1、第四章第四章 场效应管放大器场效应管放大器绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管结型场效应管结型场效应管 4.2 4.2 场效应管放大电路场效应管放大电路效应管放大器的静态偏置效应管放大器的静态偏置效应管放大器的交流小信号模型效应管放大器的交流小信号模型效应管放大电路效应管放大电路4.1 4.1 场效应管场效应管 4.1 场效应管 BJT是一种电流控制元件是一种电流控制元件(iB iC)，工作时，多数载流，工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，所以被称为双极型器件。子和少数载流子都参与运行，所以被称为双极型器件。场效应管（场效应管（Field Effect Transistor简称简称FET）是一种
2、）是一种电压控制器件电压控制器件(uGS iD)，工作时，只有一种载流子参与，工作时，只有一种载流子参与导电，因此它是单极型器件。导电，因此它是单极型器件。FET因其制造工艺简单，功耗小，温度特性好，输入因其制造工艺简单，功耗小，温度特性好，输入电阻极高等优点，得到了广泛应用。电阻极高等优点，得到了广泛应用。FET分类：分类：绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管结型场效应管结型场效应管增强型增强型耗尽型耗尽型N沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道一.绝缘栅场效应管 绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管(Metal Oxide Semiconductor FET)，简称简称MOSFET
3、。分为：分为：增强型增强型 N沟道、沟道、P沟道沟道 耗尽型耗尽型 N沟道、沟道、P沟道沟道 1.1.N沟道增强型沟道增强型MOS管管（1 1）结构结构 4个电极：漏极个电极：漏极D，源极源极S，栅极，栅极G和和 衬底衬底B。-gsdb符号：符号：-N+NP衬底sgdb源极栅极漏极衬底 当当uGS0V时时纵向电场纵向电场将靠近栅极下方的空穴向将靠近栅极下方的空穴向下排斥下排斥耗尽层。耗尽层。（2 2）工作原理）工作原理 当当uGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的时，漏源之间相当两个背靠背的 二极管，在二极管，在d、s之间加上电压也不会形成电流，即管子截止。之间加上电压也不会形成电流，即管子截
4、止。再增加再增加uGS纵向电场纵向电场将将P区少子电子聚集到区少子电子聚集到P区表面区表面形成导电沟道，形成导电沟道，如果此时加有漏源电压，如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流就可以形成漏极电流id。栅源电压栅源电压uGS的控制作用的控制作用-P衬底sgN+bdVDD二氧化硅+N-s二氧化硅P衬底gDDV+Nd+bNVGGid 定义：定义：开启电压（开启电压（UT）刚刚产生沟道所需的刚刚产生沟道所需的栅源电压栅源电压UGS。N沟道增强型沟道增强型MOS管的基本特性：管的基本特性：uGS UT，管子截止，管子截止，uGS UT，管子导通。，管子导通。uGS 越大，沟道越宽，在相同的漏源电压越
5、大，沟道越宽，在相同的漏源电压uDS作作用下，漏极电流用下，漏极电流ID越大。越大。转移特性曲线转移特性曲线：iD=f(uGS)uDS=const 可根据输出特性曲线作出可根据输出特性曲线作出移特性曲线移特性曲线。例：作例：作uDS=10V的一条的一条转移特性曲线：转移特性曲线：i(mA)DGS=6Vuu=5VGS=4VuGSu=3VGSuDS(V)Di(mA)10V12341432(V)uGS246UT 一个重要参数一个重要参数跨导跨导gm：gm=iD/uGS uDS=const (单位单位mS)gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。在转移特
6、性曲线上，在转移特性曲线上，gm为的曲线的斜率。为的曲线的斜率。在输出特性曲线上也可求出在输出特性曲线上也可求出gm。1(mA)DSu=6V=3VuuGS(V)1D624i43=5V(mA)243iDGS210V(V)uGSiDGSuiD 2.N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET特点：特点：当当uGS=0时，就有沟道，时，就有沟道，加入加入uDS，就有就有iD。当当uGS0时，沟道增宽，时，沟道增宽，iD进一步增加。进一步增加。当当uGS0时，沟道变窄，时，沟道变窄，iD减小。减小。在栅极下方的在栅极下方的SiO2层中掺入了大量的金属正离子。所以当层中掺入了大量的金属正离子。所以当uGS=0时，
