1、第3章 場效應(yīng)管及其放大電路3.1 結(jié)型場效應(yīng)管3.2 絕緣柵型場效應(yīng)管3.3 場效應(yīng)管的主要參數(shù)及特點(diǎn)3.4 場效應(yīng)管放大電路 場效應(yīng)三極管(FET)中參與導(dǎo)電的只有一種極性的載流子（多數(shù)載流子），故稱為單極型三極管。分類：結(jié)型場效應(yīng)管絕緣柵型場效應(yīng)管增強(qiáng)型耗盡型N溝道P溝道N溝道N溝道P溝道P溝道 場效應(yīng)管(Field Effect Transistor FET)利用輸入回路的電場效應(yīng)來控制輸出回路的電流。3.1.1 結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu) 3.1.2 結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理 3.1 結(jié)型場效應(yīng)管3.1.3 結(jié)型場效應(yīng)管的特性曲線 3.1.1 結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu) 結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)圖 dgs

2、N溝道耗盡層gdsP+P+N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖柵極漏極源極高摻雜高摻雜N符號(hào)gds P溝道耗盡層gdsN+N+P溝道結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)柵極漏極源極P溝道結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu) gds符號(hào)uGS = 0uGS 0, iD 從漏極指向源極 靠近漏區(qū)的反偏電壓大,耗盡層寬度寬,靠近源區(qū)的反偏電壓小,耗盡層窄,溝道成楔形 溝道中各點(diǎn)與柵極間的電壓不相等電位低電壓大P+P+P+P+iDiS2. 漏源電壓對(duì) iD 的影響NVDDgdsP+P+P+P+P+P+ （2）uGS = 0，uDS增加溝道變窄， iD 減小。 （3） uDS增加到 uGD= uGS -uDS =UGS(off) 導(dǎo)電溝道

3、預(yù)夾斷。P+P+ 夾斷后還有電流iD嗎？P+P+iDiSVGGVDDuGS UGS(off) ，uGD UGS(off)，iD 0， 導(dǎo)電溝道夾斷。3.1.3 結(jié)型場效應(yīng)管的特性曲線 gdsmAVViDVGGVDD RG RD uGS uDS場效應(yīng)管特性曲線測試電路 輸出特性轉(zhuǎn)移特性 1. 輸出特性 iD=f（uDS）|uGS=常數(shù)預(yù)夾斷軌跡可變電阻區(qū)恒流區(qū)擊穿區(qū)|UGS(off)|8VIDSSiD/mAuDS/VO|uDS-uGS|= |UGS(off)| 可變電阻區(qū)： 預(yù)夾斷前, uDS iD , iD與uDS 基本上呈線性關(guān)系，但不同的uGS 其斜率不同。 恒流區(qū)：又稱飽和區(qū)預(yù)夾斷后,

4、uDS iD 幾乎不變。N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的漏極特性 擊穿區(qū)： 反向偏置的PN結(jié)被擊穿， iD 電流突然增大。夾斷電壓uGS=0-4-2-6-82. 轉(zhuǎn)移特性iD = f（uGS）|uDS=常數(shù)溝道結(jié)型場效應(yīng)管轉(zhuǎn)移特性IDSSUGS(off)飽和漏極電流柵源間加反向電壓 uGS 0 2. 工作原理靠近二氧化硅的一側(cè)產(chǎn)生耗盡層，若增大uGS ，則耗盡層變寬。（1）uGS對(duì)導(dǎo)電溝道的影響PBgdsN+N+uDS = 0 uGS當(dāng)uGS 增大到一定值時(shí)，形成一個(gè)N型導(dǎo)電溝道,又稱之為反型層。uGS UGS(th)時(shí),形成導(dǎo)電溝道導(dǎo)電溝道隨uGS 增大而增寬。PBgdsN+N+uGSuDS（2） uD

