场效应管放大电路(17)课件

1、(1-1) 5、场效应（、场效应（FET）管放大电路）管放大电路5.3 5.3 结型场效应管（结型场效应管（JFETJFET）5.1 5.1 金属金属- -氧化物氧化物- -半导体（半导体（MOSMOS）场效应管）场效应管5.2 MOSFET5.2 MOSFET放大电路放大电路* *5.4 5.4 砷化镓金属砷化镓金属- -半导体场效应管半导体场效应管 * *5.5 5.5 各种放大器件电路性能比较各种放大器件电路性能比较(1-2)1、FET与与BJT的区别的区别结型场效应管（结型场效应管（JFET）金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应管（半导体场效应管（MOSFET）2、场效应管的分类：、场

2、效应管的分类：电压控制元件，电压控制元件，输入电阻高，输入电阻高，温度稳定性好温度稳定性好慨述慨述BJTFET双极性载流子参与导电，双极性载流子参与导电，电流控制元件，电流控制元件，输入电阻低，输入电阻低，温度稳定性差温度稳定性差单极性载流子参与导电，单极性载流子参与导电，有两大类有两大类:不受静电影响不受静电影响易受静电影响易受静电影响不宜大规模集成不宜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(1-3)5.1 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应管（半导体场效应管（MOSFET） （或绝缘栅场效应管）（或绝缘栅场效应管）一、分类及符号一、分类及符号MOSFETN 沟道耗尽型

3、沟道耗尽型N沟道增强型沟道增强型P 沟道增强型沟道增强型增强型增强型耗尽型耗尽型P 沟道耗尽型沟道耗尽型gsd衬底衬底gd衬底衬底sgds衬底衬底gds衬底衬底(1-4)二、增强型二、增强型MOSFET的结构、工作原理、的结构、工作原理、 特性曲线特性曲线PN+N+gsdP型衬底型衬底两个两个N区区SiO2绝缘层绝缘层金属铝金属铝gsd1、N沟道增强型沟道增强型衬衬 底底（一）、结构（一）、结构栅极栅极源极源极漏极漏极(1-5)NP+P+gsdgsd2、P 沟道增强型沟道增强型衬衬 底底(1-6) AVvDSvGSiGgsdVGSVmAVDSiDR 思考：思考：MOSFET的如何达到电压放大的

4、目的？的如何达到电压放大的目的？=0VGS变化，变化，iG=0这与这与BJT不一样，那么不一样，那么MOSFET的如何达到电的如何达到电压放大的目的？压放大的目的？(1-7)以以N 沟道增强型为例沟道增强型为例PN+N+GSDDSGSUGS=0时时D-S 间相当于间相当于两个反接的两个反接的PN结结iD=0处于截止区处于截止区(二二)、MOSFET的工作原理的工作原理iG=0工作区：工作区：当当 VT、 时，时，i=0、iD=is=015100gsGri特点：很大，约为(1-8)GS0时时GS足够大时足够大时（GSVT）感应）感应出足够多电子，出足够多电子，这里出现以电子这里出现以电子导电为主

5、的导电为主的N型型导电沟道。导电沟道。VT称为开启电压称为开启电压PN+N+GSDVDSGS外外电电场场形成外电场形成外电场电子电子上移上移iDiG=0工作区：工作区：当当、时，时，i=0、iD=is=0，且且iD随随、变化而变化变化而变化处于变阻区处于变阻区V VGSGSVVT TGDGD=V=VGSGS-V-VDSDSVVT T(1-9)PN+N+GSDDSGSiG=0iDDS增大增大,一方面使一方面使iD增大；增大；导电沟道电阻增大导电沟道电阻增大,又使又使iD变小变小;VDS增加到增加到VGS-VT（ VGD=VGS-VDS=VT）时，时，靠近靠近D端的沟道被夹断，端的沟道被夹断，称为

6、预夹断。称为预夹断。工作区：工作区：当当、VGS-VT时，时，i=0、iD=is=0，且且iD随随处于饱和区或放大区处于饱和区或放大区变化而变化、但不随变化而变化、但不随变化而变化。变化而变化。导电导电沟道被夹断沟道被夹断;夹断后夹断后,即使即使VDS 继续增加继续增加,iD不再增加。不再增加。GDGD=V=VGSGS-V-VDSDS当当GD=VGS-VDSVT时时,VT0VDS(VGS-VT)截止区截止区VGS0放大区放大区VGSVTVDS(VGS-VT)VDS=VGS-VT沟道预夹断沟道预夹断()GSDDSif vv常数(1-12)预埋了电子预埋了电子型导电沟道型导电沟道 当当vGS=0时

