第三章第三章 场效应管放大器场效应管放大器绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管结型场效应管结型场效应管 3 3.2 .2 场效应管放大电路场效应管放大电路效应管放大器的静态偏置效应管放大器的静态偏置效应管放大器的交流小信号模型效应管放大器的交流小信号模型效应管放大电路效应管放大电路3 3.1 .1 场效应管场效应管 3.1 场效应管 BJT是是一一种种电电流流控控制制元元件件(iB iC)，工工作作时时，多多数数载载流子和少数载流子都参与运行，所以被称为双极型器件。流子和少数载流子都参与运行，所以被称为双极型器件。 场场效效应应管管（Field Effect Transistor简简称称FET）是是一一种种电电压压控控制制器器件件(uGS iD) ，工工作作时时，只只有有一一种种载载流流子子参参与与导电，因此它是单极型器件。导电，因此它是单极型器件。 FET因因其其制制造造工工艺艺简简单单，功功耗耗小小，温温度度特特性性好好，输输入入电阻极高等优点，得到了广泛应用。电阻极高等优点，得到了广泛应用。FET分类：分类： 绝缘栅绝缘栅型型场效应管场效应管结型场效应管结型场效应管增强型增强型耗尽型耗尽型N沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道一. 绝缘栅型型场效应管 绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管 ( Metal Oxide Semiconductor FET)，简称简称MOSFET。分为：分为： 增强型增强型 N沟道、沟道、P沟道沟道 耗尽型耗尽型 N沟道、沟道、P沟道沟道 1.1.N沟道增强型沟道增强型MOS管管 （1 1）结构结构 4个电极：漏极个电极：漏极D，源极源极S，栅极栅极G和和 衬底衬底B。符号：符号： 当当uGS0V时时纵向电场纵向电场将靠近栅极下方的空穴向将靠近栅极下方的空穴向下排斥下排斥耗尽层。耗尽层。（2 2）工作原理）工作原理 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 二极管，在二极管，在d、s之间加上电压也不会形成电流，即管子截止。之间加上电压也不会形成电流，即管子截止。 再增加再增加uGS纵向电场纵向电场将将P区少子电子聚集到区少子电子聚集到P区表面区表面形成导电沟道，形成导电沟道，如果此时加有漏源电压，如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流就可以形成漏极电流id。栅源电压栅源电压uGS的控制作用的控制作用 定义：定义： 开启电压（开启电压（ UT）刚刚产生沟道所需的刚刚产生沟道所需的栅源电压栅源电压UGS。 N沟道增强型沟道增强型MOS管的基本特性：管的基本特性： uGS UT，管子截止，管子截止， uGS UT，管子导通。管子导通。 uGS 越大，沟道越宽，在相同的漏源电压越大，沟道越宽，在相同的漏源电压uDS作作用下，漏极电流用下，漏极电流ID越大。越大。 转移特性曲线转移特性曲线： iD=f(uGS) uDS=const 可根据输出特性曲线作出可根据输出特性曲线作出移特性曲线移特性曲线。例：作例：作uDS=10V的一条的一条转移特性曲线：转移特性曲线：UT 一个重要参数一个重要参数跨导跨导gm： gm= iD/ uGS uDS=const (单位单位mS) gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。 在转移特性曲线上，在转移特性曲线上， gm为的曲线的斜率。为的曲线的斜率。 在输出特性曲线上也可求出在输出特性曲线上也可求出gm。 2.N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET特点：特点： 当当uGS=0时，就有沟道，时，就有沟道，加入加入uDS，就有就有iD。 当当uGS0时，沟道增宽，时，沟道增宽，iD进一步增加。进一步增加。 当当uGS0时，沟道变窄，时，沟道变窄，iD减小。减小。 在栅极下方的在栅极下方的SiO2层中掺入了大量的金属正离子。所以当层中掺入了大量的金属正离子。