第三章场效应管及其基本放大_路

1、第三章第三章 场效应管及其基本放大电路场效应管及其基本放大电路3.1 3.1 MOSMOS场效应管场效应管3.2 3.2 结型场效应管结型场效应管3.3 3.3 场效应管的主要参数和微变等效电路场效应管的主要参数和微变等效电路3.4 3.4 场效应管基本放大电路场效应管基本放大电路 小结小结概概 述述场效应管与晶体管的区别场效应管与晶体管的区别1. 晶体管是晶体管是电流控制元件电流控制元件；场效应管是；场效应管是电压控制元件电压控制元件。2. 晶体管参与导电的是晶体管参与导电的是电子电子空穴空穴，因此称其为双极型器件；，因此称其为双极型器件； 场效应管是电压控制元件，参与导电的只有场效应管是电

2、压控制元件，参与导电的只有一种载流子一种载流子， 因此称其为单级型器件。因此称其为单级型器件。3. 晶体管的晶体管的输入电阻较低输入电阻较低，一般，一般102104 ； 场效应管的场效应管的输入电阻高输入电阻高，可达，可达1091014 场效应管的分类场效应管的分类结型场效应管结型场效应管JFETMOS型场效应管型场效应管JFET3.1 3.1 MOSMOS场效应管场效应管增强型增强型MOS场效应管场效应管耗尽型耗尽型MOS场效应管场效应管MOS场效应管分类场效应管分类MOSMOS场效应管场效应管N沟道增强型的沟道增强型的MOS管管P沟道增强型的沟道增强型的MOS管管N沟道耗尽型的沟道耗尽型的

3、MOS管管P沟道耗尽型的沟道耗尽型的MOS管管 N N沟道沟道增强型增强型MOSMOS场效应管结构场效应管结构增强型增强型MOSMOS场效应管场效应管漏极漏极D集电极集电极C源极源极S发射极发射极E栅极栅极G基极基极B衬底衬底B电极电极金属金属绝缘层绝缘层氧化物氧化物基体基体半导体半导体因此称之为因此称之为MOS管管动画动画3-1 当当UGS较小较小时，虽然在时，虽然在P型衬型衬底表面形成一层底表面形成一层耗尽层耗尽层，但负，但负离子不能导电。离子不能导电。 当当UGS=UT时时, 在在P型衬底表型衬底表面形成一层面形成一层电子层电子层，形成，形成N型型导电沟道，在导电沟道，在UDS的作用下形

4、的作用下形成成ID。 N N沟道沟道增强型增强型MOSMOS场效应管工作原理场效应管工作原理增强型增强型MOSMOS管管UDSID+ +- -+-+- - -UGS反型层反型层 当当UGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的时，漏源之间相当两个背靠背的PN结，无论结，无论UDS之间加上电压不会在之间加上电压不会在D、S间形成电流间形成电流ID,即即ID0. 当当UGSUT时时, 沟道加厚，沟道电阻减少，沟道加厚，沟道电阻减少，在相同在相同UDS的作的作用下，用下，ID将进一步增加将进一步增加开始无导电沟道，开始无导电沟道，当在当在UGS UT时才形时才形成沟道成沟道,这种类型的管这种类型的管子称

5、为子称为增强型增强型MOS管管动动画画3-2 N N沟道沟道增强型增强型MOSMOS场效应管特性曲线场效应管特性曲线增强型增强型MOSMOS管管U UDSDS一定时，一定时，U UGSGS对漏极电流对漏极电流I ID D的控制关系曲线的控制关系曲线 I ID D= =f f( (U UGSGS) ) U UDSDS=C =C 转移特性曲线转移特性曲线UDSUGS-UTUGS(V)ID(mA)UT在恒流区，在恒流区，ID与与UGS的关系为的关系为IDK(UGS-UT)2沟道较短时，应考虑沟道较短时，应考虑UDS对对沟道长度的调节作用：沟道长度的调节作用：IDK(UGS-UT)2（1+ UDS)K

