场效应管及放大电路..ppt

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1、 场效应管是利用电场效应来控制电流场效应管是利用电场效应来控制电流大小，与双极型晶体管不同，它是多子导大小，与双极型晶体管不同，它是多子导电，输入阻抗高，温度稳定性好、噪声低。电，输入阻抗高，温度稳定性好、噪声低。场效应管及基本放大电路场效应管及基本放大电路结型场效应管结型场效应管JFET绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管MOS场效应管有两种场效应管有两种: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（耗尽型耗尽型）FET场效应管场效应管JFET结型结型MOSFET绝缘栅型绝缘栅型(IGFET)分类：分类：结型场效应管结型场效应管 结构结构 工作原理工作原

2、理 输出特性输出特性 转移特性转移特性 主要参数主要参数JFET的结构和工作原理的结构和工作原理JFET的特性曲线及参数的特性曲线及参数 1.结构结构（以（以N沟道沟道JFET为例）为例）2.工作原理工作原理 VGS对沟道的控制作用对沟道的控制作用当当VGS0时时（以（以N沟道沟道JFET为例）为例）当沟道夹断时，对应当沟道夹断时，对应的栅源电压的栅源电压VGS称为称为夹断夹断电压电压VP（或或VGS(off)）。）。对于对于N沟道的沟道的JFET，VP 0。PN结反偏结反偏耗尽层加厚耗尽层加厚沟道变窄。沟道变窄。VGS继续减小，沟道继续减小，沟道继续变窄继续变窄 VDS对沟道的控制作用对沟道

3、的控制作用当当VGS=0时，时，VDS ID G、D间间PN结的反向电结的反向电压增加，使靠近漏极处的压增加，使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，耗尽层加宽，沟道变窄，从上至下呈楔形分布。从上至下呈楔形分布。当当VDS增加到使增加到使VGD=VP 时，在紧靠漏极处出现预时，在紧靠漏极处出现预夹断。夹断。此时此时VDS 夹断区延长夹断区延长沟道电阻沟道电阻 ID基本不变基本不变 VGS和和VDS同时作用时同时作用时当当VP VGS0，就可就可以形成漏极电流以形成漏极电流ID。在栅极下方在栅极下方导电沟道中的电子，因与导电沟道中的电子，因与P型型区的区的载流子空穴极性相反，故称为载流子空穴极性相反

4、，故称为反反型层型层。随着。随着VGS的继续增加，的继续增加，反型反型层层变厚变厚，ID增加增加VGS 0g吸引电子吸引电子反型层反型层导电沟道导电沟道VGS 反型层变厚反型层变厚 VDS ID （2 2）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（a）如果如果VGSVT且固定为某一值，且固定为某一值，VDS=VDGVGS=VGDVGSVGD=VGSVDSVDS为为0或较小时，或较小时，VGD=VGSVDS VT，沟道分布如图沟道分布如图，此时此时VDS 基本均匀降落在沟道中，沟基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。道呈斜线分布。这时，这时，ID随随VDS增大。增大。

5、VDS ID （2 2）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（2 2）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（b）当）当VDS增加到使增加到使VGD=VT时，沟道如图所示，时，沟道如图所示，靠近漏靠近漏极的沟道被夹断，极的沟道被夹断，这相当于这相当于VDS增加使漏极处沟道缩减到增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为刚刚开启的情况，称为预夹预夹断断。（2 2）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VDS ID 不变不变（c）当）当VDS增加到增加到VGD VT时，沟时，沟道如图所示。此时预夹断区域加道

6、如图所示。此时预夹断区域加长，向长，向S极极延伸。延伸。VDS增加的部分增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道基本降落在随之加长的夹断沟道上，上，ID基本趋于不变基本趋于不变漏源电压漏源电压VDS对对沟道的影响动画沟道的影响动画 ID=f(VGS)VDS=const转移特性曲线转移特性曲线 iD vGS/VID=f(VDS)VGS=const输出特性曲线输出特性曲线 vDS/V iD3.特性曲线（以特性曲线（以N沟道增强型为例）沟道增强型为例）转移特性曲线的斜率转移特性曲线的斜率gm的大小反的大小反映了栅源电压映了栅源电压VGS对漏极电流对漏极电流ID的控制作用。的控制作用。gm 的量纲为的量

7、纲为mA/V，称为称为跨导跨导。gm=ID/VGS VDS=const 输出特性曲线输出特性曲线 vDS/V iD(1)(1)截止区（夹断区）截止区（夹断区）VGS VT以下区域就是截止区V VGSGS V VT T I ID D=0=0(2)(2)放大区（恒流区）放大区（恒流区）产生夹断后，VDS增大，ID不变的区域，V VGS GS-V-VDS DS V VP P V VDSDSI ID D不变不变处于恒流区的场效应管相当于一个压控电流源(3)(3)饱和区（可变电阻区）饱和区（可变电阻区）未产生夹断时，VDS增大，ID随着增大的区域V VGS GS-V-VDS DS V VP P V VD

