第4章场效应管放大电路.ppt
第4章 场效应管放大电路,4.1结形场效应管4.2砷化镓金属-半导体场效应管4.3金属-氧化物-半导体场效应管4.4场效应管放大电路4.5各种放大器件电路性能比较,雇嘘岩官痹础作扭丁掘汕还续筷谬岳桃聋寥喇称斑帽丧框料乔愁吩瞩邓触第4章 场效应管放大电路第4章 场效应管放大电路,4.1结型场效应晶体管JFET,1)P 沟道和N沟道结构及电路符号,战吊沿垢浅潭喉器驾讹胰蹄稽门风昂萄萧烁萌调就盲瘩顶损疾萄巧闰瘩诧第4章 场效应管放大电路第4章 场效应管放大电路,2)工作等效（以P沟道为例）,Ugs,Is,Id,1）PN结不加反向电压（Ugs)或加的电压不足以使沟道闭合时。沟道导通，电阻很小，并且阻值随沟道的截面积减少而增大。称可变电阻区；ID=UDs/RDs,RDS,P,N,N,G,ID,IS=ID,PN结,PN结,+,+,-,UGS增大耗尽层加厚。,UGS=0：ID=IDSS,电路图 等效图,飞溺斑功舵锁卜阜臆巩脖盅谢还邵技乙互拿盐雄酥拈侣改拔撒巍隆斟葵烙第4章 场效应管放大电路第4章 场效应管放大电路,2）恒流工作（电压控制电流源）,PN结加反向电压（Ugs)使沟道微闭合时电流ID与UDS无关，称恒流区。ID=IDSS（1-）2,ugs,vP,电路图 等效图,疗灿毡涛乡剿闷挨养哺阮戍渭且莲瘩矾但迢溃视蓑墙魔遵铀员遮同无浅编第4章 场效应管放大电路第4章 场效应管放大电路,3）截止工作,P,N,N,G,ID=0,IS=ID,PN结,PN结,+,+,-,RD,VDD,UGS,耗尽层完全闭合，沟道夹断，电子过不去,栅极电压UGS大于等夹断电压UP时，ID=0相当一个很大的电阻,赏豪乎谨模千惦咎闲乓高郑秆孔佃镣芒公北些驱阵邱螟尉萤恃慢姆寸溺乡第4章 场效应管放大电路第4章 场效应管放大电路,3)、JFET的主要参数,1）夹断电压VP:手册给出是ID为一微小值时的VGS2）饱和漏极电流IDSS;VGS=0，时的ID,5)极限参数：V（BR）DS、漏极的附近发生雪崩击穿。V（BR）GS、栅源间的最高反向击穿。PDM 最大漏极允许功耗，与三极管类似。,3)、电压控制电流系数gm=,4）交流输出电阻 rds=,谦谦聘磊淌斩通撩彼蓄恿宣欧庆拨秋覆何好狙雍康聘菏需苔怔腋慧强授妻第4章 场效应管放大电路第4章 场效应管放大电路,4）特性曲线：,与三极管相同，场效应管也有输入和输出的特性曲线。称为转移特性曲线和输出特性曲线。以N型JFET为例：,0,ugs,(v),-4-3-2-1,id,mA,54321,VP,IDSS,N型JFET的转移曲线,UDS,可变电阻区,截止区IB0,UDS=UGS-VP,N型JFET的输出特性曲线,-4V,-2.0V,-1V,UGS=0V,ma,（V）,ID,放大区,0,击穿区,椰痹喧赤辰遮重考篆谆窖愿迹份悉一体舅镐神胜周案汇够窖雀剂搁龟问应第4章 场效应管放大电路第4章 场效应管放大电路,Sect,4.3 MOSFET,增强型MOSFET,耗尽型MOSFET,焚弄涎决桅存抱戌舒府痴甩喝腐簿粟轻爪疹饯曾诉呻腻淹箍诉袍蕴涯汲宜第4章 场效应管放大电路第4章 场效应管放大电路,N沟道增强型MOS场效应管结构,4.3.1增强型MOS场效应管,漏极D集电极C,源极S发射极E,栅极G基极B,衬底B,电极金属绝缘层氧化物基体半导体因此称之为MOS管,Sect,拘盗宠叙勘巩遥镣晕钾裁征德低做啼撤滑石骚势招疗昔甭嘛庸俊堑告壤沂第4章 场效应管放大电路第4章 场效应管放大电路,当UGS较小时，虽然在P型衬底表面形成一层耗尽层，但负离子不能导电。当UGS=UT时,在P型衬底表面形成一层电子层，形成N型导电沟道，在UDS的作用下形成ID。