04.場效應(yīng)管放大電路要點(diǎn)

1、返回第四章 場效應(yīng)管放大電路由于半導(dǎo)體三極管工作在放大狀態(tài)時(shí)，必須保證發(fā)射結(jié)正偏，故輸入端始終存在輸入電流。改變輸入電流就可改變輸出電流，所以三極管是電流控制器件， 因而三極管組成的放大器，其輸入電阻不高。場效應(yīng)管是通過改變輸入電壓（即利用電場效應(yīng)）來控制輸出電流的，屬于電 壓控制器件，它不吸收信號源電流，不消耗信號源功率，因此輸入電阻十分高， 可高達(dá)上百兆歐。除此之外，場效應(yīng)管還具有溫度穩(wěn)定性好，抗輻射能力強(qiáng)、噪 聲低、制造工藝簡單、便于集成等優(yōu)點(diǎn)，所得到廣泛的應(yīng)用。場效應(yīng)管分為結(jié)型場效應(yīng)管（JFET）和絕緣柵場效應(yīng)管（IGFET），目前最常用 的MOS管。由于半導(dǎo)體三極管參與導(dǎo)電的兩種極性

2、的載流子， 電子和空穴，所以又稱為 半導(dǎo)體三極管雙極性三極管。場效應(yīng)管僅依靠一種極性的載流子導(dǎo)電，所以又稱 為單極性三極管。FET Field Effect tran sistorJFET Junction Field Effect tran sistorIGFET In sulated Gate Field Effect Tran sistorMOS Metal-Oxide-Semico nductor1結(jié)型場效應(yīng)管P型構(gòu)道N型溝道D（c） N型溝道（d） P型溝道一、結(jié)構(gòu)結(jié)型場效應(yīng)管有兩種結(jié)構(gòu)形式。N型溝道結(jié)型場效應(yīng)管和P型溝道結(jié)型場效 應(yīng)管。以N溝道為例。在一塊N型硅半導(dǎo)體材料的的兩邊，

3、利用合金法、擴(kuò)散 法或其它工藝做成高濃度的 P+型區(qū)，使之形成兩個(gè)PN結(jié)，然后將兩邊的卩+型 區(qū)連在一起，引出一個(gè)電極，稱為柵極 G。在N型半導(dǎo)體兩端各引出一個(gè)電極， 分別作為源極S和漏極D。夾在兩個(gè)PN結(jié)中間的N型區(qū)是源極與漏極之間的電 流通道，稱為導(dǎo)電溝道。由于 N型半導(dǎo)體多數(shù)載流子是電子，故此溝道稱為 N 型溝道。同理，P型溝道結(jié)型場效應(yīng)管中，溝道是 P型區(qū)，稱為P型溝道，柵極 與N型區(qū)相連。電路符號如圖所示，箭頭方向可理解為兩個(gè)PN結(jié)的正向?qū)щ姺较?。、工作原理從結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)可看出，我們在 D、S間加上電壓Uds，則在源極和 漏極之間形成電流Id。我們通過改變柵極和源極的反向電壓

4、Ugs,則可以改變兩 個(gè)PN結(jié)阻檔層(耗盡層)的寬度。由于柵極區(qū)是高摻雜區(qū)，所以阻擋層主要降在 溝道區(qū)。故|Ugs|的改變，會引起溝道寬度的變化，其溝道電阻也隨之而變，從而 改變了漏極電流Id。如|Ugs上升，則溝道變窄，電阻增加，Id下降。反之亦然。 所以改變Ugs的大小，可以控制漏極電流。這是場效應(yīng)管工作的基本原理，也是 核心部分。下面我們詳細(xì)討論。1. Ugs對導(dǎo)電溝道的影響為了便于討論，先假設(shè)Uds=O。(a) UGs=O(b) UGsvO當(dāng)Ugs由零向負(fù)值增大時(shí)，PN結(jié)的阻擋層加厚，溝道變窄，電阻增大。(c) Ugs= - Up若Ugs的負(fù)值再進(jìn)一步增大，當(dāng) Ugs= - Up時(shí)，兩

