Chapter 4场效应管放大电路.ppt

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1、场效应管放大电路场效应管放大电路Chapter 4Chapter 4Chapter 4Chapter 41Chapter 4主要内容主要内容场效应晶体管场效应晶体管场效应管放大电路场效应管放大电路2Chapter 44.1 场效应晶体管场效应晶体管结型场效应三极管（结型场效应三极管（JFETJFET）绝缘栅场效应三极管（绝缘栅场效应三极管（MOSFETMOSFET）场效应三极管的参数场效应三极管的参数讨论的问题：讨论的问题：场效应管是通过什么方式来控场效应管是通过什么方式来控制漏极电流的？制漏极电流的？3Chapter 4 场效应管（场效应管（Fiedl Effect TransistorFE

2、T）是是利用利用电场效应来控制电场效应来控制的有源器件，它不仅兼有一的有源器件，它不仅兼有一般半导体管体积小、重量轻、耗电省、寿命长的般半导体管体积小、重量轻、耗电省、寿命长的特点，还具有输入电阻高（特点，还具有输入电阻高（MOSFET最高可达最高可达1015）、噪声系数低、热稳定性好、工作频率高、）、噪声系数低、热稳定性好、工作频率高、抗辐射能力强、制造工艺简单等优点。在近代大抗辐射能力强、制造工艺简单等优点。在近代大规模和超大规模集成电路以及微波毫米波电路中规模和超大规模集成电路以及微波毫米波电路中得到广泛应用。得到广泛应用。按结构，场效应管可分两大类：按结构，场效应管可分两大类：结型场效

3、应管（结型场效应管（JFET）绝缘栅型场效应管（绝缘栅型场效应管（IGFET）4Chapter 44.1.14.1.1结型场效应三极管（结型场效应三极管（JFETJFET）1、结型场效应三极管的结构、结型场效应三极管的结构 在在N型半导体硅片两侧型半导体硅片两侧扩散高浓度的扩散高浓度的P型区，形成型区，形成两个两个PN结夹着一个结夹着一个N型沟型沟道的结构。道的结构。两个两个P区连在一起构成区连在一起构成栅栅极极，N型硅的一端是型硅的一端是漏极漏极，另一端是另一端是源极源极。5Chapter 4NvGSvDSDSGiDP+P+2、JFET的工作原理的工作原理 vDS=0，|vGS|增大，增大，

4、导电沟道变窄，沟道电阻导电沟道变窄，沟道电阻增大。增大。沟道完全夹断时沟道完全夹断时vGS=VP（VGS（off），称夹断电），称夹断电压。压。现以现以N沟道为例说明其沟道为例说明其工作原理工作原理。1、vGS对对iD的控制的控制控制导电沟道宽窄控制导电沟道宽窄若若vDS为一固定值，则为一固定值，则iD将受将受vGS的控制的控制。6Chapter 4vGS=0，vDS增加沿沟道增加沿沟道将产生一电位梯度，导将产生一电位梯度，导电沟道呈楔型，电沟道呈楔型，iD与与 vDS近似成正比。近似成正比。NvGSvDSDSGiDP+P+预夹断后，随预夹断后，随vDS增加，夹增加，夹断长度略有增加，断长度略

5、有增加，iD几乎几乎不随不随vDS增加而上升增加而上升。结论：结论：JFET是电压控制电流器件。是电压控制电流器件。2、vDS对对iD的影响的影响当两楔型相遇时，称预夹断。当两楔型相遇时，称预夹断。此时此时vGD=vGS vDS=VPiD=IDSS饱和漏极电流饱和漏极电流7Chapter 43、JFET的特性曲线的特性曲线（1）输出特性曲线。）输出特性曲线。+vGSvDSiD+SGD以以vGS为参变量，为参变量，iD与与vDS的关系的关系 在恒流区或饱和区，在恒流区或饱和区，iD受受vGS的控制，用作的控制，用作放大电路的工作区域，放大电路的工作区域，也称线性放大区。也称线性放大区。输出特性曲