7、这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。定义：定义：夹断电压（夹断电压（UP）沟道刚刚消失所需的栅源电压沟道刚刚消失所需的栅源电压uGS。-g漏极s+N衬底P衬底源极d栅极bN+-sbgd 3、P沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET P沟道沟道MOSFET的工作原理与的工作原理与N沟道沟道 MOSFET完全相同，只不过导电的载流完全相同，只不过导电的载流子不同，供电电压极性不同而已。这如子不同，供电电压极性不同而已。这如同双极型三极管有同双极型三极管有NPN型和型和PNP型一样。型一样。4.MOS4.MOS管的主要参数管的主要参数（1）开启电压）开启电压
8、UT（2）夹断电压）夹断电压UP（3）跨导）跨导gm：gm=iD/uGS uDS=const（4）直流输入电阻）直流输入电阻RGS 栅源间的等效栅源间的等效电阻。由于电阻。由于MOS管管栅源间有栅源间有sio2绝缘层，绝缘层，输入电阻可达输入电阻可达1091015。二二.结型场效应管结型场效应管 1.1.结型场效应管的结构（以结型场效应管的结构（以N N沟为例）：沟为例）：两个两个PN结夹着一个结夹着一个N型沟道。型沟道。三个电极：三个电极：g：栅极：栅极 d：漏极：漏极 s：源极：源极符号：符号：-p+pd漏极源极s栅极gN-gsdN沟道沟道-gdsP沟道沟道 2.2.结型场效应管的工作原理
9、结型场效应管的工作原理（1）栅源电压对沟道的控制作用）栅源电压对沟道的控制作用 在栅源间加负电压在栅源间加负电压uGS，令，令uDS=0 当当uGS=0时，为平衡时，为平衡PN结，导电结，导电沟道最宽。沟道最宽。当当uGS时，时，PN结反偏，耗尽层结反偏，耗尽层变宽，导电沟道变窄，沟道电阻变宽，导电沟道变窄，沟道电阻增大。增大。当当uGS到一定值时到一定值时，沟道会完，沟道会完全合拢。全合拢。定义：定义：夹断电压夹断电压UP使导电沟道完全使导电沟道完全合拢（消失）所需要的栅源电压合拢（消失）所需要的栅源电压uGS。Ngds+pVGG+ppsd+gGGNV+pNGGg+sdpVp+（2 2）漏源
10、电压对沟道的控制作用）漏源电压对沟道的控制作用 在漏源间加电压在漏源间加电压uDS，令，令uGS=0 由于由于uGS=0，所以导电沟道最宽。，所以导电沟道最宽。当当uDS=0时，时，iD=0。uDSiD 靠近漏极处的耗尽层加宽，靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，呈楔形分布。沟道变窄，呈楔形分布。当当uDS，使，使uGD=uG S-uDS=UP时，时，在靠漏极处夹断在靠漏极处夹断预夹断。预夹断。预夹断前，预夹断前，uDSiD。预夹断后，预夹断后，iDSiD 几乎不变。几乎不变。uDS再再，预夹断点下移。，预夹断点下移。（3 3）栅源电压）栅源电压uGS和漏源电压和漏源电压uDS共同共同作用作用
11、iD=f（uGS、uDS）,可用输两组特性曲线来描绘。可用输两组特性曲线来描绘。Ngds+p+pdiVDDdsNgdi+pp+VDDNgsdidDDVp+p+sidgVdDDp+p+（1）输出特性曲线：）输出特性曲线：iD=f（uDS）uGS=常数常数 3 3、结型场效应三极管的特性曲线结型场效应三极管的特性曲线sgVdDDdiGGVp+p+u=-3VDSGSuGS=-1VuuuGS(mA)=-2VDiGS=0VuGS=0VuGS=-1V设：设：UT=-3V四个区：四个区：恒流区的特点：恒流区的特点：iD/uGS=gm 常数常数 即：即：iD=gm uGS （放大原理）（放大原理）（a）可变电
12、阻区）可变电阻区（预夹断前）。（预夹断前）。（b）恒流区也称饱和）恒流区也称饱和 区（预夹断区（预夹断 后）。后）。（c）夹断区（截止区）。）夹断区（截止区）。（d）击穿区。）击穿区。u=-3VDSGSuGS=-1VuuuGS(mA)=-2VDiGS=0V可变电阻区可变电阻区恒流区恒流区截止区截止区击穿区击穿区（2）转移特性曲线：）转移特性曲线：iD=f（uGS）uDS=常数常数uuGS=0Vu0u(mA)1u=-3VD-3-1310VDS2(mA)GS(V)21-44iu=-1VD-2GSGSGS4i(V)3=-2V 可根据输出特性曲线作出可根据输出特性曲线作出移特性曲线移特性曲线。例：作例
13、：作uDS=10V的一条的一条转移特性曲线：转移特性曲线：4.4.场效应管的主要参数场效应管的主要参数(1)(1)开启电压开启电压UT UT 是是MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值,场效应管不场效应管不能导通。能导通。（2）夹断电压）夹断电压UP UP 是是MOS耗尽型和结型耗尽型和结型FET的参数，当的参数，当uGS=UP时时,漏极电流为零。漏极电流为零。（3）饱和漏极电流）饱和漏极电流IDSS MOS耗尽型和结型耗尽型和结型FET,当当uGS=0时所对应的漏极电流。时所对应的漏极电流。（4）输入电阻）输入电阻RGS 结型场效应管，