5、個(gè)PN結(jié)的阻擋層相遇,(a)血丸溝道消失，我們稱溝道被“夾斷”了,Up稱為夾斷電壓，此時(shí)Id=O。2. Id與Uds、Ugs之間的關(guān)系假定：柵、源電壓 |Ugs|v|Up|，女口 Ugs=- 1V，Up=- 4V。當(dāng)Uds=2V時(shí)，溝道中將有電流Id通過。此電流將沿著溝道方向產(chǎn)生一個(gè)電 壓降，這樣溝道上各點(diǎn)的電位就不同，因而溝道內(nèi)各點(diǎn)的電位就不同，因而溝道 內(nèi)各點(diǎn)與柵極的電位差也就不相等。漏極端與柵極之間的反向電壓最高，如： Udg=Uds- Ugs=2 - ( - 1)=3V，沿著溝道向下逐漸降低，源極端為最低，女口： Usg= -Ugs=1V，兩個(gè)PN結(jié)阻擋層將出現(xiàn)楔形，使得靠近源極端溝道

6、較寬，而靠近 漏極端的溝道較窄。如下圖(a)所示。此時(shí)再增大Uds，由于溝道電阻增長較慢， 所以Id隨之增加。預(yù)夾斷當(dāng)進(jìn)一步增加Uds，當(dāng)柵、漏間電壓Ugd等于Up時(shí)，即Ugd=U GS - Uds=Up則在D極附近，兩個(gè)PN結(jié)的阻擋層相遇，如下圖（b）所示。我們稱為預(yù)夾 斷。如果繼續(xù)升高Uds，就會使夾斷區(qū)向源極端方向發(fā)展，溝道電阻增加。由于 溝道電阻的增長速率與Uds的增加速率基本相同，故這一期間Id趨于一恒定值, 不隨Uds的增大而增大，此時(shí)，漏極電流的大小僅取決于 Ugs的大小。Ugs越負(fù), 溝道電阻越大，Id便越小。（）0. |UpI時(shí)，管子的導(dǎo)電溝道處于完全夾斷狀態(tài)，Id=O,場

7、效應(yīng)管截止。2、轉(zhuǎn)移特性曲線當(dāng)漏、源之間電壓Uds保持不變時(shí)， 漏極電流Id和柵、源之間電壓Ugs的關(guān)系 稱為轉(zhuǎn)移特性。即I D = f 心 GS ) |u DS :常數(shù)它描述了柵、源之間的電壓 Ugs對漏 極電流Id的控制作用。由圖可見：Ugs=O 時(shí)，Id=Idss為飽合漏極電流Idss|Ugs|增大，Id減小，當(dāng)Ugs= - Up時(shí), Id=O。Up稱為夾斷電壓。結(jié)型場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性在 Ugs=0 Up范圍內(nèi)可用下面近似公式表示：N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性.曲紋%皿忖mA 4 - 6由輸出特性畫轉(zhuǎn)移特性 U GSUp根據(jù)輸出特性曲線可以做出轉(zhuǎn)移特性曲線。2絕緣柵場效應(yīng)管絕緣柵場效應(yīng)管

8、通常由金屬、氧化物和半導(dǎo)體制成，所以又稱為金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管，簡稱為MOS場效應(yīng)管。由于這種場效應(yīng)管的柵極被絕緣層（SiO2）隔離（所以稱為絕緣柵）。因此其輸入電阻更高，可達(dá)109Q以上 N溝道P溝道 增強(qiáng)型 耗盡型 共有四種類型。一、N溝道增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管1 結(jié)構(gòu)N溝道增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示 意圖如右圖所示。把一塊摻雜濃度較低的P 型半導(dǎo)體作為襯底，然后在其表面上覆蓋一 層SiO2的絕緣層，再在SiO2層上刻出兩個(gè) 窗口，通過擴(kuò)散工藝形成兩個(gè)高摻雜的NP型襯底IbN溝道增強(qiáng)型M（用場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)示意圖各自噴上一層金屬鋁，分別引出源極、漏極和 控制柵極。襯底上也引出一根引線，

9、通常情況 下將它和源極在內(nèi)部相連。2.工作原理結(jié)型場效應(yīng)管是通過改變 Ugs來控制PN 結(jié)的阻擋層寬窄，從而改變導(dǎo)電溝道的寬度， 達(dá)到控制漏極電流Id的目的。而絕緣柵場效應(yīng) 管則是利用Ugs來控制“感應(yīng)電荷”的多少， 以改變由這些“感應(yīng)電荷”形成的導(dǎo)電溝道的 狀況，然后達(dá)到控制漏極電流Id的目的。對N溝道增強(qiáng)型的 MOS場效應(yīng)管，當(dāng) Ugs=0時(shí)，在漏極和源極的兩個(gè) N+區(qū)之間是PD-0I N十丿二冷斗N+丿N型溝道P型襯底型區(qū)仙N+表示），并在N+區(qū)和SiO2的表面UUT時(shí)形成導(dǎo)電溝道型襯底，因此漏、源之間相當(dāng)于兩個(gè)背靠背的 PN結(jié)。所以無論漏、源之間加上何種極性的電壓，總是不導(dǎo)通的，Id=

