模拟电子技术基础 第9讲 场效应管及其放大电路

1、第九讲第九讲 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路一、场效应管一、场效应管二、场效应管放大电路静态工作点二、场效应管放大电路静态工作点的设置方法的设置方法三、场效应管放大电路的动态分析三、场效应管放大电路的动态分析四、复合管四、复合管晶体管是一种电流控制元件晶体管是一种电流控制元件(iB iC)，多数载流子和少数载流子，多数载流子和少数载流子都参与运行，所以被称为双极型器件。都参与运行，所以被称为双极型器件。 场效应管（场效应管（Field Effect Transistor简称简称FET）是一种电压控）是一种电压控制器件制器件(uGS iD) ，只有一种载流子参与导电，因此它是单极，只有

2、一种载流子参与导电，因此它是单极型器件。型器件。 FET因其制造工艺简单，功耗小，温度特性好，输入电因其制造工艺简单，功耗小，温度特性好，输入电阻极高等优点，得到了广泛应用。阻极高等优点，得到了广泛应用。增强型增强型耗尽型耗尽型N沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道FET分类：分类： 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管结型场效应管结型场效应管一、场效应管一、场效应管（以（以N沟道为例）沟道为例） 场效应管有三个极：源极（场效应管有三个极：源极（s）、栅极（、栅极（g）、漏极（）、漏极（d），），对应于晶体管的对应于晶体管的e、b、c；有；有三个工作区域：截止区、恒流区、三个工作

3、区域：截止区、恒流区、可变电阻区，对应于可变电阻区，对应于晶体晶体管的截止区、放大区、饱和区。管的截止区、放大区、饱和区。（一）（一）. 结型场效应管结型场效应管导电导电沟道沟道源极源极栅极栅极漏极漏极符号符号结构示意图结构示意图栅极正向偏置栅极正向偏置时电流方向时电流方向 绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管 ( Metal Oxide Semiconductor FET)，简称简称MOSFET。分为：。分为： 增强型增强型 N沟道、沟道、P沟道沟道 耗尽型耗尽型 N沟道、沟道、P沟道沟道 1.N N沟道增强型沟道增强型MOSMOS管管（1）结构与符号）结构与符号 4个引出端：漏极个引出端：漏极

4、D，源极源极S，栅极，栅极G和和 衬底衬底B-N+NP衬底sgdb源极栅极漏极衬底（二）（二）. 绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管高掺杂高掺杂耗尽层耗尽层SiO2绝缘层绝缘层(2) 工作原理工作原理+ uGS=0情况情况 由结构图可见由结构图可见，N+型漏区和型漏区和N+型源区之间被型源区之间被P型型衬底隔开，漏极和源极之间是两个背靠背的衬底隔开，漏极和源极之间是两个背靠背的PN结结。SD 当栅源电压当栅源电压UGS = 0 时时，不管漏极和源极之间所不管漏极和源极之间所加电压的极性如何，其加电压的极性如何，其中总有一个中总有一个PN结是反向结是反向偏置的，反向电阻很高，偏置的，反向电阻很高，

5、漏极电流近似为零漏极电流近似为零。 uGS增大，反型层（导电沟道）将变厚变长。当增大，反型层（导电沟道）将变厚变长。当反型层将两个反型层将两个N区相接时，形成导电沟道。区相接时，形成导电沟道。衬底衬底空穴空穴反型层反型层大到一定大到一定值才开启值才开启 u uDSDS=0,=0,u uGSGS0 0 情况情况在一定的漏在一定的漏源电压源电压UDS下，使管子由不导通变为下，使管子由不导通变为导通的临界栅源电压称为开启电压导通的临界栅源电压称为开启电压UGS(thth）。 漏源电压漏源电压u uDSDS对漏极电流对漏极电流i id d的控制作用的控制作用 用场效应管组成放大电路时应使之工作在恒流区

6、。用场效应管组成放大电路时应使之工作在恒流区。 uds=0时，时，id=0。iD随随uDS的增大而的增大而增大，可变电阻增大，可变电阻区区 uGDUGS（th）,预夹断预夹断 iD几乎仅仅几乎仅仅受控于受控于uGS，恒，恒流区流区刚出现夹断刚出现夹断uDS的增大几乎全部用的增大几乎全部用来克服夹断区的电阻来克服夹断区的电阻（3 3）特性曲线）特性曲线 四个区：四个区：（a）可变电阻区）可变电阻区（预夹断前）。（预夹断前）。 输出特性曲线：输出特性曲线：iD=f(uDS) uGS=常量常量i(V)(mA)DDSuGS=6Vuu=5VGS=4VuGSu=3VGS（b）恒流区也称饱和）恒流区也称饱和

7、 区（预夹断区（预夹断 后）。后）。 （c）夹断区（截止区）。）夹断区（截止区）。 （d）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 转移特性曲线：转移特性曲线： i iD D= =f f( (u uGSGS) ) u uDSDS= =常量常量 可根据输出特性曲线作出转移特性曲线。可根据输出特性曲线作出转移特性曲线。例：作例：作u uDSDS=10V=10V的一条转移特性曲线：的一条转移特性曲线：i(mA)DGS=6Vuu=5VGS=4VuGSu=3VGSuDS(V)Di(mA)10V12341432(V)uGS246UGS（th）DGS(th)GSDOGS(t

