第四章場效應(yīng)管放大電路第一頁，共五十六頁，2022年，8月28日場效應(yīng)管只有一種載流子參與導(dǎo)電，且利用電場效應(yīng)來控制電流的三極管，稱為場效應(yīng)管，也稱單極型三極管。場效應(yīng)管分類結(jié)型場效應(yīng)管（JFET）絕緣柵場效應(yīng)管（MOSFET）特點(diǎn)單極型器件(一種載流子導(dǎo)電)；輸入電阻高；工藝簡單、易集成、功耗小、體積小、成本低。第二頁，共五十六頁，2022年，8月28日4.1結(jié)型場效應(yīng)管4.2絕緣柵場效應(yīng)管4.3場效應(yīng)管的主要參數(shù)4.4場效應(yīng)管的特點(diǎn)4.5場效應(yīng)管放大電路第三頁，共五十六頁，2022年，8月28日DSGN符號(hào)4.1結(jié)型場效應(yīng)管4.1.1結(jié)構(gòu)圖4-1（a）N溝道結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)圖N型溝道N型硅棒柵極源極漏極P+P+P型區(qū)耗盡層(PN結(jié))在漏極和源極之間加上一個(gè)正向電壓，N型半導(dǎo)體中多數(shù)載流子電子可以導(dǎo)電。導(dǎo)電溝道是N型的，稱N溝道結(jié)型場效應(yīng)管。第四頁，共五十六頁，2022年，8月28日P溝道場效應(yīng)管圖4-1（b）P溝道結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)圖N+N+P型溝道GSDP溝道場效應(yīng)管是在P型硅棒的兩側(cè)做成高摻雜的N型區(qū)(N+)，導(dǎo)電溝道為P型，多數(shù)載流子為空穴。符號(hào)GDS第五頁，共五十六頁，2022年，8月28日4.1.2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。GDSNN型溝道柵極源極漏極P+P+耗盡層*在柵極和源極之間加反向電壓，耗盡層會(huì)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。

*耗盡層的寬度改變主要在溝道區(qū)。第六頁，共五十六頁，2022年，8月28日1.設(shè)UDS=0，在柵源之間加負(fù)電源UGS，改變UGS大小。觀察耗盡層的變化。ID=0GDSN型溝道P+P+

(a)

UGS=0UGS=0時(shí)，耗盡層比較窄，導(dǎo)電溝比較寬UGS由零逐漸增大，耗盡層逐漸加寬，導(dǎo)電溝相應(yīng)變窄。當(dāng)UGS=UP，耗盡層合攏，導(dǎo)電溝被夾斷，夾斷電壓UP為負(fù)值。ID=0GDSP+P+N型溝道

(b)

UGS<0UGSID=0GDSP+P+

(c)

UGS=UPUGS圖4-2當(dāng)UDS=0時(shí)UGS對導(dǎo)電溝道的影響第七頁，共五十六頁，2022年，8月28日2.在漏源極間加正向電壓UDS>0，在柵源間加負(fù)電源UGS，觀察UGS變化時(shí)耗盡層和漏極ID。UGS=0，UDG<，ID較大。GDSP+NISIDP+P+UDSUGSUGS<0，UDG<，ID較小。GDSNISIDP+P+UDS注意：當(dāng)UDS>0時(shí)，耗盡層呈現(xiàn)楔形。(a)(b)圖4-3UDS對導(dǎo)電溝道的影響第八頁，共五十六頁，2022年，8月28日GDSP+NISIDP+P+UDSUGSUGS<0,UDG=|UP|,ID更小,預(yù)夾斷UGS≤UP,UDG>|UP|,ID0,夾斷GDSISIDP+UDSUGSP+P+(1)改變UGS,改變了PN結(jié)中電場，控制了ID，故稱場效應(yīng)管；(2)結(jié)型場效應(yīng)管柵源之間加反向偏置電壓，使PN反偏，柵極基本不取電流，因此，場效應(yīng)管輸入電阻很高。(c)(d)圖4-3UDS對導(dǎo)電溝道的影響第九頁，共五十六頁，2022年，8月28日4.1.3特性曲線1.轉(zhuǎn)移特性(N溝道結(jié)型場效應(yīng)管為例)O

