模电课件-模电3.ppt

1、场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路内容：内容：1.介绍介绍场效应管的场效应管的结构、工作原理、伏安特性及主要参数。结构、工作原理、伏安特性及主要参数。2.介绍基本放大电路。介绍基本放大电路。教学基本要求：教学基本要求：1. .了解场效应管的基本结构，熟练掌握场效应管的伏安特性了解场效应管的基本结构，熟练掌握场效应管的伏安特性及主要参数。及主要参数。2. .掌握场效应管与双极型三极管的相同点和不同点掌握场效应管与双极型三极管的相同点和不同点。 3. 理解理解放大电路放大电路的工作原理及的工作原理及放大电路放大电路的分析方法。的分析方法。一一、场效应管的分类场效应管的分类 场效应管场效应管

2、(FET)增强型增强型 绝缘栅型绝缘栅型(MOSFET)N 沟道沟道P 沟道沟道结结 型型(JFET)N 沟道沟道P 沟道沟道耗尽型耗尽型N 沟道沟道P 沟道沟道耗尽耗尽型型 场效应管是一种利用电场效应来控制电流大小的场效应管是一种利用电场效应来控制电流大小的半导体器件。半导体器件。二、二、MOSFET与与JFET的主要区别的主要区别 JFET：利用外加电场来控制半导体内的电场效应。利用外加电场来控制半导体内的电场效应。 通过改变通过改变PN结耗尽层的宽度，改变导电沟道的宽窄结耗尽层的宽度，改变导电沟道的宽窄来控制输出电流。来控制输出电流。 MOSFET：利用外加电场来控制半导体表面的电场效利

3、用外加电场来控制半导体表面的电场效应。通过改变感生沟道的宽窄来控制输出电流。应。通过改变感生沟道的宽窄来控制输出电流。耗尽型与增强型的耗尽型与增强型的主要区别主要区别 耗尽型耗尽型：场效应管没有外加栅极电压时，已存在导电：场效应管没有外加栅极电压时，已存在导电沟道。沟道。 增强型增强型：场效应管在外加栅极电压超过一定时，才有：场效应管在外加栅极电压超过一定时，才有导电沟道。导电沟道。三、场效应管与三极管的三、场效应管与三极管的相同点和不同点相同点和不同点场效应管是一种利用电场效应来控制电流大小的半导体场效应管是一种利用电场效应来控制电流大小的半导体器件。器件。 * * 三极管利用多数载流子和少

4、数载流子工作，起着导电作三极管利用多数载流子和少数载流子工作，起着导电作用，属于双极型器件。用，属于双极型器件。 * * 场效应管只利用多数载流子的工作，起着导电作用，属场效应管只利用多数载流子的工作，起着导电作用，属于单极型器件。于单极型器件。通过本章节的分析讨论，了解并掌握场效应管的控制特通过本章节的分析讨论，了解并掌握场效应管的控制特性、基本放大电路及电路特点。性、基本放大电路及电路特点。1. 基本结构基本结构 图图3.1.1 N沟道增强型沟道增强型绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管 (a) 基本结构基本结构 (b)表示符号表示符号 DBGS(b)分析：分析：主要讨论主要讨论 uGS对对iD

5、的控制作用。的控制作用。 (1)导电沟道的建立导电沟道的建立图图3.1.2 N沟道增强型导沟道增强型导MOS管导电沟道的建立管导电沟道的建立 2. 工作原理工作原理 (2) uDS对对iD的影响的影响 图图3.1.3 uDS对导电沟道和对导电沟道和iD的影响的影响(a) uDS较小较小(b) uDS=uGS- -UT(c) uDSuGS- -UT 2. 工作原理工作原理 uGD=uGS - uDS 当当uDSuGD=uGS-uDS=UT(3) uGS对对iD的控制作用的控制作用 MOS管在正常工作情况下，管在正常工作情况下，uDS、UT是确定的，是确定的，式中：式中：IDO为为uGS = 2U

6、T时的时的iD值值 在满足上式的情况下，只要改变在满足上式的情况下，只要改变uGS的值，就有一个的值，就有一个确定的确定的iD与之对应，从而实现与之对应，从而实现uGS对对iD的控制。故称的控制。故称MOS管为管为电压控制电压控制元件。元件。 ) (1)(TGS2TGSDODUuUuIi ：则有则有且：且：uDS uGS - -UT 2. 工作原理工作原理3. 特性曲线特性曲线常数常数DSGSD(uufi）(1) 转移特性转移特性表述：表述：当漏源电压当漏源电压uDS为某一为某一固定值时，栅源电压固定值时，栅源电压uGS和漏和漏极电流极电流iD之间的关系曲线，之间的关系曲线，称为称为转移特性转

