模拟电子技术基础(第二版)-第3章-场效应管及其放大电路课件.pptx

1、第第3 3章章 双极型三极管及其放大电路双极型三极管及其放大电路第第3 3章章 双极型三极管及其放大电路双极型三极管及其放大电路场效应三极管场效应三极管(FET)中中参与导电的只有一种极性的参与导电的只有一种极性的载流子（多数载流子），故称为载流子（多数载流子），故称为单极型三极管。单极型三极管。场效应管场效应管(Field Effect Transistor FET)利用输入回利用输入回路的电场效应来控制输出回路的电流。路的电场效应来控制输出回路的电流。第第3 3章章 双极型三极管及其放大电路双极型三极管及其放大电路 第第3 3章章 双极型三极管及其放大电路双极型三极管及其放大电路 第第3

2、3章章 双极型三极管及其放大电路双极型三极管及其放大电路N N沟道结型场效应管的沟道结型场效应管的结构示意图结构示意图栅极栅极漏极漏极高掺杂高掺杂高掺杂高掺杂N符符号号gds第第3 3章章 双极型三极管及其放大电路双极型三极管及其放大电路P沟道结型场效应管的结构和符号 gds符号符号第第3 3章章 双极型三极管及其放大电路双极型三极管及其放大电路 1.1.uGS 对对iD的控制作用的控制作用第第3 3章章 双极型三极管及其放大电路双极型三极管及其放大电路沟道最宽沟道最宽，iD 较大较大2.2.漏源电压对漏源电压对 iD 的影响的影响沟道沟道的形状会发生什么的形状会发生什么变化呢变化呢?uDS0

3、,iD 从漏极指向源极从漏极指向源极 靠近漏区的反偏电压大靠近漏区的反偏电压大,耗尽层宽度宽耗尽层宽度宽,靠近源区靠近源区的反的反偏偏电压小电压小,耗尽层窄耗尽层窄,沟道沟道成成楔形楔形 沟道中各点与栅极间的电压沟道中各点与栅极间的电压不相等不相等电位低电位低电压大电压大第第3 3章章 双极型三极管及其放大电路双极型三极管及其放大电路2.2.漏源电压对漏源电压对 iD 的影响的影响沟道变窄，沟道变窄，iD 减小。减小。uGD=UGS(off)导电导电沟道预夹断沟道预夹断。iD第第3 3章章 双极型三极管及其放大电路双极型三极管及其放大电路uGS UGS(off)，uGD 0 2.2.工作原理工

4、作原理靠近二氧化硅的一侧产靠近二氧化硅的一侧产生耗尽层，生耗尽层，若增大若增大uGS，则耗尽层变，则耗尽层变宽。宽。（1）uGS对导电沟道的影响对导电沟道的影响第第3 3章章 双极型三极管及其放大电路双极型三极管及其放大电路gdsN+uDS=0 uGS当当uGS 增大到一定增大到一定值时值时，形成，形成一个一个N型导电沟道型导电沟道,又称之又称之为反型层为反型层。uGS UGS(th)时时,形成导电沟道形成导电沟道导电沟道随导电沟道随uGS 增大增大而增宽。而增宽。第第3 3章章 双极型三极管及其放大电路双极型三极管及其放大电路gdsN+uGSuDS（2）uDS对导电沟道的影响对导电沟道的影响

5、 uGS为某一个大于为某一个大于UGS(th)的的固定固定值，在漏极和源极之值，在漏极和源极之间加间加正电压正电压，且且uDS UGS(th)则有电流则有电流iD 产生，使导电产生，使导电沟道沟道发生发生变化。变化。当当uDS 增大增大到到uDS=uGS -UGS(th)uGD=uGS-uDS=UGS(th)时，沟道时，沟道被预夹断，被预夹断，iD 饱和。饱和。第第3 3章章 双极型三极管及其放大电路双极型三极管及其放大电路3.3.特性曲线特性曲线0转移特性曲线可近似用以下公式表示：转移特性曲线可近似用以下公式表示：2GSDDOGS(th)(1)uiIU(1)转移特性曲线转移特性曲线IDO是是

6、uGS=2 UGS(th)时时,对应的对应的iD第第3 3章章 双极型三极管及其放大电路双极型三极管及其放大电路(2)(2)输出输出特性曲线特性曲线UGS(th)UGS1UGS2UGS3UGS4uDS=uGS -UGS(th)uGS UGS(th)uDS UGS(th)uDS uGS -UGS(th)uGS UGS(th)第第3 3章章 双极型三极管及其放大电路双极型三极管及其放大电路 预先在二氧化硅中掺入大预先在二氧化硅中掺入大量的正离子量的正离子。使使uGS=0 时时,产生产生N型导电型导电沟道沟道。uGS 0 时，沟道变宽，时，沟道变宽，iD 增大。增大。1.1.工作原理工作原理第第3

