模拟电子技术基础ppt课件第3章场效应晶体管和基本放大电路.ppt

第3章 场效应晶体管和基本放大电路,3.1 场效应晶体管,3.2 场效应管放大电路,第3章 场效应晶体管和基本放大电路,作业思考：3-1习题：3-3、3-4、3-7、3-11,本章的重点与难点,重点:理解场效应管的工作原理；掌握场效应管的外特性及主要参数；掌握场效应管放大电路静态工作点与动态参数（Au、Ri、Ro）的分析方法。难点:通过外部电压对导电沟道的控制作用说明结型场效应管及绝缘栅型场效应管的工作原理。,分类：结型(JFET)绝缘栅型(IGFET),场效应管输入回路内阻很高(1071015)，热稳定性好，噪声低，比晶体管耗电小，应用广泛。,仅靠多数载流子导电，又称单极型晶体管。,场效应管（FET）：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。,3.1 场效应晶体管,3.1.1 结型场效应管,N沟道结型场效应管是在同一块N型半导体上制作两个高掺杂的P区。,1.结型场效应管的结构,将它们连接在一起引出电极栅极G。N型半导体分别引出漏极D、源极S。,P区和N区的交界面形成耗尽层。源极和漏极之间的非耗尽层称为导电沟。,结型场效应管的符号,结型场效应管有N沟道和P沟道两种类型。,2.工作原理电压控制作用,d,耗尽层,结构示意图,若将G、S间加上不同的反偏电压，即可改变导电沟道的宽度，便实现了利用电压所产生的电场控制导电沟道中电流强弱的目的。,在N型硅材料两端加上一定极性的电压，多子在电场力的作用下形成电流ID。,这样既保证了栅-源之间的电阻很高，又实现了UGS对沟道电流ID的控制。,d,耗尽层,结构示意图,2.工作原理电压控制作用,正常工作时：在栅-源之间加负向电压，(保证耗尽层承受反向电压)漏-源之间加正向电压，(以形成漏极电流）,1)当UDS=0时，UGS对导电沟道的控制,当UGS=0时，耗尽层很窄,导电沟道宽。,随|UGS|增大，耗尽层增宽，沟道变窄，电阻增大。,|UGS|增加到某一数值,耗尽层闭和,沟道消失,沟道电阻趋于无穷大。,1)当UDS=0时，UGS对导电沟道的控制,由于PN结反偏，栅极电流基本为0，消耗很小。,|UGS|增加到某一数值，耗尽层闭和，沟道消失，沟道电阻趋于无穷大。定义此时UGS的值为夹断电压UGS（off）,2）、间短路，、间加正向电压,当 UDS=0时，虽有导电沟道，但ID为零。当UDS 0时，产生ID，但沟道中各点和栅极之间电压不再相等，近漏极电压最大，近源极电压最小。,导电沟道宽度不再相等，近漏极沟道窄，近源极沟道宽。,随着UDS增加，栅-漏电压|UGD|增加，近漏端沟道进一步变窄。只要漏极附近的耗尽区不出现相接，沟道电阻基本决定于UGS。,2）、间短路，、间加正向电压,随着UDS 的增加，ID线性增加。ds间呈电阻特性。,预夹断时，导电沟道内仍有电流ID。,随着UDS增加，当UGD=UGS-UDS=UGS（off）时,靠近漏极出现夹断点。称UGD=UGS（off）为预夹断。,2）、间短路，、间加正向电压,预夹断之后，UDS 再增加，预夹断延伸,夹断区长度增加（AA）。夹断区的阻力增大。,此时的ID称为“饱和漏极电流IDSS”,A,由于UDS的增加几乎全部落在夹断区，漏极电流ID基本保持不变。,2）、间短路，、间加正向电压,UGS 增加，使导电沟道变窄，、间的正电压使沟道不等宽。,3）、间加负向电压，、间加正向电压,导电沟道夹断后，ID几乎仅仅决定于UGS而与UDS 基本无关。