第3章场效应晶体管及其放大电路ppt课件

1、第三章：场效应晶体管及其放第三章：场效应晶体管及其放大电路大电路 北京邮电大学电信院电路与系统中心北京邮电大学电信院电路与系统中心Gdeng263Gdeng263内容提要场效应晶体管利用输入电压在管场效应晶体管利用输入电压在管内形成的电场影响导电沟道的形内形成的电场影响导电沟道的形状，进而控制输出电流状，进而控制输出电流场效应管的特点：场效应管的特点：输入阻抗高输入阻抗高抗辐射能力强抗辐射能力强热稳定性好热稳定性好重点介绍场效应管的结构、工作重点介绍场效应管的结构、工作原理及其应用电路原理及其应用电路N N沟道增强型场效应管的结构沟道增强型场效应管的结构衬底上的箭衬底上的箭头代表头代表PNPN

2、结结的正向方向的正向方向MOSMOS管的命管的命名原因名原因沟道的含沟道的含义义N N沟道增强型场效应管的基本工作原理沟道增强型场效应管的基本工作原理( (一一) )(0)BSv栅源电压栅源电压 对管工作的影响对管工作的影响GSv0DSv设设0GSv时时管子截止管子截止0GSv时时()GSGS thvV时时反型层形成，反型层形成，出现导电沟出现导电沟道道()GS ththVV ：开启电压开启电压N N沟道增强型场效应管的基本工作原理沟道增强型场效应管的基本工作原理( (二二) )(0)BSv漏源电压漏源电压 对管工作的影响对管工作的影响DSv()GSGS thvV设设0DSv时时导电沟道变为导

3、电沟道变为楔形楔形DSGSthvvV时时出现预夹断出现预夹断DSGSthvvV时时沟道被夹断沟道被夹断N N沟道增强型场效应管的基本工作原理沟道增强型场效应管的基本工作原理( (三三) )栅源电压起着建栅源电压起着建立导电沟道和控制立导电沟道和控制沟道形状的作用沟道形状的作用由于沟道电流仅由由于沟道电流仅由多子流构成，故也多子流构成，故也称场效应管为单极称场效应管为单极型晶体管。特点：型晶体管。特点：漏源电压产生输漏源电压产生输出电流并改变沟道出电流并改变沟道形状形状温度稳定性能好温度稳定性能好抗辐射能力强抗辐射能力强增强型的含义增强型的含义N N沟道增强型场效应管的输出特性曲线沟道增强型场效

4、应管的输出特性曲线( (一一) )由于栅极与源极和由于栅极与源极和漏极之间有绝缘层漏极之间有绝缘层隔开，故栅极输入隔开，故栅极输入电流极小电流极小 ，输，输入电阻极高，可以入电阻极高，可以达到达到 以上以上0Gi 910 因而，常用的特性因而，常用的特性曲线为输出特性曲曲线为输出特性曲线和转移特性曲线线和转移特性曲线N N沟道增强型场效应管的输出特性曲线沟道增强型场效应管的输出特性曲线( (二二) )可可变变电电阻阻区区饱饱和和区区击击穿穿区区截止区截止区截止区：截止区：()GSGS thvV可变电阻区：可变电阻区：()GSGS thvV()()DSGSGS thvvV饱和饱和( (恒流恒流)

5、 )区：区：()GSGS thvV()()DSGSGS thvvV2()()2pDGSGS thkWivVL厄尔利电压厄尔利电压AV沟道长度调制效应沟道长度调制效应击穿区：击穿区：()DSBR DSvV放放大大区区预夹断点预夹断点N N沟道增强型场效应管的转移特性曲线沟道增强型场效应管的转移特性曲线( (一一) )()|DSDGSvif v常数转移特性曲线表示漏转移特性曲线表示漏源电压一定时，漏极源电压一定时，漏极电流与栅源电压之间电流与栅源电压之间的关系曲线的关系曲线可由输出曲线求得可由输出曲线求得转移跨导：转移跨导：0DSDmGSvigvN N沟道增强型场效应管的转移特性曲线沟道增强型场效

