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1、模拟电子技术,第3章 场效应管及其基本放大电路,学习目标,了解场效应管的结构和类型掌握绝缘栅型场效应管及结型场效应管的工作原理、特性和主要参数掌握场效应管的小信号模型，掌握共源极、共漏极两种基本场效应管放大电路的工作原理、静态和动态分析方法,3.1 场效应管基本知识3.2 场效应管的主要参数3.3 场效应管放大电路组成原理3.4 场效应管与晶体管的比较*3.5 电路仿真实例,3.1 场效应管基本知识,场效应管利用输入回路的电场效应（电压）来控制输出回路电流的一种半导体器件。主要特点：输入电阻高（1071012欧姆）仅靠多数载流子导电，即单极型晶体管。优点：具备双极型晶体管体积小、重量轻、寿命长
2、等优点 输入内阻高、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强、制作工艺简单,3.1.1 绝缘栅型场效应管,绝缘栅型场效应管（MetalOxideSemiconductor），简称为MOSFET。其输入电阻很高，可达1015以上。,（1）结构和符号,1.N沟道增强型MOS场效应管,箭头方向是表示由P（衬底）指向N（沟道），符号中的断线表示当UGS=0 时，导电沟道不存在。,（2）工作原理栅源电压UGS的控制作用,无栅压时：当UGS=0时，漏源之间相当两个背靠背的二极管，因此，即使在D、S之间加上电压,在D、S间也不可能形成电流，即管子截止。,加正的栅压时（当UGS0时），栅源电压UGS对导电沟道有控制作
3、用：,当UGS0V时纵向电场将靠近栅极下方的空穴向下排斥耗尽层。,再增加UGS纵向电场将P区少子电子聚集到P区表面形成导电沟道，如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流id。,定义：开启电压（UGS(th)）刚刚产生沟道所需的栅源电压UGS。,N沟道增强型MOS管的基本特性：UGS UGS(th)，管子截止，UGS UGS(th)，管子导通。UGS 越大，沟道越宽，在相同的漏源电压UDS作用下，漏极电流iD越大。,漏源电压UDS对沟道导电能力的影响,当UGS UGS（th）且固定为某值的情况下,（1）UDS iD；同时沟道靠漏区变窄,沟道呈锥形分布.,（2）当UDS增加到使UGD=UGS(th
4、)时，沟道靠漏区夹断，称为预夹断。,（3）UDS再增加，预夹断区加长，UDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上，iD基本不变。,（3）特性曲线,输出特性曲线,（a）夹断区（截止区）（b）可变电阻区（预夹断前）（c）恒流区也称饱和区（预夹 断后）（d）击穿区,转移特性曲线,转移特性能更好的体现栅极电压对漏极电流的控制作用。研究表明，iD与UGS的近似关系为：,【例3.1】电路和场效应管的传输特性如图3.1.6所示，试分析uI为0V、8V和10V时，uO分别为多少？,解(1)uGSuI0V，管子处于夹断状态，iD0，uOuDSVDDiDRD=15V。(2)uGSuI8V,管子处于恒流区状态，
5、iD1mA，uOuDSVDDiDRD=10V；可以看到（uGS，uDS）（8，10）仍在恒流区。（需要反向复核，即恒流和可变电阻区是由uGS和 uDS共同确定，需先假设一种状态，再验证）(3)uGSuI10V,假设工作在恒流区，iD2.2mA。则uOuDSVDDiDRD=4V.而 uGS10V时的预夹断电压uDS uGSUGS(off)=10-4=6V，（uGS，uDS）（10，6）说明应在可变电阻区。则RdsuDS/iD=3/(110-3)=3000,（1）结构和符号 耗尽型MOS场效应管与增强型MOS场效应管的结构基本相同。区别在于，耗尽型MOS管在SiO2绝缘层中掺有大量正离子。因此，在
6、uGS0时，这些正离子已经感应出反型层，有了导电沟道。这种无外加电压时已有导电沟道的场效应管称为耗尽型场效应管。,2.N沟道耗尽型MOS场效管,（2）工作原理 当uGS为负值，抵消掉部分正离子的影响，沟道变窄，在相同的uDS作用下，iD减小。之所以称为耗尽型,是因为当uGS为负,将使沟道中感应电荷减少(即耗尽的意思)。随着uGS的减小，iD逐渐减小，直至iD=0。此时的uGS值称为夹断电压 UGS（off）。当uGS为正值，沟道变宽，在相同的uDS作用下，iD增加。所以耗尽型MOS管可以在负栅压、零栅压和正栅压下工作。结论：栅极电压对导电沟道有控制作用。同样，电压uGS固定时，电压uDS对导电
