场效应管及其放大电路.pptx

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1、1.场效应管场效应管2.场效应管放大电路静态工作点的设置方法场效应管放大电路静态工作点的设置方法3.场效应管放大电路的动态分析场效应管放大电路的动态分析4.复合管复合管主要内容主要内容场效应管及其放大电路1第1页/共80页场效应管（场效应管（FET）场效应管：是利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流场效应管：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。仅靠半导体中多数载流子导电，又称单的一种半导体器件。仅靠半导体中多数载流子导电，又称单极型晶体管。极型晶体管。特点：特点：输入阻抗高输入阻抗高，噪声低，热稳定性好，抗辐射能力强，噪声低，热稳定性好，抗辐射能力强，省电，在大规模集

2、成电路中得到了广泛的应用省电，在大规模集成电路中得到了广泛的应用类型：结型类型：结型JFET(Junction Field Effect Transistor)、绝缘栅型、绝缘栅型IGFET(Isolated Gate Field Effect Transistor)。2第2页/共80页场效应管（以场效应管（以N沟道为例）沟道为例）场效应管有三个极：源极（场效应管有三个极：源极（s）、栅极（、栅极（g）、漏极（）、漏极（d），对应于），对应于晶体管的晶体管的e、b、c；有；有三个工作区域：截止区、恒流区、可变电阻区，三个工作区域：截止区、恒流区、可变电阻区，对应于对应于晶体晶体管的截止区、放大

3、区、饱和区。管的截止区、放大区、饱和区。1.结型场效应管结型场效应管导电沟道源极源极栅极栅极漏极漏极符号符号结构示意图结构示意图3第3页/共80页NP+P+形成形成SiO2保护层保护层以以N型半导型半导体作衬底体作衬底上下各引出一个电极上下各引出一个电极左右各引出一个电极左右各引出一个电极两边个引出一个电极两边个引出一个电极两边个引出一个电极两边个引出一个电极两边扩散两边扩散两个高浓两个高浓度的度的P型区型区4第4页/共80页漏极漏极d（drain)源极源极s（source)栅极栅极g（gate)NP+P+N型导电沟型导电沟道道符号符号称为称为N沟沟道道JFET5第5页/共80页符号符号P沟道

4、沟道JFET结构示意图结构示意图PN+N+P型导电沟道型导电沟道sgd6第6页/共80页1uDS=0时，时，uGS对沟道的控制作用对沟道的控制作用 a当当uGS=0时时NP+P+N型导电沟道型导电沟道sd=0沟道无变化沟道无变化g7第7页/共80页bUGS(off)uGS uGS=UGS(off)UGS(off)栅源截止电压或栅源截止电压或夹断电压夹断电压+g9第9页/共80页当当uDS=0时，时，uGS对沟道的控制作用动画演示对沟道的控制作用动画演示 10第10页/共80页2当当uGS=0时，时，uDS对沟道的控制作用对沟道的控制作用 NP+P+N型导电沟道型导电沟道sd=0+g11第11页

5、/共80页NP+P+N型导电沟道型导电沟道sd=0+a0uDSUGS（off）uGDUGS（off）uGD=uGS-uDS15第15页/共80页(1)JFET是是利利用用uGS 所所产产生生的的电电场场变变化化来来改改变变沟沟道道电电阻的大小。阻的大小。(2)场效应管为一个电压控制型的器件。场效应管为一个电压控制型的器件。(3)在在N沟道沟道JFET中中，uGS和和UGS（off）均为均为负值负值。小结小结在在P沟道沟道JFET中中，uGS和和UGS（off）均为均为正值正值。即即JFET是是利用电场效应控制沟道中流通的电流大小，利用电场效应控制沟道中流通的电流大小，因而称为因而称为场效应管场

6、效应管。16第16页/共80页结型场效应管的伏安特性结型场效应管的伏安特性 在在正常工作的情况下，正常工作的情况下，iG=0，管子无输入特性。管子无输入特性。17第17页/共80页1输出特性（漏极特性）输出特性（漏极特性）24061020可可变变电电阻阻区区放大区放大区截止区截止区+18第18页/共80页24061020可可变变电电阻阻区区(1)可变电阻区可变电阻区a.uDS较小较小c.uDS|UGS(off)|+uGSd.管子相当于受管子相当于受uGS控制的控制的压控电阻压控电阻各区的特点各区的特点b.沟道尚未夹断沟道尚未夹断19第19页/共80页放大区放大区(2)放大区放大区放大区也称为饱

