第三章场效应管放大电路课件.ppt

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1、第三章 场效应管及放大电路,3.1 金属-氧化物-半导体(MOS)场效应管,3.2 MOSFET放大电路,3.3 结型场效应管(JFET),场效应管是一种利用电场效应来控制其电流大小的半导体器件。它不仅体积小、重量轻、耗电省、寿命长，且输入阻抗高、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强、制造工艺简单，因而应用广泛。,3.1 金属-氧化物-半导体场效应管,场效应管按结构分为：MOSFET和JFET。,MOSFET从导电载流子的带电极性看，有N(电子型)沟道和P(空穴型)沟道MOSFET； 按导电沟道形成机理不同，NMOS管和PMOS管又各有增强型(E型)和耗尽型(D型)。,MOSFET有四种：E型NM

2、OS管、 D型NMOS管、E型PMOS、D型PMOS。,金属(Metal)-氧化物(Oxide)-半导体(SemiConductor)场效应管(MOSFET),FET只有一种载流子(电子或空穴)导电，它为单极型器件，而三极管是双极性。,3.1.1 N沟道增强型MOSFET, 结构,漏极D,栅极G,源极S,由于金属(铝)栅极和半导体之间的绝缘层目前常用二氧化硅，故称金属-氧化物-半导体场效应管，简称MOS场效应管。,栅极与源极、漏极均无电接触，故称绝缘栅极。,动画N沟道增强型MOSFET, 工作原理, vGS= 0，没有导电沟道,由于栅极是绝缘的，栅极电流几乎为零，输入电阻很高，最高可达1014

3、 。,当vGS= 0V时，漏源之间相当于两个背靠背的二极管。,总有一个PN结是反向偏置的，反向电阻很高，即d、s之间没有形成导电沟道，因此iD=0。,不管vDS的极性如何，其中, vGSVT时，出现N型沟道,当vDS= 0，若在栅源之间加上正向电压vGS，则栅极(铝层)和P型硅片相当于以二氧化硅为介质的平板电容器，在vGS作用下，介质中便产生了一个垂直于半导体表面的由栅极指向P型衬底的电场。,该电场排斥空穴而吸引电子，留下不能移动的负离子，形成耗尽层。当vGS达到一定数值时，电子在栅极附近的P型硅表面便形成了一个N型薄层，即反型层，它组成了源漏两极间的N型(感生)导电沟道。,vGS越大，则吸引

4、到P型硅表面的电子就愈多，感生沟道将愈厚，沟道电阻的阻值将愈小。,这种在vGS= 0时无导电沟道，而必须依靠vGS的作用，才形成感生沟道的FET称为增强型FET。,增强型FET的电路符号中的短画线即反映了vGS= 0时沟道是断开的特点。,一旦出现感生沟道，原来被P型衬底隔开的两个N+型区就被感生沟道连通了。此时若有漏源电压vDS，则将有漏极电流iD产生。,动画vGS对沟道的影响, 可变电阻区和饱和区的形成机制,当vGS=VGSVTh，外加较小的vDS时，漏极电流iD将随vDS上升迅速增大，图示OA段。,一般把在漏源电压vDS作用下开始导电时的栅源电压vGS叫做开启电压VTh。因此vGSVTh时

5、，iD0。,随着vDS上升，由于沟道存在电位梯度，因此沟道厚度不均匀，靠近漏端薄，靠近源端厚，沟道呈楔形。,当vDS增加到一定数值时，将形成一夹断区(反型层消失后的耗尽区)，即预夹断，夹断点向源极方向移动。,预夹断的临界条件为vGD=vGS-vDS=VTh或vDS=vGS-VTh。当vDS继续增加时，vDS增加的部分主要降落在夹断区，降落在导电沟道上的电压基本不变，因而vDS上升，iD趋于饱和。,动画vDS对沟道的影响, V-I 特性曲线及大信号特性方程, 输出特性及大信号特性方程,预夹断的临界条件为vGD=vGS-vDS=VTh或vDS=vGS-VTh,预夹断轨迹如绿虚线，该虚线是可变电阻区

6、和饱和区的分界线。, 截止区,当vGSVTh时，导电沟道尚未形成，iD= 0，为截止工作状态。, 可变电阻区,电导常数Kn单位是mA/V2。,（vDSvGS-VTh ）,在特性曲线原点附近，vDS很小，则,当vGS一定时，原点附近的输出电阻为,显然rdso是一个受vGS控制的可变电阻。, 饱和区（恒流区、放大区）,当vGSVTh，且vDSvGS-VTh时，MOSFET已进入饱和区。iD基本不随vDS变化。, 转移特性,由于栅极输入端基本无电流，故讨论它的输入特性没有意义。,所谓转移特性是在漏源电压vDS一定的条件下，栅源电压vGS对漏极电流iD的控制特性，即,由于饱和区内，iD受vDS的影响很

