《电子技术基础与技能》 课件 3-3 MOS场效晶体管放大器

电子技术基础与技能3.3MOS场效晶体管放大器教学活动1：认知MOS场效晶体管的开关作用【MOS场效晶体管的开关作用的验证】（1）按图3­-3-1所示连接电路，输入直流电压UI=12V；（2）调节电位器于最小值（最底部），观察发光二极管是否发光；（3）逐步向上调节电位器至最大值（最顶部），观察发光二极管是否发光。3.3MOS场效晶体管放大器图3­-3-1MOS场效晶体管演示实验接线图【实验现象】发光二极管随着电位器的调整由暗变亮。【实验结论】发光二极管的导通受UGS电压控制，MOS场效晶体管具有开关作用。教学活动1：认知MOS场效晶体管的开关作用【MOS场效晶体管的开关作用的验证】参考参数：直流电源：9V电阻：1kΩ、10kΩ电位器：

50kΩ二极管：1N4007N沟道增强型MOS场效管3.3MOS场效晶体管放大器主要仪器：直流稳压电源教学活动2：认知MOS场效晶体管的基础知识3.3.1MOS场效晶体管3.3MOS场效晶体管放大器场效晶体管（FieldEffectTransistor，简称FET），是一种利用电场效应来控制电流大小的半导体器件。与三极管相比，场效晶体管不仅具有体积小、质量轻、耗电小、寿命长等特点，而且还有输入阻抗高、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强和制造工艺简单等一系列优点，尤其适用于大规模和超大规模集成电路。场效晶体管工作时，内部电流的通路称为导电沟道。一只场效晶体管在工作时，其导电沟道中的载流子只有一种，要么是电子（N沟道），要么是空穴（P沟道），所以又将场效晶体管称为单极型器件。这一点与三极管不同，任何一只三极管在工作时都同时有两种载流子导电，所以，三极管又称为双极型器件。场效晶体管与三极管本质上都是控制型器件。但三极管是通过基极电流ib去控制集电极电流ic的，是电流控制型器件；而场效晶体管则是通过栅－源电压ugs去控制漏极电流id的，是电压控制型器件。教学活动2：认知MOS场效晶体管的基础知识3.3.1MOS场效晶体管3.3MOS场效晶体管放大器场效晶体管分为结型场效晶体管（JunctiontypeFieldEffectTransistor）和绝缘栅型场效晶体管两大类。绝缘栅型场效晶体管又称金属-氧化物-半导体场效晶体管（Metal-Oxide-SemiconductortypeFieldEffectTransistor），简称MOS管。图3-3-2所示是几种常见场效晶体管的实物外形。图3-3-2几种常见的场效晶体管的实物外形教学活动2：认知MOS场效晶体管的基础知识3.3.1MOS场效晶体管3.3MOS场效晶体管放大器一、MOS场效晶体管的结构、符号与工作原理MOS场效晶体管分为增强型和耗尽型两类，每类又有N沟道（NMOS）和P沟道（PMOS）两种。1.增强型NMOSFET（1）结构和符号增强型NMOSFET的内部结构示意图及符号如图3­3-3所示。场效晶体管的电极有源极S、栅极G、漏极D及衬底电极B、S、G、D极在电路中的作用，分别类似于三极管的E、B和C极。与S、D及B相连的虚线表示是增强型，衬底电极上的箭头向里表示是N沟道。图3­-3-3增强型NMOSFET教学活动2：认知MOS场效晶体管的基础知识3.3.1MOS场效晶体管3.3MOS场效晶体管放大器一、MOS场效晶体管的结构、符号与工作原理1.增强型NMOSFET（2）工作原理增强型NMOSFET的工作原理电路如图3-­3-4所示。图3­-3-4增强型NMOSFET工作原理电路①当UGS＝0时，无导电沟道，漏、源极之间无电流，ID＝0。②当UGS>0且达到某一值（此值称为开启电压UT）时，漏、源极间产生导电沟道，如在漏、源极间加有正向电压UDS，将产生电流ID；如逐渐增大UGS，导电沟道变宽，ID也随之逐渐增大；即UGS的变化控制ID的变化。处于放大状态的增强型NMOSFET，正常工作于UGS>UT时。教学活动2：认知MOS场效晶体管的基础知识3.3.1MOS场效晶体管3.3MOS场效晶体管放大器一、MOS场效晶体管的结构、符号与工作原理2.耗尽型NMOSFET（1）结构和符号耗尽型NMOSFET的结构及符号如图3-­3-5所示。（2）工作原理耗尽型NMOSFET的工作原理电路如图3­-3-6所示。由于其本身已存在

导电沟道，故在UDS>0时：图3­-3-5耗尽型NMOSFET图3-­3-6耗尽型NMOSFET工作原理电路教学活动2：认知MOS场效晶体管的基础知识3.3.1MOS场效晶体管3.3MOS场效晶体管放大器一、MOS场效晶体管的结构、符号与工作原理2.耗尽型NMOSFET