7、沟道的影响类似增强型MOS管。,（3）特性曲线研究表明，uGS与iD的近似关系为：,3.P沟道MOS场效应管,左图为P沟道增强型MOS场效应管的符号。由于和N沟道增强型MOS场效应管是对偶结构，所以使用时所加栅源电压的极性与N沟道增强型MOS管相反，同时漏极电流的参考方向仍选取流入漏极，所以漏极电流为负。除此之外，这两者特性均相同。,P沟道增强型MOS场效应管的特性曲线,P沟道耗尽型MOS场效管的符号及特性曲线,3.1.2 结型场效应管（JFET）,1结构和符号,N型导电沟道,2工作原理,uGS=0V时，沟道最宽，沟道电阻最小。,uGSuGS(off)栅源之间加上负的栅压后，两个PN结均为反偏
8、，空间电荷区变宽，沟道变窄。uGS=uGS(off)时，两侧的耗尽区逐渐变宽而合拢，使导电沟道消失。,0uGS uGS(off)且为某个固定值时，在源极与漏极之间存在导电沟道。当有uDS电压，就会有沟道电流。,当uDS电压为某个固定值时，改变uGS的大小，可以控制iD的大小。uGS反压增加，耗尽层变宽，沟道变窄，则iD减少，反之则耗尽层变窄，沟道变宽，则iD增加。因此，栅极电压uGS对沟道电流iD的控制作用类似MOS管。,当栅源之间的电压为满足0 uGS uGS（off）的某个固定值时，有uDS电压就产生沟道电流iD。此时在uDS电压的作用下，耗尽层是上宽下窄，导电沟道呈现为倒楔形。,当uDS
9、增加到使uDS=uGS-uDS=uGS（off）时，在紧靠漏极处出现预夹断点。,当uDS继续增加时，预夹断点向源极方向伸长为预夹断区。此时沟道电流iD基本维持不变。即漏源电压uDS对iD的影响和MOSFET类似。,JFET也有四个工作区 夹断区（截止区）可变电阻区（预夹断前）恒流区也称饱和区（预夹断后）击穿区,3特性曲线,（1）输出特性曲线,N沟道JFET输出特性曲线,（2）转移特性,在恒流区，JFET的转移特性方程与耗尽型MOSFET相似，仍可近似表示为：上式必须满足条件0 uGS uGS（off）。IDSS为uGS=0时的饱和漏极电流。,4.P沟道结型场效应管,P沟道结型场效应管的结构和N
10、沟道结型场效应管对称。由于和N沟道结型场效应管是对偶结构，所以输出特性曲线除了电压和电流极性不同，其它均相同。相同的道理，转移特性曲线也类似，只是相对纵轴对称。,P沟道结型场效应管的特性曲线,【例3.2】场效应管的夹断电压UGS(off)=-4V，饱和漏极电流IDSS4mA。试问：为保证负载电阻RL上的电流为恒流，RL的取值范围应为多少？,解：UGS0，因而iDIDSS4mA，则预夹断点（即恒流区最小的uDS）uDSuGSUGS(off)=0(4)4VuDS VDDuo=VDDiDR L，UomaxVDD48V，输出电压范围为08V，则RLuo/IDSS=02 K,3.1.3各种场效应管特性比
11、较,1、MOS管与JFET的电流控制原理不同。JFET利用耗尽层的宽度改变导电沟道的宽度来控制沟道电流，MOSFET则是利用半导体表面的电场效应，由感应电荷改变沟道来控制电流。2、对结型FET而言，其输入电阻是是PN结的反向电阻，结型FET的输入电阻远比MOSFET低。3、由于场效应管的类型较多，现将各种FET管工作时的偏置电压的极性总结如下：,4、各种场效应管的符号和对应的转移特性和输出特性见下表,3.2 场效应管的主要参数,3.2.1 直流参数开启电压UGS(th):是uDS当一定时（如uDS=10V）,漏极电流ID达到某一数值(如10A)时，所需加的栅源电压uGS值。夹断电压 UGS(o
12、ff):当uDS一定时（如uDS=10V）,使漏极电流ID减小到某一个微小电流(如1A)时,所需的栅源电压uGS值。饱和漏极电流 IDSS:栅源之间的电压uGS等于零,而漏、源之间的电压大于夹断电压UGS(off)时对应的漏极电流。直流输入电阻 RGS:在漏极和源极短路时，栅源之间的电阻就是RGS。由于栅极几乎不索取电流,因此输入电阻很高。结型为107 左右，MOS管可达1015以上。,3.2.2 交流参数,低频跨导gm:,gm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，gm为的曲线的斜率。在输出特性曲线上也可求出gm。,输出电阻rd 反映漏源电压uDS对漏极电流iD的控制能力
13、。场效应管的输出电阻很大，一般为几十到几百千欧。极间电容 场效应管三个电极之间也有电容效应，极间电容包括CGS、CGD和CDS等。极间电容的大小一般为几个pF，在低频小信号时可以忽略其影响。,3.2.3 极限参数,漏极最大允许耗散功率PDM 该功率转化为热能,使管子的温度升高，PDM决定于场效应管允许的最高温度限制。该参数相当于晶体管的PCM。漏源击穿电压 U(BR)DS 当uDS过大使漏极产生雪崩击穿，从而使电流iD急剧上升时的uDS，称为漏源击穿电压。栅源击穿电压 U(BR)GS 当栅源极间的反向电压过高时，将使PN结反向击穿，使栅极电流急剧上升，此时的uGS值称为栅源击穿电压。,3.2.
