模拟电子线路第三章

1、模拟电子线路第三章1第1页，共93页，2022年，5月20日，6点40分，星期四场效应晶体管（场效应管）利用多数载流子的漂移运动形成电流。 场效应管FET(Field Effect Transistor)结型场效应管JFET绝缘栅场效应管IGFET双极型晶体管主要是利用基区非平衡少数载流子的扩散运动形成电流。2第2页，共93页，2022年，5月20日，6点40分，星期四JFET利用PN结反向电压对耗尽层厚度的控制来改变导电沟道的宽度，从而控制漏极电流的大小。IGFET绝缘栅极场效应管利用栅源电压的大小来改变半导体表面感生电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。3第3页，共93页，2022年，5月2

2、0日，6点40分，星期四31 结型场效应管 311 结型场效应管的结构及工作原理N型沟道PPDGSDSG(a)N沟道JFET图31结型场效应管的结构示意图及其表示符号Gate栅极Source源极Drain 漏极箭头方向表示栅源间PN结若加正向偏置电压时栅极电流的实际流动方向4第4页，共93页，2022年，5月20日，6点40分，星期四P型沟道NNDGSDSG(b)P沟道JFET图31结型场效应管的结构示意图及其表示符号5第5页，共93页，2022年，5月20日，6点40分，星期四工作原理1. UGS对场效应管ID的影响(转移特性曲线) NDGSPP条件：UDS加正电压，N沟道的多子（自由电子）

3、形成漂移电流漏极电流ID。UGS反偏电压ID如何变化？UGSUDSID6第6页，共93页，2022年，5月20日，6点40分，星期四(a) UGS =0，沟道最宽当UGS =0时，沟道宽，所以ID较大。 NDGSPPUDS7第7页，共93页，2022年，5月20日，6点40分，星期四(b) UGS负压增大，沟道变窄当UGSPN结变厚导电沟道变窄沟道电导率电阻 ID DSPPUGSUDS8第8页，共93页，2022年，5月20日，6点40分，星期四(c) UGS负压进一步增大，沟道夹断图32栅源电压UGS对沟道的控制作用示意图DSPPUGS直到UGS=UGS（off）时，沟道完全消失，ID=0。

4、 UGSoff夹断电压9第9页，共93页，2022年，5月20日，6点40分，星期四312 结型场效应管的特性曲线一、转移特性曲线式中：IDSS饱和电流，表示uGS=0时的iD值； UGSoff夹断电压，表示uGS=UGSoff时iD为零。10第10页，共93页，2022年，5月20日，6点40分，星期四uGS/V012312345IDSSUGSoffiD/mA(a)转移特性曲线为保证场效应管正常工作，PN结必须加反向偏置电压问题：若UDS增大，转移特性曲线如何变化？ 分析：UDS增大，多子形成的漂移电流增大，ID增加，转移特性曲线上移。 11第11页，共93页，2022年，5月20日，6点4

5、0分，星期四2、UDS对场效应管ID的影响（输出特性曲线） 输出特性曲线分为四个区域 12第12页，共93页，2022年，5月20日，6点40分，星期四DGSUDSUGS沟道局部夹断IDDGS(a) uDS-uGS|UGSoff|（预夹断后）几乎不变13第13页，共93页，2022年，5月20日，6点40分，星期四图33JFET的转移特性曲线和输出特性曲线(b)输出特性曲线1234iD/mA01020uDS/V可变电阻区恒截止区2V1.5V1VuDSuGSUGSoff515流区击穿区UGS0VUGSoff0.5V14第14页，共93页，2022年，5月20日，6点40分，星期四当uDS=0时，

6、iD=0。 当uDS很小时，uDSiD(近似线性增大)当uDS较大时，靠近D极的uDG的反偏电压 靠近D极的耗尽层变宽导电沟道逐渐变窄，沟道电阻 “预夹断”。出现预夹断的条件为：或 1. 可变电阻区（相当于晶体管的饱和区）15第15页，共93页，2022年，5月20日，6点40分，星期四uGS对iD上升的斜率影响较大，在这一区域内，JFET可看作一个受uGS控制的可变电阻，即漏、源电阻rDS= f(uGS)，故称为可变电阻区。 16第16页，共93页，2022年，5月20日，6点40分，星期四2.恒流区（相当于晶体管的放大区） 当漏、栅间电压|uDG| | UGSoff |时，即预夹断后所对应

