第四章場(chǎng)效應(yīng)管放大電路

1、第四章場(chǎng)效應(yīng)管放大電路本章內(nèi)容簡(jiǎn)介場(chǎng)效應(yīng)管是利用改變外加電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)控制其導(dǎo)電能力的半導(dǎo)體器件。它具有 雙極型三極管的體積小、重量輕、耗電少、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，還具有輸入電阻高、熱穩(wěn)定性好、 抗輻射能力強(qiáng)、噪聲低、制造工藝簡(jiǎn)單、便于集成等特點(diǎn)。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。場(chǎng)效應(yīng)管的分類(lèi)根據(jù)結(jié)構(gòu)和工作原理的不同，場(chǎng)效應(yīng)管可分為兩大類(lèi)： 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JFET）和絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管（IGFET）。（一）主要內(nèi)容：結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)及工作原理金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)及工作原理場(chǎng)效應(yīng)管放大電路的靜態(tài)及動(dòng)態(tài)性能分析（二）教學(xué)要點(diǎn)：了解結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管和MOS管的工作原理、特性

2、曲線及主要參數(shù)掌握用公式法和小信號(hào)模型分析法分析其放大電路的靜態(tài)及動(dòng)態(tài)性能了解三極管及場(chǎng)效應(yīng)管放大電路的特點(diǎn)（三）基本要求：介紹結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管和MOS管的工作原理、特性曲線，重點(diǎn)介紹用公式法和小信號(hào)模型分析法分析其放大電路靜態(tài)及動(dòng)態(tài)性能。4.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管4.1.1 JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理1.結(jié)構(gòu)在一塊N型半導(dǎo)體材料的兩邊各擴(kuò)散 一個(gè)高雜質(zhì)濃度的P+區(qū)，就形成兩個(gè)不對(duì) 稱(chēng)的PN結(jié)，即耗盡層。把兩個(gè) P+區(qū)并聯(lián) 在一起，引出一個(gè)電極g，稱(chēng)為柵極，在N 型半導(dǎo)體的兩端各引出一個(gè)電極，分別稱(chēng) 為源極s和漏極do場(chǎng)效應(yīng)管的與三極管的三個(gè)電極的對(duì)應(yīng)關(guān)系：P+P+的結(jié)構(gòu)示意圖和它在電路中的代表符號(hào)代表符號(hào)

3、柵極g基極b；源極s發(fā)射極e；漏極d集電極c夾在兩個(gè)PN結(jié)中間的區(qū)域稱(chēng)為導(dǎo)電溝 道(簡(jiǎn)稱(chēng)溝道)。如果在一塊P型半導(dǎo)體的兩邊各擴(kuò)散一 個(gè)高雜質(zhì)濃度的 N+區(qū)，就可以制成一個(gè) P溝道的結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管。P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管如圖所示 2.工作原理VGS對(duì)iD的控制作用為便于討論，先假設(shè)漏-源極間所加的電壓Vds=0(a)當(dāng)vgs=0時(shí)，溝道較寬，其電阻較小。(b)當(dāng)vgs0,且其大小增加時(shí)，在這個(gè)反偏電壓的作用下，兩個(gè)PN結(jié)耗盡層將加寬。由于N區(qū)摻雜濃度小于P+區(qū)，因此，隨著|vgs|的增加，耗盡層將主要向N溝道中擴(kuò)展，使溝道變 窄，溝道電阻增大。當(dāng)|Vgs|進(jìn)一步增大到一定值Vp|時(shí)，兩側(cè)的耗盡層將在溝

4、道中央合攏， 溝道全部被夾斷。由于耗盡層中沒(méi)有載流子，因此這時(shí)漏一源極間的電阻將趨于無(wú)窮大，即 使加上一定的電壓Vds，漏極電流iD也將為零。這時(shí)的柵一源電壓 Vgs稱(chēng)為夾斷電壓，用 Vp 表示。在預(yù)夾斷處：Vgd=Vgs Vds =Vp上述分析表明：(a) 改變柵源電壓Vgs的大小，可以有效地控制溝道電阻的大小。(b) 若同時(shí)在漏源-極間加上固定的正向電壓Vds，則漏極電流iD將受Vgs的控制，|Vgs |增大時(shí)， 溝道電阻增大，iD減小。(C)上述效應(yīng)也可以看作是柵-源極間的偏置電壓在溝道兩邊建立了電場(chǎng)，電場(chǎng)強(qiáng)度的大小控制了溝道的寬度，即控制了溝道電阻的大小，從而控制了漏極電流iD的大小。

