第五章场效应管放大电路课件.ppt

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1、第五章 场效应管放大电路,5.1 结型场效应管 5.2 结型场效应管放大电路 5.3 金属氧化物场效应管5.4 金属氧化物场效应管放大电路,场效应管(Field Effect Transistor) ：只有一种载流子参与导电，故称单极型三极管。利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的三极管，是电压控制电流型器件。,特点,输入电阻高，功耗低,热稳定性好，噪声低，抗辐射能力强,制造工艺简单、易于集成,第五章 场效应管放大电路,N沟道,P沟道,增强型,耗尽型,N沟道,P沟道,N沟道,P沟道,（耗尽型）,场效应管分类：,符号,5.1 结型场效应管(Junction Field Effect Tran

2、sistor),5.1.1 JFET结构及符号,N型沟道,栅极,源极,漏极,在漏极和源极之间加上一个正向电压，N 型半导体中多数载流子电子可以导电。,N 沟道场效应管,P 沟道场效应管,P 沟道结型场效应管结构图,P 沟道场效应管是在 P 型硅棒的两侧做成高掺杂的 N 型区(N+)，导电沟道为 P 型，多数载流子为空穴。,5.1.2 结型场效应管(JFET)工作原理,N 沟道结型场效应管用改变 vGS 大小来控制漏极电流 ID 的。(VCCS),*在栅极和源极之间加反向电压，耗尽层会变宽，导电沟道宽度减小，使沟道本身的电阻值增大，漏极电流 ID 减小，反之，漏极 ID 电流将增加。,*耗尽层的

3、宽度改变主要在沟道区。,1. vGS 对导电沟道的控制作用(vDS = 0),vGS = 0 时，耗尽层比较窄，导电沟比较宽,vGS 由零逐渐减小，耗尽层逐渐加宽，导电沟相应变窄。,当 vGS = VP，耗尽层合拢，导电沟被夹断. VP为夹断电压,2. vDS 漏极电流iD的影响,(1) vGS 0,当vDS=0时，iD=0,2. vDS 漏极电流iD的影响,vDS iD ，同时G、D间PN结的反向电压增加，使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，从上至下呈楔形分布。,vGD vGS vDS,(1)vDSVP,(1) 改变 vGS ，改变了PN结中电场，控制了iD ，故称场效应管； (2)结型场效

4、应管栅源之间加反向偏置电压，使PN反偏，栅极基本不取电流，因此，场效应管输入电阻很高。,(c),当vDS增加到使-vGD=VP 时，在紧靠漏极处出现预夹断。此时vDS 夹断区延长沟道电阻 iD基本不变，表现出恒流特性。,2. vDS 漏极电流iD的影响(VPvGS 0),当vDS=0时，iD=0,vGD vGS vDS,2. vDS 漏极电流iD的影响,vDS iD ，同时G、D间PN结的反向电压增加，使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，从上至下呈楔形分布。,vGD vGS vDS VP,(1) 改变 uGS ，改变了PN结中电场，控制了iD ，故称场效应管； (2)结型场效应管栅源之间加反向

5、偏置电压，使PN反偏，栅极基本不取电流，因此，场效应管输入电阻很高。,(c),当vDS增加到使vGD=VP 时，在紧靠漏极处出现预夹断。此时vDS 夹断区延长沟道电阻 iD基本不变，表现出恒流特性。此时饱和电流iD小于vGS=0时的饱和电流Idss.,(1) 改变 vGS ，改变了PN结中电场，控制了iD ，故称场效应管； (2)结型场效应管栅源之间加反向偏置电压，使PN反偏，栅极基本不取电流，因此，场效应管输入电阻很高。,2. vDS 漏极电流iD的影响(vGSVP),沟道夹断 iD=0,小结,(1)当vDS使vGD vGS vDS Vp情况下, d-s间等效成不同阻值的电阻。,(2)当vD

6、S使vGD Vp时，d-s之间预夹断,(3)当vDS使vGD Vp时， iD几乎仅仅决定于vGS ，而与vDS 无关。此时， 可以把iD近似看成vGS控制的电流源。,二、结型场效应管的特性曲线,1. 转移特性(N 沟道结型场效应管为例),1.转移特性,结型场效应管转移特性曲线的近似公式：,vGS = 0 ，iD 最大；vGS 愈负，iD 愈小；vGS = VP，iD 0。,两个重要参数,饱和漏极电流 IDSS(VGS = 0 时的 ID),夹断电压 VP(iD = 0 时的 VGS),恒流区,可变电阻区,输出特性,夹断区,击穿区,2. 输出特性曲线,当栅源 之间的电压 UGS 不变时，漏极电流

