电子技术基础第3章-场效应晶体管放大电路课件.ppt

1、场效应管场效应管FET与三极管与三极管BJT的区别的区别Sect1.BJT:是是 电流控制元件电流控制元件；FET:是是电压控制元件电压控制元件。2.BJT 参与导电的是参与导电的是电子电子空穴空穴，因此称其为双极型器件；，因此称其为双极型器件；FET 是电压控制元件，参与导电的只有是电压控制元件，参与导电的只有一种载流子一种载流子，称为单级型器件。，称为单级型器件。3.BJT 输入电阻较低输入电阻较低，一般，一般102104；FET 输入电阻高输入电阻高，可达，可达1091014 场效应管的分类场效应管的分类结型场效应管结型场效应管JFETMOS型场效应管型场效应管MOSFET 双极型三极管

2、双极型三极管 场效应三极管场效应三极管噪声噪声 较大较大 较小较小温度特性温度特性 受温度影响较大受温度影响较大 较小，可有零温度系数点较小，可有零温度系数点输入电阻输入电阻 几十到几千欧姆几十到几千欧姆 几兆欧姆以上几兆欧姆以上静电影响静电影响 不受静电影响不受静电影响 易受静电影响易受静电影响集成工艺集成工艺 不易大规模集成不易大规模集成 适宜大规模和超大规模集成适宜大规模和超大规模集成3.13.1、结型场效应管、结型场效应管Sect3.1.1、结构与工作原理、结构与工作原理漏极漏极 D 集电极集电极 C栅极栅极 G 基极基极 B源极源极 S 发射极发射极 E导通条件：导通条件：UGS 0

3、 UBE 0 UDS 0 UBC 01)在一定UDS作用下,栅源极电压 为负,栅源极勾道通,UGS决定 电流 iD 的大小2)沟道中只有一种截流子 单极型晶体管1、结构、结构2.2.JFETJFET工作原理工作原理 N沟道沟道结型场效应三极管只能工作在结型场效应三极管只能工作在负栅压负栅压区，区，P沟道沟道的只能工作在的只能工作在正栅压正栅压区，区，当当UGS=0时，时，沟道较宽沟道较宽，在，在UDS的作用下的作用下N沟道内的电子定向运动形成漏极电流沟道内的电子定向运动形成漏极电流ID。当当UGS0时，时，PN结反偏，结反偏，PN结加宽，漏源间的结加宽，漏源间的沟道将变窄沟道将变窄，ID将减小

4、将减小，当当UGS继续向负方向增加，沟道继续变窄，继续向负方向增加，沟道继续变窄，ID继续减小直至为继续减小直至为0。当当漏极电流为零漏极电流为零时时 所对应的所对应的栅源电压栅源电压UGS称为称为夹断电压夹断电压UP。P+P+NGSDUDSIDDP+P+NGSUDSIDUGS预夹断预夹断UGS=UP夹断状态夹断状态ID=0Sect导电沟道导电沟道3.1.2 3.1.2 JFETJFET特性曲线特性曲线UP转移特性曲线转移特性曲线输出特性曲线输出特性曲线Sect)(DSDUfi const GSU1.输出特性曲线：输出特性曲线：l 可变电阻区可变电阻区 l 线性放大区线性放大区 ID=gm U

5、GSl 击穿区击穿区IDSS：饱和栅极漏极电流,UGS=0UP：预夹断电压,iD=0 UT：开启电压,不通转通2.转移特性曲线转移特性曲线：2PGSDSSD)(1UUIIUTSect3.2.1.N3.2.1.N沟道沟道增强型增强型MOSMOS场效应管场效应管漏极漏极D集电极集电极C源极源极S发射极发射极E栅极栅极G基极基极B衬底衬底B电极电极金属金属绝缘层绝缘层氧化物氧化物基体基体半导体半导体称之为称之为MOS管管类型：N沟道 增强型 P沟道 耗尽型退出退出1.结构和工作原理 当当UGS较小较小时，虽然在时，虽然在P型衬底表面形成型衬底表面形成 一层一层耗尽层耗尽层，但负离子不能导电。，但负离

6、子不能导电。当当UGS=UT时时,在在P型衬底表面形成一层型衬底表面形成一层 电子层电子层，形成，形成N型导电沟道型导电沟道 在在UDS的作用下形成的作用下形成ID。UDSID+-+-+-UGS反型层反型层 当当UGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的时，漏源之间相当两个背靠背的PN结，无论结，无论UDS之间加上电压之间加上电压 不会在不会在 D、S间形成电流间形成电流ID,即即ID0.当当UGSUT时时,沟道加厚，沟道电阻沟道加厚，沟道电阻 减少，减少，在相同在相同UDS的作用下的作用下 ID将进一步增加将进一步增加开始无导电沟道，当在开始无导电沟道，当在UGS UT时时才形成沟道才形成沟道