5、S對(duì)導(dǎo)電溝道的影響 uGS為某一個(gè)大于UGS(th)的固定值，在漏極和源極之間加正電壓，且uDS UGS(th)則有電流iD 產(chǎn)生，使導(dǎo)電溝道發(fā)生變化。 當(dāng)uDS 增大到uDS =uGS - UGS(th)uGD = uGS - uDS = UGS(th) 時(shí)，溝道被預(yù)夾斷， iD 飽和。3. 特性曲線IDOUGS(th)2UGS(th)uGS/ViD/mA0轉(zhuǎn)移特性曲線可近似用以下公式表示：(1)轉(zhuǎn)移特性曲線IDO是uGS =2 UGS(th) 時(shí),對(duì)應(yīng)的iD 開啟電壓(2) 輸出特性曲線預(yù)夾斷軌跡可變電阻區(qū)飽和區(qū)或恒流區(qū)iD/mAuDS/VO截止區(qū)UGS(th)UGS1UGS2UGS3UG

6、S4預(yù)夾斷軌跡:uDS =uGS - UGS(th)可變電阻區(qū):uGS UGS(th)uDS UGS(th)uDS uGS - UGS(th)截止區(qū):uGS UGS(th) 預(yù)先在二氧化硅中摻入大量的正離子。 gdsBP型襯底N+N+sgdBN型溝道+ + + + + +3.2.2 N溝道耗盡型MOS場效應(yīng)管 使uGS = 0 時(shí),產(chǎn)生N型導(dǎo)電溝道。 uGS 0 時(shí)，溝道變寬，iD 增大。1. 工作原理P型襯底N+sgdBN+ 當(dāng)uGS 增大到一定值時(shí)，形成一個(gè)N型導(dǎo)電溝道,又稱之為反型層。uGS增強(qiáng)型： uGS = 0 時(shí)無導(dǎo)電溝道。耗盡型： uGS = 0 時(shí)有導(dǎo)電溝道。2.特性曲線IDS

7、SUGS(off)預(yù)夾斷軌跡可變電阻區(qū)IDSSiD/mAuDS/V0uGS/V0iD/mA截止區(qū)恒流區(qū)uGS=0-2-1+1+23.3 場效應(yīng)管的主要參數(shù)及特點(diǎn)3.3.1 場效應(yīng)管的主要參數(shù)3.3.2 場效應(yīng)管的特點(diǎn)及使用注意事項(xiàng)1. 直流參數(shù) 飽和漏極電流 IDSS IDSS是當(dāng)柵源之間的電壓uGS等于零，而漏源之間的電壓uDS大于夾斷電壓時(shí)對(duì)應(yīng)的漏極電流。3.3.1 場效應(yīng)管的主要參數(shù)IDSSuGS/VOiD/mAIDSSuGS/V0iD/mA 結(jié)型場效應(yīng)管耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管 是結(jié)型場效應(yīng)管和耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管的一個(gè)重要參數(shù)。 夾斷電壓 UGS(off) 是結(jié)型場效應(yīng)管和耗盡型絕緣柵場

8、效應(yīng)管的一個(gè)重要參數(shù)。 UGS(off)是當(dāng)uDS一定時(shí)，使iD減小到某一個(gè)微小電流時(shí)所需的uGS值。3.3.1 場效應(yīng)管的主要參數(shù)IDSSUGS(off)uGS/V0iD/mAIDSSUGS(off)uGS/V0iD/mA 結(jié)型場效應(yīng)管耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管 開啟電壓 UGS(th) UGS(th)是當(dāng)uDS一定時(shí)，使漏極電流達(dá)到某一數(shù)值時(shí)所需加的uGS值。UGS(th)uGS/ViD/mA0增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管UGS(th)是增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管的一個(gè)重要參數(shù)。N型溝道gdsP+P+P型襯底N+sgdBN+uGS 直流輸入電阻 RGS 柵源之間所加電壓與產(chǎn)生的柵極電流之比。結(jié)型場效應(yīng)管的RG

