场效应管及其基本电路.ppt

1、2020年11月1日星期日,模拟电子技术,1,第三章 场效应管及其基本电路,31 结型场效应管,311 结型场效应管的结构及工作原理,312 结型场效应管的特性曲线,一、转移特性曲线,二、输出特性曲线,1. 可变电阻区,2.恒流区,3. 截止区,4.击穿区,2020年11月1日星期日,模拟电子技术,2,32 绝缘栅场效应管(IGFET),321 绝缘栅场效应管的结构,322 N沟道增强型MOSFET,一、导电沟道的形成及工作原理,二、转移特性,三、输出特性,(1)截止区,(2)恒流区,(3)可变电阻区,2020年11月1日星期日,模拟电子技术,3,323 N沟道耗尽型 MOSFET,324各种

2、类型MOS管的符号及特性对比,33 场效应管的参数和小信号模型,331场效应管的主要参数,一、直流参数,二、极限参数,三、交流参数,332 场效应管的低频小信号模型,2020年11月1日星期日,模拟电子技术,4,34 场效应管放大器,341 场效应管偏置电路,一、图解法,二、解析法,342 场效应管放大器分析,一、共源放大器,二、共漏放大器,2020年11月1日星期日,模拟电子技术,5,第三章 场效应管及其基本电路,（1）了解场效应管内部工作原理及性能特点。 （2）掌握场效应管的外部特性、主要参数。 （3）了解场效应管基本放大电路的组成、工作原理及性能特点。 （4）掌握放大电路静态工作点和动态

3、参数（ ）的分析方法。,2020年11月1日星期日,模拟电子技术,6,场效应晶体管（场效应管）利用多数载流子的漂移运动形成电流。,场效应管FET (Field Effect Transistor),结型场效应管JFET (Junction FET),绝缘栅场效应管IGFET (Insulated Gate FET),双极型晶体管主要是利用基区非平衡少数载流子的扩散运动形成电流。,2020年11月1日星期日,模拟电子技术,7,31 结型场效应管,311 结型场效应管的结构及工作原理,(a)N沟道JFET,图31结型场效应管的结构示意图及其表示符号,Gate栅极,Source源极,Drain 漏极

4、,箭头方向表示栅源间PN结若加正向偏置电压时栅极电流的实际流动方向,ID,实际流向,结型场效应三极管的结构.avi,一、结型场效应管的结构,2020年11月1日星期日,模拟电子技术,8,(b)P沟道JFET,图31结型场效应管的结构示意图及其表示符号,ID,实际流向,2020年11月1日星期日,模拟电子技术,9,(a) UGS =0，沟道最宽,图32栅源电压UGS对沟道的控制作用示意图,二、结型场效应管的工作原理,2020年11月1日星期日,模拟电子技术,10,(b) UGS负压增大，沟道变窄,D,S,P,P,图32栅源电压UGS对沟道的控制作用示意图,横向电场作用：,UGS,沟道宽度, PN

5、结耗尽层宽度,2020年11月1日星期日,模拟电子技术,11,(c) UGS负压进一步增大，沟道夹断,图32栅源电压UGS对沟道的控制作用示意图,D,S,P,P,UGSoff夹断电压,2020年11月1日星期日,模拟电子技术,12,沟道预夹断,D,G,S,(a)uGDUGSoff（预夹断前）,U,DS,I,D,0,U,GS,P,P,图34 uDS对导电沟道的影响,uGD=UGSoff（预夹断时）,纵向电场作用：在沟道造成楔型结构（上宽下窄）,2020年11月1日星期日,模拟电子技术,13,由于夹断点与源极间的沟道长度略有缩短，呈现的沟道电阻值也就略有减小，且夹断点与源极间的电压不变。,D,G,

6、S,U,DS,U,GS,沟道局部夹断,I,D,P,P,几乎不变,(b) uGDUGSoff（预夹断后）,结型场效应三极管漏源电压对沟道的控制作用.avi,2020年11月1日星期日,模拟电子技术,14,312 结型场效应管的特性曲线,一、输出特性曲线,1. 可变电阻区,iD的大小同时受uGS 和uDS的控制。,uGDUGSoff（或uDSuGS-UGSoff）,uGSUGSoff,预夹断前所对应的区域。,uGS0，,uDS0,2020年11月1日星期日,模拟电子技术,15,图33JFET的转移特性曲线和输出特性曲线,(b)输出特性曲线,1,2,3,4,i,D,/,mA,0,10,20,u,D,

