第8章场效应管及其放大电路.pptx

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1、8.1 绝缘栅型场效应管（MOSFET）8.1.1 N沟道增强型MOSFET8.1.2 N沟道耗尽型MOSFET8.1.3 P沟道MOSFET8.1.4 MOSFET的主要参数 按照导电沟道的形成机理不同，N沟道MOSFET和P沟道MOSFET又各有增强型和耗尽型两大类。第1页/共57页8.1.1 N沟道增强型MOSFET1.N沟道增强型MOSFET的结构 结构示意图:结构剖面图:符号:第2页/共57页2.N沟道增强型MOSFET的工作原理 场效应管的栅源电压vGS及漏源电压vDS都会对管子的工作状态有影响。（1）vGS对导电沟道和漏极电流的控制作用vGS0时，没有导电沟道。当栅源电压vGS=

2、0时，增强型MOS管的漏极d和源极s之间是两个背靠背的PN结。即使加上漏源电压vDS，不论vDS的极性如何，总有一个PN结处于反偏状态，漏源之间没有导电沟道，漏极电流iD0，第3页/共57页 当vDS0且vGS0时，栅极电流为零。同时栅极与衬底之间产生了一个垂直于半导体表面、由栅极指向衬底的电场。vGS vT时，形成导电沟道 栅极下方空穴被排斥，留下的负离子，从而形成耗尽层。吸引电子到栅极下的衬底表面，形成一个N型薄层-反型层。反型层连接两个N区起来，构成漏极与源极之间的导电沟道。使导电沟道刚刚形成的栅源电压vGS称为开启电压，用VT表示。只有当vGSVT时，才有沟道。这种必须在vGSVT时才

3、能形成导电沟道的MOS管称为增强型MOS管。vGSVT时，vGS越大，沟道越厚，沟道电阻越小。第4页/共57页（2）vDS对导电沟道和漏极电流iD的影响设vGS=VGSVT，且为定值。若vDS0，此时尽管有导电沟道，漏极还是没有电流，iD0。由于源极和衬底相连，如果作用负的漏源电压（vDS0）。(a)vDS0时，iD0 第5页/共57页(b)vDS0时，沟道中就有电流iD流过 iD沿沟道形成的源极端小、漏极端大的电位分布，导致沟道内的电场强度沿沟道从漏极端到源极端逐渐减小，沟道厚度亦从漏极端到源极端逐渐减小。(c)vDS增大到vDS=vGS-VT时，预夹断 当vDS足够大时，使vGD=vGS-

4、vDS略小于开启电压VT，则靠近漏极的电场强度不能吸引足够的电子形成的反型层，此处沟道刚好被夹断，称为预夹断。预夹断漏源电压方程为 vGS-vDS=VT 预夹断前，沟道电阻基本不变，漏极电流iD随vDS线性增加。vGS越大，iD越大。第6页/共57页vDSvGS-VT时，iD饱和。(d)若vDS继续增加，预夹断向源极方向延伸。预夹断以后，由于预夹断区无载流子，夹断区电阻远比未夹断区电阻大，vDS增加的部分几乎全部作用在夹断区，未夹断区则基本保持预夹断时的电压，形成的沟道电流基本不变。预夹断后漏极电流基本保持预夹断前的电流，不再随的vDS增加而变化，具有恒流特性。vDSvGS-VT时，iD随线v

5、DS性增加。第7页/共57页 预夹后的漏极电流与栅源电压有关，反映了MOS管的电压控制电流的特性。晶体管用（iC/iB）描述动态情况下基极电流对集电极电流的控制作用。场效应管用低频跨导gm来描述动态情况下栅源电压vGS对漏极电流iD的控制作用：gm越大，栅源电压vGS对漏极电流iD的控制作用越强。漏极电流iD受栅源电压vGS的控制，即MOS管是电压控制电流器件。第8页/共57页3.N沟道增强型MOSFET的特性曲线及电流方程 N沟道增强型MOSFET的特性曲线有两条，即输出特性和转移特性。（1）输出特性截止区 靠近横轴、iD近似为零的区域是截止区。在截止区内，vGSVT，导电沟道尚未形成，iD

