场效应管及放大电路学习教案

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1、会计学1场效应管及放大电路场效应管及放大电路第一页，编辑于星期一：九点 二十分。N沟道沟道P沟道沟道增强增强型型耗尽耗尽型型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)分类：分类：第1页/共56页第二页，编辑于星期一：九点 二十分。结型场效应管结型场效应管 结构结构 工作原理工作原理 输出特性输出特性 转移特性转移特性 主要参数主要参数JFET的结构和工作原理的结构和工作原理JFET的特性曲线及参数的特性曲线及参数 第2页/共56页第三页，编辑于星期一：九点 二十分。第3页/共56页第四页，编辑于星期一

2、：九点 二十分。2. 工作原理工作原理 VGS对沟道的控制作用对沟道的控制作用当当VGS0时时（以（以N沟道沟道JFET为例）为例） 当沟道夹断时，对应当沟道夹断时，对应的栅源电压的栅源电压VGS称为称为夹断夹断电压电压VP （ 或或VGS(off) ）。）。对于对于N沟道的沟道的JFET，VP 0。PN结反偏结反偏耗尽层加厚耗尽层加厚沟道变窄。沟道变窄。 VGS继续减小，沟道继继续减小，沟道继续变窄续变窄 VDS对沟道的控制作用对沟道的控制作用当当VGS=0时，时，VDS ID G、D间间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。结的反向电压增加，使靠近漏

3、极处的耗尽层加宽，沟道变窄，从上至下呈楔形分布。 当当VDS增加到使增加到使VGD=VP 时，在紧靠漏极处出现预夹断。时，在紧靠漏极处出现预夹断。此时此时VDS 夹断区延长夹断区延长沟道电阻沟道电阻 ID基本不变基本不变 VGS和和VDS同时作用时同时作用时当当VP VGS0，就可以形成漏极电流，就可以形成漏极电流ID。在栅极下方导电沟道中的电子，因与。在栅极下方导电沟道中的电子，因与P型区的载流子空穴极性相反，故称为型区的载流子空穴极性相反，故称为反型层反型层。随着。随着VGS的继续增加，的继续增加，反型层反型层变厚变厚，ID增加增加VGS 0g吸引电子吸引电子反型层反型层导电沟道导电沟道V

4、GS 反型层变厚反型层变厚 VDS ID 第14页/共56页第十五页，编辑于星期一：九点 二十分。（2 2）漏源电压）漏源电压VDS对漏极电流对漏极电流ID的控制作用的控制作用（a）如果如果VGSVT且固定为某一值，且固定为某一值，VDS=VDGVGS=VGDVGSVGD=VGSVDSVDS为为0或较小时，或较小时， VGD=VGSVDS VT，沟道分布如图，此时沟道分布如图，此时VDS 基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。这时，这时，ID随随VDS增大。增大。VDS ID （2 2）漏源电压）漏源电压VDS对漏极电流对漏极电流ID的控制作用的控制作用第

5、15页/共56页第十六页，编辑于星期一：九点 二十分。（2 2）漏源电压）漏源电压VDS对漏极电流对漏极电流ID的控制作用的控制作用（b）当）当VDS增加到使增加到使VGD=VT时，沟道如图所示，时，沟道如图所示，靠近漏极的沟道被夹断，靠近漏极的沟道被夹断，这相当于这相当于VDS增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为预夹断预夹断。第16页/共56页第十七页，编辑于星期一：九点 二十分。（2 2）漏源电压）漏源电压VDS对漏极电流对漏极电流ID的控制作用的控制作用VDS ID 不变不变（c）当）当VDS增加到增加到VGD VT时，沟道如图所示。此时预