7、，有原始导电沟道，在时，有原始导电沟道，在vDS作用下，形成电流作用下，形成电流iD；当当vGS0时，导电沟道逐渐变宽时，导电沟道逐渐变宽, 电流电流iD IDSS。当当vGS VP时，导电沟道被夹断，电流时，导电沟道被夹断，电流iD 为零；为零；三、耗尽型三、耗尽型MOSFET的结构、工作原理、特性曲线的结构、工作原理、特性曲线PN+N+GSD（一）、结构（一）、结构GSD衬衬底底15100gsGri很大，约为，特点：（二）、工作原理（二）、工作原理1、N 沟道耗尽型沟道耗尽型(1-13)2、P 沟道耗尽型沟道耗尽型GSD预埋了空穴型导预埋了空穴型导电沟道电沟道 衬底衬底NP+P+GSD(1

8、-14)（三）、耗尽型（三）、耗尽型N沟道沟道MOS管的特性曲线管的特性曲线VGS AVvDSvGSiGgsdVmAVDSiD0iDvGSVP-1V-2-3IDSS1、转移特性曲线：、转移特性曲线：()DSDGSif vv常数22()(1)GSnDPGSDSSPviK VvIVPV 夹断电压，为负值， 为给定值；,nK式中:导电常数为给定值；DSSI零栅压时的漏极电流， 也称为饱和漏极电流， 为给定值。(1-15)2、输出特性曲线：、输出特性曲线：()GSDDSif vv常数变阻区变阻区VGSVP0VDS(VGS-VP)截止区截止区VGS0放大区放大区VGSVPVDS(VGS-VP)VDS=V

9、GS-VP沟道预夹断沟道预夹断iDv DS0VGS=0VVGS=_2VVGS=_4VVGS=VPVGS=2VVGS=4V(1-16)5.3 5.3 结型场效应管结型场效应管(JFET)(JFET)一、分类、结构及符号一、分类、结构及符号N沟道沟道JFETP 沟道沟道JFETdgsdgsNP+P+g栅极栅极 s源极源极 d漏极漏极PN+N+g栅极栅极 s源极源极 d漏极漏极(1-17)二、二、JFET的工作原理、特性曲线的工作原理、特性曲线（一）、工作原理（一）、工作原理NgsdVDSVGSiDP+P+iG处于无效区处于无效区工作区：工作区：当当 时，时，以以N沟道为例沟道为例1、当、当vGS0

10、 时时，vGS失去对失去对导电沟道的控制作用，从导电沟道的控制作用，从而失去对而失去对iD的控制，的控制，且输入电阻且输入电阻r rgsgs将变小，将变小，形成一定的形成一定的iG 电流。电流。vGS失去对失去对iD的控制的控制VGS AVvDSvGSiGVmAiDdgsVDS(1-18)VG 当当vGS0V0V时，时，耗尽层变宽耗尽层变宽导电沟道变窄，沟道电阻增大，导电沟道变窄，沟道电阻增大，gsdVDiDNNNPPi从而从而vGS控制了控制了iD 的变化。的变化。工作区：工作区： 当当v vGSGS V VP P时，时， 即即| |v vGS GS | | | | V VP P | | N

11、VGGP+P+2、vGS对对 iD 的控制作用的控制作用假设假设 vDS=常数常数耗尽层耗尽层vDS 0V， iD=0A。耗尽区闭合，耗尽区闭合， D、S间被夹断间被夹断处于截止区处于截止区所以所以iG 0rgs 在在 107 以上以上同时因为同时因为PNPN结反偏，结反偏，(1-19)VGgdVDiDNNNP+P+iiD随随、变化而变化变化而变化处于变阻区处于变阻区3 3、v vDSDS对对i iD D的影响：的影响：假设假设v vGSGS= =常数常数工作区：工作区：VP0且且不是太大时不是太大时,导电沟道的宽度受导电沟道的宽度受VDS的的影响较小，但影响较小，但iD受受VDS的的影响较大

12、。影响较大。(1-20)NpPPPVGgdVDiDNNNP+P+iDS增大增大,一方面使一方面使iD增大；增大；另一方面使靠近漏极另一方面使靠近漏极端的导电沟道变窄端的导电沟道变窄,导电沟道电阻增大导电沟道电阻增大,又使又使iD变小变小, 夹断后，即使夹断后，即使VDS 继续继续增加，增加，iD不再增加。不再增加。越靠近漏极越靠近漏极端端,电沟道呈电沟道呈楔形。楔形。当当VDS=VGS-V时时,漏极端的沟道被夹断，漏极端的沟道被夹断，漏极端的沟道漏极端的沟道被夹断，称为被夹断，称为预预夹断。夹断。工作区：工作区：当当 、 VDSVGS-V时时,iD随随变化而变化、变化而变化、但不随但不随变化而