14、4 场效应管使用时的注意事项,1.不要使栅极悬空2.结型场效应管栅压不能接反3.绝缘栅管不能用万用表直接去测三个电极,应该用接地良好的专门仪器才能测试管子的好坏。4.场效应管S和D极可以互换使用，但有些产品出厂时，已把S极和衬底连在一起，这时D、S就不能互换。,3.3 场效应管放大电路组成原理,场效应管也能够实现对信号的控制，因此能够组成放大电路。场效应管放大电路也有三种组态：共源极放大电路(CS)，共漏极放大电路(CD)，共栅极放大电路(CG)。,3.3.1 场效应管的小信号等效模型,输入回路:开路,输出回路:电流源gmuGS,3.3.2 场效应管放大电路的组成原理及分析,1、静态工作点与偏
15、置电路(1)自给偏压电路,静态分析,联立解出UGSQ，IDQ。注意只有满足(0 UGSQ UGS(off)的根才是方程的解。,(2)分压式偏置电路,联立解出UGSQ，IDQ。,静态分析,2、共源放大电路的交流分析,画出自给偏压放大电路的微变等效电路如图，并求出交流参数：,画出分压偏置共源放大电路的微变等效电路如图，并求出交流参数：,可见，这两个共源放大电路除输入电阻不同，其余交流参数均相同。与共射放大电路类似，共源放大电路有电压放大能力（较小）；输出电压与输入电压反相；输入电阻较大。,3、共漏放大电路（源极输出器）,上式表明共漏极放大电路的电压放大倍数小于1，无电压放大能力。若，则共漏极放大电
16、路放大倍数约为1。,（1）电压放大倍数,（2）输入电阻（3）输出电阻,可见共漏极放大电路输出电阻较小。结论：共漏极放大电路的特点与共集放大电路相同，即电压放大倍数近似等于1、输入电阻高、输出电阻低。,式中,3.3.3 场效应管的其它应用举例,1、阻抗变换电路 利用场效应管组成的源极输出器的输入阻抗为1M，而其输出阻抗仅有十几千欧，它完全起到了阻抗变换电路的隔离作用。,2、感应试电笔 用这种感应试电笔可准确测出绝缘导线内部的断线位置。,3.4 场效应管与晶体管的比较,*3.5 电路仿真实例,【例3.4】分析共源极放大电路,解：利用Multisim软件仿真如图3.30所示电路。首先进入Multis
17、im10.0软件开发界面，然后按图3.30画出电路，接着调整函数信号发生器，使其输出频率为1KHz，幅度为15mV的正弦信号，最后进行仿真得到如图3.31的分析结果。【仿真图】,图3.30,图 3.31,小结,本章内容主线：MOS管的结构、原理及特性曲线结型场效应管的结构、原理及特性曲线场效应管的小信号模型场效应管放大电路的分析方法及应用。1、场效应管按结构可分为绝缘栅型场效应管和结型场效应管。按照导电沟道又分为N沟道和和P沟道两种。而同一种沟道的MOSFET又分别有增强型和耗尽型两种。场效应管具有输入阻抗高的特点，同时受温度和辐射影响较小，体积小、便与集成化，广泛应用于各种电子电路。2、场效
18、应管和三极管都是放大电路的核心器件，其结构也类似。场效应管有三个极：源极（s）、栅极（g）、漏极（d），分别对应于晶体管的e、b、c；有三个工作区域：截止区、恒流区、可变电阻区，对应于晶体管的截止区、放大区、饱和区。,当场效应管工作在恒流区时，栅源电压 产生的电场控制导电沟道的宽窄，从而控制沟道电阻，进而控制沟道电流。可以将沟道电流 看成栅源电压 控制的电流源，转移特性曲线描述了这种控制关系。输出特性曲线则描述了、和 之间的关系。3、场效应管的主要参数为IDSS、UGS(0ff)、U GS(th)和gm。需要注意的是场效应管类型不同，其电流方程不同，故静态工作点的计算以及gm的计算方法也略有不同。4、与晶体管类似，场效应管放大电路也有三种组态：共源极放大电路、共漏极放大电路、共栅极放大电路，常用的是共源极放大电路和共漏极放大电路。,场效应管放大电路的分析方法仍需遵循先直流、后交流的原则；根据选用的场效应管不同，其直流偏置电路有自给偏压式（适用于耗尽型FET）和分压式偏置电路（适用于增强型和耗尽型FET）两种；根据场效应管的微变等效电路模型，作出场效应管放大电路的交流等效电路，则可方便的计算出动态性能指标、和。共源和共漏放大电路分别对应于晶体管共射和共集放大电路，但与晶体管相比，具有输入电阻高、噪声系数低、电压放大倍数低的特点，适合用于做电压放大电路的输入级。,
