模电A第4章_zzj

1、第第4章章 场效应管及其基本放大电路场效应管及其基本放大电路 4.3 场效应管放大电路的频率响应场效应管放大电路的频率响应 4.1 场效应管场效应管 4.2 场效应管放大电路场效应管放大电路 一、理解场效应管一、理解场效应管JFET、MOSFET的原理、特性的原理、特性 曲线和主要参数。曲线和主要参数。 二、掌握场效应管放大电路的分析及其应用。二、掌握场效应管放大电路的分析及其应用。 三、了解场效应管放大电路的频率响应。三、了解场效应管放大电路的频率响应。 BJTBJT是一种是一种电流控制器件电流控制器件，工作时，多数载流子和，工作时，多数载流子和 少数载流子都参与运行，所以被称为少数载流子都

2、参与运行，所以被称为双极型器件双极型器件。 场效应晶体管（场效应晶体管（Field Effect TransistorField Effect Transistor简称简称 FETFET）: :是利用电场效应来控制电流的一种半导体器件，是利用电场效应来控制电流的一种半导体器件， 即是即是电压控制元件电压控制元件。工作时，只有一种载流子参与导电，。工作时，只有一种载流子参与导电， 因此它是因此它是单极型器件单极型器件。 FETFET因其制造工艺简单，功耗小，因其制造工艺简单，功耗小，温度特性好，输温度特性好，输 入电阻极高入电阻极高, ,抗辐射能力强抗辐射能力强等优点，得到了广泛应用等优点，得到

3、了广泛应用。 4.1 场效应管场效应管 （） （） 4.1.1 场效应管的分类场效应管的分类 场效应管三极场效应管三极 g g 栅极栅极( (控制极控制极) ) s s 源极源极 d d 漏极漏极 基基 极极 b b 发射极发射极 e e 集电极集电极 c c 晶体管三极晶体管三极 耗尽型耗尽型：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在 增强型增强型：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道 漏极漏极D 栅极和其它电极栅极和其它电极 及硅片之间是绝缘及硅片之间是绝缘 的，称绝缘栅型场的，称绝缘栅型场 效应管。效

4、应管。由于金属由于金属 栅极和半导体之间栅极和半导体之间 的绝缘层目前常用的绝缘层目前常用 二氧化硅，故又称二氧化硅，故又称 金属金属-氧化物氧化物-半导体半导体 场效应管，简称场效应管，简称 MOS场效应管场效应管。 金属电极金属电极 一一. N. N沟道增强型沟道增强型MOS管管 栅极栅极G 源极源极S 4.1.2 绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管 P P型硅衬底型硅衬底 高掺杂高掺杂N区区 SiO2绝缘层绝缘层 G S D 衬底衬底 B 由于栅极是绝缘的，栅极电流几乎为零，输入电阻由于栅极是绝缘的，栅极电流几乎为零，输入电阻 很高，最高可达很高，最高可达1014 。 1. N沟道增强型管

5、的工作原理沟道增强型管的工作原理 - - - P衬底 s g N+ b d VDD 二氧化硅 + N 当当uGS=0V时，漏源之间相当两个时，漏源之间相当两个 背靠背的背靠背的 二极管。二极管。SD - - - s 二氧化硅 P衬底 g DD V + N d + b N V GG id 当当u uGS GS v vT T时，由于栅极电压较强，在靠近栅极下方的时，由于栅极电压较强，在靠近栅极下方的P P型半导体表型半导体表 层中聚集较多的电子，形成一个层中聚集较多的电子，形成一个N N型沟道，将漏极和源极沟通。称为反型沟道，将漏极和源极沟通。称为反 型层。型层。如果此时加有漏源电压，就可以形成漏

6、极电流如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流I ID D。 N型导电沟道型导电沟道 在在d、s之间加上电压也不会形成之间加上电压也不会形成电流电流， 即管子截止。即管子截止。 (1) 栅源电压栅源电压uGS的控制作用的控制作用 当当u uGS GS 0 0 时，时，P P型衬底中的电子受型衬底中的电子受 到电场力的吸引到达表层，填补空穴形到电场力的吸引到达表层，填补空穴形 成负离子的耗尽层成负离子的耗尽层，同时排斥，同时排斥P P型衬底中型衬底中 的空穴。的空穴。 - - - s 二氧化硅 P衬底 g DD V + N d + b N VGG id N型导电沟道型导电沟道 在在UGS=0V时