7、S,/,V,可,变,电,阻,区,恒,截止区,2,V,1,.5V,1,V,u,DS,u,G,S,U,GSoff,5,15,流,区,击,穿,区,U,GS,0V,U,GSoff,0,.,5V,漏极输出特性曲线.avi,2020年11月1日星期日,模拟电子技术,16,当uDS很小时， uDS对沟道的影响可以忽略，沟道的宽度及相应的电阻值仅受uGS的控制。输出特性可近似为一组直线，此时，JFET可看成一个受uGS控制的可变线性电阻器（称为JFET的输出电阻）；,当uDS较大时， uDS对沟道的影响就不能忽略，致使输出特性曲线呈弯曲状。,2020年11月1日星期日,模拟电子技术,17,2.恒流区,iD的大

8、小几乎不受uDS的控制。,预夹断后所对应的区域。,(1)当UGSoffuGS0时，uGS变化，曲线平移，iD与uGS符合平方律关系， uGS对iD的控制能力很强。,(2) uGS固定，uDS增大，iD增大极小。,2020年11月1日星期日,模拟电子技术,18,4.击穿区,随着uDS增大，靠近漏区的PN结反偏电压 uDG(=uDS-uGS)也随之增大。,当UGSUGSoff时，沟道被全部夹断，iD=0，故此区为截止区。,3. 截止区,2020年11月1日星期日,模拟电子技术,19,二、转移特性曲线,式中：IDSS饱和电流，表示uGS=0时的iD值； UGSoff夹断电压，表示uGS=UGSoff

9、时iD为零。,恒流区中：,uGS0，,iD0,2020年11月1日星期日,模拟电子技术,20,(a)转移特性曲线,为保证场效应管正常工作，PN结必须加反向偏置电压,图33JFET的转移特性曲线和输出特性曲线,2020年11月1日星期日,模拟电子技术,21,u,G,S,/,V,0,1,2,3,1,2,3,4,5,I,DSS,U,GS,off,i,D,/,mA,1,2,3,4,i,D,/,mA,0,10,20,u,D,S,/,V,可,变,电,阻,区,恒,截止区,2,V,1,.5V,1,V,u,DS,u,G,S,U,GSoff,5,15,流,区,击,穿,区,U,GS,0V,U,GSoff,0,.,5

10、V,从输出特性曲线作转移特性曲线示意图,转移特性曲线.avi,2020年11月1日星期日,模拟电子技术,22,32 绝缘栅场效应管(IGFET),栅极与沟道之间隔了一层很薄的绝缘体，其阻抗比JFET的反偏PN结的阻抗更大。功耗低，集成度高。,绝缘体一般为二氧化硅（SiO2），这种IGFET称为金属氧化物半导体场效应管，用符号MOSFET表示（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）。此外，还有以氮化硅为绝缘体的MNSFET等。,一、简介,2020年11月1日星期日,模拟电子技术,23,MOSFET,N沟道,P沟道,增强型,N-EMOS

11、FET,耗尽型,增强型,耗尽型,N-DMOSFET,P-EMOSFET,P-DMOSFET,二、分类,2020年11月1日星期日,模拟电子技术,24,321 绝缘栅场效应管的结构,322 N沟道增强型MOSFET (Enhancement NMOSFET),一、导电沟道的形成及工作原理,UGS=0，导电沟道未形成,PN结(耗尽层),2020年11月1日星期日,模拟电子技术,25,B,(a) UGSUGSth，导电沟道未形成,N,U,GS,N,PN,结,(,耗尽层,),P,型衬底,图36 N沟道增强型MOS场效应管的沟道形成及符号,开启电压：UGSth,D,S,G,2020年11月1日星期日,模

12、拟电子技术,26,图36 N沟道增强型MOS场效应管的沟道形成及符号,B,N,导电沟道（反型层）,P,型衬底,U,GS,N,衬底的箭头方向表示PN结若加正向电压时的电流方向,(b) UGSUGSth，导电沟道已形成,栅源电压VGS对沟道的影响.avi,2020年11月1日星期日,模拟电子技术,27,图 uDS增大，沟道预夹断前情况,B,U,DS,P,型衬底,U,GS,N,+,N,+,2020年11月1日星期日,模拟电子技术,28,图39 uDS增大，沟道预夹断时情况,B,U,DS,P,型衬底,U,GS,N,+,N,+,预夹断,2020年11月1日星期日,模拟电子技术,29,图 uDS增大，沟道

