,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第九讲 场效应管及其放大电路,一、场效应管,二、场效应管放大电路静态工作点的设置方法,三、场效应管放大电路的动态分析,四、复合管,第九讲 场效应管及其放大电路一、场效应管二、场效应管放大电路,1.4场效应三极管,只有一种载流子参与导电，且利用电场效应来控制电流的三极管，称为,场效应管,，也称,单极型三极管。,场效应管分类,结型场效应管,绝缘栅场效应管,特点,单极型器件,(,一种载流子导电,)；,输入电阻高；,工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低。,1.4场效应三极管只有一种载流子参与导电，且利用电场效,D,S,G,N,符号,1.4.1结型场效应管,一、结构,图 1.4.1N 沟道结型场效应管结构图,N型沟道,N型硅棒,栅极,源极,漏极,P,+,P,+,P 型区,耗尽层,(,PN 结,),在漏极和源极之间加上一个正向电压，N 型半导体中多数载流子电子可以导电。,导电沟道是 N 型的，称,N 沟道结型场效应管,。,DSGN符号1.4.1结型场效应管一、结构图 1.4.1,P 沟道场效应管,图 1.4.2P 沟道结型场效应管结构图,N,+,N,+,P,型沟道,G,S,D,P 沟道场效应管是在 P 型硅棒的两侧做成高掺杂的 N 型区,(,N,+,),，,导电沟道为 P 型,，多数载流子为空穴。,符号,G,D,S,P 沟道场效应管图 1.4.2P 沟道结型场效应管结构图N,二、工作原理,N 沟道结型场效应管,用改变,U,GS,大小来控制漏极电流,I,D,的。,G,D,S,N,N型沟道,栅极,源极,漏极,P,+,P,+,耗尽层,*,在栅极和源极之间加反向电压，耗尽层会变宽，导电沟道宽度减小，使沟道本身的电阻值增大，漏极电流,I,D,减小，反之，漏极,I,D,电流将增加。,*,耗尽层的宽度改变主要在沟道区。,二、工作原理 N 沟道结型场效应管用改变 UG,1. 设,U,DS,= 0,，,在栅源之间加负电源,V,GG,，改变,V,GG,大小。观察耗尽层的变化。,I,D,= 0,G,D,S,N型沟道,P,+,P,+,(,a,),U,GS,= 0,U,GS,= 0 时，耗尽层比较窄，导电沟比较宽,U,GS,由零逐渐增大，耗尽层逐渐加宽，导电沟相应变窄。,当,U,GS,=,U,GS(off),，耗尽层合拢，导电沟被夹断，夹断电压,U,GS(off),为负值。,I,D,= 0,G,D,S,P,+,P,+,N型沟道,(,b,),U,GS, 0，在栅源间加负电源,V,GG,，观察,U,GS,变化时耗尽层和漏极,I,D,。,U,GS,= 0，,U,DG, ，,I,D,较大。,G,D,S,P,+,N,I,S,I,D,P,+,P,+,V,DD,V,GG,U,GS, 0，,U,DG, 0 时，耗尽层呈现楔形。,(,a,),(,b,),2. 在漏源极间加正向 VDD，使 UDS 0，在栅,G,D,S,P,+,N,I,S,I,D,P,+,P,+,V,DD,V,GG,U,GS, |,U,GS(off),|,I,D,0,夹断,G,D,S,I,S,I,D,P,+,V,DD,V,GG,P,+,P,+,(,1,),改变,U,GS ，,改变了 PN 结中电场，控制了,I,D,，故称场效应管或电压控控元件；,(,2,),结型场效应管栅源之间加反向偏置电压，使 PN 反偏，栅极基本不取电流，因此，场效应管输入电阻很高。,(,c,),(,d,),GDSP+NISIDP+P+VDDVGGUGS 0,UD,三、特性曲线,1. 