7、的区域。 当UGS一定时： uDS漂移电流iD，但同时uDSD结变宽iD，因此iD变化很小，只是略有增加。因此：uDS对iD的控制能力很弱。（类似基区宽度调制效应）17第17页，共93页，2022年，5月20日，6点40分，星期四当UGSoff UGS|UGSoff|时，沟道被全部夹断，iD=0，故此区为截止区。3. 截止区19第19页，共93页，2022年，5月20日，6点40分，星期四32 绝缘栅场效应管(IGFET)绝缘栅场效应管是利用半导体表面的电场效应进行工作的，也称为表面场效应器件。IGFET最常用的是金属氧化物半导体MOSFET(Metal Oxide Semiconductor

8、 FET)。 20第20页，共93页，2022年，5月20日，6点40分，星期四优点：（1）输入偏流小，即输入电阻高达1010。（2）制造工艺简单；（3）热稳定性好。IGFET分类：（1）根据导电类型，分为N沟道和P沟道两类。（2）根据uGS=0时，漏源之间是否有导电沟道又可分为增强型（无ID）和耗尽型（有ID）两种。21第21页，共93页，2022年，5月20日，6点40分，星期四MOSFETN沟道P沟道增强型N-EMOSFET耗尽型增强型耗尽型N-DMOSFETP-EMOSFETP-DMOSFET22第22页，共93页，2022年，5月20日，6点40分，星期四源极栅极漏极氧化层(SiO2

9、)BWP型衬底NNL耗尽层A1层SGD(a)立体图321 绝缘栅场效应管的结构23第23页，共93页，2022年，5月20日，6点40分，星期四图35绝缘栅(金属-氧化物-半导体)场效应管结构示意图(b)剖面图SGDNNP型硅衬底绝缘层(SiO2)衬底引线B半导体24第24页，共93页，2022年，5月20日，6点40分，星期四322 N沟道增强型MOSFET (Enhancement NMOSFET)一、导电沟道的形成及工作原理DGS(c)符号BBNUGSNPN结(耗尽层)P型衬底DS25第25页，共93页，2022年，5月20日，6点40分，星期四B(a) UGSUGSth，导电沟道已形成

10、uGS越大沟道越宽沟道电阻越小iD越大这种必须依靠G-S电压作用才能形成导电沟道的场效应管，称为增强型场效应管。27第27页，共93页，2022年，5月20日，6点40分，星期四图3-7 ENMOSFET的转移特性二、转移特性(1)当uGSUGSth时， iD 0，uGS越大， iD也随之增大，二者符合平方律关系。28第28页，共93页，2022年，5月20日，6点40分，星期四29第29页，共93页，2022年，5月20日，6点40分，星期四BN导电沟道P型衬底UGSN三、uDS对沟道导电能力的控制（转移特性）30第30页，共93页，2022年，5月20日，6点40分，星期四图39 uDS增

11、大，沟道被局部夹断(预夹断)情况31第31页，共93页，2022年，5月20日，6点40分，星期四iD0uDSUGS6V截止区4V3V2V5V可变电阻区(a)恒流区区穿击 图38输出特性 32第32页，共93页，2022年，5月20日，6点40分，星期四(1)截止区：uGSUGSth，导电沟道未形成，iD=0。(2)恒流区曲线间隔均匀，uGS对iD控制能力强。uDS对iD的控制能力弱，曲线平坦。进入恒流区的条件，即预夹断条件为即：|uGD| UGSth33第33页，共93页，2022年，5月20日，6点40分，星期四(b)厄尔利电压 uDSiD0UGSUA(厄尔利电压)沟道调制系数：厄尔利电压

12、UA的倒数， 曲线越平坦|UA|越大越小。 34第34页，共93页，2022年，5月20日，6点40分，星期四考虑uDS对iD的微弱影响后恒流区的电流方程为： 但0就有iD电流，且uGSiD； 当uGS减小为负值时，iD；当uGS=UGSoff时，iD=0，管子进入截止状态。 37第37页，共93页，2022年，5月20日，6点40分，星期四图310N沟道耗尽型MOS管的特性及符号(a)转移特性；(b)输出特性；(c)表示符号38第38页，共93页，2022年，5月20日，6点40分，星期四图310N沟道耗尽型MOS管的特性及符号(a)转移特性；(b)输出特性；(c)表示符号(c)DGSB39

