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1、,第五章 场效应管放大电路,场效应管是一种利用电场效应来控制电流的一种半导体器件。,第五章 场效应管放大电路,5.1 金属-氧化物-半导体（MOS）场效应管,5.2 场效应管与晶体三极管的比较,5.3 场效应管放大电路,5.1 金属-氧化物-半导体（MOS）场效应管,5.1.2 N沟道耗尽型MOSFET,5.1.3 P沟道MOSFET,5.1.4 场效应管的主要参数,5.1.2 N沟道增强型MOSFET,5.1.1 N沟道增强型MOSFET绝缘栅型场效应管 绝缘栅型场效应管是一种利用半导体表面的电场效应，由感应电荷的多少改变导电沟道来控制漏极电流的器件，它的栅极与半导体之间是绝缘的，其电阻大于
2、109。,增强型：VGS=0时，漏源之间没有导电沟 道，在VDS作用下无iD。,耗尽型：VGS=0时，漏源之间有导电沟道，在VDS作用下iD。,1.结构和符号（以N沟道增强型为例）,在一块浓度较低的P型硅上扩散两个浓度较高的N型区作为漏极和源极，半导体表面覆盖二氧化硅绝缘层并引出一个电极作为栅极。,5.1.1 N沟道增强型MOSFET,2 工作原理,在g上加向下电场，则空穴往下走，电子往上走，那么接近电子的地方电子很多。则在s和d之间加电场就能形成N沟道符合单极性。,s和d间加电势，从左到右降低，则在g上加电势，就会使电压差从左到右升高，即感生电场从小到大。,vg感生N+,当vds增加到某一值
3、使得最边上压差为0时，称这时的vgs=vT为开启电压，随着vds的增加，0向厚的方向移动。,5.1.1 N沟道增强型MOSFET,以N沟道增强型为例,(1)VGS=0时，不管VDS极性如何，其中总有一个PN结反向，所以不存在导电沟道。VGS=0，ID=0VGS必须大于0管子才能工作。,(2)VGS0时，在Sio2介质中产生一个垂直于半导体表面的电场，排斥P区多子空穴而吸引少子电子。当VGS达到一定值时P区表面将形成反型层把两侧的N区沟通，形成导电沟道。,VGS 0g吸引电子反型层导电沟道VGS 反型层变厚 VDS ID,5.1.1 N沟道增强型MOSFET,(3)VGSVT时而VDS较小时：V
4、DS ID,VT：开启电压，在VDS作用下开始导电时的VGS。VT=VGS VDS,5.1.1 N沟道增强型MOSFET,(4)VGS0且VDS增大到一定值后，靠近漏极的沟道被夹断，形成夹断区。VDS ID 不变,5.1.1 N沟道增强型MOSFET,3.特性曲线（以N沟道增强型为例）,转移特性 输出特性,VT=2V,5.1.2 N沟道耗尽型MOSFET,制造时在栅极绝缘层中掺有大量的正离子，所以即使在VGS=0时，由于正离子的作用，两个N区之间存在导电沟道（类似结型场效应管）,跨过两个区域,（1）P沟道增强型：VGS=0时，ID=0开启电压小于零，所以只有当VGS 0时管子才能工作。,5.1
5、.3 P沟道MOSFET,（2）P沟道耗尽型：制造时在栅极绝缘层中掺有大量的负离子，所以即使在VGS=0时，由于负离子的作用，两个P区之间存在导电沟道（类似结型场效应管）。,5.1.3 场效应管的主要参数,(1)开启电压VT：在VDS为一固定数值时，能 产生ID所需要的最小|VGS|值。（增强）,(2)夹断电压VP：在VDS为一固定数值时，使 ID 对应一微小电流时的|VGS|值。（耗尽）,(3)饱和漏极电流IDSS：在VGS=0时，管子发 生预夹断知的漏极电流。（耗尽）,(4)极间电容：漏源电容CDS约为 0.11pF，栅 源电容CGS和栅漏极电容CGD约为13pF。,(5)低频跨导 gm：