转移特性,(,N 沟道结型场效应管为例,),O,U,GS,I,D,I,DSS,U,GS（off）,图 1.4.6转移特性,U,GS,= 0 ，,I,D,最大；,U,GS,愈负，,I,D,愈小；,U,GS,=,U,P，,I,D,0。,两个重要参数,饱和漏极电流,I,DSS,(,U,GS,= 0 时的,I,D,),夹断电压,U,GS（off),(,I,D,= 0 时的,U,GS,),U,DS,I,D,V,DD,V,GG,D,S,G,V,+,V,+,U,GS,图 1.4.5特性曲线测试电路,+,mA,三、特性曲线1. 转移特性(N 沟道结型场效应管为例)O,1. 转移特性,O u,GS,/,V,I,D,/mA,I,DSS,U,P,图 1.4.6转移特性,2. 漏极特性,当栅源 之间的电压,U,GS,不变时，漏极电流,I,D,与漏源之间电压,U,DS,的关系，即,结型场效应管转移特性曲线的近似公式：,1. 转移特性O uGS/VID/mAIDSSUP图 1.,I,DSS,/V,I,D,/,mA,U,DS,/,V,O,U,GS,= 0V,-,1,-,2,-,3,-,4,-,5,-,6,-,7,预夹断轨迹,恒流区,击穿区,可变电阻区,漏极特性也有三个区：,可变电阻区、恒流区和击穿区。,2. 漏极特性,U,DS,I,D,V,DD,V,GG,D,S,G,V,+,V,+,U,GS,图 1.4.5特性曲线测试电路,+,mA,图 1.4.6,(,b,),漏极特性,IDSS/VID/mAUDS /VOUGS = 0V-1 -,场效应管的两组特性曲线之间互相联系，可根据漏极特性用作图的方法得到相应的转移特性。,U,DS,=,常数,I,D,/,m,A,0,-,0.5,-,1,-,1.5,U,GS,/V,U,DS,= 15 V,5,I,D,/,mA,U,DS,/,V,0,U,GS,= 0,-,0.4 V,-,0.8 V,-,1.2 V,-,1.6 V,10,15,20,25,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,结型场效应管栅极基本不取电流，其输入电阻很高，可达 10,7, 以上。如希望得到更高的输入电阻，可采用绝缘栅场效应管。,图 1.4.7在漏极特性上用作图法求转移特性,场效应管的两组特性曲线之间互相联系，可根据漏极特性用作图,1.4.2,绝缘栅型场效应管,由金属、氧化物和半导体制成。称为,金属-氧化物-半导体场效应管,，或简称,MOS 场效应管,。,特点：输入电阻可达 10,9,以上。,类型,N 沟道,P 沟道,增强型,耗尽型,增强型,耗尽型,U,GS,= 0 时漏源间存在导电沟道称,耗尽型场效应管；,U,GS,= 0 时漏源间不存在导电沟道称,增强型场效应管。,1.4.2绝缘栅型场效应管 由金属、氧化物和,一、N 沟道增强型 MOS 场效应管,1. 结构,P 型衬底,N,+,N,+,B,G,S,D,SiO,2,源极 S,漏极 D,衬底引线 B,栅极 G,图 1.4.8N 沟道增强型MOS 场效应管的结构示意图,一、N 沟道增强型 MOS 场效应管1. 结构P 型衬底N+,2. 工作原理,绝缘栅场效应管利用,U,GS,来控制,“,感应电荷,”,的多少，改变由这些,“,感应电荷,”,形成的导电沟道的状况，以控制漏极电流,I,D。,工作原理分析,(,1,),U,GS,= 0,漏源之间相当于两个背靠背的 PN 结，无论漏源之间加何种极性电压，,总是不导电,。,S,B,D,图 1.4.9,2. 