模拟电路课件：第5章 场效应管及其基本放大电路

1、1第5章场效应管及其基本放大电路n5.1 场效应管基础n5.2 场效应管基本放大电路25.1场效应基础场效应基础只有一种载流子参与导电，且利用电场效应来控制只有一种载流子参与导电，且利用电场效应来控制电流的三极管，称为电流的三极管，称为场效应管场效应管，也称，也称单极型三极管。单极型三极管。场效应管分类场效应管分类结型场效应管结型场效应管绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管特点特点单极型器件单极型器件( (一种载流子导电一种载流子导电) )； 输入电阻高；输入电阻高；工艺简单、易集成、功耗小、体积小、工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低。成本低。3DSGN符符号号5.1.1结型场效应管结型场效应管

2、一、结构一、结构图图 5.1.1N 沟道结型场效应管结构图沟道结型场效应管结构图N型型沟沟道道N型硅棒型硅棒栅极栅极源极源极漏极漏极P+P+P 型区型区耗尽层耗尽层( (PN 结结) )在漏极和源极之间加在漏极和源极之间加上一个正向电压，上一个正向电压，N 型半型半导体中多数载流子电子可导体中多数载流子电子可以导电。以导电。导电沟道是导电沟道是 N 型的，型的，称称 N 沟道结型场效应管沟道结型场效应管。（动画动画5-1-1）D:漏极，相当漏极，相当c G:栅极，相当栅极，相当b S:源极，相当源极，相当e4P 沟道场效应管沟道场效应管图图 5.1.2P 沟道结型场效应管结构图沟道结型场效应管

3、结构图N+N+P型型沟沟道道GSD P 沟道场效应管是在沟道场效应管是在 P 型硅棒的两侧做成高掺型硅棒的两侧做成高掺杂的杂的 N 型区，型区，导电沟道为导电沟道为 P 型型，多数载流子为空穴。，多数载流子为空穴。符号符号GDS5二、工作原理二、工作原理 N 沟道结型场效应管沟道结型场效应管用改变用改变 UGS 大小来控制漏极电大小来控制漏极电流流 ID 的。的。GDSNN型型沟沟道道栅极栅极源极源极漏极漏极P+P+耗尽层耗尽层*在栅极和源极之间在栅极和源极之间加反向电压，耗尽层会变加反向电压，耗尽层会变宽，导电沟道宽度减小，宽，导电沟道宽度减小，使沟道本身的电阻值增大，使沟道本身的电阻值增大

4、，漏极电流漏极电流 ID 减小，反之，减小，反之，漏极漏极 ID 电流将增加。电流将增加。 *耗尽层的宽度改变耗尽层的宽度改变主要在沟道区。主要在沟道区。6回顾回顾 半导体二极管半导体二极管 在一块半导体单晶上一侧掺杂成为在一块半导体单晶上一侧掺杂成为 P 型半导体，另型半导体，另一侧掺杂成为一侧掺杂成为 N 型半导体，两个区域的交界处就形成了型半导体，两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层，一个特殊的薄层，称为称为 PN 结结。 PNPN结结图图 PN 结的形成结的形成71. 外加正向电压外加正向电压又称正向偏置，简称正偏。又称正向偏置，简称正偏。外电场方向外电场方向内电场方向内电场方向空间

5、电荷区空间电荷区VRI空间电荷区变窄，有利空间电荷区变窄，有利于扩散运动，电路中有于扩散运动，电路中有较大的正向电流。较大的正向电流。PN8空间电荷区空间电荷区图图 反相偏置的反相偏置的 PN 结结反向电流又称反向电流又称反向饱和电流反向饱和电流。对温度十分敏感对温度十分敏感，随随着温度升高，着温度升高， IS 将急剧增大将急剧增大。PN外电场方向外电场方向内电场方向内电场方向VRIS91. 设设UDS = 0 ，在栅源之间加负电源在栅源之间加负电源 VGG，改变，改变 VGG 大小。观察耗尽层的变化。大小。观察耗尽层的变化。ID = 0GDSN型型沟沟道道P+P+ ( (a) ) UGS =