6、应管的转移特性曲线( (二二) )2DQmGSQthIgVV在相同工作点电流在相同工作点电流情况下，情况下，MOSMOS管跨导管跨导的数值通常会比双的数值通常会比双极型管的小，可能极型管的小，可能小小1212个数量级个数量级跨导也可以由转移跨导也可以由转移特性曲线图解确定特性曲线图解确定MOSMOS场效应管的击穿场效应管的击穿饱和区内，过大的饱和区内，过大的漏源电压所产生的漏源电压所产生的击穿与输出特性曲击穿与输出特性曲线上的击穿区对应线上的击穿区对应漏源电压过大时，漏源电压过大时，会导致漏区与衬底会导致漏区与衬底间的间的PNPN结出现反向结出现反向击穿击穿饱和区内可能会出饱和区内可能会出现贯

7、通击穿现贯通击穿当栅源电压过大时，当栅源电压过大时，可能会导致绝缘层可能会导致绝缘层被击穿被击穿MOSMOS场效应管衬底调制效应场效应管衬底调制效应( (一一) )在在MOSMOS管工作时，管工作时，漏区、源区、导电漏区、源区、导电沟道与衬底之间的沟道与衬底之间的PNPN结不应出现正向结不应出现正向导通情况，否则管导通情况，否则管不能正常工作不能正常工作这就要求这就要求N N沟道型沟道型管的衬源极间电压管的衬源极间电压应满足应满足 ，P P沟道型管应沟道型管应0BSv0BSvMOSMOS场效应管衬底调制效应场效应管衬底调制效应( (二二) )分立元件中，衬底分立元件中，衬底B B一般与源极一般

8、与源极S S相连。相连。在集成电路中，由在集成电路中，由于所有元件为同一于所有元件为同一衬底，为保证所有衬底，为保证所有元件的沟道与衬底元件的沟道与衬底间的隔离，导电沟间的隔离，导电沟道与衬底之间所形道与衬底之间所形成的成的PNPN结必须反偏，结必须反偏，也即也即N N沟道沟道MOSMOS管管的的 。所以，。所以，开启电压和转移特开启电压和转移特性曲线右移性曲线右移0BSv背栅跨导背栅跨导P P沟道增强型沟道增强型MOSMOS场效应管场效应管( (一一) )P P沟道管的结构和原理与沟道管的结构和原理与N N沟道管类沟道管类似似但应注意沟道极性的区别及由此带但应注意沟道极性的区别及由此带来的电

9、流、电压方向的变化来的电流、电压方向的变化P P沟道增强型沟道增强型MOSMOS场效应管场效应管( (二二) )应注意特性曲应注意特性曲线图中电流、线图中电流、电压的方向电压的方向耗尽型耗尽型MOSMOS场效应管场效应管( (一一) )耗尽型耗尽型MOSMOS管在栅源零偏时即已管在栅源零偏时即已存在导电沟道存在导电沟道注意其符号与增强型的区别注意其符号与增强型的区别耗尽型耗尽型MOSMOS场效应管场效应管( (二二) )(0)GSif v()()GSGS offif vV：截止电压：截止电压或阈值电压或阈值电压()GS offV(0)DSif v也会产生预夹断也会产生预夹断和漏极电流饱和和漏极

10、电流饱和的情况的情况0GSv0DSv 时已有导电时已有导电沟道，故沟道，故 时即时即有漏极电流产生有漏极电流产生(0)GSif v耗尽型耗尽型MOSMOS场效应管场效应管( (三三) )可可变变电电阻阻区区饱饱和和区区击击穿穿区区截止区截止区截止区：截止区：()GSGS offvV可变电阻区：可变电阻区：()GSGS offvV()0()DSGSGS offvvV饱和饱和( (恒流恒流) )区：区：()GSGS offvV()()DSGSGS offvvV2()()2pDGSGS thkWivVL击穿区击穿区耗尽型耗尽型MOSMOS场效应管场效应管( (四四) )21GSDDSSoffviIV