工作原理 绝缘栅场效应管利用 UGS,(,2,),U,DS,= 0，0 ,U,GS,U,T,P 型衬底,N,+,N,+,B,G,S,D,P 型衬底中的电子被吸引靠近 SiO,2,与空穴复合，,产生由负离子组成的耗尽层。,增大,U,GS,耗尽层变宽。,V,GG,-,-,-,-,-,-,-,-,-,(,3,),U,DS,= 0，,U,GS,U,GS(th),由于吸引了足够多的电子，,会在耗尽层和 SiO,2,之间形成可移动的表面电荷层,-,-,-,N 型沟道,反型层、N 型导电沟道。,U,GS,升高，N 沟道变宽。因为,U,DS,= 0 ，所以,I,D,= 0。,U,GS(th),为开始形成反型层所需的,U,GS,，称,开启电压,。,(2) UDS = 0，0 UGS ,U,T,),导电沟道呈现一个楔形。漏极形成电流,I,D,。,b.,U,DS,=,U,GS,U,GS(th),，,U,GD,=,U,GS(th),靠近漏极沟道达到临界开启程度，出现预夹断。,c.,U,DS,U,GS,U,GS(th),，,U,GD,U,GS(th),由于夹断区的沟道电阻很大，,U,DS,逐渐增大时，导电沟道两端电压基本不变，,I,D,因而基本不变。,a.,U,DS,U,GS(th),P 型衬底,N,+,N,+,B,G,S,D,V,GG,V,DD,P 型衬底,N,+,N,+,B,G,S,D,V,GG,V,DD,P 型衬底,N,+,N,+,B,G,S,D,V,GG,V,DD,夹断区,(4) UDS 对导电沟道的影响 (UGS UT)导,D,P型衬底,N,+,N,+,B,G,S,V,GG,V,DD,P型衬底,N,+,N,+,B,G,S,D,V,GG,V,DD,P型衬底,N,+,N,+,B,G,S,D,V,GG,V,DD,夹断区,图 1.4.11,U,DS,对导电沟道的影响,(,a,),U,GD,U,GS(th),(,b,),U,GD,=,U,GS(th),(,c,),U,GD,U,GS(th),DP型衬底N+N+BGSVGGVDDP型衬底N+N+BGSD,3. 特性曲线,(,a,)转移特性,(,b,)漏极特性,I,D,/,mA,U,DS,/,V,O,预夹断轨迹,恒流区,击穿区,可变电阻区,U,GS,U,GS(th),时,),三个区：可变电阻区、恒流区(或饱和区)、击穿区。,U,T,2,U,T,I,DO,U,GS,/V,I,D,/mA,O,图 1.4.12,(,a,),图 1.4.12,(,b,),3. 特性曲线(a)转移特性(b)漏极特性ID/mAUDS,二、N 沟道耗尽型 MOS 场效应管,P型衬底,N,+,N,+,B,G,S,D,+,制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子，这些正离子电场在 P 型衬底中,“,感应,”,负电荷，形成,“,反型层,”,。即使,U,GS,= 0 也会形成 N 型导电沟道。,+,+,U,GS,= 0，,U,DS, 0，产生较大的漏极电流；,U,GS, 0；,U,GS,正、负、零均可。,I,D,/,m,A,U,GS,/V,O,U,P,(,a,),转移特性,I,DSS,图 1.4.15MOS 管的符号,S,G,D,B,S,G,D,B,(,b,),漏极特性,I,D,/,mA,U,DS,/,V,O,+1V,U,GS,=0,-,3 V,-,1 V,-,2 V,4,3,2,1,5,10,15,20,图 1.4.14特性曲线,N 沟道耗尽型 MOS 管特性工作条件：ID/mAUGS /,1.4.3场效应管的主要参数,一、直流参数,饱和漏极电流,I,DSS,2. 