6、0，MOS管截止。第9页/共57页可变电阻区 当vDS(vGS-vT)时，导电沟道被预夹断。漏极电流iD基本不随vDS的增加而变化，具有恒流特性。因此，称该区域为恒流区。在恒流区内，iD受vGS的控制，等效为电压控制电流源。放大电路中的场效应管应该工作在恒流区内。第11页/共57页（2）转移特性曲线 转移特性描述栅源电压控制漏极电流的能力，定义为漏源电压vDS一定时，漏极电流iD与栅源电压vGS的函数：在输出特性曲线上，做垂直于横轴的垂直线，可得转移特性曲线。第12页/共57页 根据半导体物理对场效应管内部载流子的分析，当N沟道增强型MOS管工作在恒流区时，iD的近似表达式为IDO是MOS管工

7、作在横流区且vGS2VT时对应的漏极电流。end第13页/共57页8.1.2 N沟道耗尽型MOSFET1.结构和基本工作原理在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了一定数量的正离子。当vGS=0时，这些正离子产生垂直于P型半导体的电场，其强度足以感应出一定厚度的反型层（N型），形成导电沟道。结构示意图电路符号第14页/共57页 当vGS0时，将会在沟道中感应出更多的电子，使导电沟道变厚，沟道电阻变小，从而使漏极电流iD增大。第15页/共57页2.N沟道耗尽型MOSFET的特性曲线及电流方程输出特性转移特性 当N沟道耗尽型MOS管工作在恒流区时，iD的近似表达式为（VP0，VPvGS-VP）IDSS是

8、沟道耗尽型MOS管工作在恒流区且vGS0时的漏极电流。第16页/共57页 例8.1 8.1 电路如下图(b)所示，场效应管的输出特性如下图（a）所示，试分析当vi分别为0V，6V，10V时，vo应为多少？直流负载线方程为：vO=vDS=VDD-RiD 解：当vGS=vI=0V时，vDS=15V。当vGS=vI=0V时，vDS=10V。当vGS=vI=10V时，vDS=2.5V。end第17页/共57页8.1.3 P沟道MOSFET P沟道MOSFET也有增强型和耗尽型两种，结构和工作原理与N沟道MOSFET相似。P沟道增强型当负的栅源电压足够大时（vGSVT0）时，在栅极下面产生垂直于N型衬底

9、的电场，排斥电子和吸引空穴，形成P型导电沟道。连接漏区（P+）和源区（P+）。当漏源电压vDS0，形成流出漏极的漏极电流iD。P沟道增强型MOS管的开启电压VT0。正常工作时，要求vGSVT，vDS0。end第18页/共57页8.1.4 MOSFET的主要参数1.直流参数1）开启电压VT VT是增强型场MOS管的重要参数。当vDS为一固定值时，使漏极电流iD大于零所需要的最小栅源电压值即为开启电压VT。2）夹断电压VP VP是耗尽型MOS管的重要参数。与开启电压相类似，夹断电压的定义为当vDS为一固定值时，使漏极电流iD减小到某一个微小电流(例如10uA)时所需的vGS值。3）饱和漏极电流ID

10、SSIDSS也是耗尽型MOS管的一个重要参数。当栅源电压vGS等于零，而漏源电压vDS大于夹断电压VP时的漏极电流，称为饱和漏极电流IDSS。第19页/共57页4）直流输入电阻RGS(DC)在漏源之间短路的条件下，栅源之间的直流电阻值，它等于栅源电压与栅极电流之比，MOS管的RGS(DC)约是1091015。2.交流参数1）低频跨导gm 低频跨导是指vDS为某一定值时，漏极电流的微变量iD和引起这个变化的栅源电压的微变量vGS之比，即 gm反映了栅源电压vGS对漏极电流iD的控制能力，是表征场效应管放大能力的重要参数，单位为西门子（S）或mS，gm一般为几mS。第20页/共57页2）输出电阻r