,-,-,-,-,当UGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的PN结，无论UDS之间加上电压不会在D、S间形成电流ID,即ID0.,当UGSUT时,沟道加厚，沟道电阻减少，在相同UDS的作用下，ID将进一步增加,开始无导电沟道，当在UGSUT时才形成沟道,这种类型的管子称为增强型MOS管,Sect,卵糙途虚迅锗寥苗歉凛敏秧壹派挣驴盼谗蒋躲赔棕姐瓢吞德拥照烁问吓轩第4章 场效应管放大电路第4章 场效应管放大电路,N沟道增强型MOS场效应管特性曲线,增强型MOS管,UDS一定时，UGS对漏极电流ID的控制关系曲线ID=f(UGS)UDS=C,转移特性曲线,UT,在恒流区，ID与UGS的关系为,IDK(UGS-UT)2,沟道较短时，应考虑UDS对沟道长度的调节作用：,IDK(UGS-UT)2（1+UDS),K导电因子（mA/V2),沟道调制长度系数,n沟道内电子的表面迁移率COX单位面积栅氧化层电容W沟道宽度L沟道长度Sn沟道长宽比K本征导电因子,Sect,馅碟局朗虫挫缘冒湍宋为量畔龚夸债窑唁期邪便函串侍呜唐死封缝莉嚼蹦第4章 场效应管放大电路第4章 场效应管放大电路,N沟道增强型MOS场效应管特性曲线,UGS一定时，ID与UDS的变化曲线，是一族曲线 ID=f(UDS)UGS=C,输出特性曲线,1.可变电阻区：ID与UDS的关系近线性 ID 2K(UGS-UT)UDS,当UGS变化时，RON将随之变化因此称之为可变电阻区当UGS一定时，RON近似为一常数因此又称之为恒阻区,Sect,宣镇块乾埔隶鸦钙验届耙劣耶盆幅唁属警鸽除柏驯原阴洽痹胺竞钠胺癸哲第4章 场效应管放大电路第4章 场效应管放大电路,N沟道增强型MOS场效应管特性曲线,输出特性曲线,2.恒流区：该区内，UGS一定，ID基本不随UDS变化而变,3.击穿区：UDS 增加到某一值时，ID开始剧增而出现击穿。当UDS 增加到某一临界值时，ID开始剧增时UDS称为漏源击穿电压。,Sect,虽岿鸳伐肆腥毯射卉侗约倘抹身橡桶食帽枉紫妖疫六品渭仲疏推包鲤撩吼第4章 场效应管放大电路第4章 场效应管放大电路,漏源电压UDS对漏极电流ID的控制作用,UDS=UDGUGS=UGDUGS UGD=UGSUDS,当UDS为0或较小时，相当 UGDUT，,此时UDS 基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。在UDS作用下形成ID,Sect,溶涡纤致瘦谨昆自呐参迎孽篓堕沫程挞察鼎陆劫郑漓贮纂渐奸滞凋便怀已第4章 场效应管放大电路第4章 场效应管放大电路,Sect,基础知识,当UDS增加到使UGD=UT时，,当UDS增加到UGDUT时，,增强型MOS管,漏源电压UDS对漏极电流ID的控制作用,这相当于UDS增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为预夹断。此时的漏极电流ID 基本饱和,此时预夹断区域加长，伸向S极。UDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上，ID基本趋于不变。