7、时ID=0，只有当，只有当UGSUGS(th)后才会出现漏极电流，后才会出现漏极电流， 这种这种MOS管称为管称为增强型增强型MOS管管。 开启电压（开启电压（ UGS(th)）刚刚产生沟道所需的栅刚刚产生沟道所需的栅源电压。源电压。 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 UGS(th) ，管子截止，管子截止， uGS UGS(th) ，管子导通。，管子导通。 uGS 越大，沟道越宽，在相同的漏越大，沟道越宽，在相同的漏 源电压源电压uDS作用下，漏极电流作用下，漏极电流iD越大。越大。 (2) 漏源电压漏源电压uDS对漏极电流对漏极电流id的控制作用的控制作用 当

8、当uGSUGS(th)，且固定为某一值时，分析漏源电压，且固定为某一值时，分析漏源电压uDS对漏极电流对漏极电流iD的影响。的影响。 uDS=0时，时， iD=0。 uDS iD；靠近漏极；靠近漏极d处的电位升高处的电位升高, 电场强度减小电场强度减小,沟道变薄沟道变薄, 整个沟道整个沟道 呈楔形分布。呈楔形分布。 uDS再再 ，预夹断区加长，预夹断区加长， 沟道电阻沟道电阻 ， iD基本不变基本不变。 - - - s 二氧化硅 P衬底 g DD V + N d + b N VGG id - - - 二氧化硅 N i s d N V b + DD d V P衬底 GGg - - - GG b

9、V d 二氧化硅 s i N g DD + d P衬底 V N+ - - - P衬底 d + d DD V s + 二氧化硅 NN b i GG V g MOSFET工作原理动画演示工作原理动画演示 当当uDS增加到使增加到使uGDuGSuDS UGS(th) 时，沟道靠漏区夹断，称为时，沟道靠漏区夹断，称为预夹断预夹断。 2. 2. 特性曲线特性曲线 （1）输出特性曲线）输出特性曲线 GS DDSconst. () u if u u 截止区截止区 当当vGSUGS(th)时，导电沟道尚时，导电沟道尚 未形成，未形成，iD0，为截止工作状，为截止工作状 态。态。 输出特性：输出特性：uGS一定

10、时，漏极电流一定时，漏极电流iD与漏极电压与漏极电压uDS之间的关系。之间的关系。 分为四个区：分为四个区： 可变电阻区可变电阻区(预夹断前预夹断前)； 恒流区恒流区也称也称饱和区饱和区（预夹断（预夹断 后）；后）； 截止区截止区（夹断区）；（夹断区）； 击穿区。击穿区。 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 n ：反型层中电子迁移率：反型层中电子迁移率 Cox ：栅极（与衬底间）氧化层单位面积电容：栅极（与衬底间）氧化层单位面积电容 本征电导因子本征电导因子 oxn n C K L W L WK K 22 oxnn n C 其中其中 Kn为电导常数，单位：为电导常数

11、，单位：mA/VmA/V2 2 u 可变电阻区可变电阻区 (uDSuGS- UGS(th) 2 DnGSGS(th)DSDS 2()iKuUuu GS DS dso DnGSGS(th) () u du r diK uU 常量 1 2 u 饱和区（恒流区又称放大区）饱和区（恒流区又称放大区） uGS GS UGS(th) ，且，且uDS DS （u uGS GS UGS(th) ） 2 DOnGS(th) IK U是是uGS GS 2 2U UGS(th) GS(th)时 时的的iD D U U- -I I 特性：特性： 2 DnGSGS(th) 22GS nGS(th) GS(th) 2GS

12、 DO GS(th) () (1) (1) iKuU u K U U u I U u 击穿区击穿区 （2）转移特性曲线）转移特性曲线 转移特性：转移特性： 漏极电压漏极电压uDS 一定时，一定时， 栅源电压栅源电压uGS对漏极电流对漏极电流iD的控制特性。的控制特性。 DS DGSconst. () u if u 恒流区内，恒流区内， iD受受uGS的影响很的影响很 小，曲线近似为一条，电流方程小，曲线近似为一条，电流方程 如下：如下： N沟道增强型沟道增强型MOS管正常工作时，管正常工作时，uGS0。 线性特性好线性特性好 于于BJT 2GS DDO GS(th) (1) u iI U 3.

