章場效應(yīng)管及其放大電路

3.1場效應(yīng)管

引言3.6.1結(jié)型場效應(yīng)管3.6.3場效應(yīng)管的主要參數(shù)3.6.2MOS場效應(yīng)管引言場效應(yīng)管FET

(FieldEffectTransistor)類型：結(jié)型JFET

(JunctionFieldEffectTransistor)絕緣柵型IGFET(InsulatedGateFET)特點：1.單極性器件(一種載流子導(dǎo)電)3.工藝簡單、易集成、功耗小、

體積小、成本低2.輸入電阻高

(107

1015

，IGFET可高達1015

)3.1.1結(jié)型場效應(yīng)管1.結(jié)構(gòu)與符號N溝道JFETP溝道JFET2.工作原理(1)UGS對ID的控制作用

(a)uGS=0(b)UGS(off)<uGS<0

(c)uGS≤UGS(off)

2.UDS對ID的影響(a)

UGS(off)

uDS

0(b)uDS=

UGS(off)

(c)uDS

UGS(off)

3.UDS和UGS共同作用uGS

0，uDS

>0溝道楔型耗盡層剛相碰時稱預(yù)夾斷。

此時

uGD=UGS(off)；

當(dāng)uDS

，預(yù)夾斷點下移。

uGS<0、uDS＞0時的情況

3.轉(zhuǎn)移特性和輸出特性UGS(off)當(dāng)UGS(off)

uGS0時,uGSiDIDSSuDSiDuGS=–3V–2V–1V0V–3VOO3.1.2MOS場效應(yīng)管MOS場效應(yīng)管（絕緣柵場效應(yīng)管）N溝道絕緣柵場效應(yīng)管P溝道絕緣柵場效應(yīng)管增強型耗盡型增強型耗盡型一、增強型N溝道MOSFET

(MentalOxideSemi—FET)1.結(jié)構(gòu)與符號P型襯底(摻雜濃度低)N+N+用擴散的方法制作兩個N區(qū)在硅片表面生一層薄SiO2絕緣層SD用金屬鋁引出源極S和漏極DG在絕緣層上噴金屬鋁引出柵極GB耗盡層S—源極SourceG—柵極Gate

D—漏極DrainSGDB2.工作原理1)uGS

對導(dǎo)電溝道的影響

(uDS=0)反型層(溝道)1)uGS

對導(dǎo)電溝道的影響

(uDS=0)a.

當(dāng)UGS=0

，DS間為兩個背對背的PN結(jié)；b.

當(dāng)0<UGS<UGS(th)(開啟電壓)時，GB間的垂直電場吸引

P區(qū)中電子形成離子區(qū)(耗盡層)；c.

當(dāng)uGS

UGS(th)

時，襯底中電子被吸引到表面，形成導(dǎo)電溝道。uGS

越大溝道越厚。2)

uDS

對

iD的影響(uGS>UGS(th))

DS間的電位差使溝道呈楔形，uDS

，靠近漏極端的溝道厚度變薄。預(yù)夾斷(UGD=

UGS(th))：漏極附近反型層消失。預(yù)夾斷發(fā)生之前：uDS

iD

。預(yù)夾斷發(fā)生之后：uDS

iD不變。3.轉(zhuǎn)移特性曲線2464321uGS/ViD/mAUDS=10VUGS(th)當(dāng)uGS>UGS(th)

時：uGS=2UGS(th)

時的

iD值開啟電壓O4.輸出特性曲線可變電阻區(qū)uDS<uGS

UGS(th)uDS

iD

，直到預(yù)夾斷飽和(放大區(qū))uDS

，iD

不變

uDS加在耗盡層上，溝道電阻不變截止區(qū)uGS

UGS(th)

全夾斷iD=0

iD/mAuDS/VuGS=2V4V6V8V截止區(qū)

飽和區(qū)可變電阻區(qū)放大區(qū)恒流區(qū)O二、耗盡型N溝道MOSFETSGDBSiO2

絕緣層中摻入正離子在uGS=0時已形成溝道；在DS間加正電壓時形成iD，uGS

UGS(off)

時，全夾斷。輸出特性uGS/ViD/mA轉(zhuǎn)移特性IDSSUGS(off)夾斷電壓飽和漏極電流當(dāng)uGS

UGS(off)

時，uDS/ViD/mAuGS=4V2V0V2VOO三、P溝道MOSFET增強型耗盡型SGDBSGDBN溝道增強型SGDBiDP溝道增強型SGDBiD2–2OuGS/ViD/mAUGS(th)SGDBiDN溝道耗盡型iDSGDBP溝道耗盡型UGS(off)IDSSuGS/ViD/mA–5O5FET符號、特性的比較OuDS/ViD/mA5V2V0V–2VuGS=2V0V–2V–5VN溝道結(jié)型SGDiDSGDiDP溝道結(jié)型uGS/ViD/mA5–5OIDSSUGS(off)OuDS/ViD/mA5V2V0VuGS=0V–2V–5V3.1.3場效應(yīng)管的主要參數(shù)開啟電壓UGS(th)(增強型)

夾斷電壓

UGS(off)(耗盡型)

指uDS=某值，使漏極電流iD為某一小電流時的uGS

值。UGS(th)UGS(off)2.飽和漏極電流IDSS耗盡型場效應(yīng)管，當(dāng)uGS=0時所對應(yīng)的漏極電流。IDSSuGS/ViD/mAOUGS(th)UGS(off)3.直流輸入電阻RGS指漏源間短路時，柵、源間加

