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1、第5章場效應(yīng)管及其基本放大電路,5.1場效應(yīng)管1.特點(1)它是利用改變外加電壓產(chǎn)生的電場效應(yīng)來控制其導(dǎo)電能力的半導(dǎo)體器件。(2)它僅靠半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子導(dǎo)電,又稱單極型晶體管。(3)它具有雙極型三極管的體積小、重量輕、耗電少、壽命長等優(yōu)點，(4)還具有輸入電阻高、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強、噪聲低、制造工藝簡單、便于集成等特點。(5)在大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路中得到了廣泛的應(yīng)用。,N溝道,P溝道,增強型,耗盡型,N溝道,P溝道,N溝道,P溝道,,,,,,（耗盡型）,2.場效應(yīng)管分類：,5.1.1結(jié)型場效應(yīng)管,結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)在一塊N型半導(dǎo)體材料的兩邊各擴(kuò)散一個高雜質(zhì)濃度的P+區(qū),就形成兩個

2、P+N結(jié)，即耗盡層。把兩個P+區(qū)聯(lián)接在一起，引出一個電極g，稱為柵極，在N型半導(dǎo)體的兩端各引出一個電極，分別稱為源極s和漏極d。,三個區(qū)域：一個N型區(qū)，兩個P型區(qū)。三個電極：源極s，漏極d，柵極g。兩個PN結(jié)：一個導(dǎo)電溝道：N型導(dǎo)電溝道,夾在兩個P+N結(jié)中間的區(qū)域N區(qū),是電流的通道稱為導(dǎo)電溝道（簡稱溝道）。,如果在一塊P型半導(dǎo)體的兩邊各擴(kuò)散一個高雜質(zhì)濃度的N+區(qū)，就可以制成一個P溝道的結(jié)型場效應(yīng)管。符號中柵極上的箭頭表示柵結(jié)正偏時電流的方向（PN），用來識別何種溝道。,1.結(jié)型場效應(yīng)管工作原理,N溝道結(jié)型場效應(yīng)管用改變uGS大小來控制漏極電流iD的。(VCCS),*在柵極和源極之間加反向電壓，

3、耗盡層會變寬，導(dǎo)電溝道寬度減小，使溝道本身的電阻值增大，漏極電流ID減小，反之，漏極ID電流將增加。,(1)當(dāng)uDS=0時，uGS對導(dǎo)電溝道的控制作用,uGS=0時，耗盡層比較窄，導(dǎo)電溝道比較寬,uGS由零逐漸減小，耗盡層逐漸加寬，導(dǎo)電溝道相應(yīng)變窄。,當(dāng)uGS=UGS（Off)，耗盡層合攏，導(dǎo)電溝道被夾斷.,UGS(off)為夾斷電壓,為負(fù)值。UGS(off)也可用UP表示,(2)當(dāng)uGS為UGS（Off)0中一固定值時,uDS對漏極電流iD的影響。,uGS=0，uGDUGS（Off)，iD較大。,uGSUGS（Off)，iD更小。,注意：當(dāng)uDS0時，耗盡層呈現(xiàn)楔形。,(a),(b),uGD

4、uGSuDS,uGS<0,uGD=UGS(off),溝道變窄預(yù)夾斷,uGS<0,uGD

5、(off)時，iD幾乎僅僅決定于uGS，而與uDS無關(guān)。此時，可以把iD近似看成uGS控制的電流源。,,2.結(jié)型場效應(yīng)管的特性曲線,由于結(jié)型場效應(yīng)管的柵極輸入電流iG0，因此很少應(yīng)用輸入特性曲線，常用的特性曲線有輸出特性曲線和轉(zhuǎn)移特性曲線。(1)輸出特性曲線輸出特性曲線用來描述uGS取一定值時，電流iD和電壓uDS間的關(guān)系，即它反映了漏-源電壓uDS對iD的影響。N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的輸出特性曲線如圖所示,,,可變電阻區(qū)uGDUGS(off)時,uGS一定,uDS較小時,iD隨uDS升高而線性增大,d-s間等效為一個電阻。改變uGS可改變等效電阻的阻值。恒流區(qū)uGDUGS(off)時,uGS不變

