ch场效应管放大电路实用教案

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1、2022-3-181只有一种载流子参与只有一种载流子参与(cny)导电，且利用电场效应导电，且利用电场效应来控制电流的三极管，称为场效应管，也称单极型三极管。来控制电流的三极管，称为场效应管，也称单极型三极管。场效应管分类场效应管分类(fn li)结型场效应管结型场效应管绝缘绝缘(juyun)栅场效栅场效应管应管特点特点单极型器件单极型器件( (一种载流子导电一种载流子导电) )； 输入电阻高；输入电阻高；工艺简单、易集成、功耗小、体积小、工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低。成本低。第1页/共41页第一页，共42页。2022-3-182N沟道沟道(u do)P沟道沟道(u do)增强型增

2、强型耗尽耗尽(ho jn)型型N沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道（耗尽型）（耗尽型）FET场效应管场效应管JFET结型结型MOSFET绝缘栅型绝缘栅型(IGFET)场效应管场效应管分类：分类：第2页/共41页第二页，共42页。2022-3-183DSGN符符号号(fh o)一、结构一、结构(jigu)图图 4.1.1N 沟道沟道(u do)结型场效应管结构图结型场效应管结构图N型型沟沟道道N型硅棒型硅棒栅极栅极源极源极漏极漏极P+P+P 型区型区耗尽层耗尽层( (PN 结结) )导电沟道是导电沟道是 N 型的，称型的，称 N 沟道结型场效应管沟道结型场效应管。第3页/共41页第三页，共4

3、2页。2022-3-184P 沟道沟道(u do)结型场效应结型场效应管管图图 4.1.2P 沟道沟道(u do)结型场效应管结构图结型场效应管结构图N+N+P型型沟沟道道GSD P 沟道结型场效应管是在沟道结型场效应管是在 P 型硅棒的两侧做成高掺杂型硅棒的两侧做成高掺杂(chn z)的的 N 型区型区(N+)，导电，导电沟道为沟道为 P 型，多数载流子为空型，多数载流子为空穴。穴。符号符号GDS第4页/共41页第四页，共42页。2022-3-185 以以N 沟道结型场效应管为例：沟道结型场效应管为例： 通过改变通过改变 UGS 大小大小(dxio)来控制漏极电流来控制漏极电流 ID 。GD

4、SNN型型沟沟道道栅极栅极源极源极漏极漏极P+P+耗尽层耗尽层*在栅极和源极之间在栅极和源极之间加反向电压，耗尽层会变加反向电压，耗尽层会变宽，导电沟道宽，导电沟道(u do)宽宽度减小，使沟道度减小，使沟道(u do)本身的电阻值增大，漏极本身的电阻值增大，漏极电流电流 ID 减小。减小。 * 耗 尽 层 的 宽 度耗 尽 层 的 宽 度(kund)改变主要在沟道改变主要在沟道区。区。二、工作原理二、工作原理第5页/共41页第五页，共42页。2022-3-1861. 设设UDS = 0 ，在栅源之间加负电源，在栅源之间加负电源 VGG，改变，改变 VGG 大小。大小。观察观察(gunch)耗

5、尽层的变化。耗尽层的变化。ID = 0GDSN型型沟沟道道P+P+( (a) ) UGS = 0UGS = 0 时，耗时，耗尽层比较尽层比较(bjio)窄，导电沟比较窄，导电沟比较(bjio)宽宽UGS 由零逐渐增大由零逐渐增大(zn d)，耗尽层逐渐加宽，耗尽层逐渐加宽，导电沟相应变窄。导电沟相应变窄。当当 UGS = UP，耗尽层合拢，耗尽层合拢，导电沟被夹断，夹断电压导电沟被夹断，夹断电压 UP 为负值。为负值。ID = 0GDSP+P+N型型沟沟道道 ( (b) ) UGS 0，在栅源间加负电源，在栅源间加负电源 VGG，观察，观察(gunch) UGS 变化时耗尽层和漏极变化时耗尽层