6、 0UGS = 0 时，耗时，耗尽层比较窄，尽层比较窄，导电沟比较宽导电沟比较宽UGS 由零逐渐增大，由零逐渐增大，耗尽层逐渐加宽，导耗尽层逐渐加宽，导电沟相应变窄。电沟相应变窄。当当 UGS = UP，耗尽层，耗尽层合拢，导电沟被夹断，合拢，导电沟被夹断，夹断电压夹断电压 UP 为负值。为负值。ID = 0GDSP+P+N型型沟沟道道 ( (b) ) UGS 0，在栅源间加负，在栅源间加负电源电源 VGG，观察，观察 UGS 、 UDS变化时耗尽层和漏极变化时耗尽层和漏极 ID 。UGS = 0，UDG ，ID 较大。较大。PUGDSP+NISIDP+P+VDDVGG UGS 0，UDG 0

7、 时，耗尽层呈现楔形。时，耗尽层呈现楔形。( (a) )( (b) )图图5.1.4 UGS, UDS对对ID的控制作用的控制作用11GDSP+NISIDP+P+VDDVGGUGS |UP|,ID 0,夹断夹断GDSISIDP+VDDVGGP+P+( (1) ) 改变改变 UGS ，改变了改变了 PN 结中电场，控制了结中电场，控制了 ID ，故称场效应管；，故称场效应管； ( (2) )结型场效应管结型场效应管栅源之间加反向偏置电压栅源之间加反向偏置电压，使，使 PN 反偏，栅极反偏，栅极基本不取电流，因此，场效应管输入电阻很高。基本不取电流，因此，场效应管输入电阻很高。( (c) )( (

8、d) )（动画动画5-1-2）12三、特性曲线三、特性曲线1. 转移特性转移特性( (N 沟道结型场效应管为例沟道结型场效应管为例) )常数常数 DS)(GSDUUfIO UGSIDIDSSUP图图 5.1.6转移特性转移特性UGS = 0 ，ID 最大；最大；UGS 愈负，愈负，ID 愈小；愈小；UGS = UP，ID 0。两个重要参数两个重要参数饱和漏极电流饱和漏极电流 IDSS( (UGS = 0 时的时的 ID) )夹断电压夹断电压 UP ( (ID = 0 时的时的 UGS) )UDSIDVDDVGGDSGV + +V + +UGS图图 5.1.5特性曲线测试电路特性曲线测试电路+

9、+ mA131. 转移特性转移特性O uGS/VID/mAIDSSUP图图 5.1.6转移特性转移特性2. 漏极特性漏极特性当栅源当栅源 之间的电压之间的电压 UGS 不变时，漏极电流不变时，漏极电流 ID 与漏源与漏源之间电压之间电压 UDS 的关系，即的关系，即 结型场效应管转移特结型场效应管转移特性曲线的近似公式：性曲线的近似公式：常数常数 GS)(DSDUUfI)0( )1(GSP2PGSDSSD时时当当UUUUII 14IDSS/VPGSDSUUU ID/mAUDS /VOUGS = 0V- -1 - -2 - -3 - -4 - -5 - -6 - -7 V8P U预夹断轨迹预夹断

10、轨迹恒流区恒流区击穿区击穿区 可变可变电阻区电阻区漏极特性也有三个区：漏极特性也有三个区：可变电阻区、恒流区和击穿可变电阻区、恒流区和击穿区。区。2. 漏极特性漏极特性UDSIDVDDVGGDSGV + +V + +UGS图图 5.1.5特性曲线测试电路特性曲线测试电路+ + mA图图 5.1.6( (b) )漏极特性漏极特性（动画动画5-1-3）15场效应管的两组特性曲线之间互相联系，可根据漏场效应管的两组特性曲线之间互相联系，可根据漏极特性用作图的方法得到相应的转移特性。极特性用作图的方法得到相应的转移特性。UDS = 常数常数ID/mA0 0.5 1 1.5UGS /VUDS = 15