夹断电压,U,GS(off),3. 开启电压,U,GS(th),4. 直流输入电阻,R,GS,为耗尽型场效应管的一个重要参数。,为增强型场效应管的一个重要参数。,为耗尽型场效应管的一个重要参数。,输入电阻很高。结型场效应管一般在 10,7, 以上，绝缘栅场效应管更高，一般大于 10,9,。,1.4.3场效应管的主要参数一、直流参数饱和漏极电流 ID,二、交流参数,1. 低频跨导,g,m,2. 极间电容,用以描述栅源之间的电压,U,GS,对漏极电流,I,D,的控制作用。,单位：,I,D,毫安,(,mA,),；,U,GS,伏,(,V,),；,g,m,毫西门子,(,mS,),这是场效应管三个电极之间的等效电容，包括,C,GS,、,C,GD,、,C,DS,。,极间电容愈小，则管子的高频性能愈好。一般为几个皮法。,二、交流参数1. 低频跨导 gm2. 极间电容,三、极限参数,1. 漏极最大允许耗散功率,P,DM,2. 漏源击穿电压,U,(BR)DS,3. 栅源击穿电压,U,(BR)GS,由场效应管允许的温升决定。,漏极耗散功率转化为热能使管子的温度升高。,当漏极电流,I,D,急剧上升产生雪崩击穿时的,U,DS 。,场效应管工作时，栅源间 PN 结处于反偏状态，若,U,GS,U,(BR)GS,，PN 将被击穿，这种击穿与电容击穿的情况类似，属于破坏性击穿。,三、极限参数1. 漏极最大允许耗散功率 PDM2. 漏源击穿,3. 各类场效应管工作在恒流区时g-s、d-s间的电压极性,u,GS,=0可工作在恒流区的场效应管有哪几种？,u,GS,0才工作在恒流区的场效应管有哪几种？,u,GS,0才工作在恒流区的场效应管有哪几种？,3. 各类场效应管工作在恒流区时g-s、d-s间的电压极性,种 类,符 号,转移特性,漏极特性,结型,N 沟道,耗尽型,结型,P 沟道,耗尽型,绝缘,栅型,N 沟道,增强型,S,G,D,S,G,D,I,D,U,GS,= 0V,+,U,DS,+,+,o,S,G,D,B,U,GS,I,D,O,U,T,表 1-2各类场效应管的符号和特性曲线,+,U,GS,=,U,T,U,DS,I,D,+,+,+,O,I,D,U,GS,= 0V,-,-,-,U,DS,O,U,GS,I,D,U,P,I,DSS,O,U,GS,I,D,/mA,U,P,I,DSS,O,种 类符 号转移特性漏极特性 结型耗尽型 结型耗尽型 绝缘增,种 类,符 号,转移特性,漏极特性,绝缘,栅型,N 沟道,耗尽型,绝缘,栅型,P 沟道,增强型,耗尽型,I,D,S,G,D,B,U,DS,I,D,_,U,GS,=0,+,_,_,O,I,D,U,GS,U,P,I,DSS,O,S,G,D,B,I,D,S,G,D,B,I,D,I,D,U,GS,U,T,O,I,D,U,GS,U,P,I,DSS,O,_,I,D,U,GS,=,U,T,U,DS,_,o,_,U,GS,= 0V,+,_,I,D,U,DS,o,+,种 类符 号转移特性漏极特性绝缘耗尽型增强型耗尽型IDSGD,双极型和场效应型三级管的比较,双极型和场效应型三级管的比较,双极型和场效应型三级管的比较,双极型和场效应型三级管的比较,二、,场效应管放大电路,场效应管的特点：,1. 场效应管是电压控制元件；,2. 栅极几乎不取用电流，输入电阻非常高；,3. 一种极性的载流子导电，噪声小，受外界温度及辐射影响小；,4. 制造工艺简单，有利于大规模集成；,5. 存放管子应将栅源极短路，焊接时烙铁外壳应接地良好，防止漏电击穿管子；,6. 跨导较小，电压放大倍数一般比三极管低。,二、场效应管放大电路场效应管的特点：1. 