西安交大模电场效应管及其放大电路.pptx

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1、场效应管，简称FET(Field Effect Transistor)，其主要特点：(a)输入电阻高，可达107 1015W W。(b)起导电作用的是多数（一种）载流子，又称为单极型晶体管。(c)体积小、重量轻、耗电省、寿命长。(d)噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强和制造工艺简单。(e)在大规模集成电路制造中得到了广泛的应用。第1页/共103页1.结型场效应管，简称JFET(Junction Field Effect Transistor)场效应管按结构可分为：场效应管的类型：2.绝缘栅型场效应管，简称IGFET(Isolated Gate Field Effect Transistor)第2

2、页/共103页3.1 结型场效应管 3.1.1 结型场效应管的结构和类型 sgdP+NP+SiO2保护层N沟道JFET结构示意图第3页/共103页NP+P+形成SiO2保护层以N型半导体作衬底上下各引出一个电极左右各引出一个电极两边个引出一个电极两边个引出一个电极两边扩散两个高浓度的P型区第4页/共103页漏极D（drine)源极S（source)栅极G（gate)NP+P+N型导电沟道符号称为N沟道JFET第5页/共103页符号P沟道JFET结构示意图PN+N+P型导电沟道SGD第6页/共103页N沟道结型场效应管P沟道结型场效应管结型场效应管分3.1.2 结型场效应管的工作原理 GDS电路

3、图第7页/共103页1uDS=0时，uGS对沟道的控制作用 a当uGS=0时NP+P+N型导电沟道SGD=0沟道无变化第8页/共103页bUGS(off)uGS uGS=UGS(off)UGS(off)栅源截止电压或夹断电压+第10页/共103页当uDS=0时，uGS对沟道的控制作用动画演示 第11页/共103页2当uGS=0时，uDS对沟道的控制作用 NP+P+N型导电沟道SGD=0+第12页/共103页NP+P+N型导电沟道SGD=0+a0uDS|UGS(off)|(a)iD达到最大值几乎不随uDS的增大而变化NP+N型导电沟道SGD=0P+(b)沟道夹断区延长第15页/共103页当uGS

4、=0时，uDS对沟道的控制作用动画演示 第16页/共103页3当uDS 0时，uGS(0）对沟道的控制作用 a.uDS和uGS将一起改变沟道的宽度NP+N型导电沟道SGDP+c.当uDG=|UGS(off)|时，沟道出现予夹断。此时，uDS=|UGS(off)|+uGSb.PN结在漏极端的反偏电压最大。uDG=uDS-uGS第17页/共103页uDS、uGS共同对沟道的控制作用动画演示 第18页/共103页（1）JFET是利用uGS 所产生的电场变化来改变沟道电阻的大小，（2）场效应管为一个电压控制型的器件。（3）在N沟道JFET中，uGS和UGS（off）均为负值。小结：在P沟道JFET中，

5、uGS和UGS（off）均为正值。即利用电场效应控制沟道中流通的电流大小，因而称为场效应管。第19页/共103页3.1.3 结型场效应管的伏安特性 在正常情况下，iG=0，管子无输入特性。+第20页/共103页1输出特性（漏极特性）+特性曲线24061020可变电阻区放大区截止区第21页/共103页24061020可变电阻区(1)(1)可变电阻区a.uDS较小，沟道尚未夹断b.uDS|UGS(off)|+uGSc.管子相当于受uGS控制的压控电阻各区的特点：第22页/共103页放大区(2)放大区放大区也称为饱和区、恒流区。b.uDS|UGS(off)|+uGSa.沟道予夹断c.iD几乎与uDS

6、无关。d.iD只受uGS的控制。24061020第23页/共103页截止区a.uGSUGS(off)(3)截止区b.沟道完全夹断c.iD024061020第24页/共103页2转移特性表示场效应管的uGS对iD的控制特性。定义转移特性曲线可由输出特性曲线得到第25页/共103页（1）对于不同的uDS，所对应的转移特性曲线不同。曲线特点：（2）当管子工作于恒流区时，转移特性曲线基本重合。第26页/共103页当管子工作于恒流区时称为零偏漏极电流第27页/共103页3.1.4 结型场效应管的主要电参数 1直流参数 (3)直流输入电阻RGS (1)夹断电压UGS(off)(2)零偏漏极电流I IDSS

7、 （也称为漏极饱和电流）第28页/共103页2交流参数(1)跨导gm 也称为互导。其定义为：当管子工作在放大区时得管子的跨导由第29页/共103页可见，gm与IDQ有关。IDQ越大，gm也就越大。第30页/共103页3.极限参数(1)漏极最大允许耗散功率 PDSM (2)最大漏极电流I IDSM(2)极间电容栅源电容Cgs栅漏电容Cgd漏源电容Cds (3)栅源击穿电压U（BR）GS(4)漏源击穿电压U（BR）DS第31页/共103页例 在图示电路中，已知场效应管的 ；问在下列三种情况下，管子分别工作在那个区？（b）（c）（a）GDS解（a）因为uGS0,uDS=0产生垂直向下的电场第40页/

