单极型场效应管及其放大电路课件.ppt

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1、电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,(Field Effect Transistor),4 单极型场效应管及其放大电路,4.1 单极型场效应管概述,4.3 绝缘栅场效应管(MOSFET),4.4 N沟道耗尽型MOS管,4.5 各种场效应管特性比较及注意事项,4.2 结型场效应管(JEFT),4.6 场效应管放大器及其静态分析,4.7 场效应管放大电路微变等效电路分析,基本要求:1 了解JFET和MOS管的工作原理、特性曲线及主要参数2 掌握用估算法和小信号模型法分析静态及动态性能指标3 了解三极管及场效应管放大电路的特点,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,N沟道,P沟道,增强型,耗尽型,

2、N沟道,P沟道,N沟道,P沟道,（耗尽型）,分类,增强型FET vGS=0时没有导电沟道，iD=0;vGS0形成 感生沟道的FET。符号中的虚线表明了其特点。 反之，为耗尽型。,4.1 单极型场效应管概述,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,4.2 结型场效应管(JFET),4.2.1 JFET的结构,4.2.3 JFET的特性曲线,4.2.2 JFET的工作原理,4.2.3 JFET的主要参数,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,结构示意图,N沟道,P沟道,按导电沟道分,4.2.1 JFET的结构,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,源极，用S或s表示,N型导电沟道,漏极，用D或d表示

3、,结构实际结构,# 符号中的箭头方向表示什么？,栅结正偏时，栅极电流的方向从P指向N,4.2.1 JFET的结构,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,偏置电压的要求：1 )栅-源极间加一负电压(vGS 0)作用：使栅-源极间的PN结反偏，栅极电流iG0，场效应管呈现很高的输入电阻(高达107左右)。2)漏-源极间加一正电压(vDS0)作用：使N沟道中的多数载流子电子在电场作用下由源极向漏极作漂移运动，形成漏极电流iD。 在上述两个电源的作用下,iD的大小主要受栅-源电压vGS控制，同时也受漏-源电压vDS的影响。,工作原理,（以N沟道JFET为例）,4.2.2 JFET的工作原理,电子技术基

4、础精品课程模拟电子技术基础,(1) VGS对沟道的控制作用 (假设vDS=0),当VGS0时,当沟道夹断时，对应的栅源电压VGS称为夹断电压VP （ 或VGS(off) ）。,对于N沟道的JFET，VP 0。,PN结反偏，,耗尽层加厚，,电阻增大；,vGS,电阻 ,沟道变窄，,结论：vGS控制沟道电阻的大小。,4.2.2 JFET的工作原理,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,(2) VDS对沟道的控制作用,当VGS=0时，,ID =0,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阻碍iD增加。,当VDS增加到使VGD=VP 时，在紧靠漏极处出现预夹断

5、iD=IDSS饱和区。,继续VDS ,夹断区向下延伸,沟道电阻,IDIDDS,VDS=0,ID 近似线性 ,VDS,iDSS,vGS=0,反向击穿,V(BR)DS,|VP|,VDSV(BR)DS反向击穿,4.2.2 JFET的工作原理,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,(3) VGS和VDS同时作用时,导电沟道更容易夹断，,对于同样的VDS ， ID的值比VGS=0时的值要小。,VGD=VGS-VDS =VP,当VP VGS0 时，,在预夹断处,vGS=0,vGS=-1V,vGS=VP,VGS VP 沟道截止iD=0,4.2.2 JFET的工作原理,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,综

6、上分析可知,沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电， 所以场效应管也称为单极型三极管。,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。,# 为什么FET的输入电阻比BJT高得多？,JFET栅极与沟道间的PN结是反向偏置的，因 此iG0，输入电阻很高。,4.2.2 JFET的工作原理,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,# JFET有正常放大作用时，沟道处于什么状态？,2. 转移特性,VP,1. 输出特性,4.2.3 JFET的特性曲线,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础, 夹断电压VP (或VGS(off)：, 饱和漏极电流ID

7、SS：, 低频跨导gm：,或,漏极电流约为零时的VGS值 。,VGS=0时对应的漏极电流。,低频跨导反映了vGS对iD的控制作用。gm可以在转移特性曲线上求得，单位是mS(毫西门子)。, 输出电阻rd：,4.2.4 JFET的主要参数,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,4.2.4 JFET的主要参数, 直流输入电阻RGS：,对于结型场效应三极管，反偏时RGS约大于107。, 最大漏极功耗PDM, 最大漏源电压V(BR)DS, 最大栅源电压V(BR)GS,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,4.3 绝缘栅场效应管,衬底引线,4.3.1 N 沟道增强型 MOSFET的结构,(Mental O