13、预夹断后情况,B,U,DS,P,型衬底,U,GS,N,+,N,+,漏源电压VDS对沟道的影响.avi,2020年11月1日星期日,模拟电子技术,30,二、输出特性,(1)截止区,uDS0,uGSUGSth,导电沟道未形成，iD=0。,(2)可变电阻区,预夹断前所对应的区域。,uGSUGSth,uGDUGSth（或uDSuGS-UGSth）,2020年11月1日星期日,模拟电子技术,31,i,D,0,u,D,S,U,GS,6V,截止区,4,V,3,V,2,V,5,V,可,变,电,阻,区,恒,流,区,区,穿,击,图38输出特性,(a)输出特性,2020年11月1日星期日,模拟电子技术,32,(3)

14、恒流区,曲线间隔均匀，uGS对iD控制能力强。,uDS对iD的控制能力弱，曲线平坦。,预夹断后所对应的区域。,uGSUGSth,uGDuGS-UGSth）,2020年11月1日星期日,模拟电子技术,33,三、转移特性,(1)当uGSUGSth时，iD=0。,(2)当uGSUGSth时，iD 0，二者符合平方律关系。,iD0,2020年11月1日星期日,模拟电子技术,34,u,G,S,/,V,0,3,2,1,1,2,3,4,5,U,GS,th,i,D,/,mA,图37 NMOSFET的转移特性曲线,2020年11月1日星期日,模拟电子技术,35,323 N沟道耗尽型 MOSFET (Deplet

15、ion NMOSFET),ID0表示uGS=0时所对应的漏极电流。,2020年11月1日星期日,模拟电子技术,36,图 N沟道耗尽型MOS场效应管的沟道形成,B,N,导电沟道（反型层）,P,型衬底,N,UGS=0，导电沟道已形成,2020年11月1日星期日,模拟电子技术,37,图310N沟道耗尽型MOS管的特性及符号(a)转移特性；(b)输出特性；(c)表示符号,2020年11月1日星期日,模拟电子技术,38,图310N沟道耗尽型MOS管的特性及符号 (a)转移特性；(b)输出特性；(c)表示符号,(,c,),D,G,S,B,2020年11月1日星期日,模拟电子技术,39,324各种类型MOS

16、管的符号及特性对比,D,G,S,D,G,S,N,沟道,P,沟道,JFET,图311各种场效应管的符号对比,2020年11月1日星期日,模拟电子技术,40,图311各种场效应管的符号对比,2020年11月1日星期日,模拟电子技术,41,JFET：利用栅源电压（ 输入电压）对耗尽层厚度的控制来改变导电沟道的宽度，从而实现对漏极电流（输出电流）的控制。,MOSFET：利用栅源电压（ 输入电压）对半导体表面感生电荷量的控制来改变导电沟道的宽度，从而实现对漏极电流（输出电流）的控制。,FET,输入电压,输出电流,G,S,S,D,uGS,iD,2020年11月1日星期日,模拟电子技术,42,i,D,u,G

17、,S,U,G,S,off,0,I,DSS,I,D0,U,G,S,th,结型,P,沟,耗尽型,P,沟,增强型,P,沟,MOS,耗尽型,N,沟,增强型,N,沟,MOS,结型,N,沟,图312各种场效应管的转移特性和输出特性对比,(a)转移特性,N沟道：,P沟道：,2020年11月1日星期日,模拟电子技术,43,图312各种场效应管的转移特性和输出特性对比,u,D,S,i,D,0,线性可变电阻区,0,1,2,3,4,5,6,0,1,2,3,1,2,3,3,4,5,6,7,8,9,结型,P,沟,耗尽型,MOS,P沟,3,4,5,6,0,1,2,0,1,2,3,1,2,3,3,4,5,6,7,8,9,结

18、型,N,沟,耗尽型,增强型,MOS,N沟,U,GS,/,V,U,GS,/,V,增强型,(b)输出特性,N沟道：,P沟道：,2020年11月1日星期日,模拟电子技术,44,BJT与FET工作状态的对比,2020年11月1日星期日,模拟电子技术,45,场效应管工作状态的判断方法,1.先判断是否处于截止状态,2.再判断是否处于放大状态,或,或,指导思想：假设处于某一状态，然后用计算结果验证假设是否成立。,2020年11月1日星期日,模拟电子技术,46,33 场效应管的参数和小信号模型,331 场效应管的主要参数,一、直流参数,1. 结型场效应管和耗尽型MOSFET的主要参数,(1)饱和漏极电流IDS

