模电场效应管放大电路

1、5.1 场效应管场效应管1.1-25.1.1 结型场效应管结型场效应管5.1.2 绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管5.1.3 场效应管的参数和型号场效应管的参数和型号场效应管的工作原理、特性曲线及参数场效应管的工作原理、特性曲线及参数1.1-3（FET, Field Effect Transistor）是）是一种利用电场效应来控制其电流大小的半导一种利用电场效应来控制其电流大小的半导体器件。体器件。 由于由于FET主要利用一种载流子（多子）主要利用一种载流子（多子）导电，因此属于导电，因此属于单极型单极型晶体管。晶体管。体积小、重量轻、耗电省、寿命长体积小、重量轻、耗电省、寿命长输入阻抗高输入

2、阻抗高（108109）噪声低，热稳定性好噪声低，热稳定性好抗辐射能力强，制造工艺简单抗辐射能力强，制造工艺简单没有二次击穿现象没有二次击穿现象，安全工作区域宽安全工作区域宽贴片和小型封装场效应管贴片和小型封装场效应管TO220及类似封装场效应管及类似封装场效应管TO247及类似封装场效应管及类似封装场效应管1.1-5金属封装及军品级场效应管金属封装及军品级场效应管特种封装场效应管（绝缘特种封装场效应管（绝缘底板模块封装）底板模块封装）1.1-6结型场效应管结型场效应管Junction type FET绝缘栅型场效应绝缘栅型场效应管管Insulated Gate FETN沟道沟道JFETP沟道沟

3、道JFET金属金属-氧化物氧化物-半导体场效半导体场效应管应管（MOSFET）其它（其它（PMOS、NMOS、VMOS型型FET等）等） N沟道沟道P沟道沟道增强型增强型增强型增强型耗尽型耗尽型耗尽型耗尽型1.1-71.结型场效应管的结构结型场效应管的结构dsgd 漏极漏极g 栅极栅极N耗尽层耗尽层s 源极源极GateDrainSourceN型沟道型沟道1.1-8d 漏极漏极g 栅极栅极N+ +N+ +P耗尽层耗尽层s 源极源极P沟道结型场效应管结构和符号沟道结型场效应管结构和符号dsg1.结型场效应管的结构结型场效应管的结构1.1-9基极b（base）栅极g(Gate)集电极c(collec

4、tor)漏极d(Drain)发射极e(emitter)源极s(Source)BJT放大电路放大电路组态组态共基极共基极(common-base)共集电极共集电极(common-collector)共发射极共发射极(common-emitter)FET放大电路放大电路组态组态共栅极共栅极(common-gate)共漏极共漏极(common-drain)共源极共源极(common-source)1.1-101.结型场效应管的工作原理结型场效应管的工作原理（1）栅源电压）栅源电压VGS对沟道的控制作用对沟道的控制作用（2）漏源电压）漏源电压VDS对沟道的控制作用对沟道的控制作用 N沟道沟道JFET工

5、作时，需要在栅工作时，需要在栅-源极间加一源极间加一负负电压电压vGS，使，使PN结结反偏反偏，栅极电流，栅极电流iG0，场，场效应管呈现很高的输入电阻效应管呈现很高的输入电阻 (rGS高达高达108 左左右右)。在漏。在漏-源极间加一源极间加一正正电压电压vDS，使，使N沟道中沟道中的多子电子在电场作用下由源极向漏极作漂移的多子电子在电场作用下由源极向漏极作漂移运动，形成漏极电流运动，形成漏极电流iD。iD的大小主要受栅的大小主要受栅-源源电压电压vGS控制，同时也受漏控制，同时也受漏-源电压源电压vDS的影响。的影响。1.1-11当当VGS0时，时，PN结反偏，耗尽层变厚，沟道结反偏，耗尽

6、层变厚，沟道变窄，沟道电阻变大，变窄，沟道电阻变大，ID减小；减小； VGS更负，沟道更负，沟道更窄，更窄，ID更小；更小；直至沟道被耗直至沟道被耗尽层全部覆盖，尽层全部覆盖，沟道被夹断，沟道被夹断， ID0。这时所。这时所对应的栅源电对应的栅源电压压称为称为1.1-12 在栅源间加电压在栅源间加电压VGSVP，漏源间加，漏源间加电压电压VDS。则因漏端。则因漏端耗尽层所受的反偏电耗尽层所受的反偏电压为比源端耗尽层所压为比源端耗尽层所受的反偏电压受的反偏电压VGS大，大，使靠近漏端的耗尽层使靠近漏端的耗尽层比源端厚，沟道比源比源端厚，沟道比源端窄，使沟道呈楔形。端窄，使沟道呈楔形。随随VDS增