7、3章章 双极型三极管及其放大电路双极型三极管及其放大电路P型衬底型衬底N+sgdBN+当当uGS 增大到一定值时，增大到一定值时，形成一个形成一个N型导电沟道型导电沟道,又称之又称之为反型层为反型层。uGS第第3 3章章 双极型三极管及其放大电路双极型三极管及其放大电路增强型：增强型：uGS=0 时无导电沟道。时无导电沟道。耗尽型：耗尽型：uGS=0 时有导电沟道。时有导电沟道。2.特性曲线特性曲线00第第3 3章章 双极型三极管及其放大电路双极型三极管及其放大电路第第3 3章章 双极型三极管及其放大电路双极型三极管及其放大电路1.直流参数直流参数 饱和漏极电流饱和漏极电流 IDSS IDSS

8、是是当当栅源之间的电压栅源之间的电压uGS等于零，而漏源等于零，而漏源之间的之间的电压电压uDS大于夹断电压时对应的漏极电流。大于夹断电压时对应的漏极电流。3.3.1 3.3.1 场效应管的主要参数场效应管的主要参数IDSSuGS/VOiD/mAIDSSuGS/V0iD/mA 结型场效应管结型场效应管耗尽型绝缘栅场效应管耗尽型绝缘栅场效应管 是结型场效应管和耗尽型绝缘栅场效应管的一个重是结型场效应管和耗尽型绝缘栅场效应管的一个重要参数。要参数。第第3 3章章 双极型三极管及其放大电路双极型三极管及其放大电路 夹断电压夹断电压 UGS(off)是结型场效应管和耗尽型绝缘栅场效应管的一个重要是结型

9、场效应管和耗尽型绝缘栅场效应管的一个重要参数。参数。UGS(off)是当是当uDS一定时，使一定时，使iD减小到某一个微小电流时减小到某一个微小电流时所需的所需的uGS值。值。0 结型场效应管结型场效应管耗尽型绝缘栅场效应管耗尽型绝缘栅场效应管第第3 3章章 双极型三极管及其放大电路双极型三极管及其放大电路 开启电压开启电压 UGS(th)UGS(th)是是当当uDS一定时一定时，使，使漏极电流达到某一数值漏极电流达到某一数值时所需加的时所需加的uGS值值。UGS(th)uGS/ViD/mA0增强型绝缘栅场效应管增强型绝缘栅场效应管UGS(th)是增强型绝缘栅场效应管的一个重要参数。是增强型绝

10、缘栅场效应管的一个重要参数。第第3 3章章 双极型三极管及其放大电路双极型三极管及其放大电路P型衬底型衬底N+sgdBN+uGS 直流输入电阻直流输入电阻 RGS 栅栅源之间所加电压与产生的栅极电流之比源之间所加电压与产生的栅极电流之比。结型场效应管的结型场效应管的RGS一般在一般在107以上，以上，绝缘栅场效应管的绝缘栅场效应管的RGS更高，一般大于更高，一般大于109。uGS第第3 3章章 双极型三极管及其放大电路双极型三极管及其放大电路2.交流参数交流参数 低频跨导低频跨导gm低频跨导低频跨导gm体现栅源电压体现栅源电压uGS对漏极电流对漏极电流iD的控制能力。的控制能力。单位是单位是S

11、(西门子）西门子）或或mS（毫西门子）（毫西门子）是衡量晶体管放大是衡量晶体管放大能力的能力的 一个重要参一个重要参数。数。DSDmGSuigu常数iDuGS uGS iDUDS=UDSQ第第3 3章章 双极型三极管及其放大电路双极型三极管及其放大电路 极间电容极间电容 场效应管三个电极之间的等效电容，包括场效应管三个电极之间的等效电容，包括Cgs、Cgd和和Cds。Cgs、Cgd约为约为13pF，Cds约约为为0.11pF。在高频电路中在高频电路中应考虑场效应应考虑场效应管的极间电容。管的极间电容。sdg第第3 3章章 双极型三极管及其放大电路双极型三极管及其放大电路 3.极限参数极限参数