11、V5ID/mAUDS /V0UGS = 0 0.4 V 0.8 V 1.2 V 1.6 V10 15 20250.10.20.30.40.5结型场效应管栅极基本不取电流，其输入电阻很高，结型场效应管栅极基本不取电流，其输入电阻很高，可达可达 107 以上。如希望得到更高的输入电阻，可采用绝以上。如希望得到更高的输入电阻，可采用绝缘栅场效应管。缘栅场效应管。图图 5.1.7在漏极特性上用作图法求转移特性在漏极特性上用作图法求转移特性（动画动画 5-1-4）165.1.2绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管 由金属、氧化物和半导体制成。称为由金属、氧化物和半导体制成。称为金属金属-氧化物氧化物-半半导

12、体场效应管导体场效应管，或简称，或简称 MOS 场效应管场效应管。特点：输入电阻可达特点：输入电阻可达 109 以上。以上。类型类型N 沟道沟道P 沟道沟道增强型增强型耗尽型耗尽型增强型增强型耗尽型耗尽型UGS = 0 时漏源间存在导电沟道称时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管；耗尽型场效应管；UGS = 0 时漏源间不存在导电沟道称时漏源间不存在导电沟道称增强型场效应管。增强型场效应管。17一、一、N 沟道增强型沟道增强型 MOS 场效应管场效应管1. 结构结构P 型衬底型衬底N+N+BGSDSiO2源极源极 S漏极漏极 D衬底引线衬底引线 B栅极栅极 G图图 5.1.8N 沟道增强型沟道增

13、强型MOS 场效应管的结构示意图场效应管的结构示意图（动画动画5-1-5）182. 工作原理工作原理 绝缘栅场效应管利用绝缘栅场效应管利用 UGS 来控制来控制“感应电荷感应电荷”的多的多少，改变由这些少，改变由这些“感应电荷感应电荷”形成的导电沟道的状况，形成的导电沟道的状况，以控制漏极电流以控制漏极电流 ID。工作原理分析工作原理分析( (1) )UGS = 0 漏源之间相当于两个背靠漏源之间相当于两个背靠背的背的 PN 结，无论漏源之间加何结，无论漏源之间加何种极性电压，种极性电压，总是不导电总是不导电。SBD图图 5.1.919( (2) ) UDS = 0，0 UGS UT) )导电

14、沟道呈现一个楔形。导电沟道呈现一个楔形。漏极形成电流漏极形成电流 ID 。b. UDS= UGS UT， UGD = UT靠近漏极沟道达到临界开靠近漏极沟道达到临界开启程度，出现预夹断。启程度，出现预夹断。c. UDS UGS UT， UGD UT由于夹断区的沟道电阻很大，由于夹断区的沟道电阻很大，UDS 逐渐增大时，导电逐渐增大时，导电沟道两端电压基本不变，沟道两端电压基本不变，ID 因而基本不变。因而基本不变。a. UDS UTP 型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDDP 型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDDP 型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDD夹断区夹断区21DP型衬底型衬底

15、N+N+BGSVGGVDDP型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDDP型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDD夹断区夹断区图图 5.1.11UDS 对导电沟道的影响对导电沟道的影响( (a) ) UGD UT( (b) ) UGD = UT( (c) ) UGD UT（动画动画5-1-7）223. 特性曲线特性曲线( (a) )转移特性转移特性( (b) )漏极特性漏极特性ID/mAUDS /VOTGSUU 预夹断轨迹预夹断轨迹恒流区恒流区击穿区击穿区 可变可变电阻区电阻区UGS UT 时时) )三个区：可变电阻区、三个区：可变电阻区、恒流区恒流区( (或饱和区或饱和区) )、击穿、击穿区。区

16、。UT 2UTIDOUGS /VID /mAO图图 5.1.12 ( (a) )图图 5.1.12 ( (b) )23二、二、N 沟道耗尽型沟道耗尽型 MOS 场效应管场效应管P型衬底型衬底N+N+BGSD+制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子，制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子，这些正离子电场在这些正离子电场在 P 型衬底中型衬底中“感应感应”负电荷，形成负电荷，形成“反反型层型层”。即使。即使 UGS = 0 也会形成也会形成 N 型导电沟道。型导电沟道。+UGS = 0，UDS 0，产生，产生较大的漏极电流；较大的漏极电流；UGS 0；UGS 正、负、正、负、零均可。零

