模电课件：4第四章场效应管及其基本放大电路.ppt

1、第4章 场效应管及其基本放大电路 第4章 场效应管及其基本放大电路 4.1 金属-氧化物-半导体（MOS）场效应管 4.2 场效应管放大电路 4.3结型场效应管（JFET） 4.4各种场效应管特性的比较以及与双极型管的比较FET分类分类金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应管（半导体场效应管（MOSFET）即）即绝缘栅型场效应管（绝缘栅型场效应管（MOS管）管）结型场效应管（结型场效应管（JFET）单极单极型晶体管型晶体管仅靠半导体中的多数载流子导电仅靠半导体中的多数载流子导电噪声小、抗辐射能力强、低电压工作、低能耗噪声小、抗辐射能力强、低电压工作、低能耗场效应晶体管场效应晶体管(Field E

2、ffect Transistor, FET)：利用电场：利用电场效应来控制其电流大小的半导体器件。效应来控制其电流大小的半导体器件。FET特点特点第4章 场效应管及其基本放大电路 重点：增强型MOSFET 场效应管有三个极：源极（场效应管有三个极：源极（s）、栅极（）、栅极（g）、漏极（）、漏极（d），）， 对应于晶体管的：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，有三个工作区域：截止区、恒流区、可变电阻区，对应于晶体管的：截止区、放大区、饱和区。对应于晶体管的：截止区、放大区、饱和区。 场效应管具有制造工艺简单、占用芯片面积小、器件特场效应管具有制造工艺简

3、单、占用芯片面积小、器件特性便于控制等特点，从而可以用于制造高密度的超大规模性便于控制等特点，从而可以用于制造高密度的超大规模集成电路。集成电路。第4章 场效应管及其基本放大电路 N沟道增强型沟道增强型MOS管管 绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管MOSFET分为分为增强型增强型MOS管管 N沟道、沟道、P沟道沟道耗尽型耗尽型MOS管管 N沟道、沟道、P沟道沟道4.1.1 增强型增强型MOS管管1. 1. 结构（结构（N N沟道）沟道）耗尽层耗尽层漏极漏极D利用扩散的方法制作两个高掺杂的利用扩散的方法制作两个高掺杂的N型区型区4.1 金属-氧化物-半导体（MOS）场效应管低掺杂的低掺杂的P型硅片

4、衬底型硅片衬底在在P型硅表面制作一层型硅表面制作一层SiO2绝缘层绝缘层源极源极S铝电极，铝电极，栅极栅极G1. 结构剖面图剖面图图中衬底箭头方向是图中衬底箭头方向是PN结正结正偏时的正向电流方向偏时的正向电流方向 uGS=0时，无导电沟道，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，增强型FET空穴空穴uGS增大增大,耗尽层增耗尽层增宽宽,且形成且形成反型层反型层大到一定大到一定值才开启值才开启(1) uDS=0时，时，uGS对导电沟道的影响对导电沟道的影响增强型增强型2.工作原理电场排斥空穴，剩下不能移动排斥空穴，剩下不能移动的负离子区，形成耗尽层的负

5、离子区，形成耗尽层iDiD iD随随uDS的的增大而增增大而增大，可变电阻区大，可变电阻区 uGDUth,预夹断预夹断 iD趋于趋于饱和饱和，几乎仅，几乎仅仅受控于仅受控于uGS，恒流区，恒流区刚出现夹断刚出现夹断uDS的的增大几乎全部用增大几乎全部用来克服夹断区的电阻来克服夹断区的电阻iDDSGSthuuU （2）uDS对iD的影响uDSDS I ID D 沟道电位梯度沟道电位梯度 整个沟道呈整个沟道呈楔形分布楔形分布靠近漏极靠近漏极d d处的电位升高处的电位升高电场强度减小电场强度减小预夹断后，预夹断后，uDS 夹断区延长夹断区延长沟道电阻沟道电阻 iD基本不变基本不变uDS=uGS-Ut