11、2()()2pDGSGS thkWivVL0GSDSGSoffvDSSDvvVIiP P沟道型管的特性可与之类比沟道型管的特性可与之类比2DQmGSQoffIgVVMOSMOS管类型总结管类型总结MOSMOS管管N N沟道沟道MOSMOS管管P P沟道沟道MOSMOS管管N N沟道增强型沟道增强型MOSMOS管管N N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSMOS管管P P沟道增强型沟道增强型MOSMOS管管P P沟道耗尽型沟道耗尽型MOSMOS管管MOSMOS管的结构管的结构注意注意N N沟道与沟道与P P沟沟道的区别道的区别注意增强注意增强型与耗尽型与耗尽型的区别型的区别结型场效应管的结构结型场效应管的

12、结构结型场效应管结型场效应管(JFET(JFET：Junction Field Junction Field Effect Transistor)Effect Transistor)根据沟道类型不同亦可分类根据沟道类型不同亦可分类结型场效应管的基本工作原理结型场效应管的基本工作原理( (一一) )结型场效应管存在着结型场效应管存在着内建初始导电沟道，内建初始导电沟道，这一点与耗尽型管类这一点与耗尽型管类似似结型场效应管应用时结型场效应管应用时的输入电阻很大，可的输入电阻很大，可达达 以上以上710 结型场效应管也是通结型场效应管也是通过控制导电沟道的形过控制导电沟道的形态改变输出电流态改变输出

13、电流结型场效应管输入信结型场效应管输入信号及输出电流、电压号及输出电流、电压的选择与的选择与MOSMOS管类似管类似结型场效应管的基本工作原理结型场效应管的基本工作原理( (二二) )栅源电压栅源电压 对管工作的影响对管工作的影响GSv0GSv时时耗尽层增厚，导耗尽层增厚，导电沟道变薄，沟电沟道变薄，沟道电阻增大道电阻增大0DSv设设()GSGS offvV时时沟道全夹断，漏沟道全夹断，漏极电流为零极电流为零()GS offoffVV ：夹断电压夹断电压结型场效应管的基本工作原理结型场效应管的基本工作原理( (三三) )漏源电压漏源电压 对管工作的影响对管工作的影响DSv0DSv时时导电沟道变

14、为楔导电沟道变为楔型型()DSGSGS offvvV时时DSv 继续增大时继续增大时沟道预夹断，此沟道预夹断，此时的漏极电流为时的漏极电流为饱和电流饱和电流DSSI(,0GSoffvV设设此时对应于输出此时对应于输出特性曲线饱和区特性曲线饱和区结型场效应管的特性曲线结型场效应管的特性曲线恒恒流流区区击击穿穿区区可可变变电电阻阻区区夹断电压夹断电压饱和漏极电流饱和漏极电流大功率管的作用大功率管的作用大功率管：最大允许工作电流大功率管：最大允许工作电流 、击、击穿电压穿电压 、最大耗散功率、最大耗散功率 的数的数值均较大值均较大DMI()BR DSVDMP横向结构场效应管的漏源击穿电压和横向结构场

15、效应管的漏源击穿电压和最大耗散功率、最大容许工作电流不最大耗散功率、最大容许工作电流不能同时增大能同时增大VDMOSVDMOS型场效应管型场效应管VDMOSVDMOS的结的结构说明构说明VDMOSVDMOS中沟中沟道的产生道的产生VDMOSVDMOS中的中的三极三极管及管及器件器件符号符号IGBTIGBT型管型管请自行参阅课本请自行参阅课本MOSMOS场效应管的瞬态模型场效应管的瞬态模型MOSMOS场效应管的微变信号模型场效应管的微变信号模型结型场效应管的微变信号模型结型场效应管的微变信号模型场效应管放大电路的要点场效应管放大电路的要点分析方法与三极管放大电路相同，分析方法与三极管放大电路相同