反向電壓呈現(xiàn)的直流電阻。JFET：RGS>107

MOSFET：RGS=109

1015

IDSSuGS/ViD/mAO4.低頻跨導(dǎo)gm

反映了uGS對iD的控制能力，單位S(西門子)。一般為幾毫西

(mS)uGS/ViD/mAQOPDM=uDSiD，受溫度限制。5.漏源動態(tài)電阻rds6.最大漏極功耗PDM3.2.3場效應(yīng)管與晶體管的比較管子名稱晶體管場效應(yīng)管導(dǎo)電機理利用多子和少子導(dǎo)電利用多子導(dǎo)電控制方式電流控制電壓控制放大能力高較低直流輸入電阻小約幾kΩ大JFET可達107Ω以上,MOS可達1010Ω穩(wěn)定性受溫度和輻射的影響較大溫度穩(wěn)定性好、抗輻射能力強噪聲中等很小結(jié)構(gòu)對稱性集電極和發(fā)射極不對稱，不能互換漏極和源極對稱，可互換使用適用范圍都可用于放大電路和開關(guān)電路等3.2

場效應(yīng)管放大電路3.2.2分壓式自偏壓放大電路3.2.1場效應(yīng)管放大電路3.2.1場效應(yīng)管放大電路三種組態(tài)：共源、共漏、共柵特點：輸入電阻極高，噪聲低，熱穩(wěn)定性好

1.固定偏壓放大電路一、電路的組成（1）合適的偏置

P109表3-3（2）能輸入能輸出+VDDRDC2+C1+ui

RGGDRL+Uo

VGG柵極電阻RG的作用：(1)為柵偏壓提供通路(2)瀉放柵極積累電荷源極電阻RS的作用：提供負柵偏壓漏極電阻RD的作用：把iD的變化變?yōu)閡DS的變化+VDDRDC2CS+++uo

C1+ui

RGRSGSD二、靜態(tài)分析UGS+VDDRDC1RGRSGSDIDUDSRL1.估算法

2.自給偏壓放大電路

UDSQ=VDD–

IDQ(RS+RD)

UGS+VDDRDC1RGRSGSDIDUDSUGSQ

=–IDQRS2.圖解法①在輸出特性上作直流負載線②作負載轉(zhuǎn)移特性曲線

③作輸入回路的直流負載線

④確定靜態(tài)工作點轉(zhuǎn)移特性曲線與輸入回路的直流負載線的交點即為靜態(tài)工作點Q，Q點對應(yīng)的橫坐標值即為UGSQ，縱坐標值即為IDQ，再根據(jù)IDQ在輸出特性曲線上求出靜態(tài)工作點Q，確定UDSQ。

(a)轉(zhuǎn)移特性曲線(b)輸出特性曲線圖自給偏壓電路Q點的圖解1.場效應(yīng)管的等效電路三、動態(tài)分析—場效應(yīng)管電路小信號等效電路分析法移特性可知，gm是轉(zhuǎn)移特性在靜態(tài)工作點Q處gm為低頻跨導(dǎo)，反映了管子的放大能力，從轉(zhuǎn)切線的斜率.rds為場效應(yīng)管的共漏極輸出電阻，為輸出特性在Q點處的切線斜率的倒數(shù)，如圖所示，通常rds在幾十千歐到幾百千歐之間。從輸入端口看入，相當(dāng)于電阻

rgs(

)。從輸出端口看入為受

ugs控制的電流源。id=gmugs小信號模型根據(jù)rgs

Sidgmugs+ugs

+uds

GDrds2.場效應(yīng)管放大電路的微變等效電路RLRD+uo

+ui

GSD+ugs

gmugsidiiRG3.計算放大電路的動態(tài)指標注意：自給偏壓電路只適用耗盡型場效應(yīng)管放大電路3.2.2分壓式自偏壓放大電路調(diào)整電阻的大小，可獲得：UGSQ>0UGSQ=0UGSQ<0RL+VDDRDC2CS+++uo

C1+ui

RG2RSGSDRG1一、電路組成二、靜態(tài)分析

UDSQ=VDD–

IDQ(RS+RD)

三、動態(tài)分析RLRD+uo

+ui

RG2GSDRG1+ugs

gmugsidii四、改進電路目的：為了提高輸入電阻有CS時：RL+VDDRDC2CS+++uo

C1+ui

RG2RSGSDRG1RG3RLRD+uo

+ui

RG2GSDRG3RG1+ugs

gmugsidii無CS

時：RSRi、Ro不變3.2.3共漏放大電路RL+VDDC2++uo

C1+ui

RG2RSGSDRG1RG3RLRS+uo

+ui

RG2GSDRG3RG1+

ugsgmugsiiioRo例耗盡型

N

溝道

MOS

管，RG=

1

M

，

RS

=2

k

，RD=12

k

，VDD=

20

V。

IDSS=

4

mA，UGS(off)

=

–4

V，求iD和uO。

iG=0

uGS=iDRSiD1=4mAiD2=1mAuGS=–8V<UGS(off)增根uGS=–2V

uDS=VDD–

iD(RS+RD)=20–14=6(V)

uO=VDD–

iD

RD=20–14=8(V)在放大區(qū)例已知UGS(off)=

0.8V，IDSS=0.18mA，

1.求“Q”。2.求AU,R