8、共103页PN+SGN+iD=0D+电场排斥空穴形成耗尽层吸引电子第41页/共103页PN+SGN+iD=0D+形成导电沟道当uGS=UGS(th)时出现反型层第42页/共103页PN+SGN+iD=0D+UGS(th)开启电压N沟道增强型MOS管，简称NMOSN沟道第43页/共103页PN+SGN+iD0D+3当uGS UGS(th）,uDS0时.uDS(b)沿沟道有电位梯度(a)漏极电流iD0uDS增大，iD增大。第44页/共103页PN+SGN+iD0D+uDS(b)沿沟道有电位梯度3当uGS UGS(th）,uDS0时.(c)不同点的电场强度不同,左高右低(a)漏极电流iD0uDS增大

9、，iD增大。第45页/共103页PN+SGN+iD0D+uDS(d)沟道反型层呈楔形(b)沿沟道有电位梯度3当uGS UGS(th）,uDS0时.(c)不同点的电场强度不同,左高右低(a)漏极电流iD0uDS增大，iD增大。第46页/共103页a.uDS升高沟道变窄PN+SGN+iD0D+uDS反型层变窄第47页/共103页b.当uGD=uGS-uDS=UGS(th）时PN+SGN+iD0D+uDS沟道在漏极端夹断(b)管子预夹断(a)iD达到最大值第48页/共103页c.当uDS进一步增大(a)iD达到最大值且恒定PN+SGN+iD0D+uDSPN+SGN+D+uDS沟道夹断区延长(b)管子

10、进入恒流区第49页/共103页增强型NMOS管工作原理动画演示第50页/共103页2伏安特性与参数 a输出特性可变电阻区放大区截止区输出特性曲线24061020第51页/共103页(1)可变电阻区a.uDS较小，沟道尚未夹断b.uDS uGS-|UGS(th)|c.管子相当于受uGS控制的压控电阻各区的特点：可变电阻区24061020第52页/共103页(2)放大区(饱和区、恒流区)a.沟道予夹断c.iD几乎与uDS无关d.iD只受uGS的控制b.uDS uGS-|UGS(th)|放大区24061020第53页/共103页截止区a.uGSUGS(th)(3)截止区b.沟道完全夹断c.iD=02

11、4061020第54页/共103页管子工作于放大区时函数表达式b转移特性曲线 式中，K为与管子有关的参数0转移特性曲线第55页/共103页例 图示为某一增强型NMOS管的转移特性。试求其相应的常数K值。解 由图可知，该管的UGS（th）=2 V当UGS=8 V 时，ID=2 mA故0246812第56页/共103页3.2.2 耗尽型MOS管 1.MOS管结构示意图sgdN+N+SiO2 Alb耗尽层（导电沟道）反型层P第57页/共103页绝缘层中渗入了正离子PN+SGDN+出现反型层形成导电沟道第58页/共103页导电沟道增宽a.导电沟道变窄b.耗尽型MOS管可以在uGS为正或负下工作。PN+

12、SGDN+第59页/共103页2伏安特性与参数 24061020可变电阻区放大区截止区a输出特性曲线 第60页/共103页b转移特性曲线函数表达式转移特性曲线0工作于放大区时第61页/共103页增强型与耗尽型管子的区别：耗尽型：增强型：当 时，当 时，第62页/共103页MOSFET符号增强型耗尽型GSDSGDP沟道GSDN沟道GSD第63页/共103页JFET符号N沟道P沟道第64页/共103页场效应管的特点（与双极型三极管比较）（1）场效应管是一种电压控制器件，即通过uGS来控制iD；双极型三极管是一种电流控制器件，即通过iB来控制iC（2）场效应管的输入端电流几乎为零，输入电阻非常高。双

13、极型三极管的发射结始终处于正向偏置，有一定的输入电流，基极与发射极间的输入电阻较小。第65页/共103页（4）场效应管具有噪声小、受辐射的影响小、热稳定性较好，且存在零温度系数工作点。（3）场效应管是利用多数（一种极性）载流子导电的。在双极型三极管中二种极性的载流子（电子和空穴）同时参与了导电。（5）场效应管的结构对称，有时（除了源极和衬底在制造时已连在一起的MOS管）漏极和源极可以互换使用，且各项指标基本不受影响，使用方便、灵活。第66页/共103页（6）场效应管制造工艺简单，有利于大规模集成。每个MOS场效应管在硅片上所占的面积只有双极性三极管5%。（7）场效应管的跨导小，当组成放大电路时