7、大，这种不增大，这种不均匀性更明显。均匀性更明显。当当VDS增加到使增加到使VGD=VGS-VDS =VP 时，在紧靠漏极处出现预夹断点时，在紧靠漏极处出现预夹断点当当VDS继续增加时，预继续增加时，预夹断点向源极方向伸夹断点向源极方向伸长为长为。由于。由于预夹断区电阻很大，预夹断区电阻很大，使主要使主要VDS降落在该区，降落在该区，由此产生的强电场力由此产生的强电场力能把未夹断区漂移到能把未夹断区漂移到其边界上的载流子都其边界上的载流子都扫至漏极，形成扫至漏极，形成漏极漏极饱和电流饱和电流 。预夹断点预夹断点夹断区夹断区常数常数 vfDSviGSD)(i5432101234vDS=12 Vv

8、GS/VD / mAIDSSVP在在VPvGS0的范围内的范围内, 漏极电流漏极电流iD与栅极电与栅极电 压压vGS的关系为的关系为2)1(VvIiPGSDSSD 场效应管的特性曲线分为场效应管的特性曲线分为转移特性曲线转移特性曲线和和输出特性曲线。输出特性曲线。 在在vDS一定时一定时, 漏极电流漏极电流iD与栅源电与栅源电压压vGS之间的关系称为转移特性。之间的关系称为转移特性。 即即012345246810 12 14 16 18iD / mAvDS / V夹断区夹断区可可变变电电阻阻区区4 V3 V2 V1 V击击穿穿区区恒流区恒流区( (放大区放大区) )vGS0 V输出特性是指栅源

9、电压输出特性是指栅源电压vGS一定一定, 漏漏极电流极电流iD与漏源电压与漏源电压vDS之间的关系之间的关系, 即即常数常数 vfGSviDSD)(预夹断点预夹断点1.1-15正常工作时，正常工作时，JFET栅极、沟道之间的栅极、沟道之间的PN结是反向偏置的。因此，其结是反向偏置的。因此，其iG0，输入电阻很高。输入电阻很高。JFET是电压控制电流器件，是电压控制电流器件，iD受受vGS的的控制。控制。预夹断之前，预夹断之前， iD与与vDS呈近似线性关系；呈近似线性关系；预夹断后，预夹断后， iD趋于饱和。趋于饱和。P沟道沟道JFET工作时，其电源极性与工作时，其电源极性与N沟沟道道JFET

10、极性相反。极性相反。结型场效应管N沟沟道道耗耗尽尽型型P沟沟道道耗耗尽尽型型1.1-17金属金属-氧化物氧化物-半导体场效半导体场效应管应管（MOSFET）N沟道沟道P沟道沟道增强型增强型增强型增强型耗尽型耗尽型耗尽型耗尽型vGS=0时，不存时，不存在导电沟道在导电沟道vGS=0时，存时，存在导电沟道在导电沟道绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管中应用最广泛的是中应用最广泛的是金属金属-氧化物氧化物-半导半导体场效应管体场效应管MOSFET （Metal-Oxide-Semiconductor type FET） (a) N沟道结构图沟道结构图; (b) N沟道符号沟道符号; (c) P沟道符号沟

11、道符号（1）结构）结构(a）(b）(c）gdsgdssgdNNP型硅衬底型硅衬底衬底引线衬底引线SiO2衬底衬底衬底衬底1.1-19（2）工作原理）工作原理 MOSFET与与JFET的工作原理类似，也的工作原理类似，也是由栅源电压是由栅源电压vGS控制沟道的大小，从而控制沟道的大小，从而改变沟道电阻，影响改变沟道电阻，影响vDS和和iD之间的关系。之间的关系。 增强型增强型MOSFET与与JFET不同在于，不同在于，在在vGS =0时，导电沟道是不存在的时，导电沟道是不存在的；只有；只有当当|vGS |大于某一特定值时，才会产生导大于某一特定值时，才会产生导电沟道。电沟道。gdNNP型硅衬底型

12、硅衬底sUGGUDDiD N沟道增强型沟道增强型MOS管工作原理管工作原理vGS=0时，源区、衬底和漏区形成两个背靠背的时，源区、衬底和漏区形成两个背靠背的PN结，漏源结，漏源之间不存在导电沟道。之间不存在导电沟道。vGS0时，栅极铝层和时，栅极铝层和P型衬底以型衬底以SiO2为介质形成平板电容。为介质形成平板电容。电场方向如图。电场方向如图。该电场吸引该电场吸引P型衬底型衬底少子（电子）在栅少子（电子）在栅极附近的极附近的P型层表面型层表面形成一个形成一个N型薄层，型薄层，称之为称之为反型层反型层。也。也称为称为感生沟道感生沟道。当当vDSVT（开启电（开启电压）时，产生漏极压）时，产生漏极