6、和漏极 ID 。UGS = 0，UGD UP ，ID 较大较大(jio d)。GDSP+NISIDP+P+VDDVGGUGS UP ，ID 更小。更小。GDSNISIDP+P+VDD注意注意(zh y)：当：当 UDS 0 时，耗尽层呈现楔形。时，耗尽层呈现楔形。( (a) )( (b) )第7页/共41页第七页，共42页。2022-3-188GDSP+NISIDP+P+VDDVGGUGS 0,UGD = UP, 预夹断预夹断(ji dun)UGS 0 ,UGD 0P 型衬底型衬底N+N+BGSD P型衬底中靠近栅极的空型衬底中靠近栅极的空穴被排斥穴被排斥(pich)，产生由负，产生由负离子组

7、成的耗尽层，同时电离子组成的耗尽层，同时电子被吸引，汇集到表面。子被吸引，汇集到表面。VGG (3) UDS = 0(3) UDS = 0，UGS UGS 继续继续(jx)(jx)增大增大增大增大(zn d) UGS 耗尽层变耗尽层变宽。由于吸引了足够多的电子，宽。由于吸引了足够多的电子，形成可移动的表面电荷层形成可移动的表面电荷层 反型层、反型层、N 型导电沟道。型导电沟道。 N 型沟道型沟道UGS 升高，升高，N 沟道变宽。因为沟道变宽。因为 UDS = 0 ，所以，所以 ID = 0。UT 为开始形成反型层所需的为开始形成反型层所需的 UGS，称，称开启电压开启电压。第19页/共41页第

8、十九页，共42页。2022-3-1820(4) UDS (4) UDS 对导电对导电(dodin)(dodin)沟道的影响沟道的影响 (UGS UT) (UGS UT)导电沟道呈现一个楔形。漏极导电沟道呈现一个楔形。漏极形成形成(xngchng)电流电流 ID 。b. UDS= UGS UT， UGD = UT靠近靠近(kojn)漏极沟道达到漏极沟道达到临界开启程度，出现预夹断。临界开启程度，出现预夹断。c. UDS UGS UT， UGD UT由于夹断区的沟道电阻很大，由于夹断区的沟道电阻很大，UDS 逐渐增大时，导电逐渐增大时，导电沟道两端电压基本不变，沟道两端电压基本不变，ID 因而基本

9、不变。因而基本不变。a. UDS UTP 型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDDP 型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDDP 型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDD夹断区夹断区第20页/共41页第二十页，共42页。2022-3-1821DP型衬底型衬底N+N+BGSVGGVDDP型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDDP型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDD夹断区夹断区图图 4.1.11UDS 对导电沟道对导电沟道(u do)的影响的影响( (a) ) UGD UT( (b) ) UGD = UT( (c) ) UGD UGS UT时，对应于不同的时，对应于不同的uGS就有一个确定的就

10、有一个确定的iD 。此时，此时， 可以把可以把iD近似近似(jn s)看成是看成是uGS控制的电流源。控制的电流源。第21页/共41页第二十一页，共42页。2022-3-18223. 特性特性(txng)曲线曲线(a)(a)转移转移(zhuny)(zhuny)特性特性(b)(b)漏极特性漏极特性(txng)(txng)ID/mAUDS /VOTGSUU 预夹断轨迹预夹断轨迹恒流区恒流区击穿区击穿区 可变可变电阻区电阻区UGS UT 时时) )三个区：可变电阻区、恒三个区：可变电阻区、恒流区流区( (或饱和区或饱和区) )、击穿区。、击穿区。UT 2UTIDOUGS /VID /mAO图 1.4

11、.12 (a)图 1.4.12 (b)第22页/共41页第二十二页，共42页。2022-3-18234、主要参数同同JFET基本相同。基本相同。注意：在增强型管子注意：在增强型管子(gun zi)中，不用夹断电压中，不用夹断电压UP，而是用开启电压，而是用开启电压UT表征管子表征管子(gun zi)的特的特性。性。第23页/共41页第二十三页，共42页。2022-3-1824增强型增强型MOSMOS管特性管特性(txng)(txng)小结小结第24页/共41页第二十四页，共42页。2022-3-18254.3.2 N 沟道沟道(u do)耗尽型耗尽型 MOSFETP型衬底型衬底N+N+BGSD