13、 3. 沟道长度调制效应沟道长度调制效应 实际上饱和区的曲线并不是平坦的。实际上饱和区的曲线并不是平坦的。 L的单位为的单位为 m 1 V 1 . 0 L 当不考虑沟道调制效应时，当不考虑沟道调制效应时， 0 0，曲线是平坦的。，曲线是平坦的。 修正后修正后 2 DnGSGS(th)DSDSDS 2()(1)iKuUuuu 二二. N. N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFETMOSFET 符号：符号： 在栅极下方的在栅极下方的SiOSiO2 2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u uGS GS=0 =0时，这些时，这些 正离子已经感应出反型层，形成了沟道。如果正离

14、子已经感应出反型层，形成了沟道。如果MOSMOS管在制造时导电沟道就已管在制造时导电沟道就已 形成，称为形成，称为耗尽型场效应管。耗尽型场效应管。 SiO2绝缘层中绝缘层中 掺有正离子掺有正离子 予埋了予埋了N型型 导电沟道导电沟道 1. 1. 结构和工作原理结构和工作原理 G S D B 衬底衬底 工作原理：工作原理： （1 1）由于耗尽型场效应管预埋了导电沟道，所以在）由于耗尽型场效应管预埋了导电沟道，所以在u uGS GS= 0 = 0时，若漏时，若漏 源之间加上一定的电压源之间加上一定的电压u uDS DS，也会有漏极电流 ，也会有漏极电流 i iD D 产生。产生。这时的这时的漏极电

15、流漏极电流 用用 IDSS表示，称为表示，称为饱和漏极电流饱和漏极电流。 （2 2）当）当U UGS GS 0 0时，使导电沟道变宽，时，使导电沟道变宽， i iD D 增大；增大； （3 3）当）当U UGS GS 0 0时，使导电沟道变窄，时，使导电沟道变窄， i iD D 减小；减小； U UGS GS负值愈高，沟道愈窄， 负值愈高，沟道愈窄， I ID D就愈小。就愈小。 （4 4）当）当U UGS GS达到一定负值时， 达到一定负值时，N N型导电沟道消失，型导电沟道消失， i iD D= 0= 0，称为场效应管处于称为场效应管处于夹断状态夹断状态（即截止）。（即截止）。 这时的这时

16、的U UGS GS称为夹断电压 称为夹断电压，用，用U UGS(off GS(off) )表示。 表示。 2. 2. 耗尽型耗尽型N N沟道沟道MOSMOS管的特性曲线管的特性曲线 转移特性曲线转移特性曲线 漏极特性曲线漏极特性曲线 2GS DDSS GS(off) (1)iI U u 夹断电压夹断电压 N型衬底型衬底 P+P+ G S D 符号：符号： 1. P1. P沟道增强型沟道增强型 SiO2绝缘层绝缘层 加电压才形成加电压才形成 P型导电沟道型导电沟道 增强型场效应管只有当增强型场效应管只有当时才形成导电沟道。时才形成导电沟道。 三三. P. P沟道沟道MOSFETMOSFET 增强

17、型转移特性曲线增强型转移特性曲线 增强型输出特性曲线增强型输出特性曲线 2 DpGSGS(th)DSDS 2()iKuUuu 2. P2. P沟道耗尽型管沟道耗尽型管 符号：符号： G S D 予埋了予埋了P P型型 导电沟道导电沟道 SiO2绝缘层中绝缘层中 掺有负离子掺有负离子 耗尽型转移特性曲线耗尽型转移特性曲线 耗尽型输出特性曲线耗尽型输出特性曲线 G S D G S D N沟道沟道 G S D G S D P沟道沟道 小结：小结： 4.1.3 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理 1. 1. 结构结构 JFETJFET是利用半导体内的电场效应，进行工作的，也称为体内场效应管。是利

18、用半导体内的电场效应，进行工作的，也称为体内场效应管。 N 沟道沟道 JFET P 沟道沟道 JFET 漏极漏极 源极源极 栅极栅极 2. 2. 工作原理工作原理（以（以N沟道沟道JFET为例）为例） 正常工作条件正常工作条件（N N沟道）：沟道）： 栅栅源之间加负向电压（源之间加负向电压（u uGS GS0 0 0 ）, , 以形成漏极电流以形成漏极电流 i iD D。 场效应管通过栅场效应管通过栅源电压源电压uGS和漏和漏源电压源电压uDS对导电沟道对导电沟道 的影响来实现对的影响来实现对iD的控制，从而实现其放大（控制）的功能。的控制，从而实现其放大（控制）的功能。 N g d uGS

