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1、,第五章 场效应管放大电路,5.3 金属-氧化物-半导体（MOS）场效应管,5.1 结型场效应管（JFET）,*5.5 砷化镓金属-半导体场效应管,5.6 各种放大器件电路性能比较,5.4 MOSFET放大电路,5.2 JFET放大电路,BJT(Bipolar Junction Transistor)-电流对电流控制的器件、能放大电信号，而存在不足1)2),在大规模集成电路制造中存在瓶颈问题。,FET管Field-effect transistor，简记为FET（单极型晶体管Uipolar Junction Transistor-也即只有一种载流子参与导电的晶体管，基本原理是外加电压在器件中建
2、立电场，电场控制导电沟道宽窄和形状，从而控制输出电流大小。）,场效应管的特点：(1)它是利用改变外加电压产生的电场强度来控制其导电能力的半导体器件。(2)它具有双极型三极管的体积小、重量轻、耗电少、寿命长等优点，(3)还具有输入电阻高、热稳定性好、抗辐射能力强、噪声低、制造工艺简单、便于集成等特点。(4)在大规模及超大规模集成电路中得到了广泛的应用。,P沟道,耗尽型,P沟道,P沟道,（耗尽型）,场效应管的分类：,(电场效应，单极性管，电压控制电流),P沟道,（耗尽型）,结构的动画演示,结构的动画演示2,场效应管的符号：,N沟道MOSFET,耗尽型,增强型,P沟道MOSFET,N沟道JFET,5
3、.1(5.3)结型场效应管,5.1.1 JFET的结构和工作原理,5.1.2 JFET的特性曲线及参数,5.1.3 JFET放大电路的小信号模型分析法,5.1.1 JFET的结构和工作原理,1.结构,#符号中的箭头方向表示什么？,结构的动画演示,g-gate,G 栅极,s-source,S 源极,d-drain,D 漏极,b-base,e-emitter,c-collector,基本组态：共s,共d,共g,基本组态：共e,共c，共b,工作原理,vGS对沟道的控制作用,当vGS0时,（以N沟道JFET为例）动画演示,当沟道夹断时，对应的栅源电压vGS称为夹断电压VP（或VGS(off)）。,对于
4、N沟道的JFET，VP 0。,PN结反偏,耗尽层加厚,沟道变窄。,vGS继续减小，沟道继续变窄。,2.工作原理,（以N沟道JFET为例）,vDS对沟道的控制作用,当vGS=0时，,vDS,ID,g、d间PN结的反向电压增加，使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，从上至下呈楔形分布。,当vDS增加到使vGD=VP 时，在紧靠漏极处出现预夹断。,此时vDS,夹断区延长,沟道电阻,ID基本不变,2.工作原理,（以N沟道JFET为例）,vGS和vDS同时作用时,当VP vGS0 时，导电沟道更容易夹断，,对于同样的vDS，ID的值比vGS=0时的值要小。,在预夹断处,vGD=vGS-vDS=VP,JFE
5、T输出特性与转移特性的动画演示1，动画演示2,3.JFET输出特性与转移特性,#JFET有正常放大作用时，沟道处于什么状态？,3 JFET的特性曲线,2.转移特性,VP,1.输出特性,各类晶体管的符号：,N沟道MOSFET,耗尽型,增强型,P沟道MOSFET,N沟道JFET,BJT,夹断电压VP(或VGS(off)：,饱和漏极电流IDSS：,低频跨导gm：,或,漏极电流约为零时的VGS值。,VGS=0时对应的漏极电流。,低频跨导反映了vGS对iD的控制作用。gm可以在转移特性曲线上求得，单位是mS(毫西门子)。,输出电阻rd：,直流输入电阻RGS：,对于结型场效应三极管，反偏时RGS约大于10
6、7。,最大漏极功耗PDM,最大漏源电压V(BR)DS,最大栅源电压V(BR)GS,end,综上分析可知1,沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电，所以场效应管也称为单极型三极管。,JFET是电压控制电流器件，iD受vGS控制,预夹断前iD与vDS呈近似线性关系；预夹断后，iD趋于饱和。,#为什么JFET的输入电阻比BJT高得多？,JFET栅极与沟道间的PN结是反向偏置的，因 此iG0，输入电阻很高。,综上分析可知2,导电沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电，所以场效应管也称为单极型三极管。,MOSFET是电压控制电流器件，iD受vGS控制,预夹断前iD与vDS呈近似线性关系；预夹断后，iD趋