7、,这种类型的管子称为这种类型的管子称为增强型增强型MOS管管Sect N N沟道沟道增强型增强型MOSMOS工作原理工作原理2.N2.N沟道沟道增强型增强型MOSMOS特性曲线特性曲线 U UDSDS一定时，一定时，U UGSGS对漏极电流对漏极电流I ID D的控制的控制 关系曲线关系曲线 I ID D=f f(U UGSGS)U UDSDS=C=C 1).1).转移特性曲线转移特性曲线UDSUGS-UTUGS(V)ID(mA)UT在恒流区，ID与UGS的关系为IDK(UGS-UT)2沟道较短时，应考虑UDS对沟道长度的调节作用：IDK(UGS-UT)2（1+UDS)K导电因子（导电因子（m

8、A/V2)沟道调制长度系数沟道调制长度系数LWCKOXn2 LWK2nSK2DSULL n沟道内电子的表面迁移率沟道内电子的表面迁移率COX单位面积栅氧化层电容单位面积栅氧化层电容W沟道宽度沟道宽度L沟道长度沟道长度Sn沟道长宽比沟道长宽比K本征导电因子本征导电因子Sect2).2).输出特性曲线输出特性曲线2.恒流区恒流区：UGS一定，一定，ID基本不随基本不随UDS变化而变变化而变3.击穿区击穿区：UDS 增加到某一值时，增加到某一值时，ID开始剧增而出开始剧增而出现击穿。现击穿。ID开始剧增时开始剧增时UDS称为漏源击穿称为漏源击穿电压。电压。UGS=6VUGS=4VUGS=5VUGS=

9、3VUGS=UT=3VUGS(V)ID(mA)SectU UGSGS一定时，一定时，I ID D与与U UDSDS的变化曲线，是一族曲线的变化曲线，是一族曲线 I ID D=f f(U UDSDS)U UGSGS=C =C 1.可变电阻区：可变电阻区：近线性近线性 ID 2K(UGS-UT)UDS可变电阻区可变电阻区:当UGS变化时，RON将随之变化恒阻区恒阻区:当UGS一定时，RON近似为一常数2K1UU1dIdURTGS0dUDDSonGS3.2.2 N3.2.2 N沟道沟道耗尽型耗尽型MOSMOS场效应管场效应管+耗尽型耗尽型MOS管存在管存在原始导电沟道原始导电沟道Sect1.1.工作

10、原理工作原理当UGS=0时，UDS加正向电压，产生漏极电流ID,此时的漏极电流称为漏极饱和电流 IDSS当UGS0时，将使ID进一步增加。当UGS0时，UGS的减小漏极电流逐渐减小。直至ID=0。对应ID=0的UGS称为夹断电压 UP退出退出2.2.特性曲线特性曲线转移特性曲线转移特性曲线UGS(V)ID(mA)UP在恒流区在恒流区IDK(UGS-UP)2沟道较短时沟道较短时IDK(UGS-UT)2（1+UDS)ID IDSS(1-UGS/UP)2常用关系式：常用关系式：Sect输出特性曲线输出特性曲线ID(mA)N N沟道沟道耗尽型耗尽型MOSMOS管可工作在管可工作在 U UGSGS 0

11、0或或U UGSGS0 0 N N沟道沟道增强型增强型MOSMOS管只能工作在管只能工作在 U UGSGS00各类场效应三极管的特性曲线各类场效应三极管的特性曲线3.3 3.3 场效应管的主要参数场效应管的主要参数Sect1.开启电压开启电压UT MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值,场效应管不能导通。场效应管不能导通。2.夹断电压夹断电压UP 夹断电压是耗尽型夹断电压是耗尽型FET的参数，当的参数，当UGS=UP 时时,漏极电流为零。漏极电流为零。3.饱和漏极电流饱和漏极电流IDSS 耗尽型场效应三极管当耗尽型场效应三极管当UGS=0

12、时所对应的漏极电流。时所对应的漏极电流。4.直流输入电阻直流输入电阻RGS栅源间所加的恒定电压栅源间所加的恒定电压UGS与流过栅极电流与流过栅极电流IGS之比之比结型场效应管，反偏时结型场效应管，反偏时RGS约大于约大于107，绝缘栅场效应管，绝缘栅场效应管RGS约是约是10910155.漏源击穿电压漏源击穿电压BUDS 使使ID开始剧增时的开始剧增时的UDS。6.栅源击穿电压栅源击穿电压BUGSJFET：反向饱和电流剧增时的栅源电压：反向饱和电流剧增时的栅源电压 MOS：使：使SiO2绝缘层击穿的电压绝缘层击穿的电压7.低频跨导低频跨导gm 低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用低频跨导反映