19、（1）当）当uDS=0（d、s短路）时，短路）时，uGS对导电沟道的控制作用对导电沟道的控制作用 PP s uDS=0且且uGS=0时，耗尽层很窄，时，耗尽层很窄， 导电沟道很宽。导电沟道很宽。 |uGS|负向增大时，负向增大时，PN结反偏，结反偏， 耗尽层加宽，沟道变窄，沟道耗尽层加宽，沟道变窄，沟道 电阻增大。电阻增大。 |uGS|负向负向增大到某一数值时，耗增大到某一数值时，耗 尽层闭合，沟道消失，沟道电阻尽层闭合，沟道消失，沟道电阻 趋于无穷大，称此时趋于无穷大，称此时uGS的值为的值为 夹断电压夹断电压UGS(off)。 N g d vGS s vDS （2）当）当uGS为某一固定值

20、（为某一固定值（UGS(off) 0 ）时，）时，uDS对漏极电流对漏极电流 iD的影响。的影响。 PP uGS为某一固定值（为某一固定值（ UGS(off) 0 ），）， 存在由存在由uGS所确定的一定宽度的沟所确定的一定宽度的沟 道。若道。若uDS=0，此时由于，此时由于ds间电间电 压为零，沟道中的载流子不会产生压为零，沟道中的载流子不会产生 定向移动，故电流定向移动，故电流iD=0。 若若uDS0，则有电流，则有电流iD从漏极流向从漏极流向 源极，源极，uDS则则iD=，电流电流iD将随将随 uDS的变化近似线性变化。的变化近似线性变化。此时沟此时沟 道中各点与栅极间的电压不等耗道中各

21、点与栅极间的电压不等耗 尽层宽度不一（沟道上窄下宽，尽层宽度不一（沟道上窄下宽， 呈楔型呈楔型）。）。 N g d uGS s uDS PP 一旦一旦uDS的增大使的增大使uGD UGS(off) ， 则漏极一边的耗尽层就会出现夹则漏极一边的耗尽层就会出现夹 断区，称断区，称uGD UGS(off)为预夹断为预夹断。 若若uDS继续增大，继续增大，uGDUGS(off)，耗尽层闭，耗尽层闭 合部分将沿沟道方向延伸，夹断区加长。合部分将沿沟道方向延伸，夹断区加长。 一方面，自由电子从一方面，自由电子从源极向漏极源极向漏极定向移定向移 动所受阻力加大（从夹断区窄缝高速通过），动所受阻力加大（从夹断

22、区窄缝高速通过）， 从而导致从而导致iD减小；减小； 另一方面，随着另一方面，随着uDS的增大，的增大，ds间的电间的电 场增强，使场增强，使iD增大。增大。 二者变化趋势相互抵消，在预夹断后，二者变化趋势相互抵消，在预夹断后，uDS增大，增大，iD近似近似 不变不变，即，即iD仅仅取决于仅仅取决于uGS，表现出，表现出iD的恒流特性。的恒流特性。 (3)当当uGD UGS(off) 时，时，uGS对漏极电流对漏极电流iD的控制。的控制。 在在uGD=uGS-uDS UGS(off)的情况下，的情况下， 当当uDS为一常量时，对应于确定的为一常量时，对应于确定的uGS， 就有确定的就有确定的i

23、D。此时通过改变。此时通过改变uGS就可以就可以 控制控制iD的大小，这就是场效应管的控制的大小，这就是场效应管的控制 作用。作用。 场效应管控制作用体现在场效应管控制作用体现在漏极电流漏极电流 受栅受栅源电压的控制，故场效应管为电源电压的控制，故场效应管为电 压控制器件，体现其控制作用的参数为压控制器件，体现其控制作用的参数为 gm（低频跨导）。（低频跨导）。 D m GS i g u N g d vGS s vDS PP 结型场效应管工作原理动画演示结型场效应管工作原理动画演示 22GS DnGSGS(off)DSS GS(off) ()(1) u iKuUI U 2 D SSnG S(o

24、ff) IK U为为 时的漏极电流，称为漏极饱和电流。时的漏极电流，称为漏极饱和电流。 GS 0u 特性曲线特性曲线 类型截止区可变电阻区恒流区 N沟道JFET P沟道JFET N沟道增强 型 MOSFET N沟道耗尽 型 MOSFET P沟道增强型 MOSFET P沟道耗尽型 MOSFET GSGS(off) uU GSGS(off) uU GSGS(th) uU GSGS(off) uU GSGS(th) uU GSGS(off) uU GS(off)GS 0Uu DSGSGS(off) uuU GS(off)GS 0Uu DSGSGS(off) uuU GSGS(th) uU GSGS(

