第3章 场效应管及其放大电路

1、模 拟 电 子 技 术3.1 3.1 场效应管场效应管3.2 3.2 场效应管及放场效应管及放大电路大电路模 拟 电 子 技 术 引言引言3.1.1 结型场效应管结型场效应管3.1.3 场效应管的主要参数场效应管的主要参数3.1.2 MOS 场效应管场效应管模 拟 电 子 技 术引引 言言场效应管场效应管 FET ( (Field Effect Transistor) )类型：类型：结型结型 JFET ( (Junction Field Effect Transistor) )绝缘栅型绝缘栅型 IGFET( (Insulated Gate FET) )模 拟 电 子 技 术特点：特点：1. 单

2、极性器件单极性器件( (一种载流子导电一种载流子导电) )3. 工艺简单、易集成、功耗小、工艺简单、易集成、功耗小、 体积小、成本低体积小、成本低2. 输入电阻高输入电阻高 ( (107 1015 ，IGFET 可高达可高达 1015 ) )模 拟 电 子 技 术3.1.1 结型场效应管结型场效应管1. 结构与符号结构与符号N 沟道沟道 JFETP 沟道沟道 JFET模 拟 电 子 技 术2. 工作原理工作原理(1)uGS对导电沟道的控制作用对导电沟道的控制作用模 拟 电 子 技 术2.uDS对对iD的影响的影响3.uDS和和UGS共同作用共同作用uGS 0，uDS 0 此时此时 uGD =

3、UGS( (off) )； 导电沟道楔型导电沟道楔型耗尽层刚相碰时称耗尽层刚相碰时称预夹断。预夹断。当当 uDS ，预夹断预夹断点点下移。下移。模 拟 电 子 技 术3. 转移特性和输出特性转移特性和输出特性UGS( (off) )当当 UGS( (off) ) uGS 0 时时,2GS(off)GSDSSD)1(UuIi uGSiDIDSSuDSiDuGS = 3 V 2 V 1 V0 V 3 VOO模 拟 电 子 技 术3.1.2 MOS 场效应管场效应管MOS 场场效应管效应管（绝缘栅（绝缘栅场效应管场效应管）N沟道绝缘栅场效沟道绝缘栅场效应管应管P沟道绝缘栅场效沟道绝缘栅场效应管应管增

4、强型增强型耗尽型耗尽型增强型增强型耗尽型耗尽型模 拟 电 子 技 术一、增强型一、增强型 N 沟道沟道 MOSFET ( (Mental Oxide Semi FET) )1. 结构与符号结构与符号P 型衬底型衬底( (掺杂浓度低掺杂浓度低) )N+N+用扩散的方法用扩散的方法制作两个制作两个 N 区区在硅片表面生一在硅片表面生一层薄层薄 SiO2 绝缘层绝缘层S D用金属铝引出用金属铝引出源极源极 S 和漏极和漏极 DG在绝缘层上喷金在绝缘层上喷金属铝引出栅极属铝引出栅极 GB耗耗尽尽层层S 源极源极 SourceG 栅极栅极 Gate D 漏极漏极 DrainSGDB模 拟 电 子 技 术

5、2. 工作原理工作原理反型层反型层( (沟道沟道) )模 拟 电 子 技 术1) )uGS 对导电沟道的影响对导电沟道的影响 ( (uDS = 0) )a. 当当 UGS = 0 ，DS 间为两个背对背的间为两个背对背的 PN 结；结；b. 当当 uGS UGS( (th) ) 时，衬底中电子被吸引到表面，时，衬底中电子被吸引到表面， 形成导电沟道。形成导电沟道。 uGS 越大越大沟道越厚。沟道越厚。模 拟 电 子 技 术2) ) uDS 对对 iD的影响的影响( (uGS UGS( (th) ) )DS 间的电位差使间的电位差使沟道呈楔形，沟道呈楔形，uDS ，靠近漏极端的沟道厚靠近漏极端的

6、沟道厚度变薄。度变薄。预夹断预夹断(UGD = UGS( (th) )：漏极附近反型层消失。漏极附近反型层消失。预夹断发生之前：预夹断发生之前： uDS iD 。预夹断发生之后：预夹断发生之后：uDS iD 不变。不变。模 拟 电 子 技 术3. 转移特性曲线转移特性曲线DS)(GSDUufi 2 4 64321uGS /ViD /mAUDS = 10 VUGS (th)当当 uGS UGS( (th) ) 时：时：2GS(th)GSDOD)1( UuIiuGS = 2UGS( (th) ) 时的时的 iD 值值开启电压开启电压O模 拟 电 子 技 术4. 输出特性曲线输出特性曲线GS)(DS

7、DUufi 可变电阻区可变电阻区uDS 107 MOSFET：RGS = 109 1015IDSSuGS /ViD /mAO模 拟 电 子 技 术4. 低频跨导低频跨导 gm 常常数数 DSGSDmUuig反映了反映了uGS 对对 iD 的控制能力，的控制能力，单位单位 S( (西门子西门子) )。一般为几。一般为几毫西毫西 ( (mS) )uGS /ViD /mAQO模 拟 电 子 技 术PDM = uDS iD，受温度限制。，受温度限制。5. 漏源动态电阻漏源动态电阻 rds常常数数 GSdDS dsuiur6. 最大漏极功耗最大漏极功耗 PDM模 拟 电 子 技 术3.2.3 场效应管与