6、夹断区域加长，向时，沟道如图所示。此时预夹断区域加长，向S极延伸。极延伸。 VDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上，增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上， ID基本趋于不变基本趋于不变漏源电压漏源电压VDS对沟道的影响动画对沟道的影响动画第17页/共56页第十八页，编辑于星期一：九点 二十分。 ID=f(VGS) VDS=const转移特性曲线转移特性曲线 iD vGS /VID=f(VDS) VGS=const输出特性曲线输出特性曲线 vDS /V iD3. 特性曲线（以特性曲线（以N沟道增强型为例）沟道增强型为例）值时的是在恒流区，DTGSDTGSDDivIVvIiV2 ) 1

7、-(020转移特性曲线的斜率转移特性曲线的斜率gm的大小反映了栅源电压的大小反映了栅源电压VGS对漏极电流对漏极电流ID的控制作用。的控制作用。 gm 的量纲为的量纲为mA/V，称为，称为跨导跨导。 gm= ID/ VGS VDS=const 第18页/共56页第十九页，编辑于星期一：九点 二十分。输出特性曲线输出特性曲线 vDS /V iD(1) (1) 截止区（夹断区）截止区（夹断区）VGS VT以下区域就是截止区V VGSGS V VT T I ID D=0=0(2) (2) 放大区（恒流区）放大区（恒流区）产生夹断后，VDS增大，ID不变的区域， V VGS GS -V-VDS DS

8、V VP P V VDSDSI ID D不变不变处于恒流区的场效应管相当于一个压控电流源(3)(3)饱和区（可变电阻区）饱和区（可变电阻区）未产生夹断时，VDS增大，ID随着增大的区域 V VGS GS -V-VDS DS V VP P V VDSDSI ID D 处于饱和区的场效应管相当于一个压控可变电阻第19页/共56页第二十页，编辑于星期一：九点 二十分。vrVvKGSvdidvrvVvKi：VmALWCKvvVvKiGSdsoTGSnDGSdsoDSTGSnDoxnnGSDSTGSnD的控制的可变电阻是一个受常数在原点附近单位在可变电阻区，)(21)(2/)(2)(222第20页/共5

9、6页第二十一页，编辑于星期一：九点 二十分。值时的是在恒流区，DTGSTnDTGSDTGSnDivVKIVvIVvKiV2 )1-()(20202预夹断在恒流区，处于饱和区处于可变电阻区TGSDSTGSDSTGSDSVvvVvvVvv第21页/共56页第二十二页，编辑于星期一：九点 二十分。4.其它类型其它类型MOS管管（1）N沟道耗尽型： N沟道耗尽型MOSFET的结构和符号如图所示，制造时在栅极下方的绝缘层中掺入了大量的金属正离子。所以当VGS=0时，这些正离子已经在感应出反型层，在漏源之间形成了沟道。于是只要有漏源电压，就有漏极电流存在。第22页/共56页第二十三页，编辑于星期一：九点

10、二十分。各种类型各种类型MOS管的特性曲线管的特性曲线绝缘栅场效应管N沟道增强型P沟道增强型第23页/共56页第二十四页，编辑于星期一：九点 二十分。各种类型各种类型MOS管的特性曲线管的特性曲线绝缘栅场效应管 N沟道耗尽型P 沟道耗尽型第24页/共56页第二十五页，编辑于星期一：九点 二十分。场效应三极管的型号场效应三极管的型号 场效应三极管的型号场效应三极管的型号, 现行有两种命名方法。其一是与双极型三极管相同，第三位字母现行有两种命名方法。其一是与双极型三极管相同，第三位字母J代表结型场效应管，代表结型场效应管，O代表绝缘栅场效应管。第二位字母代表材料，代表绝缘栅场效应管。第二位字母代表

11、材料，D是是P型硅，反型层是型硅，反型层是N沟道；沟道；C是是N型硅型硅P沟道。例如沟道。例如,3DJ6D是结型是结型N沟道场效应三极管，沟道场效应三极管，3DO6C是绝缘栅型是绝缘栅型N沟道场效应三极管。沟道场效应三极管。 第二种命名方法是第二种命名方法是CS#，CS代表场效应管，代表场效应管，以数字代表型号的序号，以数字代表型号的序号，#用字母代表同一型号中的不同规格。例如用字母代表同一型号中的不同规格。例如CS14A、CS45G等。等。第25页/共56页第二十六页，编辑于星期一：九点 二十分。反型层 uDS 不变，uGS增大，反型层（导电沟道）将变厚。当反型层将两个N区相接时，管子导通。