6、時，iD基本不隨uDS而改變，故稱為恒流區(qū)或飽和區(qū),實為放大區(qū)。夾斷區(qū)uGS=UGS(off)時，iDO。,擊穿區(qū)當(dāng)uDS升高到使uGD=U(BR)GD時,PN結(jié)被反向擊穿,iD突然增大,叫擊穿區(qū)。,uGD=UGS(off)uDS=uGS-UGS(off),U(BR)DS=uGS-U(BR)GD,結(jié)型場效應(yīng)管的工作狀態(tài)可劃分為四個區(qū)域。(a)可變電阻區(qū)可變電阻區(qū)位于輸出特性曲線的起始部分，它表示uDS較小、管子預(yù)夾斷前，電壓uDS與漏極電流iD間的關(guān)系。在此區(qū)域內(nèi)有UGS(off)uGS0，uDSuGSUGS(off)。當(dāng)uGS一定，uDS較小時，uDS對溝道影響不大，溝道電阻基本不變，iD與

7、uDS之間基本呈線性關(guān)系。若|uGS|增加，則溝道電阻增大，輸出特性曲線斜率減小。所以，在uDS較小時，源-漏極間可以看作是一個受uGS控制的可變電阻，故稱這一區(qū)域為可變電阻區(qū)。這一特點常使結(jié)型場效應(yīng)管被作為壓控電阻而廣泛應(yīng)用。,(b)飽和區(qū)(恒流區(qū)、線性放大區(qū))當(dāng)UGS(off)uGS0且uDSuGSUGS(off)時，N溝道結(jié)型場效應(yīng)管進(jìn)入飽和區(qū)，即圖中特性曲線近似水平的部分。它表示管子預(yù)夾斷后，電壓uDS與漏極電流iD間的關(guān)系。飽和區(qū)的特點是iD幾乎不隨uDS的變化而變化，iD已趨于飽和，但它受uGS的控制。|uGS|增加，溝道電阻增加，iD減小。場效應(yīng)管作線性放大器件用時，就工作在飽和

8、區(qū)。輸出特性曲線圖中左邊的虛線是可變電阻區(qū)與飽和區(qū)的分界線，是結(jié)型場效應(yīng)管的預(yù)夾斷點（uDS=uGS-UGS(off)）的軌跡。顯然，預(yù)夾斷點隨uGS改變而變化，uGS愈負(fù)，預(yù)夾斷時的uDS越小。,(c)擊穿區(qū)管子預(yù)夾斷后，若uDS繼續(xù)增大，當(dāng)柵-漏極間P+N結(jié)上的反偏電壓uGD增大到使P+N結(jié)發(fā)生擊穿時，iD將急劇上升，特性曲線進(jìn)入擊穿區(qū)。管子被擊穿后再不能正常工作。(d)截止區(qū)(又稱夾斷區(qū))當(dāng)柵-源電壓uGS

9、關(guān)系的曲線，即:,圖1.4.6轉(zhuǎn)移特性,uGS=0，iD最大；uGS愈負(fù)，iD愈小；uGS=UGS(off)，iD0。,兩個重要參數(shù),飽和漏極電流IDSS(uGS=0時的iD),夾斷電壓UGS(off)(iD=0時的uGS),,轉(zhuǎn)移特性曲線可以根據(jù)輸出特性曲線繪出。作法如下：在圖所示的輸出特性中作一條uDS=10V的垂線，將此垂線與各條輸出特性曲線的交點所對應(yīng)的iD、uGS的值轉(zhuǎn)移到iD-uGS直角坐標(biāo)系中,即可得到轉(zhuǎn)移特性曲線。,(2)轉(zhuǎn)移特性,轉(zhuǎn)移特性曲線用來描述uDS取一定值時，iD與uGS間的關(guān)系的曲線，即:,(UGS(off)uGS0),式中IDSS為uGS=0，uDS0時的漏極電流

10、，稱為飽和漏極電流。,改變uDS的大小，可得到一族轉(zhuǎn)移特性曲線,但當(dāng)uDS大于一定數(shù)值后，不同uDS下的轉(zhuǎn)移特性曲線幾乎重合，這是因為在飽和區(qū)內(nèi)iD幾乎不隨uDS而變。因此可用一條轉(zhuǎn)移特性曲線來表示飽和區(qū)中iD與uGS的關(guān)系。在飽和區(qū)內(nèi)iD可近似地表示為：,uDS較大,uDS較小,5.1.2絕緣柵型場效應(yīng)管MOSFETMetal-OxideSemiconductorFieldEffectTransistor,由金屬、氧化物和半導(dǎo)體制成。稱為金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管，或簡稱MOS場效應(yīng)管。,特點：輸入電阻可達(dá)1010(有資料介紹可達(dá)1014）以上。,類型,,N溝道,P溝道,,增強型,耗盡型,

