第3章场效应管及其基本放大电路课件.ppt

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1、第3章 场效应管及其基本电路,31 结型场效应管 32 绝缘栅场效应管(IGFET)33 场效应管的参数和小信号模型34 场效应管放大器,第九讲 场效应管及其放大电路,一、场效应管,二、场效应管放大电路静态工作点的设置方法,三、场效应管放大电路的动态分析,四、复合管,一、场效应管(Field-Effect Transistors),结型场效应管(Junction FET)金属-氧化物-半导体场效应管 (Metal-Oxide-Semiconductor FET)耗尽型MOSFET增强型MOSFET金属-半导体场效应管(Metal-Semiconductor FET)N沟道、P沟道,一、FET（

2、以N沟道为例）,场效应管有三个极：源极(s)、栅极(g)、漏极(d)，对应于晶体管的e、b、c；有三个工作区域：截止区、恒流区、可变电阻区，对应于三极管的截止区、放大区和饱和区。,1、结型场效应管,导电沟道,源极,栅极,漏极,符号,结构示意图,栅-源电压对导电沟道宽度的控制作用,沟道最宽,uGS可以控制导电沟道的宽度。为什么g-s必须加负电压？,UGS（off）,为了使输入阻抗大(不允许出现栅流iG)，也为了使栅源电压对沟道宽度及漏极电流有效地进行控制，PN结一定要反偏，所以在N沟道JFET中，uGS必须为负值。,漏-源电压对漏极电流的影响,uGSUGS（off）且不变，VDD增大，iD增大。

3、,预夹断,uGDUGS(off),VDD的增大，几乎全部用来克服沟道的电阻，iD几乎不变，进入恒流区，iD几乎仅仅决定于uGS。,场效应管工作在恒流区的条件？,uGDUGS(off),uGDUGS(off),0uGSUGS(off),uDS=uGS+uDG=uGS-uGDuGS-UGS(off),g-s电压控制d-s的等效电阻,输出特性,预夹断轨迹， uGDUGS（off）(uDS uDG + uGS) uDSuGSUGS(off),可变电阻区,恒流区,iD几乎仅决定于uGS,击穿区,夹断区（截止区）,夹断电压,IDSS,不同型号的管子UGS（off）、IDSS将不同。,低频跨导：,夹断电压,

4、漏极饱和电流,转移特性,IDSS饱和电流，表示uGS=0时的iD值；UGS(off)夹断电压，表示uGS=UGS(off时iD为零。场效应管工作在恒流区，因而uGSUGS（off）且uDS|UGS(off)|,转移特性曲线表达在uDS一定时，栅源电压uGS对漏极电流iD的控制作用,转移特性,栅极(Gate)，源极(Source)，漏极(Drain)。在JFET中，源极和漏极是可以互换的。,主要参数：直流参数：夹断电压UGS(off)，饱和漏极电流IDSS，直流输入电阻RGS(DC)交流参数：低频跨导gm，极间电容Cgs，Cgd， Cds极限参数：击穿电压U(BR)DS，U(BR)GS，最大耗散

5、功率PDM，,2、MOSFET (N沟道增强型),N沟道增强型管符号,SiO2绝缘层,高参杂,MOSFET(N沟道增强型),uGS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。,耗尽层,空穴,反型层,大到一定值才开启,SiO2绝缘层,增强型MOS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。N沟道增强型MOS管工作在恒流区的条件？,iD随uDS的增大而增大，可变电阻区,uGDUGS(th),预夹断,iD几乎仅仅受控于uGS，恒流区,刚出现夹断,uDS的增大几乎全部用来克服夹断区的电阻,(uDS uDG + uGS) uDSuGSUGS(th),

6、uGDUGS(th),uGSUGS(th),MOSFET(N沟道耗尽型),耗尽型MOS管在 uGS大于0、小于0、等于0时均可导通，且与结型场效应管不同，由于SiO2绝缘层的存在，在uGS0时仍保持g-s间电阻非常大的特点。,加正离子,小到一定值才夹断,uGS=0时就存在导电沟道,MOS管的特性,增强型MOS管,耗尽型MOS管,开启电压,夹断电压,主要参数：一、直流参数，二、交流参数，三、极限参数一、夹断/开启电压UGS(off)/UGS(th)，饱和漏极电流IDSS，直流输入电阻RGS(DC)二、低频跨导gm，极间电容Cgs，Cgd， Cds三、最大漏极电流IDM ，击穿电压U(BR)DS，