6、h（2）UDS对ID的影响 uDS一定，一定，uGS变化时，变化时， iD 给定一个给定一个uGS ，就有一条不同的就有一条不同的 iD uDS 曲线曲线。（3） uDS和uGS同时作用时N N沟道增强型沟道增强型MOS管的输出特性曲线管的输出特性曲线GSDDS()uif u 常常数数（1）输出特性曲线）输出特性曲线 截止区截止区当当uGSUthuDS（uGSUth） 直线斜率的倒数为直线斜率的倒数为D-S间的等间的等效电阻效电阻 ,改变改变 uGS来改变漏来改变漏-源源电阻的阻值电阻的阻值(压控电阻）压控电阻） 3伏安特性曲线与电流方程iD近似为电压近似为电压uGS控制的电流控制的电流源源

7、,与与uDS基本无关，恒流区基本无关，恒流区 饱和区饱和区（恒流区又称放大区）（恒流区又称放大区）GSthuUDSGSthuuU利用场效应管作利用场效应管作放大管时，应使放大管时，应使其工作在该区域其工作在该区域 （1）输出特性曲线DSDGS()uif u 常常数数2DGSth()iK uU K为常数，由场效应管结构决定 抛物线 （2）转移特性4.1.2 耗尽型MOS管 1结构结构uGS=0时就存时就存在导电沟道在导电沟道衬底箭头方向是衬底箭头方向是PN结正结正偏时的正向电流方向偏时的正向电流方向 小到一定小到一定值才夹断值才夹断 耗尽型耗尽型MOS管在管在 uGS0、 uGS 0、 uGS

8、0时均可导时均可导通，由于通，由于SiO2绝缘层的存在，在绝缘层的存在，在uGS0时仍保持时仍保持g-s间电阻间电阻非常大的特点。非常大的特点。2伏安特性2DGSth()iK uU UP2DPDSSiKUI 2GSDDSSp1uiIU1)增强型增强型MOS管管2)耗尽型耗尽型MOS管管开启电压开启电压夹断电压夹断电压小结：MOS管的特性2GSDDSSp1uiIU2GS(th)GSDOD)1( UuIi在恒流区时：在恒流区时：式中式中IDO为为uGS=2UGS(th)时的时的iD2DGSth()iK uU16 根据场效应管工作在恒流区的条件，在根据场效应管工作在恒流区的条件，在g-s、d-s间加

9、极性合适的电源间加极性合适的电源dDQDDDSQ2GS(th)BBDODQBBGSQ)1(RIVUUVIIVU 1. 1. 基本共源放大电路基本共源放大电路4.2.1 场效应管的直流偏置及静态分析场效应管的直流偏置及静态分析4.2 场效应管放大电路17sDQSQGQGSQsDQSQGQ0RIUUURIUU ，)(sdDQDDDSQRRIVU 由正电源获得负偏由正电源获得负偏称为自给偏压称为自给偏压2. 自给偏压电路22GSQDQSDQDSSDSSpp11UIRIIIUU 18 4.2 场效应管放大电路【例4.2.1】 d6kR s1kR g1.2MR VDD=15V 其转移特性曲线如图所示。其

10、转移特性曲线如图所示。 试求试求IDQ、UGSQ及及UDSQ的值。的值。22GSQGSQDQDSSPGSQDQSDQ12.3131UUIIUUIRI 解：解：由图可读得：由图可读得：IDSS = 2.3mA、UP = 3V。列方程组列方程组解得两个解：解得两个解：IDQ1 = 1.01mA、IDQ2 = 8.9mA，其中，其中IDQ2IDSS，不合实际，舍去。故，不合实际，舍去。故V01. 1mA01. 1GSQDQUI93. 7) 16(01. 115)(SdDQDDDSQRRIVU即典型的即典型的Q点稳定电路点稳定电路适合任何类型的场适合任何类型的场效应管构成的放大效应管构成的放大电路。电

