场效应晶体管和基本放大电路

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1、第 3章 场 效 应 管 和 基 本 放 大 电 路 场 效 应 管 和 基 本 放 大 电 路作 业n习 题 3-3、 3-4、 3-7、 3-11注 ： 删 除 图 3-25中 漏 极 电 阻 重 点 理 解 场 效 应 管 的 工 作 原 理 ； 掌 握 场 效 应 管 的 外 特 性 及 主 要 参 数 ； 掌 握 场 效 应 管 放 大 电 路 静 态 工 作 点 与 动 态 参 数 （ Au、 Ri、 Ro） 的 分 析 方 法 。难 点 通 过 外 部 电 压 对 导 电 沟 道 的 控 制 作 用 来 说 明结 型 场 效 应 管 及 绝 缘 栅 型 场 效 应 管 的 工 作

2、 原 理 。重 点 和 难 点 3.1场 效 应 晶 体 管场 效 应 管 (FET)： 是 利 用 输 入 回 路 的 电 场 效 应 来控 制 输 出 回 路 电 流 的 一 种 半 导 体 器 件 。输 入 回 路 内 阻 很 高 (1071012)， 热 稳 定 性 好 ，噪 声 低 ， 比 晶 体 管 耗 电 小 ， 应 用 广 泛 。单 极 型 结 型 场 效 应 管1. 结 型 场 效 应 管 的 结 构 N沟 道 结 型 场 效 应 管 是 在同 一 块 N型 半 导 体 上 制 作 两个 高 掺 杂 的 P区 ， 将 它 们 连接 在 一 起 引 出 电 极 栅 极 g。 N

3、型 半 导 体 分 别 引 出 漏 极 d、源 极 s， P区 和 N区 的 交 界 面形 成 耗 尽 层 。 源 极 和 漏 极 之间 的 非 耗 尽 层 称 为 导 电 沟 。 N沟 道 结 构 示 意 图 SiO2N源 极 S 栅 极 G 漏 极 D NN PPN 沟 道 和 P沟 道 结 型 场 效 应 管 的 符 号N沟 道 符 号 dsg dsgP沟 道 符 号 正 常 工 作 时在 栅 -源 之 间 加 负 向 电 压 ，(保 证 耗 尽 层 承 受 反 向 电 压 ) 漏 -源 之 间 加 正 向 电 压 ，(以 形 成 漏 极 电 流 ）这 样 既 保 证 了 栅 源 之 间

4、 的 电 阻很 高 ， 又 实 现 了 ugs对 沟 道 电流 i D的 控 制 。 2.工 作 原 理 电 压 控 制 作 用 （ 以 N沟 道 为 例 ）耗 尽 层sg P+N导 电 沟 道结 构 示 意 图 1) 、 间 和 、 间 短 路 ) 、 间 加 负 电 压 和 、 间 短 路耗 尽 区 很 窄 ,导 电 沟 道 宽 | U G S |增 加 到 某 一 数 值 ,耗 尽 区 相 接 ,沟 道 消 失 ,沟道 电 阻 趋 于 无 穷 大 ， 沟道 夹 断| UG S |增 大 ， 耗 尽区 增 宽 ， 沟 道 变窄 ， 沟 道 电 阻 增大 。 此 时 G S的 值为 UG S

5、（ off） UDS的 作 用 产 生 漏 极电 流 ID ， 使 沟 道 中 各 点和 栅 极 间 的 电 压 不 再 相等 ， 近 漏 极 电 压 最 大 ，近 源 极 电 压 最 小 。 导 电沟 道 宽 度 不 再 相 等 ， 近漏 极 沟 道 窄 ， 近 源 极 沟道 宽 。 dsg UDSiD3) 、 间 短 路 ， 、 间 加 正 向 电 压随 着 U DS 的 增 加 ， ID近 似 线 性 增加 ,d-s间 呈 电 阻 特 性 。 随 着 UDS 增 加 ID增 大 。沟 道 在 漏 极 处 ， 越 来 越 窄 。UGD = UGS - UDS = UDS当 UDS增 加 到

