中北大学模电场效应管及其基本放大电路课件.ppt

1、模 拟 电 子 技 术3.1 3.1 结型场效应管结型场效应管3.3 3.3 场效应管放大电路场效应管放大电路3.2 3.2 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管模 拟 电 子 技 术 引言引言3.1.1 结型场效应管的结构及类型3.1.3 结型场效应管的伏安特性3.1.2 结型场效应管的工作原理3.1.4 结型场效应管的主要参数模 拟 电 子 技 术引引 言言场效应管场效应管 FET(Field Effect Transistor)类型：类型：增强型增强型耗尽型耗尽型绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管(IGFET)结型场效应管结型场效应管(JFET)场效应管场效应管(FET)N沟道沟道P沟道沟道N沟道

2、沟道P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道模 拟 电 子 技 术特点：特点：1.单极性器件单极性器件(一种载流子导电一种载流子导电)3.工艺简单、易集成、功耗小、工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低体积小、成本低2.输入电阻高输入电阻高 (107 1015 ，IGFET 可高达可高达 1015 )模 拟 电 子 技 术3.1 结型场效应管结型场效应管 3.1.1 结型场效应管的结构及类型结型场效应管的结构及类型N 沟道沟道 JFETP 沟道沟道 JFET模 拟 电 子 技 术3.1.2 结型场效应管的工作原理结型场效应管的工作原理1.当当uDS=0时，栅源电压时，栅源电压uGS对导电沟道的控制作用

3、对导电沟道的控制作用 uGS=0 UGS（off）uGS 0 此时此时 uGD=UGS(off)；沟道楔型沟道楔型耗尽层刚相碰时称耗尽层刚相碰时称预夹断。预夹断。当当 uDS ，预夹断预夹断点点下移。下移。模 拟 电 子 技 术3.1.3 结型场效应管的伏安特性结型场效应管的伏安特性1.输出特性输出特性 常数GS)(DSDuufi模 拟 电 子 技 术2GS(off)GSDSSD)1(UuIi 2.转移特性转移特性 常数DS)(GSDuufiUGS(off)uGS0和管子工作在恒流区的条件下和管子工作在恒流区的条件下 模 拟 电 子 技 术3.1.4 结型场效应管的主要参数结型场效应管的主要参

4、数1.直流参数直流参数(1)夹断电压夹断电压UGS（off）指指 uDS=某值，使漏极电流某值，使漏极电流 iD 为某一小电流时的为某一小电流时的 uGS 值。值。结型型场效应管，当结型型场效应管，当 uGS=0 时所对应的漏极电流。时所对应的漏极电流。(2)饱和漏极电流饱和漏极电流IDSS模 拟 电 子 技 术(3)直流输入电阻直流输入电阻RGS(DC)是指漏源电压为零时，栅源电压与栅极电流是指漏源电压为零时，栅源电压与栅极电流之比。结型场效应管的之比。结型场效应管的RGS(DC)一般大于一般大于107。常数常数 DSGSDmUuig 反映了反映了uGS 对对 iD 的控制能力，单位的控制能

5、力，单位 S(西门子西门子)。一般为几一般为几毫西毫西(mS)uGS/ViD/mAQO2.交流参数交流参数(1)低频跨导低频跨导gm 模 拟 电 子 技 术(2)极间电容极间电容 CGS约为13pF，而CGD约为0.11pF 3.极限参数极限参数(1)最大漏极电流最大漏极电流IDM(2)最大漏源电压最大漏源电压U(BR)DS(3)最大栅源电压最大栅源电压U(BR)GS(4)最大耗散功率最大耗散功率PDM PDM=uDS iD，受温度限制。，受温度限制。模 拟 电 子 技 术3.2 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管MOS 场效应管场效应管（绝缘栅场效应管（绝缘栅场效应管）N沟道绝缘栅场效应管沟道绝缘

6、栅场效应管P沟道绝缘栅场效应管沟道绝缘栅场效应管增强型增强型耗尽型耗尽型增强型增强型耗尽型耗尽型模 拟 电 子 技 术1、增强型、增强型 N 沟道沟道 MOSFET (Mental Oxide Semi FET)1.结构与符号结构与符号P 型衬底型衬底(掺杂浓度低掺杂浓度低)N+N+用扩散的方法用扩散的方法制作两个制作两个 N 区区在硅片表面生一在硅片表面生一层薄层薄 SiO2 绝缘层绝缘层S D用金属铝引出用金属铝引出源极源极 S 和漏极和漏极 DG在绝缘层上喷金在绝缘层上喷金属铝引出栅极属铝引出栅极 GB耗耗尽尽层层S 源极源极 SourceG 栅极栅极 Gate D 漏极漏极 Drain