11、路。为什么加为什么加Rg3?其数值应大些小些？其数值应大些小些？3. 分压式偏置电路sDQSQDDg2g1g1AQGQRIUVRRRUU )(sdDQDDDSQRRIVU 3. 分压式偏置电路g1GSQGQSQDDDQSg1g2RUUUVIRRR 2thGSQDQ)(UUKI 或或2GS(th)GSDOD)1( UuIi21 【例例4.2.3】 图所示电路中图所示电路中N沟道增强型沟道增强型MOSFET的参数为：的参数为：Uth = 1V，Kn = 0.5mA/V2。求。求UGSQ，UDSQ，IDQ。解：解：V65. 2GSQ UV65. 2GSQ UmA36. 1DQ IV92. 5)12(

12、36. 110)(dDQDDDSQ RRIVU解得：解得：因为是因为是N沟道增强型沟道增强型MOSFET，舍去负值得：，舍去负值得：3. 分压式偏置电路g2GSQDDDQDQg1g222DQnGSQthGSQ20103020()0.5(1)RUVIRIRRIK UUU【例例4.2.4】图图4.2.7所示电路中所示电路中P沟道增强型沟道增强型MOSFET的参数为的参数为：Uth =0.8V，Kp = 0.2mA/V2。求。求UGSQ，UDSQ，IDQ。(P109)2DpGSth()IK UU 解：解：g2GDDg1g25052.5(V)5050RVVRRGSGSGDD2.552.5(V)UVVV

13、V 22DpGSth()0.2 ( 2.50.8)0.578(mA)IK UU DSDdDD( 0.578 7.5)50.665(V)UI RV DSGSP0.665(V)()2.50.81.7(V)UUU 由于由于因而，没有工作在放大区，而是工作在线性电阻区因而，没有工作在放大区，而是工作在线性电阻区 3. 分压式偏置电路 在线性电阻区在线性电阻区 3. 分压式偏置电路22DpGSthDSDSDSDS2()0.22( 2.50.8)IKUUUUUU 22DDSDSDSDS0.2( 3.4)0.20.68IUUUU DSDdDDD7.55UI RVI 联立求解得联立求解得D1D2DS1DS20

14、.515 mA0.276 mA1.14 V2.93 VIIUU （）或（）（ ）或（ ）DSGSP()1.7(V)UUU DS22.93VU DQ0.515 mAI （）DSQ1.14 VU （ ）GSQ2.5(V)U 在电阻区需要满足在电阻区需要满足所以舍去所以舍去一组解，因此一组解，因此，1场效应管的微变等效电路场效应管的微变等效电路输入回路中，由于栅输入回路中，由于栅-源极之间呈现很高的电阻，基本不从源极之间呈现很高的电阻，基本不从信号源索取电流，故可认为栅信号源索取电流，故可认为栅-源间近似开路。源间近似开路。dmgsig u 因而可认为输出回路是一个电压控制的电流源。因而可认为输出回

15、路是一个电压控制的电流源。rds是输出特性曲是输出特性曲线在静态工作点线在静态工作点上斜率的倒数，上斜率的倒数，相当于晶体管的相当于晶体管的rce，其数值通常，其数值通常比较大，可以认比较大，可以认为是开路。为是开路。在输出回路中，漏极电流仅仅决定于栅在输出回路中，漏极电流仅仅决定于栅-源电压，满足源电压，满足4.2.2场效应管的微变等效电路场效应管的微变等效电路1场效应管的微变等效电路DSGSDmUuig （1）对于耗尽型管）对于耗尽型管 在静态工点处，用在静态工点处，用IDQ代入得代入得 （2）对于增强型管）对于增强型管 gm反映了反映了uGS对对iD的控制能力，一般在十分之几至几的控制能