25、th) uU GSGS(off) uU GSGS(off) uU GSGS(th) uU GSGS(th) uU GSGS(off) uU GSGS(off) uU GS(off)GS 0Uu GS(off)GS 0Uu DSGSGS(off) uuU DSGSGS(off) uuU DSGSGS(th) uuU DSGSGS(off) uuU DSGSGS(th) uuU DSGSGS(off) uuU DSGSGS(th) uuU DSGSGS(off) uuU DSGSGS(th) uuU DSGSGS(off) uuU 4.1.4 场效应管的主要参数场效应管的主要参数 (1)(1)开启

26、电压开启电压UGS(th) (2)(2)夹断电压夹断电压UGS(off) (3) (3)漏极饱和电流漏极饱和电流IDSS和和IDO (4)(4)直流输入电阻直流输入电阻RGS (1)(1)低频跨导低频跨导gm DS D m GS U i g u 反映了反映了uGS 对对 iD 的控制能力，单位的控制能力，单位 S(西门子西门子)。一般为几毫西。一般为几毫西 (mS)。 相当于转移特性上工作点的斜率。是表征相当于转移特性上工作点的斜率。是表征FET放大能力的一个重要参数。放大能力的一个重要参数。 （2 2）输出电阻）输出电阻rds GSD DS ds V i r v 说明说明uDS DS了对 了

27、对i iD D的影响。是输出特性某一点上切线斜率的倒数。的影响。是输出特性某一点上切线斜率的倒数。 （3 3）极间电容）极间电容 (1)(1)最大漏极电流最大漏极电流IDM (2)(2)最大耗散功率最大耗散功率PDM (3)(3)最大漏源电压最大漏源电压UBR(DS) (4)(4)最大栅源电压最大栅源电压UBR(GS) 4.2.1 场效应管的直流偏置电路与静态分析场效应管的直流偏置电路与静态分析 场效应管三极场效应管三极 g g 栅极栅极( (控制极控制极) ) s s 源极源极 d d 漏极漏极 基基 极极 b b 发射极发射极 e e 集电极集电极 c c 晶体管三极晶体管三极 场效应管场

28、效应管 晶体管晶体管 4.2 场效应管场效应管放大电路放大电路 1自给偏置电路自给偏置电路 （1）计算法。）计算法。 列出输入回路电压方程列出输入回路电压方程 GSQGSDQ UUUIR 假设管子工作在恒流区假设管子工作在恒流区，由耗尽，由耗尽 型场效应管的电流方程可得型场效应管的电流方程可得 GSQ2 DQDSS GS(off) (1) U II U 列出输出回路电压方程列出输出回路电压方程 DSQDDDQD ()UVIRR 验证假设是否成立验证假设是否成立。 Q (UGS ID UDS) 验证是否满足验证是否满足 DSGSGS(th) ()UUU如果不满足，则说明假设错误。如果不满足，则说

29、明假设错误。 再假设工作在再假设工作在可变电阻区，可变电阻区， DnGSGS(th)DS 2() IKuUu （2）图解法）图解法 DSQDDDQD ()UVIRR 直流负载线：直流负载线： GSQDQ UIR 2分压式偏置电路分压式偏置电路 分压式偏置共源放大电路分压式偏置共源放大电路 直流通路直流通路 求出栅极的分压求出栅极的分压UG G1 GDD G1G2 R UV RR 列出输入回路电压方程列出输入回路电压方程 G1 GSQGSDDDQ G1G2 R UUUVIR RR 假设管子工作在恒流区，假设管子工作在恒流区，由增强型场效应的电流方程可得由增强型场效应的电流方程可得 GSQ22 DQnGSQGS(th)DO GS(th) ()(1) U IKUUI U 列出输出回路电压方程列出输出回路电压方程 DSQDDDQD ()UVIRR 验证假设是否成立验证假设是否成立 4.2.2 场效应管的动态分析场效应管的动态分析 1场效应管的低频小信号模型场效应管的低频小信号模型 dmg sd s d 1 iguu r 对于增强型对于增强型MOS管管 () () 2 2() mnGSQGS thDODQ GS th gK UUII U 对于对于JFET和耗尽型和耗尽