5、Vds對(duì)iD的影響設(shè)Vgs值固疋，且VpVgsVgs Vp,即Vgd 0,輸入電阻很高。JFET是電 壓控制電流器件，iD受VgS控制。 預(yù)夾斷前iD與Vds，呈近似線性關(guān)系；預(yù)夾斷后,iD趨于飽和。P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管工作時(shí)，電源的極性與N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的電源極性相反。4.1.2 JFET的特性曲線及參數(shù)1. 輸出特性；2. 轉(zhuǎn)移特性3. 主要參數(shù) 夾斷電壓Vp (或VGS(off): 飽和漏極電流Idss： 低頻跨導(dǎo)gm： 輸出電阻rd： 直流輸入電阻Rgs： 最大漏源電壓 V(BR)DS : 最大柵源電壓 V(BR)GS : 最大漏極功耗Pdm :丿D /niA3可變電俎區(qū)擊穿區(qū)5 =

6、0Ii|iI:/Hi小結(jié)：本節(jié)主要介紹了結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的簡(jiǎn)單工作原理作業(yè)：4.1.1,4.1.32d / mA-14.3金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的輸入電阻雖然可達(dá) 106109W，但在要求輸入電阻更高的場(chǎng)合，還是不 能滿足要求。本節(jié)介紹的金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）具有更高的輸入電阻，可 1015歐姆。并具有是制造工藝簡(jiǎn)單、適于集成電路的優(yōu)點(diǎn)。MOS管也有N溝道和P溝道之分, 而且每一類(lèi)又分為增強(qiáng)型和耗盡型兩種。增強(qiáng)型 MOS管在Vgs=O時(shí)，沒(méi)有導(dǎo)電溝道存在。而 耗盡型MOS管在Vgs=O時(shí)，就有導(dǎo)電溝道存在。4.3.1 N溝道增強(qiáng)型MOS管的結(jié)構(gòu)在一塊摻雜濃度

7、較低的P型硅襯底上，制作兩個(gè)高摻雜濃度的N+區(qū)，并用金屬鋁引出兩 個(gè)電極，分別作漏極d和源極s。然后在半導(dǎo)體表面復(fù)蓋一層很薄的二氧化硅 （SiO2）絕緣層，在漏-源極間的絕緣層上再裝 上一個(gè)鋁電極，作為柵極go在襯底上也引出一個(gè)電極 B，這就構(gòu)成了一個(gè)N溝道增強(qiáng)型MOS管。MOS管的源極和 襯底通常是接在一起的（大多數(shù)管子在出廠前已連接好）o它的柵極與其它電極間是絕緣的。圖（a）、（b）分別是它的結(jié)構(gòu)示意圖和代表符號(hào)。代表符號(hào)中的箭頭方向表示由P（襯底）指向N（溝道）。P溝道增強(qiáng)型MOS管的箭頭方向與上述相反，如圖（c）所示襯底引袋go（a） N溝道增強(qiáng)型MOS管結(jié)構(gòu) 示意圖（b） N溝道增強(qiáng)

8、型MOS 管代表符號(hào)（c） F溝道增強(qiáng)型M0S管代表符號(hào)襯底引戟N溝道增強(qiáng)型MOS管的工作原理VGS對(duì)iD及溝道的控制作用Vgs=O的情況從圖1(a)可以看出，增強(qiáng)型MOS管的漏極d和源極s之間有兩個(gè)背靠背的PN結(jié)。當(dāng)柵-源電壓Vgs=O時(shí)，即使加上漏-源電壓VDS，而且不論Vds的極性如何，總有一個(gè)PN結(jié)處于反偏狀態(tài)，漏-源極間沒(méi)有導(dǎo)電溝道，所以這時(shí)漏極電流iD-0VgsO的情況若vgs0，則柵極和襯底之間的SiO2絕緣層中便產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)。電場(chǎng)方向：垂直于半導(dǎo)體表面的由柵極指向襯底的電場(chǎng)。電場(chǎng)的作用：這個(gè)電場(chǎng)能排斥空穴而吸引電子。排斥空穴：使柵極附近的 P型襯底中的空穴被排斥，剩下不能移動(dòng)的

