模拟电子技术-第3章-场效应管及其基本电路.ppt

1、2020年7月4日星期六,模拟电子技术,1,第3章场效应晶体管及其放大电路,3.1场效应晶体管,3.1.1结型场效应管,一、结型场效应管的结构,二、结型场效应管的工作原理,三、特性曲线,1.输出特性曲线,2.转移特性曲线,3.1.2绝缘栅场效应管(IGFET),一、N沟道增强型MOSFET,二、N沟道耗尽型MOSFET,2020年7月4日星期六,模拟电子技术,2,3.1.3场效应管的参数,一、直流参数,二、极限参数,三、交流参数,3.2场效应管工作状态分析及其偏置电路,3.2.1场效应管工作状态分析,一、各种场效应管的符号对比,二、各种场效应管的特性对比,三、BJT与FET工作状态的对比,四、

2、场效应管工作状态的判断方法,2020年7月4日星期六,模拟电子技术,3,3.2.2场效应管偏置电路,一、自偏置电路,二、分压偏置电路,3.3场效应管放大电路,3.3.1场效应管的低频小信号模型,3.3.2共源放大器,3.3.3共漏放大器,作业,2020年7月4日星期六,模拟电子技术,4,第3章场效应晶体管及其放大电路,（1）了解场效应管内部工作原理及性能特点。（2）掌握场效应管的外部特性、主要参数。（3）了解场效应管基本放大电路的组成、工作原理及性能特点。（4）掌握放大电路静态工作点和动态参数（）的分析方法。,2020年7月4日星期六,模拟电子技术,5,场效应晶体管（场效应管）利用多数载流子的

3、漂移运动形成电流。,场效应管FET(FieldEffectTransistor),结型场效应管JFET(JunctionFET),绝缘栅场效应管IGFET(InsulatedGateFET),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。,2020年7月4日星期六,模拟电子技术,6,3.1.1结型场效应管,(a)N沟道JFET,图3.1.1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,ID,实际流向,结型场效应三极管的结构.avi,一、结型场效应管的结构,3.1场效应晶体管

4、,2020年7月4日星期六,模拟电子技术,7,(b)P沟道JFET,ID,实际流向,图3.1.1结型场效应管的结构示意图及其表示符号,2020年7月4日星期六,模拟电子技术,8,(a)UGS=0，沟道最宽,图3.1.2栅源电压UGS对沟道的控制作用示意图,二、结型场效应管的工作原理,2020年7月4日星期六,模拟电子技术,9,(b)UGS负压增大，沟道变窄,D,S,P,P,图3.1.2栅源电压UGS对沟道的控制作用示意图,横向电场作用：,UGS,沟道宽度,PN结耗尽层宽度,2020年7月4日星期六,模拟电子技术,10,(c)UGS负压进一步增大，沟道夹断,D,S,P,P,UGSoff夹断电压,

5、图3.1.2栅源电压UGS对沟道的控制作用示意图,2020年7月4日星期六,模拟电子技术,11,沟道预夹断,D,G,S,(a)uGDUGSoff（预夹断前）,U,DS,I,D,0,U,GS,P,P,图3.1.3uDS对导电沟道的影响,uGD=UGSoff（预夹断时）,纵向电场作用：在沟道造成楔型结构（上窄下宽）,2020年7月4日星期六,模拟电子技术,12,由于夹断点与源极间的沟道长度略有缩短，呈现的沟道电阻值也就略有减小，且夹断点与源极间的电压不变。,D,G,S,U,DS,U,GS,沟道局部夹断,I,D,P,P,几乎不变,(b)uGDUGSoff（预夹断后）,结型场效应三极管漏源电压对沟道的

6、控制作用.avi,2020年7月4日星期六,模拟电子技术,13,沟道夹断,沟道预夹断,沟道局部夹断,2020年7月4日星期六,模拟电子技术,14,三、特性曲线,1.输出特性曲线,uGS0，,uDS0,图3.1.4(a)JFET的输出特性曲线,漏极输出特性曲线.avi,(1)可变电阻区,uGDUGSoff,uGSUGSoff;,或uDSuGS-UGSoff,2020年7月4日星期六,模拟电子技术,15,图3.1.4(a)JFET的输出特性曲线,(2)恒流区,或uDSuGS-UGSoff,uGSUGSoff;,uGDUGSoff,iD的大小几乎不受uDS的控制。,uGS对iD的控制能力很强。,20

7、20年7月4日星期六,模拟电子技术,16,图3.1.4(a)JFET的输出特性曲线,iD=0,(3)截止区,UGSUGSoff,(4)击穿区,uDG(=uDS-uGS)增大引起PN结击穿。,2020年7月4日星期六,模拟电子技术,17,2.转移特性曲线,uGS0，,iD0,从输出特性曲线作转移特性曲线示意图,转移特性曲线.avi,2020年7月4日星期六,模拟电子技术,18,u,G,S,/,V,0,-1,-2,-3,1,2,3,4,5,I,DSS,U,GS,off,i,D,/,mA,为保证场效应管正常工作，PN结必须加反向偏置电压。,图3.1.4(b)JFET的转移特性曲线,恒流区中：,IDS

