第三章 场效应管及其放大电路课件.ppt

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1、,2 场效应管放大电路静态工作 点的设置方法,1 场效应管的结构及工作原理,场效应管及放大电路,场效应管放大电路,重点难点,重点：共源（CS）、共栅（CG）、共漏（CD）三 种组态放大器的分析方法，静态工作点的设置。难点：结型和绝缘栅型场效应管的结构和工作原理,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）,分类：,3.1场效应三极管,只有一种载流子参与导电，且利用电场效应来控制电流的三极管，称为场效应管，也称单极型三极管。,场效应管分类,结型场效应管,绝缘栅场效应管,特点,单极型器件(一种载流子导电)；,输入电阻高；,工艺简单、易集成、功耗小、体

2、积小、成本低。,3.1.1绝缘栅型场效应管,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 109 以上。,类型,N 沟道,P 沟道,增强型,耗尽型,增强型,耗尽型,UGS = 0 时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管；,UGS = 0 时漏源间不存在导电沟道称增强型场效应管。,一、N 沟道增强型 MOS 场效应管,1. 结构,B,G,S,D,源极 S,漏极 D,衬底引线 B,栅极 G,图3.1N 沟道增强型MOS 场效应管的结构示意图,符号,2. 工作原理,绝缘栅场效应管利用 UGS 来控制“感应电荷”的多少，改变由这些“感应电荷

3、”形成的导电沟道的状况，以控制漏极电流 ID。,工作原理分析,(1)UGS = 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，总是不导电。,(2) UDS = 0，0 UGS UT,P 型衬底中的电子被吸引靠近 SiO2 与空穴复合，产生由负离子组成的耗尽层。增大 UGS 耗尽层变宽。,VGG,(3) UDS = 0，UGS UGS(th),由于吸引了足够多的电子，,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。 UGS 升高，N 沟道变宽。因为 UDS = 0 ，所以 ID = 0。,UGS(th) 为开始形成反型层所需的 UGS，称开

4、启电压。,(4) UDS 对导电沟道的影响 (UGS UT),导电沟道呈现一个楔形。漏极形成电流 ID 。,b. UDS= UGS UGS(th)， UGD = UGS(th),靠近漏极沟道达到临界开启程度，出现预夹断。,c. UDS UGS UGS(th)， UGD UGS(th),由于夹断区的沟道电阻很大，UDS 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 UGS(th),图 3.3UDS 对导电沟道的影响,(a) UGD UGS(th),(b) UGD = UGS(th),(c) UGD UGS(th),3. 特性曲线,(a)转移特性,(b)漏极特性,UGS

5、 UGS(th) ，ID = 0；,UGS UGS(th)，形成导电沟道，随着 UGS 的增加，ID 逐渐增大。,(当 UGS UGS(th) 时),三个区：可变电阻区、恒流区(或饱和区)、击穿区。,图 3.4 (a),图 3.4 (b),二、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 UGS = 0 也会形成 N 型导电沟道。,+,+,UGS = 0，UDS 0，产生较大的漏极电流；,UGS 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；,UGS = - UGS(off)

6、, 感应电荷被“耗尽”，ID 0。,UGS(off) 称为夹断电压,图 3.5,N 沟道耗尽型 MOS 管特性,工作条件：UDS 0；UGS 正、负、零均可。,图 3.7MOS 管的符号,图 3.6特性曲线,符号,3.1.2结型场效应管,一、结构,图 3.7N 沟道结型场效应管结构图,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。,导电沟道是 N 型的，称 N 沟道结型场效应管。,P 沟道场效应管,图 3.8P 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

7、。,二、工作原理,N 沟道结型场效应管用改变 UGS 大小来控制漏极电流 ID 的。,*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。,*耗尽层的宽度改变主要在沟道区。,1. 设UDS = 0 ，在栅源之间加负电源 VGG，改变 VGG 大小。观察耗尽层的变化。,UGS = 0 时，耗尽层比较窄，导电沟比较宽,UGS 由零逐渐增大，耗尽层逐渐加宽，导电沟相应变窄。,当 UGS = UGS(off)，耗尽层合拢，导电沟被夹断，夹断电压 UGS(off) 为负值。,2. 在漏源极间加正向 VDD，使 UDS

8、0，在栅源间加负电源 VGG，观察 UGS 变化时耗尽层和漏极 ID 。,UGS = 0，UDG ，ID 较大。,UGS 0，UDG ，ID 较小。,注意：当 UDS 0 时，耗尽层呈现楔形。,(a),(b),UGS 0,UDG = |UGS(off)|, ID更小, 预夹断,UGS UGS(off) ,UDG |UGS(off)|,ID 0,夹断,(1) 改变 UGS ，改变了 PN 结中电场，控制了 ID ，故称场效应管或电压控控元件； (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。,(c),(d),三、特性曲线,1. 转移特性(N

