第3章-场效应晶体管放大电路教学教材.ppt

,Chap,第3章 场效应管放大电路,Sect,3.1、结型场效应管,3.2、绝缘栅场效应管MOS,3.3 场效应管的主要参数,3.4 场效应管放大电路,场效应管,FET与三极管BJT的区别,Sect,1.BJT:是,电流控制元件,；FET:是,电压控制元件,。,2.BJT 参与导电的是,电子空穴,，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,一种载流子,，称为单级型器件。,3.BJT,输入电阻较低,，一般10,2,10,4,；FET,输入电阻高,，可达10,9,10,14,场效应管的分类,结型场效应管JFET,MOS型场效应管MOSFET,双极型三极管 场效应三极管,噪声 较大 较小,温度特性 受温度影响较大 较小，可有零温度系数点,输入电阻 几十到几千欧姆 几兆欧姆以上,静电影响 不受静电影响 易受静电影响,集成工艺 不易大规模集成 适宜大规模和超大规模集成,3.1、结型场效应管,Sect,3.1.1、结构与工作原理,漏极 D 集电极 C,栅极 G 基极 B,源极 S 发射极 E,导通条件：,U,GS,0 U,BE,0,U,DS,0 U,BC,0,1),在一定,UDS,作用下,栅源极电压 为负,栅源极勾道通,U,GS,决定 电流 i,D,的大小,2)沟道中只有一种截流子 单极型晶体管,1、结构,3.1.2,JFET特性曲线,U,P,转移特性曲线,输出特性曲线,Sect,1.输出特性曲线：,可变电阻区,线性放大区,I,D,=gm U,GS,击穿区,I,DSS,：饱和栅极漏极电流,U,GS,=0,U,P,：预夹断电压,i,D,=0,U,T,：开启电压,不通转通,2.转移特性曲线,：,U,T,3.2、绝缘栅场效应管MOS,Sect,3.2.1.N沟道,增强型MOS场效应管,漏极D集电极C,源极S发射极E,栅极G基极B,衬底B,电极金属,绝缘层氧化物,基体半导体,称之为MOS管,类型：N沟道 增强型,P沟道 耗尽型,退出,1.,结构和工作原理,当,U,GS,较小,时，虽然在P型衬底表面形成,一层,耗尽层,，但负离子不能导电。,当,U,GS,=U,T,时,在P型衬底表面形成一层,电子层,，形成N型导电沟道,在U,DS,的作用下形成I,D。,U,DS,I,D,+,+,-,-,+,+,-,-,+,+,+,+,-,-,-,-,U,GS,反型层,当,U,GS,=0V,时，漏源之间相当两个背靠背的PN结，无论U,DS,之间加上电压,不会在 D、S间形成电流I,D,即I,D,0.,当,U,GS,U,T,时,沟道加厚，沟道电阻,减少，,在相同U,DS,的作用下,I,D,将进一步增加,开始无导电沟道，当在U,GS,U,T,时,才形成沟道,这种类型的管子称为,增强型MOS管,Sect,N沟道,增强型MOS工作原理,2.N沟道,增强型MOS特性曲线,U,DS,一定时，U,GS,对漏极电流I,D,的控制,关系曲线,I,D,=,f,(,U,GS,),U,DS,=C,1).转移特性曲线,U,DS,U,GS,-U,T,U,GS,(V),I,D,(mA),U,T,在恒流区，I,D,与U,GS,的关系为,I,D,K(U,GS,-U,T,),2,沟道较短时，应考虑UDS对沟道长度的调节作用：,I,D,K(U,GS,-U,T,),2,（1+,U,DS,),K导电因子（mA/V,2,),沟道调制长度系数,n,沟道内电子的表面迁移率,C,OX,单位面积栅氧化层电容,W沟道宽度,L沟道长度,S,n,沟道长宽比,K本征导电因子,Sect,2).输出特性曲线,2.恒流区,：,U,GS,一定，I,D,基本不随U,DS,变化而变,3.击穿区,：,U,DS,增加到某一值时，I,D,开始剧增而出现击穿。I,D,开始剧增时U,DS,称为漏源击穿电压。,U,GS,=6V,U,GS,=4V,U,GS,=5V,U,GS,=3V,U,GS,=U,T,=3V,U,GS,(V),I,D,(mA),Sect,U,GS,一定时，I,D,与U,DS,的变化曲线，是一族曲线,I,D,=,f,(,U,DS,),U,GS,=C,1.可变电阻区：,近线性,I,D,2K(U,GS,-U,T,)U,DS,可变电阻区:,当U,GS,变化时，R,ON,将随之变化,恒阻区:,当U,GS,一定时，R,ON,近似为一常数,3.2.2 N沟道,耗尽型MOS场效应管,+,耗尽型MOS管存在,原始导电沟道,Sect,1.,工作原理,当,U,GS,=0,时，U,DS,加正向电压，产生漏极电流I,D,此时的漏极电流称为,漏极饱和电流 I,DSS,当,U,GS,0,时，将使,I,D,进一步增加,。