6、导电因子（导电因子（mA/V2) 沟道调制长度系数沟道调制长度系数LWCKOXn2 LWK2nSK2DSULL n沟道内电子的表面迁移率沟道内电子的表面迁移率COX单位面积栅氧化层电容单位面积栅氧化层电容W沟道宽度沟道宽度L沟道长度沟道长度Sn沟道长宽比沟道长宽比K本征导电因子本征导电因子 N N沟道沟道增强型增强型MOSMOS场效应管特性曲线场效应管特性曲线增强型增强型MOSMOS管管U UGSGS一定时，一定时， I ID D与与U UDSDS的变化曲线，是一族曲线的变化曲线，是一族曲线 I ID D= =f f( (U UDSDS) ) U UGSGS=C =C 输出特性曲线输出特性曲线

7、1.可变电阻区可变电阻区： ID与与UDS的关系近线性的关系近线性 ID 2K(UGS-UT)UDS0dUDDSonGSdIdUR2K1UU1TGSUGS=6VUGS=4VUGS=5VUGS=3VUGS=UT=3VUGS(V)ID(mA)当当UGS变化时，变化时，RON将随之变化将随之变化因此称之为因此称之为可变电阻区可变电阻区当当UGS一定时，一定时，RON近似为一常数近似为一常数因此又称之为因此又称之为恒阻区恒阻区 N N沟道沟道增强型增强型MOSMOS场效应管特性曲线场效应管特性曲线增强型增强型MOSMOS管管输出特性曲线输出特性曲线2. 恒流区恒流区： 该区内，该区内，UGS一定，一定

8、，ID基本不随基本不随UDS变化而变变化而变3.击穿区击穿区： UDS 增加到某一值时，增加到某一值时，ID开始剧增而出现击穿。开始剧增而出现击穿。 当当UDS 增加到某一临界增加到某一临界值时，值时，ID开始剧增时开始剧增时UDS称为漏源击穿电压。称为漏源击穿电压。UGS=6VUGS=4VUGS=5VUGS=3VUGS=UT=3VUGS(V)ID(mA) 漏源电压漏源电压UDS对漏极电流对漏极电流ID的控制作用的控制作用当当UGSUT，且固定为某一值时，来分析漏源电压，且固定为某一值时，来分析漏源电压UDS对对漏极电流漏极电流ID的影响。的影响。UDS的不同变化对沟道的影响。的不同变化对沟道

9、的影响。 UDS=UDGUGS =UGDUGS UGD=UGSUDS 当当UDS为为0或较小时，或较小时，相当相当 UGDUT，此时此时UDS 基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。在线分布。在UDS作用下形成作用下形成ID增强型增强型MOSMOS管管 当当UDS增加到使增加到使UGD=UT时，时， 当当UDS增加到增加到UGD UT时，时，增强型增强型MOSMOS管管 漏源电压漏源电压UDS对漏极电流对漏极电流ID的控制作用的控制作用 这相当于这相当于UDS增加使漏极处沟道增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为缩减到刚刚开启的情况，称为预夹断预夹断。此时的。

10、此时的漏极电流漏极电流ID 基本饱和基本饱和 此时预夹断区域加长，伸向此时预夹断区域加长，伸向S极。极。 UDS增加的部分基本降落在随之加长增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上，的夹断沟道上， ID基本趋于不变。基本趋于不变。动画动画3-3增强型增强型MOSMOS管管 MOSMOS管衬底的处理管衬底的处理保证两个保证两个PN结反偏，源极结反偏，源极沟道沟道漏极之间处于绝缘态漏极之间处于绝缘态NMOS管管UBS加一负压加一负压PMOS管管UBS加一正压加一正压处理原则：处理原则：处理方法：处理方法： N N沟道沟道耗尽型耗尽型MOSMOS场效应管结构场效应管结构耗尽型耗尽型MOSMOS场效应

11、管场效应管+ + + + + + + 耗尽型耗尽型MOS管存在管存在原始导电沟道原始导电沟道耗尽型耗尽型MOSMOS管管 N N沟道沟道耗尽型耗尽型MOSMOS场效应管工作原理场效应管工作原理当当UGS=0时，时，UDS加正向电压，产生漏极电流加正向电压，产生漏极电流ID,此时的漏极电流称为此时的漏极电流称为漏极饱和电流漏极饱和电流，用，用IDSS表示表示当当UGS0时，将使时，将使ID进一步增加进一步增加。当当UGS0时，随着时，随着UGS的减小漏极电流逐渐的减小漏极电流逐渐减小减小。直至。直至ID=0。对应。对应ID=0的的UGS称为夹断电压，用符号称为夹断电压，用符号UP表示。表示。UG