12、漏极最大允许耗散功率漏极最大允许耗散功率PDM 是指在最高工作温度条件下，所允许管子耗散的最大是指在最高工作温度条件下，所允许管子耗散的最大功率，功率，耗散功率耗散功率等于等于漏极电流与漏源之间电压的乘积漏极电流与漏源之间电压的乘积即即 PD=iD uDS 漏源击穿电压漏源击穿电压U（BR)DS 是指管子不发生击穿时所允许是指管子不发生击穿时所允许施加施加的最大的最大uDS。最大漏极电流最大漏极电流 是管子正常工作时所允许的漏极电流的最大值是管子正常工作时所允许的漏极电流的最大值。第第3 3章章 双极型三极管及其放大电路双极型三极管及其放大电路0uDS/ViD/mA过过电电压压IDM过流区过流

13、区U(BR)DSPDM=iDuDS 3.极限参数极限参数 PDM=iD uDS安全工作区安全工作区过过损损耗耗区区第第3 3章章 双极型三极管及其放大电路双极型三极管及其放大电路sdgbce场效应管场效应管三极管三极管三极管三极管和和场效应管场效应管比较动画比较动画第第3 3章章 双极型三极管及其放大电路双极型三极管及其放大电路第第3 3章章 双极型三极管及其放大电路双极型三极管及其放大电路 第第3 3章章 双极型三极管及其放大电路双极型三极管及其放大电路 1.电路电路组成组成共源极放大电路的原理电路VGGVT+-uI+uO-RgRD3.4.1 3.4.1 共源极放大电路共源极放大电路 VDD

14、VGG UGS(th)第第3 3章章 双极型三极管及其放大电路双极型三极管及其放大电路+-UGSQVDD共源极放大电路共源极放大电路的直流通路的直流通路RgRdVGGsdguO+-+-UDSQ 2.静态分析静态分析(1)近似估算法近似估算法UGSQ=VGGUDSQ =VDD-IDQ Rd IDIDQ=IDO(UGSQUGS(th)-1)221GSDDOGS thuiIUIG=0uI=0+uI-第第3 3章章 双极型三极管及其放大电路双极型三极管及其放大电路(2)图解法图解法UGSQ =VGG 3)找交点找交点UDSQ =VDD-IDQ Rd 1)写出写出。2)根据输出回路，写出直流负载线方程。

15、根据输出回路，写出直流负载线方程。画出直流负载线。画出直流负载线。找到找到UGSQ =VGG的曲线。的曲线。图解法步骤：图解法步骤：第第3 3章章 双极型三极管及其放大电路双极型三极管及其放大电路0uDS/ViD/mAUGSQVDDRdVDDQUDSQIDQ静态工作点静态工作点图解法动画图解法动画第第3 3章章 双极型三极管及其放大电路双极型三极管及其放大电路dgsiD3.3.场效应管的微变等效电路场效应管的微变等效电路uGS+uDS+-iD=f（uGS ，uDS）用全微分表示用全微分表示DSuDSDGSuGSDDuuiuuiiGSDSd dd dd d+=第第3 3章章 双极型三极管及其放大

16、电路双极型三极管及其放大电路m mguiDSuGSD=iDuGS uGS iDUDS=UDSQiD=IDO(uGSUGS(th)-1)2DmGSdigdu DOGSGS(th)GS(th)2(1)IuUUDO DGS(th)2IiU 第第3 3章章 双极型三极管及其放大电路双极型三极管及其放大电路0QuDS/ViD/mA iD uDSdsuDSDruiGS1 1=UDSQ第第3 3章章 双极型三极管及其放大电路双极型三极管及其放大电路+-gsdrds +-Ugs.Uds.Id.gmUgs.dgs+-Ugs.Uds.dmgsdsds1Ig UUr 第第3 3章章 双极型三极管及其放大电路双极型三

17、极管及其放大电路+-gsdrds +-Ugs.Uds.Id.gmUgs.dgs+-Ugs.Uds.rds通常在几十千欧到几百千欧之间，它一般通常在几十千欧到几百千欧之间，它一般远大于放大电路中的漏极电阻远大于放大电路中的漏极电阻Rd第第3 3章章 双极型三极管及其放大电路双极型三极管及其放大电路sdg +-Ugs.+-Uds.Id.gmUgs.dgs+-Ugs.Uds.简化简化的等效电路的等效电路场效应管场效应管第第3 3章章 双极型三极管及其放大电路双极型三极管及其放大电路RgRDVGGsdg+-uIuO+-VDD 4.用微变等效电路法分析共源极放大用微变等效电路法分析共源极放大电路电路交流