9、S一般在107以上，絕緣柵場效應(yīng)管的RGS更高，一般大于109。uGS2. 交流參數(shù) 低頻跨導(dǎo)gm低頻跨導(dǎo)gm體現(xiàn)柵源電壓uGS對(duì)漏極電流iD的控制能力。 單位是S(西門子）或mS（毫西門子）是衡量晶體管放大能力的 一個(gè)重要參數(shù)。 iDuGSuGSiDUDS=UDSQ 極間電容 場效應(yīng)管三個(gè)電極之間的等效電容，包括Cgs 、 Cgd和Cds 。 Cgs 、 Cgd約為13pF， Cds約為0.11pF 。 在高頻電路中應(yīng)考慮場效應(yīng)管的極間電容。sdg 3. 極限參數(shù) 漏極最大允許耗散功率PDM 是指在最高工作溫度條件下，所允許管子耗散的最大功率，耗散功率等于漏極電流與漏源之間電壓的乘積即 PD

10、= iD uDS 漏源擊穿電壓U（BR)DS 是指管子不發(fā)生擊穿時(shí)所允許施加的最大uDS。 最大漏極電流 是管子正常工作時(shí)所允許的漏極電流的最大值。0uDS/ViD / mA過電壓IDM過流區(qū)U(BR)DSPDM = iDuDS 3. 極限參數(shù) PDM= iD uDS安全工作區(qū)過損耗區(qū)sdgbce場效應(yīng)管三極管三極管和場效應(yīng)管比較動(dòng)畫場效應(yīng)管是電壓控制元件,三極管是電流控制元件。2. 場效應(yīng)管輸入電阻非常高,三極管輸入電阻較小。3. 場效應(yīng)管噪聲小,受外界溫度及輻射的影響小,存在零溫度系數(shù)工作點(diǎn)。4. 場效應(yīng)管的制造工藝簡單, 便于集成。5. 存放時(shí),柵極與源極應(yīng)短接在一起。 焊接時(shí),電烙鐵外

11、殼應(yīng)接地。3.3.2 場效應(yīng)管的特點(diǎn)及使用注意事項(xiàng)3.4.1 共源極放大電路 3.4 場效應(yīng)管放大電路3.4.2 分壓-自偏壓式共源極放大電路 3.4.3 共漏極放大電路 1.電路組成共源極放大電路的原理電路VGGVT+-uI+uO-RgRD3.4.1 共源極放大電路 VDDVGG UGS(th)+-UGSQVDD共源極放大電路的直流通路RgRdVGGsdguO+-+-UDSQ 2. 靜態(tài)分析(1) 近似估算法UGSQ = VGGUDSQ = VDD - IDQ Rd IDIDQ=IDO(UGSQUGS(th)-1)2IG=0uI =0+uI-(2)圖解法UGSQ = VGG 3)找交點(diǎn)UDS

12、Q = VDD - IDQ Rd 1)寫出UGSQ。 2)根據(jù)輸出回路，寫出直流負(fù)載線方程。畫出直流負(fù)載線。找到UGSQ = VGG的曲線。圖解法步驟：0uDS/ViD / mAUGSQVDDRdVDDQUDSQIDQ靜態(tài)工作點(diǎn)圖解法動(dòng)畫dgsiD3. 場效應(yīng)管的微變等效電路uGS+uDS+-iD = f（uGS ， uDS ）用全微分表示iDuGSuGSiDUDS=UDSQiD= IDO(uGSUGS(th)-1)20QuDS/ViD / mAiDuDSUDSQ+-gsdrds +-Ugs.Uds.Id.gmUgs.dgs+-Ugs.Uds.+-gsdrds +-Ugs.Uds.Id.gmU

13、gs.dgs+-Ugs.Uds. rds通常在幾十千歐到幾百千歐之間，它一般遠(yuǎn)大于放大電路中的漏極電阻Rdsdg +-Ugs.+-Uds.Id.gmUgs.dgs+-Ugs.Uds.簡化的等效電路場效應(yīng)管RgRDVGGsdg+-uIuO+-VDD 4.用微變等效電路法分析共源極放大電路交流通路動(dòng)畫 RgRDsdg 4.用微變等效電路法分析共源極放大電路微變等效電路動(dòng)畫gmUgs. +-Ugs.+Ui.+Uo.sdgRg 4.用微變等效電路法分析共源極放大電路gmUgs.+Ui.+Uo.+Ugs.（1）電壓放大倍數(shù)（2）輸入電阻近似等于場效應(yīng)管柵源間的電阻（3）輸出電阻RD例 單管共源極放大電路