7、U(BR)GS，最大耗散功率PDM,3、场效应管工作在恒流区时g-s、d-s间的电压极性,uGS=0可工作在恒流区的场效应管有哪几种？ uGS0才工作在恒流区的场效应管有哪几种？ uGS0才工作在恒流区的场效应管有哪几种？,二、场效应管静态工作点的设置方法,1基本共源放大电路根据场效应管工作在恒流区的条件，在g-s、d-s间加极性合适的电源(固定偏置),2自给偏压电路,由正电源获得负偏压称为自给偏压,哪种场效应管能够采用这种电路形式设置Q点？耗尽型,3分压式偏置电路,为什么加Rg3?其数值应大些小些？,哪种场效应管能够采用这种电路形式设置Q点？,即典型的Q点稳定电路,三、场效应管放大电路的动态

8、分析,近似分析时可认为其为无穷大！,根据iD的表达式或转移特性可求得gm。,1场效应管的交流等效模型与晶体管的h参数等效模型类比：输入端口电阻无穷大；输出端口,全微分,跨导gm,gm与uGS呈线性关系,耗尽型场效应管,跨导gm,gm与uGS呈线性关系,增强型场效应管,2.基本共源放大电路的动态分析,若Rd=3k， Rg=5k， gm=2mA/V，则与共射电路比较。,3.基本共漏放大电路的动态分析,若Rs=3k，gm=2mA/V，则,基本共漏放大电路输出电阻的分析,若Rs=3k，gm=2mA/V，则Ro=?3000/500=500/7,四、复合管,复合管的组成：多只管子合理连接等效成一只管子。,

9、不同类型的管子复合后，其类型决定于T1管。,目的：增大/gm，减小前级驱动电流，改变管子的类型。,讨论一判断下列各图是否能组成复合管,复合管中每只管子的电压方向一致前级管子各极电流都有合适的通路后级的基极接前级的e/c/d/s,Ri=? Ro=?,讨论二,Rg3的作用,讨论三,OVER,二、输出特性曲线 输出特性曲线表达以UGS为参变量时iD与uDS的关系。如图33(b)所示，根据特性曲线的各部分特征，我们将其分为四个区域： 1.恒流区 恒流区相当于双极型晶体管的放大区。其主要特征为： (1)当UGSoffUGS0时，uGS变化，曲线平移，iD与uGS符合平方律关系， uGS对iD的控制能力很

10、强。,(2)UGS固定，uDS增大，iD增大极小。说明在恒流区，uDS对iD的控制能力很弱。这是因为，当uDS较大时，UDG增大，靠近漏区的PN结局部变厚，当 |uDS-uGS|UGSoff| (33) 时，沟道在漏极附近被局部夹断(称为预夹断)，如图34(b)所示。此后， uDS再增大，电压主要降到局部夹断区，而对整个沟道的导电能力影响不大。所以uDS的变化对iD影响很小。,2. 可变电阻区 当uDS很小，|uDS-uGS|UGSoff|时，即预夹断前(如图34(a)所示)，uDS的变化直接影响整个沟道的电场强度，从而影响iD的大小。所以在此区域，随着uDS的增大， iD增大很快。 与双极型

11、晶体管不同，在JFET中，栅源电压uGS对iD上升的斜率影响较大，随着|UGS|增大，曲线斜率变小，说明JFET的输出电阻 变大。如图3-3(b)所示,图34 uDS对导电沟道的影响,3. 截止区 当|UGS|UGSoff|时，沟道被全部夹断，iD=0，故此区为截止区。若利用JFET作为开关，则工作在截止区，即相当于开关打开。 4.击穿区 随着uDS增大，靠近漏区的PN结反偏电压uDG(=uDS-uGS)也随之增大。,32 绝缘栅场效应管(IGFET),321 绝缘栅场效应管的结构 如图35所示，其中图(a)为立体结构示意图，图(b)为平面结构示意图。,图35绝缘栅(金属-氧化物-半导体)场效