所以当uGS=0时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。 定义：定义： 夹断电压（夹断电压（ UP）沟道刚刚消失所需的栅源电压沟道刚刚消失所需的栅源电压uGS。 3、P沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET P沟道沟道MOSFET的工作原理与的工作原理与N沟道沟道 MOSFET完全相同，只不过导电的载流完全相同，只不过导电的载流子不同，供电电压极性不同而已。这如同子不同，供电电压极性不同而已。这如同双极型三极管有双极型三极管有NPN型和型和PNP型一样。型一样。4. MOS4. MOS管的主要参数管的主要参数（1）开启电压）开启电压UT（2）夹断电压夹断电压UP（3）跨导跨导gm ：gm= iD/ uGS uDS=const （4）直流输入电阻直流输入电阻RGS 栅源间的等效栅源间的等效电阻。由于电阻。由于MOS管管栅源间有栅源间有sio2绝缘层，绝缘层，输入电阻可达输入电阻可达1091015。 二二. . 结型场效应管结型场效应管 1. 1. 结型场效应管的结构（以结型场效应管的结构（以N N沟为例）：沟为例）：两个两个PN结夹着一个结夹着一个N型沟道。型沟道。三个电极：三个电极： g：栅极栅极 d：漏极漏极 s：源极源极符号：符号：N沟道沟道P沟道沟道 2. 2. 结型场效应管的工作原理结型场效应管的工作原理 （1）栅源电压对沟道的控制作用）栅源电压对沟道的控制作用 在栅源间加负电压在栅源间加负电压uGS ，令，令uDS =0 当当uGS=0时，为平衡时，为平衡PN结，导电结，导电沟道最宽。沟道最宽。当当uGS时，时，PN结反偏，耗尽层结反偏，耗尽层变宽，导电沟道变窄，沟道电阻变宽，导电沟道变窄，沟道电阻增大。增大。当当uGS到一定值时到一定值时 ，沟道会完，沟道会完全合拢。全合拢。定义：定义： 夹断电压夹断电压UP使导电沟道完全使导电沟道完全合拢（消失）所需要的栅源电压合拢（消失）所需要的栅源电压uGS。 （2 2）漏源电压对沟道的控制作用）漏源电压对沟道的控制作用 在漏源间加电压在漏源间加电压uDS ，令，令uGS =0 由于由于uGS =0，所以导电沟道最宽。所以导电沟道最宽。 当当uDS=0时，时， iD=0。uDSiD 靠近漏极处的耗尽层加宽，靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，呈楔形分布。沟道变窄，呈楔形分布。当当uDS ，使，使uGD=uG S- uDS=UP时，时，在靠漏极处夹断在靠漏极处夹断预夹断。预夹断。预夹断前，预夹断前， uDSiD 。预夹断后，预夹断后， iDSiD 几乎不变。几乎不变。uDS再再，预夹断点下移。，预夹断点下移。 （3 3）栅源电压）栅源电压uGS和漏源电压和漏源电压uDS共同共同作用作用 iD=f（ uGS 、uDS）,可用输两组特性曲线来描绘。可用输两组特性曲线来描绘。 （1）输出特性曲线：）输出特性曲线： iD=f（ uDS ）uGS=常数常数 3 3、 结型场效应三极管的特性曲线结型场效应三极管的特性曲线uGS=0VuGS=-1V设：设：UT= -3V四个区：四个区：恒流区的特点：恒流区的特点： iD / uGS = gm 常数常数 即：即： iD = gm uGS （放大原理）放大原理） （a）可变电阻区可变电阻区（预夹断前）。（预夹断前）。 （b）恒流区也称饱和恒流区也称饱和 区（预夹断区（预夹断 后）。后）。 （c）夹断区（截止区）。夹断区（截止区）。 （d）击穿区。击穿区。可变电阻区可变电阻区恒流区恒流区截止区截止区击穿区击穿区（2）转移特性曲线：）转移特性曲线： iD=f（ uGS ）uDS=常数常数 可根据输出特性曲线作出可根据输出特性曲线作出移特性曲线移特性曲线。例：作例：作uDS=10V的一条的一条转移特性曲线：转移特性曲线：4 .4 .场效应管的主要参数场效应管的主要参数(1)(1) 开启电压开启电压UT UT 是是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, 场效应管不场效应管不能导通。能导通。 （2）夹断电压）夹断电压UP UP 是是MOS耗尽型和结型耗尽型和结型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 MOS耗尽型和结型耗尽型和结型FET, 当当uGS=0时所对应的漏极电流。时所对应的漏极电流。 （4）输入电阻）输入电阻RGS 结型场效应管，结型场效应管，RGS大于大于107，MOS场效应管场效应管, RGS可达可达1091015。（5） 低频跨导低频跨导gm gm反映了栅压对漏极电流的控制作用，单位是反映了栅压对漏极电流的控制作用，单位是mS(毫西门子毫西门子)。（6） 最大漏极功耗最大漏极功耗PDM PDM= UDS ID，与双极型三极管的与双极型三极管的PCM相当。相当。5 .5 .双极型和场效应型三极管的比较双极型和场效应型三极管的比较双极型三极管双极型三极管 单极型场效应管单极型场效应管载流子载流子多子扩散少子漂移多子扩散少子漂移 少子漂移少子漂移输入量输入量电流输入电流输入电压输入电压输入控制控制电流控制电流源电流控制电流源电压控制电流源电压控制电流源输入电阻输入电阻几十到几千欧几十到几千欧几兆欧以上几兆欧以上噪声噪声较大较大较小较小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制造工艺制造工艺不宜大规模集成不宜大规模集成适宜大规模和超大适宜大规模和超大规模集成规模集成一一. 直流偏置电路直流偏置电路 保证管子工作在饱和区，输出信号不保证管子工作在饱和区，输出信号不失真失真 3. 2 场效应管放大电路场效应管放大电路1.自自偏压电路偏压电路UGS =- IDR 注意：该电路产生负的栅源电压，所以只能用于需要负栅源电压的电路。注意：该电路产生负的栅源电压，所以只能用于需要负栅源电压的电路。计算计算Q点：点：UGS 、 ID 、UDS已知已知UP ，由，由UGS =- IDR可解出可解出Q点的点的UGS 、 IDUDS =VDD- ID (Rd + R )再求：再求：ID 2.分分压式自式自偏压电路偏压电路可解出可解出Q点的点的UGS 、 ID 计算计算Q点：点：已知已知UP ，由，由该电路产生的栅源电压可正该电路产生的栅源电压可正可负，所以适用于所有的场可负，所以适用于所有的场效应管电路。效应管电路。UDS =VDD- ID (Rd + R )再求：再求：二二. 场效应管的交流小信号模型场效应管的交流小信号模型 与双极型晶体管一样，场效应管也是一种非线性器件，在交流小信号与双极型晶体管一样，场效应管也是一种非线性器件，在交流小信号情况下，也可以由它的线性等效电路情况下，也可以由它的线性等效电路交流小信号模型来代替。交流小信号模型来代替。 其中：其中：gmugs是压控电流源，它体现了输入电压对输出电流的控制作用。是压控电流源，它体现了输入电压对输出电流的控制作用。 称为低频跨导。称为低频跨导。 rds为输出电阻，类似于双极型晶体管的为输出电阻，类似于双极型晶体管的rce。三三. 场效应管场效应管放大电路放大电路1.共源放大电路共源放大电路分析：分析：（1）画出共源放大电路的交流小信号等效电路。画出共源放大电路的交流小信号等效电路。 （2）求电压放大倍数）求电压放大倍数（3）求输入电阻）求输入电阻（4）求输出电阻）求输出电阻则则（2）电压放大倍数）电压放大倍数（3）输入电阻）输入电阻得得 分析：分析：（1 1）画）画交流小信号等效电路。交流小信号等效电路。 由由2.共漏放大电路共漏放大电路（4 4）输出电阻）输出电阻所以所以由图有由图有本章小结本章小结 1FET分分为为JFET和和MOSFET两两种种，工工作作时时只只有有一一种种载载流流子子参参与与导导电电，因因此此称称为为单单极极性性型型晶晶体体管管。FET是是一一种种压压控电流型器件，改变其栅源电压就可以改变其漏极电流。控电流型器件，改变其栅源电压就可以改变其漏极电流。 2FET放放大大器器的的偏偏置置电电路路与与BJT放放大大器器不不同同，主主要要有有自自偏压式和分压式两种。偏压式和分压式两种。 3 FET放大电路也有三种组态：共源、共漏和共栅。放大电路也有三种组态：共源、共漏和共栅。电电路路的的动动态态分分析析需需首首先先利利用用FET的的交交流流模模型型建建立立电电路路的的交交流流等等效效电电路路，然然后后再再进进行行计计算算，求求出出电电压压放放大大倍倍数数、输输入入电阻、输出电阻等量。电阻、输出电阻等量。