12、1.N沟道增强型管沟道增强型管SiO2绝缘层第26页/共56页第二十七页，编辑于星期一：九点 二十分。2.耗尽型管耗尽型管加正离子 uGS=0时就存在导电沟道。第27页/共56页第二十八页，编辑于星期一：九点 二十分。1)增强型MOS管2)耗尽型MOS管开启开启电压电压第28页/共56页第二十九页，编辑于星期一：九点 二十分。)(P)(N)0(P)0(N)0(P)0(NGSGSGSGSGSGS极性任意沟道极性任意沟道耗尽型沟道沟道增强型绝缘栅型沟道沟道结型场效应管uuuuuu第29页/共56页第三十页，编辑于星期一：九点 二十分。双极型和场效应型三极管的比较双极型和场效应型三极管的比较双极型三

13、极管双极型三极管场效应三极管场效应三极管结构NPN型PNP型结型耗尽型 N沟道 P沟道绝缘栅增强型 N沟道 P沟道绝缘栅耗尽型 N沟道 P沟道C与E一般不可倒置使用D与可倒置使用载流子多子扩散少子漂移多子漂移控制电流控制电流源CCCS()电压控制电流源VCCS(gm)噪声较大较小温度特性受温度影响较大较小，可有零温度系数点输入电阻几十到几千欧姆几兆欧姆以上静电影响不受静电影响易受静电影响集成工艺不易大规模集成适宜大规模和超大规模集成第30页/共56页第三十一页，编辑于星期一：九点 二十分。1. 直流偏置电路直流偏置电路FET的直流偏置电路及静态分析的直流偏置电路及静态分析（1）自给自给偏压电路

14、偏压电路vGSvGS =- iDR第31页/共56页第三十二页，编辑于星期一：九点 二十分。（2）混合偏压）混合偏压电路电路SV GSVGVDDg2g1g2VRRR RID 第32页/共56页第三十三页，编辑于星期一：九点 二十分。2. 静态工作点静态工作点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 、 VDS 第33页/共56页第三十四页，编辑于星期一：九点 二十分。 夹断电压夹断电压VP (或或VGS(off)： 饱和漏极电流饱和漏极电流IDS

15、S： 低频跨导低频跨导gm：DSGSDmVvig 时）时）（当（当0)1(2GSPPPGSDSSm vVVVvIg或或3. 主要参数主要参数漏极电流约为零时的漏极电流约为零时的VGS值值 。VGS=0时对应的漏极电流。时对应的漏极电流。 低频跨导反映了低频跨导反映了vGS对对iD的控制作用。的控制作用。gm可以在转移特性曲线上求得，单位是可以在转移特性曲线上求得，单位是mS(毫西门子毫西门子)。 输出电阻输出电阻rd：GSDDSdVivr 第34页/共56页第三十五页，编辑于星期一：九点 二十分。3. 主要参数主要参数 直流输入电阻直流输入电阻RGS： 对于结型场效应三极管，反偏时对于结型场效

16、应三极管，反偏时RGS约大于约大于107。 最大漏极功耗最大漏极功耗PDM 最大漏源电压最大漏源电压V(BR)DS 最大栅源电压最大栅源电压V(BR)GS第35页/共56页第三十六页，编辑于星期一：九点 二十分。FET放大电路组成原则及分析方法放大电路组成原则及分析方法(1) 静态：适当的静态工作点，使场效应管工作在静态：适当的静态工作点，使场效应管工作在恒流恒流区区，FET的偏置电路相对简单。的偏置电路相对简单。(2) 动态：能为交流信号提供通路。动态：能为交流信号提供通路。组成原则：组成原则：静态分析：静态分析： 估算法、图解法。估算法、图解法。动态分析：动态分析：小信号等效电路法。小信号