12、S(V)ID(mA) N N沟道沟道耗尽型耗尽型MOSMOS场效应管特性曲线场效应管特性曲线转移特性曲线转移特性曲线在恒流区，在恒流区，ID与与UGS的关系为的关系为IDK(UGS-UP)2沟道较短时，沟道较短时， IDK(UGS-UT)2（1+ UDS)UPID IDSS(1- UGS /UP)2常用关系式：常用关系式：耗尽型耗尽型MOSMOS管管 N N沟道沟道耗尽型耗尽型MOSMOS场效应管特性曲线场效应管特性曲线输出特性曲线输出特性曲线UGS=6VUGS=4VUGS=1VUGS=0VUGS=-1VUGS(V)ID(mA)N N沟道沟道耗尽型耗尽型MOSMOS管可工作在管可工作在U UG

13、SGS 0 0或或U UGSGS0 0 N N沟道沟道增强型增强型MOSMOS管只能工作在管只能工作在U UGSGS00各类绝缘栅场效应三极管的特性曲线各类绝缘栅场效应三极管的特性曲线绝缘栅场效应管N沟道增强型P沟道增强型绝缘栅场效应管 N沟道耗尽型P 沟道耗尽型3.2 3.2 结型场效应管结型场效应管结型场效应管的分类结型场效应管的分类结型场效应管的结构结型场效应管的结构结型场效应管的工作原理结型场效应管的工作原理结型场效应管的特性曲线结型场效应管的特性曲线 结型结型场效应管（场效应管（JFET)JFET)结构结构 结型结型场效应管（场效应管（JFET)JFET)分类分类可分为可分为N沟道和

14、沟道和P沟道两种，输入电阻约为沟道两种，输入电阻约为107 。P+P+NGSDN沟道结型场效应管沟道结型场效应管导电沟道导电沟道结型场效应管结型场效应管结型场效应管结型场效应管 结型结型场效应管（场效应管（JFET)JFET)的工作原理的工作原理 根据结型场效应三极管的结构，因它没有绝缘层，根据结型场效应三极管的结构，因它没有绝缘层，只能工作在只能工作在反偏反偏的条件下，对于的条件下，对于N沟道结型场效应三极管沟道结型场效应三极管只能工作在只能工作在负栅压负栅压区，区，P沟道的只能工作在沟道的只能工作在正栅压正栅压区，否区，否则将会出现栅流。现以则将会出现栅流。现以N沟道为例说明其工作原理。沟

15、道为例说明其工作原理。P+P+NGSDUDSIDDP+P+NGSUDSIDUGS预夹断预夹断UGS=UP夹断状态夹断状态ID=0 当当UGS=0时，时，沟道较宽沟道较宽，在，在UDS的作用下的作用下N沟道内的沟道内的电子定向运动形成漏极电流电子定向运动形成漏极电流ID。 当当UGS0时，时，PN结反偏，结反偏，PN结加宽，漏源间的结加宽，漏源间的沟道沟道将变窄将变窄，ID将减小将减小， 当当UGS继续向负方向增加，沟道继续变窄，继续向负方向增加，沟道继续变窄，ID继续减继续减小直至为小直至为0。 当当漏极电流为零漏极电流为零时所对应的时所对应的栅源电压栅源电压UGS称为称为夹断电夹断电压压UP

16、。 结型场效应管结型场效应管 结型结型场效应管（场效应管（JFET)JFET)的工作原理的工作原理结型场效应管结型场效应管 结型结型场效应管（场效应管（JFET)JFET)的特性曲线的特性曲线 与与MOS的特性曲线基本相同，只不过的特性曲线基本相同，只不过MOS的栅压可的栅压可正可负正可负，而结型场效应三极管的栅压只能是，而结型场效应三极管的栅压只能是P沟道的为正沟道的为正或或N沟道的为负。沟道的为负。UP转移特性曲线转移特性曲线输出特性曲线输出特性曲线结型场效应管 N沟道耗尽型P沟道耗尽型3.3 3.3 场效应管的主要参数和微变等效电路场效应管的主要参数和微变等效电路直流参数直流参数微变参数