8、h)GSDODiUuIUuIi时的为式中在恒流区时，2) 1(2 一个重要参数一个重要参数跨导跨导gm： gm= iD/ uGS uDS=常量常量 (单位单位mS) gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。 在转移特性曲线上，在转移特性曲线上， gm为的曲线的斜率。为的曲线的斜率。 在输出特性曲线上也可求出在输出特性曲线上也可求出gm。1(mA)DSu=6V=3VuuGS(V)1D624i43=5V(mA)243iDGS210V(V)uGSiDGSuiDN型衬底型衬底P+P+GSD符号：符号：结构结构2.P2.P沟道增强型沟道增强型 SiO2绝缘

9、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3. 耗尽型绝缘栅场效应管耗尽型绝缘栅场效应管GSD符号：符号：如果如果MOS管在制造时导电沟道就已形成，称为耗尽型场管在制造时导电沟道就已形成，称为耗尽型场效应管。效应管。(1 ) N沟道耗尽型管沟道耗尽型管SiO2绝缘层中绝缘层中掺有正离子掺有正离子预埋了预埋了N型型 导电沟道导电沟道 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UGS= 0时，时，若漏若漏源之间加上一定的电压源之间加上一定的电压UDS，也，也会有漏极电流会有漏极电流 ID 产生。产生。当当UGS 0时，使导电沟道变宽，时，使导电沟

10、道变宽， ID 增大；增大； 当当UGS 0时，使导电沟道变窄，时，使导电沟道变窄， ID 减小；减小； UGS负值愈高，沟道愈窄，负值愈高，沟道愈窄， ID就愈小。就愈小。 当当UGS达到一定达到一定负值时，负值时，N型导电沟道消失，型导电沟道消失，ID= 0，称为场效应管处于夹断状态（即截止）。称为场效应管处于夹断状态（即截止）。这时的这时的UGS称为夹断电压，用称为夹断电压，用UGS(off(off）表示。表示。 (2)(2)耗尽型耗尽型N沟道沟道MOS管的特性曲线管的特性曲线 漏极特性曲线：漏极特性曲线：u DSUGS=0UGS0OiD/mA16201248121648转移特性曲线：转

11、移特性曲线：夹断电压夹断电压2GS(off)GSDSSD)1 (UuIi(3) P 符号：符号：GSD预埋了预埋了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GSDGSDN沟道沟道GSDGSDP沟道沟道场效应管的分类场效应管的分类工作在恒流区时工作在恒流区时g-s、d-s间的电压极性间的电压极性)0(P)0(N)00(P)00(N)00(P)00(NDSGSDSGSDSGSDSGSDSGSDSGS极性任意，沟道极性任意，沟道耗尽型，沟道，沟道增强型绝缘栅型，沟道，沟道结型场效应管uuuuuuuuuuuu20020 mA/V51m g421010 1471010 对应

12、电极对应电极 BEC GSD各种各种场效应场效应管导通时工作在恒流区和可变电阻区的条件管导通时工作在恒流区和可变电阻区的条件二、场效应管静态工作点的设置方法二、场效应管静态工作点的设置方法 1. 基本共源放大电路基本共源放大电路 根据场效应管工作在恒流区的条件，在根据场效应管工作在恒流区的条件，在g-s、d-s间间加极性合适的电源加极性合适的电源dDQDDDSQGS(th)GGDODQGGGSQRIVUUVIIVU2) 1(2. 分压式偏置电路分压式偏置电路sDQSQDDg2g1g1AQGQRIUVRRRUU2) 1(GS(th)GSQDODQUUII)(sdDQDDDSQRRIVU即典型的即

13、典型的Q点稳定电路点稳定电路三、场效应管放大电路的动态分析三、场效应管放大电路的动态分析 1. 场效应管的交流等效模型场效应管的交流等效模型DSGSDmUuig近似分析时可认近似分析时可认为其为无穷大！为其为无穷大！根据根据iD的表达式或转移特性可求得的表达式或转移特性可求得gm。与晶体管的与晶体管的h参数等效模型类比：参数等效模型类比：2. 基本共源放大电路的动态分析基本共源放大电路的动态分析doidmgsddioRRRRgURIUUAu3. 基本共漏放大电路的动态分析基本共漏放大电路的动态分析ismsmsdgssdio1RRgRgRIURIUUAu基本共漏放大电路输出电阻的分析基本共漏放大电路输出电阻的分析msomsooooo1gRUgRUUIUR若若Rs=3k，gm=2mS，则Ro=?四、四、复合管复合管复合管的组成：多只管子合理连接等效成一只管子。复合管的组成：多只管子合理连接等效成一只管子。21)1)(1 (211BE ii 不同类型的管子复合不同类型的管子复合后，其类型决定于后，其类型决定于T1