,当UGS一定时，ID表现出恒流特性。此时可以把ID近似看成UGS控制的电流源。,3）、间加负向电压，、间加正向电压,称场效应管为电压控制元件。,1）UGD UGS（off）时（未出现夹断前），对于不同的UGS，漏源之间等效成不同阻值的电阻，ID随UDS 的增加 线性增加。（对应可变电组区）2）UGD=UGS（off）时，漏源之间预夹断。3）UGD UGS（off）时，ID几乎只决定于UGS，而与UDS 无关，可以把ID近似看成UGS控制的电流源。（对应恒流区，即放大区）,通过以上分析有：,3.结型场效应管的特性（输出特性和转移特性）,（因场效应管栅极电流几乎为零，不讨论输入特性。）,场效应管工作区域：,ID,UDS,可变电阻区（非饱和区）,恒流区（电流饱和区、放大区）,夹断区（截止区）,击穿区（电流突然增大）,（预夹断轨迹：通过连接各曲线上UGD=UGS（off）的点而成。）,条件：UGD UGS（off）。特点：可通过改变UGS来改变漏源间电阻值。,1)可变电阻区,ID,UDS,条件：UGD UGS（off）特点：ID只受UGS 控制。,2)恒流区,ID为UGS 控制的电流源。,ID,UDS,导电沟道全部夹断。条件：UGS UGS（off）特点：ID 0,4)击穿区 UDS增加到一定程度，电流急剧增大。,3)夹断区（截止区）,ID,UDS,(2)转移特性曲线,由半导体物理分析可得恒流区ID近似表达式为：,IDSSUGS=0时产生预夹断时的漏极电流,（管子工作在可变电阻区时，不同的uDS，转移特性曲线有很大差别。）,N沟结型场效应管，栅源之间加反向电压。P沟结型场效应管，栅源之间加正向电压。,(2)转移特性曲线,IDSSUGS=0时产生预夹断时的漏极电流,4,3,2,1,0,4,8,12,UGS=0V,3V,4V,输出特性,转移特性,1,2,3,1V,2,0,1,2,3,uGS/V,UGs(off),uDS/V,iD/mA,iD/mA,转移特性曲线与输出特性曲线有严格的对应关系,4,4,3.1.2 绝缘栅型场效应管（MOS管),栅-源电压为零时无导电沟道的管子称为增强型。栅-源电压为零时已建立导电沟道的管子称为耗尽型。,绝缘栅型场效应管采用sio2绝缘层隔离，栅极为金属铝，又称为MOS管。,1.N沟道增强型MOS管,通常衬底和源极连接在一起使用。,（1）结构,栅极和衬底各相当于一个极板，中间是绝缘层，形成电容。,栅-源电压改变时，将改变衬底靠近绝缘层处感应电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。,增强型MOS管符号,（2）工作原理,1）UGS=0时：,P,衬底B,S,G,D,D与S之间是两个PN结反向串联，无论D与S之间加什么极性的电压，ID=0。,（2）工作原理,P,耗尽层,衬底B,S,G,D,2）UGS 0 UDS=0：,由于绝缘层SiO2的存在，栅极电流为零。栅极金属层将聚集大量正电荷，排斥P型衬底靠近SiO2的空穴，形成耗尽层。,3）UGS继续增加,UDS=0:,P,衬底B,S,G,D,使导电沟道刚刚形成的栅-源电压称为开启电压UGS(th)。,（2）工作原理,耗尽层增宽,将衬底的自由电子吸引到耗尽层与绝缘层之间。形成N型薄层，称为反型层。这个反型层就构成了漏源之间的导电沟道。UGS越大，反型层越厚，导电沟道电阻越小。,将产生一定的漏极电流ID。沟道中各点对栅极电压不再相等，导电沟道宽度不再相等，沿源-漏方向逐渐变窄。