10、0。當(dāng)Ugs0時(shí)，（為方便假定Uds=0），則在SiO2的絕緣層中，產(chǎn)生了一個(gè)垂直 半導(dǎo)體表面，由柵極指向P型襯底的電場。這個(gè)電場排斥空穴吸引電子，當(dāng)UgsUt時(shí)，在絕緣柵下的P型區(qū)中形成了一層以電子為主的 N型層。由于源極 和漏極均為N+型，故此N型層在漏、源極間形成電子導(dǎo)電的溝道，稱為 N型溝 道。Ut稱為開啟電壓，此時(shí)在漏、源極間加 Uds，則形成電流Id。顯然，此時(shí) 改變Ugs則可改變溝道的寬窄，即改變溝道電阻大小，從而控制了漏極電流Id的大小。由于這類場效應(yīng)管在 Ugs=0時(shí)，|d=0，只有在UgsUt后才出現(xiàn)溝道， 形成電流，故稱為增強(qiáng)型。3. 特性曲線N溝道增強(qiáng)型場效應(yīng)管，也用轉(zhuǎn)

11、移特性、輸出特性表示Id、Ugs、Uds之間的關(guān)系，如下圖所示。轉(zhuǎn)移特性：Ugs 0時(shí)，將產(chǎn)生較大的漏極電 流Id。如果使Ugs0,貝尼將削弱正離子所形成的電場，使 N溝道變窄，從而 使Id減小。當(dāng)Ugs更負(fù)，達(dá)到某一數(shù)值時(shí)溝道消失，Id=0。使Id=0的Ugs我們 也稱為夾斷電壓，仍用Up表示。UgsUp溝道消失，稱為耗盡型。N溝道耗盡型MOS場效應(yīng)管的特性曲線3 特性曲線N溝道MOS耗盡型場效應(yīng)管的特性曲線如下圖所示，也分為轉(zhuǎn)移特性和輸 出特性。其中：Idss Ugs=0時(shí)的漏極電流。UpId=0對應(yīng)的Ugs的值。fD軻底2)p溝道增孫型(f) P溝道MOW營簡化昭號P溝道場效應(yīng)管的工作原

12、理與N溝道類似。我們不再討論F面我們看一下各類絕緣柵場效應(yīng)管(MOS場效應(yīng)管)在電路中的符號 3場效應(yīng)管的主要參數(shù)場效應(yīng)管主要參數(shù)包括直流參數(shù)、交流參數(shù)、極限參數(shù)三部分、直流參數(shù)1.飽合漏極電流IdssIdss是耗盡型和結(jié)型場效應(yīng)管的一個(gè)重要參數(shù)定義：當(dāng)柵、源極之間的電壓Ugs=O,而漏、源極之間的電壓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)。定義：當(dāng)Uds 一定時(shí)，使Id減小到某一個(gè)微小電流（如1卩A , 50卩A）時(shí)所需 Ugs的值。3. 開啟電壓UtUt是增強(qiáng)型場效應(yīng)管的重要參數(shù)。定義：當(dāng)Uds 一定時(shí)，漏極電流Id達(dá)到某一數(shù)值（如1

13、0卩A）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106Q以上，MOS管可達(dá)1010Q以上。 二、交流參數(shù)1 .低頻跨導(dǎo)gm此參數(shù)是描述柵、源電壓 Ugs對漏極電流的控制作用，它的定義是當(dāng)Uds定時(shí)，Id與Ugs的變化量之比，即EU GS U ds 臬數(shù)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。在轉(zhuǎn)移特 性上工作點(diǎn)Q外切線的斜率即是gm。或由輸出特性看，在工作點(diǎn)處作一條垂直 橫坐標(biāo)的直線（表示Uds=常數(shù)），在Q點(diǎn)上下取一個(gè)較小的柵、源電壓變化量 Ugs,然后從縱坐標(biāo)上找到相

14、應(yīng)的漏極電流的變化量 Id/ UGs,則gm = A Id/ LGsoI D =丨 DSS 1此外。對結(jié)型場效應(yīng)管，可由_ U GSUp求得-U GS2 丨 DSSU gs (I _)UpUp只要將工作點(diǎn)處的Ugs值代入就可求得gm2.極間電容場效應(yīng)管三個(gè)極間的電容。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。三、極限參數(shù)PDm = lDUDS2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)，外加在漏極、源極之間的電壓不得超過此值。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 P