17、均可。ID/mAUGS /VOUP( (a) )转移特性转移特性IDSS图图 5.1.15MOS 管的符号管的符号SGDBSGDB( (b) )漏极特性漏极特性ID/mAUDS /VO+1VUGS=0 3 V 1 V 2 V432151015 20图图 5.1.14特性曲线特性曲线N 沟道增强型沟道增强型 MOS 场效应管场效应管N 沟道耗尽型沟道耗尽型MOS 管管255.1.3场效应管的主要参数场效应管的主要参数一、直流参数一、直流参数1. 饱和漏极电流饱和漏极电流 IDSS2. 夹断电压夹断电压 UP3. 开启电压开启电压 UT4. 直流输入电阻直流输入电阻 RGS为耗尽型场效应管的一个重

18、要参数。为耗尽型场效应管的一个重要参数。为增强型场效应管的一个重要参数。为增强型场效应管的一个重要参数。为耗尽型场效应管的一个重要参数。为耗尽型场效应管的一个重要参数。输入电阻很高。结型场效应管一般在输入电阻很高。结型场效应管一般在 107 以上，绝以上，绝缘栅场效应管更高，一般大于缘栅场效应管更高，一般大于 109 。26二、交流参数二、交流参数1. 低频跨导低频跨导 gm2. 极间电容极间电容 用以描述栅源之间的电压用以描述栅源之间的电压 UGS 对漏极电流对漏极电流 ID 的控的控制作用。制作用。常数常数 DSGSDmUUIg单位：单位：ID 毫安毫安( (mA) )；UGS 伏伏( (

19、V) )；gm 毫西门子毫西门子( (mS) ) 这是场效应管三个电极之间的等效电容，包括这是场效应管三个电极之间的等效电容，包括 CGS、CGD、CDS。 极间电容愈小，则管子的高频性能愈好。一极间电容愈小，则管子的高频性能愈好。一般为几个皮法。般为几个皮法。27三、极限参数三、极限参数1. 漏极最大允许耗散功率漏极最大允许耗散功率 PDM2. 漏源击穿电压漏源击穿电压 U(BR)DS3. 栅源击穿电压栅源击穿电压U(BR)GS 由场效应管允许的温升决定。由场效应管允许的温升决定。漏极耗散功率转化为漏极耗散功率转化为热能使管子的温度升高。热能使管子的温度升高。当漏极电流当漏极电流 ID 急剧

20、上升产生雪崩击穿时的急剧上升产生雪崩击穿时的 UDS 。 场效应管工作时，栅源间场效应管工作时，栅源间 PN 结处于反偏状态，若结处于反偏状态，若UGS U(BR)GS ，PN 将被击穿，这种击穿与电容击穿的将被击穿，这种击穿与电容击穿的情况类似，属于破坏性击穿。情况类似，属于破坏性击穿。28种种 类类符符 号号转移特性转移特性漏极特性漏极特性 结型结型N 沟道沟道耗耗尽尽型型 结型结型P 沟道沟道耗耗尽尽型型 绝缘绝缘栅型栅型 N 沟道沟道增增强强型型SGDSGDIDUGS= 0V+ +UDS+ + +o oSGDBUGSIDOUT表表 5-1各类场效应管的符号和特性曲线各类场效应管的符号和

21、特性曲线+UGS = UTUDSID+OIDUGS= 0V UDSOUGSIDUPIDSSOUGSID /mAUPIDSSO29种种 类类符符 号号转移特性转移特性漏极特性漏极特性绝缘绝缘栅型栅型N 沟道沟道耗耗尽尽型型绝缘绝缘栅型栅型P 沟道沟道增增强强型型耗耗尽尽型型IDSGDBUDSID_UGS=0+_OIDUGSUPIDSSOSGDBIDSGDBIDIDUGSUTOIDUGSUPIDSSO_ _IDUGS=UTUDS_ _o o_ _UGS= 0V+ +_ _IDUDSo o+ +305.1.4场效应管与晶体管的比较场效应管与晶体管的比较1.场效应管是一种电压控制器件场效应管是一种电压