6、表示VGS对ID的空子作用。,在转移特性曲线上，gm 是曲线在某点上的斜率，也可由ID的表达式求导得出，单位为 S 或 mS。,(6)最大漏极电流 IDM,(8)漏源击穿电压 V(BR)DS 栅源击穿电压 V(BR)GS,(7)最大漏极耗散功率 PDM,场效应管总结,5.2场效应管与晶体三极管的比较：,场效应管 晶体三极管,导电机理 单极型 双极型,控制放大原理 电压控制 电流控制,输入电阻 高(iG 0)低(iB 0),受外界影响 小 大,场效应管和三极管特点比较,1.场效应管是另一种半导体放大材料，只是多子参与导电，故称为单极型器件，而普通三极管既有多数载流子也有少数载流子参与导电（双极型
7、）。由于少数载流子浓度易受温度影响，所以温度稳定性、低噪声场效应管比三极管好。,2.场效应管的漏极和源极可以互换，耗尽型绝缘管栅极电压可正可负，灵活性比三极管强。,场效应管和三极管特点比较,3.三极管是电流控制器件，通过控制基极电流达到控制电流的目的。因此，基极总有一定的电流，故三极管的输入阻抗低；场效应管是电压控制器件其输出电流决定栅源之间的电压，栅极基本上不取电流，因此，它的输入电阻高（这是其突出优点）。,4.晶体三极管和场效应管的饱和区是两种完全不同的工作状态，只是共同沿用了“饱和区”的名词。,场效应管和三极管特点比较,5.场效应管工作在饱和区时，其条件除栅源电压要求大于开启电压VGSV
8、T外（增强型），还要求VGDVGS-VT.此时，场效应管的沟道已被夹断，沟道电阻几乎全部集中在预夹断处，沟道电流iD由外加电压VDD和电阻RD以及夹断处电阻所决定。当电源电压增加时，预夹断处的长度与电源电压同步增加，其电阻也同步增加。在Rd不变的条件下，表现出VDS增加时，漏极电流iD基本不变的横流特性，这种现象也称为饱和区。可见，场效应管的饱和区正是线性放大区，相当于三极管的放大区。,场效应管和三极管特点比较,6.晶体三极管饱和时，VBE和VBC均正偏，此时晶体三极管失去了放大能力，C-E间压降很小。三极管这时相当于场效应管的可变电阻区。,7.与三极管相似，为使场效应管工作在横流区，不但要在
9、栅源间加合适的电压，而且还需要在漏源间加合适的电压。,总结,二极管可用图形分析法：理想模型、折线形模型、恒压降模型，小信号模型。（小信号模型尤为重要，它区别于其他模型它处理小信号源，前三种处理大信号。）,三极管和场效应管都可用图解法以及小信号模型分析法，微变电源时将非线性转换成线性。,5.3 场效应管放大电路,5.3.1 场效应管的小信号模型,5.3.2 共源极放大电路,5.3.1场效应管的小信号模型,已知场效应管输出特性表达式：,求全微分:,漏极与源极间等效电阻,5.3.1场效应管的小信号模型,5.3.2 共源极放大电路以NMOS增强型场效应管为例,三极管与场效应管三种组态对照表：,(1).
10、电路组成：,VGG：为栅源之间提供电压VDD：为漏极提供电流,Vi vGS iD vDS Vo,NMOS增强型：VGSVT，VDSVGS-VT vGS控制iD的大小,(2).静态分析（计算工作点）,由于栅源之间绝缘，所以：iG=0，vGS=VGG,方法一：公式法,VDS=VDD-IDRD,方法二：图解法,在场效应管的输出特性曲线上画出输出回路的线性部分，两者的交点就是静态工作点Q。,如果VGG=6V，VDD=12V，RD=1.5KQ点如图所示(4V，3.2mA，8V),(3).动态分析（计算Av，Ri，Ro）,Vo=-RD gmVgs,Vgs=Vi,Ro=RD,共源：输入：g，s 输出：d，s,
