場效應晶體管和基本放大電路演示文稿

1、場效應晶體管和基本放大電路演示文稿第一頁，共七十四頁。優(yōu)選場效應晶體管和基本放大電路ppt第二頁，共七十四頁。第3章 場效應晶體管和基本放大電路作業(yè)思考：3-1習題：3-3、3-4、3-7、3-11第三頁，共七十四頁。本章的重點與難點重點:理解場效應管的工作原理；掌握場效應管的外特性及主要參數(shù)； 掌握場效應管放大電路靜態(tài)工作點與動態(tài)參數(shù)（Au、Ri、Ro）的分析方法。難點:通過外部電壓對導電溝道的控制作用說明結型場效應管及絕緣柵型場效應管的工作原理。第四頁，共七十四頁。 分類：結型(JFET) 絕緣柵型(IGFET) 場效應管輸入回路內(nèi)阻很高(1071015)，熱穩(wěn)定性好，噪聲低，比晶體管耗電

2、小，應用廣泛。僅靠多數(shù)載流子導電，又稱單極型晶體管。 場效應管（FET）：是利用輸入回路的電場效應來控制輸出回路電流的一種半導體器件。3.1 場效應晶體管第五頁，共七十四頁。3.1.1 結型場效應管 N溝道結型場效應管是在同一塊N型半導體上制作兩個高摻雜的P區(qū)。N溝道結構示意圖SiO2N源極S柵極G漏極D NNPP1. 結型場效應管的結構 將它們連接在一起引出電極柵極G。N型半導體分別引出漏極D、源極S。 P區(qū)和N區(qū)的交界面形成耗盡層。源極和漏極之間的非耗盡層稱為導電溝。 第六頁，共七十四頁。結型場效應管的符號N溝道符號dsgdsgP溝道符號結型場效應管有N溝道和P溝道兩種類型。第七頁，共七十

3、四頁。2. 工作原理電壓控制作用d耗盡層sgP+N導電溝道結構示意圖 若將G、S間加上不同的反偏電壓，即可改變導電溝道的寬度，便實現(xiàn)了利用電壓所產(chǎn)生的電場控制導電溝道中電流強弱的目的。 在N型硅材料兩端加上一定極性的電壓，多子在電場力的作用下形成電流ID。第八頁，共七十四頁。 這樣既保證了柵-源之間的電阻很高，又實現(xiàn)了UGS對溝道電流ID的控制。d耗盡層sgP+N導電溝道結構示意圖2. 工作原理電壓控制作用正常工作時： 在柵-源之間加負向電壓，(保證耗盡層承受反向電壓) 漏-源之間加正向電壓，(以形成漏極電流）第九頁，共七十四頁。1)當UDS=0時，UGS對導電溝道的控制 當UGS=0時，耗盡

4、層很窄,導電溝道寬。 隨| UGS |增大，耗盡層增寬，溝道變窄，電阻增大。 | UGS |增加到某一數(shù)值,耗盡層閉和,溝道消失,溝道電阻趨于無窮大。第十頁，共七十四頁。1)當UDS=0時，UGS對導電溝道的控制由于PN結反偏，柵極電流基本為0，消耗很小。 | UGS |增加到某一數(shù)值，耗盡層閉和，溝道消失，溝道電阻趨于無窮大。定義此時UGS的值為夾斷電壓UGS（off） 第十一頁，共七十四頁。dsgUDSID2）、間短路，、間加正向電壓 當 UDS =0時，雖有導電溝道，但ID為零。 當UDS 0時，產(chǎn)生ID，但溝道中各點和柵極之間電壓不再相等，近漏極電壓最大，近源極電壓最小。 導電溝道寬度

5、不再相等，近漏極溝道窄，近源極溝道寬。第十二頁，共七十四頁。dsgUDSID 隨著UDS增加，柵-漏電壓|UGD|增加，近漏端溝道進一步變窄。 只要漏極附近的耗盡區(qū)不出現(xiàn)相接，溝道電阻基本決定于UGS。2）、間短路，、間加正向電壓 隨著UDS 的增加， ID線性增加。ds間呈電阻特性。第十三頁，共七十四頁。UDSdsgAID 預夾斷時，導電溝道內(nèi)仍有電流ID 。 隨著UDS增加，當UGD = UGS - UDS = UGS（off）時,靠近漏極出現(xiàn)夾斷點。 稱UGD= UGS（off）為預夾斷。2）、間短路，、間加正向電壓第十四頁，共七十四頁。UDSdsgAID 預夾斷之后，UDS 再增加，預