16、力，一般在十分之几至几mS，有的可达，有的可达100mS，甚至更高。甚至更高。 gm与与Q点密切相关，与晶体管放大电路一样，点密切相关，与晶体管放大电路一样，Q点不仅影响电点不仅影响电路是否会产生失真，而且影响着电路的动态参数。路是否会产生失真，而且影响着电路的动态参数。根据根据iD的表达式或转移特性可求得的表达式或转移特性可求得gm。DSDSDSSGSDmDSS DGSppp221uuIuigIiuUUU 2GSDDSSP(1)uiIUDSSDQmp2 IIgU DQmnGSQthnnDQ2()22nIgKUUKK IK2DnGSth()iKuU低频互导低频互导1场效应管的微变等效电路 交流

17、输出电阻交流输出电阻 GSDSdsDuuri 常常ADSQAdsDQDQDQ1VUVABrIIIQB沟道长度调制效应沟道长度调制效应rds与与VA的关系的关系 厄尔利电压，一厄尔利电压，一般为般为30200V沟道长度沟道长度调制参数调制参数 输出电阻分析输出电阻分析4.2.3 共源放大电路的动态分析gs0U ogsgsmdLmL(/)Ug URRg UR oumdLmLi(/)UAgRRg RU LLd/RRR igRR gsm0g U odURRI igsUU 28 MOS管的管的K = 0.5mA/V2（1）求静态工作点）求静态工作点Q；（2）求）求解解：（：（1）根据直流通路）根据直流通

18、路,有有 【例例4.2.5】在图（在图（a）所示）所示电路中，已知电路中，已知15DDVV150g1kR300g2kR2g3MR5dkR 500SR 5LkR 2thVUuAiRoRg1GSQDDDQSDQDQg1g2150150.550.5150300RUVIRIIRR2GSQ2thGSQDQ)2(5 . 0)( UUUKI4.2.3 共源极放大电路的动态分析共源极放大电路的动态分析29 GSQ4VU 解解：联立求解，得出联立求解，得出舍去负值，得出合理解为舍去负值，得出合理解为g1GSQDDDQSg1g2DQDQ150150.515030050.5RUVIRRRII 2DQGSQth2GS

19、Q()0.5(2)IK UUUGSQDQ4(V),2(mA)UIDSQDDDQdS()152(50.5)4(V)UVIRR4.2.3 共源极放大电路的动态分析30mGSQth2()2 0.5(42)2(mS)gK UU2 555oumdLi(/)( / )UAgRRU 20 150 32 1ig3g1g2/( ./ . ). (M)RRRR5od(k)RR低频等效跨导为低频等效跨导为（2）画出放大电路的微变等效电路31 求求【例例4.2.6】参数同例参数同例4.2.5.但没有旁路电容但没有旁路电容CS，电路如图电路如图uAiRoR4.2.3 共源极放大电路的动态分析共源极放大电路的动态分析解解

20、：微变等效电路如下图所示：微变等效电路如下图所示 omdLumsi(/)2(5/5)2.51+g120.5gRRUARU ig3g1g2/2.1(M)RRRRod5(k)RR4.2.4 共漏极放大电路的动态分析g1GSQDDDQSg1g22GSQDQDSSpDSQDDDQS1RUVIRRRUIIUUVIR ogsmSigsgsmSUg URUUg UR omSumSi1g RUAg RU ig3g1g2/ /RRRR(2)动态分析，画出微变等效电路动态分析，画出微变等效电路(1)静态工作点的计算方静态工作点的计算方法与共源极电路类似法与共源极电路类似共漏放大电路共漏放大电路也称为也称为源极输出

21、器或源极跟源极输出器或源极跟随器。随器。由于由于共共漏极放大电路的漏极放大电路的特点特点与共集电极与共集电极放大放大电路相似。但输入电阻远大于电路相似。但输入电阻远大于共集电极放大电路输入电阻，输出共集电极放大电路输入电阻，输出电阻也更大，电压跟随作用更差。电阻也更大，电压跟随作用更差。分析共漏极放大电路的输出电阻分析共漏极放大电路的输出电阻(3)求输出电阻 采用外加电源法求输出电采用外加电源法求输出电阻，将输入端短路，在输出阻，将输入端短路，在输出端加交流电压源端加交流电压源 RSgsgsmmSUIIg Ug UR gsUU mSUIg UR oSmmS11/ /1URRggIR 4.2.4