12、应管结构示意图 (a)立体图；(b)剖面图,322N沟道增强型MOSFET(EnhancementNMOSFET) 一、导电沟道的形成及工作原理 如图36所示，若将源极与衬底相连并接地，在栅极和源极之间加正压UGS，在漏极与源极之间施加正压UDS，我们来观察uGS变化时管子的工作情况。,图36N沟道增强型MOS场效应管的沟道形成及符号,图36N沟道增强型MOS场效应管的沟道形成及符号,二、转移特性 N沟道增强型MOSFET的转移特性如图37所示。其主要特点为： (1)当uGSUGSth时， iD 0，uGS越大， iD也随之增大，二者符合平方律关系，如式(34)所示。,(34),式中：UGSt

13、h开启电压(或阈值电压)； n沟道电子运动的迁移率； Cox单位面积栅极电容； W沟道宽度； L沟道长度(见图35(a)； W/LMOS管的宽长比。 在MOS集成电路设计中，宽长比是一个极为重要的参数。,三、输出特性 N沟道增强型MOSFET的输出特性如图38所示。与结型场效应管的输出特性相似，它也分为恒流区、可变电阻区、截止区和击穿区。其特点为： (1)截止区：UGSUGSth，导电沟道未形成，iD=0。,图38输出特性 (a)输出特性；(b)厄尔利电压,图38输出特性 (a)输出特性；(b)厄尔利电压,(2)恒流区：曲线间隔均匀，uGS对iD控制能力强。uDS对iD的控制能力弱，曲线平坦。

14、进入恒流区的条件，即预夹断条件为,(35),因为UGD=UGS-UDS，当UDS增大，使UGDUGSth时，靠近漏极的沟道被首先夹断(如图39所示)。此后， UDS再增大，电压的大部分将降落在夹断区(此处电阻大)，而对沟道的横向电场影响不大，沟道也从此基本恒定下来。所以随UDS的增大，iD增大很小，曲线从此进入恒流区。,图39 uDS增大，沟道被局部夹断(预夹断)情况,沟道调制系数。不同UGS对应的恒流区输出特性延长会交于一点(见图3-8(b)，该点电压称为厄尔利电压UA。定义沟道调制系数 来表达uDS对沟道及电流iD的影响。显然，曲线越平坦，|UA|越大，越小。,(36),考虑uDS对iD微

15、弱影响后的恒流区电流方程为,但由于1，沟道调制效应可忽略，则,(3)可变电阻区：可变电阻区的电流方程为,(38),(37b),(37a),可见，当uDS(uGS-UGSth)时(即预夹断前),那么，可变电阻区的输出电阻rDS为,式(310)表明，uGS越大，rDS越小，体现了可变电阻,(310),(39),323 N沟道耗尽型MOSFET(DepletionNMOSFET) 增强型N沟道MOSFET在uGS=0时，管内没有导电沟道。而耗尽型则不同，它在 uGS =0时就存在导电沟道。因为这种器件在制造过程中，在栅极下面的SiO2绝缘层中掺入了大量碱金属正离子(如Na+或K+)，形成许多正电中心

16、。这些正电中心的作用如同加正栅压一样，在P型衬底表面产生垂直于衬底的自建电场，排斥空穴，吸引电子，从而形成表面导电沟道，称为原始导电沟道。,由于uGS=0时就存在原始沟道，所以只要此时uDS0，就有漏极电流。如果uGS 0,指向衬底的电场加强，沟道变宽，漏极电流iD将会增大。反之，若uGS 0，则栅压产生的电场与正离子产生的自建电场方向相反，总电场减弱，沟道变窄，沟道电阻变大， iD减小。当uGS继续变负，等于某一阈值电压时，沟道将全部消失， iD =0，管子进入截止状态。 综上所述，N沟道耗尽型MOSFET的转移特性和输出特性以及表示符号如图310(a),(b),(c)所示。,图310N沟道

17、耗尽型MOS管的特性及符号(a)转移特性；(b)输出特性；(c)表示符号,图310N沟道耗尽型MOS管的特性及符号(a)转移特性；(b)输出特性；(c)表示符号,图310N沟道耗尽型MOS管的特性及符号(a)转移特性；(b)输出特性；(c)表示符号,N沟道耗尽型MOSFET管的电流方程与增强型管是一样的，不过其中的开启电压应换成夹断电压UGSoff。经简单变换，耗尽型NMOSFET的电流方程为,式中：,(311),(312),ID0表示uGS=0时所对应的漏极电流。,324各种类型MOS管的符号及特性对比 图311给出各种N沟道和P沟道场效应管的符号。图312给出各种场效应管的转移特性和输出特