,朋盖妆浪甄痘吠眠闯线啸耳藏式扮碍蜕掠戎阻馏凑柔晦颗仟莱滔透狡莫敛第4章 场效应管放大电路第4章 场效应管放大电路,MOS管衬底的处理,保证两个PN结反偏，源极沟道漏极之间处于绝缘态,NMOS管UBS加一负压,PMOS管UBS加一正压,Sect,停喷谤灿庚棍肇侥弧攒钓淘厅辛缸豢瘤凶队仕溅由蛛骗渣葱缝憋键保淬架第4章 场效应管放大电路第4章 场效应管放大电路,N沟道耗尽型MOS场效应管结构,4.3.2耗尽型MOS场效应管,+,耗尽型MOS管存在原始导电沟道,Sect,琐茫午歌咎缉被区类粮玛弟引罕嫩节透庭家景土跺您校开人沪恩物蛾氓哄第4章 场效应管放大电路第4章 场效应管放大电路,N沟道耗尽型MOS场效应管工作原理,当UGS=0时，UDS加正向电压，产生漏极电流ID,此时的漏极电流称为漏极饱和电流，用IDSS表示当UGS0时，将使ID进一步增加。当UGS0时，随着UGS的减小漏极电流逐渐减小。直至ID=0。对应ID=0的UGS称为夹断电压，用符号UP表示。,N沟道耗尽型MOS场效应管特性曲线,转移特性曲线,在恒流区，ID与UGS的关系为,IDK(UGS-UP)2,沟道较短时，,IDK(UGS-UT)2（1+UDS),ID IDSS(1-UGS/UP)2,常用关系式：,Sect,滇介庞弱脊默汕钓贩掀绑结稠煌矩蒜橙阮龋灭勉耽匹幻谈欠吼谈睫隋涵配第4章 场效应管放大电路第4章 场效应管放大电路,N沟道耗尽型MOS场效应管特性曲线,输出特性曲线,N沟道耗尽型MOS管可工作在UGS0或UGS0 N沟道增强型MOS管只能工作在UGS0,Sect,庆按芯化矽越涂丹坯维兹粮搪蔓界锹啡羚癌婆质镁涨模霓咐厩铜鹃乃牙孝第4章 场效应管放大电路第4章 场效应管放大电路,4.3.3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,Sect,驹悼优笆灸对脂冀咽拎鸥卒私扛仟欺忍制槐淡设坐共抖鲁绕赢陋琶勺族夜第4章 场效应管放大电路第4章 场效应管放大电路,绝缘栅场效应管,N沟道耗尽型,P 沟道耗尽型,Sect,言招饿班痪标虎南弹吓寞屯最仰胖刁凿躲哼舱辐粗瘁杏耶琉姿梧兴募搏典第4章 场效应管放大电路第4章 场效应管放大电路,场效应管的主要参数,直流参数,交流参数,极限参数,Sect,矾诱翼雇车钢北窘簿才导由治屿蛾忙夏葵泄摔欲舞罕绍炒圭叉囚核悄允冀第4章 场效应管放大电路第4章 场效应管放大电路,2.夹断电压UP 夹断电压是耗尽型FET的参数，当UGS=UP 时,漏极电流为零。,3.饱和漏极电流IDSS 耗尽型场效应三极管当UGS=0时所对应的漏极电流。,Sect,彤线掀碾散帽努蛾夜铁沛哎舷寺式邓商爆利砚趟搐骨井混妮兔锡靛壹坍蠢第4章 场效应管放大电路第4章 场效应管放大电路,4.直流输入电阻RGS栅源间所加的恒定电压UGS与流过栅极电流IGS之比结型场效应三极管，反偏时RGS约大于107，绝缘栅场效应三极管RGS约是1091015。,5.漏源击穿电压BUDS使ID开始剧增时的UDS。,6.栅源击穿电压BUGSJFET：反向饱和电流剧增时的栅源电压MOS：使SiO2绝缘层击穿的电压,Sect,婴浓长旷馈躬甥信嫡豺衔坦胎总痴滓缄洞一哺累瑰崔颈瘴弹彻牌胶兢层旭第4章 场效应管放大电路第4章 场效应管放大电路,1.低频跨导gm 低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用,gm的求法:图解法gm实际就是转移特性曲线的斜率解析法：如增强型MOS管存在ID=K(UGS-UT)2,Sect,扳勿胸尿捻怜狐单遂唾鲤忙圭迂寓枫心躺友纠只晒信德悼竟值帘镐圈跳治第4章 场效应管放大电路第4章 场效应管放大电路,2.衬底跨导gm b反映了衬底偏置电压对漏极电流ID的控制作用,跨导比,Sect,慑襟轰栋燎僧返桂纫伦树唾沼赴跃趣及嫂焙橙恫言羌座妈脸履雁足斟谬韩第4章 场效应管放大电路第4章 场效应管放大电路,3.漏极电阻rds,反映了UDS对ID的影响，实际上是输出特性曲线上工作点切线上的斜率,4.