22、控制器件2.场效应管输入电阻大场效应管输入电阻大3.场效应管稳定性好场效应管稳定性好4.场效应管种类多、使用灵活场效应管种类多、使用灵活5.场效应管的制造工艺简单，便于大规模集成场效应管的制造工艺简单，便于大规模集成6.场效应管放大能力小场效应管放大能力小31双极型三极管场效应管类型 型 型沟道结型沟道结型沟道绝缘栅增强型沟道绝缘栅增强型沟道绝缘栅耗尽型沟道绝缘栅耗尽型各极对应关系发射极 源极 集电极 漏极 基极 栅极 使用方法集电极、发射极不可倒置使用漏极、源极一般可倒置使用载流子两种载流子参与导电一种载流子参与导电表表 5-2双极型三极管和场效应管性能比较双极型三极管和场效应管性能比较32

23、双极型三极管场效应管控制特性基极电流控制集电极电流，用 描述控制关系栅源电压控制漏极电流，用跨导描述控制关系噪声较大较小温度特性受温度影响较大较小，具有零温度系数点输入电阻较小，几十到几千欧姆很大，几兆欧姆以上静电影响不受静电影响易受静电影响集成工艺不易大规模集成适宜大规模和超大规模集成表表 5-2双极型三极管和场效应管性能比较（续）双极型三极管和场效应管性能比较（续）335.2.1共源极放大电路共源极放大电路图图 5.2.1共源极放大电路原理电路共源极放大电路原理电路VDD+uO iDVT+ uIVGGRGSDGRD与双极型三极管对应关系与双极型三极管对应关系b G , e S , c D

24、为了使场效应管为了使场效应管工作在恒流区实现放工作在恒流区实现放大作用，应满足：大作用，应满足：TGSDSTGS UuuUu 图示电路为图示电路为 N 沟道增强型沟道增强型 MOS 场效应管场效应管组成的放组成的放大电路。大电路。( (UT：开启电压：开启电压) )5.2场效应管基本放大电路场效应管基本放大电路34一、静态分析一、静态分析VDD+uO iDVT+ uIVGGRGSDGRD图图 5.2.2共源极放大电路原理电路共源极放大电路原理电路两种方法两种方法近似估算法近似估算法图解法图解法 ( (一一) ) 近似估算法近似估算法MOS 管栅极电流管栅极电流为零，当为零，当 uI = 0 时

25、时UGSQ = VGG而而 iD 与与 uGS 之间近似满足之间近似满足2TGSDOD)1( UuIi( (当当 uGS UT) )式中式中 IDO 为为 uGS = 2UT 时的值。时的值。2TGSQDODQ)1( UUIIDDQDDDSQRIVU 则静态漏极电流为则静态漏极电流为35 ( (二二) ) 图解法图解法图图 5.2.3用图解法分析共源极用图解法分析共源极放大电路的放大电路的 Q 点点VDDDDDRVIDQUDSQQ利用式利用式 uDS = VDD iDRD 画出直流负载线。画出直流负载线。图中图中 IDQ、UDSQ 即为静态值。即为静态值。36二、动态分析二、动态分析),(DSGSDuufi iD 的全微分为的全微分为DSDSDGSGSDDdddGSDSuuiuuiiUU + + 上式中定义：上式中定义：DSGSDmUuig GSDSDSD1Uuir 场效应管的跨导场效应管的跨导( (毫毫西门子西门子 mS) )。 rDS场效应管漏源之间等效电场效应管漏源之间等效电阻。阻。1. 微变等效电路微变等效电路37二、动态分析二、动态分析如果输入正弦信号，则可用相量代替上式中的变量。如果输入正弦信号，则可用相量代替上式中的变量。成为：成为：dSDSgsmd1UrUgI+ + 根据上式做等效电路如图所示。根据上式做等效电路如图所示。图图