7、移特性。也就是栅源。也就是栅源电压电压uGS 对漏极电流对漏极电流iD 的控的控制特性制特性 。表达式：表达式：(a)转移特性转移特性图图3.1.4(a) N沟道增强型沟道增强型 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管 的特性曲线的特性曲线) (1)(TGS2TGSDODUuUuIi (2) 输出特性输出特性常数常数GS)(DSDuufi表述：表述：当栅源电压当栅源电压uGS 一定的情况下，漏极电一定的情况下，漏极电流流iD与漏源电压与漏源电压uDS之间之间的关系曲线，称为的关系曲线，称为输出输出特性特性。表达式：表达式：(b) 输出特性输出特性图图3.1.4 (b) N沟道增强型沟道增强型 绝缘栅场效

8、应管绝缘栅场效应管 的特性曲线的特性曲线区区区区区区区区3. 特性曲线特性曲线 1. 基本结构基本结构 图图3.1.5是是N 沟道耗尽型沟道耗尽型绝缘栅场效应管的结构绝缘栅场效应管的结构示意图。制造时在二氧化硅绝缘层中渗入大量的正示意图。制造时在二氧化硅绝缘层中渗入大量的正离子，在它的作用下，即使离子，在它的作用下，即使uGS = =0 时，时，在两在两个个N型型区之间形成原始区之间形成原始N型导电沟道。型导电沟道。 图图3.1.5 N沟道耗尽型沟道耗尽型绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管 (a)结构示意图结构示意图 (b) 表示符号表示符号 2. 工作原理工作原理分析：在分析：在uDS 为常数，为

9、常数， 1) 当当uGS = =0 时，漏源极间已导通，时，漏源极间已导通， iD0 ； 2) uGS0 时，沟道变时，沟道变宽宽，iD ；3) uGS0 时，沟道变时，沟道变窄窄，iD；4) 当当uGS 达到一定负值时，沟道被夹断，达到一定负值时，沟道被夹断， iD0 ； MOS管截止，管截止， uGS = UP 值称为值称为夹断电压夹断电压 2PGSDSSD)(1UuIi3. 特性曲线特性曲线图图3.1.6 N沟道耗尽型沟道耗尽型绝缘栅场效绝缘栅场效 应管的应管的转移特性和输出特性转移特性和输出特性 1. 直流参数直流参数(1) 开启电压开启电压UT定义：定义：当漏源电压当漏源电压uDS为

10、某一常数时，使管由截止变为某一常数时，使管由截止变为导通时的临界栅源电压为导通时的临界栅源电压uGS ，称为开启电压，称为开启电压UT 。(2) 夹断电压夹断电压UP定义：定义：当漏源电压当漏源电压uDS为某一常数时，使管由导通变为某一常数时，使管由导通变为截止时的临界栅源电压为截止时的临界栅源电压uGS ，称为夹断电压，称为夹断电压UP 。(3) 饱和漏极电流饱和漏极电流 IDSS 表述：表述：当当uGS = =0时，场效应管处于预夹断状态的漏源时，场效应管处于预夹断状态的漏源电压电压 ( (即即uDSUP)时的漏极电流，称为饱和时的漏极电流，称为饱和漏极电流漏极电流IDSS 。 2. 交流

11、参数交流参数(1) 互导互导gm定义：定义：当漏源电压当漏源电压uDS 为某一常数时，漏极电流为某一常数时，漏极电流iD与栅与栅源电压源电压uGS的变化量之比，称为的变化量之比，称为互导互导gm 。表达式：表达式：常数常数DSGSDmuuig(2) 极间电容极间电容 是指场效应管三个极间的电容，即是指场效应管三个极间的电容，即CGS、CGD、CDS 。(1) 静态：适当的静态工作点，使场效应管工作在恒流区静态：适当的静态工作点，使场效应管工作在恒流区 (放大区放大区)，场效应管的偏置电路相对简单。，场效应管的偏置电路相对简单。 (2) 动态：能为交流信号提供通路。动态：能为交流信号提供通路。静

