1、信息技术学院模拟电子技术基础 第五章 场效应管及其放大电路信息技术学院第五章 场效应管及其放大电路5.1 5.1 场效应管场效应管5.2 5.2 场效应管基本放大电路场效应管基本放大电路信息技术学院5.1 场效应管一、结型场效应管一、结型场效应管二、绝缘栅型场效应管二、绝缘栅型场效应管三、场效应管的分类三、场效应管的分类信息技术学院 BJT是一种电流控制元件是一种电流控制元件(iB iC)，工作时，多数载流子和少数，工作时，多数载流子和少数载流子都参与导电，所以被称为双极型器件。载流子都参与导电，所以被称为双极型器件。FET只有一种载流子参与导电，利用输入回路的电场效应来控只有一种载流子参与导
2、电，利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的三极管，称为场效应管，也称单极型三极管。制输出回路电流的三极管，称为场效应管，也称单极型三极管。特点特点单极型器件单极型器件(一种载流子导电一种载流子导电)；输入电阻高；输入电阻高；工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低。工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低。FETFET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P P沟道沟道N N沟道沟道P P沟道沟道N N沟道沟道P P沟道沟道N N沟道沟道信息技术学院场效应管有三个极：源极（场效应管有三个极：源极（s）、栅极（、栅极（g）、漏极（）、漏极（d
3、），对），对应于晶体管的应于晶体管的e、b、c；场效应管场效应管有有三个工作区域：截止区、恒流区、可变电阻区，对三个工作区域：截止区、恒流区、可变电阻区，对应于应于晶体晶体管的截止区、放大区、饱和区。管的截止区、放大区、饱和区。单极型管噪声小、抗辐射能力强、低电压工作噪声小、抗辐射能力强、低电压工作信息技术学院 在漏极和源极之间加上一个在漏极和源极之间加上一个正向电压，正向电压，N 型半导体中多型半导体中多数载流子电子可以导电。数载流子电子可以导电。导电沟道是导电沟道是 N 型的，称型的，称N 沟道结型场效应管沟道结型场效应管。DSGNN型型沟沟道道N型硅棒型硅棒栅极栅极源极源极漏极漏极P+P
4、+P 型区型区耗尽层耗尽层(PN 结结)(Source)(Grid)(Drain)一、结型场效应管（以N沟道为例）1.结构符号符号信息技术学院P 沟道场效应管沟道场效应管N+N+P型型沟沟道道GSD P 沟道场效应管是在沟道场效应管是在 P 型硅型硅棒的两侧做成高掺杂的棒的两侧做成高掺杂的 N 型型区区(N+)，导电沟道为，导电沟道为 P 型，型，多数载流子为空穴。多数载流子为空穴。符号符号gds信息技术学院2.工作原理 （1 1）栅）栅-源电压对导电沟道宽度的控制作用源电压对导电沟道宽度的控制作用 u uDSDS=0=0沟道最宽沟道最宽沟道变窄沟沟道变窄沟道电阻增大道电阻增大沟道消失称沟道消
5、失称夹断，沟道夹断，沟道电阻无穷大电阻无穷大 uGS可以控制导电沟道的宽度。为什么可以控制导电沟道的宽度。为什么g-s必须加负电压？必须加负电压？UGS（off）(a)uGS=0 (b)UGS(off)uGS UGS（off）若若uDS=0V，有导电沟道，但是多子不产生定向移动，漏极电流，有导电沟道，但是多子不产生定向移动，漏极电流iD为零。为零。若若uDS0V，则有电流，则有电流iD从漏极流向源极，从而使沟道中各点电位与栅电位从漏极流向源极，从而使沟道中各点电位与栅电位不再相等，而是沿沟道从源极到漏极逐渐升高，造成漏极一边耗尽层比靠不再相等，而是沿沟道从源极到漏极逐渐升高，造成漏极一边耗尽层
