恒流区、可变电阻区）。管号管号UGS(th)/VUS/V UG/V UD/V工作状工作状态态T14-513T2-43310T3-4605恒流区恒流区截止区截止区可变电阻区可变电阻区3.1.3 场效应管的主

19、要参数场效应管的主要参数1.1.直流参数直流参数直流参数直流参数（1 1）开启）开启）开启）开启电压电压电压电压U UGS(thGS(th)UDS为为固定固定值值能能产产生漏极生漏极电电流流ID所需的所需的栅栅-源源电压电压UGS的的最小最小值值,它是它是增增强强型型MOS管的参数管的参数。（。（NMOS管管为为正，正，PMOS管管为负为负）（2 2）夹夹夹夹断断断断电压电压电压电压 U UGS(off)GS(off)UDS为为固定固定值值使漏极使漏极电电流近似等于零流近似等于零时时所需的所需的栅栅-源源电压电压。是。是结结型型场场效效应应管和耗尽型管和耗尽型MOS管管的参数的参数（NMOS管

20、管为负为负，PMOS管管为为正）。正）。（4 4）直流输入电阻直流输入电阻直流输入电阻直流输入电阻R RGSGS（DCDC）栅栅-源电压与栅极电流的比值，其值很高源电压与栅极电流的比值，其值很高,一般为一般为107-1010左右。左右。（3 3）饱和漏极电流）饱和漏极电流）饱和漏极电流）饱和漏极电流I IDSSDSS 对于对于耗尽型耗尽型MOS管管,在在UGS=0情况下产生情况下产生 预夹断时预夹断时的漏极电流。的漏极电流。1.1.直流参数直流参数直流参数直流参数2.2.交流参数交流参数交流参数交流参数gm=iD/uGS UDS=常数常数 gm是衡量栅是衡量栅-源电压对漏极电流控制能力的一源电

21、压对漏极电流控制能力的一个重要参数。个重要参数。（1 1）低频跨导）低频跨导）低频跨导）低频跨导 g gmm 管子工作在恒流区并且管子工作在恒流区并且 UDS为常数时，漏极电流为常数时，漏极电流的微变量与引起这个变化的栅的微变量与引起这个变化的栅-源电压的微变量之比源电压的微变量之比称为低频跨导称为低频跨导,即即2.2.交流参数交流参数交流参数交流参数（2 2）交流输出电阻）交流输出电阻）交流输出电阻）交流输出电阻r rdsds rds反映了反映了UDS对对ID的影响，是输出特性曲线上的影响，是输出特性曲线上Q点处点处切线斜率的倒数切线斜率的倒数 rds在在恒流区很大。恒流区很大。3.极限参数

22、极限参数 (1)(1)最大漏极最大漏极最大漏极最大漏极电电电电流流流流I IDM DM 管子正常工作管子正常工作时时漏极漏极电电流的上限流的上限值值。(2)(2)最大漏源最大漏源最大漏源最大漏源电压电压电压电压U U DS(BR)DS(BR)管子管子进进入恒流区后，使漏极入恒流区后，使漏极电电流流骤骤然增加的然增加的UDS称称为为漏漏-源源击击穿穿电压电压。(管子的极限参数，使用时不可超过。管子的极限参数，使用时不可超过。)(3)(3)最大最大最大最大栅栅栅栅源源源源电压电压电压电压U U GS(BR)GS(BR)对对于于结结型型场场效效应应管，使管，使栅栅极与沟道极与沟道间间反向反向击击穿穿

23、的的UGS称称为栅为栅-源源击击穿穿电压电压。对对于于绝缘栅绝缘栅型型场场效效应应管，使管，使绝缘栅层击绝缘栅层击穿的穿的UGS称称为栅为栅-源源击击穿穿电压电压。(4)(4)最大耗散功率最大耗散功率最大耗散功率最大耗散功率P P DMDM PDM决定于管子允决定于管子允许许的温升。的温升。3.极限参数极限参数 1.场效应管场效应管利用栅源电压控制漏极电流，利用栅源电压控制漏极电流，是是电电压压控制元件控制元件，栅极基本不取电流（很小），栅极基本不取电流（很小），输输入入回路回路电电阻很大阻很大；晶体管晶体管利用基极电流控制集电利用基极电流控制集电极电流，极电流，是是电电流控制元件流控制元件，

24、基极索取一定电流，基极索取一定电流，输输入阻抗入阻抗较较小小。场效应管的栅极场效应管的栅极g g、源极源极s s、漏极漏极d d对应于晶体管对应于晶体管的基极的基极b b、发射极、发射极e e、集电极集电极c c，能实现对信号的控能实现对信号的控制。制。3.1.4 场场效效应应管与双极型晶体管的管与双极型晶体管的 比比 较较2.晶体管的放大倍数通常比场效应管大。3.场效应管只有多子导电，而晶体管多子和少子均参与导电，场效应管比晶体管热稳定性好、抗辐射能力强。4.场效应管比晶体管噪声系数小。5.场效应管源极、漏极可以互换使用，互换后特性变化不大；而晶体管的发射极和集电极互换后特性差异很大,一般不