18、性。各种管子的输出特性形状是一样的，只是控制电压UGS不同。,图311各种场效应管的符号对比,图312各种场效应管的转移特性和输出特性对比 (a)转移特性；(b)输出特性,图312各种场效应管的转移特性和输出特性对比 (a)转移特性；(b)输出特性,33 场效应管的参数和小信号模型,331场效应管的主要参数 一、直流参数 1. 结型场效应管和耗尽型MOSFET的主要参数 (1)饱和漏极电流IDSS(ID0)：IDSS指的是对应uGS=0时的漏极电流。 (2)夹断电压UGSoff：当栅源电压uGS=UGSoff时，iD=0。,2.增强型MOSFET的主要参数 对增强型MOSFET来说，主要参数有

19、开启电压UGSth，即当uGSuGSth时，导电沟道才形成，iD0。 3.输入电阻RGS 对结型场效应管，RGS在1081012之间。 对MOS管，RGS在10101015之间。 通常认为RGS 。,二、极限参数 场效应管也有一定的运用极限，若超过这些极限值，管子就可能损坏。场效应管的极限参数如下： (1)栅源击穿电压U(BR)GSO。 (2)漏源击穿电压U(BR)DSO。 (3)最大功耗PDM：PDM=IDUDS,三、交流参数1跨导gm跨导gm的定义为,(313),gm的大小可以反映栅源电压uGS对漏极电流iD的控制能力的强弱。 gm可以从转移特性或输出特性中求得，也可以用公式计算出来。 对

20、JFET和耗尽型MOS管，电流方程为,(314),那么，对应工作点Q的gm为,式中，IDQ为直流工作点电流。可见，工作点电流增大，跨导也将增大。 而对增强型MOSFET，其电流方程为,那么，对应工作点Q的gm为,(315),式(315)表明，增大场效应管的宽长比和工作电流，可以提高gm。,2.输出电阻r ds 输出电阻rds定义为,(316),(317),恒流区的rds可以用下式计算：,332 场效应管的低频小信号模型 因为,所以,(318),(319),以正弦复数值表示，上式可改写为,通常rds较大， 对Id的影响可以忽略，则,画出式(320)和式(321)所对应的等效电路分别如图313(a

21、),(b)所示。由于栅流iG=0,RGS=，所以输入回路等效电路可以不画出。可见，场效应管低频小信号等效电路比晶体管的还简单。,图313 场效应管低频小信号简化模型,34 场效应管放大器,341场效应管偏置电路 与晶体管放大器相似，静态工作点的设置对放大器的性能至关重要。在场效应管放大器中，由于结型场效应管与耗尽型MOS场效应管uGS=0时，iD0，故可采用自偏压方式，如图314(a)所示。而对于增强型MOSFET，则一定要采用分压式偏置或混合偏置方式，如图314(b)所示。 我们可以用两种办法确定直流工作点，一种是图解法，另一种是解析法。,图314场效应管偏置方式 (a)自偏压方式； (b)

22、混合偏置方式,一、图解法 画出N沟道场效应管的转移特性如图315所示。对于自偏压方式，栅源回路直流负载线方程为,(322),在转移特性坐标上画出该负载线方程如图315(a)所示。分别求出JFET的工作点为Q1点，耗尽型MOSFET的工作点为Q2点，而与增强型MOSFET转移特性则无交点。,图315图解法求直流工作点(a)自偏压方式；(b)混合偏置方式,对于混合偏置方式，栅源回路直流负载线方程为,(323),画出该负载线如图315(b)所示，对于三种不同类型的场效应管的工作点分别为Q1、Q2及Q3。这里要特别注意的是，对JFET，RG2过大，或RS太小，都会导致工作点不合适，如图315(b)虚线