14、结型场效应管，RGS大于大于107，MOS场效应管场效应管,RGS可达可达1091015。（5）低频跨导低频跨导gm gm反映了栅压对漏极电流的控制作用，单位是反映了栅压对漏极电流的控制作用，单位是mS(毫西门子毫西门子)。（6）最大漏极功耗最大漏极功耗PDM PDM=UDS ID，与双极型三极管的，与双极型三极管的PCM相当。相当。5.5.双极型和场效应型三极管的比较双极型和场效应型三极管的比较双极型三极管双极型三极管 单极型场效应管单极型场效应管载流子载流子多子扩散少子漂移多子扩散少子漂移 少子漂移少子漂移输入量输入量电流输入电流输入电压输入电压输入控制控制电流控制电流源电流控制电流源电压
15、控制电流源电压控制电流源输入电阻输入电阻几十到几千欧几十到几千欧几兆欧以上几兆欧以上噪声噪声较大较大较小较小静电影响静电影响不受静电影响不受静电影响易受静电影响易受静电影响制造工艺制造工艺不宜大规模集成不宜大规模集成适宜大规模和超大适宜大规模和超大规模集成规模集成一一.直流偏置电路直流偏置电路 保证管子工作在饱和区，输出信保证管子工作在饱和区，输出信号不失真号不失真 3.2 场效应管放大电路场效应管放大电路1.自自偏压电路偏压电路UGS=-IDR 注意：该电路产生负的栅源电压，所以只能用于需要负栅源电压的电路。注意：该电路产生负的栅源电压，所以只能用于需要负栅源电压的电路。计算计算Q点：点：U
16、GS、ID、UDS2PGSDSSD)1(UUII 已知已知UP，由，由UGS=-IDR可解出可解出Q点的点的UGS、IDUDS=VDD-ID(Rd+R)再求：再求：+gTRdRRgC1C2uouiVD DCdsID 2.分压式自分压式自偏压电路偏压电路SGGSUUU RIVRRRDDDg2g1g2 2PGSDSSD)1(UUII 可解出可解出Q点的点的UGS、ID 计算计算Q点：点：已知已知UP，由，由RIVRRRUDDDg2g1g2GS 该电路产生的栅源电压可正该电路产生的栅源电压可正可负，所以适用于所有的场可负，所以适用于所有的场效应管电路。效应管电路。UDS=VDD-ID(Rd+R)再求
17、：再求：+gTRdRC12CuouiVD DCdsg1Rg2Rg3R二二.场效应管的交流小信号模型场效应管的交流小信号模型 与双极型晶体管一样，场效应管也是一种非线性器件，在交流小信号与双极型晶体管一样，场效应管也是一种非线性器件，在交流小信号情况下，也可以由它的线性等效电路情况下，也可以由它的线性等效电路交流小信号模型来代替。交流小信号模型来代替。其中：其中：gmugs是压控电流源，它体现了输入电压对输出电流的控制作用。是压控电流源，它体现了输入电压对输出电流的控制作用。称为低频跨导。称为低频跨导。rds为输出电阻，类似于双极型晶体管的为输出电阻，类似于双极型晶体管的rce。-+dgsgsu
18、udsid+-gsmugsuu-SdsgrdsgdSdi三三.场效应管场效应管放大电路放大电路1.共源放大电路共源放大电路+C2RuTg3D D1Rg1CCVRRgdsig2dRuoRL+-分析：分析：（1）画出共源放大电路的交流小信号等效电路。画出共源放大电路的交流小信号等效电路。（2）求电压放大倍数）求电压放大倍数（3）求输入电阻）求输入电阻（4）求输出电阻）求输出电阻则则)/(g2g1g3iRRRRdoRR +uiugdugsugsmRg3g1Rg2RiRLR-S-o+gROdRgsiuu )/(LdgsmosRRugu )/(LdmiouRRguuA （2）电压放大倍数）电压放大倍数（
19、3）输入电阻）输入电阻)/(LgsmgsiRRuguu )/(LgsmoRRugu )/(1)/(LmLmiouRRgRRguuA 得得)/(g2g1g3iRRRR 分析：分析：（1 1）画）画交流小信号等效电路。交流小信号等效电路。由由1 2.共漏放大电路共漏放大电路+-+Su+-RSui+uo-gdsugsugsmgRg3g1Rg2RiRRLR+Cg3VsTR1D DoRuRdg1g2C2RR+-L+u-SRS（4 4）输出电阻）输出电阻gsmRugii ogsuu mo11gRiuR 所以所以由图有由图有m1/gR+-+Sui+u-gdsugsugsmgRg3g1Rg2RRRooRRig
20、smugRu 本章小结本章小结 1FET分为分为JFET和和MOSFET两种，工作时只有一种载两种，工作时只有一种载流子参与导电，因此称为单极性型晶体管。流子参与导电，因此称为单极性型晶体管。FET是一种压是一种压控电流型器件，改变其栅源电压就可以改变其漏极电流。控电流型器件，改变其栅源电压就可以改变其漏极电流。2FET放大器的偏置电路与放大器的偏置电路与BJT放大器不同，主要有自放大器不同，主要有自偏压式和分压式两种。偏压式和分压式两种。3 FET放大电路也有三种组态：共源、共漏和共栅。放大电路也有三种组态：共源、共漏和共栅。电路的动态分析需首先利用电路的动态分析需首先利用FET的交流模型建立电路的交的交流模型建立电路的交流等效电路，然后再进行计算，求出电压放大倍数、输入流等效电路，然后再进行计算，求出电压放大倍数、输入电阻、输出电阻等量。电阻、输出电阻等量。