25、能互换使用。3.1.4 场效应管与双极型晶体管的场效应管与双极型晶体管的 比比 较较6.场效应管的种类比晶体管多，特别对于耗尽型MOS管，栅-源控制电压可正可负，均能控制漏极电流。7.MOS管的栅极绝缘，外界感应电荷不易泄放。8.场效应管和晶体管均可用于放大电路和开关电路，但场效应管具有集成工艺简单，工作电源电压范围宽，耗电省、低功耗等特点，目前越来越多的应用于集成电路中。3.1.4 场效应管与双极型晶体管的场效应管与双极型晶体管的 比比 较较3.2 场场效效应应管放大管放大电电路路 场效应管放大电路与晶体管电路的比较场效应管放大电路与晶体管电路的比较1.1.相同之处相同之处2.2.不同之处不

26、同之处能实现对信号的控制；三种组态相对应；分析方法相同。为实现放大，对FET，在栅极回路加适当偏压；而对BJT则加适当的偏流。场效应管放大电路也必须建立合适的静态工作点，保证有输入信号时工作在恒流区。3.2.1场场效效应应管放大管放大电电路的直流偏置及路的直流偏置及静静态态分析分析1.1.1.1.自给偏压电路自给偏压电路自给偏压电路自给偏压电路 此电路形式只适用此电路形式只适用于耗尽型于耗尽型MOSMOS器件。器件。静静态时态时RG的的电电流近流近似似为为零，靠源极零，靠源极电电阻阻上的上的电压为栅电压为栅-源提供源提供一个一个负负偏偏压压。1.1.自给偏压电路自给偏压电路 静态工作点分析静态

27、工作点分析静态工作点分析静态工作点分析（栅极电流为栅极电流为0）（耗尽型（耗尽型MOS管管的的电电流方程）流方程）.分压式偏置电路分压式偏置电路电电路路结结构构直流通路直流通路静态工作点分析静态工作点分析静态工作点分析静态工作点分析（栅极电流为（栅极电流为0）IDQ UGSQ（增（增强强型型MOS管管的的电电流方程）流方程）解：解：（求静（求静态态，电电容开路）容开路）。（本例（本例IDQ不不应应大于大于IDSS).用微变等效电路法分析场效应管用微变等效电路法分析场效应管放大电路的动态参数放大电路的动态参数 场效应管的交流低频小信号模型场效应管的交流低频小信号模型场效应管的交流低频小信号模型场

28、效应管的交流低频小信号模型求全微分求全微分 与分析晶体管的h参数等效模型相同，将场效应管也看成两端口网络。低频小信号模型 g gmm是输出回路电流与输入回路电压之比，称跨导,电导量纲。r rdsds是描述MOS管输出特性曲线上翘程度的参数，等效为电阻，在几十几百千欧之间。通常 rds可视为开路。将将将将输输输输出回路只等效出回路只等效出回路只等效出回路只等效为为为为一个受控一个受控一个受控一个受控电电电电流源流源流源流源。场效应管的交流低频小信号模型场效应管的交流低频小信号模型sdg+_.UgsgmUgsMOSMOS管简化交流等效模型管简化交流等效模型管简化交流等效模型管简化交流等效模型耗尽型

29、（结型）：耗尽型（结型）：增强型：增强型：Q点不仅影响电路是否失点不仅影响电路是否失真真,还影响动态参数。还影响动态参数。可以可以可以可以证证证证明：明：明：明：应用微变等效电路分析法分析应用微变等效电路分析法分析场效应管放大电路场效应管放大电路（）共源放大电路共源放大电路（从漏极输出）（从漏极输出）微变等效电路微变等效电路（）（）共源放大电路共源放大电路 电压增益电压增益电压增益电压增益输入电阻输入电阻输入电阻输入电阻输出电阻输出电阻输出电阻输出电阻例33图3-14电路中令CS和RL开路，计算u、Ri和Ro图3-14解：先画出微变等效电路解：先画出微变等效电路共源电路的电压增益比共射共源电路

30、的电压增益比共射电路小，输入电阻大。电路小，输入电阻大。（）共漏放大电路（从源极输出）微变等效电路微变等效电路(,(,源极跟随器源极跟随器)1)1)1)1)电压增益电压增益电压增益电压增益2)2)输入电阻输入电阻（）共漏放大电路（从源极输出）3)3)输出电阻输出电阻（断开负载，输入信号短路，输出端加电压，求输出电流。)共漏极输出共漏极输出电阻较小。电阻较小。例3图示电路，其中1)求静态工作点IDQ和UGSQ2)计算u、Ri和Ro解:1)求静态参数：2)2)求求动态动态参数参数把IDQ的表达式代入gm表达式可求出：场效应管放大电路的三种接法场效应管放大电路的三种接法共源电路共源电路 共漏电路共漏电路 共栅电路共栅电路（以（以N沟道沟道结结型型场场效效应应管管为为例）例）场效应管的三种基本接法共源、共漏和共栅分别与双极型晶体管的共射、共集和共基对应，相应的输出量与输入量之间的大小和相位关系一致。可以实现反相电压放大、电压跟随、电流跟随的功能。1.已知场效应管的三个电极电位，会判断管子工作在何种状态。2.共源、共漏基本放大电路的静态分析计算与动态（Au、Ri、Ro)分析计算。本章基本要求本章基本要求重点掌握重点掌握