7、和区、恒流区。放大区也称为饱和区、恒流区。b.uDS|UGS(off)|+uGSa.沟道预夹断沟道预夹断c.iD几乎与几乎与uDS无关无关d.iD只受只受uGS的控制的控制2406102020第20页/共80页截止区截止区a.uGSUGS(off)(3)截止区截止区b.沟道完全夹断沟道完全夹断c.iD02406102021第21页/共80页g-s电压控制d-s的等效电阻输出特性预夹断轨迹，uGDUGS（off）可可变变电电阻阻区区恒恒流流区区iD几乎仅决定于uGS击击穿穿区区夹断区（截止区）夹断区（截止区）夹断电压IDSSiD 不同型号的管子不同型号的管子UGS（off）、IDSS将不同。将不

8、同。低频跨导：低频跨导：gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。22第22页/共80页2转移特性表示场效应管的uGS对iD的控制特性定义第23页/共80页(1)对于不同的uDS，对应的转移特性曲线不同。曲线特点(2)当管子工作于恒流区时，转移特性曲线基本重合。OO第24页/共80页当管子工作于恒流区时称为零偏漏极电流 在转移特性曲线上，在转移特性曲线上，gm为的曲线的斜率为的曲线的斜率第25页/共80页结型场效应管的主要电参数 1直流参数 (1)夹断电压UGS(off)(2)零偏漏极电流IDSS (也称为漏极饱和电流)第26页/共80页 (3)直流输入电阻RGS2交流参数(1)跨导gm

9、也称为互导。其定义为第27页/共80页当管子工作在放大区时得管子的跨导由第28页/共80页可见，gm与IDQ有关。IDQ越大，gm也就越大。第29页/共80页3.极限参数(1)漏极最大允许耗散功率 PDSM (2)最大漏极电流IDSM(2)极间电容栅源电容Cgs栅漏电容Cgd漏源电容Cds (3)栅源击穿电压U（BR）GS(4)漏源击穿电压U（BR）DS第30页/共80页例 在图示电路中，已知场效应管的 ；问在下列三种情况下，管子分别工作在那个区？(b)(c)(a)解(a)因为uGSUGS(off),管子工作在截止区。GDS第31页/共80页(b)因管子工作在放大区(c)因管子工作在可变电阻区

10、GDS第32页/共80页2.绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管比结型场效应管温度稳定性好，集成化比结型场效应管温度稳定性好，集成化工艺简单，广泛应用于大规模的超大规工艺简单，广泛应用于大规模的超大规模集成电路。模集成电路。第33页/共80页2.绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管 uGS增大，反型层（导电沟道）将变厚变长。当反型层将两个增大，反型层（导电沟道）将变厚变长。当反型层将两个N区相接时，形成导电沟道。区相接时，形成导电沟道。增强型管（增强型管（uDS0时，时，uGS对导电沟道的控制）对导电沟道的控制）SiO2绝缘层衬底衬底耗尽层空穴高掺杂反型层大到一定值才开启第34页/共80页增强型MOS

11、管uDS对iD的影响 用场效应管组成放大电路时应使之工作在恒流区。用场效应管组成放大电路时应使之工作在恒流区。iD随随uDS的增大而的增大而增大，可变电阻区增大，可变电阻区 uGDUGS（th）,预夹预夹断断 iD几乎仅仅受控于几乎仅仅受控于uGS，恒流区，恒流区刚出现夹断uGS的增大几乎全部用来克服夹断区的电阻第35页/共80页耗尽型MOS管 耗尽型耗尽型MOS管在管在 uGS0、uGS 0、uGS 0时均可导通。时均可导通。加正离子小到一定值才夹断uGS=0时就存在导电沟道第36页/共80页小结：增强型与耗尽型管子的区别耗尽型增强型当 时当 时第37页/共80页MOSFET符号增强型耗尽型