13、变化变化而变化处于饱和区或放大区处于饱和区或放大区(1-21)vGS0iDIDSSVP在在 VP vGS 0 范围内范围内（二）、特性曲线（二）、特性曲线1、转移特性曲线：、转移特性曲线：()DSDGSif vv常数22()(1)GSnDPGSDSSPviK VvIVPV 夹断电压，为负值， 为给定值；,nK式中:导电常数 为给定值；DSSI零栅压时的漏极电流， 也称为饱和漏极电流， 为给定值。(1-22)2、输出特性曲线：、输出特性曲线：()GSDDSif vv常数变阻区变阻区VPVGS0VDS(VGS-VP)截止区截止区VGS0放大区放大区VPVGS(VGS-VP)VDS=VGS-VP沟道

14、预夹断沟道预夹断iDv DS0VGS=-0.4VVGS=_0.6VVGS=_0.8VVGS=VPVGS=-0.2VVGS=0V(1-23)1. 栅源极间的电阻虽然可达栅源极间的电阻虽然可达107以上，但在以上，但在某些场合仍嫌不够高。某些场合仍嫌不够高。3. 栅源极间的栅源极间的PN结加正向电压时，将出现结加正向电压时，将出现较大的栅极电流。较大的栅极电流。绝缘栅场效应管可以很好地解决这些问题。绝缘栅场效应管可以很好地解决这些问题。2. 在高温下，在高温下，PN结的反向电流增大，栅源结的反向电流增大，栅源极间的电阻会显著下降。极间的电阻会显著下降。三、结型场效应管的缺点：三、结型场效应管的缺点

15、：(1-24)分析方法：分析方法： 估算法、图解法（略）。估算法、图解法（略）。微变等效电路法、图解法（略）。微变等效电路法、图解法（略）。分析方法：分析方法：5.25.2 、5.3.3 5.3.3 场效应管放大电路的分析场效应管放大电路的分析静态分析：静态分析：计算静态值计算静态值V VGSQGSQ、I IDQDQ、V VDSQDSQ判断场效应管是否工作在放大区。判断场效应管是否工作在放大区。 动态分析：动态分析： 计算动态值计算动态值A Av 、A Avs s 、R Ri i、R R0 0(1-25)步骤：原电路步骤：原电路直流通道直流通道计算计算I IDQDQ、V VDSQDSQ一、静态

16、一、静态( (估算法估算法) ) 分析的步骤分析的步骤计算计算V VGSGS由转移特性曲线方程：由转移特性曲线方程：22()(1)GSnDPGSDSSPviK VvIV （对JFET、耗尽型MOSFET）或220()(1)GSnDTGSDTviK vVIV（对增强型MOSFET）判断场效应管是否工作在放大区判断场效应管是否工作在放大区 分析方法之一的步骤：分析方法之一的步骤：(1-26) I IGQGQ 0 0Q Q2122GDDgRgVVVRRg 例题例题1:1:V VDDDDv vo ov vi iC C2 2C C1 1RgRg1 1R RD DRgRg2 260k60k40k40k15

17、k15kG GD DS S+5V+5VD D+5V+5VV VDDDDRgRg1 1R RD DRgRg2 260k60k40k40k15k15kG GS S由直流通道：由直流通道：V VGSQGSQ = =V VGQGQ= = 2V2VQ QQ Q20.2()nTDGSmAIK VV Q QQ Q2DDDDDSIRVVV 由于由于V VDSQDSQ(V(VGSQGSQ-V-VT T)=(2-1)V=1V)=(2-1)V=1V所以该所以该NMOSFETNMOSFET工作在放大区。工作在放大区。 下图为共源极分压式偏置电路，已知下图为共源极分压式偏置电路，已知V VT T=1V=1V，K Kn

18、n=0.2mA/V=0.2mA/V2 2 ，试静态分析。，试静态分析。 直流通道直流通道V VGQGQI IDQDQV VDSQDSQI IGQGQV VGSQGSQ(1-27)分析方法之二的提出：分析方法之二的提出：电路如下图所示，已知电路如下图所示，已知JFETJFET的的V VP P=-1V,=-1V, I IDSSDSS=0.5mA,=0.5mA,试静态分析。试静态分析。V VDDDDv vo ov vi iC C2 2C C1 1RgRg1 1R RD DRgRg2 2300k300k100k100k10k10kG GD DS S+20V+20VR R1 112k12kV VDDDD