6、线输出特性曲线8Chapter 4（2）转移特性曲线）转移特性曲线 以以vDS为参变量，为参变量，iD与与vGS的关系，描的关系，描述了输入电压对输出电流的控制作用。述了输入电压对输出电流的控制作用。转移特性曲线转移特性曲线+vGSvDSiD+SGD9Chapter 4实验表明：在实验表明：在VPv GS0范围范围(恒流区恒流区)内，内，iD与与vGS间间呈平方律关系，即呈平方律关系，即为什么不讨论为什么不讨论JFET的输的输入特性？入特性？栅栅-源间的源间的PN结是反偏结是反偏的，故输入端的电流近似的，故输入端的电流近似为零。为零。10Chapter 44.1.2 4.1.2 绝缘栅场效应三

7、极管绝缘栅场效应三极管N沟道增强型沟道增强型MOSFETN沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFETP沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET各类各类FET的伏安特性曲线的伏安特性曲线11Chapter 4 绝缘栅型场效应管中应用最多的是以二氧化硅绝缘栅型场效应管中应用最多的是以二氧化硅作为金属（铝）栅极和半导体之间绝缘层作为金属（铝）栅极和半导体之间绝缘层，又称，又称金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应管，简称半导体场效应管，简称MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor FET)。MOSFET可分为可分为增强型增强型 N沟道、沟道、P沟道沟道耗尽型耗尽型 N沟道、沟道、P沟道沟道12C

8、hapter 4结构结构1）结构）结构 N沟道增强型沟道增强型MOSFET在在P型半导型半导体上生成一层体上生成一层SiO2 薄膜绝缘层，然后薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两用光刻工艺扩散两个高掺杂的个高掺杂的N型区。型区。栅极栅极G源极源极S漏极漏极D衬底衬底B1、N沟道增强型沟道增强型MOSFET13Chapter 4 栅源电压栅源电压vGS的控制作用的控制作用形成形成导电沟道导电沟道 正电压正电压vGS产生的反型层把产生的反型层把漏漏-源连接起来，形成宽度均源连接起来，形成宽度均匀的导电匀的导电N沟道，自由电子是沟道，自由电子是沟道内的主要载流子。沟道内的主要载流子。反型层刚形成时，对应

9、的栅反型层刚形成时，对应的栅源电压源电压vGS称为开启电压，用称为开启电压，用VT表示。表示。2）工作原理）工作原理14Chapter 4 漏源电压漏源电压vDS对漏极电流对漏极电流iD的控制作用的控制作用 vGS VT，加，加vDS，形成，形成iD，且，且iD与与vDS基本成正比。基本成正比。因因vDS形成电位差，使导电沟道为梯形。形成电位差，使导电沟道为梯形。vDS增大至增大至vGD=vGS vDS VT，沟道被预夹断，沟道被预夹断（漏端），管子进入饱和区。（漏端），管子进入饱和区。vDS对对iD的控制的控制15Chapter 4沟道预夹断后，沟道预夹断后，vDS继续继续增大，夹断点向源极

10、方向移增大，夹断点向源极方向移动，动，iD略有增大。略有增大。vGS变化时，变化时，vGS 107，MOSFET的的RGS109。5）低频跨导）低频跨导gm 表征工作点表征工作点Q上栅源电压上栅源电压vgs对漏极电流对漏极电流id的控制作用大小的控制作用大小的参数，单位是的参数，单位是mS。27Chapter 4几种常用的场效应三极管的主要参数几种常用的场效应三极管的主要参数 参数参数型号型号PDMmWIDSSmAVRDSVVRGSVVPVgmmA/VfMMHz3DJ2D1002020423003DJ7E100202043903DJ15H10061120205.583DO2E1000.351.

11、212251000CS11C1000.31254228Chapter 4双极型三极管双极型三极管场效应三极管场效应三极管结构结构NPN型型PNP型型C与与E一般不可倒置使一般不可倒置使用用结型耗尽型结型耗尽型 N沟道沟道 P沟道沟道绝缘栅增强型绝缘栅增强型 N沟道沟道 P沟沟道道绝缘栅耗尽型绝缘栅耗尽型 N沟道沟道 P沟沟道道D与与S有的型号可倒置使用有的型号可倒置使用载流子载流子多子扩散少子漂移多子扩散少子漂移多子漂移多子漂移输入量输入量电流输入电流输入电压输入电压输入电流控制电流源电流控制电流源CCCS()电压控制电流源电压控制电流源VCCS(gm)4.1.4 4.1.4 双极型和场效应型