场效应管是电压控制,1）基本共源极放大电路,图 2.7.3共源极放大电路原理电路,V,DD,+,u,O,i,D,VT,+,u,I,V,GG,R,G,S,D,G,R,D,与双极型三极管对应关系,b, G , e S , c D,为了使场效应管工作在恒流区实现放大作用，应满足：,图示电路为,N 沟道增强型 MOS,场效应管,组成的放大电路。,(,U,T,：开启电压,),二、场效应管静态工作点的设置方法,1）基本共源极放大电路图 2.7.3共源极放大电路原理电路,一、静态分析,V,DD,+,u,O,i,D,VT,+,u,I,V,GG,R,G,S,D,G,R,D,图 2.7.3共源极放大电路原理电路,两种方法,近似估算法,图解法,(,一,),近似估算法,MOS 管栅极电流为零，当,u,I,= 0 时,U,GSQ,=,V,GG,而,i,D,与,u,GS,之间近似满足,(,当,u,GS,U,T,),式中,I,DO,为,u,GS,= 2,U,T,时的值。,则静态漏极电流为,一、静态分析VDD+iDVT+uIVGGRGSDGRD图,(,二,),图解法,图 2.7.4用图解法分析共源极放大电路的,Q,点,V,DD,I,DQ,U,DSQ,Q,利用式,u,DS,=,V,DD,-,i,D,R,D,画出直流负载线。,图中,I,DQ,、,U,DSQ,即为静态值。,(二) 图解法图 2.7.4用图解法分析共源极放大电路的,2. 自给偏压电路,由正电源获得负偏压,称为自给偏压,哪种场效应管能够采用这种电路形式设置,Q,点？,+V,DD,u,O,u,I,R,g,R,d,R,s,R,L,2. 自给偏压电路由正电源获得负偏压哪种场效应管能够采用这,3分压自偏压式共源放大电路,一、静态分析,(,一,),近似估算法,根据输入回路列方程,图 2.7.7分压 - 自偏式共源放大电路,+,VT,+,R,G,S,D,G,R,D,R,2,V,DD,+,R,L,R,S,R,1,C,1,C,S,C,2,+,+,+,解联立方程求出,U,GSQ,和,I,DQ,。,3分压自偏压式共源放大电路一、静态分析(一)近似估算法根,+,VT,+,R,G,S,D,G,R,D,R,2,V,DD,+,R,L,R,S,R,1,C,1,C,S,C,2,+,+,+,图 2.7.7分压 - 自偏式共源放大电路,列输出回路方程求,U,DSQ,U,DSQ,=,V,DD,I,DQ,(,R,D,+,R,S,),(,二,),图解法,由式,可做出一条直线，另外，,i,D,与,u,GS,之间满足转移特性曲线的规律，二者之间交点为静态工作点。确定,U,GSQ,，,I,DQ,。,+VT+RGSDGRDR2VDD+RLRSR1C1CSC2+,根据漏极回路方程,在漏极特性曲线上做直流负载线， 与,u,GS,=,U,GSQ,的交点确定,Q,，由,Q,确定,U,DSQ,和,I,DQ,值。,U,DSQ,u,DS,=,V,DD,i,D,(,R,D,+,R,S,),3,u,D,S,/V,i,D,/mA,0,1,2,15,2 V,10,5,u,GS,4.5V,4V,3.5V,U,GSQ,3 V,V,DD,Q,I,DQ,u,GS,/V,i,D,/mA,O,2,4,6,1,2,Q,I,DQ,U,GSQ,U,GQ,图 2.7.8用图解法分析图 2.7.7 电路的,Q,点,根据漏极回路方程在漏极特性曲线上做直流负载线， 与 uG,二、动态分析,i,D,的全微分为,上式中定义：, 场效应管的跨导,(毫,西门子 mS,)。, 场效应管漏源之间等效电阻。,1. 