11、,增強型,耗盡型,uGS=0時漏源間存在導(dǎo)電溝道稱耗盡型場效應(yīng)管；,uGS=0時漏源間不存在導(dǎo)電溝道稱增強型場效應(yīng)管。,在摻雜濃度較低的P型硅襯底上，制作兩個高摻雜濃度的N+區(qū)，并引出兩個電極，分別作漏極d和源極s。在半導(dǎo)體表面制作一層很薄的SiO2絕緣層，在絕緣層上再制作一層鋁，引出電極,作為柵極g。在襯底上也引出一個電極B，這就構(gòu)成了一個N溝道增強型MOS管。MOS管的源極和襯底通常是接在一起的。,1.N溝道增強型MOS管,結(jié)構(gòu),代表符號中的箭頭方向表示由P(襯底)指向N(溝道)。P溝道增強型MOS管的箭頭方向與上述相反。,1.N溝道增強型MOS管,(1)工作原理,(a)uGS=0,漏源之

12、間相當(dāng)于兩個背靠背的PN結(jié)，無論漏源之間加何種極性電壓，總是不導(dǎo)電。,(b)uDS=0，0

13、個楔形。漏極形成電流ID。,.uDS=uGSUT，uGD=UT,靠近漏極溝道達(dá)到臨界開啟程度，出現(xiàn)預(yù)夾斷。,.uDSuGSUT，uGD

14、，對應(yīng)于不同的uGS就有一個確定的iD。此時，可以把iD近似看成是uGS控制的電流源。,(2)特性曲線與電流方程,(a)轉(zhuǎn)移特性,(b)輸出特性,uGS

15、，iD減小；,uGS=UP,感應(yīng)電荷被“耗盡”，iD0。,UP或UGS(off)稱為夾斷電壓,N溝道耗盡型MOS管特性,,工作條件：uDS0；uGS正、負(fù)、零均可。,,,耗盡型MOS管的符號,N溝道耗盡型MOSFET,三、P溝道MOS管,1.P溝道增強型MOS管的開啟電壓UGS(th)<0當(dāng)uGS

16、管，在uGS=0情況下產(chǎn)生預(yù)夾斷時的漏極電流。,(2)夾斷電壓UP或UGS(off)對于耗盡型管，是在uDS為一常量時,iD為規(guī)定的微小電流時的uGS值。,(3)開啟電壓UT或UGS(th)對于增強型管，是在uDS為一常量時,使iD大于零所需的最小uGS值。,(4)直流輸入電阻RGS等于柵源電壓與柵極電流之比。,輸入電阻很高。結(jié)型場效應(yīng)管一般在107以上，絕緣柵場效應(yīng)管更高，一般大于109。,2.交流參數(shù),(1)低頻跨導(dǎo)gm,(2)極間電容,用以描述柵源之間的電壓uGS對漏極電流iD的控制作用。,單位：iD毫安(mA)；uGS伏(V)；gm毫西門子(mS),這是場效應(yīng)管三個電極之間的等效電容，

17、包括Cgs、Cgd、Cds。極間電容愈小，則管子的高頻性能愈好。一般為幾個皮法。,3.極限參數(shù),（3）漏極最大允許耗散功率PDM,(2)漏源擊穿電壓U(BR)DS,（4）柵源擊穿電壓U(BR)GS,由場效應(yīng)管允許的溫升決定。漏極耗散功率轉(zhuǎn)化為熱能使管子的溫度升高。,當(dāng)漏極電流iD急劇上升產(chǎn)生雪崩擊穿時的uDS。,結(jié)型管工作時，柵源間PN結(jié)處于反偏狀態(tài)，使PN結(jié)被擊穿時的uGS；MOS管工作時，使絕緣層被擊穿時的uGS。,(1)最大漏極電流IDM管子正常工件時漏極電流的上限。,例5.1.1,已知某管子的輸出特性曲線如圖所示。試分析該管是什么類型的場效應(yīng)管（結(jié)型、絕緣柵型、N溝道、P溝道、增強型、

18、耗盡型）。,分析：N溝道增強型MOS管，開啟電壓UGS(th)4V,例5.4.2,電路如左圖所示，其中管子T的輸出特性曲線如右圖所示。試分析ui為0V、8V和10V三種情況下uo分別為多少伏？,分析：N溝道增強型MOS管，開啟電壓UGS(th)4V,解：,(1)ui為0V，即uGSui0，管子處于夾斷狀態(tài),所以u0VDD15V,(2)uGSui8V時，從輸出特性曲線可知，管子工作在恒流區(qū)，iD1mA，u0uDSVDD-iDRD10V,,,(3)uGSui10V時，,若工作在恒流區(qū)，iD2.2mA。因而u015-2.2*54V,但是，uGS10V時的預(yù)夾斷電壓為,uDS=uGSUT=(10-4)