6、 |UGS(off)|漏 极 附近 的 耗 尽 区 相 接 ， 称 为 预 夹断 。U DS再 增 加 ， 夹 断 区 长 度 增 加（ AA） 。 预 夹 断 时 ， 导 电 沟 道 内 仍 有 电 流 ID ， 且 UDS增 大 时ID几 乎 不 变 ， 此 时 的 ID称 为 “ 饱 和 漏 极 电 流 IDSS”d sg UDSiDUDSdsg A IDA 、 间 的 负 电 压 使 导 电沟 道 变 窄 （ 等 宽 ） 、 间 的 正 电 压 使 沟 道不 等 宽UGS 增 加 ， 导 电 沟 道 变 窄， 沟 道 电 阻 增 大 ， 同 样UDS的 产 生 的 ID减 小 。3)

7、、 间 加 负 向 电 压 ， 、 间 加 正 向 电 压dsg UDSUG S ID 由 于 UDS的 增 加 几 乎 全部 落 在 夹 断 区 ， 漏 极电 流 ID基 本 保 持 不 变 。ID可 以 认 为 仅 仅 决 定 于UGS， 表 现 出 恒 流 特 性 。称 场 效 应 管 为 电 压 控 制 元 件 。 dsg UDSUG S ID夹 断 区恒 流 区可 变电 阻 区 输 出 特 性 和 转 移 特 性因 场 效 应 管 栅 极 电 流 几乎 为 零 ， 不 讨 论 输 入 特性 。（ 1） 输 出 特 性 曲 线ID = f (UDS )|UGS = 常 数3.结 型 场

8、 效 应 管 的 特 性 1)夹 断 区 （ 截 止 区 ） ： 导 电 沟 道 全 部 夹 断 条 件 ： UGS UGS（ off） UGS UGS（ off） 特 点 ： ID 0 2)可 变 电 阻 区 ： 预 夹 断轨 迹 左 边 区 域 。条 件 ： UGD UGS（ off）特 点 ： 可 通 过 改 变 UGS大 小 来 改 变 漏 源 间 电 阻值 。 预 夹 断 轨 迹 ： 通 过 连 接 各 曲线 上 UGD= UGS（ off） 的 点 而 成 。 3)恒 流 区 ： 预 夹 断 轨 迹 右 边 区 域 。 条 件 ： UGD0 ， UDS =0此 时 的 栅 -源 电

9、 压 称 为 开 启 电 压 U GS(th) UGS越 大 ， 反 型 层 越 厚 ， 导电 沟 道 电 阻 越 小 ， 同 样 的UDS产 生 的 电 流 ID越 大 UDS作 用 产 生 漏 极 电 流 ID。沟 道 各 点 对 栅 极 电 压 不 再 相等 ， 导 电 沟 道 宽 度 不 再 相 等 ，沿 源 -漏 方 向 逐 渐 变 窄 。 UGD=UGS-UDS UGS(th） ， UDS 0 P 衬 底 BN+N+S G D 随 着 UDS的 继 续 增 大 ， UGD减 小 ， 当 UGD =UGS(th） 时 ， 导电 沟 道 在 漏 极 一 端 产 生 夹 断 ,称 为 预

10、 夹 断 。 UDS继 续 增 大 ， 夹 断 区 延 长 ，漏 电 流 ID几 乎 不 变 ， 管 子 进 入恒 流 区 ， ID几 乎 仅 仅 决 定 于UGS 。 此 时 可 以 把 ID近 似 看 成UGS控 制 的 电 流 源 。 P 衬 底 BN+N+S G D （ 3） 特 性 曲 线43210 5 10 15UG S =5V6V4V3V2V iD /m A UDS =10VN沟 道 增 强 型 MOS 管 的 特 性 曲 线 0123恒 流 区 击穿区可变电阻区 2 4 6 uG S / VUG s(th)输 出 特 性 转 移 特 性 uDS / ViD /m A夹 断 区

11、UDS =10V0123 2 4 6 UG S / VUG s(th)ID /m A2)( )1( thGSGSDOD UUII 制 造 时 ,在 sio2绝 缘 层 中 掺入 大 量 的 正 离 子 ,即 使 UGS=0，在 正 离 子 的 作 用 下 ， 源 -漏 之间 也 存 在 导 电 沟 道 。 只 要 加正 向 ， 就 会 产 生 ID。 只 有 当 小 于 某 一 值 时 ，才 会 使 导 电 沟 道 消 失 ， 此 时的 称 为 夹 断 电 压 。2. N沟 道 耗 尽 型 MOS管 结 构 示 意 图P源 极 S 漏 极 D 栅 极 G BN+ N+正 离 子反 型 层 Si