微变等效电路,二、动态分析iD 的全微分为上式中定义： 场效应管的跨导,二、动态分析,如果输入正弦信号，则可用相量代替上式中的变量。,成为：,根据上式做等效电路如图所示。,图 2.7.5场效应管的微变等效电路,+,+,G,D,S,由于没有栅极电流，所以栅源是悬空的。,二、动态分析如果输入正弦信号，则可用相量代替上式中的变量。成,微变参数,g,m,和,r,DS,(,1,),根据定义通过在特性曲线上作图方法中求得。,(,2,),用求导的方法计算,g,m,在,Q,点附近，可用,I,DQ,表示上式中,i,D，,则,一般,g,m,约为 0.1 至 20 mS。,r,DS,为几百千欧的数量级。当,R,D,比,r,DS,小得多时，可认为等效电路的,r,DS,开路。,微变参数 gm 和 rDS (1) 根据定义,2. 共源极放大电路的动态性能,V,DD,+,u,O,i,D,VT,+,u,I,V,GG,R,G,S,D,G,R,D,图 2.7.6共源极放大电路的微变等效电路,将,r,DS,开路,而,所以,输出电阻,R,o,=,R,D,MOS 管输入电阻高达 10,9,。,-,D,+,+,-,G,S,R,G,+,-,2. 共源极放大电路的动态性能VDD+iDVT+uIVG,二、,分压式共源放大电路,动态分析,微变等效电路入右图所示。,图 2.7.9图 2.7.7 电路的微变等效电路,D,+,+,G,S,+,由图可知,电压放大倍数,输入、输出电阻分别为,二、分压式共源放大电路动态分析微变等效电路入右图所示。图,2.7.4共漏极放大电路,源极输出器或源极跟随器,图 2.7.10源极输出器,典型电路如右图所示。,+,VT,+,S,D,G,R,2,V,DD,+,R,L,R,S,R,1,C,1,C,2,+,+,R,G,静态分析如下：,分析方法与,“,分压-自偏压式共源电路,”,类似，可采用估算法和图解法。,2.7.4共漏极放大电路源极输出器或源极跟随器图 2.,动态分析,1. 电压放大倍数,图 2.7.11微变等效电路,D,+,+,-,G,S,+,而,所以,2. 输入电阻,R,i,=,R,G,+ (,R,1,/,R,2,),动态分析1. 电压放大倍数图 2.7.11微变等效电路D,3. 输出电阻,图 2.7.11微变等效电路,D,+,+,-,G,S,在电路中，外加 ，令 ，并使,R,L,开路,因输入端短路，故,则,所以,实际工作中经常使用的是共源、共漏组态。,3. 输出电阻图 2.7.11微变等效电路D+-GS,3. 基本共漏放大电路的动态分析,若,R,s,=3k,，,g,m,=2mS，则,g,m,U,g s,U,g s,R,g,U,o,U,i,R,s,+,V,D D,R,g,u,o,u,i,R,s,V,GG,3. 基本共漏放大电路的动态分析若Rs=3k，gm=2m,基本共漏放大电路输出电阻的分析,若,R,s,=3k,，,g,m,=2mS，则,R,o,=?,R,s,g,m,U,g s,+ U,g s,R,g,U,o,R,s,基本共漏放大电路输出电阻的分析若Rs=3k，gm=2mS，,四、,复合管,复合管的组成：多只管子合理连接等效成一只管子。,不同类型的管子复合后，其类型决定于T,1,管。,目的：增大,，减小前级驱动电流，改变管子的类型。,四、复合管复合管的组成：多只管子合理连接等效成一只管子。,讨论一,判断下列各图是否能组成复合管,在合适的外加电压下，每只管子的电流都有合适的通路，才能组成复合管。,讨论一判断下列各图是否能组成复合管 在合适的外加电压下,R,i,=?,R,o,=?,讨论二,清华大学 华成英 hchya,Ri=? Ro=?讨论二清华大学 华成英 hchya,