12、GSDSGDP沟道GSDN沟道GSD第38页/共80页JFET符号N沟道P沟道第39页/共80页3.场效应管的分类工作在恒流区时g-s、d-s间的电压极性场效应管按照结构和控制电场的形式，有结型和绝缘栅型两大类型。结型的栅极与硅材料直接接触，控制电场是PN结的内电场；绝缘栅型的栅极与硅材料之间隔有绝缘层（SiO2），不直接接触，控制电场是外电压产生的表面电场。场效应管按照工作方式，有耗尽型和增强型之分。耗尽型：在外加电压为零时，管内有固定的导电沟道，随外加电压的绝对值增大，导电沟道逐渐消失（耗尽）；增强型：在外加电压为零时，管内没有导电沟道，当外加电压的绝对值增大到一定程度后，导电沟道逐渐形成

13、（增强）。场效应管按照导电沟道的掺杂类型，有N沟道和P沟道。两者的外加电压极性相反。第40页/共80页MOS管的特性1)增强型增强型MOS管管开启电压第41页/共80页管子工作于放大区时函数表达式转移特性曲线 式中，K为与管子有关的参数。O转移特性曲线第42页/共80页 例 图示为某一增强型NMOS管的转移特性。试求其相应的常数K值。解 由图可知，该管的UGS（th）=2 V当UGS=8 V 时，ID=2 mA故0246812第43页/共80页场效应管的特点（与双极型晶体管比较）(1)场效应管是一种电压控制器件，即通过uGS来控 制iD；双极型晶体管是一种电流控制器件，即通过iB来控制iC。(

14、2)场效应管的输入端电流几乎为零，输入电阻非常 高;第44页/共80页双极型晶体管的发射结始终处于正向偏置，有一定的输入电流，基极与发射极间的输入电阻较小。(3)场效应管是利用多数（一种极性）载流子导电的;在双极型晶体管中二种极性的载流子（电子和空穴）同时参与了导电。(4)场效应管具有噪声小、受辐射的影响小、热稳定 性较好，且存在零温度系数工作点。第45页/共80页(5)场效应管的结构对称，有时（除了源极和衬底在 制造时已连在一起的MOS管）漏极和源极可以 互换使用，且各项指标基本不受影响，使用方便、灵活。(6)场效应管制造工艺简单，有利于大规模集成。每个MOS场效应管在硅片上所占的面积只有双

15、极性晶体管5%。第46页/共80页小结：场效应管与晶体管的比较双极型三极管双极型三极管 单极型场效应管单极型场效应管载流子载流子多子扩散少子漂移多子扩散少子漂移 少子漂移少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控制控制电流控制电流源电流控制电流源电压控制电流源电压控制电流源输入电阻输入电阻几十到几千欧几十到几千欧几兆欧以上几兆欧以上噪声噪声较大较大较小较小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制造工艺制造工艺不宜大规模集成不宜大规模集成适宜大规模和超大适宜大规模和超大规模集成规模集成第47页/共80页场效应管静态工作点的设置方法场效应管静态工作点的设置方法

16、 根据场效应管工作在恒流区的条件，在根据场效应管工作在恒流区的条件，在g-s、d-s间加极性合适的电间加极性合适的电源源1.基本共源放大电路第48页/共80页2.场效应管的偏置及其电路的静态分析1)自给偏压自给偏压场效应管常用的偏置方式场效应管常用的偏置方式自给偏压自给偏压分压式偏置分压式偏置IDQUSQ=IDQ RSUGSQ=IDQ RS(1)电路电路(2)自给偏压原理自给偏压原理由正电源获得负偏压称为自给偏压第49页/共80页(3)静态分析静态分析a.方法一：图解法方法一：图解法(a)列写输出回路方程列写输出回路方程(c)作图作图(b)列写输入回路方程列写输入回路方程+_+_第50页/共8

17、0页abcdeabcdeIDQMNQoUDSQQiUGSQ作输出回路直流负载线作输出回路直流负载线作控制特性作控制特性作输入回路直流负载线作输入回路直流负载线OO第51页/共80页b.方法二：估算法方法二：估算法输入回路方程输入回路方程当管子工作于放大区时当管子工作于放大区时两式联立可求得两式联立可求得IDQ由此可得由此可得+_+_第52页/共80页例例 在图示电路中，在图示电路中，VDD=18V，RD=3k，RS=1k、RG=1M，FET的的IDSS=7mA、UGS(off)=8V。试求。试求UGSQ、IDQ和和UDSQ。+_+_解解当管子工作于放大区时当管子工作于放大区时将有关数据代入上式