7、于饱和。,#为什么JFET的输入电阻比BJT高得多？可以到达109 MOSFET的输入电阻更高，可以到达1015,MOSFET栅极与导电沟道间是绝缘的，因 此iG0，输入电阻很高。,半导体二极管的型号,国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：,2AP9,2CW6.2，2CZ11，2CP10,（3DG6，3DG12）,整流二极管2CZ82B稳压二极管2CW50变容二极管2AC1等等。,复习题：,、在P型半导体中，少数载流子是（），在N型半导体中，少数载流子是（），多数载流子是（）。A、正离子 B、自由电子 C、空穴 D、负离子。、在以下几种半导体中，（）是整流二极管，（）是稳压管，（）是NPN硅
8、三极管。A、2CP10，B、2CZ11 C、3DJ8 D、3DG6 E、2CW7。,5.2.6 三极管的型号,国家标准对半导体三极管的命名如下:3 D G 110 B,第二位：A锗PNP管、B锗NPN管、C硅PNP管、D硅NPN管,第三位：X低频小功率管、D低频大功率管、G高频小功率管、A高频大功率管、K开关管,用字母表示材料,用字母表示器件的种类,用数字表示同种器件型号的序号,用字母表示同一型号中的不同规格,三极管,耗尽型FET管的转移特性函数,增强型FET管的转移特性函数,作业：5.1.1,5.1.2,5.3.2,5.3.4,5.2.4,5.2.6,5.3.6,5.5.1,G,S,D,G,
9、S,D,iD,uGS,iD,uGS,VT,VP,增强型 耗尽型,*1、特点：压控管，Ri特大、偏置灵活、多子导电，可大规模集成*2、转移特性：*3、使用：N沟道:VDS:+P 沟道相反 VGS:增+;耗一般为-，可以为+,要防止感应电压击穿，结型漏、源可换，箭头向里为 N沟道,实线为耗尽型.,5.4 场效应管放大电路,直流偏置电路,静态工作点,FET小信号模型,动态指标分析,三种基本放大电路的性能比较,5.4.1 FET的直流偏置及静态分析,5.4.2 FET放大电路的小信号模型分析法,1.直流偏置电路,5.4.1 FET的直流偏置电路及静态分析,（1）自偏压电路,（2）分压式自偏压电路,vG
10、S,vGS,vGS,vGS,vGS,vGS=,-iDR,Q点：,VGS、,ID、,VDS,vGS=,VDS=,已知VP，由,VDD,-ID(Rd+R),-IDR,可解出Q点的VGS、ID、VDS,5.4.2 FET放大电路的小信号模型分析法,1.FET小信号模型,（1）低频模型,（2）高频模型,2.动态指标分析,（1）中频小信号模型,2.动态指标分析,（2）中频电压增益,（3）输入电阻,（4）输出电阻,忽略 rD,由输入输出回路得,则,通常,则,例4.4.2 共漏极放大电路如图示。试求中频电压增益、输入电阻和输出电阻。,（2）中频电压增益,（3）输入电阻,得,解：,（1）中频小信号模型,由,例
11、题,（4）输出电阻,所以,由图有,例题,3.三种基本放大电路的性能比较,组态对应关系：,CE,BJT,FET,CS,CC,CD,CB,CG,BJT,FET,CE：,CC：,CB：,CS：,CD：,CG：,3.三种基本放大电路的性能比较,CE：,CC：,CB：,CS：,CD：,CG：,CE：,CC：,CB：,CS：,CD：,CG：,解：,画中频小信号等效电路,则电压增益为,例题,根据电路有,由于,则,end,场效应管的共源极放大电路,一、静态分析,求：UDS和 ID。,设：UGUGS,则：UGUS,而：IG=0,所以：,二、动态分析,ro=RD=10k,例题：设 gm=3mA/V，=50，rbe
12、=1.7k,求：总电压放大倍数、输入电阻、输出电阻。,（1）估算各级静态工作点:（略）,（2）动态分析:,微变等效电路,首先计算第二级的输入电阻：ri2=R3/R4/rbe=82/43/1.7=1.7 k,第二步：计算各级电压放大倍数,第三步：计算输入电阻、输出电阻,ri=R1/R2=3/1=0.75M,ro=RC=10k,第四步：计算总电压放大倍数,Au=Au1Au2=(-4.4)(-147)=647,作业：4.4.4；4.5.4,5.1.2 FET放大电路的小信号模型分析法,1.FET小信号模型,（1）低频模型,（2）高频模型,2.动态指标分析,（1）中频小信号模型,2.动态指标分析,（2