11、ds 输出电阻rds说明了vDS对iD的影响，它是输出特性上某一点切线斜率的倒数，rds一般约为几十千欧到几百千欧。3）极间电容 场效应管的三个电极之间均存在极间电容。通常栅源电容Cgs和栅漏电容Cgd约为13pF，漏源电容约为0.11pF。在高频电路中，应考虑极间电容的影响。3.极限参数1）最大漏极电流IDMIDM是管子正常工作时所允许的漏极电流的上限值。第21页/共57页2）最大耗散功率PDM场效应管的耗散功率等于vDS与iD的乘积，为了限制管子的温度不要升得太高，就要限制它的实际耗散功率不能超过所允许的最大耗散功率PDM，即vDS iDPDM 3）漏源击穿电压V(BR)DS 漏源击穿电压

12、是指漏源间能承受的最大电压，当vDS值超过V(BR)DS时，栅漏间发生击穿，iD开始急剧增加。4）栅源击穿电压V(BR)GS 栅源击穿电压是指栅源间所能承受的最大反向电压，当vGS值超过V(BR)GS时，栅源间发生击穿，反向电流iD由零开始急剧增加。end第22页/共57页8.2 结型场效应管(JFET)8.2.1 JFET的结构和工作原理8.2.2 JFET的特性曲线 第23页/共57页8.2.1 JFET的结构和工作原理1.N沟道JFET的结构 结型场效应管也有N沟道和P沟道两种类型。结 构示意图电路符号PN正向第24页/共57页2.JFET的工作原理 JFET的工作原理是：通过改变PN结

13、耗尽层宽度调整导电沟道的厚薄，从而实现对导电沟道电流的控制。当PN结正向偏置时，其耗尽层宽度改变甚小。当PN结反向偏置时，其耗尽层宽度改变明显。所以，JFET的PN结必须反向偏置，才能有效地调整导电沟道的厚薄。N沟道JFET的工作原理：对于N沟道JFET，应在其栅源之间加负电压（vGS0），使PN结反向偏置、栅极流入的电流近似为零（iG0）。第25页/共57页（1）vGS对导电沟道和漏极电流的控制作用(a)vGS=0V 当vGS=vDS0时，PN结耗尽层窄，导电沟道宽，漏源间的电阻最小。(b)VP vGS 0V vDS0vGS0 栅源之间的PN结反向偏置，两个PN结的耗尽层加宽，使得中间的N型

14、导电沟道变窄；漏源间的电阻增大。第26页/共57页 当PN结的反向电压足够大时，两个PN结的耗尽层合拢，导电沟道消失；漏源间的电阻最大。对应于导电沟道刚刚消失的栅源电压称为夹断电压，用VP表示。如果在漏源之间作用正电压vDS，则在vGS由0至VP的变化过程中，导电沟道电阻逐渐增大，漏极电流iD逐渐减小，实现了栅源电压对漏极电流的控制。(c)vGS VP,导电沟道消失第27页/共57页（2）vDS对导电沟道和漏极电流iD的影响设VPvGS0，且vGS为定值。(a)vDS vGSVP 再增加vDS，则预夹断向源极方向延伸。预夹断前，沟道电阻基本不变，漏极电流iD随vDS线性增加。预夹断以后，由于预