18、，得将有关数据代入上式，得第53页/共80页UGSQ=2.9 VIDQ=2.9 mA联立求解，得联立求解，得第54页/共80页2)分压式偏置分压式偏置图中图中(1)电路电路(2)静态分析静态分析第55页/共80页故故分压式偏置分压式偏置:增强型、耗尽型增强型、耗尽型两种偏置电路适用的两种偏置电路适用的FET自给偏压：耗尽型自给偏压：耗尽型+_+_+_+第56页/共80页小结：场效应管放大电路有两种常用的直流偏置方式：自给偏压和分压式偏置。由于耗尽型（包括结型）管子在时就有漏极电流，利用这一电流在源极电阻上产生的电压给管子提供直流偏置，因此自给偏压仅适合于耗尽型管子。分压式偏置方式，利用分压电阻

19、提供的栅极直流电位和源极电阻上产生的直流压降共同建立栅源间极的直流偏置。调整分压比可以使偏置电压为正或为负，使用灵活，适合于各种场效应管。第57页/共80页场效应管放大电路的动态分析场效应管放大电路的动态分析1.场效应管的交流等效模型第58页/共80页为跨导为跨导式中式中rds为为FET共源极输出电阻共源极输出电阻故故 第59页/共80页或者或者FETgdsFET的微变等效电路的微变等效电路第60页/共80页简化的微变等效电路简化的微变等效电路FET的微变等效电路的微变等效电路第61页/共80页FET的高频模型的高频模型第62页/共80页场效应管组成的三种基本放大电路场效应管组成的三种基本放大

20、电路1共源极放大电路共源极放大电路微变等效电路微变等效电路+_+_+第63页/共80页由图可知由图可知故故式中式中a.求电压放大倍数求电压放大倍数第64页/共80页由图可知由图可知b.求输入电阻求输入电阻Ri第65页/共80页根据输出电阻的定义根据输出电阻的定义由图可知由图可知画出求输出电阻的等效电路画出求输出电阻的等效电路c.求输出电阻求输出电阻Ro第66页/共80页2.共漏极放大电路共漏极放大电路微变等效电路微变等效电路_+_第67页/共80页由图可知由图可知故故式中式中a.求电压放大倍数求电压放大倍数第68页/共80页输入电阻输入电阻b.求输入电阻求输入电阻Ri第69页/共80页 c.求

21、输出电阻求输出电阻Ro求求Ro的等效电路的等效电路第70页/共80页由图可知由图可知故电路的输出电阻故电路的输出电阻第71页/共80页3.共栅极放大电路共栅极放大电路+_T+_+第72页/共80页微变等效电路微变等效电路+_+gsd_+_T+_+第73页/共80页由图可知由图可知a.求电压放大倍数求电压放大倍数+_+gsd_+第74页/共80页故故由于由于+_+gsd_+b.求输入电阻求输入电阻Ri第75页/共80页故故c.求输出电阻求输出电阻Ro画出求画出求Ro的的等效电路等效电路+_+gsd_+_+gsd_+由于由于ugs=ui=0第76页/共80页小结在双极型晶体管放大电路动态分析中，通

22、常给出了管子的值，而在场效应管放大电路分析中则需要利用解析法计算跨导gm。例如耗尽型管子的由下式求得：第77页/共80页复合管复合管复合管的组成：多只管子合理连接等效成一只管子。不同类型的管子复合后，其类型决定于T1管。目的：增大，减小前级驱动电流，改变管子的类型。第78页/共80页1.比较共源极场效应管放大电路和共发射极晶体管比较共源极场效应管放大电路和共发射极晶体管 放大电路，在电路结构上有何相似之处？在性能放大电路，在电路结构上有何相似之处？在性能 上各有何特点？上各有何特点？2.增强型绝缘栅场效应管放大电路的直流偏置能否增强型绝缘栅场效应管放大电路的直流偏置能否 采用自给偏压方式？为什么？采用自给偏压方式？为什么？思思 考考 第79页/共80页80感谢您的观看。第80页/共80页