12、+制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子，这些正离制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子，这些正离子电场子电场(din chng)在在 P 型衬底中型衬底中“感应感应”负电荷，形成负电荷，形成“反型层反型层”。即使即使 UGS = 0 也会形成也会形成 N 型导电沟道。型导电沟道。+ UGS = 0，UDS 0，产生较大，产生较大(jio d)的漏极电流；的漏极电流； UGS 0，绝缘层中正离子感，绝缘层中正离子感应的负电荷减少，导电沟道变应的负电荷减少，导电沟道变窄，窄，ID 减小；减小； UGS =UP , 感应电荷被感应电荷被“耗耗尽尽”，ID 0。UP 称为夹断电压称为夹断

13、电压图图 4.1.13第25页/共41页第二十五页，共42页。2022-3-1826第26页/共41页第二十六页，共42页。2022-3-1827耗尽耗尽(ho jn)(ho jn)型型MOSFETMOSFET的特性曲线的特性曲线绝缘栅场效应管N沟沟道道耗耗尽尽型型P 沟沟道道耗耗尽尽型型第27页/共41页第二十七页，共42页。2022-3-18281. 1. 直流偏置直流偏置(pin zh)(pin zh)电路电路4.4.1 FET的直流偏置的直流偏置(pin zh)电路及静态分析电路及静态分析（1）自偏压）自偏压(pin y)电路电路（2）分压式自）分压式自偏压电路偏压电路vGSvGSvG

14、SvGSvGSvGS =- iDRSV GSVGVDDg2g1g2VRRR+ + RID 4.4 4.4 场效应管放大电路场效应管放大电路第28页/共41页第二十八页，共42页。2022-3-1829 根据直流通根据直流通(litng)路的画法：电容视为开路；信号源短路直流通路的画法：电容视为开路；信号源短路直流通(litng)路如图所示。路如图所示。由此列输入回路电压方程：由此列输入回路电压方程：Q点：点：VGS 、ID 、VDSvGS =2PGSDSSD)1(VvIi VDS =已知已知VP ，由，由VDD- ID (Rd + R )- iDR可解出可解出Q点的点的VGS 、 ID 、 V

15、DS RgUGSQUDSQ2 2、自偏压电路、自偏压电路(dinl)(dinl)静态工作点求解静态工作点求解第29页/共41页第二十九页，共42页。2022-3-18303. 分压式偏置电路分压式偏置电路(dinl)的工作点求解的工作点求解共源分压式偏置共源分压式偏置(pin zh)放大电路放大电路画出直流通画出直流通(litng)路路第30页/共41页第三十页，共42页。2022-3-1831DDgggGQURRRU + + 212RIUDQSQ 和和得：得：RIURRRUDQDDgggGSQ + + 212电流电流(dinli)方程：方程： 联解上面联解上面(shng min)两式并舍去不

16、合理的一组解，可求得两式并舍去不合理的一组解，可求得UGSQ和和IDQ 列输出回路电压列输出回路电压(diny)方程：方程： DSQdDQDDURRIU+ + + )(求得：求得： )(RRIUUdDQDDDSQ+ + 由输入回路电压方程：由输入回路电压方程：2PGSDSSD)1 (VvIi 第31页/共41页第三十一页，共42页。2022-3-18324.4.2 FET放大放大(fngd)电路的小信号模型电路的小信号模型分析法分析法1. FET小信号小信号(xnho)模型模型 低频低频(dpn)模型模型第32页/共41页第三十二页，共42页。2022-3-1833（2）高频）高频(o pn)

17、模模型型第33页/共41页第三十三页，共42页。2022-3-18342. 动态(dngti)指标分析 （1 1）中频）中频(zhngpn)(zhngpn)小信号模型小信号模型第34页/共41页第三十四页，共42页。2022-3-1835（2）中频电压）中频电压(diny)增益增益（3）输入电阻）输入电阻（4）输出电阻）输出电阻忽略忽略(hl) rD iVgsVRVggsm+ +)1(mgsRgV+ + oVdgsmRVg mVARgRgmdm1+ + /iiRR 由输入输出回路由输入输出回路(hul)得得则则giiIVR )/(g2g1g3RRR+ +)/()1 (g2g1g3gsmRRRr