16、，仍然是先静态后动态，既可以使用图仍然是先静态后动态，既可以使用图解法又可以使用等效电路法解法又可以使用等效电路法注意偏置电路的设置对于不同的注意偏置电路的设置对于不同的场效应管来说有不同的设置需求）场效应管来说有不同的设置需求）由于栅极电流为零，因此在等效模由于栅极电流为零，因此在等效模型中的栅极为悬空。受控电流源所反型中的栅极为悬空。受控电流源所反映的为栅源电压对漏极电流的控制作映的为栅源电压对漏极电流的控制作用用跨导一般较小，从而使得场效应管跨导一般较小，从而使得场效应管放大电路的具体参数与三极管放大电放大电路的具体参数与三极管放大电路相比有一些不同之处路相比有一些不同之处偏置变量的相关

17、回顾偏置变量的相关回顾所谓偏置，就是给器件加一定的电压所谓偏置，就是给器件加一定的电压( (或电流或电流) )，使其工作点偏离原点，以便器，使其工作点偏离原点，以便器件能够在电路中按照人们的要求工作。对件能够在电路中按照人们的要求工作。对于放大运用来说，器件应工作于放大于放大运用来说，器件应工作于放大( (恒恒流，饱和流，饱和) )区区当大信号工作时，静态工作点的位置及当大信号工作时，静态工作点的位置及动态运用的范围影响非线性失真动态运用的范围影响非线性失真当小信号运用时，只要是在放大区，静当小信号运用时，只要是在放大区，静态工作点的位置并不影响非线性失真，但态工作点的位置并不影响非线性失真，

18、但将影响放大量将影响放大量( (动态范围动态范围) )和功率消耗和功率消耗偏置电路应兼顾静态工作点的稳定、功偏置电路应兼顾静态工作点的稳定、功率消耗。大信号运用时，静态工作点的不率消耗。大信号运用时，静态工作点的不稳定还影响动态运用范围和功率损耗，后稳定还影响动态运用范围和功率损耗，后者将牵涉到器件的安全运用者将牵涉到器件的安全运用分压式偏置分压式偏置管状态的分析过程管状态的分析过程与三极管类似，即与三极管类似，即先假定管处于饱和先假定管处于饱和状态并展开分析看状态并展开分析看结果是否一致结果是否一致212212GQDDSQDQSGSQGQSQDDDQSRVVRRVIRVVVRVIRRR对于不

19、同类型的管对于不同类型的管子来说，应注意：子来说，应注意：N N沟道增强型沟道增强型N N沟道耗尽型沟道耗尽型N N沟道结型沟道结型P P沟道型管沟道型管0thV GDQthVV0offVGDQoffVV0offVGSQoffVV电源电压应为电源电压应为负值负值自给偏压式偏置自给偏压式偏置( (一一) )静态时靠源极电阻静态时靠源极电阻上的电压为栅源上的电压为栅源提供一个负的偏压，提供一个负的偏压，故称自给偏压故称自给偏压GSQSQDQSVVIR 增强型场效应管增强型场效应管为同极性偏置为同极性偏置结型场效应管为结型场效应管为反极性偏置反极性偏置耗尽型耗尽型MOSMOS场效场效应管两者均可应管

20、两者均可自给偏压适用于结自给偏压适用于结型或耗尽型管型或耗尽型管自给偏压式偏置自给偏压式偏置( (二二) )偏置电阻对交流信号有损耗作用，也偏置电阻对交流信号有损耗作用，也降低了放大电路的输入电阻降低了放大电路的输入电阻在集成电路中，在集成电路中，本级放大电路的本级放大电路的输入端直流偏置输入端直流偏置通常由前级电路通常由前级电路的输出提供的输出提供必要时加入直流必要时加入直流电平移动单元，电平移动单元，称这种偏置方式称这种偏置方式为直接偏置为直接偏置场效应管的三种基本组态放大电路场效应管的三种基本组态放大电路共源与共射对应共源与共射对应共漏与共集对应共漏与共集对应共栅与共基对应共栅与共基对应

