Chapter4场效应管放大电路.ppt

Chapter 4,1,场效应管放大电路,Chapter 4,Chapter 4,2,主要内容,场效应晶体管 场效应管放大电路,Chapter 4,3,4.1 场效应晶体管,结型场效应三极管（JFET） 绝缘栅场效应三极管（MOSFET） 场效应三极管的参数,讨论的问题： 场效应管是通过什么方式来控制漏极电流的？,Chapter 4,4,场效应管（Fiedl Effect TransistorFET）是利用电场效应来控制的有源器件，它不仅兼有一般半导体管体积小、重量轻、耗电省、寿命长的特点，还具有输入电阻高（MOSFET最高可达1015）、噪声系数低、热稳定性好、工作频率高、抗辐射能力强、制造工艺简单等优点。在近代大规模和超大规模集成电路以及微波毫米波电路中得到广泛应用。 按结构，场效应管可分两大类： 结型场效应管（JFET） 绝缘栅型场效应管（IGFET）,Chapter 4,5,4.1.1结型场效应三极管（JFET）,1、结型场效应三极管的结构,在N型半导体硅片两侧扩散高浓度的P型区，形成两个PN结夹着一个N型沟道的结构。 两个P区连在一起构成栅极，N型硅的一端是漏极，另一端是源极。,Chapter 4,6,2、JFET的工作原理,vDS=0，| vGS | 增大，导电沟道变窄，沟道电阻增大。 沟道完全夹断时vGS=VP（VGS（off），称夹断电压。,现以N沟道为例说明其工作原理。,1、vGS对iD的控制 控制导电沟道宽窄,若vDS为一固定值，则iD将受vGS的控制。,Chapter 4,7,vGS=0， vDS增加沿沟道将产生一电位梯度，导电沟道呈楔型， iD与 vDS近似成正比。,预夹断后，随vDS增加，夹断长度略有增加， iD几乎不随vDS增加而上升。,结论：JFET是电压控制电流器件。,2、vDS对iD的影响,当两楔型相遇时，称预夹断。此时 vGD= vGS vDS= VP iD= IDSS饱和漏极电流,Chapter 4,8,3、JFET的特性曲线,（1）输出特性曲线。,以vGS为参变量， iD与vDS的关系,在恒流区或饱和区， iD受vGS的控制，用作放大电路的工作区域，也称线性放大区。,输出特性曲线,Chapter 4,9,（2）转移特性曲线,以vDS为参变量， iD与vGS的关系，描述了输入电压对输出电流的控制作用。,转移特性曲线,Chapter 4,10,实验表明：在VPv GS0范围(恒流区)内，iD与vGS间呈平方律关系，即,为什么不讨论JFET的输入特性？ 栅-源间的PN结是反偏的，故输入端的电流近似为零。,Chapter 4,11,4.1.2 绝缘栅场效应三极管,N沟道增强型MOSFET N沟道耗尽型MOSFET P沟道耗尽型MOSFET 各类FET的伏安特性曲线,Chapter 4,12,绝缘栅型场效应管中应用最多的是以二氧化硅作为金属（铝）栅极和半导体之间绝缘层 ，又称金属-氧化物-半导体场效应管，简称MOSFET ( Metal-Oxide-Semiconductor FET)。,MOSFET可分为 增强型 N沟道、P沟道 耗尽型 N沟道、P沟道,Chapter 4,13,结构,1）结构,N沟道增强型MOSFET在P型半导体上生成一层SiO2 薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区。,栅极G,源极S,漏极D,衬底B,1、N沟道增强型MOSFET,Chapter 4,14,栅源电压vGS的控制作用 形成导电沟道,正电压vGS产生的反型层把漏-源连接起来，形成宽度均匀的导电N沟道，自由电子是沟道内的主要载流子。 反型层刚形成时，对应的栅源电压vGS称为开启电压，用VT表示。,2）工作原理,Chapter 4,15,漏源电压vDS对漏极电流iD的控制作用, vGS VT，加vDS，形成iD，且iD与vDS基本成正比。因vDS形成电位差，使导电沟道为梯形。, vDS增大至vGD = vGS vDS VT，沟道被预夹断（漏端），管子进入饱和区。,vDS对iD的控制,Chapter 4,16,沟道预夹断后， vDS继续增大，夹断点向源极方向移动， iD略有增大。,vGS变化时，vGS VT，没有导电沟道， iD0； vGS =VT时开始形成导电沟道； vGS VT时，导电沟道变宽。从而改变vGS 的大小有效地控制沟道电阻的大小。,输入电压vGS 对输出电流iD的控制,Chapter 4,17,3）特性曲线,输出特性,转移特性,Chapter 4,18,转移特性曲线的斜率gm（ mA/V ）的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用，称为跨导。