12、态分析：静态分析：估算法估算法、图解法。、图解法。动态分析：动态分析：微变等效电路法微变等效电路法。分析方法：分析方法： 场效应管是电压控制器件。它利用栅源电压来控制漏极场效应管是电压控制器件。它利用栅源电压来控制漏极电流的变化。它的放大作用以跨导来体现，在场效应管的漏电流的变化。它的放大作用以跨导来体现，在场效应管的漏极特性的水平部分，漏极电流极特性的水平部分，漏极电流 iD 的值主要取决于的值主要取决于uGS，而几，而几乎与乎与uDS无关。无关。1. 输入端输入端: : 由于场效应管是利用场效应原理工作的由于场效应管是利用场效应原理工作的，不向信号，不向信号源取用电流，故输入端呈开路状态。

13、源取用电流，故输入端呈开路状态。2. 输出端输出端: : 由伏安特性可知由伏安特性可知 DSdsGSmDd1ddurugi 常数常数常数常数式中：式中：GSGSddsDDSds uuiuiur DSDSDGSGSDDdddGSDSuuiuuii uu常数常数常数常数( (电压控制的恒流源电压控制的恒流源) )图图3.2.1 FET的的微变等效电路及高频模型微变等效电路及高频模型(a) 低频模型低频模型(c) 高频模型高频模型(b) 低频模型低频模型1. 放大电路的组成放大电路的组成以以N沟道耗尽型绝缘栅场效应管组成的分压式偏压电沟道耗尽型绝缘栅场效应管组成的分压式偏压电路为例，电路如图路为例，

14、电路如图3.2.2所示所示。图图3.2.2 分压式场效应管放大电路分压式场效应管放大电路2. .静态分析静态分析 图图3.2.3 直流通路直流通路SDQDDG2G1G2GSQRIURRRU 2PGSQDSSDQ)(1UUII)(SDDQDDDSQRRIUU(UGSQ、 IDQ 、UDSQ )1）解析法）解析法 (1) 放大电路的放大倍数放大电路的放大倍数gsiUULgsmLdLDLDdoRUgRIRRRRIU LmiouRgUUA(2) 输入电阻和输出电阻输入电阻和输出电阻) /(G2G1GiiiRRRIUrD0oooiRIUrU 图图3.2.4 放大电路的放大电路的 微变等效电路微变等效电路

15、 3. 动态分析动态分析4. 举例分析举例分析 例例3.5.1 ：共源极放大电路，场效应管的：共源极放大电路，场效应管的UP = - -1V, IDSS= 0.5mA， UDD=18V, RG1=47k，RG2=2M，RG=10M，RS=2k， RD=30k，RL=30k。 1）求放大电路的静态工作点；）求放大电路的静态工作点； 2）求放大电路的电压放大倍数、输入电阻、输出电阻。）求放大电路的电压放大倍数、输入电阻、输出电阻。解解 1）根据电路的直流通路，有）根据电路的直流通路，有IDQ1=1.6mA舍去舍去 ； IDQ2=0.32mA= IDQUGSQ=-0.23V； UDSQ=7.76V解

16、得：SDQSDQG2G1G2DDGSQ20474718RIRIRRRUU2GSQ2PGSQDSSDQ)1(10.5)(1UUUII上式联立解得上式联立解得4. 举例分析举例分析 解解 2) 先求先求gm ，再求，再求Au ri ro解得： 图图3.2.4 放大电路的放大电路的 微变等效电路微变等效电路10M) /(GG2G1GiRRRRr30KD0oooLiRIUrRU0.77mS)10.23(110.52 )(12PGSQPDSSGSDmUUUIuig11.6303030300.77LmuRgA本章小结1. 场效应管是一种电压控制器件。场效应管是一种电压控制器件。2. 和半导体三极管相比，场

17、效应管由多数载流子参与导和半导体三极管相比，场效应管由多数载流子参与导电，所以温度稳定性好、抗辐射能力强、噪声低。电，所以温度稳定性好、抗辐射能力强、噪声低。3. 场效应管主要优点有输入电阻非常高。场效应管主要优点有输入电阻非常高。4. 场效应管分为结型和绝缘栅型两类，每类都有场效应管分为结型和绝缘栅型两类，每类都有N沟道和沟道和P沟道两种。对于绝缘栅型场效应管，还有增强型和耗沟道两种。对于绝缘栅型场效应管，还有增强型和耗尽型两种形式。尽型两种形式。5. 场效应管有可变电阻区、恒流区、截止区三个工作区，场效应管有可变电阻区、恒流区、截止区三个工作区，当组成放大电路时，应工作在恒流区当组成放大电路时，应工作在恒流区 。 第三章第三章 作业作业3.10；3.13