ID随着的UDS增加而线性增大。,P,衬底B,S,G,D,4）UGS UGS(th)，UDS 0：,（2）工作原理,5）UGS UGS(th),UGD=UGS(th)：,P,衬底B,S,G,D,（2）工作原理,随着UDS的增大，UGD减小，当UDS增大到UGD=UGS(th)时，导电沟道在漏极一端产生夹断，称为预夹断。,5）UGS UGS(th),UGD=UGS(th)：,P,衬底B,S,G,D,若UDS继续增大，夹断区延长。漏电流ID几乎不变化，管子进入恒流区。ID几乎仅仅决定于UGS。此时可以把ID近似看成UGS控制的电流源。,（2）工作原理,（3）特性曲线,ID和UGS的近似关系：,IDO是UGS=2UGS(th)时的ID。,（3）特性曲线,制造时,在sio2绝缘层中掺入大量的正离子,即使UGS=0，在正离子的作用下，源-漏之间也存在导电沟道。只要加正向UDS，就会产生ID。,2.N沟道耗尽型MOS管,(1)结构,只有当UGS小于某一值时，才会使导电沟道消失，此时的UGS称为夹断电压UGS(off)。,MOS管符号,耗尽型MOS管符号,增强型MOS管符号,N沟道耗尽型MOS管的特性曲线,（2）特性曲线,NMOS耗尽型,PMOS耗尽型,场效应管的符号及特性,NMOS增强型,PMOS增强型,场效应管的符号及特性,P沟道结型,N沟道结型,场效应管的符号及特性,例：测得某放大电路中三个MOS管的三个电极的电位及它们的开启电压如表所示。试分析各管的工作状态（截止区、恒流区、可变电阻区）。,恒流区,截止区,可变电阻区,3.1.3 场效应管的主要参数,1.直流参数,（1）开启电压UGS(th)UDS为固定值能产生漏极电流ID所需的栅-源电压UGS的最小值,它是增强型MOS管的参数。（NMOS管为正，PMOS管为负）,（2）夹断电压 UGS(off)UDS为固定值使漏极电流近似等于零时所需的栅-源电压。是结型场效应管和耗尽型MOS管的参数（NMOS管为负，PMOS管为正）。,（4）直流输入电阻RGS（DC）栅-源电压与栅极电流的比值，其值很高,一般为107-1010左右。,（3）饱和漏极电流IDSS 对于耗尽型MOS管,在UGS=0情况下产生 预夹断时的漏极电流。,1.直流参数,2.交流参数,gm是衡量栅-源电压对漏极电流控制能力的一个重要参数。,（1）低频跨导 gm 管子工作在恒流区并且 UDS为常数时，漏极电流的微变量与引起这个变化的栅-源电压的微变量之比称为低频跨导,即,2.交流参数,（2）交流输出电阻rds rds反映了UDS对ID的影响，是输出特性曲线上Q点处切线斜率的倒数 rds在恒流区很大。,3.极限参数,(1)最大漏极电流IDM 管子正常工作时漏极电流的上限值。,(2)最大漏源电压U DS(BR)管子进入恒流区后，使漏极电流骤然增加的UDS称为漏-源击穿电压。,(管子的极限参数，使用时不可超过。),(3)最大栅源电压U GS(BR)对于结型场效应管，使栅极与沟道间反向击穿的UGS称为栅-源击穿电压。对于绝缘栅型场效应管，使绝缘栅层击穿的UGS称为栅-源击穿电压。,(4)最大耗散功率P DM PDM决定于管子允许的温升。,3.极限参数,1.场效应管利用栅源电压控制漏极电流，是电压控制元件，栅极基本不取电流（很小），输入回路电阻很大；晶体管利用基极电流控制集电极电流，是电流控制元件，基极索取一定电流，输入阻抗较小。,场效应管的栅极g、源极s、漏极d对应于晶体管的基极b、发射极e、集电极c，能实现对信号的控制。