UGSIDIDSSUP圖4-4（b）轉(zhuǎn)移特性UGS=0，ID最大；UGS愈負(fù)，ID愈小；UGS=UP，ID0。兩個(gè)重要參數(shù)飽和漏極電流IDSS(UGS=0時(shí)的ID)夾斷電壓UP

(ID=0時(shí)的UGS)UDSIDUDDUGSDSGV+V+UGS圖4-4（a）特性曲線測試電路+mA第十頁，共五十六頁，2022年，8月28日1.轉(zhuǎn)移特性O(shè)uGS/VID/mAIDSSUP圖4-4（b）轉(zhuǎn)移特性2.輸出特性當(dāng)柵源之間的電壓UGS不變時(shí)，漏極電流ID與漏源之間電壓UDS的關(guān)系，即結(jié)型場效應(yīng)管轉(zhuǎn)移特性曲線的近似公式：≤≤第十一頁，共五十六頁，2022年，8月28日IDSS/VID/mAUDS/VOUGS=0V-1-2-3-4-5-6-7預(yù)夾斷軌跡恒流區(qū)擊穿區(qū)可變電阻區(qū)輸出特性也有四個(gè)區(qū)：可變電阻區(qū)、恒流區(qū)和截止區(qū)、擊穿區(qū)。2.輸出特性UDSIDUDDVGGDSGV+V+UGS圖4-5（a）特性曲線測試電路+mA圖4-5(b)輸出特性截止區(qū)第十二頁，共五十六頁，2022年，8月28日場效應(yīng)管的兩組特性曲線之間互相聯(lián)系，可根據(jù)輸出特性用作圖的方法得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)移特性。UDS=常數(shù)ID/mA0-0.5-1-1.5UGS/VUDS=15V5ID/mAUDS/V0UGS=0-0.4V-0.8V-1.2V-1.6V101520250.10.20.30.40.5結(jié)型場效應(yīng)管柵極基本不取電流，其輸入電阻很高，可達(dá)107以上。如希望得到更高的輸入電阻，可采用絕緣柵場效應(yīng)管。圖4-6在輸出特性上用作圖法求轉(zhuǎn)移特性第十三頁，共五十六頁，2022年，8月28日4.2絕緣柵型場效應(yīng)管由金屬、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(diǎn)：輸入電阻可達(dá)109以上。類型N溝道P溝道增強(qiáng)型耗盡型增強(qiáng)型耗盡型UGS=0時(shí)漏源間存在導(dǎo)電溝道稱耗盡型場效應(yīng)管；UGS=0時(shí)漏源間不存在導(dǎo)電溝道稱增強(qiáng)型場效應(yīng)管。第十四頁，共五十六頁，2022年，8月28日4.2.1N溝道增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管1.結(jié)構(gòu)P型襯底N+N+BGSDSiO2源極S漏極D襯底引線B柵極G圖4-7N溝道增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖第十五頁，共五十六頁，2022年，8月28日2.工作原理絕緣柵場效應(yīng)管利用UGS來控制“感應(yīng)電荷”的多少，改變由這些“感應(yīng)電荷”形成的導(dǎo)電溝道的狀況，以控制漏極電流ID。工作原理分析(1)UGS=0漏源之間相當(dāng)于兩個(gè)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。SBD圖4-8第十六頁，共五十六頁，2022年，8月28日(2)

UDS=0，0<UGS<UTP型襯底N+N+BGSDP型襯底中的電子被吸引靠近SiO2與空穴復(fù)合，產(chǎn)生由負(fù)離子組成的耗盡層。增大UGS耗盡層變寬。UGG---------(3)

UDS=0，UGS≥UT由于吸引了足夠多的電子，會(huì)在耗盡層和SiO2之間形成可移動(dòng)的表面電荷層——---N型溝道反型層、N型導(dǎo)電溝道。UGS升高，N溝道變寬。因?yàn)閁DS=0，所以ID=0。UT為開始形成反型層所需的UGS，稱開啟電壓。第十七頁，共五十六頁，2022年，8月28日(4)