8、S饱和电流，表示uGS=0时的iD值；,UGSoff夹断电压，表示uGS=UGSoff时iD=0。,2020年7月4日星期六,模拟电子技术,19,3.1.2绝缘栅场效应管(IGFET),栅极与沟道之间隔了一层很薄的绝缘体，其阻抗比JFET的反偏PN结的阻抗更大。功耗低，集成度高。,绝缘体一般为二氧化硅（SiO2），这种IGFET称为金属氧化物半导体场效应管，用符号MOSFET表示（MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor）。此外，还有以氮化硅为绝缘体的MNSFET等。,1.简介,2020年7月4日星期六,模拟电子技术,20,MOSFET,N沟道,

9、P沟道,增强型,N-EMOSFET,耗尽型,增强型,耗尽型,N-DMOSFET,P-EMOSFET,P-DMOSFET,2.分类,2020年7月4日星期六,模拟电子技术,21,一、N沟道增强型MOSFET(EnhancementNMOSFET),1.N沟道增强型MOSFET的结构,源极,栅极,漏极,氧化层,(,SiO,2,),B,W,P,型衬底,N,N,L,耗,尽,层,A1层,S,G,D,图3.1.5MOSFET结构示意图(a)立体图,2020年7月4日星期六,模拟电子技术,22,图3.1.5MOSFET结构示意图(b)剖面图,S,G,D,N,N,P,型硅衬底,绝缘层,(,SiO,2,),衬底

10、引线,B,半导体,N沟道增强型MOSFET的结构示意图和符号.avi,金属(A1),2020年7月4日星期六,模拟电子技术,23,UGS=0，导电沟道未形成,PN结(耗尽层),2.N沟道增强型MOSFET的工作原理,2020年7月4日星期六,模拟电子技术,24,B,(a)UGSUGSth，导电沟道未形成,N,U,GS,N,PN,结,(,耗尽层,),P,型衬底,图3.1.6N沟道增强型MOS场效应管的沟道形成及符号,开启电压：UGSth,D,S,G,2020年7月4日星期六,模拟电子技术,25,B,N,导电沟道（反型层）,P,型衬底,U,GS,N,衬底的箭头方向表示PN结若加正向电压时的电流方向

11、,(b)UGSUGSth，导电沟道已形成,栅源电压VGS对沟道的影响.avi,图3.1.6N沟道增强型MOS场效应管的沟道形成及符号,2020年7月4日星期六,模拟电子技术,26,uDS增大，沟道预夹断前情况,B,U,DS,P,型衬底,U,GS,N,+,N,+,2020年7月4日星期六,模拟电子技术,27,图3.1.8uDS增大，沟道预夹断时情况,B,U,DS,P,型衬底,U,GS,N,+,N,+,预夹断,2020年7月4日星期六,模拟电子技术,28,uDS增大，沟道预夹断后情况,B,U,DS,P,型衬底,U,GS,N,+,N,+,漏源电压VDS对沟道的影响.avi,2020年7月4日星期六,

12、模拟电子技术,29,图3.1.9N沟增强型MOSFET的输出特性曲线,(1)截止区,uGSUGSth,(2)可变电阻区,uGSUGSth;,或uDSuGS-UGSth,uGDUGSth,3.N沟增强型MOSFET的输出特性曲线,2020年7月4日星期六,模拟电子技术,30,图3.1.9N沟增强型MOSFET的输出特性曲线,(3)恒流区,uGSUGSth;,uGDUGSth,或uDSuGS-UGSth,2020年7月4日星期六,模拟电子技术,31,图3.1.7N沟道增强型MOSFET的转移特性曲线,4.N沟增强型MOSFET的转移特性曲线,恒流区,2020年7月4日星期六,模拟电子技术,32,二

13、、N沟道耗尽型MOSFET(DepletionNMOSFET),UGS=0，导电沟道已形成,2020年7月4日星期六,模拟电子技术,33,图3.1.10N沟道耗尽型MOS管的特性及符号(a)转移特性；(b)输出特性；(c)电路符号,2020年7月4日星期六,模拟电子技术,34,(,c,),D,G,S,B,图3.1.10N沟道耗尽型MOS管的特性及符号(a)转移特性；(b)输出特性；(c)电路符号,2020年7月4日星期六,模拟电子技术,35,3.1.3场效应管的参数,一、直流参数,1.饱和漏极电流IDSS：,2.夹断电压UGSoff：当栅源电压uGS=UGSoff时，iD=0。,对应uGS=0

14、时的漏极电流。,3.开启电压UGSth。,4.输入电阻RGS,JFET，RGS在1081012之间;,MOSFET，RGS在10101015之间。,通常认为RGS。,2020年7月4日星期六,模拟电子技术,36,二、极限参数,(1)栅源击穿电压U(BR)GSO。,(2)漏源击穿电压U(BR)DSO。,(3)最大功耗PDM：PDM=IDUDS,2020年7月4日星期六,模拟电子技术,37,三、交流参数,1.跨导gm,对JFET和DMOSFET,那么,对EMOSFET,那么,2020年7月4日星期六,模拟电子技术,38,2.输出电阻rds,恒流区的rds可以用下式计算,UA为厄尔利电压。,2020