15、夹断区无载流子，夹断区电阻比未夹断区电阻大，vDS增加的部分几乎全部作用在夹断区，未夹断区则基本保持预夹断时的电压，形成的沟道电流基本不变。P沟道结型场效应管工作时，作用的电压极性与N沟道结型场效应管相反。end第29页/共57页8.2.2 JFET的特性曲线N沟道JFET的输出特性曲线：与耗尽型MOS管相似。结型场效应管的输出特性也有三个工作区域：可变电阻区、恒流区及截止区。N沟道结型场效应管工作在饱和区时，漏极电流方程是：VP vGSvGS-VP P沟道结型场效应管的特性曲线：在坐标参量增加“-”。第30页/共57页场效应管的符号及特性曲线end第31页/共57页8.3 场效应管放大电路8

16、.3.1 场效应管放大电路的3种组态 8.3.2 直流偏置电路和静态分析 8.3.3 小信号模型和动态分析*8.4 共源-共射组合放大电路第32页/共57页8.3.1 场效应管放大电路的3种组态(a)共源极放大电路 (b)共漏极放大电路 (c)共栅极放大电路电极对应关系晶体管基极b射极e集电极c场效应管栅极d源极s漏极d放大电路特性对应关系晶体管共基组态共射组态共集组态场效应管共栅组态共源组态共漏组态end第33页/共57页8.3.2 直流偏置电路和静态分析 场效应管放大电路也必须设置合适的静态工作点，使场效应管能够工作在恒流区。场效应管是电压控制器件，栅极电流近似为零，所以，场效应管静态偏置

17、电路必须建立合适的栅源电压VGS，并产生适当的漏极电流。1.固定偏压式共源放大电路令vi=0，得：vGS=VGGvDS=VDDiDRd(1)图解法求静态工作点 VDSQIDSQVGSQVDSQ直流负载线第34页/共57页(2)计算法求静态工作点 栅极的直流偏置电压是一个固定值（vGSVGG），所以，称为固定偏压式电路。IDO是MOS管工作在横流区且vGS2VT时对应的漏极电流求解方程，可获得静态工作点。第35页/共57页2.自给偏压式共源放大电路 静态时，电容开路。因栅极电流为零，栅极偏置电阻Rg上的电压亦为零，故栅极直流电位为零。栅源偏置电压是由MOS管的漏极电流自己形成的，故称为自给偏压电

18、路。自给偏压电路只适合于耗尽型场效应管，不适用于增强型场效应管。因为在栅源电压为零时，增强型MOS没有导电沟道，即无漏极电流，不能形成自偏压。求解方程，可获得静态工作点。第36页/共57页 例8.2 8.2 已知Rg=1M，Rs=2k，Rd=12k，VDD=20V，IDSS=4 mA，VP=4V，求ID和VDS。解:iD1=ID1=4mAvGS1=-2ID1=-8VVP=-4V 对于N沟道耗尽型MOS管，要求vGSVP，正确解为ID=ID1=1mA。第37页/共57页3.分压式偏置共源放大电路 分压式偏置电路可以适合于任何N沟道场效应管（增强型和耗尽型MOS管、JFET）。求解方程，可获得静态

19、工作点。第38页/共57页例 8.3 8.3 已知VP=0.8V，IDSS=0.18mA；VDD=24V，Rg1=64k，Rg2=200k，Rg=1M，Rs1=10k，Rs2=2k，Rd=10k，求静态工作点Q。解：ID1=0.69 mA,VGS=2.5V VP,正确解。end第39页/共57页8.3.3 小信号模型和动态分析 1.场效应管的低频小信号等效模型 iG=0 iD=f(vGS，vDS)为了求MOS管在静态工作点Q（VGS，VDS，ID）附近的交流量，对上述方程作两边求全微分，得令 用交流信号ig、vgs、id、vds分别表示变化量diG、dvGS、diD、dvDS：第40页/共57