9、受主離子 (負(fù)離子)，形成耗盡層。吸引電子：將 P型襯底中的電子(少子)被吸引到襯底表面。導(dǎo)電溝道的形成：當(dāng)VGS數(shù)值較小，吸引電子的能力不強(qiáng)時(shí)，漏-源極之間仍無(wú)導(dǎo)電溝道出現(xiàn)，如圖1(b)所示。VGS增加時(shí)，吸引到P襯底表面層的電子就增多，當(dāng) Vgs達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，這些電子在柵極附近的P襯底表面便形成一個(gè)N型薄層，且與兩個(gè)N+區(qū)相連通，在漏-源極間形成N型導(dǎo)電溝道，其導(dǎo)電類(lèi)型與P襯底相反，故又稱(chēng)為反型層，如圖1(c)所示。VGS越大，作用于半導(dǎo)體表面的電場(chǎng)就越強(qiáng)，吸引到P襯底表面的電子就越多，導(dǎo)電溝道越厚，溝道電阻越小開(kāi)始形成溝道時(shí)的柵一源極電壓稱(chēng)為開(kāi)啟電壓，用 Vt表示。結(jié)論:上面討論的N溝

10、道MOS管在VgsV Vt時(shí)，不能形成導(dǎo)電溝道，管子處于截止?fàn)顟B(tài)。只有當(dāng)Vgs/t時(shí)，才有溝道形成。這種必須在 Vgs/t時(shí)才能形成導(dǎo)電溝道的 MOS管稱(chēng)為增強(qiáng)型MOS管。溝道形成以后，在漏-源極間加上正向電壓VDS，就有漏極電流產(chǎn)生。VDS對(duì)iD的影響耗盡層N型(感生)溝道-襯底引線P，襯底引線七襯底引線(a)如圖(a)所示，當(dāng)vgsVt且為一確定值時(shí)，漏-源電壓vds對(duì)導(dǎo)電溝道及電流i d的影響與結(jié) 型場(chǎng)效應(yīng)管相似。漏極電流iD沿溝道產(chǎn)生的電壓降使溝道內(nèi)各點(diǎn)與柵極間的電壓不再相等，靠近源極一端 的電壓最大，這里溝道最厚，而漏極一端電壓最小，其值為Vgd=Vgs Vds，因而這里溝道最薄。

11、但當(dāng)Vds較小(Vds Vgs-Vt)后的一條轉(zhuǎn)移特性曲線代替飽和區(qū)的所有轉(zhuǎn)移特性曲線 iD與Vgs的近似關(guān)系與結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管相類(lèi)似。在飽和區(qū)內(nèi),iD與Vgs的近似關(guān)系式為(vGSr)式中Ido是Vgs=2Vt時(shí)的漏極電流d2參數(shù)MOS管中不用夾斷電壓V，MOS管的主要參數(shù)與結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管基本相同，只是增強(qiáng)型 而用開(kāi)啟電壓Vt表征管子的特性。4.3.3 N溝道耗盡型MOS管1. 基本結(jié)構(gòu)丫冷 VT時(shí)才出現(xiàn)導(dǎo)電溝道。原因：制造N溝道耗盡型MOS管時(shí)，在SiO2絕緣層中摻入了大量的堿金屬正離子 Na+或 K+（制造P溝道耗盡型MOS管時(shí)摻入負(fù)離子），如圖1（a）所示，因此即使vgs=0時(shí)，在這些正 離

12、子產(chǎn)生的電場(chǎng)作用下，漏-源極間的 P型襯底表面也能感應(yīng)生成 N溝道（稱(chēng)為初始溝道）， 只要加上正向電壓Vds，就有電流iD。如果加上正的Vgs，柵極與N溝道間的電場(chǎng)將在溝道中吸引來(lái)更多的電子， 溝道加寬，溝道電 阻變小，iD增大。反之Vgs為負(fù)時(shí)，溝道中感應(yīng)的電子減少，溝道變窄，溝道電阻變大， iD減 小。當(dāng)Vgs負(fù)向增加到某一數(shù)值時(shí)，導(dǎo)電溝道消失，iD趨于零，管子截止，故稱(chēng)為耗盡型。溝道消失時(shí)的柵一源電壓稱(chēng)為夾斷電壓，仍用Vp表示。與N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管相同，N溝道耗盡型MOS管的夾斷電壓Vp也為負(fù)值，但是，前者只能在Vgs0，VpVgs0的情況下均能實(shí)現(xiàn)對(duì)iD的控制，而且仍能保持柵-源極間有