UDS對導(dǎo)電溝道的影響(UGS>UT)導(dǎo)電溝道呈現(xiàn)一個(gè)楔形。漏極形成電流ID。b.UDS=UGS–UT，

UGD=UT靠近漏極溝道達(dá)到臨界開啟程度，出現(xiàn)預(yù)夾斷。c.UDS>UGS–UT，

UGD<UT由于夾斷區(qū)的溝道電阻很大，UDS逐漸增大時(shí)，導(dǎo)電溝道兩端電壓基本不變，ID因而基本不變。a.UDS<UGS–UT，即UGD=UGS–UDS>UTP型襯底N+N+BGSDVGGVDDP型襯底N+N+BGSDVGGVDDP型襯底N+N+BGSDUGGUDD夾斷區(qū)第十八頁，共五十六頁，2022年，8月28日DP型襯底N+N+BGSUGGUDDP型襯底N+N+BGSDUGGUDDP型襯底N+N+BGSDUGGUDD夾斷區(qū)圖4-9UDS對導(dǎo)電溝道的影響(a)

UGD>UT(b)

UGD=UT(c)

UGD<UT第十九頁，共五十六頁，2022年，8月28日3.特性曲線(a)轉(zhuǎn)移特性(b)輸出特性UGS<UT，ID=0；UGS

≥

UT，形成導(dǎo)電溝道，隨著UGS的增加，ID

逐漸增大。(當(dāng)UGS>UT時(shí))四個(gè)區(qū)：可變電阻區(qū)、恒流區(qū)(或飽和區(qū))、截止區(qū)。UT2UTIDOUGS/VID/mAO圖4-10(a)ID/mAUDS/VO預(yù)夾斷軌跡恒流區(qū)擊穿區(qū)可變電阻區(qū)圖4-10(b)截止區(qū)第二十頁，共五十六頁，2022年，8月28日4.2.2N溝道耗盡型MOS場效應(yīng)管P型襯底N+N+BGSD++++++制造過程中預(yù)先在二氧化硅的絕緣層中摻入正離子，這些正離子電場在P型襯底中“感應(yīng)”負(fù)電荷，形成“反型層”。即使UGS=0也會(huì)形成N型導(dǎo)電溝道。++++++++++++UGS=0，UDS>0，產(chǎn)生較大的漏極電流；UGS<0，絕緣層中正離子感應(yīng)的負(fù)電荷減少，導(dǎo)電溝道變窄，ID減?。籙GS=-UP,感應(yīng)電荷被“耗盡”，ID

0。UP稱為夾斷電壓圖4-11第二十一頁，共五十六頁，2022年，8月28日N溝道耗盡型MOS管特性工作條件：UDS>0；UGS正、負(fù)、零均可。ID/mAUGS/VOUP(a)轉(zhuǎn)移特性IDSS圖4-13MOS管的符號(hào)SGD襯底SGD襯底(b)漏極特性ID/mAUDS/VO+1VUGS=0-3V-1V-2V43215101520圖4-12特性曲線第二十二頁，共五十六頁，2022年，8月28日圖4-14MOS場效應(yīng)管電路符號(hào)第二十三頁，共五十六頁，2022年，8月28日種類符號(hào)轉(zhuǎn)移特性輸出特性

結(jié)型N溝道耗盡型

結(jié)型P溝道耗盡型

絕緣柵型N溝道增強(qiáng)型SGDSGDIDUGS=0V+UDS++oSGDBUGSIDOUT表4-1各類場效應(yīng)管的符號(hào)和特性曲線+UGS=UTUDSID+++OIDUGS=0V---UDSOUGSIDUPIDSSOUGSID/mAUPIDSSO第二十四頁，共五十六頁，2022年，8月28日種類符號(hào)轉(zhuǎn)移特性輸出特性絕緣柵型N溝道耗盡型絕緣柵型P溝道增強(qiáng)型耗盡型IDSGDBUDSID_UGS=0+__OIDUGSUPIDSSOSGDBIDSGDBIDIDUGSUTOIDUGSUPIDSSO_IDUGS=UTUDS_o_UGS=0V+_IDUDSo+第二十五頁，共五十六頁，2022年，8月28日4.3場效應(yīng)管的主要參數(shù)4.3.1直流參數(shù)

1.飽和漏極電流IDSS

IDSS是耗盡型和結(jié)型場效應(yīng)管的一個(gè)重要參數(shù),它的定義是當(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UP時(shí)對應(yīng)的漏極電流。

2.夾斷電壓UPUP也是耗盡型和結(jié)型場效應(yīng)管的重要參數(shù),其定義為當(dāng)UDS一定時(shí),使ID減小到某一個(gè)微小電流(如1μA,50μA)時(shí)所需的UGS值。第二十六頁，共五十六頁，2022年，8月28日