6、比靠近源极一边的宽。近源极一边的宽。DSGSGDuuuGDDSuu,靠近漏极一边的导电沟道必靠近漏极一边的导电沟道必将随之变窄。只要栅将随之变窄。只要栅-漏间不出漏间不出现夹断区域，沟道电阻仍将基现夹断区域，沟道电阻仍将基本上决定于栅本上决定于栅-源电压源电压uGS.信息技术学院夹断区变长，夹断区变长，uDS的增大的增大，几乎全部用来，几乎全部用来克服沟道的电阻，克服沟道的电阻，iD几乎不变，进入恒流几乎不变，进入恒流区，区，iD几乎仅仅决定于几乎仅仅决定于uGS，表现出表现出iD的恒的恒流特性流特性。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）u
7、GDUGS（off）预夹断预夹断uGDUGS（off）DSGSGDuuuGDDSuu,信息技术学院GS(offGS(off)GDGSDS)DSGSu=u-uu-U,:即DSGSDu=ui常量确定的，就有确定的漏极电流受到栅漏极电流受到栅-源电压控制，故称场效应管为电压控制元件。源电压控制，故称场效应管为电压控制元件。GSDmuig低频跨导（3）栅）栅-源电压对漏极电流的控制作用源电压对漏极电流的控制作用 uGD 0，由于，由于SiO2的存的存在，栅极电流为零。栅极金属层在，栅极电流为零。栅极金属层聚集正电荷，它们排斥聚集正电荷，它们排斥P型衬底靠型衬底靠近近SiO2一侧的空穴，使之剩下不一侧的
8、空穴，使之剩下不能移动的负离子区，形成耗尽层。能移动的负离子区，形成耗尽层。uGS增大，耗尽层增宽；衬底的自增大，耗尽层增宽；衬底的自由电子吸引到耗尽层与绝缘层之由电子吸引到耗尽层与绝缘层之间，形成反型层，反型层将变厚间，形成反型层，反型层将变厚变长，当反型层将变长，当反型层将D-S间相接时，间相接时，形成导电沟道。形成导电沟道。当栅源之间不加电压时，漏源之间相当当栅源之间不加电压时，漏源之间相当于两个背靠背的于两个背靠背的 PN 结，无论漏源之间加结，无论漏源之间加何种极性电压，何种极性电压，总是不导电总是不导电，iD=0 开启电压开启电压UGS(th)：使沟道刚刚形成的栅源：使沟道刚刚形成
9、的栅源电压电压SiO2绝缘层绝缘层衬底衬底耗尽层耗尽层空穴空穴高掺杂高掺杂反型层反型层大到一定大到一定值才开启值才开启信息技术学院uDS 对导电沟道的影响对导电沟道的影响(uGS UGS(th)沟道沿源沟道沿源-漏方向逐渐变窄，导电漏方向逐渐变窄，导电沟道呈现一个楔形。沟道呈现一个楔形。uDS增大使漏增大使漏极电流极电流iD线性增大。线性增大。a.uDS UGS(th)iD随随uDS的增大而增的增大而增大，可变电阻区大，可变电阻区信息技术学院b.uDS=uGS UGS(th)，uGD=UGS(th)靠近漏极沟道达到临界开启程度，靠近漏极沟道达到临界开启程度，出现预夹断。出现预夹断。uGDUGS
10、（th），预夹断，预夹断刚出现夹断刚出现夹断uDS 对导电沟道的影响对导电沟道的影响(uGS UGS(th)信息技术学院c.uDS uGS UGS(th)，uGD UGS(th)用场效应管组成放大电路时应使之工作在恒流区。用场效应管组成放大电路时应使之工作在恒流区。N沟道增强型沟道增强型MOS管工作在恒流区的条件是什么？管工作在恒流区的条件是什么？信息技术学院2.耗尽型 MOS管加正离子加正离子小到一定小到一定值才夹断值才夹断uGS=0时就存在时就存在导电沟道导电沟道 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，这些正离子电场在离子电场在P
11、型衬底中型衬底中“感应感应”负电荷，形成负电荷，形成“反型层反型层”。即使。即使 uGS=0 也会形成也会形成 N 型导电沟道。型导电沟道。uGS=0，uDS 0，产生较大的漏极电流；，产生较大的漏极电流；uGS U(BR)GS，PN 将被击穿，这种击穿与电容击穿的情况类似，属于破坏性击穿。将被击穿，这种击穿与电容击穿的情况类似，属于破坏性击穿。2.漏极最大允许耗散功率漏极最大允许耗散功率 PDMIDM是管子正常工作时漏极电流的上限值。是管子正常工作时漏极电流的上限值。信息技术学院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场效应三极管场效应三极管结构结构NPNNPN型型结型耗尽型结型