14、，在相同的负载电阻下，电压放大倍数比双极性三极管低。（8）由于MOS管的输入电阻高，由外界感应产生的电荷不易泄露，而栅极上的绝缘层又很薄，这将在栅极上产生很高的电场强度，以致引起绝缘层的击穿而损坏管子。第67页/共103页2.绝缘栅场效应管的栅极为什么不能开路？思 考 题1.试比较三极管和场效应管的异同点。第68页/共103页3.3 场效应管放大电路3.3.1 场效应管的偏置及其电路的静态分析1自给偏压场效应管常用的偏置方式自给偏压分压式偏置IDQUSQ=IDQ RSUGSQ=-IDQ RS(1)电路(2)自给偏压原理+_+_第69页/共103页(3)静态分析a.方法一：图解法(a)列写输出回

15、路方程(c)作图(b)列写输入回路方程+_+_第70页/共103页abcdeabcdeIDQMNQoUDSQQiUGSQ作输出回路直流负载线作控制特性作输入回路直流负载线第71页/共103页b.方法二：估算法输入回路方程当管子工作于放大区时两式联立可求得IDQ由此可得+_+_第72页/共103页例 在图示电路其中，VDD=18V、RD=3k、RS=1k、RG=1M，FET的IDSS=7mA、UGS(off)=8V。试求UGSQ、IDQ和UDSQ。UGSQ=2.9V得IDQ=2.9 mA解由+_+_第73页/共103页2分压式偏置图中(1)电路(2)静态分析+_+_+_+第74页/共103页故分

16、压式偏置:增强型、耗尽型两种偏置电路适用的FET：自给偏压：耗尽型+_+_+_+第75页/共103页3信号的输入和输出常用的耦合方式阻容耦合变压器耦合直接耦合一种典型的阻容耦合共源极放大电路+_+_+第76页/共103页3.3.2 场效应管的微变等效电路由场效应管工作原理知：iD=f(uGS、uDS)iG=0对iD全微分 FET第77页/共103页为跨导式中rds为FET共源极输出电阻故 第78页/共103页或者微变等效电路简化的微变等效电路第79页/共103页FET的高频模型第80页/共103页3.3.3 场效应管组成的三种基本放大电路1共源极放大电路+_+_+微变等效电路第81页/共103

17、页由图可知故式中a.求电压放大倍数第82页/共103页由图可知b.求输入电阻Ri第83页/共103页根据输出电阻的定义：由图可知画出求输出电阻的等效电路c.求输出电阻Ro第84页/共103页2.共漏极放大电路_+_微变等效电路第85页/共103页由图可知故式中a.求电压放大倍数第86页/共103页输入电阻b.求输入电阻Ri第87页/共103页 c.求输出电阻Ro求Ro的等效电路第88页/共103页由图可知故电路的输出电阻第89页/共103页3.共栅极放大电路+_T+_+第90页/共103页微变等效电路+_+gsd_+_T+_+第91页/共103页由图可知a.求电压放大倍数+_+gsd_+第92

18、页/共103页故由于+_+gsd_+b.求输入电阻Ri第93页/共103页故c.求输出电阻Ro画出求Ro的等效电路+_+gsd_+_+gsd_+第94页/共103页1.比较共源极场效应管放大电路和共发射极晶体管放大电路，在电路结构上有何相似之处？为什么前者的输入电阻较高？2.为什么增强型绝缘栅场效应管放大电路无法采用自给偏置？思 考 题第95页/共103页例1 在图示电路中:（1）如果电路输入、输出电压的波形分别如图(a)、(b)所示。试问该电路的静态工作点可能处于或靠近哪个区？（2）已知T工作于放大区及IDQ，RG1和RG2，求RS。（3）在线性放大条件下，写出电路的Au、Ri及Ro的表达式

19、。ouiuo3p po2p pp pw w t3p p2p pp pw w t(a)(b)练习题RG2T+VDDRSRGRLC2uo+ui+C1CS+RG1RD+-第96页/共103页解：由图可知，该电路是一由N型沟道增强型MOS场效应管组成的共源极放大电路。（1）由于电路的输出波形负半周出现了失真，故该电路的静态工作点Q靠近可变电阻。ouiuo3p po2p pp pw w t3p p2p pp pw w t(a)(b)RG2T+VDDRSRGRLC2uo+ui+C1CS+RG1RD+-第97页/共103页将以上两式联立求解得：（2）已知T工作于放大区IDQ=kUGSQ-UGS(th)2故而

20、RG2T+VDDRSRGRLC2uo+ui+C1CS+RG1RD+-第98页/共103页（3）微变等效电路RG2T+VDDRSRGRLC2uo+ui+C1CS+RG1RD+-第99页/共103页例2 电路如图所示，已知T1的gm 和T2的、rbe。试写出电压放大倍数Au 的表达式。解 该电路是场效应管和晶体管组成的放大器。画出该电路的微变等效电路。T1+VCCRGuo+ui+C1RCT2C2+-第100页/共103页微变等效电路T1+VCCRGuo+ui+C1RCT2C2+-RCRGuouiugsgmugssgdrbe ibib+第101页/共103页由图可知故电压放大倍数RCRGuouiugsgmugssgdrbe ibib+第102页/共103页感谢您的观看！第103页/共103页