13、很大的絕緣電阻 使柵極電流為零。這是耗盡型 MOS管的一個(gè)重要特點(diǎn)。圖（b）、（c）分別是N溝道和P溝道耗 盡型MOS管的代表符號(hào)。電流方程：在飽和區(qū)內(nèi)，耗盡型MOS管的電流方程與結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的電流方程相同，即V Vp|)4.3.4各種場(chǎng)效應(yīng)管特性比較各類(lèi)FET的特性如下表所示結(jié)構(gòu)種類(lèi)昭道MOSFET工作方式(-)(+)(+)(+)電壓極性轉(zhuǎn)移特性 jd =MOSFETP溝道GaAsNESFET耗辱型増強(qiáng)型耗盡型輸出特性JD 壬%丿+)附道JFET晩道JFET4.3.5使用場(chǎng)效應(yīng)管的注意事項(xiàng)1 從場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)上看，其源極和漏極是對(duì)稱(chēng)的，因此源極和漏極可以互換。但有些場(chǎng)效 應(yīng)管在制造時(shí)已將襯底

14、引線與源極連在一起，這種場(chǎng)效應(yīng)管的源極和漏極就不能互換了。2場(chǎng)效應(yīng)管各極間電壓的極性應(yīng)正確接入，結(jié)型場(chǎng)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(dú)引出時(shí)，應(yīng)將其接到電路中的電位最低點(diǎn)（對(duì) N溝道MOS管 而言）或電位最高點(diǎn)（對(duì)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。4. MOS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(kāi)路，存放時(shí)應(yīng)將各電極短路。焊接時(shí)，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(duì)交流電場(chǎng)的屏蔽。4.3.6場(chǎng)效應(yīng)管與三極管的性能比較1. 場(chǎng)效應(yīng)管的源極s、柵極g

15、、漏極d分別對(duì)應(yīng)于三極管的發(fā)射極e、基極b、集電極c,它們的作用相似。2. 場(chǎng)效應(yīng)管是電壓控制電流器件，由 vgs控制iD，其放大系數(shù)gm 一般較小，因此場(chǎng)效應(yīng)管的放大能力較差；三極管是電流控制電流器件，由iB （或iE）控制ic。3. 場(chǎng)效應(yīng)管柵極幾乎不取電流；而三極管工作時(shí)基極總要吸取一定的電流。因此場(chǎng)效應(yīng)管的 輸入電阻比三極管的輸入電阻高。4. 場(chǎng)效應(yīng)管只有多子參與導(dǎo)電；三極管有多子和少子兩種載流子參與導(dǎo)電，因少子濃度受溫 度、輻射等因素影響較大，所以場(chǎng)效應(yīng)管比三極管的溫度穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)。在環(huán)境 條件（溫度等）變化很大的情況下應(yīng)選用場(chǎng)效應(yīng)管。5 場(chǎng)效應(yīng)管在源極未與襯底連在一起時(shí)，

16、源極和漏極可以互換使用，且特性變化不大；而三 極管的集電極與發(fā)射極互換使用時(shí)，其特性差異很大，b值將減小很多。6.場(chǎng)效應(yīng)管的噪聲系數(shù)很小，在低噪聲放大電路的輸入級(jí)及要求信噪比較高的電路中要選用 場(chǎng)效應(yīng)管。7場(chǎng)效應(yīng)管和三極管均可組成各種放大電路和開(kāi)關(guān)電路，但由于前者制造工藝簡(jiǎn)單，且具有 耗電少，熱穩(wěn)定性好，工作電源電壓范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛用于大規(guī)模和超大規(guī)模集成 電路中。小結(jié)：本節(jié)主要介紹了金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管的簡(jiǎn)單工作原理。作業(yè)：4.3.1,4.3.34.4場(chǎng)效應(yīng)管放大電路4.4.1 FET的直流偏置電路及靜態(tài)分析1.直流偏置電路(2)分壓式自偏壓電路(1)自偏壓電路EdII+1噸

17、:RJyCs.A屁%Vgs2.靜態(tài)工作點(diǎn)4.4.2 FET放大電路的小信號(hào)模型分析法1. FET小信號(hào)模型2.動(dòng)態(tài)指標(biāo)分析(共源電路)(1)中頻小信號(hào)模型(a) FEI在用厳it時(shí)極口網(wǎng)絡(luò)何1KS翹S 4.4,2 FET時(shí)小H號(hào)酒（2）中頻電壓增益： VVgs 嚴(yán) gmVgs）二 Vi rgs|VgsIirgsRi 冷：rgs（1 gmR）I iVi : （1gmR）Vgs V。一gmVgs（RLRd）V。gm(Rd/RL)Av =Vi1 gmR(3) 輸入電阻：Ri =(Rg Rg1 Rg2)rgs(1 gmR)(4) 輸出電阻：Ro = Rd3.動(dòng)態(tài)指標(biāo)分析(共漏電路：源極輸出器)(1)中