19、RgRg1 1R RD DRgRg2 2300k300k100k100k10k10kG GD DS S+20V+20VR R1 112k12k直流通道直流通道2125GQDDgRgVVVRRg V VGQGQI IDQDQV VDSQDSQI IGQGQV VGSQGSQ例题：例题：但因为但因为V VGSQGSQ=V=VGQGQQ QQ QQ Q2()PnDQGSDDSIKVVIV 计计算算和和故故不不能能通通过过Q Q(1-28)静态分析的步骤静态分析的步骤步骤：原电路步骤：原电路直流通道直流通道计算出计算出V VGSQGSQ、I IDQDQ、V VDSQDSQ写出写出V VGSGS与与I

20、ID D的方程，的方程，并与由转移特性曲线方程组成方程组并与由转移特性曲线方程组成方程组22()(1)GSnDPGSDSSPviK VvIV （对JFET、耗尽型MOSFET）或220()(1)GSnDTGSDTviK vVIV（对增强型MOSFET）分析方法之二的步骤：分析方法之二的步骤：解方程组解方程组判断场效应管是否工作在放大区判断场效应管是否工作在放大区 (1-29)电路如下图所示，已知电路如下图所示，已知JFETJFET的的V VP P=-1V,=-1V, I IDSSDSS=0.5mA,=0.5mA,试静态分析。试静态分析。V VDDDDv vo ov vi iC C2 2C C1

21、 1RgRg1 1R RD DRgRg2 2300k300k100k100k10k10kG GD DS S+20V+20VR R1 112k12kV VDDDDRgRg1 1R RD DRgRg2 2300k300k100k100k10k10kG GD DS S+20V+20VR R1 112k12k直流通道直流通道2125GQDDgRgVVVRRg V VGQGQI IDQDQV VDSQDSQI IGQGQV VGSQGSQ例题：例题：12(1)Q QQ QQ QQ QGSGSQGDDSSDPVVIRVIIV Q QQ QQ QQ Q或或舍舍去去）10.160.110.43(0.57,()

22、 10.5GSQGSQDDDSDDDDVVVVImAImAVVIRRV 由于由于V VDSQDSQ(V(VGSQGSQ-V-VP P）所以所以JFETJFET工作在放大区。工作在放大区。 解得：解得：(1-30) I IGQGQ 0 0Q Q0GV Q QQ Q2(1)GSDDSSPVIIV Q QQ Q()DSDDDSDVVIRR Q QQ Q0GSDSVIR V VDDDDv vo oR RS Sv vi iC CS SC C2 2C C1 1R RD DR Rg gG GD DS SQ QQ QGSDSVIR 0GSDSVI R自偏置电压电路自偏置电压电路不能用于增强不能用于增强型型MO

23、SFETMOSFET。注：注：例题例题3 3： 下图自偏置电压电路，试分析其静态值。下图自偏置电压电路，试分析其静态值。直流通道直流通道V VDDDDR RS SR RD DR Rg gG GD DS SI IDQDQV VDSQDSQI IGQGQV VGSQGSQV VGQGQ解方程组可计算出解方程组可计算出V VGSQGSQ、I IDQDQ(1-31)( (一）、场效应管的微变等效电路一）、场效应管的微变等效电路二、动态二、动态( (微变等效法微变等效法) ) 分析分析JFETJFET或或MOSFETMOSFETd dg gs sv vgsgsv vdsdsi ig gi id dsgv

24、gsi ig=0g=0rdsgmvgsvdsi id ddgvgsgmvgsvdsi ig=0g=0i id dd简易等效简易等效rds很大，很大，可忽略。可忽略。完全等效完全等效(1-32)022()(1)DmGSTDGSnTGSTdigdvVIVK VVVJFETJFET或或MOSFETMOSFETd dg gs sv vgsgsv vdsdsi ig gi id dgvgsgmvgsvdsi ig=0g=0i id dd图中：图中：gm-跨导跨导,为给定值，或由下式计算：为给定值，或由下式计算：（对增强型M O SFET）22()(1)DgsPDSSGSmnPGSPVdidvVIgK VVV 或对对JFET或耗尽型或耗尽型MOSFET(1-33)(二二)、动态分析的步骤、动态分析的步骤步骤步骤:原电路原电路交流通道交流通道微变等效电