8、晶体管的比较管子名称晶体管场效应管导电机理利用多子和少子导电利用多子导电控制方式电流控制电压控制放大能力较低高直流输入电阻小约几k大JFET可达107以上, MOS可达1010稳定性受温度和辐射的影响较大温度稳定性好、抗辐射能力强噪声中等很小结构对称性集电极和发射极不对称，不能互换漏极和源极对称，可互换使用适用范围都可用于放大电路和开关电路等模 拟 电 子 技 术3.2.2 分压式自偏压放大电路分压式自偏压放大电路3.2.1 场效应管放大电路场效应管放大电路模 拟 电 子 技 术3.2.1 场效应管放大电路场效应管放大电路三种组态：三种组态：共源、共漏、共栅共源、共漏、共栅特点：特点：输入电阻

9、极高，输入电阻极高， 噪声低，热稳定性好噪声低，热稳定性好 1. 固定偏压放大电路固定偏压放大电路一、电路的组成一、电路的组成（1）合适的偏置）合适的偏置（2）能输入能输出）能输入能输出+VDDRDC2+C1+ui RGGDRL+Uo VGG模 拟 电 子 技 术栅极电阻栅极电阻 RG 的作用：的作用：为栅偏压提供通路为栅偏压提供通路源极电阻源极电阻 RS 的作用：的作用：提供负栅偏压提供负栅偏压漏极电阻漏极电阻 RD 的作用：的作用：把把 iD 的变化变为的变化变为 uDS 的变化的变化+VDDRDC2CS+uo C1+ui RGRSGSD二、静态分析二、静态分析UGS+VDDRDC1RGR

10、SGSDIDUDSRL估算法估算法 2.2.自给偏压放大电路自给偏压放大电路模 拟 电 子 技 术2GS(off)GSDSSD)1 (UuIIQ UDSQ = VDD IDQ(RS + RD) UGS+VDDRDC1RGRSGSDIDUDSUGSQ = IDQRS模 拟 电 子 技 术1. 场效应管的等效电路场效应管的等效电路三、动态分析三、动态分析场效应管电路小信号等效电路分析法场效应管电路小信号等效电路分析法)(DSGSDuufi，DSDSDGSGSDDdddGSDSuuiuuiiUUmGSDDSguiUdsDSD1GSruiUdsdsgsmd1UrUgI模 拟 电 子 技 术mGSDDS

11、guiU移特性可知，gm是转移特性在静态工作点Q处 gm为低频跨导，反映了管子的放大能力，从转切线的斜率.模 拟 电 子 技 术dsDSD1GSruiUrds为场效应管的共漏极输出电阻，为输出特性在Q点处的切线斜率的倒数，如图所示，通常rds在几十千欧到几百千欧之间。模 拟 电 子 技 术id = gmugs小信号模型小信号模型dsdsgsmd1UrUgI根据根据rgs Sidgmugs+ugs +uds GDrds模 拟 电 子 技 术2. 2. 场效应管放大电路场效应管放大电路 的微变等效电路的微变等效电路RLRD+uo +ui GSD+ugs gmugsidiiRG3.3.计算放大电路的

12、动态指标计算放大电路的动态指标LmgsLDgsmio)/(RguRRuguuAu GRR iDoRR 注意：自给偏压电路只适用耗尽型场效应管放大电路注意：自给偏压电路只适用耗尽型场效应管放大电路模 拟 电 子 技 术SDQSG2G1G2DDGQ RIURRRVU；SDQG2G1G2DDGSQ RIRRRVU 3.2.2 分压式自偏压放大电路分压式自偏压放大电路调整电阻的大小，可获得：调整电阻的大小，可获得：UGSQ 0UGSQ = 0UGSQ 0RL+VDDRDC2CS+uo C1+ui RG2RSGSDRG1一、电路组成一、电路组成二、静态分析二、静态分析模 拟 电 子 技 术2GS(off

13、)GSDSSD)1 (UuIIQ UDSQ = VDD IDQ(RS + RD) 三、动态分析三、动态分析RLRD+uo +ui RG2GSDRG1+ugs gmugsidiiLmgsLDgsmio)/(RguRRuguuAu 21i/GGRRR DoRR 模 拟 电 子 技 术四、改进电路目的：为了提高输入电阻目的：为了提高输入电阻有有 CS 时：时：RL+VDDRDC2CS+uo C1+ui RG2RSGSDRG1RG3RLRD+uo +ui RG2GSDRG3RG1+ugs gmugsidiiLmgsLDgsmio)/(RguRRuguuAu G2G1G3i/ RRRR DoRR 无无 CS 时：时：RSSgsmgsLDgsm)/(RuguRRugAuSmLm1RgRg Ri、Ro 不变不变模 拟 电 子 技 术11)/()/(LmLmLSgsmgsLSgsmio RgRgRRuguRRu