6、夾斷延伸,夾斷區(qū)長度增加（AA）。夾斷區(qū)的阻力增大。 此時的ID稱為“飽和漏極電流IDSS”A 由于UDS的增加幾乎全部落在夾斷區(qū)，漏極電流ID基本保持不變。2）、間短路，、間加正向電壓第十五頁，共七十四頁。 UGS 增加，使導電溝道變窄，、間的正電壓使溝道不等寬。dsgUDSUGSID3）、間加負向電壓，、間加正向電壓 導電溝道夾斷后，ID幾乎僅僅決定于UGS而與UDS 基本無關。 第十六頁，共七十四頁。 當UGS一定時，ID表現(xiàn)出恒流特性。此時可以把ID近似看成UGS控制的電流源。 dsgUDSUGSID3）、間加負向電壓，、間加正向電壓 稱場效應管為電壓控制元件。第十七頁，共七十四頁。1

7、）UGD UGS（off） 時（未出現(xiàn)夾斷前），對于不同的UGS ，漏源之間等效成不同阻值的電阻， ID隨UDS 的增加 線性增加。（對應可變電組區(qū)）2）UGD= UGS（off） 時，漏源之間預夾斷。3）UGD UGS（off）。 特點：可通過改變UGS來改變漏源間電阻值。1)可變電阻區(qū) IDUDS第二十頁，共七十四頁。條件： UGD0 UDS =0： 由于絕緣層SiO2的存在，柵極電流為零。柵極金屬層將聚集大量正電荷，排斥P型襯底靠近SiO2的空穴，形成耗盡層。第三十頁，共七十四頁。3） UGS繼續(xù)增加,UDS =0 :P襯底BN+N+SGD反型層 使導電溝道剛剛形成的柵-源電壓稱為開啟電

8、壓UGS(th) 。 （2）工作原理 耗盡層增寬,將襯底的自由電子吸引到耗盡層與絕緣層之間。形成N型薄層，稱為反型層。這個反型層就構成了漏源之間的導電溝道。 UGS越大，反型層越厚，導電溝道電阻越小。 第三十一頁，共七十四頁。 將產(chǎn)生一定的漏極電流ID 。溝道中各點對柵極電壓不再相等，導電溝道寬度不再相等，沿源-漏方向逐漸變窄。 ID隨著的UDS增加而線性增大。P襯底BN+N+SGD4） UGS UGS(th) ，UDS 0：（2）工作原理第三十二頁，共七十四頁。5）UGS UGS(th) , UGD =UGS(th) ：P襯底BN+N+SGD（2）工作原理 隨著UDS的增大， UGD減小，當

9、UDS增大到UGD =UGS(th)時 ，導電溝道在漏極一端產(chǎn)生夾斷，稱為預夾斷。 第三十三頁，共七十四頁。5）UGS UGS(th) , UGD =UGS(th) ：P襯底BN+N+SGD 若UDS繼續(xù)增大，夾斷區(qū)延長。漏電流ID幾乎不變化，管子進入恒流區(qū)。ID幾乎僅僅決定于UGS 。此時可以把ID近似看成UGS控制的電流源。（2）工作原理第三十四頁，共七十四頁。恒流區(qū)擊穿區(qū)可變電阻區(qū)（3） 特性曲線4321051015UGS =5V6V4V3V2VID /mAUDS =10V0123246UGS / VUGs(th)輸出特性轉移特性 UDS / VID /mA夾斷區(qū)第三十五頁，共七十四頁。