17、微变参数微变等效电路微变等效电路场效应管的直流参数场效应管的直流参数2. 夹断电压夹断电压UP 夹断电压是耗尽型夹断电压是耗尽型FET的参数，当的参数，当UGS=UP 时时,漏极电漏极电流为零。流为零。3. 饱和漏极电流饱和漏极电流IDSS 耗尽型场效应三极管当耗尽型场效应三极管当UGS=0时所对应的漏时所对应的漏极电流。极电流。1. 开启电压开启电压UT 开启电压是开启电压是MOS增强型管的参数，栅源电压小于增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值开启电压的绝对值,场效应管不能导通。场效应管不能导通。场效应管的直流参数场效应管的直流参数4. 直流输入电阻直流输入电阻RGS栅源间所加的恒定

18、电压栅源间所加的恒定电压UGS与流过栅极电流与流过栅极电流IGS之比结之比结型场效应三极管，反偏时型场效应三极管，反偏时RGS约大于约大于107，绝缘栅场效应三极管绝缘栅场效应三极管RGS约是约是1091015。5. 漏源击穿电压漏源击穿电压BUDS使使ID开始剧增时的开始剧增时的UDS。6.栅源击穿电压栅源击穿电压BUGSJFET：反向饱和电流剧增时的栅源电压：反向饱和电流剧增时的栅源电压MOS：使：使SiO2绝缘层击穿的电压绝缘层击穿的电压场效应管的微变参数场效应管的微变参数 1. 低频跨导低频跨导gm 低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用CUCUG

19、SDmBSDSdUdIggm的求法的求法: 图解法图解法gm实际就是转移特性曲线的斜率实际就是转移特性曲线的斜率解析法：如增强型解析法：如增强型MOS管存在管存在ID=K(UGS-UT)2)U2K(UgTGSm场效应管的微变参数场效应管的微变参数 2. 衬底跨导衬底跨导gm b反映了衬底偏置电压对漏极电流反映了衬底偏置电压对漏极电流ID的控制作用的控制作用CUCUBSDmGSDSdUdIgbmmbgg 跨导比跨导比微变参数微变参数3. 漏极电阻漏极电阻rdsCUCUDDSdGSBSdIdUrs反映了反映了UDS对对ID的影响，实际上是输出特性曲线上工作的影响，实际上是输出特性曲线上工作点切线上

20、的斜率点切线上的斜率4.导通电阻导通电阻RonCUCUDDSGSBSdIdUonR在恒阻区内在恒阻区内mg1微变参数微变参数5. 极间电容极间电容Cgs栅极与源极间电容栅极与源极间电容Cgd 栅极与漏极间电容栅极与漏极间电容Cgb 栅极与衬底间电容栅极与衬底间电容Csd 源极与漏极间电容源极与漏极间电容Csb 源极与衬底间电容源极与衬底间电容Cdb 漏极与衬底间电容漏极与衬底间电容主要的极间电容有：主要的极间电容有：场效应管的微变等效电路场效应管的微变等效电路SDgdsUgs+-+-UdsGID 低频微变等效电路低频微变等效电路由输出特性：由输出特性：ID=f(UGS,UDS)DS0UDSDG

21、S0UGSDDUUIUUIIGSDSIDDSGSDUUIdsmgggmUgs微变等效电路微变等效电路 高频微变等效电路高频微变等效电路CgdSDgmUgsgdsUgs+-+-UdsGIDCgsCds3.4 3.4 场效应管放大电路场效应管放大电路场效应管偏置电路场效应管偏置电路三种基本放大电路三种基本放大电路场效应管偏置电路场效应管偏置电路 自给偏置电路自给偏置电路场效应管偏置电路的场效应管偏置电路的关键关键是如何是如何提供栅源控制电压提供栅源控制电压UGS自给偏置电路：自给偏置电路：适合结型场效应管和耗尽型适合结型场效应管和耗尽型MOS管管外加偏置电路：外加偏置电路：适合增强型适合增强型MO