7、SGDB3.2.1 增强型增强型MOS管管模 拟 电 子 技 术2.工作原理工作原理反型层反型层(沟道沟道)(1)导电沟道的形成导电沟道的形成uGS=0 uGS0 且且uGSUGS(th)模 拟 电 子 技 术1)uGS 对导电沟道的影响对导电沟道的影响(uDS=0)a.当当 UGS=0，DS 间为两个背对背的间为两个背对背的 PN 结；结；b.当当 0 UGS UGS(th)DS 间的电位差使间的电位差使沟道呈楔形，沟道呈楔形，uDS，靠近漏极端的沟道厚靠近漏极端的沟道厚度变薄。度变薄。预夹断预夹断(UGD=UGS(th)：漏极附近反型层消失。漏极附近反型层消失。预夹断发生之前：预夹断发生之

8、前：uDS iD。预夹断发生之后：预夹断发生之后：uDS iD 不变。不变。模 拟 电 子 技 术(1)输出特性输出特性 GS)(DSDUufi 可变电阻区可变电阻区uDS UGS(th)时：时：2GS(th)GSDOD)1(UuIiuGS=2UGS(th)时的时的 iD 值值开启电压开启电压O模 拟 电 子 技 术二、耗尽型二、耗尽型 N 沟道沟道 MOSFETSGDB Sio2 绝缘层中掺入正离子在绝缘层中掺入正离子在 uGS=0 时已形成时已形成沟道；在沟道；在 DS 间加正电压时形成间加正电压时形成 iD，uGS UGS(off)时，全夹断。时，全夹断。模 拟 电 子 技 术输出特性输

9、出特性uGS/ViD/mA转移特性转移特性IDSSUGS(off)夹断夹断电压电压饱和漏饱和漏极电流极电流当当 uGS UGS(off)时，时，2(off)1(GSGSDSSDUuIi uDS/ViD/mAuGS=4 V 2 V0 V2 VOO模 拟 电 子 技 术三、三、P 沟道沟道 MOSFET增强型增强型耗尽型耗尽型SGDBSGDB模 拟 电 子 技 术N 沟道沟道增强型增强型SGDBiDP 沟道沟道增强型增强型SGDBiD2 2 OuGS/ViD/mAUGS(th)SGDBiDN 沟道耗尽沟道耗尽型型iDSGDBP 沟道耗尽沟道耗尽型型UGS(off)IDSSuGS/ViD/mA 5

10、O5FET 符号、特性的比较符号、特性的比较模 拟 电 子 技 术O uDS/ViD/mA5 V2 V0 V2 VuGS=2 V0 V 2 V 5 VN 沟道结沟道结型型SGDiDSGDiDP 沟道结沟道结型型uGS/ViD/mA5 5 OIDSSUGS(off)O uDS/ViD/mA5 V2 V0 VuGS=0 V 2 V 5 V模 拟 电 子 技 术3.1.3 场效应管的主要参数场效应管的主要参数1.开启电压开启电压 UGS(th)(增强型增强型)夹断电压夹断电压 UGS(off)(耗尽型耗尽型)指指 uDS=某值，使漏极某值，使漏极 电流电流 iD 为某一小电流时为某一小电流时 的的

11、uGS 值。值。UGS(th)UGS(off)2.饱和漏极电流饱和漏极电流 IDSS耗尽型场效应管，当耗尽型场效应管，当 uGS=0 时所对应的漏极电流。时所对应的漏极电流。IDSSuGS/ViD/mAO模 拟 电 子 技 术UGS(th)UGS(off)3.直流输入电阻直流输入电阻 RGS 指漏源间短路时，栅、源间加指漏源间短路时，栅、源间加 反向电压呈现的直流电阻。反向电压呈现的直流电阻。JFET：RGS 107 MOSFET：RGS=109 1015IDSSuGS/ViD/mAO模 拟 电 子 技 术4.低频跨导低频跨导 gm 常数常数 DSGSDmUuig反映了反映了uGS 对对 iD

12、 的控制能力，的控制能力，单位单位 S(西门子西门子)。一般为几。一般为几毫西毫西(mS)uGS/ViD/mAQO模 拟 电 子 技 术PDM=uDS iD，受温度限制。，受温度限制。5.漏源动态电阻漏源动态电阻 rds常数常数 GSdDS dsuiur6.最大漏极功耗最大漏极功耗 PDM模 拟 电 子 技 术3.2.3 场效应管与晶体管的比较场效应管与晶体管的比较管子名称管子名称晶体管晶体管场效应管场效应管导电机理导电机理利用多子和少子导电利用多子和少子导电利用多子导电利用多子导电控制方式控制方式电流控制电流控制电压控制电压控制放大能力放大能力高高较低较低直流输入电直流输入电阻阻小小约几约几