10、ID和UGS的近似關系：IDO是UGS = 2UGS(th)時的ID。UDS =10V0123246UGS / VUGs(th)ID /mAIDO（3） 特性曲線第三十六頁，共七十四頁。 制造時,在sio2絕緣層中摻入大量的正離子,即使UGS =0，在正離子的作用下，源-漏之間也存在導電溝道。只要加正向UDS ，就會產(chǎn)生ID。結構示意圖P源極S漏極D 柵極GBN+N+正離子反型層SiO22.N溝道耗盡型MOS管(1)結構 只有當UGS小于某一值時，才會使導電溝道消失，此時的UGS稱為夾斷電壓UGS(off) 。第三十七頁，共七十四頁。dN溝道符號BsgP溝道符號dBsgMOS管符號DBSGN溝

11、道符號DBSGP溝道符號耗盡型MOS管符號增強型MOS管符號第三十八頁，共七十四頁。N溝道耗盡型MOS管的特性曲線 （2） 特性曲線432104812UGS =1V2V3V輸出特性轉移特性1230V1012123 UGS / VIDUGSUGs(off) UDS / VUDS =10VID /mAID /mA第三十九頁，共七十四頁。NMOS耗盡型PMOS耗盡型場效應管的符號及特性第四十頁，共七十四頁。NMOS增強型PMOS增強型場效應管的符號及特性第四十一頁，共七十四頁。P溝道結型N溝道結型場效應管的符號及特性第四十二頁，共七十四頁。 例：測得某放大電路中三個MOS管的三個電極的電位及它們的開

12、啟電壓如表所示。試分析各管的工作狀態(tài)（截止區(qū)、恒流區(qū)、可變電阻區(qū)）。管號UGS(th)/VUS/VUG/VUD/V工作狀態(tài)T14-513T2-43310T3-4605恒流區(qū)截止區(qū)可變電阻區(qū)第四十三頁，共七十四頁。3.1.3 場效應管的主要參數(shù)1.直流參數(shù)（1）開啟電壓UGS(th) UDS為固定值能產(chǎn)生漏極電流ID所需的柵-源電壓UGS的最小值,它是增強型MOS管的參數(shù)。（NMOS管為正，PMOS管為負） （ 2）夾斷電壓 UGS(off) UDS為固定值使漏極電流近似等于零時所需的柵-源電壓。是結型場效應管和耗盡型MOS管的參數(shù)（NMOS管為負， PMOS管為正）。第四十四頁，共七十四頁。

13、（4）直流輸入電阻RGS（DC） 柵-源電壓與柵極電流的比值，其值很高,一般為107-1010左右。 （3）飽和漏極電流IDSS 對于耗盡型MOS管,在UGS =0情況下產(chǎn)生 預夾斷時的漏極電流。1.直流參數(shù)第四十五頁，共七十四頁。2.交流參數(shù)gm=iD / uGS UDS =常數(shù) gm是衡量柵-源電壓對漏極電流控制能力的一個重要參數(shù)。 （1）低頻跨導 gm 管子工作在恒流區(qū)并且 UDS為常數(shù)時，漏極電流的微變量與引起這個變化的柵-源電壓的微變量之比稱為低頻跨導,即第四十六頁，共七十四頁。2.交流參數(shù)（2）交流輸出電阻rds rds反映了UDS對ID的影響，是輸出特性曲線上Q點處切線斜率的倒數(shù)

14、 rds在恒流區(qū)很大。第四十七頁，共七十四頁。3.極限參數(shù) (1)最大漏極電流IDM 管子正常工作時漏極電流的上限值。 (2)最大漏源電壓U DS(BR) 管子進入恒流區(qū)后，使漏極電流驟然增加的UDS稱為漏-源擊穿電壓。(管子的極限參數(shù)，使用時不可超過。)第四十八頁，共七十四頁。 (3)最大柵源電壓U GS(BR) 對于結型場效應管，使柵極與溝道間反向擊穿的UGS稱為柵-源擊穿電壓。 對于絕緣柵型場效應管，使絕緣柵層擊穿的UGS稱為柵-源擊穿電壓。 (4)最大耗散功率P DM PDM決定于管子允許的溫升。3.極限參數(shù)第四十九頁，共七十四頁。 1.場效應管利用柵源電壓控制漏極電流，是電壓控制元件