9、 沟道结型场效应管为例),图 3.10转移特性,UGS = 0 ，ID 最大；UGS 愈负，ID 愈小；UGS = UP，ID 0。,两个重要参数,饱和漏极电流 IDSS(UGS = 0 时的 ID),夹断电压 UGS（off)(ID = 0 时的 UGS),1. 转移特性,2. 漏极特性,当栅源 之间的电压 UGS 不变时，漏极电流 ID 与漏源之间电压 UDS 的关系，即,结型场效应管转移特性曲线的近似公式：,恒流区,可变电阻区,漏极特性也有三个区：可变电阻区、恒流区和击穿区。,2. 漏极特性,图 3.13(b)漏极特性,场效应管的两组特性曲线之间互相联系，可根据漏极特性用作图的方法得到相

10、应的转移特性。,UDS = 常数,UDS = 15 V,结型场效应管栅极基本不取电流，其输入电阻很高，可达 107 以上。如希望得到更高的输入电阻，可采用绝缘栅场效应管。,图 3.14在漏极特性上用作图法求转移特性,综上分析可知,沟道中只有一种类型的多子参与导电， 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随vDS增长而线性增长；预夹断后， iD趋于饱和。,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。,end,结型场效应管的缺点：,1. 栅源极间的电阻虽然可达107以上，但在某些场合仍嫌不够高。,3. 栅源极间的PN结

11、加正向电压时，将出现较大的栅极电流。,绝缘栅场效应管可以很好地解决这些问题。,2. 在高温下，PN结的反向电流增大，栅源极间的电阻会显著下降。,表 1-2各类场效应管的符号和特性曲线,各类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？,不同FET类型对偏置电压的要求,PMOS,双极型和场效应型三级管的比较,双极型和场效应型三级管的比较,场效应管的特点：,1. 场效应管是电压控制元件；,2. 栅极几乎不取用电流，输入电阻非常高；,3. 一种极性的载流子导电，噪声

12、小，受外界温度及辐射影响小；,4. 制造工艺简单，有利于大规模集成；,5. 跨导较小，电压放大倍数一般比三极管低。,3.3 场效应管的主要参数,IDSS是耗尽型和结型场效应管的一个重要参数, 它的定义是当栅源之间的电压UGS等于零, 而漏、源之间的电压UDS大于夹断电压UP时对应的漏极电流。,3.3.1 直流参数,1. 饱和漏极电流IDSS,2. 夹断电压UP, UP也是耗尽型和结型场效应管的重要参数, 其定义为当UDS一定时,使ID减小到某一个微小电流(如1A, 50A)时所需的UGS值。 ,UT是增强型场效应管的重要参数, 它的定义是当UDS一定时, 漏极电流ID达到某一数值(例如10A)

13、时所需加的UGS值。,3. 开启电压UT,4. 直流输入电阻RGS,RGS是栅、源之间所加电压与产生的栅极电流之比。由于栅极几乎不索取电流, 因此输入电阻很高。 结型为106 以上, MOS管可达1010以上。 ,3.3.2 交流参数,跨导gm的单位是mA/V。它的值可由转移特性或输出特性求得。,1. 低频跨导gm,2. 极间电容,场效应管三个电极之间的电容,包括CGS、CGD和CDS。这些极间电容愈小, 则管子的高频性能愈好。 一般为几个pF。,3.3.3 极限参数1.漏极最大允许耗散功率PDmPDm与ID、UDS有如下关系:,这部分功率将转化为热能, 使管子的温度升高。PDm决定于场效应管

14、允许的最高温升。 ,2.漏、源间击穿电压BUDS 在场效应管输出特性曲线上, 当漏极电流ID急剧上升产生雪崩击穿时的UDS。工作时外加在漏、源之间的电压不得超过此值。,3. 栅源间击穿电压BUGS,结型场效应管正常工作时, 栅、源之间的PN结处于反向偏置状态, 若UGS过高, PN结将被击穿。,三种基本组态：共源(CS)、共漏(CD)和共栅(CG),场效应管组成放大电路的原则和方法与三极管相同：为使场效应管正常工作，各电极间必须加上合适的偏置电压；为了实现不失真放大，也同样需要设置合适且稳定的静态工作点。,场效应管是一种电压控制器件，只需提供栅偏压，而不需要提供栅极电流，所以它的偏置电路有其自