13、k大大JFET可达可达107以上以上,MOS可达可达1010稳定性稳定性受温度和辐射的影响较大受温度和辐射的影响较大温度稳定性好、抗辐射能力强温度稳定性好、抗辐射能力强噪声噪声中等中等很小很小结构对称性结构对称性集电极和发射极不对称，不能互集电极和发射极不对称，不能互换换漏极和源极对称，可互换使用漏极和源极对称，可互换使用适用范围适用范围都可用于放大电路和开关电路等都可用于放大电路和开关电路等模 拟 电 子 技 术 【例【例3-1】已知某场效应管的转移特性曲线如图已知某场效应管的转移特性曲线如图3-15 所示，试确定场效应管的类型。所示，试确定场效应管的类型。UGS（th）=2V 为为N沟道增

14、强型沟道增强型MOS管。管。模 拟 电 子 技 术【例【例3-2】电路如图电路如图3-16(a)所示，场效应管的输出特性如所示，场效应管的输出特性如图图3-16(b)所示，分析当所示，分析当uI3V、8V、12V三种情况下场效三种情况下场效应管分别工作在什么区域。应管分别工作在什么区域。解：解：UGS（th）=5V uGSuI 模 拟 电 子 技 术 当当uI3V时，时，uGS小于开启电压，小于开启电压，即即uGSUGS(th)，场效应管导通，假设场效应，场效应管导通，假设场效应管工作在恒流区，根据输出特性可知管工作在恒流区，根据输出特性可知iD0.6mA，则管压降，则管压降 uDSVDDiD

15、Rd=120.63.310V 模 拟 电 子 技 术uGSUGS(th)=8V5V=3V，所以，所以，uDSuGSUGS(th)，说明假设成立，即场效应管工作在恒流区。说明假设成立，即场效应管工作在恒流区。因为：因为：uDS10V模 拟 电 子 技 术当当uI12V时，时，uGSUGS(th)，场效应管导通，场效应管导通，假设假设场效应管工作在恒流区场效应管工作在恒流区 可知，当可知，当UGS=12V时时 iD4mA 模 拟 电 子 技 术则：则：uDS=VDDiDRd=1243.31.2V 而电路实际的而电路实际的uDS0 所以：假设不正确，实际的所以：假设不正确，实际的iD小于小于4mA

16、故场效应管工作在故场效应管工作在可变电阻可变电阻区。区。模 拟 电 子 技 术【例【例3-3】图图3-17所示电路，已知所示电路，已知RD=3.3k，RG=100k，VDD=10V，VGG=2V，场效应管的，场效应管的UGS(off)=5V，IDSS=3mA，试分析场效应管工作在什么区域。试分析场效应管工作在什么区域。解：解：UGSQ=VGG=2VUGS(off)场效应管导通场效应管导通假设假设场效应管工作在场效应管工作在恒流区恒流区 mA08.1)521(3)1(22GS(off)GSQDSSDQUUIIV436.63.308.110DDQDDDSQRIVUUGSQUGS(off)=2(5)

17、=3V UDSQUGSQ UGS(off)假设正确假设正确 模 拟 电 子 技 术3.3.2 场效应管放大电路的动态分析场效应管放大电路的动态分析3.3.1 场效应管放大电路的直流偏置与静态分析场效应管放大电路的直流偏置与静态分析模 拟 电 子 技 术3.2.1 场效应管放大电路场效应管放大电路三种组态：三种组态：共源、共漏、共栅共源、共漏、共栅特点：特点：输入电阻极高，输入电阻极高，噪声低，热稳定性好噪声低，热稳定性好 1.固定偏压放大电路固定偏压放大电路一、电路的组成一、电路的组成（1）合适的偏置）合适的偏置（2）能输入能输出）能输入能输出+VDDRDC2+C1+ui RGGDRL+Uo