15、，柵極基本不取電流（很?。?，輸入回路電阻很大； 晶體管利用基極電流控制集電極電流，是電流控制元件，基極索取一定電流，輸入阻抗較小。 場效應管的柵極g、源極s、漏極d對應于晶體管的基極b、發(fā)射極e、集電極c，能實現(xiàn)對信號的控制。3.1.4 場效應管與雙極型晶體管的 比 較第五十頁，共七十四頁。2. 晶體管的放大倍數(shù)通常比場效應管大。3. 場效應管只有多子導電，而晶體管多子和少子均參與導電，場效應管比晶體管熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強。4. 場效應管比晶體管噪聲系數(shù)小。5. 場效應管源極、漏極可以互換使用，互換后特性變化不大；而晶體管的發(fā)射極和集電極互換后特性差異很大,一般不能互換使用。3.1.4 場

16、效應管與雙極型晶體管的 比 較第五十一頁，共七十四頁。6. 場效應管的種類比晶體管多，特別對于耗盡型MOS管，柵-源控制電壓可正可負，均能控制漏極電流。7.MOS管的柵極絕緣，外界感應電荷不易泄放。8. 場效應管和晶體管均可用于放大電路和開關電路，但場效應管具有集成工藝簡單，工作電源電壓范圍寬，耗電省、低功耗等特點，目前越來越多的應用于集成電路中。3.1.4 場效應管與雙極型晶體管的 比 較第五十二頁，共七十四頁。3.2 場效應管放大電路 場效應管放大電路與晶體管電路的比較1.相同之處2.不同之處能實現(xiàn)對信號的控制；三種組態(tài)相對應；分析方法相同。 為實現(xiàn)放大，對FET，在柵極回路加適當偏壓；而

17、對BJT則加適當?shù)钠?。第五十三頁，共七十四頁?場效應管放大電路也必須建立合適的靜態(tài)工作點，保證有輸入信號時工作在恒流區(qū)。3.2.1場效應管放大電路的直流偏置及靜態(tài)分析1.自給偏壓電路 此電路形式只適用于耗盡型MOS器件。 靜態(tài)時RG的電流近似為零，靠源極電阻上的電壓為柵-源提供一個負偏壓。第五十四頁，共七十四頁。1.自給偏壓電路 靜態(tài)工作點分析（ 柵極電流為0）（耗盡型MOS管的電流方程）第五十五頁，共七十四頁。.分壓式偏置電路電路結構直流通路第五十六頁，共七十四頁。靜態(tài)工作點分析（柵極電流為0）IDQ UGSQ（增強型MOS管的電流方程）第五十七頁，共七十四頁。解：（求靜態(tài)，電容開路）。

18、第五十八頁，共七十四頁。（本例IDQ不應大于IDSS)第五十九頁，共七十四頁。. 用微變等效電路法分析場效應管放大電路的動態(tài)參數(shù) 場效應管的交流低頻小信號模型求全微分 與分析晶體管的h參數(shù)等效模型相同，將場效應管也看成兩端口網(wǎng)絡。第六十頁，共七十四頁。低頻小信號模型 gm是輸出回路電流與輸入回路電壓之比，稱跨導,電導量綱。 rds是描述MOS管輸出特性曲線上翹程度的參數(shù)，等效為電阻，在幾十幾百千歐之間。通常 rds可視為開路。將輸出回路只等效為一個受控電流源。場效應管的交流低頻小信號模型第六十一頁，共七十四頁。sdg+_.UgsgmUgsMOS管簡化交流等效模型第六十二頁，共七十四頁。耗盡型（結型）：增強型：Q點不僅影響電路是否失真,還影響動態(tài)參數(shù)?？梢宰C明：第六十三頁，共七十四頁。應用微變等效電路分析法分析場效應管放大電路（）共源放大電路（從漏極輸出）微變等效電路第六十四頁，共七十四頁。（）共源放大電路 電壓增益輸入電阻輸出電阻第六十五頁，共七十四頁。例33圖3-14電路中令CS和RL開路，計算u、Ri和Ro圖3-14解：先畫出微變等效電路第六十六頁，共七十四頁。共源電路的電壓增益比共射電路小，輸入電阻大。第六十七頁，共七十四頁。（）