8、SDSI ID D 处于饱和区的场效应管相当于一个压控可变电阻4.其它类型其它类型MOS管管（1）N沟道耗尽型：N沟道耗尽型MOSFET的结构和符号如图所示，制造时在栅极下方的绝缘层中掺入了大量的金属正离子。所以当VGS=0时，这些正离子已经在感应出反型层，在漏源之间形成了沟道。于是只要有漏源电压，就有漏极电流存在。各种类型各种类型MOS管管的特性曲线的特性曲线绝缘栅场效应管N沟道增强型P沟道增强型各种类型各种类型MOS管的特性曲线管的特性曲线绝缘栅场效应管 N沟道耗尽型P 沟道耗尽型场效应三极管的型号场效应三极管的型号 场效应三极管的型号场效应三极管的型号,现行有两种命名方法。其一是与现行有

9、两种命名方法。其一是与双极型三极管相同，第三位字母双极型三极管相同，第三位字母J代表结型场效应管，代表结型场效应管，O代代表绝缘栅场效应管。第二位字母代表材料，表绝缘栅场效应管。第二位字母代表材料，D是是P型硅，反型硅，反型层是型层是N沟道；沟道；C是是N型硅型硅P沟道。例如沟道。例如,3DJ6D是结型是结型N沟道沟道场效应三极管，场效应三极管，3DO6C是绝缘栅型是绝缘栅型N沟道场效应三极管。沟道场效应三极管。第二种命名方法第二种命名方法是是CS#，CS代表场代表场效应管，效应管，以数字代以数字代表型号的序号，表型号的序号，#用字用字母代表同一型号中的母代表同一型号中的不同规格。例如不同规格

10、。例如CS14A、CS45G等。等。绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管MOSFET反型层 uDS 不变，uGS增大，反型层（导电沟道）将变厚。当反型层将两个N区相接时，管子导通。1.N沟道沟道增强型管增强型管SiO2绝缘层2.耗尽型管耗尽型管加正离子 uGS=0时就存在导电沟道。绝缘栅型场效应管特性曲线1)增强型MOS管2)耗尽型MOS管开启开启电压电压各种场效应管所加偏压极性小结双极型和场效应型三极管的比较双极型和场效应型三极管的比较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NPN型PNP型结型耗尽型 N沟道 P沟道绝缘栅增强型 N沟道 P沟道绝缘栅耗尽型 N沟道 P沟道C与E一般不

11、可倒置使用D与可倒置使用载流子多子扩散少子漂移多子漂移控制电流控制电流源CCCS()电压控制电流源VCCS(gm)噪声较大较小温度特性受温度影响较大较小，可有零温度系数点输入电阻几十到几千欧姆几兆欧姆以上静电影响不受静电影响易受静电影响集成工艺不易大规模集成适宜大规模和超大规模集成1.直流偏置电路直流偏置电路FET的直流偏置电路及静态分析的直流偏置电路及静态分析（1）自自给偏压电路偏压电路vGSvGS=-iDR（2）混合偏）混合偏压电路电路2.静态工作点静态工作点Q点：点：VGS、ID、VDSvGS=VDS=已知已知VP，由，由VDD-ID(Rd+R)-iDR可解出可解出Q点的点的VGS、ID

12、、VDS 夹断电压夹断电压VP(或或VGS(off)：饱和漏极电流饱和漏极电流IDSS：低频跨导低频跨导gm：或或3.主要参数主要参数漏极电流约为零时的漏极电流约为零时的VGS值值。VGS=0时对应的漏极电流。时对应的漏极电流。低频跨导反映了低频跨导反映了vGS对对iD的控制作用。的控制作用。gm可以在转移特性曲线上求得，单位是可以在转移特性曲线上求得，单位是mS(毫西门子毫西门子)。输出电阻输出电阻rd：3.主要参数主要参数 直流输入电阻直流输入电阻RGS：对于结型场效应三极管，反偏时对于结型场效应三极管，反偏时RGS约大于约大于107。最大漏极功耗最大漏极功耗PDM 最大漏源电压最大漏源电

13、压V(BR)DS 最大栅源电压最大栅源电压V(BR)GSFET放大电路组成原则及分析方法放大电路组成原则及分析方法(1)静态：适当的静态工作点，使场效应管工作在静态：适当的静态工作点，使场效应管工作在恒流区恒流区，FET的偏置电路相对简单。的偏置电路相对简单。(2)动态：能为交流信号提供通路。动态：能为交流信号提供通路。组成原则：组成原则：静态分析：静态分析：估算法、图解法。估算法、图解法。动态分析：动态分析：小信号等效电路法。小信号等效电路法。分析方法：分析方法：1.直流偏置电路直流偏置电路FET的直流偏置电路及静态分析的直流偏置电路及静态分析（1）自自给偏压电路偏压电路vGSvGS=-iD