13、电流电流 iD。 感生沟道感生沟道gdNNP型硅衬底型硅衬底sUGGUDDiD N沟道增强型沟道增强型MOS管工作原理管工作原理当当I ID从从D DS S流过沟道时，沿途会产生压降，进而导致沿着沟流过沟道时，沿途会产生压降，进而导致沿着沟道长度上栅极与沟道间的电压分布不均匀，沟道呈楔形道长度上栅极与沟道间的电压分布不均匀，沟道呈楔形当当vDS大到一定值大到一定值时，形成一个时，形成一个夹夹断区断区，此时，此时iD趋趋于饱和。于饱和。若若V VDS进一步增大，进一步增大，直至即直至即V VGS- -V VDS= =V VT时，时，漏端沟道消失，漏端沟道消失，出现出现。预夹断点预夹断点夹断区夹断

14、区)()1(20VvVvIiTGSTGSDD 其中其中ID0是是vGS=2VT时的时的iD值。值。 （3）特性曲线）特性曲线 （a） N沟道增强型沟道增强型MOSFET的的 在在vGSVT时时, iD与与vGS的关系可用下式表示的关系可用下式表示:4321iD / mA02468 vGS / VvDS10 VV T3 V1.1-23012345iD / mA6 V5 V4 V3 V246810 12 14 16 18vDS / VvGS =（b） N沟道增强型沟道增强型MOSFET的的饱和区饱和区截止区截止区恒流区恒流区gds1.1-24N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET，由于绝缘层具有正，由

15、于绝缘层具有正离子，即使离子，即使vGS =0，仍能形成，仍能形成N型导电沟道型导电沟道当当vGS 0时，导电沟道加宽，时，导电沟道加宽，ID增加增加当当 vGS UGS则：则：UG US而：而：IG=0mA5 . 0RURUISGSSD V10)RR(IUUDSDDDDS +UDD+20V所以：所以：V5URRRUDD212G =直流通道直流通道IDUDSIGR1RDRGR2150K50K1M10KRS10KGDS第四章第四章动态分析动态分析微变等效电路微变等效电路SGR2R1RGDRLRDUgsgmUgsUiUoId+UDD=+20VuoRSuiCSC2C1R1RDRGR2RL150K50

16、K1M10K10KGDS10KSGDgsVgsmVgdsVdI第四章第四章 动态分析：动态分析：UgsUiUgsgmIdrirogsiUU UoSGR2R1RGRL DRLRD)/(LimLDgsmoRUgRRUgU LmuRgA 电压放大倍数电压放大倍数1.1-41电压放大倍数估算电压放大倍数估算LmuRgA =-3 （10/10）=-15RL=RD/RLR1=150k R2=50k RG=1M RD=10k RS=10k RL=10k gm =3mA/VUDD=20V第四章第四章 =10K 输入电阻、输出电阻输入电阻、输出电阻=1+0.15/0.05=1.0375M R1=150k R2=

17、50k RG=1M RD=10k RS=10k RL=10k gm =3mA/VUDD=20VSGR2R1RGRL DRLRDriro1.1-43共漏放大电路共漏放大电路 共漏放大电路又称源极输出器。共漏放大电路又称源极输出器。 VDDC2RRg2C1vivoRg1第四章第四章 VDDC2RRg2C1vivoRg1静态分析静态分析RIVRRRVVVDDDgggSGGS 2122)1(PGSDSSVVDII RIVVDDDDS gdsID第四章第四章gRRRRRmoggi1/21 Rg1Rg2ViVgsggmVgsRVodsRRggVVAVRgVVVRVgRIVmmioVgsmogsigsmdo

18、 1)1( 动态分析：动态分析：第四章第四章(源极输出器源极输出器)uo+UDD +20VRSuiC1R1RGR2RL150K50K1M10KDSC2G10KR1=150k R2=50k RG=1M RS=10k RL=10k gm =3mA/VUDD=20V共漏放大电路共漏放大电路第四章第四章静态工作点静态工作点:VURRRUDDG5212 US UGmA5 . 0RURUISGSSD UDS=UDD- US =20-5=15V+UDD+20VIDUDSIGR1RDRGR2150K50K1M10KRS10KGDS第四章第四章uo+UDD +20VRSuiC1R1RGR2RL150K50K1M10KDSC2G10K微变等效电路：微变等效电路：第四章第四章微变等效电路：微变等效电路：iU gsU oU dI gsmUg LgsmgsLgsmiouRUgURUgUUA 11 LmLmRgRgriro ro gR2R1RGsRLRSUi=Ugs+UoUo =Id(RS/RL)=gm Ugs RLd第四章第四章求求riri=RG+R1/R2rigR2R1RGsRLRSdgsmUg 第四章第四章求求ro加压求流