13、）中频电压增益,（3）输入电阻,（4）输出电阻,忽略 rD,由输入输出回路得,则,通常,则,例4.4.2 共漏极放大电路如图示。试求中频电压增益、输入电阻和输出电阻。,（2）中频电压增益,（3）输入电阻,得,解：,（1）中频小信号模型,由,例题,（4）输出电阻,所以,由图有,例题,3.三种基本放大电路的性能比较,组态对应关系：,CE,BJT,FET,CS,CC,CD,CB,CG,BJT,FET,CE：,CC：,CB：,CS：,CD：,CG：,3.三种基本放大电路的性能比较,CE：,CC：,CB：,CS：,CD：,CG：,CE：,CC：,CB：,CS：,CD：,CG：,解：,画中频小信号等效电路
14、,则电压增益为,例题,根据电路有,由于,则,end,场效应管的共源极放大电路,一、静态分析,求：UDS和 ID。,设：UGUGS,则：UGUS,而：IG=0,所以：,二、动态分析,ro=RD=10k,例题：设 gm=3mA/V，=50，rbe=1.7k,求：总电压放大倍数、输入电阻、输出电阻。,（1）估算各级静态工作点:（略）,（2）动态分析:,微变等效电路,首先计算第二级的输入电阻：ri2=R3/R4/rbe=82/43/1.7=1.7 k,第二步：计算各级电压放大倍数,第三步：计算输入电阻、输出电阻,ri=R1/R2=3/1=0.75M,ro=RC=10k,第四步：计算总电压放大倍数,Au
15、=Au1Au2=(-4.4)(-147)=647,G,S,D,G,S,D,iD,uGS,iD,uGS,VT,VP,增强型 耗尽型,1、特点：压控，Ri特大、偏置灵活、多子导电，可大规模集成2、转移特性：3、使用：N沟道:VDS:+P 沟道相反 VGS:增+;耗-,防感应电压击穿，结型漏、源可换，箭头向里为 N沟道,实线为耗尽型.,MOSFET,N沟道增强型MOSFET工作原理,（1）vGS对沟道的控制作用,当vGS0时,无导电沟道，d、s间加电压时，也无电流产生。,当0vGS VT 时,产生电场，但未形成导电沟道（感生沟道），d、s间加电压后，没有电流产生。,当vGS VT 时,在电场作用下产
16、生导电沟道，d、s间加电压后，将有电流产生。,vGS越大，导电沟道越厚,VT 称为开启电压,动画演示,2.工作原理,（2）vDS对沟道的控制作用,靠近漏极d处的电位升高,电场强度减小,沟道变薄,当vGS一定（vGS VT）时，,vDS,ID,沟道电位梯度,整个沟道呈楔形分布,当vGS一定（vGS VT）时，,vDS,ID,沟道电位梯度,当vDS增加到使vGD=VT 时，在紧靠漏极处出现预夹断。,2.工作原理,（2）vDS对沟道的控制作用,在预夹断处：vGD=vGS-vDS=VT,预夹断后，vDS,夹断区延长,沟道电阻,ID基本不变,2.工作原理,（2）vDS对沟道的控制作用,2.工作原理,（3
17、）vDS和vGS同时作用时,vDS一定，vGS变化时,给定一个vGS，就有一条不同的 iD vDS 曲线。,3.V-I 特性曲线及大信号特性方程,截止区当vGSVT时，导电沟道尚未形成，iD0，为截止工作状态。,可变电阻区 vDS（vGSVT）,饱和区（恒流区又称放大区）,vGS VT，且vDS（vGSVT）,5.2 MOSFET放大电路,5.2.1 MOSFET放大电路,1.直流偏置及静态工作点的计算,2.图解分析,3.小信号模型分析,5.2.1 MOSFET放大电路,1.直流偏置及静态工作点的计算,（1）简单的共源极放大电路（N沟道）,直流通路,共源极放大电路,5.2.1 MOSFET放大电路,1.直流偏置及静态工作点的计算,（1）简单的共源极放大电路（N沟道）,假设工作在饱和区，即,验证是否满足,如果不满足，则说明假设错误,须满足VGS VT，否则工作在截止区,再假设工作在可变电阻区,即,5.2.1 MOSFET放大电路,1.直流偏置及静态工作点的计算,（2）带源极电阻的NMOS共源极放大电路,饱和区,需要验证是否满足,5.2.1 MOSFET放大电路,3.小信号模型分析,（1）模型,
