【教学课件】第4章场效应管放大电路.ppt

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1、 第四章 场效应管放大电路BJT的缺点：输入电阻较低,温度特性差。场效应管(FET)：利用电场效应控制其电流的半导体器件。优点：输入电阻非常高(高达1071015欧姆)，噪声低，热稳定性好，抗辐射能力强，工艺简单，便于集成。根据结构不同分为：结型场效应管(JFET);绝缘栅型场效应管(MOSFET)根据沟道性质分为：N沟道;P沟道根据偏压为零时沟道能否导电分为：耗尽型，增强型场效应管工作时，只有一种极性的载流子参与导电，所以场效应管又称为单极型晶体管。14.1 结型场效应管4.1.1 JFET的结构和工作原理 1.结构:Ndgs高搀杂的P型区.N沟道JEFT的示意图N型导电沟道符号gds对于N

2、沟道JEFT工作于放大状态，vGS0g栅极，s源极，d漏极2Pdgs高搀杂的N型区.P型导电沟道P沟道JEFT的示意图对于P沟道JEFT工作于放大状态，vGS 0.vDS 0gds符号32.工作原理(1)vGS对iD的控制作用 vGS=0VpvGSVP且不变vDS=0，耗尽层均匀vGSVp vGDVp：沟道呈电阻性，iD随vDS升高几乎成正比例的增加。vDS不为0时，耗尽层变成锲型。vDS增加，锲型的斜率加大。NdgsNdgs耗尽层iD6vGD=vGS-vDSvDS ，vGD当 vGD=VP时，靠近D端两边的耗尽层相接触预夹断。iD达到了最大值 IDSS。此时：vDS=vGS-VPvDS再加大

3、，vGD vGS-VP)耗尽层两边相接触的长度增加，iD基本上不随vDS的增加而上升，漏极电流趋于饱和饱和区，恒流区。NdgsNgds预夹断夹断长度增加74-1-2 N沟道，JFET的特性曲线(1)输出特性(2)iD=f(vDS)|vGS=常数在该区FET 可以看成一个压控电阻。特点:vGS越负，耗尽层越宽，漏源间的电阻越大，输出曲线越倾斜。iD与 vDS 几乎成线性关系。1区:可变电阻区 0vGSVP ,0vGDVp82区：饱和区（恒流区，线性放大区）0 vGS Vp,vGDVp特点:iD 随 vGS下降而减少,iD受 vGS 的控制。vDS 增加时，iD基本保持不变，成恒流特性。在该区域，

4、场效应管等效成一个受vGS控制的恒流源。场效应管作放大器时工作在该区域。94区：击穿区 vDS太大，致使栅漏PN结雪崩击穿，FET处于击穿状态.。场效应管一般不能工作在该区域内。3区：截止区vGSVP，vGDVP iD=0场效应管截止10(2)转移特性曲线 iD=f(vGS)|vDS=常数表征栅源电压vGS对漏极电流的控制作用，场效应管是电压控制器件。在饱和区内，FET可看作压控电流源。转移特性方程：iD=IDSS(1-vGS/VP)2VPIDSSvGS-0.8 0.4vGS11（3）主要参数夹断电压：VP当导电沟道刚好完全被关闭时，栅源所对应的电压 vGS 称为夹断电压。夹断电压与半导体的搀

5、杂浓度有关。饱和漏电流：IDSS场效应管处于饱和区，且 vGS=0 时的漏极电流，对于结型场效应管，为最大工作电流。低频互导：gm gm=diD/dvGS|vDS=常数反映了栅源电压对漏极电流的控制能力，是转移特性曲线上，静态工作点处的斜率。12输出电阻：rd输出电阻反映了vDS对 iD的影响，是输出特性上，静态工作点处切线斜率的倒数。在饱和区内，iD随vDS改变很小，因此 rd 数值很大。最大漏源电压：V(BR)DS最大耗散功率：PDM134.3 金属-氧化物-半导体场效应管 4.3.1 N沟道增强型MOSFET金属栅极、SiO2绝缘层、半导体，构成平板电容器。MOSFET 利用栅源电压的大