20、页 输入回路相开路，输出回路是一个理想电压控制电流源gmvgs与一个电阻rds的并联。gmvgs反映场效应管的放大能力。rds是vGS=VGS的输出特性曲线上Q点处的切线斜率之倒数，通常rds约为几十千欧几百千欧；在实际电路中，常可省去该电阻。交流特性等效简化第41页/共57页对N沟道增强型MOS管gm与静态工作点Q点有关。ID 越大，gm越大。同理，可求得耗尽型MOSFET的gm:IDO是MOS管工作在横流区且vGS2VT时对应的漏极电流。第42页/共57页2.场效应管的高频小信号等效模型 场效应管的各个电极之间也存在极间电容。在场效应管的低频小信号模型的基础上增加极间电容，则可画出场效应管

21、的高频小信号模型:Cgs、Cgd和Cds分别是栅源之间的电容、栅漏之间的电容和漏源之间的电容，Cgb为栅极衬底之间的电容。如果源极与衬底没有相连（vbs0），则还需要考虑源极与衬底之间的电容Cbs和漏极与衬底之间的电容Cbd。通常可以认为栅源电阻rgs及栅漏电阻rds相当于开路。第43页/共57页3.应用小信号模型分析场效应管放大电路 首先画出放大电路的小信号等效电路，然后分析动态参数:电压增益Av、输入电阻Ri和输出电阻Ro，以及频率响应。(1)自给偏压式共源放大电路的动态分析 中频小信号等效电路 增益与低频跨导和负载电阻成正比，输出电压与输入电压反相。第44页/共57页 (2)分压式共源放

22、大电路的动态分析 g+_vgs sd_+vo gmvgs id Rd Rg1 RL+_ vi ii Rg2 Rg end第45页/共57页8.4.1 BJT基本放大电路和FET基本放大电路的比较8.4.2 共源共射组合放大电路8.4 BJT与FET的组合放大电路第46页/共57页8.4.1 BJT基本放大电路和FET基本放大电路的比较 场效应管放大电路的共源电路、共漏电路、共栅电路分别与三极管放大电路的共射电路、共集电路、共基电路相对应。共源电路与共射电路均有电压放大作用，且输出电压与输入电压相位相反反相电压放大器。共漏电路与共集电路均没有电压放大作用且输出电压与输入电压相位相同电压跟随器。共

23、栅电路和共基电路均有输出电流与输入电流近似相等电流跟随器。而且，这两种放大电路的输入电阻都比较小。场效应管放大电路最突出的优点是：共源、共漏和共栅电路的输入电阻高于相应的共射、共集和共基电路的输入电阻。由于场效应管的低频跨导一般比较小，所以场效应管的放大能力比三极管差。end第47页/共57页8.4.2 共源共射组合放大电路 FET与BJT的组合可以构成不同特点的组合放大电路，如共源共射放大电路。电路的特点是：输入电阻大，输出电阻较小，增益较大。第一级：共源场效应管放大电路。第二级：共射极晶体管放大电路。第48页/共57页1.静态分析 电容开路，2级电路的静态工作点互不影响。第49页/共57页

24、 2.动态分析小信号等效电路 第50页/共57页第二级的输入电阻、输出电阻和电压增益为：第二级的输入电阻做第一级的负载电阻。第51页/共57页第一级的输入电阻和电压增益为：2级放大电路的输入电阻、输出电阻和电压增益为:第52页/共57页 例 在下图所示的放大电路中，Rg1=100k，Rg2=500k，Rg=5.1M，Rs=2.4k，Rd=5k，Rb1=20k，Rb2=44k，Rc=3k，Re1=100，Re2=2k，RL=3k，VDD=12V；N沟道耗尽型 MOSFET的VP=-2V，IDSS=6mA；晶体管是硅管，=100。求该组合放大电路的电压增益、输入电阻Ri和输出电阻Ro。直流通路解：（1）静态分析第53页/共57页计算共源电路的静态工作点参数（ID单位:mA）ID1=2.17 mA，VGS1=-3.2V (小于VP，舍去)ID=1.28 mA，VGS=1.07V第54页/共57页计算共射电路的静态工作点参数 计算gm和rbe第55页/共57页(2)动态分析end第56页/共57页感谢您的观看！第57页/共57页