1、模拟电子技术电路模拟电子技术电路讲课人：王欢讲课人：王欢第三章第三章 场效应晶体管及其电路分析场效应晶体管及其电路分析1.3.1 场效应管的结构、特性与参数场效应管用FET表示（Field Effect Transistor）。具有输入电阻高、热稳定性好、工艺简单、易于集成等优点。 绝缘栅型IGFET(或MOS) （Insulted Gate Type） 增强型MOS （Enhancement） 耗尽型MOS （Depletion）每一种又可分为 N沟道和P沟道。 结型JFET （Junction Type） 本质上是耗尽型，分为N沟道和P沟道。场效应管分类：场效应管分类： Metal-Oxi
2、de-Semiconductor一、绝缘栅场效应管（IGFET） NMOS增强型增强型 在P型衬底上加2个N+区，P型表面加SiO2绝缘层，在N +区加铝极。MOS管的栅极与其它电极绝缘绝缘，所以输入电阻近似为， iG0 。 s：Source 源极d：Drain 漏极g：Gate 栅极B：Base 衬底PMOS增强型增强型箭头表示沟道的实际电流方向。PMOS与NMOS的工作原理完全相同，只是电流和电压方向不同。增强型MOS管工作原理 (以NMOS为例）vGS=0, vDS较小：没有导电沟道(漏源间只是两个“背向”串联的PN结)， 所以d-s间呈现高阻，iD 0。 当vGS0，且当vGS增强到足
3、够大：d-s之间便开始形成导电沟道。 开始形成导电沟道所需的最 小 电 压 称 为 开 启 电 压开 启 电 压VGS(th)(习惯上常表示为VT)。vGS将在栅极与衬底这间产生一个垂直电场(方向为由栅极指向衬底)，它使漏-源之间的P型硅表面感应出电子层(反型反型层层)使两个N+区连通，形成N型型导电沟道导电沟道。d、s间呈低阻，所以在vDS的作用下产生一定的漏极电流iD。 vGSVT时，vGS对iD的控制作用。 当vGS0时没有导电沟道，而当vGS 增强到VT时才形成沟道，所以称为增强型MOS管。并且vGS越越大大，导电沟道越厚，等效电阻越小，iD越大越大。漏-源电压vDS产生横向电场横向电
4、场：由于沟道电阻的存在， iD沿沟道方向所产生的电压降使沟道上的电场产生不均匀分布。近s端电压较高，为vGS；近d端电压较低，为vGDvGS-vDS，所以沟道呈楔形分布楔形分布。 vGSVT且为定值时，vDS对iD的影响 TGSDSTDSGSVvvVvv0 当 vDS较小时： vDS对导电沟道的影响不大，沟道主要受vGS控制， 所以在为定值时，沟道电阻保持不变，iD随随vDS 增加而线性增加而线性增加增加。 TGSDSTDSGSVvvVvvTGSDSTDSGSVvvVvv 当 vDS增加到vGS-vDSVT时（即vDSvGS-VT）：漏端沟道消失，称为“预夹预夹断断”。 当 vDS再增加时（即
5、vDSvGS-VT）：iD将不再增加将不再增加，趋向饱和趋向饱和。因为vDS再增加时，近漏端上的预夹断点向s极延伸，使vDS的增加部分降落在预夹断区，以维持iD的大小。 伏安特性与电流方程(1) 增强型NMOS管的转移特性 在一定vDS下，栅-源电压vGS与漏极电流iD之间的关系constvGSDDSvfi| )(2) 1(TGSDODVvIiIDO是vGS=2VT时的漏极电流。IDO表示漏极电流iD与漏-源电压vDS之间的关系(2) 输出特性(漏极特性) constvDSDGSvfi| )( 可变电阻区 放大区(恒流区、饱和区) 截止区(夹断区)特性与三极管相似，分为 3个工作区，但工作区的
6、作用有所不同。管子导通，但尚未预夹断，即满足的条件为： 可变电阻区TDSGSTGSVvvVv,可变电阻区的特征是iD不仅不仅受受vGS的控制，而且随的控制，而且随vDS增增大而线性增大大而线性增大。可模拟为受vGS控制的压控电阻RDS。constvDDSDSGSivR又称恒流区、饱和区。条件是： 放大区特征是iC主要受主要受vGS控制控制，与与vDS几乎无关几乎无关，表现为较好的恒流恒流特性。TDSGSTGSVvvVv, 夹断区又称截止区。指管子未导通( vGSVT )时的状态。0Di 耗尽型MOS管 制造过程人为地在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了大量的K+(钾)或Na+(钠)正离子 。 v
7、GS=0，靠正离子作用，使P型衬底表面感应出N型反型层，将两个N+区连通，形成原始的形成原始的N型导电型导电沟道沟道。 vDS一定，外加正栅压(vGS0)，导电沟道变厚，沟道等效电阻下降，漏极电流iD增大增大； 外加负栅压(vGS0)时，沟道变薄，沟道电阻增大，iD减小减小。 vGS负到某一定值VGS(off)(常以VP表示，称为夹断电夹断电压压)，导电沟道消失，整个沟道被夹断，iD0，管子截止 。放大区的电流方程：耗尽型NMOS的伏安特性 2)1 (PGSDSSDVvIiIDSS为饱和漏极电流饱和漏极电流，是vGS=0时耗尽型MOS管的漏极电流。NMOSPMOS二、结型效应管（JFET）结构
8、与符号N区作为N型导电沟道，引出s极和d极。在N区两侧扩散两个P区，形成两个PN结。 两个P区相连，引出g极，没有衬底B极。 N沟道P沟道JFET通过vGS改变半导体内耗尽层厚度（沟道的截面积）控制iD，称为体内场效应体内场效应器件；MOSFET主要通过改变衬底表层沟道的厚度来控制iD，称为表面场效应表面场效应器件。 vGS0时，存在N型导电沟道（N型区）。 vGS0时，耗尽层增厚，导电沟道变薄。所 以 属 于 耗 尽 型 F E T ， 原 理 和 特 性 与 耗 尽 型MOSFET相似。所不同的是JFET正常工作时，两个两个PN结必须反偏结必须反偏，如对N沟道JFET，要求vGS0。工作原