,(单位mS),管子在饱和区工作（vGS VT）时的转移特性曲线可用以下近似公式表示：,式中IDO为vGS =2 VT时的iD值。,定义：,Chapter 4,19,2、N沟道耗尽型MOSFET,在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了大量的金属正离子。所以当VGS=0时，这些正离子已经在感应出反型层，在漏源之间形成了沟道。于是只要有漏源电压，就有漏极电流存在。,N沟道耗尽MOSFET的结构和符号如图所示,Chapter 4,20,当vGS0时，将使iD进一步增加。vGS0时，随着vGS的减小iD逐渐减小，直至iD=0。对应iD=0的vGS称为夹断电压，用符号vGS(off)表示，有时也用VP表示。N沟道耗尽型MOSFET的转移特性曲线如图所示。,转移特性曲线,Chapter 4,21,3、P沟道耗尽型MOSFET,P沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET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。这如同双极型三极管有NPN型和PNP型一样。,Chapter 4,22,4、各类FET的伏安特性曲线,场效应三极管的特性曲线类型比较多，根据导电沟道的不同，以及是增强型还是耗尽型可有四种转移特性曲线和输出特性曲线，其电压和电流方向也有所不同。如果按统一规定正方向，特性曲线就要画在不同的象限。为了便于绘制，将P沟道管子的正方向反过来设定。有关曲线绘于图之中,Chapter 4,23,各类场效应三极管的特性曲线,Chapter 4,24,Chapter 4,25,Chapter 4,26,4.1.3 场效应三极管的参数,2）夹断电压VGS(off) (或VP) 耗尽型FET的参数。在VDS为某一固定值条件下, iD等于一微小值（便于测量）时所对应的VGS。,3）饱和漏极电流IDSS 耗尽型FET重要参数。在VGS=0的条件下，管子预夹断时的漏极电流。,1）开启电压VGS(th) (或VT) 增强型FET的重要参数。 在VDS为某一固定值下能产生iD所需要的最小|VGS|值。,Chapter 4,27,6）最大漏极功耗PDM 最大漏极功耗可由PDM= vDS iD决定，与双极型三极管的PCM相当。,4）直流输入电阻RGS、rds 栅源电压与漏极电流之比，通常JFET的RGS107，MOSFET的RGS109。,5）低频跨导gm 表征工作点Q上栅源电压vgs对漏极电流id的控制作用大小的参数，单位是mS。,Chapter 4,28,几种常用的场效应三极管的主要参数,Chapter 4,29,4.1.4 双极型和场效应型三极管的比较,Chapter 4,30,Chapter 4,31,4.2 场效应管放大电路,FET放大电路的偏置电路与静态分析 FET放大电路的动态分析 三种类型放大电路的比较,Chapter 4,32,4.2.1 偏置电路与静态分析,1、自偏压共源放大电路,直流通路如图所示,自偏压偏置电路：由于栅极电流为零，故栅源电压UGS是由电阻R上压降通过Rg提供的。,因为UGS0，所以只能用于耗尽型FET。 电阻R可起稳定工作点的作用。,Chapter 4,33,UGSQ=IDQR,由电路得下列方程：,UDSQ=VDDIDQ（R+Rd）,FET的转移特性：,联立上3式，可解得静态工作点参数 UGSQ、IDQ、UDSQ,Chapter 4,34,2、分压式自偏压共源放大电路,VCC经Rg1、Rg2分压后，通过Rg供给栅极电位UGQ。,R 提供自偏压USQ，且可以稳定工作点,Chapter 4,35,UDSQ=VDDIDQ（R+Rd）,有：,UGSQ、IDQ、UDSQ,Chapter 4,36,4.2.2 FET放大电路的动态分析,FET的小信号模型 共源放大电路 共漏放大电路（源极输出器）,Chapter 4,37,1、FET的小信号模型,FET是电压控制器件，在低频小信号工作时，可认为 ri= id=gmugs,简化,Chapter 4,38,2、共源放大电路,交流小信号等效电路如图,1）电压增益Au,2）输入电阻ri,3）输出电阻ro,ro= Rd,Chapter 4,39,3、共漏放大电路（源极输出器）,1）电压增益Au,2）输入电阻ri,Chapter 4,40,3）输出电阻ro,Chap