21、场效应管基本共源放大电路场效应管基本共源放大电路(/)(/)/mgsDdsovmDdsiiioDdsg vRrVAgRrVVRRRr 基本特性及基本特性及应用范围同应用范围同共射电路共射电路场效应管基本共栅放大电路场效应管基本共栅放大电路基本特性及基本特性及应用范围同应用范围同共基电路共基电路()(/)/(/)1/(1/)1/1()/gsoomgsDdsmgsgsdsDoDdsmgsgsdsDoDdsomdsDviDdsgsimgsgsodsmoDdsvVVg vRrg vvrRV Rrg vvrRVRrVgrRAVRrvRg vvVrgRRr 场效应管基本共漏放大电路场效应管基本共漏放大电路

22、(/)(/)(/)(/) 11/mgsdsomdsvimgsdsgsmdsiodsmg vRrVgRrAVg vRrvgRrRRRrg 基本特性及应用基本特性及应用范围同共集电路范围同共集电路场效应管基本电流源场效应管基本电流源( (一一) )2111()1111() (1)2pDRGSGS thDSkWIIVVVLT2T2管的管的 ，保证其工作在饱和区保证其工作在饱和区22()2DSGSGS thVVV0222111(/)(1)(/)(1)DSRDSIWLVIWLV22202()2222() (1)2pDGSGS thDSkWIIVVVL()1()2()12,GS thGS thGS thV

23、VV设设忽略沟道长度调制效应后忽略沟道长度调制效应后( )( )，若，若两管参数对称则为镜像电流源，否则两管参数对称则为镜像电流源，否则为比例电流源为比例电流源0场效应管基本电流源场效应管基本电流源( (二二) )1()/RDDGSrIVVR020011odsvrrII为了提高集成度，通常为了提高集成度，通常用有源电阻代替一般电用有源电阻代替一般电阻阻rR合理设计合理设计T1T1、T3T3管的宽长比，管的宽长比，即可得到符合要求的参考电流即可得到符合要求的参考电流场效应管串联电流源场效应管串联电流源T3T3、T4T4特性相同特性相同12DSDSVV02222211111(/)(1)/(/)(1

24、)/DSRDSIWLVWLIWLVWL输出电流几乎不受电输出电流几乎不受电流源输出端电压的影流源输出端电压的影响，从而使输出电阻响，从而使输出电阻大为提高，保证了良大为提高，保证了良好的恒流特性好的恒流特性4424()ommbdsdsrggrr场效应管威尔逊电流源场效应管威尔逊电流源三管均工作在饱和区三管均工作在饱和区具有很高的输出电阻具有很高的输出电阻113omdsdsrg r r由于串联电流源和威尔由于串联电流源和威尔逊电流源在输出回路中逊电流源在输出回路中串联有两个串联有两个MOSMOS管且要求管且要求两管均工作于饱和区，两管均工作于饱和区，从而在电源电压一定的从而在电源电压一定的情况下

25、，减小了输出端情况下，减小了输出端电压变化的动态范围电压变化的动态范围MOSMOS管有源电阻管有源电阻在工作点处在工作点处DSDS之间的直流电之间的直流电阻为阻为 ，小信号动态电小信号动态电阻可在阻可在Q Q点处点处切线斜率求得切线斜率求得/DSQQVI注意伏安特性注意伏安特性曲线的做法曲线的做法也可用也可用P P沟道沟道管构成类似电管构成类似电阻阻NMOSNMOS管共源管共源E/EE/E型放大电路型放大电路放大管与负载管均为增强型放大管与负载管均为增强型MOSMOS管的放管的放大电路称为大电路称为E/EE/E放大电路放大电路NMOSNMOS管共源管共源E/DE/D型放大电路型放大电路以增强型

26、以增强型MOSMOS管管( (称为称为E E管管) )作为放大管，作为放大管，耗尽型耗尽型MOSMOS管管( (称为称为D D管管) )作为负载管的作为负载管的放大电路称为放大电路称为E/DE/D放大电路放大电路CMOSCMOS共源放大电路共源放大电路没有衬底调制效应的原因没有衬底调制效应的原因为保证为保证T2T2管工作于饱和区，其栅极偏压管工作于饱和区，其栅极偏压 应小于应小于 ，且，且 。同理，。同理，为保证为保证T1T1工作于饱和区，应满足工作于饱和区，应满足()1()1,IGS thOIGS thvVvvV2()2GSGDDGS thVVVVDDVGVT1T1为放为放大管，大管，T2T