12、三极管的比较双极型和场效应型三极管的比较29Chapter 4双极型三极管双极型三极管场效应三极管场效应三极管噪声噪声较大较大较小较小温度特性温度特性受温度影响较大受温度影响较大较小，可有零温度系数点较小，可有零温度系数点输入电阻输入电阻几十到几千欧姆几十到几千欧姆几兆欧姆以上几兆欧姆以上静电影响静电影响不受静电影响不受静电影响易受静电影响易受静电影响集成工艺集成工艺不易大规模集成不易大规模集成适宜大规模和超大规模集成适宜大规模和超大规模集成30Chapter 44.2 场效应管放大电路场效应管放大电路FET放大电路的偏置电路与静态分析放大电路的偏置电路与静态分析FET放大电路的动态分析放大电

13、路的动态分析三种类型放大电路的比较三种类型放大电路的比较31Chapter 44.2.1 偏置电路与静态分析偏置电路与静态分析1、自偏压共源放大电路自偏压共源放大电路直流通路如图所示直流通路如图所示自偏压偏置电路：自偏压偏置电路：自偏压偏置电路：自偏压偏置电路：由于栅由于栅极电流为零，故栅源电压极电流为零，故栅源电压UGS是由电阻是由电阻R上压降通过上压降通过Rg提供的。提供的。因为因为UGS0，所以，所以只能用于只能用于耗尽型耗尽型FET。电阻电阻R可起稳定工作点的作可起稳定工作点的作用。用。32Chapter 4UGSQ=IDQR由电路得下列方程：由电路得下列方程：UDSQ=VDDIDQ（

14、R+Rd）FET的转移特性：的转移特性：联立上联立上3式，可解得静态工作点参数式，可解得静态工作点参数UGSQ、IDQ、UDSQ33Chapter 42 2、分压式自偏压共源放大电路、分压式自偏压共源放大电路VCC经经Rg1、Rg2分压后，通过分压后，通过Rg供给栅极电位供给栅极电位UGQ。R 提供自偏压提供自偏压USQ，且，且可以稳定工作点可以稳定工作点34Chapter 4UDSQ=VDDIDQ（R+Rd）有：有：UGSQ、IDQ、UDSQ35Chapter 44.2.2 FET放大电路的动态分析放大电路的动态分析FET的小信号模型的小信号模型共源放大电路共源放大电路共漏放大电路（源极输出

15、器）共漏放大电路（源极输出器）36Chapter 41、FET的小信号模型的小信号模型FET是电压控制器件，在低频小信是电压控制器件，在低频小信号工作时，可认为号工作时，可认为 ri=id=gmugs简化简化37Chapter 42、共源放大电路、共源放大电路交流小信号等效电路如图交流小信号等效电路如图1）电压增益）电压增益Au2）输入电阻）输入电阻ri3）输出电阻）输出电阻roro=Rd38Chapter 43、共漏放大电路（源极输出器）、共漏放大电路（源极输出器）1）电压增益）电压增益Au2）输入电阻）输入电阻ri39Chapter 4rororo3）输出电阻）输出电阻ro40Chapte

16、r 44.2.3 三种类型放大电路的比较三种类型放大电路的比较根据放大器件根据放大器件BJT放大电路放大电路FET放大电路放大电路BJT放大电路放大电路FET放大电路放大电路共射放大共射放大共源放大共源放大共基放大共基放大共栅放大共栅放大共集放大共集放大共漏放大共漏放大六种组态可归纳为三类通用放大电路：六种组态可归纳为三类通用放大电路：反相电压放大反相电压放大反相电压放大反相电压放大、电压跟随电压跟随电压跟随电压跟随和和电流跟随电流跟随电流跟随电流跟随电路。电路。41Chapter 4本章重点本章重点 JFET和和MOSFET的工作原理、输出特性、转的工作原理、输出特性、转移特性和主要参数。移特性和主要参数。共源极和共漏极放大电路的分析共源极和共漏极放大电路的分析 偏置方式及解析法求静态工作点。偏置方式及解析法求静态工作点。FET的小信号模型与用小信号等效电路求的小信号模型与用小信号等效电路求动态指标。动态指标。42Chapter 4