23、所示。,二、解析法 已知电流方式及栅源直流负载线方程，联立求解即可求得工作点。例如：,(324a),(324b),将式(324b)代入式(324a)，解一个iD的二次方程，有两个根，舍去不合理的一个根，留下合理的一个根便是IDQ。,342场效应管放大器分析 与晶体管放大器相似，场效应管放大器也有共源、共漏、共栅等三种基本组态电路。 一、共源放大器 共源放大器电路如图316(a)所示，其低频小信号等效电路如图316(b)所示。 由图(b)可知，放大器输出交流电压 为,(325),图316共源放大器电路及其低频小信号等效电路 (a)电路；(b)低频小信号等效电路,图316共源放大器电路及其低频小信

24、号等效电路 (a)电路；(b)低频小信号等效电路,式中， ，且一般满足RDRLrds。所以，共源放大器的放大倍数Au为,(326),若gm=5mA/V，元件值如图316(a)所示，则Au=50。输出电阻：,输入电阻：,(327),(328),图317给出了基于Workbench平台的场效应管电路的计算机仿真结果，从仿真中可以测出直流工作点及输入输出波形的相位关系、放大倍数等。,图317基于Workbench平台的FET放大电路的 计算机仿真,由图可见，场效应管型号为inf510，栅流IG=0，漏极电流IDQ=0.858mA。输出波形与输入波形相位相反。用示波器光标分别测出输出信号峰峰值为3V，

25、输入信号峰峰值为0.024V，故该电路的放大倍数为,例 场效应管放大器电路如图318(a)所示，已知工作点的gm=5mA/V，试画出低频小信号等效电路，并计算增益Au。,图318带电流负反馈的放大电路(a)电路；(b)等效电路；(c)简化等效电路,图318带电流负反馈的放大电路(a)电路；(b)等效电路；(c)简化等效电路,解(1)该电路的小信号等效电路如图318(b)所示。(2)输出电压：,式中：,故,(329),(330),(331),将式(331)代入式(329)，得放大倍数Au为,(332),二、共漏放大器 共漏放大器的电路如图319(a)所示，相应的等效电路如图319(b)所示。该电

26、路的主要参数如下。 1. 放大倍数Au,式中：,故,图319共漏电路及其等效电路 (a)电路；(b)等效电路,图319共漏电路及其等效电路 (a)电路；(b)等效电路,所以,(333),2. 输出电阻Ro 计算输出电阻Ro的等效电路如图320所示。首先将RL开路， 短路，在输出端加信号 ，求出 ，则,图320计算共漏电路输出电阻Ro的等效电路,图320计算共漏电路输出电阻Ro的等效电路,由图可见,式中：,所以，输出电阻为,故,输入电阻,(334),共栅电路与共基电路相似，留给读者自行分析。,343若干问题的讨论 一、晶体管的跨导比场效应管的跨导大得多 我们知道，晶体管的电流iC与发射结电压uB

27、E成指数关系，而场效应管的漏极电流iD与栅源电压成平方律关系。跨导表示转移特性的斜率。显然，双极型晶体管的跨导比场效应管的跨导要大得多。,晶体管：,场效应管：,结型场效应管：,二、关于温度稳定性 场效应管导电机理为多数载流子的漂移电流，热稳定性较晶体管好。而且场效应管还存在一个零温度系数点，如图321所示，在这一点工作，温度稳定性会更好。,图321 场效应管的零温度系数点,三、关于体效应和背栅跨导 前面所有结论都是在衬底与源极短路的前提下得出的。但是在集成电路中，在同一硅片衬底上要做许多管子。为保证正常工作，一般衬底要接到全电路的最低电位点，因此不可能所有管子的源极都与自身的衬底连接，此时，会存在源极与衬底之间的电位差UBS。为了保证沟道与衬底之间用反偏的PN结相隔离，UBS必须为负。,在衬底负压作用下，沟道与衬底间的耗尽层加厚，导致开启电压UGSth增大，沟道变窄，沟道电阻增大，iD减小，这种效应称之为“体效应”，或“背栅效应”，或“衬底调制效应”。 为了表达衬底电压对iD的影响，引入背栅跨导gmb：,(340),通常用跨导比来表示gmb的大小：,(341),式中,为常数，一般为0.10.2。考虑背栅跨导影响的等效电路如图322所示。,图322 计入背栅跨导的FET等效电路,场效应管三种组态放大器的性能比较如表3-1。,