14、R适用于耗尽型适用于耗尽型（2）混合偏）混合偏压电路电路可同时适用可同时适用于耗尽型和于耗尽型和增强型增强型2.静态工作点静态工作点Q点：点：VGS、ID、VDSvGS=VDS=已知已知VP，由，由VDD-ID(Rd+R)-iDR可解出可解出Q点的点的VGS、ID、VDS FETFET的交流参数和小信号模型的交流参数和小信号模型 FETFET的主要交流参数的主要交流参数 1）低频跨导低频跨导gm：低频跨导反映了低频跨导反映了vGS对对iD的控的控制作用。制作用。gm可以在可以在转移特性曲线转移特性曲线上求得，单位上求得，单位是是mS(毫西门子毫西门子)。2）漏极内阻）漏极内阻rds：很大，很大

15、，可忽略。可忽略。FET的的小信号模型小信号模型GSDuGSiDuDSSGDugsgmugsudsSGDrDSugsgmugsudsVCCS场效应管应用场效应管应用例1：作反相器用。作反相器用。|Vp1|=|Vp2|=VT 0|VT|VT，截止截止 Tn:VGSn=VddVT，导通导通Vo=0Vi=0时：时：Tp:VGSp=-VddVT，导通导通Tn:VGSn=0VT，截止截止Vo=+VddTnsViTpsVoViVo+VddTpTn场效应管应用场效应管应用例例2：压控电阻：压控电阻场效应管工作在可变电阻区时，场效应管工作在可变电阻区时，iD随随vDS的增加几乎成的增加几乎成线性增大，而增大的

16、比值受线性增大，而增大的比值受vGS控制。所以可看成是受控制。所以可看成是受vGS控制控制的电阻。的电阻。vivo例例3：共源极电路组成共源极电路组成 比较共源和共射放大电路，它们只是在偏置电路和受控比较共源和共射放大电路，它们只是在偏置电路和受控源的类型上有所不同。只要将微变等效电路画出，就是一个源的类型上有所不同。只要将微变等效电路画出，就是一个解电路的问题了。解电路的问题了。图中图中Rg1、Rg2是栅极偏置电阻，是栅极偏置电阻，Rs是源极电阻，是源极电阻，Rd是漏极是漏极负载电阻。与共射基本放大电路的负载电阻。与共射基本放大电路的Rb1、Rb2，Re和和Rc分别一一分别一一对应。而且只要

17、结型场效应管栅源间对应。而且只要结型场效应管栅源间PN结是反偏工作，无栅结是反偏工作，无栅流，那么流，那么JFET和和MOSFET的直流通道和交流通道是一样的的直流通道和交流通道是一样的。直流分析直流分析（估算法）（估算法）直流通路直流通路 直流分析(估算法）：VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2)VGS=VGVS=VGIDR ID=IDSS1(VGS/VP)2 VDS=VDDID(Rd+R)解出VGS、ID和VDS。交流分析交流分析微微变变等等效效电电路路共漏极放大电路共漏极放大电路 直流分析直流分析VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2)VGS=VGVS=VGIDRID=IDSS1(VGS/

18、VP)2VDS=VDDIDR由此可以解出由此可以解出VGS、ID和和VDS。与三极管共集电与三极管共集电极电路对应极电路对应直流通路：交流分析交流分析输出电阻输出电阻已知：已知：gm=0.3mA/V IDSS=3mA VP=-2V 试分析该电路。试分析该电路。解：静态分析：解：静态分析：VGS=-RIDID=IDSS1(VGS/VP)2代入参数得：代入参数得：3ID2-7ID+3=0IDQ=0.57mA ID=1.77mA（不合理，舍去）不合理，舍去）VGSQ=-1.14V VDSQ=VDD-ID(Rd+R)=8.31V+vi-C10.01uQRg10MR2KRd15KRL18KC20.1uC

19、310uVDD18V+vo-动态分析：动态分析：Ri=Rg=10MRo=Rd=15K 场效应管放大电路小结场效应管放大电路小结(1)场效应管放大器输入电阻很大。场效应管放大器输入电阻很大。(2)场效应管共源极放大器场效应管共源极放大器(漏极输出漏极输出)输入输输入输出反相，电压放大倍数大于出反相，电压放大倍数大于1；输出电阻；输出电阻=RD。(3)场效应管源极跟随器输入输出同相，电压场效应管源极跟随器输入输出同相，电压放大倍数小于放大倍数小于1且约等于且约等于1；输出电阻小。；输出电阻小。三种基本放大电路的性能比较三种基本放大电路的性能比较组态对应关系：组态对应关系：CEBJTFETCSCCC

20、DCBCGBJTFET电压增益：电压增益：CE：CC：CB：CS：CD：CG：输出电阻：输出电阻：三种基本放大电路的性能比较三种基本放大电路的性能比较BJTFET输入电阻：输入电阻：CE：CC：CB：CS：CD：CG：CE：CC：CB：CS：CD：CG：夹断电压夹断电压VP(或或VGS(off)：饱和漏极电流饱和漏极电流IDSS：低频跨导低频跨导gm：或或3.主要参数主要参数漏极电流约为零时的漏极电流约为零时的VGS值值。VGS=0时对应的漏极电流。时对应的漏极电流。低频跨导反映了低频跨导反映了vGS对对iD的控制作用。的控制作用。gm可以在转移特性曲线上求得，单位是可以在转移特性曲线上求得，单位是mS(毫西门子毫西门子)。输出电阻输出电阻rd：