18、VGG三种组态：三种组态：共源、共漏、共栅共源、共漏、共栅三种组态：三种组态：共源、共漏、共栅共源、共漏、共栅三种组态：三种组态：共源、共漏、共栅共源、共漏、共栅模 拟 电 子 技 术模 拟 电 子 技 术栅极电阻栅极电阻 RG 的作用：的作用：(1)为栅偏压提供通路为栅偏压提供通路(2)泻放栅极积累电荷泻放栅极积累电荷源极电阻源极电阻 RS 的作用：的作用：提供负栅偏压提供负栅偏压漏极电阻漏极电阻 RD 的作用：的作用：把把 iD 的变化变为的变化变为 uDS 的变化的变化+VDDRDC2CS+uo C1+ui RGRSGSDUGS+VDDRD0C1RGRSGSDIDUDSRL 2.2.自给

19、偏压放大电路自给偏压放大电路模 拟 电 子 技 术2GS(off)GSDSSD)1(UuIIQ UDSQ=VDD IDQ(RS+RD)UGS+VDDRDRGRSGSDIDUDSUGSQ =IDQRS二、静态分析二、静态分析1.估算法估算法模 拟 电 子 技 术2.图解法图解法 在输出特性上作直流负载线在输出特性上作直流负载线)(SDDDDDSRRiVu 作负载转移特性曲线作负载转移特性曲线 作输入回路的直流负载线作输入回路的直流负载线 SDGSRiu 确定静态工作点确定静态工作点 转移特性曲线与输入回路的直转移特性曲线与输入回路的直流负载线的交点即为静态工作点流负载线的交点即为静态工作点Q，Q

20、点对应的横坐点对应的横坐标值即为标值即为UGSQ，纵坐标值即为，纵坐标值即为IDQ，再根据，再根据IDQ在在输出特性曲线上求出静态工作点输出特性曲线上求出静态工作点Q，确定，确定UDSQ。模 拟 电 子 技 术 (a)(a)转移特性曲线转移特性曲线 (b)(b)输出特性曲线输出特性曲线图图 自给偏压电路自给偏压电路Q Q点的图解点的图解模 拟 电 子 技 术1.场效应管的等效电路场效应管的等效电路三、动态分析三、动态分析场效应管电路小信号等效电路分析法场效应管电路小信号等效电路分析法)(DSGSDuufi，DSDSDGSGSDDdddGSDSuuiuuiiUUmGSDDSguiUdsDSD1G

21、SruiUdsdsgsmd1UrUgI模 拟 电 子 技 术mGSDDSguiU移特性可知，移特性可知，gm是转移特性在静态工作点是转移特性在静态工作点Q处处 gm为低频跨导，反映了管子的放大能力，从转为低频跨导，反映了管子的放大能力，从转切线的斜率切线的斜率.模 拟 电 子 技 术dsDSD1GSruiUrds为场效应管的共漏极输出电阻，为输出特性在为场效应管的共漏极输出电阻，为输出特性在Q点处的切线斜率的倒数，如图所示，通常点处的切线斜率的倒数，如图所示，通常rds在在几十千欧到几百千欧之间。几十千欧到几百千欧之间。模 拟 电 子 技 术id=gmugs小信号模型小信号模型dsdsgsmd

22、1UrUgI根据根据rgs Sidgmugs+ugs+uds GDrds模 拟 电 子 技 术2.2.场效应管放大电路场效应管放大电路 的微变等效电路的微变等效电路RLRD+uo+ui GSD+ugs gmugsidiiRG3.3.计算放大电路的动态指标计算放大电路的动态指标LmgsLDgsmio)/(RguRRuguuAu GRR iDoRR 注意：自给偏压电路只适用耗尽型场效应管放大电路注意：自给偏压电路只适用耗尽型场效应管放大电路模 拟 电 子 技 术SDQSG2G1G2DDGQ RIURRRVU；SDQG2G1G2DDGSQ RIRRRVU 3.2.2 分压式自偏压放大电路分压式自偏压

23、放大电路调整电阻的大小，可获得：调整电阻的大小，可获得：UGSQ 0UGSQ=0UGSQ 0RL+VDDRDC2CS+uo C1+ui RG2RSGSDRG1一、电路组成一、电路组成二、静态分析二、静态分析模 拟 电 子 技 术2GS(off)GSDSSD)1(UuIIQ UDSQ=VDD IDQ(RS+RD)三、动态分析三、动态分析RLRD+uo+ui RG2GSDRG1+ugs gmugsidiiLmgsLDgsmio)/(RguRRuguuAu2G1Gi/RRR DoRR 模 拟 电 子 技 术四、改进电路四、改进电路目的：为了提高输入电阻目的：为了提高输入电阻有有 CS 时：时：RL+