12、耗尽型 N N沟道沟道 P P沟道沟道PNPPNP型型绝缘栅增强型绝缘栅增强型 N N沟道沟道 P P沟道沟道 绝缘栅耗尽型绝缘栅耗尽型 N N沟道沟道 P P沟道沟道C C与与E E一般不可倒置使用一般不可倒置使用D D与与S S有的型号可倒置使用有的型号可倒置使用载流子载流子多子扩散少子漂移多子扩散少子漂移多子漂移（空穴被排斥，形多子漂移（空穴被排斥，形成反型层）成反型层）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CCCS(CCCS()电压控制电流源电压控制电流源VCCS(VCCS(g gm m)噪声噪声较大较大较小较小温度特性温度特性 受温度影响较大
13、受温度影响较大较小，可有零温度系数点较小，可有零温度系数点输入电阻输入电阻几十到几千欧姆几十到几千欧姆几兆欧姆以上几兆欧姆以上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集成工艺集成工艺不易大规模集成不易大规模集成适宜大规模和超大规模集成适宜大规模和超大规模集成信息技术学院讨论一：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。信息技术学院5.2 5.2 场效应管基本放大电路一、场效应管静态工作点的设置方法一、场效应管静态工作点的设置方法二、场效应管放大电路的动态分析二、场效应管放大电路的动态分析三、场效应管放大电路的频率响应三、场效应管放大
14、电路的频率响应信息技术学院(1)静态：适当的静态工作点，使场效应管工作在恒流区，静态：适当的静态工作点，使场效应管工作在恒流区，场效应管的偏置电路相对简单。场效应管的偏置电路相对简单。(2)动态：能为交流信号提供通路。动态：能为交流信号提供通路。组成原则：组成原则：静态分析：估算法、图解法静态分析：估算法、图解法 动态分析：微变等效电路法、图解法动态分析：微变等效电路法、图解法分析方法：分析方法：场效应管基本放大电路信息技术学院共源电路共源电路共栅电路共栅电路共漏电路共漏电路结型场效应管放大电路的三种接法结型场效应管放大电路的三种接法信息技术学院一、场效应管静态工作点的设置方法 根据场效应管工
15、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间加极性间加极性合适的直流电源，就可确定合适的静态工作点。合适的直流电源，就可确定合适的静态工作点。GSQGG2GGDQDOGS(th)DSQDDDQdU=VVI=I(-1)UU=V-IR1.基本共源放大电路 为了使场效应管工作在恒流区实现放大作用，为了使场效应管工作在恒流区实现放大作用，应满足：应满足：GS(th)GSDSGS(th)GS UuuUuN增强型增强型MOS管管 共源共源信息技术学院思考：思考：1.N沟道共源结型场效应管的静态工作点怎样设置？沟道共源结型场效应管的静态工作点怎样设置？2.N沟道共源耗尽型沟道共源耗
16、尽型MOS的静态工作点怎样设置？的静态工作点怎样设置？信息技术学院2.自给偏压电路sDQSQGQGSQsDQSQGQ0RIUUURIUU，2GS(off)GSQDSSDQ)1(UUII)(sdDQDDDSQRRIVU+由正电源获得负偏压由正电源获得负偏压称为自给偏压称为自给偏压哪种场效应管放大电路能够采用这种电路形式设置哪种场效应管放大电路能够采用这种电路形式设置Q点？点？耗尽型场效应管耗尽型场效应管结型场效应管共源放大电路静态分析：结型场效应管共源放大电路静态分析：信息技术学院3.分压式偏置电路sDQSQDDg2g1g1AQGQRIUVRRRUU+2GS(th)GSQDODQ)1(UUII)