19、V=6V,可見，此時管子工作在可變電阻區(qū),從輸出特性曲線可得uGS10V時d-s之間的等效電阻(D在可變電阻區(qū)，任選一點，如圖),所以輸出電壓為,,晶體管,場效應(yīng)管,結(jié)構(gòu),NPN型、PNP型,結(jié)型耗盡型N溝道P溝道,絕緣柵增強型N溝道P溝道,絕緣柵耗盡型N溝道P溝道,C與E一般不可倒置使用,D與S有的型號可倒置使用,載流子多子擴(kuò)散少子漂移多子運動,輸入量電流輸入電壓輸入,控制,電流控制電流源CCCS(),電壓控制電流源VCCS(gm),5.1.4場效應(yīng)管與晶體管的比較,,,噪聲較大較小,溫度特性受溫度影響較大較小,輸入電阻幾十到幾千歐姆幾兆歐姆以上,靜電影響不受靜電影響易受靜電影響,集成工藝不

20、易大規(guī)模集成適宜大規(guī)模和超大規(guī)模集成,晶體管,場效應(yīng)管,1從場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)上看，其源極和漏極是對稱的，因此源極和漏極可以互換。但有些場效應(yīng)管在制造時已將襯底引線與源極連在一起，這種場效應(yīng)管的源極和漏極就不能互換了。2場效應(yīng)管各極間電壓的極性應(yīng)正確接入，結(jié)型場效應(yīng)管的柵-源電壓vGS的極性不能接反。3當(dāng)MOS管的襯底引線單獨引出時，應(yīng)將其接到電路中的電位最低點（對N溝道MOS管而言）或電位最高點（對P溝道MOS管而言），以保證溝道與襯底間的PN結(jié)處于反向偏置，使襯底與溝道及各電極隔離。4MOS管的柵極是絕緣的，感應(yīng)電荷不易泄放，而且絕緣層很薄，極易擊穿。所以柵極不能開路，存放時應(yīng)將各電極短路。焊

21、接時，電烙鐵必須可靠接地，或者斷電利用烙鐵余熱焊接，并注意對交流電場的屏蔽。,使用場效應(yīng)管的注意事項,,5.2場效應(yīng)管放大電路,場效應(yīng)管是電壓控制電流元件，具有高輸入阻抗的特點。,（以N溝道結(jié)型場效應(yīng)管為例）,5.2.1場效應(yīng)管放大電路靜態(tài)工作點的設(shè)置,圖5.2.2基本共源放大電路,與雙極型三極管對應(yīng)關(guān)系,bG,eS,cD,為了使場效應(yīng)管工作在恒流區(qū)實現(xiàn)放大作用，應(yīng)滿足：,N溝道增強型MOS場效應(yīng)管組成的基本共源放大電路。,(UT：開啟電壓),1、基本方法,靜態(tài)分析UGSQ、IDQUDSQ,兩種方法,,近似估算法,圖解法,(1)近似估算法,MOS管柵極電流為零，當(dāng)uI=0時,UGSQ=VGG,

22、而iD與uGS之間近似滿足,(當(dāng)uGSUT),,式中IDO為uGS=2UT時的值。,則靜態(tài)漏極電流為,(2)圖解法,利用式uDS=VDD-iDRD畫出直流負(fù)載線。,圖中IDQ、UDSQ即為靜態(tài)值。,UGSQ=,,UDSQ=,已知UP或UGS（Off),VDD,-IDQ(Rd+R),-IDQR,可解出Q點的UGSQ、IDQ、UDSQ,如知道FET的特性曲線，也可采用圖解法。,2.自給偏壓電路(適用于耗盡型FET),圖2.7.4(a)JFET自給偏壓共源電路,耗盡型MOS管自給偏壓共源電路的分析方法與之類似。,3.分壓式偏置電路,(1)Q點近似估算法,根據(jù)輸入回路列方程,解聯(lián)立方程求出UGSQ和I