,3.1.4 场效应管与双极型晶体管的 比 较,2.晶体管的放大倍数通常比场效应管大。3.场效应管只有多子导电，而晶体管多子和少子均参与导电，场效应管比晶体管热稳定性好、抗辐射能力强。4.场效应管比晶体管噪声系数小。5.场效应管源极、漏极可以互换使用，互换后特性变化不大；而晶体管的发射极和集电极互换后特性差异很大,一般不能互换使用。,3.1.4 场效应管与双极型晶体管的 比 较,6.场效应管的种类比晶体管多，特别对于耗尽型MOS管，栅-源控制电压可正可负，均能控制漏极电流。7.MOS管的栅极绝缘，外界感应电荷不易泄放。8.场效应管和晶体管均可用于放大电路和开关电路，但场效应管具有集成工艺简单，工作电源电压范围宽，耗电省、低功耗等特点，目前越来越多的应用于集成电路中。,3.1.4 场效应管与双极型晶体管的 比 较,3.2 场效应管放大电路,场效应管放大电路与晶体管电路的比较,1.相同之处,2.不同之处,能实现对信号的控制；三种组态相对应；分析方法相同。,为实现放大，对FET，在栅极回路加适当偏压；而对BJT则加适当的偏流。,场效应管放大电路也必须建立合适的静态工作点，保证有输入信号时工作在恒流区。,3.2.1场效应管放大电路的直流偏置及静态分析,1.自给偏压电路,此电路形式只适用于耗尽型MOS器件。,静态时RG的电流近似为零，靠源极电阻上的电压为栅-源提供一个负偏压。,1.自给偏压电路,静态工作点分析（栅极电流为0）,（耗尽型MOS管的电流方程）,.分压式偏置电路,电路结构,直流通路,静态工作点分析,（栅极电流为0）,（增强型MOS管的电流方程）,解：（求静态，电容开路）,。,（本例IDQ不应大于IDSS),.用微变等效电路法分析场效应管放大电路的动态参数,场效应管的交流低频小信号模型,求全微分,与分析晶体管的h参数等效模型相同，将场效应管也看成两端口网络。,低频小信号模型,gm是输出回路电流与输入回路电压之比，称跨导,电导量纲。,rds是描述MOS管输出特性曲线上翘程度的参数，等效为电阻，在几十几百千欧之间。通常 rds可视为开路。,将输出回路只等效为一个受控电流源。,场效应管的交流低频小信号模型,s,d,g,+,_,.,.,Ugs,gmUgs,MOS管简化交流等效模型,耗尽型（结型）：,增强型：,Q点不仅影响电路是否失真,还影响动态参数。,可以证明：,应用微变等效电路分析法分析场效应管放大电路,（）共源放大电路（从漏极输出）,微变等效电路,（）共源放大电路,电压增益,输入电阻,输出电阻,解：先画出微变等效电路,共源电路的电压增益比共射电路小，输入电阻大。,（）共漏放大电路（从源极输出）,微变等效电路,(,源极跟随器),1)电压增益,2)输入电阻,（）共漏放大电路（从源极输出）,3)输出电阻,（断开负载，输入信号短路，输出端加电压，求输出电流。),共漏极输出电阻较小。,例3图示电路，其中,1)求静态工作点IDQ和UGSQ2)计算u、Ri和Ro,解:1)求静态参数：,2)求动态参数,把IDQ的表达式代入gm表达式可求出：,场效应管放大电路的三种接法,共源电路 共漏电路 共栅电路,（以N沟道结型场效应管为例）,场效应管的三种基本接法共源、共漏和共栅分别与双极型晶体管的共射、共集和共基对应，相应的输出量与输入量之间的大小和相位关系一致。可以实现反相电压放大、电压跟随、电流跟随的功能。,1.已知场效应管的三个电极电位，会判断管子工作在何种状态。2.共源、共漏基本放大电路的静态分析计算与动态（Au、Ri、Ro)分析计算。,本章基本要求,重点掌握,