7、小，因此饱和区内不同vDS下的转移特性基本重合。, 结构和工作原理简述,3.1.2 N沟道耗尽型MOSFET,这种管子在制造时，由于二氧化硅绝缘层中掺有大量的正离子，即使在vGS= 0时，由于正离子的作用，也和增强型接入正栅源电压并使vGSVTh时相似，能在P型衬底上感应出较多的电子，形成N型沟道，将源区和漏区连通起来。,因此在栅源电压为零时，在正的vDS作用下，也有较大的漏极电流iD由漏极流向源极。,当vGS0时，由于绝缘层的存在，并不会产生栅极电流 iG ，而是在沟道中感应出更多的负电荷，使沟道变宽。在vDS作用下，iD将具有更大的数值。,如果所加的vGS为负，则沟道中感应的电子减少，沟道

8、变窄，从而使漏极电流减小。,当vGS为负电压到达某值时，以至感应的电子消失，耗尽区扩展到整个沟道，沟道完全被夹断。这时即使有漏极电压vDS，也不会有漏极电流iD，此时的栅源电压称为夹断电压（截止电压）VP 。, V-I 特性曲线及大信号特性方程,耗尽型MOSFET的重要特点之一：可在正或负的栅源电压下工作，且基本上无栅流。,N沟道耗尽型MOS管的夹断电压VP为负值； N沟道增强型MOS管的开启电压VT为正值；,耗尽型MOS管的电流方程同增强型MOS管的电流方程，但需用VP取代VT。,在饱和区内，当vGS= 0，vDS(vGS-VP)时(即进入预夹断后)，有,IDSS为零栅压的漏极电流，成为饱和

9、漏极电流。其下标第二个S表示栅源极间短路的意思。,3.1.3 P沟道MOSFET,P沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完全相同，只不过导电的载流子不同，供电电压极性不同而已。这如同双极型三极管有NPN型和PNP型一样。,P沟道增强型MOS管沟道产生的条件为：vGSV。,可变电阻区与饱和区的界线为：vDS = vGS-V。,为正常工作，PMOS管外加的vDS必须是负值，开启电压V也是负值，实际的电流方向为流出漏极。,在可变电阻区内：vGSV，vDSvGS-V，电流的假定正向为流入漏极时，则iD为,P沟道增强型MOS管特性曲线,在饱和区内：vGSV，vDSvGS-V，电流iD为,3.1

10、.4 沟道长度调制效应,在理想情况下，当MOSFET工作于饱和区时，漏极电流iD与漏源电压vDS无关。 而实际MOS管在饱和区的输出特性曲线还应考虑vDS对沟道长度L的调制作用，当vGS固定，vDS增加时，iD会有所增加。即输出特性的每根曲线会向上倾斜，因此，常用沟道长度调制参数对描述输出特性的公式进行修正。例N沟道增强型MOS管考虑沟道调制效应后：,对于典型器件： ，L单位为 。,3.1.5四种 MOS 场效应管比较,电路符号及电流流向,转移特性,第 3 章场效应管,饱和区(放大区)外加电压极性及数学模型,VDS 极性取决于沟道类型,N 沟道：VDS 0， P 沟道：VDS 0,VGS 极性

11、取决于工作方式及沟道类型,增强型 MOS 管： VGS 与 VDS 极性相同。,耗尽型 MOS 管： VGS 取值任意。,饱和区数学模型与管子类型无关,第 3 章场效应管,临界饱和工作条件,非饱和区(可变电阻区)工作条件,|VDS | = | VGS VGS(th) |,|VGS| |VGS(th) |，,|VDS | | VGS VGS(th) |,|VGS| |VGS(th) | ，,饱和区(放大区)工作条件,|VDS | | VGS VGS(th) |,|VGS| |VGS(th) |，,非饱和区(可变电阻区)数学模型,第 3 章场效应管,FET 直流简化电路模型(与三极管相对照),场效