27、2为负为负载管载管三种单级放大电路的主要性能比较三种单级放大电路的主要性能比较放大管：放大管：/150/10W L 负载管：负载管：/30/30W L 从输出曲线从输出曲线变化范围比较变化范围比较从线性放大从线性放大区特性的斜率区特性的斜率比较比较场效应管差分放大电路综述场效应管差分放大电路综述场效应管差分放大电路的形式、基场效应管差分放大电路的形式、基本特性及分析方法与本特性及分析方法与BJTBJT差放一样差放一样场效应管差放具有输入电阻大、输场效应管差放具有输入电阻大、输入电流小、输入线性范围大等优点入电流小、输入线性范围大等优点场效应管差放通常也有微变增益低、场效应管差放通常也有微变增益

28、低、偏差失调大的缺点偏差失调大的缺点MOSMOS管基本差分放大电路管基本差分放大电路( (一一) )电路结构说明电路结构说明差模微变增益的求差模微变增益的求解：解：1112212(/)1(/)()21(/)()2omidsDmdsDiiomdsDiiVg VrRgrRVVVgrRVV 121212(/)oooviiiimdsDVVVAVVVVgrR MOSMOS管基本差分放大电路管基本差分放大电路( (二二) )MOSMOS管差放的传输管差放的传输特性与三极管类似特性与三极管类似但其非限幅区范围但其非限幅区范围比三极管差放宽许比三极管差放宽许多多MOSMOS管基本差分放大电路管基本差分放大电路

29、( (三三) )共模交流通路：共模交流通路：MOSMOS管有源负载差分放大电路管有源负载差分放大电路( (一一) )E/EE/E型放大电路型放大电路负载管的微变负载管的微变电阻为电阻为31/mg1211313/(1/)oviimdsmmmVAVVgrggg MOSMOS管有源负载差分放大电路管有源负载差分放大电路( (二二) )以电流源作为以电流源作为有源负载的有源负载的CMOSCMOS差放差放34/2DDSSIII12113(/)oviimdsdsVAVVgrr MOSMOS管有源负载差分放大电路管有源负载差分放大电路( (三三) )以镜像电流源作以镜像电流源作为有源负载的为有源负载的CMO

30、SCMOS差放差放1224(/)oviimdsdsVAVVgrr 可类比三极管差可类比三极管差放电路放电路差放中的衬底调制效应差放中的衬底调制效应请自行阅读课本请自行阅读课本模拟开关综述模拟开关综述模拟开关：模拟开关：用于控制信用于控制信号的通断号的通断一个理想的模拟开关，接通时电阻为一个理想的模拟开关，接通时电阻为零，关断时电阻为无穷大。开关的工零，关断时电阻为无穷大。开关的工作速度要快且对其它电路的性能的影作速度要快且对其它电路的性能的影响要小响要小实际的模拟开关是由工作在开关状态实际的模拟开关是由工作在开关状态的晶体管或场效应管组成，外加控制的晶体管或场效应管组成，外加控制电压使晶体管交

31、替工作在饱和区和截电压使晶体管交替工作在饱和区和截止区，或使场效应管交替工作在可变止区，或使场效应管交替工作在可变电阻区和截止区电阻区和截止区单管单管MOSMOS模拟开关模拟开关( (一一) )由于由于N N沟道沟道MOSMOS管的导通电阻小，单沟管的导通电阻小，单沟道模拟开关一般使用道模拟开关一般使用NMOSNMOS管管当栅极控制电压为低电平即当栅极控制电压为低电平即 时，时，MOSMOS管截止，开关断开管截止，开关断开GGLvV当栅极控制电压为高当栅极控制电压为高电平即电平即 时，管时，管子子 ，MOSMOS管导通，且由于管导通，且由于负载电阻很大，管子负载电阻很大，管子工作于可变电阻区工作于可变电阻区，开关闭合开关闭合GGHvV()GSGHI