17、等效电路法。分析方法：分析方法：第36页/共56页第三十七页，编辑于星期一：九点 二十分。1. 直流偏置电路直流偏置电路FET的直流偏置电路及静态分析的直流偏置电路及静态分析（1）自给自给偏压电路偏压电路vGSvGS =- iDR适用于耗尽型适用于耗尽型第37页/共56页第三十八页，编辑于星期一：九点 二十分。（2）混合偏压）混合偏压电路电路SV GSVGVDDg2g1g2VRRR RID 可同时适用可同时适用于耗尽型和于耗尽型和增强型增强型第38页/共56页第三十九页，编辑于星期一：九点 二十分。2. 静态工作点静态工作点Q点：点：VGS 、ID 、VDSvGS =2PGSDSSD)1(Vv

18、Ii 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 、 VDS 第39页/共56页第四十页，编辑于星期一：九点 二十分。QGSDmVvig2）漏极内阻）漏极内阻rds：QDDSdsVivr第40页/共56页第四十一页，编辑于星期一：九点 二十分。很大，很大，可忽略。可忽略。FET的小信号模型的小信号模型GSDuGSiDuDSSGDugsgmugsudsSGDrDSugsgmugsudsVCCS第41页/共56页第四十二页，编辑于星期一：九点 二十分。场效应管应用场效应管应用例1：作反相器用。作反相器用。|Vp1|=|Vp2|

19、=VT 0|VT|VT ，截止截止 Tn:VGSn=VddVT ，导通，导通Vo= 0Vi= 0时：时：Tp:VGSp=-VddVT ，导通，导通Tn:VGSn=0VT ，截止截止Vo= +VddTnsViTpsVoViVo+VddTpTn第42页/共56页第四十三页，编辑于星期一：九点 二十分。场效应管应用场效应管应用例例2：压控电阻：压控电阻场效应管工作在可变电阻区时，场效应管工作在可变电阻区时，iD随随vDS的增加几乎成线性增大，而增大的比值受的增加几乎成线性增大，而增大的比值受vGS控制。所以可看成是受控制。所以可看成是受vGS控制的电阻。控制的电阻。20K5Vd+_vovivivo第

20、43页/共56页第四十四页，编辑于星期一：九点 二十分。例例3：共源极电路组成共源极电路组成 比较共源和共射放大电路，它们只是在偏置电路和受控源的类型上有所不同。只要将微变等效电路画出，就是一个解电路的问题了。比较共源和共射放大电路，它们只是在偏置电路和受控源的类型上有所不同。只要将微变等效电路画出，就是一个解电路的问题了。 图中图中Rg1、Rg2是栅极偏置电阻，是栅极偏置电阻，Rs是源极电阻，是源极电阻，Rd是漏极负载电阻。与共射基本放大电路的是漏极负载电阻。与共射基本放大电路的Rb1、Rb2，Re和和Rc分别一一对应。而且只要结型场效应管栅源间分别一一对应。而且只要结型场效应管栅源间PN结

21、是反偏工作，无栅流，那么结是反偏工作，无栅流，那么JFET和和MOSFET的直流通道和交流通道是一样的的直流通道和交流通道是一样的。第44页/共56页第四十五页，编辑于星期一：九点 二十分。直流分析直流分析（估算法）（估算法）直流通路直流通路 直流分析(估算法）： VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2) VGS= VGVS= VGIDR ID= IDSS1(VGS /VP)2 VDS= VDDID(Rd+R) 解出VGS、ID和VDS。第45页/共56页第四十六页，编辑于星期一：九点 二十分。交流分析交流分析微变等效电路微变等效电路LdLLmiLdgsm/)/(RRRRgVRRVgAvRVIR