12、O2DBSGN沟 道 符 号 DBSGP沟 道 符 号耗 尽 层 特 性 曲 线4321 0 4 8 12UG S =1V2V3V输 出 特 性 转 移 特 性1230V1 01 2123 UG S / VID UG SUG s(off) UDS / V UDS =10VID /m AID /m A N沟 道 耗 尽 型 MOS管 的 特 性 曲 线 场 效 应管 的 符号 及 特性(p76） 结 型 N沟 道结 型 P沟 道NMOS增 强 型 NMOS耗 尽 型PMOS增 强 型PMOS耗 尽 型 （ +）（ +） （ +） （ -）（ -）（ -） （ -） N沟 道 夹 断 区 ： 恒

13、流 区 ： 可 变 电 阻 区 ：P沟 道 夹 断 区 ： 恒 流 区 ： 可 变 电 阻 区 ：三 个 工 作 区 域 的 判 断UGS UGS（ off）UGS UGS（ off） ， UGD UGS（ off）UGS UGS（ off） ， UGD UGS（ off）UGS UGS（ off）UGS UGS（ off） ， UGD UGS（ off）U GD UGS（ off）UGS UGS（ off） ， 注 意 ： 结 型 场 效 应管 G -S电 压 必 须 反 偏 测 得 某 电 路 中 三 个 MOS管 的 三 个 电 极 的 电 位 及 它们 的 开 启 电 压 如 表 所

14、示 。 试 分 析 各 管 的 工 作 状 态 （ 截止 区 、 恒 流 区 、 可 变 电 阻 区 ） 。管 号 UGS(th)/V Us/V UG/V UD/V 工 作 状 态T1 4 -5 1 3T2 -4 3 3 10T 3 -4 6 0 5 恒 流 区夹 断 区可 变 电 阻 区 1、 直 流 参 数（ 1） 开 启 电 压 UGS(th) UDS为 固 定 值 能 产 生 漏 极 电 流 ID所 需 的 栅 -源 电压 UGS的 最 小 值 。 增 强 型 MOS管 的 参 数 NMOS管 为 正 ， PMOS管 为 负场 效 应 管 的 主 要 参 数 （ 2） 夹 断 电 压

15、UGS(off) UDS为 固 定 值 使 漏 极 电 流 近 似 等 于 零 时 所 需的 栅 -源 电 压 。 结 型 场 效 应 管 和 耗 尽 型 MOS管 的 参 数 NMOS管 为 负 ， PMOS管 为 正 （ 3） 饱 和 漏 极 电 流 IDSS对 于 耗 尽 型 MOS管 ， 在 UGS =0情 况 下 产 生 预夹 断 时 的 漏 极 电 流 。（ 4） 直 流 输 入 电 阻 RGS（ DC）栅 -源 电 压 与 栅 极 电 流 的 比 值 ， 其 值 很 高 , 一 般 为 107-1010左 右 。 2、 交 流 参 数（ 1） 低 频 跨 导 gm 管 子 工 作

16、 在 恒 流 区 并 且 UDS为 常 数 时 ， 漏 极电 流 的 微 变 量 与 引 起 这 个 变 化 的 栅 -源 电 压 的 微变 量 之 比 称 为 低 频 跨 导 ,即 gm=iD / uGS UDS =常 数g m是 衡 量 栅 -源 电 压 对 漏 极 电 流 控 制 能 力 的 一 个 重 要 参数 。 （ 2） 交 流 输 出 电 阻 rds rds反 映 了 uDS对 iD的 影 响 ， 是 输 出 特 性 曲 线上 Q点 处 切 线 斜 率 的 倒 数 。 rds在 恒 流 区 很 大 。 GSDSds D Uur i 常 数 3、 极 限 参 数（ 1） 最 大 漏

17、 极 电 流 IDM（ 2） 最 大 漏 源 电 压 U DS(BR)（ 3） 最 大 栅 源 电 压 U GS(BR)（ 4） 最 大 耗 散 功 率 P DM 场 效 应 管 与 双 极 型 晶 体 管 的 比 较 场 效 应 管 的 栅 极 g、 源 极 s、 漏 极 d分 别 对 应于 晶 体 管 的 基 极 b、 发 射 极 e、 集 电 极 c1） FET是 电 压 控 制 元 件 ， 输 入 阻 抗 很 高 ； BJT 是 电 流 控 制 元 件 ， 输 入 阻 抗 较 小 ；2） FET（ 单 极 型 ） 多 子 参 与 导 电 ， 温 度 稳 定 性好 ， 抗 辐 射 能 力