23、DQ。,列輸出回路方程求UDSQ,UDSQ=VDDIDQ(RD+RS),將IDQ代入，求出UDSQ,(2)圖解法,由式,可做出一條直線，,另外，iD與uGS之間滿足轉(zhuǎn)移特性曲線的規(guī)律，二者之間交點為靜態(tài)工作點，確定UGSQ，IDQ。,根據(jù)漏極回路方程,在漏極特性曲線上做直流負(fù)載線，與uGS=UGSQ的交點確定Q，由Q確定UDSQ和IDQ值。,UDSQ,uDS=VDDiD(RD+RS),,,,,VDD,Q,IDQ,,,,,Q,IDQ,UGSQ,UGQ,5.2.2場效應(yīng)管的交流等效模型,用特性曲線求參數(shù),rds值很大，當(dāng)外電路電阻較小時可視為開路。,用轉(zhuǎn)移特性表達(dá)式求gm,iD的全微分為,上式中定

24、義：,場效應(yīng)管的跨導(dǎo)(毫西門子mS)。,場效應(yīng)管漏源之間輸出電導(dǎo)。,如果輸入正弦信號，則可用相量代替上式中的變量。,成為：,根據(jù)上式做等效電路如圖所示。,MOS管的低頻小信號等效模型,,由于沒有柵極電流，所以柵源是懸空的。,微變參數(shù)gm和rDS,(1)根據(jù)定義通過在特性曲線上作圖方法中求得。,(2)用求導(dǎo)的方法計算gm（以增強型MOS管為例）,在Q點附近，可用IDQ表示上式中iD，則,一般gm約為0.1至20mS。rDS為幾百千歐的數(shù)量級。當(dāng)RD比rDS小得多時，可認(rèn)為等效電路的rDS開路。,5.2.3共源放大電路的動態(tài)分析,基本共源放大電路的等效電路,而,所以,輸出電阻,Ro=RD,輸入電阻

25、Ri=,分壓式偏置電路的動態(tài)分析,等效電路如圖所示,由圖可知,電壓放大倍數(shù),輸入、輸出電阻分別為,分壓式偏置電路等效電路,,,,,,,,,,,,,,+,,T,,,,,,,,,,,,+,RG,S,D,G,,,,,,,,,,,,RD,Rg2,,,,,,,,,,,,RL,RS,Rg1,C1,CS,C2,+,+,+,,,5.2.4共漏放大電路的動態(tài)分析,靜態(tài),動態(tài),兩式聯(lián)立求得IDQ、UGSQ,共漏放大電路,源極輸出器或源極跟隨器,基本共漏放大電路,典型電路如右圖所示。,靜態(tài)分析,分析方法與“分壓-自偏壓式共源電路”類似，可采用估算法和圖解法。,動態(tài)分析,（1）電壓放大倍數(shù),微變等效電路,而,所以,,

26、（2）輸入電阻,Ri=RG+(Rg1//Rg2),,（3）輸出電阻,微變等效電路,因輸入端短路，故,則,所以,實際工作中經(jīng)常使用的是共源、共漏組態(tài)。,在電路中，外加，令，并使RL開路,場效應(yīng)管放大電路與晶體管放大電路的性能比較,場效應(yīng)管放大電路的共源電路、共漏電路、共柵電路分別與三極管放大電路的共射電路、共集電路、共基電路相對應(yīng)。共源電路與共射電路均有電壓放大作用，且輸出電壓與輸入電壓相位相反。為此，可統(tǒng)稱這兩種放大電路為反相電壓放大器。共漏電路與共集電路均沒有電壓放大作用且輸出電壓與輸入電壓同相位。因此，可將這兩種放大電路稱為電壓跟隨器。共柵電路和共基電路均有輸出電流與輸入電流接近相等。為此

27、，可將它們稱為電流跟隨器。而且兩種放大電路的輸入電流都比較大，輸入電阻都比較小。,場效應(yīng)管放大電路最突出的優(yōu)點是，共源、共漏和共柵電路的輸入電阻高于相應(yīng)的共射、共集和共基電路的輸入電阻。此外，場效應(yīng)管還有噪聲低、溫度穩(wěn)定性好、抗輻射能力強等優(yōu)于三極管的特點，而且便于集成。場效應(yīng)管的低頻跨導(dǎo)一般比較小，所以場效應(yīng)管的放大能力比三極管差，共源電路的電壓增益往往小于共射電路的電壓增益。另外，場效應(yīng)管在使用時應(yīng)注意保護(hù)，以免柵源極間的絕緣層被擊穿。,5.2.5單極型晶體管基本放大電路的頻率響應(yīng),1.場效應(yīng)管的高頻等效模型,2.場效應(yīng)管基本放大電路的頻率響應(yīng),在中頻段開路，C短路，中頻電壓放大倍數(shù)為,在高頻段，C短路，考慮的影響，上限頻率為：,在低頻段，開路，考慮C的影響，下限頻率為：,電壓放大倍數(shù),