18、頻小信號(hào)模型（2）中頻電壓增益：Vi 二 Vgs （仝 gmUgs）（R/RL） 1 gm（RRL） rgsv gsVo = （gmVgs）（RRL）： gm（RRL）VgsrgsAgm（RRL）-1 gm（RRL）Rl（3）輸入電阻：Ri =（Rg Rg1 Rg2）/1 gm（R/ RL） rgsV _ . * / vgs（4）輸出電阻：R = i （廠gmVgs） gsV1gmVgsv - -vgs RoR/igm小結(jié)：本節(jié)主要介紹了場(chǎng)效應(yīng)管放大電路的基本分析方法。作業(yè)：4.4.4,4.4.5,4.4.64.5場(chǎng)效應(yīng)管放大電路與BJT放大電路的性能比較場(chǎng)效應(yīng)管放大電路的共源電路、共漏電路、

19、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(duì)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(chēng)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(méi)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(chēng)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，可將它們稱(chēng)為電流跟隨 器。而且，由于這兩種放大電路的輸入電流都比較大，因此，它們的輸入電阻都比較小。場(chǎng)效應(yīng)管放大電路最突出的優(yōu)點(diǎn)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(chǎng)效應(yīng)管還有噪聲低、溫度穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)等

20、 優(yōu)于三極管的特點(diǎn)，而且便于集成。必須指出，由于場(chǎng)效應(yīng)管的低頻跨導(dǎo)一般比較小， 所以場(chǎng)效應(yīng)管的放大能力比三極管差,因而共源電路的電壓增益往往小于共射電路的電壓增益。另外，由于MOS管柵源極之間的等效電容Cgs只有幾皮法幾十皮法，而柵源電阻rgs又很大，若有感應(yīng)電荷，則不易釋放， 從而形成高電壓，以至于將柵源極間的絕緣層擊穿，造成管子永久性損壞。使用時(shí)應(yīng)注意保 護(hù)。實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)具體要求將上述各種 組態(tài)的電路進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕M合，以構(gòu)成高性能 的放大電路。例.已知:gm = 18 ms,薩 100, rbe= 1K Q試求電路的中頻增益、輸入電阻和輸出電阻。畫(huà)中頻小信號(hào)等效電路：貝U電壓增益為:Vi

21、 二 Vgs gmVgsR2 gmVgs 二（1 Jib9 4.5.1 屛 4.5A 電騙T 電盍跟陸 +倒相麻壓展大丄ra 4.52 a的中頻小信呂需毀電擁V。- IbRc -gmVgsRcVoVig m RC1gmR2Rs RiAvm0 =VgsgmVgsR 二 Vgs =0= Ro = RcVgs = -1 D(Rl R2)1 D i DSS(1VGS)2 = I C i D vT)VbeVds = -V BE I D ( RiR2 )例.已知：gm = 1 ms, Rg = 2M Q, Rgi = 300K Q,Rd = 10K Q, R1 = 2K Q, R2 = 10K Q, Vd

22、d =20V試求電路的中頻增益、輸入電阻和輸出電阻。g m Rd1 gmR丄匹 3.31 1 2R =(RgRg1Rg2)rgs(1 gmRJ二：Ri ： RgRg1 Rg2二 Ri : Rg =2(M)Ro 二 Rd =10(K)例.已知：gm = 0.8 ms, rd = 200K Q,薩 40,Rd = 1KQ, R= 2KQ, Re = 180KQ, Vdd=18V,Rg = 5.1M Q, Rg1 = 47KQ, Rg = 43KQ, rbe = 1KQ。 o+(1jReh/、gm(Vi -Vo)RdVo 二8(/ -V。)一： ibR二.a：0.621 +gmR：/、：(1 JReib /、igm(-v) -% 二gm(-v)RRd1Re0=Ro :- R/ e 0.77(K)Rj ： 5.1(M)：g mg m Rd例.已知：Vdd=Vee=15V, R1 = 10M Q, R2 = 1M Q,R3 = 10K Q, R4 = 8.2K Q, R5 = 1.3K Q。Vo =(gmVgs:ib)R4 Vgs =Vi -Vo gm：gs(R5 ) =n R4.gmR4 十 P gm(R5rbe)-A,詹 1 r 1)1 gmR4： R