8、xide Semiconductor FET),P 型衬底,(掺杂浓度低),用扩散的方法制作两个 N 区,在硅片表面生一层薄 SiO2 绝缘层,结构与符号,用金属铝引出源极 S 和漏极 D,在绝缘层上喷金属铝引出栅极 G,箭头方向表示由P(衬底)指向N(沟道),G与S、D均无电接触(绝缘栅极),-利用电场效应控制电流大小的半导体器件 MOSFET,符号中的虚线表明为增强型FET 。,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,当栅源之间加上正向电压，GB 间产生垂直电场，排斥P 区中的空穴形成离子区(耗尽层)，同时吸引 P 区中的少子电子到衬底表面；,（源极S与衬底相连）,同样为vGS的控制作用与v

9、DS的影响。,1)vGS 对导电沟道的影响(vDS=0),(1) 当vGS =0 ，D、S间没有导电沟道,(2) 当vGS vT(开启电压)时，出现N型导电沟道,当 vGS足够大， VT 时，衬底中电子被吸引到表面，形成N型导电沟道(感生沟道)，将两个N型区连通。,反型层(沟道),电场,电场,源区、衬底和漏区形成2个背靠背的PN结，无论vDS极性如何总有一个PN结反偏，电阻大，无导电沟道，iD=0；,4.3.2 N 沟道增强型 MOS管的工作原理,增强型FET vGS=0时没有导电沟道，iD=0;vGS0形成感生沟道 的FET。,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,源极S与衬底相连,工作原理

10、,此时，若加入 vDS 则有漏极电流iD 产生。,反型层(沟道),电场,电场,开启电压VT 在vDS作用下开始导电时的vGS。,(1) 当vGS =0 ，D、S间没有导电沟道,(2) 当vGS vT(开启电压)时，出现N型导电沟道,vGS 越大，沟道越厚，沟道电阻越小。,加入vDS后，沟道两端因电位不同，靠近S端厚，D端薄，沟道呈楔形。,VGG,4.3.2 N 沟道增强型 MOS管的工作原理,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,工作原理,(3) 可变电阻区和饱和区的形成机制,在vGS VT时，若外加vDS较小(vDSvGS-VT)，iD将随vDS上升迅速增大。,当vDS增大到一定值，使vGS

11、-vDS = vGD=VT (vDSvGS-VT) 时，靠近D端反型层消失，产生夹断。,vDS继续增大，夹断点左移。,夹断区-反型层消失后的耗尽区,注意：沟道夹断时，耗尽区中仍有电流流过。,vDS继续增加时，增加的部分主要降落在夹断区，而降落在导电沟道上的电压基本不变，因此vDS增加，iD趋于饱和。,当vDS=vGS-VT时，称为预夹断(预夹断临界条件) 。,可变电阻区,饱和区,预夹断点,归纳：利用栅源电压的大小改变半导体表面感生电荷的多少，以改变沟道电阻的大小，进而可以控制漏极电流的大小。,4.3.2 N 沟道增强型 MOS管的工作原理,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,(1) 输出特性

12、及电流方程,a、截止区(vGS VT时)，无导电沟道，iD=0.,4.3.3 N沟道增强型MOS管的特性曲线和电流方程,b、可变电阻区(VDSvGS-VT时) iD随vDS快速增大。vGS大，rDS小。,c、 饱和区(恒流区、放大区) (vGSVT ,且vDSvGS-VT)vDS增加，iD趋于饱和。,截止区,可变电阻区,饱和区,预夹断发生之前： uDS iD。,预夹断发生之后：uDS iD 不变。,Kn-电导常数，mA/V2。,原点附近忽略vDS，,受vGS控制,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,（2）转移特性曲线,VDS = 10 V,VT,vGS = 2VT 时的 iD 值,开启电压,

13、转移特性可以从输出特性上用作图法得到。也可以由下式画出。,当vGS VT 时,4.3.3 N沟道增强型MOS管的特性曲线和电流方程,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,4.4.1 基本结构,Sio2 绝缘层中掺入正离子在 uGS = 0 时已形成沟道；在 DS 间加正电压时形成 iD。,vGS VP时(夹断电压/截止电压)，全夹断，iD=0。,vGS 可正可负，vGS0 时，感应更多电子，沟道变宽，在vDS作用下iD更大；,vGS0,使沟道中的感应电子减少，沟道变窄，在vDS作用下， iD 减小。,4.4 N沟道耗尽型MOS管,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,输出特性,IDSS,VP,

14、夹断电压,饱和漏极电流,当 vGS VP 时，,O,转移特性,vGS 可正可负，iG0,4.4.2 工作特性,4.4 N沟道耗尽型MOS管,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,增强型,耗尽型,4.4 N沟道耗尽型MOS管,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,综上分析可知,感生沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电， 所以场效应管也称为单极型三极管。,MOSFET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。,MOSFET的栅极绝缘，iG=0，输入电阻很高。,绝缘栅场效应管,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,N 沟道增强型,P 沟道增