9、理JFET的伏安特性 （以N沟道JFET为例）伏安特性曲线和电流方程与耗尽型MOSFET相似。但要求VGS不能正偏。三、场效应管的主要参数 直流参数开启电压开启电压 VT 增强型管的参数。夹断电压夹断电压 VP 耗尽型管的参数。输入电阻输入电阻 RGS(DC)因iG=0，所以输入电阻很大。JFET大于107，MOS管大于109 。饱和漏极电流饱和漏极电流 IDSS 指耗尽型管在vGS=0时的漏极电流。 交流参数低频跨导低频跨导(互导互导) gm交流输出电阻交流输出电阻 rdsconstDSvGSDmvigconstGSvDDSdsivr跨导gm反映了栅压对漏极电流的控制能力，且 与工作点有关，
10、是转移特性曲线的斜率。gm的单位是mS。rds反映了漏-源电压变化量对漏极电流变化量的影响，在恒流区内，是输出特性曲线的切线斜率的倒数。其值一般为若几十k。 极限参数 最大漏最大漏-源电压源电压 V(BR)DS 漏极附近发生雪崩击穿时的vDS。 最大栅最大栅-源电压源电压 V(BR)GS 栅极与源极间PN结的反向击穿电压 。 最大耗散功率最大耗散功率 PDM 同三极管的PCM相似。受管子的最高工作温度及散热条件决定。当超过PDM时，管子可能烧坏。1.3.2 1.3.2 场效应管放大电路场效应管放大电路 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
11、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身的特点。 不同FET类型对偏置电压的要求增强型耗尽型种类电压NMOSPMOSN 结型P 结型NMOSPMOSvGS正负负正负(或正)正(或负)vDS正负正负正负FET偏置电路类型： 固定偏置电路 自偏压偏置电路 分压式自偏压电路一、场效应管的直流偏置和静态工作点计算 自给栅偏压电路自给栅偏压电路 （只适用于（只适用于耗尽型耗尽型FET） 自偏压电路sDSGGSRIVVVRg为栅极泄放电阻
12、，泄放栅极感生电荷，通常取0.110M。Rs为源极偏置电阻，作用类似于共射电路的Re，可以稳定电路的静态工作点Q 。由于IG0，所以Rg上无直流压降，VG0。由于耗尽型FET在VGS0时存在导电沟道，所以电路有漏极电流ID。 分压式自偏压电路分压式自偏压电路 适用于耗尽型和增强型FET 在自偏压电路的基础上增加分压电阻构成若VGIDRs，则可适用于增强型管（N沟道）；若VGIDRs，则可适用于耗尽型MOS管或JFET。sDgggDDsDGGSRIRRRVRIVV212上式称为偏压线方程 静态工作点的计算 图解法求静态工作点由转移特性曲线和偏压线方程(为一直线)求输入回路的工作点；由输出特性曲线
13、和直流负载线求输出回路的工作点。 估算法求静态工作点由FET的电流方程和偏压线方程两组方程联立求解，通常舍去不合题意的一组后得静态工作点。【例1.3.1】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：解：22)51 (10)1 (1GSPGSDSSDDsDGSVVVIIIRIVV 8)(sdDDDDSQRRIVVV 8mA 8 V 5 . 2mA 5 . 2GSDGSDVIVI25110DDII不合题意，舍去。【例1.3.2】解：解：栅极回路有: DsDDDGSIRIVRRRV5 . 26
14、211设VDD=15V ， 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。 输出回路列出直流负载线方程：VDS=VDD-ID(Rd+Rs)=15-7.5ID 由转移特性得:开启电压VT=2V；当VGS=2VT=4V时，ID=IDO=1.9mA。mS38. 12DQDOTmIIVg由图可求得静态时的VDSQ=7.5V。或直接由图得：mS 4 . 1344 . 08 . 1GSDmvig【例1.3.3】为增
15、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=0.5mA,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：解：假设MOS管工作在放大区(即饱和区)。2) 1(TGSDODVvIi2) 12(65. 05 . 0GSvV25. 0 V75. 3GSGSvv(舍去)k 2005 . 01 . 055 1 . 02121RRIRRVVDSSDD)(212SSsDSSDDSGGSVRIVVRRRVVVk 952R25 . 010k 20075. 32Rk 1051RMOS工作在放大区，假设正确
16、。V 4)(sdDSSDDDSRRIVVVV 75. 1275. 3TGSDSVVV取标称值：R2=95 k，R1=110 k。验证假设是否成立：二、场效应管线性与开关应用举例 电压传输特性电压传输特性 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。V sin5 . 0tvi例如(V) sin5 . 05 . 4tvVviGGGS(V) sin5 . 38 . 5tvVvdsDSQDS75 . 05 . 3iovVVA 用作放大器EFG段：vGS6V ，FET工作在可变电阻可变电阻区区，vO0 AB段：vGSVT，
17、FET工作在截止区截止区，vOVDD令vGS 0，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较低时的输出特性RDS与vGS的关系【例1.3.4】求图示电路压控电阻，设R1R2 。解：解：12RvvRvvIGSGSDS2)(222DSPGSDSPDSSDvVvvVIiDSIGSvvv21211212)2(2)2(2PIDSSPDSPGSDSSPDDSDSVvIVvVvIVivR2112RRvRvRvDSIGS当R1R2时，则