3.開啟電壓UTUT是增強(qiáng)型場效應(yīng)管的重要參數(shù),它的定義是當(dāng)UDS一定時(shí),漏極電流ID達(dá)到某一數(shù)值(例如10μA)時(shí)所需加的UGS值。

4.直流輸入電阻RGSRGS是柵、源之間所加電壓與產(chǎn)生的柵極電流之比。由于柵極幾乎不索取電流,因此輸入電阻很高。結(jié)型為106Ω以上,MOS管可達(dá)1010Ω以上。第二十七頁，共五十六頁，2022年，8月28日4.3.2交流參數(shù)1.低頻跨導(dǎo)gm

跨導(dǎo)gm的單位是mA/V。它的值可由轉(zhuǎn)移特性或輸出特性求得。第二十八頁，共五十六頁，2022年，8月28日圖4-15根據(jù)場效應(yīng)管的特性曲線求gm

第二十九頁，共五十六頁，2022年，8月28日

2.極間電容

場效應(yīng)管三個(gè)電極之間的電容,包括CGS、CGD和CDS。這些極間電容愈小,則管子的高頻性能愈好。一般為幾個(gè)pF。第三十頁，共五十六頁，2022年，8月28日4.3.3極限參數(shù)1.漏極最大允許耗散功率PDmPDm與ID、UDS有如下關(guān)系:這部分功率將轉(zhuǎn)化為熱能,使管子的溫度升高。PDm決定于場效應(yīng)管允許的最高溫升。

2.漏、源間擊穿電壓BUDS在場效應(yīng)管輸出特性曲線上,當(dāng)漏極電流ID急劇上升產(chǎn)生雪崩擊穿時(shí)的UDS。工作時(shí)外加在漏、源之間的電壓不得超過此值。第三十一頁，共五十六頁，2022年，8月28日

3.柵源間擊穿電壓BUGS

結(jié)型場效應(yīng)管正常工作時(shí),柵、源之間的PN結(jié)處于反向偏置狀態(tài),若UGS過高,PN結(jié)將被擊穿。對于MOS場效應(yīng)管,由于柵極與溝道之間有一層很薄的二氧化硅絕緣層,當(dāng)UGS過高時(shí),可能將SiO2絕緣層擊穿,使柵極與襯底發(fā)生短路。這種擊穿不同于PN結(jié)擊穿,而和電容器擊穿的情況類似,屬于破壞性擊穿,即柵、源間發(fā)生擊穿,MOS管立即被損壞。第三十二頁，共五十六頁，2022年，8月28日4.4場效應(yīng)管的特點(diǎn)

(1)場效應(yīng)管是一種電壓控制器件,即通過UGS來控制ID。(2)場效應(yīng)管輸入端幾乎沒有電流,所以其直流輸入電阻和交流輸入電阻都非常高。(3)由于場效應(yīng)管是利用多數(shù)載流子導(dǎo)電的,因此,與雙極性三極管相比,具有噪聲小、受幅射的影響小、熱穩(wěn)定性較好而且存在零溫度系數(shù)工作點(diǎn)等特性。第三十三頁，共五十六頁，2022年，8月28日

(4)由于場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)對稱,有時(shí)漏極和源極可以互換使用,而各項(xiàng)指標(biāo)基本上不受影響,因此應(yīng)用時(shí)比較方便、靈活。(5)場效應(yīng)管的制造工藝簡單,有利于大規(guī)模集成。(6)由于MOS場效應(yīng)管的輸入電阻可高達(dá)1015Ω,因此,由外界靜電感應(yīng)所產(chǎn)生的電荷不易泄漏,而柵極上的SiO2絕緣層又很薄,這將在柵極上產(chǎn)生很高的電場強(qiáng)度,以致引起絕緣層擊穿而損壞管子。(7)場效應(yīng)管的跨導(dǎo)較小,當(dāng)組成放大電路時(shí),在相同的負(fù)載電阻下,電壓放大倍數(shù)比雙極型三極管低。第三十四頁，共五十六頁，2022年，8月28日圖4–16場效應(yīng)管的零溫度系數(shù)工作點(diǎn)第三十五頁，共五十六頁，2022年，8月28日圖4-17柵極過壓保護(hù)電路第三十六頁，共五十六頁，2022年，8月28日4.5.1共源極放大電路圖4-18共源極放大電路原理電路UDD+uOiDVT~+uIUGGRGSDGRD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(shí)現(xiàn)放大作用，應(yīng)滿足：圖示電路為N溝道增強(qiáng)型MOS