13、第39页，共93页，2022年，5月20日，6点40分，星期四式中： ID0表示uGS=0时所对应的漏极电流。 40第40页，共93页，2022年，5月20日，6点40分，星期四图310N沟道耗尽型MOS管的特性及符号(a)转移特性；(b)输出特性；(c)表示符号41第41页，共93页，2022年，5月20日，6点40分，星期四 324各种类型MOS管的符号及特性对比DGSDGSN沟道P沟道结型FET图311各种场效应管的符号对比42第42页，共93页，2022年，5月20日，6点40分，星期四图311各种场效应管的符号对比43第43页，共93页，2022年，5月20日，6点40分，星期四44

14、第44页，共93页，2022年，5月20日，6点40分，星期四图312各种场效应管的转移特性和输出特性对比 (a)转移特性；(b)输出特性uDSiD0线性可变电阻区012345601231233456789结型P沟耗尽型MOSP沟345601201231233456789结型N沟耗尽型增强型MOSN沟UGS/VUGS/V增强型45第45页，共93页，2022年，5月20日，6点40分，星期四各种类型场效应管的工作区间小结：JFETUGSoffUGSoffN沟道P沟道uGSiD截止区：GS结夹断。可变电阻区：GS结未夹断，GD结未夹断恒流区：GS结未夹断，GD结夹断 46第46页，共93页，20

15、22年，5月20日，6点40分，星期四UGSoffUGSoffN沟道P沟道uGSiD截止区：GS结夹断。可变电阻区：GS结未夹断，GD结未夹断恒流区：GS结未夹断，GD结夹断 截止区： 可变电阻区 ： 且恒流区： 且47第47页，共93页，2022年，5月20日，6点40分，星期四在恒流区满足： 48第48页，共93页，2022年，5月20日，6点40分，星期四E-MOSFET(增强型) UGSthUGsthN沟道P沟道uGSiD截止区：GS结夹断。可变电阻区：GS结未夹断，GD结未夹断恒流区：GS结未夹断，GD结夹断49第49页，共93页，2022年，5月20日，6点40分，星期四UGSth

16、UGsthN沟道P沟道uGSiD截止区：GS结夹断。可变电阻区：GS结未夹断，GD结未夹断恒流区：GS结未夹断，GD结夹断截止区： 可变电阻区 ：且恒流区： 且对于N沟道：50第50页，共93页，2022年，5月20日，6点40分，星期四UGSthUGsthN沟道P沟道uGSiD截止区：GS结夹断。可变电阻区：GS结未夹断，GD结未夹断恒流区：GS结未夹断，GD结夹断截止区： 可变电阻区 ：且恒流区： 且对于P沟道：51第51页，共93页，2022年，5月20日，6点40分，星期四在恒流区满足： 52第52页，共93页，2022年，5月20日，6点40分，星期四D-MOSFET(耗尽型) 截止

17、区：GS结夹断。可变电阻区：GS结未夹断，GD结未夹断恒流区：GS结未夹断，GD结夹断UGSoffUGSoffN沟道P沟道uGSiD53第53页，共93页，2022年，5月20日，6点40分，星期四截止区：GS结夹断。可变电阻区：GS结未夹断，GD结未夹断恒流区：GS结未夹断，GD结夹断截止区： 可变电阻区 ：且恒流区： 且对于N沟道：UGSoffUGSoffN沟道P沟道uGSiD54第54页，共93页，2022年，5月20日，6点40分，星期四截止区：GS结夹断。可变电阻区：GS结未夹断，GD结未夹断恒流区：GS结未夹断，GD结夹断截止区： 可变电阻区 ：且恒流区： 且对于N沟道：UGSof

18、fUGSoffN沟道P沟道uGSiD55第55页，共93页，2022年，5月20日，6点40分，星期四在恒流区满足： 56第56页，共93页，2022年，5月20日，6点40分，星期四34 场效应管放大器 场效应管有三种基本放大电路：共源、共漏和共栅。 其偏置电路也要保证管子工作在恒流区。由于场效应管的输入电流近似为0，因此它是电压控制器件。需要选择合适的UGS和UDS以保证管子工作在恒流区。57第57页，共93页，2022年，5月20日，6点40分，星期四341 场效应管偏置电路常用的有两种偏置电路：RDUDDRS(自偏压电阻)uiRGV(a)RDUDDRS(自偏压电阻)uiRG2(b)RG