,当,U,GS,0,时，,U,GS,的减小漏极电流逐渐,减小,。直至,I,D,=0,。对应,I,D,=0的,U,GS,称为夹断电压,U,P,退出,2.,特性曲线,转移特性曲线,U,GS,(V),I,D,(mA),U,P,在恒流区,I,D,K(U,GS,-U,P,),2,沟道较短时,I,D,K(U,GS,-U,T,),2,（1+,U,DS,),I,D,I,DSS,(1-U,GS,/U,P,),2,常用关系式：,Sect,输出特性曲线,I,D,(mA),N沟道,耗尽型MOS管可工作在,U,GS,0或,U,GS,0,N沟道,增强型MOS管只能工作在,U,GS,0,各类场效应三极管的特性曲线,3.3 场效应管的主要参数,Sect,1.开启电压,U,T,MOS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。,2.夹断电压,U,P,夹断电压是耗尽型FET的参数，当,U,GS,=,U,P,时,漏极电流为零。,3.饱和漏极电流,I,DSS,耗尽型场效应三极管当,U,GS,=0时所对应的漏极电流。,4.直流输入电阻,R,GS,栅源间所加的恒定电压U,GS,与流过栅极电流I,GS,之比,结型场效应管，反偏时,R,GS,约大于10,7,，绝缘栅场效应管,R,GS,约是,10,9,10,15,5.漏源击穿电压BU,DS,使I,D,开始剧增时的U,DS,。,6.栅源击穿电压BU,GS,JFET：反向饱和电流剧增时的栅源电压 MOS：使SiO,2,绝缘层击穿的电压,7.低频跨导,g,m,低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用,半导体三极管图片,3.4 场效应管放大电路,1、静态值：,3.4.1,共源组态基本放大电路,(1).,分压偏置电路,U,GS,=,U,G,U,S,=,U,G,I,D,R,S,U,DS,=,V,DD,I,D,(,R,d,+R,S,),(2).,自给偏压电路,U,GS,=,-I,S,R,S,=-I,D,R,S,U,DS,=,V,DD,I,D,(,R,d,+R,S,),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,绝缘栅,场效应管,退出,2、微变等效电路,1、,场效应管微变等效电路,受控源：电压控制电流源,输入电阻：,r,gs,很大忽略,输出电阻：,r,ds,很大忽略,2.共源组态放大电路,微变等效电路,I,D,S,D,r,d,v,gs,+,-,+,-,v,ds,G,i,D,g,m,v,gs,电压放大倍数,L,d,ds,L,/,/,R,R,r,R,=,L,m,gs,L,d,ds,gs,m,),/,/,(,R,g,V,R,R,r,V,g,A,v,-,=,-,=,&,&,&,L,d,ds,gs,m,o,),/,/,(,R,R,r,V,g,V,-,=,&,&,3.交流分析,输入电阻,输出电阻,计算,R,o,的电路模型,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,g,m,=0.69mA/V,I,DSS,=1mA,、,U,P,=-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。,U,DS,V,DD,（,R,S,R,）,I,D,上述方程组代入数据得两组解：,I,D,0.46 mA，,U,GS,0.6 V，,U,DS,6.8 V。,(3),动态计算。,列方程,U,i,U,gs,U,o,g,m,U,gs,R,L,求解得：,A,u,g,m,R,L,=,3.45,(4),电压放大倍数的仿真。,A,u,465/100=,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 共漏组态基本放大电路,电压放大倍数,(1)直流分析,V,G,=,V,DD,R,g2,/(,R,g1,+R,g2,),V,GSQ,=,V,G,V,S,=,V,G,I,DQ,R,I,DQ,=,I,DSS,1(,V,GSQ,/V,GS(off),),2,V,DSQ,=,V,DD,I,DQ,R,(2)交流分析,输入电阻,输出电阻,),/,1,/(,/,/,),/,(,m,ds,o,gs,m,ds,o,.,o,g,r,R,U,U,g,r,R,U,I,&,&,&,=,-,=,退出,3.4.3,共栅组态基本放大电路,电压放大倍数,(2)交流分析,输入电阻,输出电阻,(1)直流分析,与共源组态放大电路相同,r,o,R,d,双极型和场效应三极管的三种组态基本放大电路的比较,