場效應(yīng)管組成的放大電路。(UT：開啟電壓)4.5場效應(yīng)管放大電路第三十七頁，共五十六頁，2022年，8月28日一、靜態(tài)分析UDD+uOiDVT~+uIUGGRGSDGRD圖4-18共源極放大電路原理電路兩種方法近似估算法圖解法(一)近似估算法MOS管柵極電流為零，當(dāng)uI=0時(shí)UGSQ=UGG而iD與uGS之間近似滿足(當(dāng)uGS>UT)式中IDO為uGS=2UT時(shí)的值。則靜態(tài)漏極電流為第三十八頁，共五十六頁，2022年，8月28日

(二)圖解法圖4-19用圖解法分析共源極放大電路的Q點(diǎn)UDDIDQUDSQQ利用式uDS=UDD

-

iDRD畫出直流負(fù)載線。圖中IDQ、UDSQ即為靜態(tài)值。第三十九頁，共五十六頁，2022年，8月28日【例1】電路如圖所示,場效應(yīng)管為3DJG,其輸出特性曲線如圖4-20所示。已知RD=2kΩ,RS=1.2kΩ,UDD=15V,試用圖解法確定該放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)。第四十頁，共五十六頁，2022年，8月28日

解寫出輸出回路的電壓電流方程,即直流負(fù)載線方程設(shè)第四十一頁，共五十六頁，2022年，8月28日在輸出特性圖上將上述兩點(diǎn)相連得直流負(fù)載線。圖4-20圖解法確定工作點(diǎn)(例1)第四十二頁，共五十六頁，2022年，8月28日在轉(zhuǎn)移特性曲線上,作出UGS=-IDRS的曲線。由上式可看出它在uGS~iD坐標(biāo)系中是一條直線,找出兩點(diǎn)即可。令連接該兩點(diǎn),在uGS~iD坐標(biāo)系中得一直線,此線與轉(zhuǎn)移特性曲線的交點(diǎn),即為Q點(diǎn),對應(yīng)Q點(diǎn)的值為:第四十三頁，共五十六頁，2022年，8月28日二、動(dòng)態(tài)分析iD的全微分為上式中定義：——場效應(yīng)管的跨導(dǎo)(毫西門子mS)。——場效應(yīng)管漏源之間等效電阻。1.微變等效電路第四十四頁，共五十六頁，2022年，8月28日二、動(dòng)態(tài)分析如果輸入正弦信號(hào)，則可用有效值代替上式中的變量。成為：根據(jù)上式做等效電路如圖所示。圖4-21場效應(yīng)管的微變等效電路由于沒有柵極電流，所以柵源是懸空的。第四十五頁，共五十六頁，2022年，8月28日微變參數(shù)gm和rD

(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(jì)算gm在Q點(diǎn)附近，可用IDQ表示上式中iD，則一般gm約為0.1至20mS。rD為幾百千歐的數(shù)量級(jí)。當(dāng)RD比rD小得多時(shí)，可認(rèn)為等效電路的rD開路。第四十六頁，共五十六頁，2022年，8月28日2.共源極放大電路的動(dòng)態(tài)性能UDD+uOiDVT~+uIUGGRGSDGRD圖4-22共源極放大電路的微變等效電路將rD開路而所以輸出電阻ro=RDMOS管輸入電阻高達(dá)109

。第四十七頁，共五十六頁，2022年，8月28日4.5.2分壓—自偏壓式共源放大電路一、靜態(tài)分析(一)近似估算法根據(jù)輸入回路列方程圖4-23分壓-自偏式共源放大電路+VT+RGSDGRDR2UDD+RLRSR1C1CSC2+++解聯(lián)立方程求出UGSQ和IDQ。第四十八頁，共五十六頁，2022年，8月28日+VT+RGSDGRDR2UDD+RLRSR1C1CSC2+++圖4-23分壓-自偏式共源放大電路列輸出回路方程求UDSQUDSQ=UDD–IDQ(RD+RS)(二)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(diǎn)為靜態(tài)工作點(diǎn)。確定UGSQ，IDQ。第四十九頁，共五十六頁，2022年，8月28日根據(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(diǎn)確定Q，由Q確定UDSQ和IDQ值。UDSQuDS=UDD–