19、1(分压式偏置) 图314场效应管偏置方式 (a)自偏压方式； (b)混合偏置方式 58第58页，共93页，2022年，5月20日，6点40分，星期四自偏压式：特点是UGS=0。适合JFET和DMOSFET。混合偏置方式：分压式偏置。三种场效应管都适合。 对于增强型MOSFET，只能采用混合偏置方式。59第59页，共93页，2022年，5月20日，6点40分，星期四例：设uGSoff= -5V，IDSS=1mA，试估算电路的静态工作点。R1R2R3RDRS20V10k60第60页，共93页，2022年，5月20日，6点40分，星期四解：画直流通路。估算法：由电流方程和栅源直流负载线方程联立成方

20、程组求解，即可得工作点。 R1R2R3RDRS20V因为iG=0，所以： 61第61页，共93页，2022年，5月20日，6点40分，星期四输入回路满足： R1R2R3RDRS10k20V同时在放大区满足： 62第62页，共93页，2022年，5月20日，6点40分，星期四联立上述两方程，得到：ID1=0.61mA，ID2=1.64mA 将ID1=0.61，ID2=1.64mA代入（1）式，分别得到UGS1=-1.1V，UGS2=-11.4V （1）（2）因为UGS2UGSoff，所以ID2舍去。 63第63页，共93页，2022年，5月20日，6点40分，星期四R1R2R3RDRS10k20

21、V则：UDSQ=20-0.61(10+10)=7.8V。因此：IDQ=0.61mAUGSQ=-1.1V64第64页，共93页，2022年，5月20日，6点40分，星期四RDUDDRSuiRGV(a)问题：对于自偏压式，如何联立方程？ 65第65页，共93页，2022年，5月20日，6点40分，星期四 图315图解法求直流工作点(a)自偏压方式；(b)混合偏置方式 图解法66第66页，共93页，2022年，5月20日，6点40分，星期四 栅源回路直流负载线方程1.对于自偏压方式2.对于混合偏置方式 栅源回路直流负载线方程67第67页，共93页，2022年，5月20日，6点40分，星期四 342场

22、效应管放大器分析求解交流小信号等效电路与双极型晶体管类似。只是场效应管的输入电流为0，因此输出电流iD只受输入电压控制，不受输入电流控制。控制能力用跨导gm表示。 68第68页，共93页，2022年，5月20日，6点40分，星期四交流小信号等效电路： gmuGSrDSuDS+-GSDrDS是反映了器件的沟道调制效应。 69第69页，共93页，2022年，5月20日，6点40分，星期四gm的求法： 对JFET和耗尽型MOS管， 则对应工作点Q的gm为： 70第70页，共93页，2022年，5月20日，6点40分，星期四gm的求法： 对增强型MOSFET， 则对应工作点Q的gm为： W/Lgm 7

23、1第71页，共93页，2022年，5月20日，6点40分，星期四图316共源放大器电路及其低频小信号等效电路 (a)电路；(b)低频小信号等效电路一、共源放大器72第72页，共93页，2022年，5月20日，6点40分，星期四图316共源放大器电路及其低频小信号等效电路 (a)电路；(b)低频小信号等效电路73第73页，共93页，2022年，5月20日，6点40分，星期四式中， ，且一般满足RDRLrds。所以，共源放大器的放大倍数Au为若gm=5mA/V，则Au=50。 Au： 74第74页，共93页，2022年，5月20日，6点40分，星期四输入电阻： 输出电阻：75第75页，共93页，2

24、022年，5月20日，6点40分，星期四图317基于Workbench平台的FET放大电路的计算机仿真76第76页，共93页，2022年，5月20日，6点40分，星期四 例： 场效应管放大器电路如图318(a)所示，已知工作点的gm=5mA/V，试画出低频小信号等效电路，并计算增益Au。uiC2C1C3RDuoRG1RG3RS2UDDRG2RS1150k50k2k10k1k1MRL1Mgm2mA/V(a)77第77页，共93页，2022年，5月20日，6点40分，星期四gmuGSrdSui+-GSDRS1RG3RG1RG2RDRLuo+-解：低频小信号模型如上图所示。 78第78页，共93页，2022年，5月20日，6点40分，星期四(a)C2C1RG1RSUDDRG2150k50k2kRL10kUo.RG31MUi.gm2mA/V图319共漏电路及其等效电路 (a)电路；(b)等效电路二、共漏放大器79第79页，共93页，2022年，5月20日，6点40分，星期四gmuGSrdSui+-GSDRSRG3RG1RG2RLuo