13、了栅压对漏极电流的控制作用)1(2PGSPDSSconstGSDmDSUUUIUIgu半导体三极管图半导体三极管图片片 参 数型 号PDM m W IDSS m A VRDS VVRGS V VP V gmmA/V fM MHz3DJ2D 100 20 20-4 2 3003DJ7E 100 20 20-4 3 903DJ15H 100 6 11 20 20-5.5 83DO2E 1000.35 1.2 12 25 1000CS11C 1000.3 1 -25-4 2 3.4 场效应管放大电路场效应管放大电路1 1、静态值：、静态值：3.4.1 共源组态基本放大电路共源组态基本放大电路GUSU

14、2CdRDDV1CsRVTCsuiDIg2Rg1RVTVDDuiC1C2RdRLuoRg1CsRg2GURsSUVTVDDuiC1C2RdRLuoRsCsRg22CdRDDV1C+gRsRVTCsuiuo+(1).分压偏置电路 g2g1DDg2GRRVRU )(1 2PGSDSSDUUIIUGS=UGUS=UGIDRSUDS=VDDID(Rd+RS)(2).自给偏压电路 )(1 2PGSDSSDUUIIUGS=-IS RS=-ID RSUDS=VDDID(Rd+RS)自给偏置电路：适合结型管和耗尽型MOS管外加偏置电路：适合增强型MOS管采用结型场效应管采用结型场效应管采用采用绝缘栅绝缘栅场效

15、应管场效应管退出退出2 2、微变等效电路、微变等效电路1、场效应管微变等效电路场效应管微变等效电路 受控源：电压控制电流源 输入电阻：rgs 很大忽略 输出电阻：rds 很大忽略gsdconstGSDmDSuiUIgu2.2.共源组态放大电路共源组态放大电路 微变等效电路微变等效电路 IDSDrdvgs+-+-vdsGiDgmvgssRg1Rg2RdRLRdsrgsUoUsUiUgsmUgsdgiIoI电压放大倍数电压放大倍数LddsL/RRrRLmgsLddsgsm)/(RgVRRrVgAvLddsgsmo)/(RRrVgV3.3.交流分析交流分析输入电阻输入电阻 g2g1.i.ii/RRI

16、Vr输出电阻输出电阻计算计算Ro的电路模型的电路模型ddsooo/=RrIVrgsiUU例3.3.1 用EWB分析图共源结型场效应管基本放大电路的静态工作点和电压放大倍数，并与理论计算相比较。已知gm=0.69mA/V,IDSS=1mA、UP=-2V。(1)静态工作点仿真，结果列在图中。(2)静态工作点理论计算。UDSVDD（RSR）ID 上述方程组代入数据得两组解：ID0.46 mA，UGS0.6 V，UDS6.8 V。SDg2g1g2DDGSRIRRRVU2PGS)1(UUIIDSSD(3)动态计算。列方程 Ui Ugs UogmUgsRL 求解得：Augm RL=3.45(4)电压放大倍

17、数的仿真。Au465/100=4.65，比计算值大，这主要是由三极管参数差异造成的。如果实际安装，实测值一般与计算值也会有差别，需要通过调试使电子电路的技术指标符合要求。3.4.2 3.4.2 共漏组态基本放大电路共漏组态基本放大电路电压放大倍数电压放大倍数LmLmio1RgRgVVAv(1)(1)直流分析直流分析 VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2)VGSQ=VGVS=VGIDQR IDQ=IDSS1(VGSQ/VGS(off)2 VDSQ=VDDIDQR(2)(2)交流分析交流分析输入电阻输入电阻)/(g2g1giRRRr 输出电阻输出电阻)/1/(/)/(mdsogsmdso.ogrRUUgrRUIgsoUUmmmdsooo1/1)/1/(/gRRgRgrRIUr退出退出3.4.3 3.4.3 共栅组态基本放大电路共栅组态基本放大电路 电压放大倍数电压放大倍数(2)(2)交流分析交流分析输入电阻输入电阻 输出电阻输出电阻(1)(1)直流分析直流分析与共源组态放大电路相同 VTVDDCgC2RdRg1RsCsRg2RLsRsUoUGUoUiIRdRLRgsdgsmUggsUiUsRsULmLdmgsLdgsmiou)/()/(RgRRgURRUgUUAmmgsmgsgsiii1/11gRgRUgRUUIUr roRd