15、N 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 管，柵源極擊穿后不能恢復(fù)， 因?yàn)闁艠O與溝道間的 siO2 被擊穿屬 破壞性擊穿。 4 場效應(yīng)管的特點(diǎn)場效應(yīng)管具有放大作用，可以組成各種放大電路，它與雙極性三極管相比， 具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：1、場效應(yīng)管是一種電壓控制器件通過Ugs來控制Id。而雙極性三極管是電流控制器件，通過 Ib來控制lc。2、場效應(yīng)管輸入端幾乎沒有電流場效應(yīng)管工作時(shí)，柵、源極之間的 PN 結(jié)處于反向偏置狀態(tài)，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。 而雙極性三極管， 發(fā)射 結(jié)始終處于正向偏置，總是存在輸入電流，故 b、 e 極

16、間的輸入電阻較小。3、場效應(yīng)管利用多子導(dǎo)電由于場效應(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)定性好而且存在零溫度系數(shù)工作點(diǎn)等特性。4、場效應(yīng)管的源漏極有時(shí)可以互換使用由于場效應(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。 因此使用時(shí)比較方便、 靈活對于有的絕緣柵場效應(yīng)管， 制造時(shí)源極 已和襯底連在一起，則源極和漏極不能互換。5、場效應(yīng)管的制造工藝簡單，便于大規(guī)模集成每個(gè) MOs 場效應(yīng)管在硅片上所占的面積只有雙極性三極管的 5%，因此集 成度更高。6、MOs 管輸入電阻高，柵源極容易被靜電擊穿MOS場效應(yīng)管的輸入電

17、阻可高達(dá) 1015Q，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 絕緣層雙很薄，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)較小組成放大電路時(shí)，在相同負(fù)載電阻下，電壓放大倍數(shù)比雙極性三極管低。5場效應(yīng)管放大電路根據(jù)前面講的場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和工作原理， 和雙極性三極管比較可知，場效 應(yīng)管具有放大作用，它的三個(gè)極和雙極性三極管的三個(gè)極存在著對應(yīng)關(guān)系即：G（柵極）-b（基極）S（源極）-e（發(fā)射極）D（漏極）-c（集電極）所以根據(jù)雙極性三極管放大電路，可組成相應(yīng)的場效應(yīng)管放大電路。 但由于 兩種放大器件各自的特點(diǎn)，故不能將雙極性三極管放大電路

18、的三極管簡單地用場 效應(yīng)管取代，組成場效應(yīng)管放大電路。雙極性三極管是電流控制器件，組成放大電路時(shí)，應(yīng)給雙極性三極管設(shè)置偏 置偏流，而場效應(yīng)管是電壓控制器件，故組成放大電路時(shí)，應(yīng)給場效應(yīng)管設(shè)置偏 壓，保證放大電路具有合適的工作點(diǎn)，避免輸出波形產(chǎn)生嚴(yán)重的非線性失真。 一、靜態(tài)工作點(diǎn)與偏置電路由于場效應(yīng)管種類較多，故采用的偏置電路，其電壓極性必須考慮。下面以 N溝道為例進(jìn)行討論。N溝道的結(jié)型場效應(yīng)管只能工作在 Ugs0,而耗盡型工作在UgsvO。1.1.自給偏壓偏置電路右圖給出的是一種稱為自給偏壓電路的偏置電路， 它適用于結(jié)型場效應(yīng)管或 耗盡型場效應(yīng)管。它依靠漏極電流Id在Re上的電壓降提供柵極偏壓

19、。即Ugs= IdRs自給偏壓電路同樣，在Rs上要并聯(lián)一個(gè)足夠大的 旁路電容。由場效應(yīng)管的工作原理我們知道 Id 是隨Ugs變化的，而現(xiàn)在Ugs又取決于I D 的大小，怎么確定靜態(tài)工作點(diǎn)的Id和Ugs 的值呢？ 一般可采用兩種方法：圖解法和 計(jì)算法。圖解法首先，作直流負(fù)載線，由漏極回路寫 出方程Uds=Udd Id（Rd+Rs）4 - 17 朮自給偏恵電路Q點(diǎn)的囲雀法由此在輸出特性曲線上做出直流負(fù)載線 AB，將此直流負(fù)載線逐點(diǎn)轉(zhuǎn)到ugs iD坐標(biāo)，得到對應(yīng)直流負(fù)載線的轉(zhuǎn)移特性曲線 CD，再由Ugs= - IdRs在轉(zhuǎn)移特性 坐標(biāo)中作另一條直線，兩線的交點(diǎn)即為 Q點(diǎn)。計(jì)算法I D - I DSS