7、 iD 与漏源之间电压 uDS 的关系，即,(a) 漏极输出特性曲线 (b) 转移特性曲线N沟道结型场效应管的特性曲线,结型P 沟道的特性曲线,转移特性曲线,输出特性曲线,栅源加正偏电压，(PN结反偏)漏源加反偏电压。,1.4.3场效应管的主要参数,一、直流参数,饱和漏极电流 IDSS,2. 夹断电压 UP 或UGS(off),3. 开启电压 UT 或UGS(th),4. 直流输入电阻 RGS,为耗尽型场效应管的一个重要参数。,为增强型场效应管的一个重要参数。,为耗尽型场效应管的一个重要参数。,输入电阻很高。结型场效应管一般在 107 以上，绝缘栅场效应管更高，一般大于 109 。,二、交流参

8、数,1. 低频跨导 gm,2. 极间电容,用以描述栅源之间的电压 uGS 对漏极电流 iD 的控制作用。,单位：iD 毫安(mA)；uGS 伏(V)；gm 毫西门子(mS),这是场效应管三个电极之间的等效电容，包括 Cgs、Cgd、Cds。 极间电容愈小，则管子的高频性能愈好。一般为几个皮法。,三、极限参数,3. 漏极最大允许耗散功率 PDM,2.漏源击穿电压 U(BR)DS,4. 栅源击穿电压U(BR)GS,由场效应管允许的温升决定。漏极耗散功率转化为热能使管子的温度升高。,当漏极电流 ID 急剧上升产生雪崩击穿时的 UDS 。,场效应管工作时，栅源间 PN 结处于反偏状态，若UGS U(B

9、R)GS ，PN 将被击穿，这种击穿与电容击穿的情况类似，属于破坏性击穿。,1.最大漏极电流IDM,5.3绝缘栅型场效应管MOSFETMetal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,由金属、氧化物和半导体制成。称为金属-氧化物-半导体场效应管，或简称 MOS 场效应管。,特点：输入电阻可达1091015。,VGS = 0 时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管；,VGS = 0 时漏源间不存在导电沟道称增强型场效应管。,5.3.1 N 沟道增强型 MOS 场效应管,结构,B,G,S,D,源极 S,漏极 D,衬底引线 B,栅极 G,N 沟道增强型

10、MOS 场效应管的结构示意图,箭头方向表示由P(衬底)指向N(沟道),(1) 工作原理,绝缘栅场效应管利用 vGS 来控制“感应电荷”的多少，改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道的状况，以控制漏极电流 iD。,(2) 工作原理分析,1)vGS = 0,漏源之间相当于两个背靠背的 PN 结，无论漏源之间加何种极性电压，在D、S间也不可能形成电流。,2) vDS = 0，0 vGS VT,栅极金属层将聚集正电荷，它们排斥P型衬底靠近 SiO2 一侧的空穴，形成由负离子组成的耗尽层。漏源间仍无载流子的通道，FET仍不具备导通条件，处于截止状态。,3) vDS = 0，vGS VT,由于吸引了足够多P

11、型衬底的电子，会在耗尽层和 SiO2 之间形成可移动的表面电荷层 反型层、N 型导电沟道。,vGS 升高，N 沟道变宽。因为 vDS = 0 ，所以 iD = 0。,VT为开始形成反型层所需的 VGS，称开启电压。,4) vDS 对导电沟道的影响 (vGS VT ),导电沟道呈现一个楔形。漏极形成电流 iD 。,b. UDS= UGS VT， UGD = VT,靠近漏极沟道达到临界开启程度，出现预夹断。,由于夹断区的沟道电阻很大，vDS 逐渐增大时，导电沟道两端电压基本不变， iD因而基本不变。,a. UDS VT,c. UDS UGS VT， UGD VT,A,vDS 对导电沟道的影响,(a

12、) UGD VT,(b) UGD = VT,(c) UGD VT,在vDS vGS VT时，对应于不同的vGS就有一个确定的iD 。此时， 可以把iD近似看成是vGS控制的电流源。,(a)转移特性,(b)输出特性,vGS VT ，iD = 0；,UGS VT ，形成导电沟道，随着 vGS 的增加，iD 逐渐增大。,(当 vGS VT时),三个区：可变电阻区、恒流区(或饱和区)、夹断区。,(3) 特性曲线,5.3.2 N 沟道耗尽型 MOS 场效应管,制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子，这些正离子电场在 P 型衬底中“感应”负电荷，形成“反型层”。即使 vGS = 0 也会形成 N 型