22、 共漏极放大电路的动态分析usAoR【例例4.2.7】电路如图（电路如图（a）所示，已知场效应管参数）所示，已知场效应管参数Uth=1.6V，Kn= 4mA/V2，=0.01V-1，求，求解：解：（1）直流分析）直流分析g2GSQDDDQSDQDQg1g24001219.6100400RUVIRIIRR 22DQnGSQthGSQ()4(1.6)IK UUUGSQDQ2.9(V),6.7(mA)UI得出合理解为得出合理解为mnGSQth2()10.4(mS)gK UUdsDQ114.9(k)rI画微变等效电路如图(b)所示。ogsmSdsigsgsmSds(/)(/)Ug URrUUg URr

23、omSdsumSdsi(/)10.4(1/14.9)0.9071(/)1 10.4(1/14.9)gRrUAgRrUig1g2/100/40080(k)RRRoiusuigs800.9070.85805RUAARRUodsSm11/14.9/1/87.2( )10.4RrRg（2）交流分析导电导电沟道沟道1. 1. 结构结构JFET属于耗尽型一类。属于耗尽型一类。4.3 结型场效应管（JFET）耗尽层很窄、耗尽层很窄、导电沟道最宽导电沟道最宽耗尽层加宽、沟道变耗尽层加宽、沟道变窄、沟道电阻增大窄、沟道电阻增大 耗尽层闭合、沟耗尽层闭合、沟道消失称为夹断道消失称为夹断UPuGS由零往负由零往负向

24、增加时向增加时|uGS|进一步增加到进一步增加到某一定值某一定值|up|时时 上述分析表明，改变上述分析表明，改变uGS的大小，就可以改变沟道宽窄，即导电沟的大小，就可以改变沟道宽窄，即导电沟道的电阻，从而控制道的电阻，从而控制 iD的大小。这与的大小。这与MOS场效应管是一样的场效应管是一样的（1） JFET uDS=0时，栅时，栅-源电压源电压uGS对导电沟道宽度的控制作用对导电沟道宽度的控制作用2. 工作原理uDS=0,uGS=0uGSUGS（off）且不变，且不变，uDS增大，增大，iD增大。增大。预夹断预夹断uGDUGS（off）随着随着uDS的再增大，夹断区加长，的再增大，夹断区加

25、长， uDS的增的增大几乎全部用来克服沟道的电阻，大几乎全部用来克服沟道的电阻，iD几乎不几乎不变，进入恒流区，变，进入恒流区，iD几乎仅仅决定于几乎仅仅决定于uGS。场效应管工作在恒流区的条件是什么场效应管工作在恒流区的条件是什么？uGDUGS（off）uGDUGS（off）（2）漏-源电压对漏极电流的影响GS(off)pUU UP uGS IDSS，不合实际，舍去。故，不合实际，舍去。故4.3 结型场效应管（JFET） )0(P)0(N)00(P)00(N)00(P)00(NDSGSDSGSDSGSDSGSDSGSDSGS极极性性任任意意，沟沟道道极极性性任任意意，沟沟道道耗耗尽尽型型，沟

26、沟道道，沟沟道道增增强强型型绝绝缘缘栅栅型型，沟沟道道，沟沟道道结结型型场场效效应应管管uuuuuuuuuuuu问题：问题：uGS=0可工作在恒流区的场效应管有哪几种？可工作在恒流区的场效应管有哪几种？ 只有只有uGS0才可能工作在恒流区的场效应管有哪几种？才可能工作在恒流区的场效应管有哪几种？ 只有只有uGS0才可能工作在恒流区的场效应管有哪几种？才可能工作在恒流区的场效应管有哪几种？ 工作在恒流区时工作在恒流区时g-s、d-s间的电压极性间的电压极性 4.4各种场效应管特性的比较以及与双极型管的比较4.4.1 各种场效应管的特性比较各种场效应管的特性比较各种场效应管的特性比较（1） 结构类