17、(sdDQDDDSQRRIVU+即典型的即典型的Q点稳定电路点稳定电路信息技术学院二、场效应管放大电路的动态分析1.场效应管的交流等效模型DGSDSi=f(u,u)iD 的全微分为的全微分为DSDSDGSGSDDdddGSDSuuiuuiiUU +上式中定义：上式中定义：DSGSDmUuig GSDdsDSU1i=ru 场效应管的跨导场效应管的跨导(毫西门子毫西门子 mS)场效应管漏源之间等效电阻场效应管漏源之间等效电阻信息技术学院如果输入正弦信号，则可用相量代替式中的变量。如果输入正弦信号，则可用相量代替式中的变量。dmgsdsds1I=g U+Ur场效应管的交流等效模型场效应管的交流等效模
18、型DSDSDGSGSDDdddGSDSuuiuuiiUU +gsUgsmUgdsUdIdsrGDS电压控制电压控制电流源电流源如果外电路电如果外电路电阻较小，可忽阻较小，可忽略略rds中电流中电流由于没有栅极电流，所以栅源是悬空的。由于没有栅极电流，所以栅源是悬空的。mgsmgs g U是一个受控源。是一个受控源。信息技术学院DSGSDmUuig近似分析时可认近似分析时可认为其为无穷大！为其为无穷大！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。与晶体管的与晶体管的h参数等效模型类比：参数等效模型类比：一般一般 gm 约为约为 0.1 至至 20 mS。rds 为几百千欧的
19、数量级。当为几百千欧的数量级。当 Rd 比比 rds 小得小得多时，可认为等效电路的多时，可认为等效电路的 rds 开路。开路。信息技术学院根据场效应管的电流方程可以求出低频跨导。如结型根据场效应管的电流方程可以求出低频跨导。如结型DDSSoffGSmiIUg)(2小信号时，可以用小信号时，可以用IDQ来近似来近似iD，所以有，所以有 DQDSSoffGSmIIUg)(2增强型增强型MOS管：管：DQDOthGSmIIUg)(2DSGSDmUuig2)(1offGSGSDSSDUuIi结型场效应管：结型场效应管：信息技术学院2.基本共源放大电路的动态分析doidmgsddioRRRRgURIU
20、UAu若若Rd=3k，Rg=1M，gm=2mS，则，则与共射电路比较。与共射电路比较。放大能力不如共射电路放大能力不如共射电路?uA信息技术学院例例5.2.2 分压式偏置共源放大电路分压式偏置共源放大电路()()mgsdLumdLgsg URRA=-=-gRRU电压放大倍数电压放大倍数输入电阻输入电阻 ig3g1g2R=R+RR输出电阻输出电阻odR=R信息技术学院3.基本共漏放大电路的动态分析+ismsmsdgssdio1RRgRgRIURIUUAu若若Rs=3k，gm=2mS，则，则?uA输入电压输出电压极性相同输入电压输出电压极性相同信息技术学院基本共漏放大电路输出电阻的分析msomso
21、oooo1gRUgRUUIUR+若若Rs=3k，gm=2mS，则则Ro=?信息技术学院求解场效应管放大电路的步骤求解场效应管放大电路的步骤(归纳归纳)1.首先利用图解法或近似估算法确定放大电路的静首先利用图解法或近似估算法确定放大电路的静态工作点态工作点 Q，2.求出静态工作点处的微变等效电路参数。求出静态工作点处的微变等效电路参数。3.画出放大电路的微变等效电路。画出放大电路的微变等效电路。4.列出电路方程并求解动态性能指标。列出电路方程并求解动态性能指标。mDODQGS(th)2gIIUDQIGSQUDSQU信息技术学院 三种基本放大电路的性能比较三种基本放大电路的性能比较组态对应关系：组
22、态对应关系：CEBJTFETCSCCCDCBCGBJTFET电压增益：电压增益：beLc)/(rRR )/)(1()/()1(LebeLeRRrRR +beLc)/(rRR CE：CC：CB：)/(LdmRRg)/(1)/(LmLmRRgRRg+)/(LdmRRgCS：CD：CG：信息技术学院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：)/(g2g1g3RRR+m1/gR)/(g2g1g3RRR+CE：CC：CB：CS：CD：CG：dRm1/gRdR信息技术学院三、场效应管单管放大电路的频率响应H21gsgCRfCRRf)(21LdL+)j1)(j1(jHLLmffffffAAuu+dgLmgsgs)1(CRgCC+