导通电阻Ron,在恒阻区内,Sect,县校钳欣沥牢吵稗诺睡胰迄谨臣铰员珍牺名揽脂紊至褥秃坊华鼓膀诉惭拽第4章 场效应管放大电路第4章 场效应管放大电路,5.极间电容,Cgs栅极与源极间电容Cgd 栅极与漏极间电容Cgb 栅极与衬底间电容Csd 源极与漏极间电容Csb 源极与衬底间电容Cdb 漏极与衬底间电容,主要的极间电容有：,Sect,炊泼立坟心哥十座唤屁份宇媚众虹菏碘兼瞎惧池明有汪逾捐嘱游藉应敝鸡第4章 场效应管放大电路第4章 场效应管放大电路,4.3、绝缘栅型场效应晶体管IGFET（MOS）,分增强型和耗尽型两类：各类有分NMOS和 PMOS两种：1)NMOS（Metal Oxidized Semiconductor),NMOS（D）,吝臃郭澈漠山藕功臀佬死侍愧故抿车恩仿茎没抚疤取喧虐奔澳惊浊写誊宪第4章 场效应管放大电路第4章 场效应管放大电路,(1)工作状态示意图,P衬底,N,N,S G D,UGS,UDS,B,ID,耗尽区,+,-,棋靳宪皮栏彝木屉辉硷函秧片淄瘩催釉搅里包邀姿壤熙苫听萝缕友窟骚照第4章 场效应管放大电路第4章 场效应管放大电路,(3)IGFET（E）特性曲线,UDS,可变电阻区,截止区IB0,UDS=UGS-VT,NMOS的输出特性曲线,2.0V,4.0V,6.0V,UGS=8.0V,A,ID,放大区,0,击穿区,UDS=5V,UGS,V,ID A,0 2 4 6 8,20015010050,20015010050,NMOS的转移特性曲线,岸诲标迷纷增抬撒塌蔷表砌傲燎则舅憾辞友糜疏杰感击厅钧俞烦誓提晶染第4章 场效应管放大电路第4章 场效应管放大电路,一.结型场效应管,1.结型场效应管的结构（以N沟为例）：,两个PN结夹着一个N型沟道。三个电极：G：栅极 D：漏极 S：源极,符号：,4.4 场效应管放大电路,呻煌淖辱堑畏寇屋涣扣湃途鳞象滦拜稽扁影撵横幽娠涝峡入蚕某颤磅襄吉第4章 场效应管放大电路第4章 场效应管放大电路,2.结型场效应管的工作原理,（1）栅源电压对沟道的控制作用,在栅源间加负电压VGS，令VDS=0 当VGS=0时，为平衡PN结，导电沟道最宽。,脯稚千苇胸抉穆粟阜超佣请嘛慎弟耙快费誉珍仆痔递算磺嗽刹更虐骤里撞第4章 场效应管放大电路第4章 场效应管放大电路,当VGS时，PN结反偏，形成耗尽层，导电沟道变窄，沟道电阻增大。,当VGS到一定值时，沟道会完全合拢。,定义：夹断电压Up使导电沟道完全合拢（消失）所需要的栅源电压VGS。,秋娩栋痛荒粕涵薯儿儒仗映却奏辈兼藐蛹耳怒讼汗砷唐寞任腹韩占贷发帆第4章 场效应管放大电路第4章 场效应管放大电路,（2）漏源电压对沟道的控制作用,在漏源间加电压VDS，令VGS=0 由于VGS=0，所以导电沟道最宽。当VDS=0时，ID=0。,VDSID 靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，呈楔形分布。,岔瘴姑纱老笔杠祁米阁穷亩拈襟阎锗籍奉讯懂钠冲疙跃图纶薪鸥讳滞遍撅第4章 场效应管放大电路第4章 场效应管放大电路,当VDS，使VGD=VG S-VDS=VP时，在靠漏极处夹断预夹断。,预夹断前，VDSID。预夹断后，VDSID 几乎不变。,VDS再，预夹断点下移。,（3）栅源电压VGS和漏源电压VDS共同作用,可用输两组特性曲线来描绘。,ID=f（VGS、VDS）,谚亿与残垛熄揭兆赋账榷公蛹倪样子邵澄整溶握夕居映峙综濒亿蔫拓耗识第4章 场效应管放大电路第4章 场效应管放大电路,（1）输出特性曲线：ID=f（VDS）VGS=常数,3 结型场效应三极管的特性曲线,四个区：可变电阻区：预夹断前。电流饱和区（恒流区）：预夹断后。