19、S(ID0)：,(2)夹断电压UGSoff：当栅源电压uGS=UGSoff时，iD=0。,对应uGS=0时的漏极电流。,2.增强型MOSFET的主要参数,对增强型MOSFET来说，主要参数有开启电压UGSth。,2020年11月1日星期日,模拟电子技术,47,3.输入电阻RGS,对结型场效应管，RGS在1081012之间。,对MOS管，RGS在10101015之间。,通常认为RGS 。,二、极限参数,(1)栅源击穿电压U(BR)GSO。,(2)漏源击穿电压U(BR)DSO。,(3)最大功耗PDM：PDM=IDUDS,2020年11月1日星期日,模拟电子技术,48,三、交流参数,1跨导gm,对J

20、FET和耗尽型MOS管,那么,2020年11月1日星期日,模拟电子技术,49,而对增强型MOSFET,那么，对应工作点Q的gm为,2020年11月1日星期日,模拟电子技术,50,2.输出电阻rds,恒流区的rds可以用下式计算,UA为厄尔利电压。,2020年11月1日星期日,模拟电子技术,51,若输入为正弦量，上式可改写为,通常rds较大，Uds对Id的影响可以忽略，则,332 场效应管的低频小信号模型,2020年11月1日星期日,模拟电子技术,52,图313 场效应管低频小信号简化模型,2020年11月1日星期日,模拟电子技术,53,34 场效应管放大器,341 场效应管偏置电路,偏置方式,

21、自偏压方式,混合偏置方式,确定直流工作点方法,图解法,解析法,适宜 JFET、DMOSFET,适宜 JFET、DMOSFET、EMOSFET,2020年11月1日星期日,模拟电子技术,54,图314场效应管偏置方式 (a)自偏压方式； (b)混合偏置方式,2020年11月1日星期日,模拟电子技术,55,一、图解法,栅源回路直流负载线方程,1.自偏压方式,图315 (a)图解法求自偏压方式电路的直流工作点,Q,2020年11月1日星期日,模拟电子技术,56,图315 (b)图解法求混合偏置方式电路直流工作点,2.混合偏置方式,栅源回路直流负载线方程,2020年11月1日星期日,模拟电子技术,57

22、,二、解析法,已知电流方程及栅源直流负载线方程，联立求解即可求得工作点。,2020年11月1日星期日,模拟电子技术,58,342场效应管放大器分析,一、共源放大器,图316 (a)共源放大器电路,2020年11月1日星期日,模拟电子技术,59,图316 (b)共源放大器电路低频小信号等效电路,2020年11月1日星期日,模拟电子技术,60,图318 (a)带电流负反馈的放大电路,例 试画出低频小信号等效电路，并计算增益Au。,2020年11月1日星期日,模拟电子技术,61,图3-18 (b) (c)带电流负反馈放大电路的等效电路及简化等效电路,2020年11月1日星期日,模拟电子技术,62,图

23、319 (a)共漏电路,二、共漏放大器,2020年11月1日星期日,模拟电子技术,63,图319 (b)共漏电路等效电路,U,o,R,L,R,S,S,D,I,d,g,m,U,gs,g,m,U,i,-,I,d,(,R,S,R,L,),/,2020年11月1日星期日,模拟电子技术,64,1. 放大倍数Au,U,o,R,L,R,S,S,D,I,d,g,m,U,gs,2020年11月1日星期日,模拟电子技术,65,2.输入电阻,2020年11月1日星期日,模拟电子技术,66,图320计算共漏电路输出电阻Ro的电路,3. 输出电阻Ro,C,2,C,1,R,G1,R,S,U,DD,R,G2,150k,50

24、k,2k,U,o,R,G3,1M,g,m,2mA/V,2020年11月1日星期日,模拟电子技术,67,图320计算共漏电路输出电阻Ro的等效电路,2020年11月1日星期日,模拟电子技术,68,2020年11月1日星期日,模拟电子技术,69,作 业,3-1,3-3,3-4,3-5,3-7,3-8,2020年11月1日星期日,模拟电子技术,70,(a)转移特性曲线,为保证场效应管正常工作，PN结必须加反向偏置电压,图33JFET的转移特性曲线和输出特性曲线,2020年11月1日星期日,模拟电子技术,71,图33JFET的转移特性曲线和输出特性曲线,(b)输出特性曲线,1,2,3,4,i,D,/,mA,0,10,20,u,D,S,/,V,可,变,电,阻,区,恒,截止区,2,V,1,.5V,1,V,u,DS,u,G,S,U,GSoff,5,15,流,区,击,穿,区,U,GS,0V,U,GSoff,0,.,5V,漏极输出特性曲线.avi,2020年11月1日星期日,模拟电子技术,