18、 强 ， FET噪 声 系 数 小 ； BJT为 多 子 和 少 子 同 时 参 与 导 电 ， 性 能 较 差 ； 3） FET漏 极 与 源 极 可 以 互 换 使 用 ； BJT的 发 射极 与 集 电 极 一 般 不 能 互 换 使 用 ； FET比 BJT的 种类 多 ， 组 成 电 路 更 灵 活 ；4） FET工 艺 简 单 ， 功 耗 小 ， 电 源 范 围 宽 ， 更 多用 于 大 规 模 和 超 大 规 模 集 成 电 路 ； ) 管 的 栅 极 绝 缘 ， 外 界 感 应 电 荷 不 易 泄放 。 例 已 知 某 管 的 输 出 特 性 曲 线 如 图 所 示 。 试 分

19、 析该 管 是 什 么 类 型 的 场 效 应 管 。开 启 电 压 UGS(th)=4VN沟 道 增 强 型 MOS管 。 21 0 5 10 15 10V8V6V uDS / ViD /m A 4V 例 电 路 及 管 子 的 输 出 特 性 如 图 所 示 。 试 分 析 uI为 0、 8V和 10V三 种 情 况 下 uO分 别 为 几 伏 。210 5 10 15 10V8V6V uDS / ViD /m A 4V VVRiVuu iuu DDDDDDDSO DIGS 15 ,00)1( ， 因 而时 ， 管 子 处 于 夹 断 状 态当 VVRiVuu mAiVuu DDDDDSO

20、 DIGS 10)5115( ,18)2( 的时 ， 管 子 工 作 在 恒 流 区当 210 5 10 15 10V8V6V uDS / ViD /m A 4V （ 3） 当 UGS(th)=10V时 ， 若 认 为 T工 作 在 恒 流 区 ， 则 iD为 2.2mA, Uo=4V,而 UGS=10V时 的 产 生 预 夹 断 电 压 为uDS=6V说 明 管 子 工 作 在 可 变 电 阻 区 。210 5 10 15 10V8V6V uDS / ViD /m A 4V33/ 31 103 15 5.65 3ds DS Dds O DDds DR u i kRu V V VR R 等 效

21、 电 阻 场 效 应 管 放 大 电 路 的 直 流 偏 置 及 静 态 分 析 场 效 应 管 组 成 的 放 大 电 路 与 双 极 型 晶 体 管 一样 ， 必 须 建 立 合 适 的 静 态 工 作 点 。 保 证 场 效 应 管 工 作 在 恒 流 区 。3.2 场 效 应 管 放 大 电 路 1、 自 给 偏 压 电 路 静 态 工 作 点 分 析 栅 极 电 流 为 0 2)( )1( offGSGSQDSSDQ sDQSQGQGSQ UUII RIUUU 此 电 路 只 适 用 于耗 尽 型 器 件 、 分 压 式 偏 置 电 路 静 态 工 作 点 分 析 栅 极 电 流 为

22、 0 sDQDDGG G SQGQGSQ RIVRR R UUU 21 2 2 )( )1( thGSGSDOD UUIi DQGSQIU)( SDDQDDDSQ RRIVU 例 自 给 偏 压 电 路 中 ,已 知 场 效 应 管 的 输 出 特 性 , RG=10M， RS=2k， RD=18k， VDD=20V， 用图 解 法 确 定 Q点 。根 据 输 出 回 路 方 程作 直 流 负 载 线 MN DDSDDDS VRRiu )( 根 据 直 流 负 载 线 与 各 输 出 曲 线 的 交 点 a、 b、 c、d、 e所 对 应 的 iD和 uGS的 值 作 转 移 特 性 。 根

23、据 输 入 回 路 方 程 作 源 极 负 载 线 OL SDGS Riu 源 极 负载 线 与 转移 特 性 曲线 的 交 点为 Q点 例 图 示 电 路 中 ,RG1=2M, RG2=47k, RG=10M, RD=30k, VDD=18V,场 效 应 管 UGS(off)=-1V, IDSS=0.5mA,求 静 态 工 作 点 。 22)( )11(5.0)1( GSQoffGSGSQDSSDQ UUUII sDQDDGG GSQGQGSQ RIVRR RUUU 21 2 DQGSQ GSQDQ IU UI 24.0 )1(5.0 2 ,)64.095.0( mAIDQ VUVU mAI