15、身的特点。,二、场效应管放大电路,1）基本共源极放大电路,图 3.15共源极放大电路原理电路,与双极型三极管对应关系,b G , e S , c D,为了使场效应管工作在恒流区实现放大作用，应满足：,图示电路为 N 沟道增强型 MOS 场效应管组成的放大电路。,(UT：开启电压),一、静态分析,两种方法,近似估算法,图解法,(一) 近似估算法,MOS 管栅极电流为零，当 uI = 0 时,UGSQ = VGG,而 iD 与 uGS 之间近似满足,(当 uGS UT),式中 IDO 为 uGS = 2UT 时的值。,则静态漏极电流为,(二) 图解法,图 3.7.4用图解法分析共源极放大电路的 Q

16、 点,VDD,IDQ,UDSQ,Q,利用式 uDS = VDD - iDRD 画出直流负载线。,图中 IDQ、UDSQ 即为静态值。,图 3.16 场效应管共源放大电路,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？,图 3.17分压偏置式共源放大电路,3分压自偏压式共源放大电路,一、静态分析,(一)近似估算法,根据输入回路列方程,图 3.17分压 - 自偏式共源放大电路,解联立方程求出 UGSQ 和 IDQ。,列输出回路方程求 UDSQ,UDSQ = VDD IDQ(RD + RS),(二)图解法,由式,可做出一条直线，另外，iD 与 uGS

17、之间满足转移特性曲线的规律，二者之间交点为静态工作点。确定 UGSQ， IDQ 。,根据漏极回路方程,在漏极特性曲线上做直流负载线， 与 uGS = UGSQ 的交点确定 Q，由 Q 确定 UDSQ 和 IDQ值。,UDSQ,uDS = VDD iD(RD + RS),VDD,Q,IDQ,Q,IDQ,UGSQ,UGQ,图 3.18用图解法分析图 3.17电路的 Q 点,【例1】,已知VDD=18V，Rs=1 k，Rd=3 k，Rg=3 M，耗尽型MOS管的VP= -5 V，IDSS=10 mA。试用估算法求电路的静态工作点。,解：,不合题意，舍去。,【例2】,解：,栅极回路有:,设VDD=15

18、V ， Rd=5 k ， Rs=2.5 k ， R1=200 k，R2=300 k，Rg=10 M，RL=5 k，并设电容C1、C2和Cs足够大。试用图解法分析静态工作点Q，估算Q点上场效应管的跨导gm。,由图可得VGSQ=3.5V，IDQ=1mA。,由转移特性得:开启电压VT=2V；当VGS=2VT=4V时，ID=IDO=1.9mA。,由图可求得静态时的VDSQ=7.5V。,输出回路列出直流负载线方程：VDS=VDD-ID(Rd+Rs)=15-7.5ID,【例3】,为增强型NMOSFET设计偏置电路。设VT=2 V，IDO =0.65 mA，其余电路参数如图中所示。要求工作在放大区，ID=0

19、.5mA,且流过偏置电阻R1和R2的电流约为0.1ID，试选择偏置电阻R1和R2的阻值。,解：,假设MOS管工作在放大区(即饱和区)。,(舍去),MOS工作在放大区，假设正确。,取标称值：R2=100 k，R1=110 k。,验证假设是否成立：,二、场效应管线性与开关,电压传输特性,FET除了与三极管一样用作放大器和可控开关外，还可用作压控电阻。,BCQD段：VTvGS6V，FET工作在恒流区（放大区）内。,例如,用作放大器,EFG段：vGS6V ，FET工作在可变电阻区，vO0,AB段：vGSVT， FET工作在截止区，vOVDD,输入一个快速变化的矩形波，则FET交替工作在截止区和可变电阻

20、区。,用作可控开关,当vGS=9V时，工作点移至F点，MOS管工作于可变电阻区，vDS=0.2V，相当于开关接通；当vGS=0V时，工作点移至A，MOS管截止，vDS=12V, iD=0,相当于开关断开。,用作压控电阻,在可变电阻区，iD随vDS近似线性增加，且 vDS与iD的比值(即RDS)受vGS控制，等效为压控电阻。,电路,vDS较低时（+1VvDS-1V)的输出特性,RDS与vGS的关系,小 结,结型有N沟道和P沟道两种， N沟道在UGS0下工作,绝缘栅场效应管有N沟道增强型、 N沟道耗尽型、 P沟道增强型、P沟道耗尽型四种类型。增强型不存在原始导电沟道，UGS只在单一极性或正或负工作；而耗尽型存在原始沟道，UGS可正可负。,2. 场效应管是单极型电压控制器件，具有输入电阻高，一 般可达109。,