22、S管管UGS = UG-US= -ISRS -IDRS2PGSDSSD)UU(1IIUGSQ和IDQUDSQ=ED-IDQ(RS+RD)RS的作用的作用：1. 提供栅源所需的直流提供栅源所需的直流偏压。偏压。2. 提供直流负反馈，稳提供直流负反馈，稳定静态工作点。定静态工作点。RS越大，工作点越稳越大，工作点越稳定。定。但会造成工作点偏但会造成工作点偏低，放大增益减少，非低，放大增益减少，非线性失真增大线性失真增大GSD基本自给偏置电路基本自给偏置电路偏置电路偏置电路 自给偏置电路自给偏置电路改进型自给偏置电路改进型自给偏置电路R1R2提供一个提供一个正偏栅压正偏栅压UG大电阻（大电阻（M )

23、，减小减小R1、R2对放大电对放大电路输入电阻的影响路输入电阻的影响D212GERRRUUGS = UG-US-IDRS2PGSDSSD)UU(1IIUGSQ和IDQUDSQ=ED-IDQ(RS+RD)D212ERRR偏置电路偏置电路 外加偏置电路外加偏置电路D212GERRRU-IDRSD212ERRRR1和和R2提供一个固定栅压提供一个固定栅压UGS = UG-US注：要求注：要求UGUS，才能提供一个正偏压，增强型管子才能，才能提供一个正偏压，增强型管子才能 正常工作正常工作三种基本放大电路三种基本放大电路 共源放大电路共源放大电路1. 直流分析直流分析UGS = UG-US-IDRS2

24、PGSDSSD)UU(1IIUGSQ和IDQUDSQ=ED-IDQ(RS+RD)D212ERRR基本放大电路基本放大电路 共源放大电路共源放大电路IdGRGR1R2RDRLDrdsRSgmUgsSUgsUiUo未接未接Cs时时一般一般rds较大可忽略较大可忽略ioUUUA=- gmUgsRDUgs+ gmUgsRs=- gmRD1 + gmRsRD=RD/RL基本放大电路基本放大电路 共源放大电路共源放大电路IdGRGR1R2RDRLDrdsRSgmUgsSUgsUiUo未接未接Cs时时UA=- gmRD1 + gmRsriri=RG+(R1/R2) RG roro RD接入接入Cs时时AU=

25、 -gm(rds/RD/RL) RDri=RG+(R1/R2) RG ro =RD/rds RDRs的作用是提供一个直流栅源电压、的作用是提供一个直流栅源电压、引入直流负反馈来稳定工作点。但它引入直流负反馈来稳定工作点。但它同时对交流也起负反馈作用，使电路同时对交流也起负反馈作用，使电路的放大倍数降低。的放大倍数降低。接入接入CS可以消除可以消除RS对交流的负反馈作对交流的负反馈作用。用。ri基本放大电路基本放大电路 共漏放大电路共漏放大电路GSDUiRGGUoRLRSgmUgsrdsSDioUUUA=gmUgsRSUgs+ gmUgsRs=gmRS1 + gmRsRS=rds/RS/RL R

26、S/RL1AU1ri=RGUgs+-电压增益电压增益输入电阻输入电阻基本放大电路基本放大电路 共漏放大电路共漏放大电路输出电阻输出电阻Ugs+-gmUgsRS+-UoIoroUiGUoSRGRLRSgmUgsrdsDUgs+-SooRUI - gmUgsUgs= -Uo=Uo(1/Rs+gm)oooIUr msg1/R1msg1/RUA=gmRS1 + gmRs电压增益电压增益ri=RG输入电阻输入电阻基本放大电路基本放大电路 共栅放大电路共栅放大电路SGDrdsgmUgsSGD电压增益电压增益IdId=gmUgs+Uds/rdsUds=Uo-UiUo= -IdRDUgs= -UiId= -gmUi+(- IdRD -Ui)/rds)/rR(1)U1/r(gIdsDidsmdioUUUAiDdURI)/rR(1R)1/r(gdsDDdsm当当rdsRD时时AU gmRDri输入电阻输入电阻ri=Ui/IddsmdsD1/rg/rR1rdsRDgmrds1ri1/gmririRs/1/gm基本放大电路基本放大电路 共栅放大