24、VDDRDC2CS+uo C1+ui RG2RSGSDRG1RG3RLRD+uo+ui RG2GSDRG3RG1+ugs gmugsidiiLmgsLDgsmio)/(RguRRuguuAu G2G1G3i/RRRR DoRR 无无 CS 时：时：RSSgsmgsLSgsm)/(RuguRRugAu SmLm1RgRg Ri、Ro 不变不变模 拟 电 子 技 术11)/()/(LmLmLSgsmgsLSgsmio RgRgRRuguRRuguuAuG2G1G3i/RRRR 3.2.3共漏放大电路共漏放大电路RL+VDDC2+uo C1+ui RG2RSGSDRG1RG3RLRS+uo+ui R

25、G2GSDRG3RG1+ugs gmugsiiioRo 1/mSomSoodsmSoogsmSooooogRugRuuugRuuugRuuiuR 模 拟 电 子 技 术例例 耗尽型耗尽型 N 沟道沟道 MOS 管，管，RG=1 M，RS=2 k，RD=12 k ，VDD=20 V。IDSS=4 mA，UGS(off)=4 V，求，求 iD 和和 uO。2GS(off)GSDSSD)1(UuIi iG=0 uGS=iDRS2DD)421(4 ii模 拟 电 子 技 术045D2D iiiD1=4 mAiD2=1 mAuGS=8 V UGS(off)增根增根 uGS=2 V uDS=VDD iD(

26、RS+RD)=20 14=6(V)uO=VDD iD RD=20 14=8(V)在放大区在放大区例例 已知已知 UGS(off)=0.8 V，IDSS=0.18 mA，1.求求“Q”。2.求求AU,Ri,RO模 拟 电 子 技 术解方程得：解方程得：IDQ1=0.69 mA，UGSQ=2.5V (增根，舍去增根，舍去)GQ(V)8.5 64 200 64 24 UDQDQGSQ128.5 )210(8.5IIU 2DQ2GS(off)GSQDSSDQ)8.0128.51(18.0)1(IUUII IDQ2=0.45 mA，UGSQ=0.4 V RLRDC2CS+uo C1+ui RG2GSDR

27、G1RG310 k 10 k 200 k 64 k 1 M 2 k 5 k+24V模 拟 电 子 技 术例例gm=0.65 mA/V，ui=20sin t(mV)，求交流输出，求交流输出 uo。+RDGDSRGRSiD+uO+VDDuiVGG10 k 4 k 交流通路交流通路+RDGDSRGRSid+uOui小信号等效电路小信号等效电路 +ui RSRDSidgmugs+ugs+uo GDRGui=ugs+gmugsRSugs=ui/(1+gmRS)uo=gmui RD/(1+gmRS)=36sin t(mV)模 拟 电 子 技 术小小 结结第第 3 章章模 拟 电 子 技 术场效应管场效应管

28、1.分类分类按导电沟道分按导电沟道分 N 沟道沟道P 沟道沟道按结构分按结构分 绝缘栅型绝缘栅型(MOS)结型结型按特性分按特性分 增强型增强型耗尽型耗尽型uGS=0 时，时，iD=0uGS=0 时，时，iD 0增强型增强型耗尽型耗尽型(耗尽型耗尽型)模 拟 电 子 技 术2.特点特点栅源电压改变沟道宽度从而控制漏极电流栅源电压改变沟道宽度从而控制漏极电流输入电阻高，工艺简单，易集成输入电阻高，工艺简单，易集成由于由于 FET 无栅极电流，故采用无栅极电流，故采用转移特转移特性性和和输出特性输出特性描述描述3.特性特性不同类型不同类型 FET 的特性比较参见的特性比较参见 表表3-1模 拟 电

29、 子 技 术不同类型不同类型 FET 转移特性比较转移特性比较结型结型N 沟道沟道uGS/ViD/mAO增强型增强型耗尽型耗尽型MOS 管管(耗尽型耗尽型)2GS(th)GSDOD)1(UuIiIDSS开启电压开启电压UGS(th)夹断电压夹断电压UGS(off)2GS(off)GSDSSD)1(UuIi IDO 是是 uGS=2UGS(th)时的时的 iD 值值模 拟 电 子 技 术4.场效应管放大电路场效应管放大电路三种组态：三种组态：共源、共漏、共栅共源、共漏、共栅偏置：偏置：自给偏置自给偏置 只适用于耗尽型只适用于耗尽型MOS管和结型管和结型场效应管场效应管 分压式偏置分压式偏置 适应于各种类型的场效应管适应于各种类型的场效应管 静态分析：静态分析：图解法图解法 公式计算法公式计算法 动态分析：动态分析：微变等效电路法微变等效电路法