14、如圖所示，已知VGG=6V，VDD=15V，Rd=3 ，場效應(yīng)管的開啟電壓UGS(th)=4V，IDO=10mA。(1)試估算靜態(tài)工作點(diǎn)Q；(2)電壓放大倍數(shù)和輸出電阻RgRDVGGsdg+-uIuO+-VDD解：(1)估算靜態(tài)工作點(diǎn)Q(2)電壓放大倍數(shù)和輸出電阻RgRDVGGsdg+-uIuO+-VDDRd+VDD+-uiR1R2Rsuo+-RL分壓式共源放大電路C1+C2+Cs+RgRg提高輸入電阻。Rs穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)1.電路組成靜態(tài)時(shí)，柵極電壓由VDD經(jīng)R1、R2分壓后提供，ID流經(jīng)Rs產(chǎn)生一個(gè)自偏壓。3.4.2 分壓式共源極放大電路 UG+-UDS+-UGS+VDDR1IDRdR2Rg

15、RsID 2. 靜態(tài)分析UG =R1 + R2R1VDDUGSQ = UG - IDQRSIDQ= IDO(UGSQUGS(th)-1)2UDSQ = VDD - IDQ ( Rd + Rs )IG=0, URg=01)近似估算法參數(shù)變化 IDQ IDQRS UGSQ IDQ UG+-UDS+-UGS+VDDR1R2IDRdRsID如何穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)的？UGSQ = UG - IDQRSuDSOiDuGS = 4.5V 4V 3.5V 3V 2VuGS OiD 2)圖解法IDQVGQUGSQuGS = UGQ _ iD RsUGQRSVDDRS+RdUDSQVDDIDQuDS = VDD _

16、iD ( Rd + Rs )UG+-UDS+-UGS+VDDR1R2IDRdRsIDRg+VDD+-uiuo+-RsRLRdC1+C2+Cs+R2R2R1Rd3. 動(dòng)態(tài)分析Rg+-uiuo+-RLR2R1RdRg-uiuo+-RLR2R1RdsdggmUgs.+Ugs.Rg-+-RLR2R1RdsdggmUgs.+Ugs.Ui.Uo.-+-RLR2R1RdRggmUgs.+Ugs.Ui.Uo.Ii.Id.電壓放大倍數(shù)輸入電阻輸出電阻3動(dòng)態(tài)分析 又稱源極輸出器或源極跟隨器Rg+VDDsdg+-uiuO+-R1R2RSC1C2RL 3.4.3 共漏極放大電路 Rg+VDD+-uiuo+-RsRLC

17、1+C2+R2R2R1Rg+-uiR2R1RLuo-+Rsgdssd源極輸出器+VDD+-uiR1R2Rsuo+-RLC1+C2+Rg1.靜態(tài)分析+VDDR1R2RsRg1.靜態(tài)分析UG+-UDS+-UGSIDIDUG =R1 + R2R1VDDIDQ= IDO(UGSQUGS(th)-1)2UDSQ = VDD - IDQ RsUGSQ = - IDQRSR1 + R2 R1VDDRLuo-+Rssd+-uiR2R1gRg+Ugs.gmUgs.2.動(dòng)態(tài)分析RLRsR2R1Rg+Ugs.+-Ui.gmUgs.Id.2.動(dòng)態(tài)分析Uo.+-電壓放大倍數(shù)如果輸入電阻RLRs+-R2R1Rg+Ugs.Ui.gmUgs.+Uo.Io.輸出電阻輸出電阻較小。共漏極放大電路Ro的等效電路【本章小結(jié)】 1.場效應(yīng)管分為結(jié)型場效應(yīng)管和絕緣柵型場效應(yīng)管，后者又稱為MOS型場效應(yīng)管，每種類型都有N溝道和P溝道之分，而絕緣柵型場效應(yīng)管又分為增強(qiáng)型和耗盡型兩種形式。由于MOS場效應(yīng)管比結(jié)型場效應(yīng)管溫度穩(wěn)定性好、集成時(shí)工藝簡單，因而廣泛用于