6、小，来改变衬底 b表面感生电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。N沟道增强型MOS管示意图N沟道增强型MOS管符号sgd衬底b PN+N+铝SiO2MOS场效应管的类型：增强型：包括N沟道和P沟道耗尽型：包括N沟道和P沟道dsgbP沟道增强型MOS管符号dsgb141、沟道形成原理 vDS=0时，vGS 的作用在SiO2绝缘层中产生垂直向下的电场，该电场排斥P区中的多子空穴，而将少子电子吸向衬底表面。vGS不够大时，吸向衬底表面的电子将与空穴复合而消失，衬底表面留下了负离子的空间电荷区耗尽层，并与两个PN结的耗尽层相连，此时源区和漏区隔断。无导电沟道 iD=0vGS=0时，iD=00vGSVT刚

7、形成反型层所需的 vGS 的值开启电压VT。vGSVT，沟道形成，vDS0时，将形成电流iD。vGS，沟道加宽，沟道电阻，iD。g PdsN+N+N沟道当外加正 vDS 时，源区的多子(电子)将沿反型层漂移到漏区形成漏极电流iD。16 vGSVT且不变,vDS对沟道的影响导电沟道形成后，在vDS的作用下，形成漏极电流iD，沿沟道ds，电位逐渐下降,sio2中电场沿沟道ds逐渐加大，导电沟道的宽度也沿沟道逐渐加大，靠近漏极端最窄。vGS VT,且 vGD VT (vDS vGS-VT )沟道畅通，场效应管等效为小电阻（可变电阻区）。PN+N+gdsvDS使沟道不再均匀17vDS再，使 vGDvG

8、S-VT)夹断点向左移动，沟道中形成高阻区，电压的增加全部降在高阻区，iD基本不变恒流区。vDS ,vGD,沟道斜率，靠近漏极端更窄。当vGD=VT 时 (vDS=vGS-VT)靠近漏极端的反型层刚好消失预夹断。预夹断gd PN+N+ssgds PN+N+183、特性曲线1区：可变电阻区:vGSVT vGDVT 沟道呈电阻性，iD随vDS的增大而线性增大。电阻值随vGS增加而减小。2区：恒流区(线性放大区）vGSVT vGDVT iD=IDO(vGS/VT)-12IDO是vGS=2VT时，iD的值。iD 受 vGS 的控制。4区：击穿区3区截止区 vGSVTvGDVTP T1截止vGSN=VD

9、DVTN T2导通vo=0vi=0vGSP=-VDD VTP T1导通vGSN=00,iD为电子电流,iDS0（电流实际方向流入漏极）P沟道：vDS0,iD为空穴电流,iDS0（电流实际方向流出漏极）衬底的极性：必须保证PN结反偏。N沟道：P型衬底须接在电路中的最低电位上。P沟道：N型衬底须接在电路中的最高电位上。增强型MOS管：vGS单极性，总与vDS一致（N沟道正，P沟道负）。vGS=0时 iDS=0。耗尽型MOS管：vGS可正可负。J型场效应管：vGS单极性，总与vDS相反（N沟道负,，P沟道正)。vGS=0时iDS 0（绝对值达最大）转移特性：N沟道vGSiDSvGSiDSP沟道224

10、.4 场效应管放大电路4.4.1 FET的直流偏置电路及静态分析1 零偏压电路2 自偏压电路VGS=-IDRSVGS=0RdVDDsgRGdb直流偏置电路RdVDDsgRGdbRS适应于耗尽型MOS场效应管适应于结型或耗尽型MOS管233 分压式自偏压电路VGS可正可负,适应于任何一种类型.静态工作点的确定 根据外部电路列出线性方程 列出场效应管的转移特性方程 RdVDDsgRg1dbRSRg2Rg3增强型MOS管J型、耗尽型MOS管24例Rg3sgRRdVDDRg1dRg2J型管iD不能大于IDSS1.59mA的结果舍去ID=0.31mA254.4.2 FET的小信号模型分析法FET的低频小

11、信号简化模型gdsFET低频小信号模型rdrgsgdscgscgdcdsFET高频小信号模型.rgsgdsrd26应用小信号模型分析FET的放大电路 共源放大共源放大:如果接有外负载RLRdVDDsgRg1dbRRg2Rg3Rg=Rg1/Rg2RgRg3gdsRdRLRL27源极电阻上无并联电容:共源电路的特点:电压增益大,输出电压和输入电压反相.输入电阻高,输出电阻由漏极电阻Rd决定.sRgdRg3Rg,RdRg=Rg1/Rg228共漏极放大器(源极跟随器)gsdRSRg3RgRLVDDsgRg1dRRg2Rg3RLRg=Rg1/Rg2，RL=R/RL29输出电阻特点:1电压增益小于1,但接近于1.且输入输出同相.2输入电阻高,而输出电阻较低.sgdRSRg3RgR30