27、型结构类型 工作工作方式方式 电电 路路 符符 号号 转移特性曲线转移特性曲线 输出特性曲线输出特性曲线 绝缘栅绝缘栅(MOSFET)N沟道沟道 增增强强型型 耗耗尽尽型型 各种场效应管的特性比较（2） 结构类型结构类型 工作工作方式方式 电电 路路 符符 号号 转移特性曲线转移特性曲线 输出特性曲线输出特性曲线 绝缘栅绝缘栅(MOSFET)P沟道沟道 增增强强型型 耗耗尽尽型型 各种场效应管的特性比较（3） 结构类型结构类型 工作工作方式方式 电电 路路 符符 号号 转移特性曲线转移特性曲线 输出特性曲线输出特性曲线 结型结型(JFET)N沟道沟道耗耗尽尽型型结型结型(JFET)P沟道沟道

28、耗耗尽尽型型 结构结构类型类型 绝缘栅绝缘栅(MOSFET)N沟道沟道 绝缘栅绝缘栅(MOSFET)P沟道沟道 结型结型(JFET)N沟道沟道 结型结型(JFET)P沟道沟道 工作工作方式方式 增强型增强型 耗尽型耗尽型 增强型增强型 耗尽型耗尽型 耗尽型耗尽型 耗尽型耗尽型 电电 路路 符符 号号 转移转移特性特性曲线曲线 输出输出特性特性曲线曲线 各种场效应管的特性比较（4）例例：已知某场效应管的输出特性曲线如图所示。试分析该场：已知某场效应管的输出特性曲线如图所示。试分析该场效应管是什么类型的场效应管（结型、绝缘栅型、效应管是什么类型的场效应管（结型、绝缘栅型、N沟道、沟道、P沟道、增强

29、型、耗尽型）。沟道、增强型、耗尽型）。 所以，该管为所以，该管为N沟道增沟道增强型强型MOS管。管。解：解： 从从iD的方向或的方向或uDS、uGS可知，可知，该管为该管为N沟道管。沟道管。 从输出特性曲线可知，开从输出特性曲线可知，开启电压启电压Uth=40，说明该管为，说明该管为增强型增强型MOS管。管。 4.4各种场效应管特性的比较以及与双极型管的比较讨论：利用图示场效应管组成原理性共源放大电路。利用图示场效应管组成原理性共源放大电路。 4.4各种场效应管特性的比较以及与双极型管的比较4.4.2 MOSFET与双极型晶体管的比较4.4.2 MOSFET与双极型晶体管的比较组态对应关系：组

30、态对应关系：CEBJTFETCSCCCDCBCG电压增益：电压增益：BJTFETbeLc)/(rRR )/)(1()/()1(LebeLeRRrRR beLc)/(rRR CE：CC：CB：)/(LddsmRRrg )/(1)/(LdsmLdsmRRrgRRrg dsLdLddsm/1)/)(1(rRRRRrg CS：CD：CG：4.4.2 MOSFET与双极型晶体管的比较beb/rR输出电阻：输出电阻：cR )/)(1(/LebebRRrR 1)/(/bebserRRR 1/beerRcRBJTFET输入电阻：输入电阻：CE：CC：CB：CS：CD：CG：很高很高m1/gR很高很高CE：CC

31、：CB：CS：CD：CG：dds/ Rrmds1/gRrdds/ Rr4.4.2 MOSFET与双极型晶体管的比较 解：解：画中频小信号等效电路画中频小信号等效电路放大电路如图所示。已知放大电路如图所示。已知，mS 18m g，100 试求电路的增益、试求电路的增益、输入电阻和输出电阻。输入电阻和输出电阻。， k 1ber例题giRR coRR M 5则电压增益为则电压增益为sgiRRR 由于由于则则 k 20iusiRARR u128.6A 根据电路有根据电路有gsmgs2iUUg U Rmgsbbbg UIIIobcmgscUI Rg U R ousmsUAU128 6omcuim2.1Ug RAUg R 例题