18、Rg+ + + +通常通常则则)/(g2g1g3iRRRR+ + doRR gsm)1(rRg+ + ggsmgsIRVgV+ + 第35页/共41页第三十五页，共42页。2022-3-1836 例例4.4.2 共漏极放大电路如图示。试求中频共漏极放大电路如图示。试求中频(zhngpn)电压增益、输入电阻和输出电阻。电压增益、输入电阻和输出电阻。（2）中频）中频(zhngpn)电压增益电压增益（3）输入电阻）输入电阻 iVgsV)/(LgsmRRVg+ + )/(1LmgsRRgV+ + oV)/(LgsmRRVg mVA)/(1)/(LmLmRRgRRg+ + 得得)/(g2g1g3iRRR

19、R+ + 解：解：（1 1）中频小信号）中频小信号(xnho)(xnho)模型模型由由ioVV1 第36页/共41页第三十六页，共42页。2022-3-1837（4 4）输出电阻）输出电阻 TIRIgsmVg RVT gsVTV oRm11gR+ + 所以所以(suy)由图有由图有TTIVgsmVg m1/gR 第37页/共41页第三十七页，共42页。2022-3-18384.5 各种各种( zhn)放大电路的性能放大电路的性能比较比较组态对应组态对应(duyng)(duyng)关系：关系：CEBJTFETCSCCCDCBCGBJTFET电压增益：电压增益：beLc)/(rRR )/)(1()

20、/()1(LebeLeRRrRR + + + + +beLc)/(rRR CE：CC：CB：)/(LdmRRg )/(1)/(LmLmRRgRRg+ +)/(LdmRRgCS：CD：CG：反相电压放大器反相电压放大器电压电压(diny)跟随器跟随器电流跟随器电流跟随器第38页/共41页第三十八页，共42页。2022-3-1839beb/rR输出电阻：输出电阻：cR )/)(1(/LebebRRrR + + + + + +1)/(/bebserRRR + +1/beerRcRBJTFET输入电阻：输入电阻：CE：CC：CB：CS：CD：CG：)/(g2g1g3RRR+ +m1/gR)/(g2g1

21、g3RRR+ +CE：CC：CB：CS：CD：CG：dRm1/gRdR第39页/共41页第三十九页，共42页。2022-3-1840FET 和 BJT 的性能(xngnng)比较1.FET1.FET的的s s、g g、d d分别分别(fnbi)(fnbi)对应于对应于BJTBJT的的e e、b b、c c，它们的作用相似。，它们的作用相似。2.FET2.FET是电压控制电流器件是电压控制电流器件(qjin)(qjin)，FETFET栅极基本上不取用电流，而栅极基本上不取用电流，而BJTBJT工作时基极要取一定工作时基极要取一定的电流。所以在只允许从信号源取极小量电流的情况下，应选用取的电流。所

22、以在只允许从信号源取极小量电流的情况下，应选用取FETFET；而在允许取一定量电；而在允许取一定量电流时，选用流时，选用BJTBJT进行放大可得到比进行放大可得到比FETFET较高的电压放大倍数。较高的电压放大倍数。3.FET3.FET是多子导电，而是多子导电，而BJTBJT是既利用多子，又利用少子。由于少子的浓度易受温度、辐射等外界条件的是既利用多子，又利用少子。由于少子的浓度易受温度、辐射等外界条件的影响，因而影响，因而FETFET比比BJTBJT的温度稳定性好，抗辐射能力强，在环境条件（温度）变化比较剧烈的情况下，选的温度稳定性好，抗辐射能力强，在环境条件（温度）变化比较剧烈的情况下，选

23、用用FETFET比较合适。比较合适。第40页/共41页第四十页，共42页。2022-3-1841感谢您的观看(gunkn)！第41页/共41页第四十一页，共42页。NoImage内容(nirng)总结2021/11/12。只有一种载流子参与导电，且利用电场效应来控制电流的三极管，称为场效应管，也称单极型三极管。UGS 由零逐渐增大，耗尽层逐渐加宽，导电沟相应变窄。场效应管的两组特性曲线之间互相联系，可根据漏极特性用作图的方法得到相应的转移特性。图 4.1.7在漏极特性上用作图法求转移特性。P型衬底中靠近栅极的空穴被排斥，产生由负离子组成的耗尽层，同时电子被吸引，汇集(huj)到表面。第40页/共41页。感谢您的观看第四十二页，共42页。