24、II DSGSQ DQDSSDQ 1.8,22.0 31.0 ， 所 以不 应 大 于 用 微 变 等 效 电 路 法分 析 场 效 应 管 放 大 电 路 的 动 态 参 数1.场 效 应 管 的 交 流 低 频 小 信 号 模 型),( DSGSD uufi dsdsgsmd dsUDSD mUGSD UrUgI rui gu i GS DS 11则令 DSUDSDGSUGSDD uuiuuii GSDS ddd 求 全 微 分 低 频 小 信 号 模 型 rds （ 或 rds RL ） 简 化 交 流 等 效 模 型 为增 强 型 ：耗 尽 型 （ 结 型 ） ： 2( )( 1)GS

25、D DO GS thui I u ( )2m DO DQGS thg I IU 2( )(1 )GSD DSS GS offUi I U ( )2m DSS DQGS offg I IU 2. 应 用 微 变 等 效 电 路 分 析 法 分 析 场 效 应 管 放 大 电 路（ ） 共 源 放 大 电 路 ( / / )m gs LO d Lu m L m D Li gs gsg U RU I RA g R g R RU U U Gi RR Do RR 例 图 示 电 路 RG1=300k,RG2=100k, RG=2M, RD=10k， gm=1mS， 计 算 AU， Ri， Ro 解 ：

26、3.31 Dm DmSgsmgs DgsmiOu Rg RgRUgU RUgUUA kRRRR GGGi 075.2/ 21 kRR Do 10共 源 电 路 的 电 压 增 益 比 共 射电 路 小 ， 输 入 电 阻 大 （ ） 共 漏 放 大 电 路 电 压 增 益Au 1,源 极 跟 随 器输 入 电 阻 / /1m gs Lo m Lu L L Sm Li gs m gs Lg U RU g RA R R Rg RU U g U R ， 其 中 21 / GGGiii RRRIUR 输 出 电 阻断 开 负 载 ， 输 入 信 号 短 路， 输 出 端 加 电 压 ， 得 到 求输

27、出 电 阻 的 电 路 。 ogs UU )1( SmoSogsmo RgURUUgI mSSmooo gRRgIUR 1/11 输 出 电 阻 较 小 例 电 路 如 图 ， RG1=91k, RG2=10k, RG=5M, RS=2k， RL=2k， IDSS=5mA, UGS(off)=-4V, VDD=10V。求 ： 静 态 工 作 点 IDQ和 UGSQ； 计 算 Au、 Ri和 Ro 解 ： 2 2( )(1 ) 5(1 )4GSQ GSQDQ DSS GS offU UI I U 21 2 1 2GGSQ GQ SQ DD DQ S DQG GRU U U V I R IR R

28、mAImAI DQDQ 37.4,43.1 21 解 得 1 1 2 1.43 1.86GSQU V （ ）2 1 2 4.37 7.74GSQU V （ ） )()( 舍 去offGSU mSUUU Ig offGSGSQoffGSDSSm 34.1)1(2 )()( 57.034.11 34.11 LmLmu RgRgA kRRRR GGGi 5/ 21 5431/ mSo gRR 场 效 应 管 的 三 种 基 本 接 法 :共 源 、 共 漏 和 共 栅分 别 与 双 极 型 晶 体 管 的 共 射 、 共 集 和 共 基 对 应 ，相 应 的 输 出 量 与 输 入 量 之 间 的 大 小 和 相 位 关 系一 致 ， 可 以 实 现 反 相 电 压 放 大 、 电 压 跟 随 、 电流 跟 随 的 功 能 。 重 点 理 解 场 效 应 管 的 工 作 原 理 ； 掌 握 场 效 应 管 的 外 特 性 及 主 要 参 数 ； 掌 握 场 效 应 管 放 大 电 路 静 态 工 作 点 与 动 态 参 数 （ Au、 Ri、 Ro） 的 分 析 方 法 。难 点 通 过 外 部 电 压 对 导 电 沟 道 的 控 制 作 用 来 说 明结 型 场 效 应 管 及 绝 缘 栅 型 场 效 应 管 的 工 作 原 理 。重 点 和 难 点