12、应管 G、S 之间开路 ，IG 0。,三极管发射结由于正偏而导通，等效为 VBE(on) 。,FET 输出端等效为压控电流源，满足平方律方程：,三极管输出端等效为流控电流源，满足 IC = IB 。,第 3 章场效应管,3.1.6小信号电路模型,MOS 管简化小信号电路模型(与三极管对照),rds 为场效应管输出电阻：,由于场效应管 IG 0，所以输入电阻 rgs 。,而三极管发射结正偏，故输入电阻 rbe 较小。,与三极管输出电阻表达式 rce 1/(ICQ) 相似。,第 3 章场效应管,（ 沟道长度调制系数， =1/|VA|）,MOS 管跨导,通常 MOS 管的跨导比三极管的跨导要小一个数

13、量级以上，即 MOS 管放大能力比三极管弱。,第 3 章场效应管,计及衬底效应的 MOS 管简化电路模型（衬底与源极不相连）,考虑到衬底电压 vus 对漏极电流 id 的控制作用，小信号等效电路中需增加一个压控电流源 gmuvus。,gmu 称背栅跨导，工程上, 为常数，一般 = 0.1 0.2。,第 3 章场效应管,MOS 管高频小信号电路模型,当高频应用、需考虑管子极间电容影响时，应采用如下高频等效电路模型。,第 3 章场效应管,3.2 MOSFET放大电路,3.2.1 MOSFET放大电路, 直流偏置及静态工作点的计算,FET是电压控制器件，它需要有合适的栅源电压。, 简单的共源极放大电

14、路,假设场效应管的开启电压为VT，NMOS管工作于饱和区，则漏极电流为,栅源电压为,漏源电压为,若VDS(VGS-VT），则管子工作在饱和区，假设正确；若VDS(VGS-VT），则管子工作在可变电阻区，漏极电流为,例3.2.1 如图，设 试计算电路的静态漏极电流IDQ和漏源电压VDSQ。,解：,假设管子工作在饱和区，则,由于 ，说明管子的确工作在饱和区。,对于N沟道增强型MOS管电路的直流计算步骤：, 设MOS管工作于饱和区，则有, 利用饱和区的电流-电压关系曲线分析电路, 如果假设错误，则需作出新的假设，重新分析电路。, 如果出现 ，则MOS管可能截止；如果 ，则MOS管可能工作在可变电阻区

15、。,P沟道MOS管电路的分析与N沟道类似，但要注意其电源极性与电流方向不同。, 带源极电阻的NMOS共源极放大电路,栅源电压VGS为,当NMOS管工作在饱和区时，则漏极电流ID为,漏源电压VDS为,解：,例3.2.2 如图，设MOS管的参数为 电路参数为 若流过Rg1、Rg2的电流时ID的1/10，试确定Rg1和Rg2的值。,设MOS管工作在饱和区，则有,由于 ，说明MOS管的确工作在饱和区。,在MOS管中接入源极电阻，具有稳定静态工作点作用，现在很多MOS管电路中的源极电阻已被电流源所代替。,解：,当vI=0时，栅极相当于接地，且Rg上无电流通过。,例3.2.3 如图，由电流源提供偏置（这种

16、电流源可由其它MOS管构成）。设MOS管的参数为 电源电压 试求电路参数。,设MOS管工作在饱和区，则有,源极电压,由于 ，说明MOS管的确工作在饱和区。, 图解分析,图示共源极放大电路采用N沟道增强型MOS管，图中，VGG VT，为使场效应管工作在饱和区，VDD足够大。Rd的作用是将漏极电流iD的变化转换成电压vDS的变化，从而实现电压放大。, 小信号模型分析,如果输入信号很小，场效应管工作在饱和区时，可以将场效应管看成一个双口网络，栅极与源极看成入口，漏极与源极看成出口。,以N沟道增强型MOS管为例，栅极电流为零，栅源之间只有电压vGS 存在。设在饱和区内，可近似看成iD不随vDS变化，则

17、工作在饱和区的漏极电流为：,直流电流IDQ,漏极信号电流id,漏极信号电流id,在工作点Q处有vGS=VGSQ，同时,第三项 ，当 为正弦时，平方项将使输出电压产生谐波或非线性失真。,因此要求第三项远小于第二项，即,上式就是线性放大器必须满足的小信号条件。,若忽略 ，则,考虑到NMOS管的iG= 0，栅源间的电阻很大，可看成开路，而id=gmvgs，因此共源极NMOS管的低频小信号模型如图。,例3.2.4 如图，设 场效应管的参数为 当MOS管工作于饱和区，试确定电路的小信号电压增益。,解：,求静态值,所以MOS管工作在饱和区。,求FET的互导和输出电阻,求电压增益,由于场效应管的gm较低，因