18、通路动画交流通路动画 第第3 3章章 双极型三极管及其放大电路双极型三极管及其放大电路RgRDsdg 4.用微变等效电路法分析共源极放大用微变等效电路法分析共源极放大电路电路微变等效电路动画微变等效电路动画gmUgs.+-Ugs.+Ui.+Uo.第第3 3章章 双极型三极管及其放大电路双极型三极管及其放大电路sdgRg 4.用微变等效电路法分析共源极放大用微变等效电路法分析共源极放大电路电路gmUgs.+Ui.+Uo.+Ugs.igsUU oddmgsdUI Rg U R （1 1）电压电压放大倍数放大倍数oumdiUAg RU （2 2）输入电阻）输入电阻近似近似等于场效应管栅源间的电阻等于

19、场效应管栅源间的电阻（3 3）输出电阻）输出电阻odRR RD第第3 3章章 双极型三极管及其放大电路双极型三极管及其放大电路例例 单管共源极放大电路如图所示，已知单管共源极放大电路如图所示，已知VGG=6V，VDD=15V，Rd=3 ，场效应场效应管的开启电压管的开启电压UGS(th)=4V，IDO=10mA。(1)试估算静态工作点试估算静态工作点Q；(2)电压放大电压放大倍数倍数和输出电阻和输出电阻k RgRDVGGsdg+-uIuO+-VDD解：解：(1)估算静态工作点估算静态工作点QGSQGG6VUV GSQ2DQDOGS(th)(1)UIIU DSQDDDQdUVIR (152.5

20、3)V7.5V2610(1)mA2.5mA4第第3 3章章 双极型三极管及其放大电路双极型三极管及其放大电路(2)(2)电压放大倍数电压放大倍数和输出电阻和输出电阻mDOGS(th)22(10 2.5)mS2.5mS4DQgIIU oumdi2.5 37.5UAg RU od3KRR RgRDVGGsdg+-uIuO+-VDD第第3 3章章 双极型三极管及其放大电路双极型三极管及其放大电路Rd+VDD+-uiR1R2Rsuo+-RL分压式共源放大电路分压式共源放大电路C1+C2+Cs+RgRg提高输入电阻提高输入电阻。Rs稳定稳定静态静态工作点工作点1.电路电路组成组成静态时，栅极电压由静态时

21、，栅极电压由VDD经经R1、R2分压后分压后提供，提供，ID流经流经Rs产生产生一个自一个自偏压。偏压。第第3 3章章 双极型三极管及其放大电路双极型三极管及其放大电路UG+-UDS+-UGS+VDDR1IDRdR2RgRsID 2.静态分析静态分析UG =R1+R2R1VDDUGSQ=UG-IDQRSIDQ=IDO(UGSQUGS(th)-1)2UDSQ=VDD -IDQ(Rd+Rs)IG=0,URg=01)近似估算法近似估算法第第3 3章章 双极型三极管及其放大电路双极型三极管及其放大电路参数变化参数变化 IDQ IDQRS UGSQ IDQ UG+-UDS+-UGS+VDDR1R2IDR

22、dRsID如何稳定静态工作点的？如何稳定静态工作点的？UGSQ=UG-IDQRS第第3 3章章 双极型三极管及其放大电路双极型三极管及其放大电路uDSOiDOiD 2)图解法图解法iDUG+-UDS+-UGS+VDDR1R2IDRdRsID第第3 3章章 双极型三极管及其放大电路双极型三极管及其放大电路Rg+VDD+-uiuo+-RsRLRdC1+C2+Cs+R2R2R1Rd3.动态分析动态分析第第3 3章章 双极型三极管及其放大电路双极型三极管及其放大电路Rg+-uiuo+-RLR2R1Rd第第3 3章章 双极型三极管及其放大电路双极型三极管及其放大电路Rg-uiuo+-RLR2R1Rdsd

23、ggmUgs.+Ugs.第第3 3章章 双极型三极管及其放大电路双极型三极管及其放大电路Rg-+-RLR2R1RdsdggmUgs.+Ugs.Ui.Uo.第第3 3章章 双极型三极管及其放大电路双极型三极管及其放大电路-+-RLR2R1RdRggmUgs.+Ugs.Ui.Uo.Ii.igsUU oddmgsdUI Rg U R Id.dR/ddLRRR oumdiUAg RU 电压放大倍数电压放大倍数输入电阻输入电阻输出电阻输出电阻12ig(/)RRRR odRR 3动态分析动态分析第第3 3章章 双极型三极管及其放大电路双极型三极管及其放大电路 又称源极输出器或源极跟随器又称源极输出器或源极