15、强型,N 沟道耗尽型,P 沟道耗尽型,IDSS,4.5.1 各类 FET 符号、特性,4.5 各种场效应管特性比较及注意事项,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,N 沟道结型,P 沟道结型,4.5 各种场效应管特性比较及注意事项,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,（1）JFET的vGS不能接反，开路保存，d、s可以互换；,N沟道MOS管，将衬底接到电位最低点；,4.5 各种场效应管特性比较及注意事项,4.5.2 使用场效应管的注意事项,（2）当MOSFET的衬底与源极已经相连时，d、s不能互换的vGS不能接反，开路保存，d、s可以互换；,（3）当MOSFET的衬底单独引出时，应正确连接衬

16、底，以保证沟道与衬底间的PN结反偏使衬底与沟道及各电极隔离。,P沟道MOS管，将衬底接到电位最高点。,（4）MOS管的绝缘层很薄，及易击穿，栅极不能开路，应将各级短路存放；焊接时，电烙铁必须可靠接地，或者断电利用烙铁余热焊接，并注意屏蔽交流电场。,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,1）各极和组态对应关系,CE,BJT,FET,CS,CC,CD,CB,CG,4.5.3 场效应管与三极管的性能比较,2）场效应管是电压控制电流器件，三极管是电流控制电流器件,3）场效应管输入电阻高，栅极电流约为0,4）场效应管是单极型器件，管噪小,5）场效应管制造工艺简单、功耗小、易于集成,电子技术基础精品课程模

17、拟电子技术基础,4.6 场效应管放大器及其静态分析,共源、共漏、共栅,4.6.1 场效应管放大电路的三种组态,4.6.2 场效应管的直流通路及静态估算分析,4.6.3 场效应管的静态图解分析（自学）,求解Q,VDS Q,VGSQ,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,1）固定偏压电路,电路特点：,VDS Q=VDD,- IDQRD,IG =0时，有VGSQ=-VGG,解得: Q(IDQ , UGSQ , VDSQ),4.6.2 场效应管的直流通路及静态估算分析,栅源电压由VGG提供，保证VGS0；Rg使vi能加入；双电源；适用于各种FET。,静态分析：,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,2

18、）自偏压电路,vGS,vGS,vGS,vGS,vGS,VGS =VG-VS=- IDQRS,只能使用耗尽型场效应管。,不适合增强型。,4.6.2 场效应管的直流通路及静态估算分析,电路特点：无外加电源提供VGS偏压，VGS由iDRS提供（自偏压）。必须保证接通电源时有iD,Q,VDS Q=VDD-IDQ(Rd+Rs),电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,3）分压式自偏压电路, IG =0，,调整电阻的大小可使,UGSQ 0,或UGSQ = 0,或UGSQ 0,4.6.2 场效应管的直流通路及静态估算分析,VDS Q=VDD-IDQ(Rd+Rs),该电路适合于各种FET管，应用较广，类似于BJ

19、T管的射极偏置电路。场效应管放大电路的输入耦合电容可以较小。,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,4.7 场效应管的微变等效电路分析法,4.7.1 场效应管的微变等效电路,（1）低、中频模型,通常rd、rgs很大可以忽略,简化模型,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,（2）高频模型,4.7 场效应管的微变等效电路分析法,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,1. 分压式自偏压共源极放大电路,（1）画微变等效电路,4.7.2 场效应管放大电路微变等效电路分析,如果，源极接有旁路电容CS？,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,（2）动态指标分析,1）中低频电压增益,2）输入电阻,3）输出电阻

20、,据简化小信号模型电路,则,关键：用vgs表示vi，vo,4.7.2 场效应管放大电路微变等效电路分析,画出求RO电路,如果，源极接有旁路电容CS？,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,2. 共漏极放大电路,（1）画微变等效电路,4.7.2 场效应管放大电路微变等效电路分析,（2）动态指标分析,1）中低频电压增益,则,1，1,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,（2）动态指标分析,2）输入电阻,3）输出电阻,4.7.2 场效应管放大电路微变等效电路分析,画出求RO电路,较小,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,3. 共栅极放大电路,（1）画微变等效电路,4.7.2 场效应管放大电路微变等

21、效电路分析,（2）动态指标分析,1）中低频电压增益,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,（2）动态指标分析,2）输入电阻,4.7.2 场效应管放大电路微变等效电路分析,较小,3）输出电阻,画出求RO电路,VGS=0,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,例5.4.2 共漏极放大电路如图示。试求中频电压增益、输入电阻和输出电阻。,（2）中频电压增益,（3）输入电阻,得,解：,（1）中频小信号模型,由,例题,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,（4）输出电阻,所以,由图有,例题,较小,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,3. 三种基本放大电路的性能比较,组态对应关系：,CE,BJT,FET,CS,CC,CD,CB,CG,BJT,FET,CE：,CC：,CB：,CS：,CD：,CG：,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,3. 三种基本放大电路的性能比较,CE：,CC：,CB：,CS：,CD：,CG：,CE：,CC：,CB：,CS：,CD：,CG：,