特点：ID/VGS 常数=gm 即：ID=gm VGS（放大原理）击穿区。夹断区（截止区）。,泼郸伶赘困颈挽般遥队纯尧萨奴横存备恶损引怀锋章奈坦取蕊痰毛裂阁版第4章 场效应管放大电路第4章 场效应管放大电路,(a)漏极输出特性曲线(b)转移特性曲演示：动画（2-6）动画（2-7）,（2）转移特性曲线：ID=f（VGS）VDS=常数,周迪莎阿侗滚惮彻昆馈勃党您局缆先匪辖涪以官沂琼衬辈朝摸署铭粥惺入第4章 场效应管放大电路第4章 场效应管放大电路,4.场效应管的主要参数,(1)开启电压VT VT 是MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值,场效应管不能导通。,（2）夹断电压VP VP 是MOS耗尽型和结型FET的参数，当VGS=VP时,漏极电流为零。,（3）饱和漏极电流IDSS MOS耗尽型和结型FET,当VGS=0时所对应的漏极电流。,（4）输入电阻RGS 结型场效应管，RGS大于107，MOS场效应管,RGS可达1091015。,（5）低频跨导gm gm反映了栅压对漏极电流的控制作用，单位是mS(毫西门子)。,（6）最大漏极功耗PDM PDM=VDS ID，与双极型三极管的PCM相当。,款锑疥睬否嗡横茹尹诺痕粘嚣懈辈挽爪遍城备脆舟沟琼竟蓄优拈友优组尽第4章 场效应管放大电路第4章 场效应管放大电路,1.直流偏置电路：保证管子工作在饱和区，输出信号不失真,二.场效应管放大电路,（1）自偏压电路,vGS,vGS=-iDR,注意：该电路产生负的栅源电压，所以只能用于需要负栅源电压的电路。,计算Q点：VGS、ID、VDS,vGS=,VDS=VDD-ID(Rd+R),已知VP，由,-iDR,可解出Q点的VGS、ID、VDS,代虏娠忍占池示种浸娱亏再呕幼妮航贱幕吻兑闪淤圾醋瓶饼再杀柴陕栅旨第4章 场效应管放大电路第4章 场效应管放大电路,（2）分压式自偏压电路,VDS=VDD-ID(Rd+R),可解出Q点的VGS、ID、VDS,计算Q点：,已知VP，由,该电路产生的栅源电压可正可负，所以适用于所有的场效应管电路。,彪汇厢轩心丹苯价方北腔裤剂辊雾瀑抠窍膳向墨对仑电泞份伴绥乐渴脉丁第4章 场效应管放大电路第4章 场效应管放大电路,2.场效应管的交流小信号模型,与双极型晶体管一样，场效应管也是一种非线性器件，而在交流小信号情况下，也可以由它的线性等效电路交流小信号模型来代替。,其中：rgs是输入电阻，理论值为无穷大。gmvgs是压控电流源，它体现了输入电压对输出电流的控制作用。称为低频跨导。rd为输出电阻，类似于双极型晶体管的rce。,弦墒晚诅陌饰答瑰肺剧渗勤燥厂卓蕾寨往浙板迸答创烧竭过魄掘栅捧迢媳第4章 场效应管放大电路第4章 场效应管放大电路,三.放大电路,1.共源放大电路,桅批辰舷萝谈墟你芬屠橙惨象镑冬艾蛆偿枢拢隅镊双辈棚顺端忱阿兜或祭第4章 场效应管放大电路第4章 场效应管放大电路,分析：（1）画出共源放大电路的交流小信号等效电路。,（2）求电压放大倍数,（3）求输入电阻,（4）求输出电阻,忽略 rd,由输入输出回路得,则,则,由于rgs=,韶黍仕毖层亮原燕杨苛领汁溢陛母廷敛华卤脓媳堤板馏废刻曼灶梢遵榔绊第4章 场效应管放大电路第4章 场效应管放大电路,（2）电压放大倍数,（3）输入电阻,得,分析：,（1）画交流小信号等效电路。,由,2.共漏放大电路,稚凿彦皋痪聘氏诞急垄一潘惶馒奋逝犊米秀笔哄动擂懂狂嵌正这犹撩夯逻第4章 场效应管放大电路第4章 场效应管放大电路,（4）输出电阻,所以,由图有,时沉霸稼耽铜磁臂季趴鄙敛快寺哼服合母祈叼劈橱轨窍理产彤鹊王执饮酵第4章 场效应管放大电路第4章 场效应管放大电路,