24、跟随器Rg+VDDsdg+-uiuO+-R1R2RSC1C2RL 第第3 3章章 双极型三极管及其放大电路双极型三极管及其放大电路Rg+VDD+-uiuo+-RsRLC1+C2+R2R2R1第第3 3章章 双极型三极管及其放大电路双极型三极管及其放大电路Rg+-uiR2R1RLuo-+Rsgdssd源极输出器源极输出器第第3 3章章 双极型三极管及其放大电路双极型三极管及其放大电路+VDD+-uiR1R2Rsuo+-RLC1+C2+Rg1.静态分析静态分析第第3 3章章 双极型三极管及其放大电路双极型三极管及其放大电路+VDDR1R2RsRg1.静态分析静态分析UG+-UDS+-UGSIDID

25、UG =R1+R2R1VDDIDQ=IDO(UGSQUGS(th)-1)2UDSQ=VDD -IDQ RsUGSQ=-IDQRSR1+R2 R1VDD第第3 3章章 双极型三极管及其放大电路双极型三极管及其放大电路RLuo-+Rssd+-uiR2R1gRg+Ugs.gmUgs.2.动态分析动态分析第第3 3章章 双极型三极管及其放大电路双极型三极管及其放大电路RLRsR2R1Rg+Ugs.+-Ui.gmUgs.Id.2.动态分析动态分析odsmgssUI Rg U RsRssL/RRR igsmgssUUg U R Uo.+-1msgs()g R U 电压放大倍数电压放大倍数1msumsg R

26、Ag R 1msg R 如果如果输入电阻输入电阻ig12(/)RRRR 1uA 第第3 3章章 双极型三极管及其放大电路双极型三极管及其放大电路RLRs+-R2R1Rg+Ugs.Ui.gmUgs.+Uo.Io.oomgssUIg UR gsoUU 1omomoss()Ug UgURR oosomms11=/1URRIggR 输出电阻输出电阻输出电阻输出电阻较小。较小。共漏极放大电路共漏极放大电路Ro的等效电路的等效电路第第3 3章章 双极型三极管及其放大电路双极型三极管及其放大电路 1.场效应管分为场效应管分为结型结型场效应管和场效应管和绝缘栅型绝缘栅型场效应管，后场效应管，后者又称为者又称为

27、MOS型型场效应管，每种类型都有场效应管，每种类型都有N沟道沟道和和P沟道沟道之之分，而绝缘栅型场效应管又分为分，而绝缘栅型场效应管又分为增强型增强型和和耗尽型耗尽型两种形式。两种形式。由于由于MOS场效应管场效应管比结型场效应管温度稳定性好、集成时工比结型场效应管温度稳定性好、集成时工艺简单，因而广泛用于艺简单，因而广泛用于大规模大规模和和超大规模集成超大规模集成电路之中。电路之中。2.当场效应管工作在当场效应管工作在恒流区时恒流区时，利用，利用栅源栅源电压所产生的电压所产生的电场效应来电场效应来改变导电沟道改变导电沟道的宽度，从而控制多子漂移运动所的宽度，从而控制多子漂移运动所产生的产生的

28、漏极电流漏极电流。可以用。可以用转移特性转移特性曲线和曲线和输出特性输出特性曲线描述曲线描述场效应管各极电流与电压之间的关系。而场效应管各极电流与电压之间的关系。而跨导跨导gm则反映则反映了场效应管的放大作用。了场效应管的放大作用。第第3 3章章 双极型三极管及其放大电路双极型三极管及其放大电路 3.在在低电压（小）范围低电压（小）范围内，场效应管的特性曲线呈内，场效应管的特性曲线呈现现压控压控电阻特性。由于结构对称，原则上漏极和源极可电阻特性。由于结构对称，原则上漏极和源极可以互换，故场效应管可作为以互换，故场效应管可作为双向开关双向开关。4.场效应管放大电路的场效应管放大电路的共源共源接法、接法、共漏共漏接法与晶体接法与晶体管放大电路的管放大电路的共射共射、共集共集接法相对应，但比晶体管电路接法相对应，但比晶体管电路输入电阻高、噪声系数低、电压放大倍数小输入电阻高、噪声系数低、电压放大倍数小，适于做电压放，适于做电压放大电路的大电路的输入级输入级。