13、导电沟道。,+,+,vGS 0，vDS 0，产生较大的漏极电流；,vGS 0，绝缘层中正离子感应的负电荷减少，导电沟道变窄，iD 减小；,vGS = VP , 感应电荷被“耗尽”，iD 0。 VP为夹断电压,耗尽型MOSFET,N 沟道耗尽型 MOS 管特性,工作条件：vDS 0；vGS 正、负、零均可。,符号,5.3.4 P沟道MOSFET,1. P沟道增强型MOS管的开启电压VT 0当UGS VT ，漏-源之间应加负电源电压管子才导通,空穴导电。,2. P沟道耗尽型MOS管的夹断电压VT 0VT 可在正、负值的一定范围内实现对iD的控制，漏-源之间应加负电源电压。,各类场效应管的符号和特性

14、曲线,Home,Next,例5.3.1 已知各场效应管的输出特性曲线如图所示。试分析各管子的类型。,解: (a) iD0（或vDS0），则该管为N沟道； vGS0，故为JFET（耗尽型）。,(b) iD0（或vDS0），则该管为P沟道； vGS0，故为增强型MOS管。,(c) iD0（或vDS0），则该管为N沟道； vGS可正、可负，故为耗尽型MOS管。,提示： 场效应管工作于恒流区：（1） N沟道增强型MOS管：VDS0, VGSVGS(th) 0；P沟道反之。 （2） N沟道耗尽型MOS管： VDS0, VGS可正、可负，也可为0；P沟道反之。 （3） N沟道JFET： VDS0, V G

15、S0 ；P沟道反之。,例5.3.2 电路如图 (a) 所示，场效应管的输出特性如图 (b) 所示 。试分析当uI=2V、8V、12V三种情况下，场效应管分别工作于什么区域。,(c)当uI=10V 时，假设管子工作于恒流区，此时iD=2mA，故uO =uDS =VDD - iD Rd= 18-28=2V， uDS - VGS(th) =2-6=-4V，显然小于uGS =10V时的预夹断电压，故假设不成立 ，管子工作于可变电阻区。此时，RdsuDS/iD=3V/1mA=3k，故,解: (a)当uI=2V 时， uI=uGS VGS(th) ，场效应管工作于夹断区，iD=0，故uO=VDD- iD

16、Rd= VDD =18V。,(b)当uI=8V 时，假设管子工作于恒流区，此时iD=1mA，故uO =uDS =VDD - iD Rd= 18-18=10V， uDS - VGS(th) =10-4=6V，大于uDS =10V时的预夹断电压，故假设成立 。,例5.3.1,已知某管子的输出特性曲线如图所示。试分析该管是什么类型的场效应管（结型、绝缘栅型、N沟道、P沟道、增强型、耗尽型）。,分析：N沟道增强型MOS管，开启电压VT 4V,例1.4.2,电路如左图所示，其中管子T的输出特性曲线如右图所示。试分析ui为0V、8V和10V三种情况下uo分别为多少伏？,分析：N沟道增强型MOS管，开启电压

17、UGS(th) 4V,解：,(1) ui为0V ，即uGSui0，管子处于夹断状态,所以u0 VDD 15V,(2) uGSui8V时，从输出特性曲线可知，管子工作 在恒流区， iD 1mA， u0 uDS VDD - iD RD 10V,(3) uGSui10V时，,若工作在恒流区， iD 2.2mA。因而u0 15- 2.2*5 4V,但是， uGS 10V时的预夹断电压为,uDS= uGS UT=(10-4)V=6V,可见，此时管子工作在可变电阻区,从输出特性曲线可得uGS 10V时d-s之间的等效电阻(D在可变电阻区，任选一点，如图),所以输出电压为,(4) 由于场效应管的结构对称,

18、有时漏极和源极可以互换使用, 而各项指标基本上不受影响, 因此应用时比较方便、 灵活。 (5) 场效应管的制造工艺简单, 有利于大规模集成。 (6) 由于MOS场效应管的输入电阻可高达1015, 因此, 由外界静电感应所产生的电荷不易泄漏, 而栅极上的SiO2绝缘层又很薄, 这将在栅极上产生很高的电场强度, 以致引起绝缘层击穿而损坏管子。 (7) 场效应管的跨导较小, 当组成放大电路时, 在相同的负载电阻下, 电压放大倍数比双极型三极管低。,晶体管,场效应管,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一般不可倒置使用,D与S有的型号可倒置使用,载流子 多子扩散少子漂移 多子运动,输入量 电流输入 电压输入,控制,电流控制电流源CCCS(),电压控制电流源VCCS(gm),1.4.4 场效应管与晶体管的比较,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,晶体管,场效应管,