22、Riiig1g2/ /.doo=RIVRoisivsRRRRgALm第46页/共56页第四十七页，编辑于星期一：九点 二十分。共漏极放大电路共漏极放大电路 直流分析直流分析VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2)VGS= VGVS= VGIDRID= IDSS1(VGS /VP)2VDS= VDDIDR由此可以解出由此可以解出VGS、ID和和VDS。与三极管共集电极电路对应与三极管共集电极电路对应直流通路：第47页/共56页第四十八页，编辑于星期一：九点 二十分。交流分析交流分析)/(g2g1giRRRR11)/()/(LmLmLgsmgsLgsmioRgRgRRVgVRRVgVVAv)(sos

23、ivvsiivsRRAARRRVVA第48页/共56页第四十九页，编辑于星期一：九点 二十分。输出电阻输出电阻RgRgRIVRVVgRVVgRVImmooogsomogsmoo11/1/第49页/共56页第五十页，编辑于星期一：九点 二十分。已知：已知：gmDSS=3mA VP=-2V 试分析该电路。试分析该电路。解：静态分析：解：静态分析：VGS=-RIDID= IDSS1(VGS /VP)2代入参数得：代入参数得：3ID2-7ID+3=0IDQ=0.57mA ID（不合理，舍去）（不合理，舍去）VGSQ=-1.14V VDSQ=VDD-ID(Rd+vi -C10.01uQRg10MR2KR

24、d15KRL18KC20.1uC310uVDD18V+vo -第50页/共56页第五十一页，编辑于星期一：九点 二十分。动态分析：动态分析：Ri=Rg=10MRo=Rd=15KLdLLgsmogsmgsiRRRRVgVRVgVV/53. 11)/(mLmgsmgsLgsmioRgRgRVgVRRVgVVAv第51页/共56页第五十二页，编辑于星期一：九点 二十分。 场效应管放大电路小结场效应管放大电路小结(1) 场效应管放大器输入电阻很大。场效应管放大器输入电阻很大。(2) 场效应管共源极放大器场效应管共源极放大器(漏极输出漏极输出)输入输出反输入输出反相，电压放大倍数大于相，电压放大倍数大于

25、1；输出电阻；输出电阻=RD。(3) 场效应管源极跟随器输入输出同相，电压放场效应管源极跟随器输入输出同相，电压放大倍数小于大倍数小于1且约等于且约等于1；输出电阻小。；输出电阻小。第52页/共56页第五十三页，编辑于星期一：九点 二十分。 三种基本放大电路的性能比较三种基本放大电路的性能比较组态对应关系：组态对应关系：CEBJTFETCSCCCDCBCGBJTFET电压增益：电压增益：beLc)/(rRR )/)(1()/()1(LebeLeRRrRR beLc)/(rRR CE：CC：CB：)/(LdmRRg )/(1)/(LmLmRRgRRg )/(LdmRRgCS：CD：CG：第53页

26、/共56页第五十四页，编辑于星期一：九点 二十分。beb/rR输出电阻：输出电阻：cR )/)(1(/LebebRRrR 1)/(/bebserRRR 1/beerRcR 三种基本放大电路的性能比较三种基本放大电路的性能比较BJTFET输入电阻：输入电阻：CE：CC：CB：CS：CD：CG：)/(g2g1g3RRR m1/gR)/(g2g1g3RRR CE：CC：CB：CS：CD：CG：dRm1/gRdR第54页/共56页第五十五页，编辑于星期一：九点 二十分。 夹断电压夹断电压VP (或或VGS(off)： 饱和漏极电流饱和漏极电流IDSS： 低频跨导低频跨导gm：DSGSDmVvig 时）时）（当（当0)1(2GSPPPGSDSSm vVVVvIg或或3. 主要参数主要参数漏极电流约为零时的漏极电流约为零时的VGS值值 。VGS=0时对应的漏极电流。时对应的漏极电流。 低频跨导反映了低频跨导反映了vGS对对iD的控制作用。的控制作用。gm可以在转移特性曲线上求得，单位是可以在转移特性曲线上求得，单位是mS(毫西门子毫西门子)。 输出电阻输出电阻rd：GSDDSdVivr 第55页/共56页第五十六页，编辑于星期一：九点 二十分。