15、年7月4日星期六,模拟电子技术,39,N,沟道,P,沟道,JFET,一、各种场效应管的符号对比,3.2.1场效应管工作状态分析,3.2场效应管工作状态分析及其偏置电路,2020年7月4日星期六,模拟电子技术,40,N,沟道,P,沟道,增强型,N,沟道,P,沟道,耗尽型,MOSFET,2020年7月4日星期六,模拟电子技术,41,JFET：利用栅源电压（输入电压）对耗尽层厚度的控制来改变导电沟道的宽度，从而实现对漏极电流（输出电流）的控制。,MOSFET：利用栅源电压（输入电压）对半导体表面感生电荷量的控制来改变导电沟道的宽度，从而实现对漏极电流（输出电流）的控制。,FET,输入电压,输出电流,

16、G,S,S,D,uGS,iD,二、各种场效应管的特性对比,2020年7月4日星期六,模拟电子技术,42,i,D,u,G,S,U,G,S,off,0,I,DSS,I,DSS,U,G,S,th,结型P沟,耗尽型,P沟,增强型,P沟,MOS,耗尽型,N沟,增强型,N沟,MOS,结型,N沟,N沟道：,P沟道：,图3.2.1(a)各种场效应管的转移特性对比,2020年7月4日星期六,模拟电子技术,43,N沟道：,P沟道：,u,D,S,i,D,0,线性可变电阻区,0,1,2,3,4,5,6,0,1,2,3,-1,-2,-3,-3,-4,-5,-6,-7,-8,-9,结型,P沟,耗尽型,MOS,P沟,-3,

17、-4,-5,-6,0,-1,-2,0,1,2,3,-1,-2,-3,3,4,5,6,7,8,9,结型,N沟,耗尽型,增强型,MOS,N沟,U,GS,/,V,增强型,U,GS,/,V,图3.2.1(b)各种场效应管的输出特性对比,2020年7月4日星期六,模拟电子技术,44,三、BJT与FET工作状态的对比,2020年7月4日星期六,模拟电子技术,45,四、场效应管工作状态的判断方法,1.假设处于截止状态,2.假设处于放大状态,或,或,指导思想：假设处于某一状态，然后用计算结果验证假设是否成立。,2020年7月4日星期六,模拟电子技术,46,例3.2.1判断图3.2.2所示的场效应管电路，管子的

18、IDSS=3mA,UGSoff=-5V，管子工作在什么区间？,图3.2.2场效应管电路,1.假设处于截止状态,应有,而,2.假设处于放大状态,应有,2020年7月4日星期六,模拟电子技术,47,而,满足,故管子工作在放大区。,图3.2.2场效应管电路,2020年7月4日星期六,模拟电子技术,48,3.2.2场效应管偏置电路,偏置电路,自偏置电路,分压偏置电路,确定直流工作点方法,图解法,解析法,2020年7月4日星期六,模拟电子技术,49,图3.2.3场效应管偏置电路,(b)分压偏置电路,(a)自偏置电路,只适宜JFET、DMOSFET,适宜所有FET,2020年7月4日星期六,模拟电子技术,

19、50,一、自偏置电路,栅源回路直流负载线方程,图3.2.4(a)图解法求自偏压电路的直流工作点,Q,2020年7月4日星期六,模拟电子技术,51,解析法：由电流方程及栅源直流负载线方程联立求解,2020年7月4日星期六,模拟电子技术,52,图3.2.4(b)图解法求分压偏置电路直流工作点,二、分压偏置电路,栅源回路直流负载线方程,2020年7月4日星期六,模拟电子技术,53,解析法：由电流方程及栅源直流负载线方程联立求解,2020年7月4日星期六,模拟电子技术,54,若输入为正弦量，上式可改写为,通常rds较大，Uds对Id的影响可以忽略，则,3.3.1场效应管的低频小信号模型,3.3场效应管

20、放大电路,2020年7月4日星期六,模拟电子技术,55,r,ds,g,m,U,gs,U,ds,I,d,D,S,图3.3.1场效应管低频小信号模型,G,S,2020年7月4日星期六,模拟电子技术,56,3.3.2共源放大器,图3.3.2(a)共源放大器电路,例3.3.1共源放大电路如图3.3.2（a）所示，场效应管的gm=5mA/V，分析该电路的交流性能指标Au、Ri和RO。,2020年7月4日星期六,模拟电子技术,57,图3.3.2(b)共源放大器电路低频小信号等效电路,2020年7月4日星期六,模拟电子技术,58,图3.3.2(a)含有源极电阻的共源放大电路,例3.3.2试画出低频小信号等效电路，并计算增益Au。,2020年7月4日星期六,模拟电子技术,59,图3.3.2(b)含有源极电阻的共源放大电路的等效电路,2020年7月4日星期六,模拟电子技术,60,图3.3.4(a)共漏电路,3.3.3共漏放大器,2020年7月4日星期六,模