（2）工作原理①当UGS＝0时，沟道存在，有电流ID；②当UGS＞0时，导致沟道变宽，ID增大；③当UGS＜0时，沟道随此负电压的变化而变化，负电压削弱导电沟道使之逐渐变窄，ID也随之逐渐减小；当UGS小于某一负电压（此电压称为夹断电压UP）时，导电沟道被阻断，ID变为0；实现UGS对ID的控制。处于放大状态的耗尽型NMOSFET，正常工作于UP＜UGS＜0时。教学活动2：认知MOS场效晶体管的基础知识3.3.1MOS场效晶体管3.3MOS场效晶体管放大器一、MOS场效晶体管的结构、符号与工作原理3.图形符号

各种MOS管在电路中的图形符号，如图3-­3-7所示。图3-­3-7

MOSFET图形符号教学活动2：认知MOS场效晶体管的基础知识3.3.1MOS场效晶体管3.3MOS场效晶体管放大器二、MOS场效晶体管的主要参数（1）开启电压UT在UDS为定值的条件下，使增强型场效晶体管产生沟道，导电沟道开始导通（ID达到某一定值，如10μA）时，所需加的UGS值。（2）夹断电压UP在UDS为定值的条件下，耗尽型场效晶体管ID减小到近于零时的UGS值。它是耗尽型MOS管的重要参数。（3）饱和漏极电流IDSS耗尽型场效晶体管工作在饱和区且UGS＝0时，所对应的漏极电流。它是耗尽型MOS管的重要参数。（4）直流输入电阻RGS栅源电压UGS与对应的栅极电流IG之比。一般在109～1015Ω。（5）跨导gm

UDS一定时，漏极电流变化量ΔID和引起这个变化的栅源电压变化量ΔUGS之比。它是反映栅源电压对漏极电流的控制能力的重要参数，一般在103～5×103μA/V。教学活动2：认知MOS场效晶体管的基础知识3.3.1MOS场效晶体管3.3MOS场效晶体管放大器二、MOS场效晶体管的主要参数（6）极间电容指MOS管三个电极之间的等效电容CGS、CGD、CDS，一般为几个皮法。极间电容小的MOS管高频特性好。（7）漏极最大允许耗散功率PDM指ID与UDS的乘积不应超过的极限值。（8）漏极击穿电压U(BR)DS指漏极电流开始急剧上升时所加的漏－源极之间的电压。三、MOS场效晶体管的使用注意事项（1）要注意不同类型MOS管的栅、源、漏各极电压的极性。（2）为了防止栅极击穿，要求一切测试仪器、仪表、电烙铁都必须有外接地线。（3）MOS管的栅极是绝缘的，感应电荷不易泄放，而且绝缘层很薄，极易击穿。（4）场效晶体管（包括结型）的漏极与源极通常可以互换使用。但是有的MOS场效晶体管在制造时已把源极和衬底连接在一起了，这种MOS场效晶体管的源极和漏极就不能互换使用。教学活动2：认知MOS场效晶体管的基础知识3.3.1MOS场效晶体管3.3MOS场效晶体管放大器【实践应用】MOS场效晶体管在其输入端基本不取电流或电流极小，具有输入阻抗高、噪声低、热稳定性好、制造工艺简单等特点，在大规模和超大规模集成电路中被应用。由于MOS场效晶体管具有很高的输入阻抗非常适合作阻抗变换，常用于多级放大器的输入级作阻抗变换。MOS场效晶体管的沟道电阻由栅源电压控制，可用作可变电阻；由于三极管导通电阻大，场效应管导通电阻小，只有几百毫欧姆，故MOS场效晶体管做无触点开关来用，开关效率更高。教学活动3：MOS场效晶体管放大器的基本知识3.3.2MOS场效晶体管放大器的基本知识3.3MOS场效晶体管放大器一、MOS场效晶体管放大电路MOS场效晶体管放大电路有共源放大器、共栅放大器、共漏放大器三种形式如图3-3-8所示，其性能特点与晶体三极管放大器相似。图3-3-8MOS场效晶体管三种放大电路形式MOS场效应晶体管的ig=0，所以共源放大器、共漏放大器的输入电阻和电流增益趋于无穷大。教学活动3：MOS场效晶体管放大器的基本知识3.3.2MOS场效晶体管放大器的基本知识3.3MOS场效晶体管放大器二、共源放大器电路如图3­-3-9所示。放大管为耗尽型NMOS管，RG1和RG2为分压电阻，RD、RS分别是漏、源极电阻，适当选择其电阻值，可以取得合适而稳定的栅偏压，建立适当的静态工作点，使电路工作在放大状态。C1、C2分别是输入、输出耦合电容，CS是源极旁路电容，VDD为漏极电源。信号从G、S极间输入，从D、S极间输出。可见该电路的结构与三极管分压式偏置共发射极放大电路十分相似。图3­-3-9

NMOS共源极放大电路教学活动3：MOS场效晶体管放大器的基本知识3.3.2MOS场效晶体管放大器的基本知识3.3MOS场效晶体管放