20、 (1U GS)2Up)Ugs = -1 dRs【例】電路如上頁圖，場效應(yīng)管為 3DJG，其輸出特性曲線如下圖所示，已 知RD=2kQ, Rs=1.2kQ, Udd=15V，試用圖解法確定該放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)。i iV1f mA6 -03 4 - 18囲解法冊定工作點(diǎn)(例。解：寫出輸出回路的電壓電流方程，即直流負(fù)載線方程。丄型 154.7mARd Rs 2 1.2Uds=U DD I d(Rd+Rs)設(shè)Uds=0V時(shí)b=OmA 時(shí) Uds =15V在輸出特性圖上將上述兩點(diǎn)相連得直流負(fù)載線。再根據(jù)上述直流負(fù)載線與輸出特性曲線簇的交點(diǎn)，轉(zhuǎn)移到UGSiD坐標(biāo)系中,畫出相應(yīng)于該直流負(fù)載線的轉(zhuǎn)移特性曲線

21、。在轉(zhuǎn)移特性曲線上，做出Ugs= - IdRs的曲線。它在UGSiD坐標(biāo)系中是一條直線，找出兩點(diǎn)即可令I(lǐng)d=OUgs=Ob=3mAUgs=3.6V連接這兩點(diǎn)，在UGSiD坐標(biāo)系中得一直線，此直線與轉(zhuǎn)移特性曲線的交點(diǎn) 即為Q點(diǎn)，對應(yīng)Q點(diǎn)的值為：b=2.5mAUgs= - 3VUds=7V2.分壓式偏置電路分壓式偏置電路也是一種常用的偏置電路， 該種電路適用于所有類型的場效 應(yīng)管，如下圖所示，為了不使分壓電阻R1、R2對放大電路的輸入電阻影響太大, 故通過RG與柵極相連。該電路柵、源電壓為：U gs = U g -UsR uR, R2DD -I d Rs：*1聯(lián)立解下面方程組：R R2Id =Id

22、ss（1 -仏）2UpUgs 譏-UsDD -1D RS分壓式偏置電路O圖解法同上，不過Id=O，Ugs不等于0，而為U gsU ddR, R2計(jì)算法【例】試計(jì)算上圖的靜態(tài)工作點(diǎn)。已知Ri=50kQ，R2=150kQ，Rg=1M Q，RD=Rs=10kQ， Rl=1M Q，5V，lDss=1mA 0解：Cs=100 卩 F，Udd=20V，場效應(yīng)管為 3DJF，其 Up=-50UGs =漢 20 10lD50 +150D(ugs YId =1 1+ J 丨5 J即Ugs = 5-10Idu gs YId = 1+ :S |5丿將Ugs代入Id式得：i1+5t0|d215丿41； _9Id +4

23、 = 0 lD =0.61mAUgs =5一0.61 10 - -1.1V漏極對地電壓為：Ud=Udd - IdRd=20 - 0.61 X 10=13.9V二、場效應(yīng)管的微變等效電路由于場效應(yīng)管輸入端不取電流，輸入電阻極大，故輸入端可視為開路。場效 應(yīng)管僅存在如下關(guān)系：i = f (Ugs,uds)diD.:i.UgsduGS.iDS.:uDSGS/UgsDSduDS:iUDSUgsidmUgssD2 1 DSSU GS、(I _)UpUprD很大，可以認(rèn)為開路Id - gmUgs根據(jù)電路方程可畫出等效電路如右上圖所示三、共源極放大電路放大電路和微變等效電路如下圖與示。場效應(yīng)管放大電路的動(dòng)態(tài)分析同雙極 性三極管，也是求電壓放大倍數(shù) Au、輸入電阻ri和輸出電阻r。分壓式偏置共源極敖丸電路共源極放大電路微瓷等敢電路1 電壓放大倍數(shù)AuUoUi根據(jù)電壓放大倍數(shù)的定義由等效電路可得：Uo - -gmUgsR再找出Uo和Ui的關(guān)系，即Ugs和Ui的關(guān)系，從等效電路可得:Ui=Ugs所以