18、此其电压增益也较低。共源极电路属倒相电压放大电路。,解：,例3.2.5 如图所示，MOS管的参数为 电路参数为 试确定电路的电压增益、源电压增益、输入电阻和输出电阻。,解得,小信号互导,场效应管输出电阻,输入电阻,输出电阻,3.3 结型场效应管(JFET),3.3.1 JFET的结构和工作原理,1. 结构,在N型半导体材料两边扩散高浓度的P型区，形成两个PN结，两边P型区引出的电极相连为栅极g，N型硅两端各引出一个电极，分别为源极s和漏极d。,两个PN结中间的N型区域为导电沟道。,N沟道JFET的栅极电流方向是由P指向N。,动画N沟道JFET结构,2. 工作原理, vGS对导电沟道及iD的控制

19、作用,N沟道JFET工作时，在栅极与源极间需加一负电压(vGS0)，使N沟道中的多数,假设vDS=0，当vGS由零往负向增大时，在反偏电压vGS作用下，两个PN结的耗尽层将加宽，使导电沟道变窄，沟道电阻增大。,载流子(电子)在电场作用下由源极向漏极运动，形成受vGS控制的电流iD。,当 进一步增大到某一定值 时，两侧耗尽层在中间合拢，沟道全部被夹断，此时漏源极间的电阻将趋于无穷大，相应的栅源电压称为夹断电压VP。, vDS对iD的影响,假设vGS=0，当vDS=0时，iD=0。,随着vDS的接入并逐渐增加，一方面沟道电场强度加大，有利于漏极电流iD增加；,N沟道的电位从源端到漏端是逐渐升高的，

20、所以在从源端到漏端的不同位置上，栅极与沟道之间的电位差不等，离源极越远，电位差越大，加到该处PN结的反向电压也越大，耗尽层越向N型硅中心扩展。,另一方面，在由源极经沟道到漏极组成的N型半导体区域中，产生了一个沿沟道的电位梯度。,耗尽层向N型硅中心扩展，使靠近漏极处的导电沟道比靠近源极要窄，导电沟道呈楔形。,因此增加vDS，又产生了阻碍漏极电流iD提高的因素。,在vDS较小时，导电沟道靠近漏端区域仍较宽，这时阻碍的因素是次要的，故iD随vDS升高几乎成正比地增大，如右图输出特性曲线的上升段。,当vDS继续增加，使漏栅间的电位差加大，靠近漏端电位差最大，耗尽层最宽。当两耗尽层在A点相遇时，称为预夹

21、断，此时耗尽层两边的电位差用夹断电压VP来描述。,在预夹断点A处：,沟道在A点预夹断后，随着vDS上升，A点将向源极方向延伸。,由于夹断处场强也增高，仍能将电子拉过夹断区(即耗尽层)，形成漏极电流iD。在从源极到夹断处的沟道上，沟道内电场基本上不随vDS改变而变化。因此，iD基本上不随vDS增加而上升，漏极电流趋于饱和。,若栅源极间接一可调负电源，则改变栅源电压vGS，可得一族曲线。, JFET栅极、沟道之间的PN结是反向偏置的，因此，其iG0，输入电阻的阻值很高。, JFET是电压控制电流器件，iD受vGS控制。, 预夹断前，iD与vDS呈近似线性关系；预夹断后，iD趋于饱和。,P沟道JFE

22、T工作时的电源极性与N沟道JFET相反。,结论,动画vGS 和vDS对沟道的控制作用,动画N沟道JFET的输出特性,动画N沟道JFET的转移特性,3.3.2 JFET的特性曲线及参数,1. 输出特性, 截止区(夹断区), 可变电阻区(线性区), 饱和区(放大区),vGSVP，iD= 0。,VP vGS0，vDSvGS-VP。,VPvGS-VP。,2. 转移特性,当vDS大于某一数值后(例如5V)，不同vDS的转移特性曲线是很接近的，此时可认为转移特性重合为一曲线。,3. 主要参数,3.3.3 JFET放大电路的小信号模型分析法,1. JFET的小信号模型,当FET用在高频或脉冲电路时，极间电容的影响不能忽略，此时FET需用高频模型表示。,2. 应用小信号模型法分析JFET放大电路, 电压增益,通常rds远大于负载电阻，故此时可认为rds开路。, 输入电阻, 输出电阻,例5.3.1 如图，设 JFET的 且 试确定Q点。,解：,解得,设JFET工作在饱和区,由于ID不应大于IDSS(=0.5mA)，,因此ID= 0.31mA,因此JFET的确工作在饱和区，假设正确。,