模拟电子技术第5章-场效应管及其基本放大电路

(2) 夹断电压UGS(off) ： 是MOS耗尽型和结型FET的参数,使 导电沟道完全合拢(消失)所需要的栅源电压UGS。 (3) 饱和漏极电流IDSS：MOS耗尽型和结型FET, 当uGS=0 时所对应的漏极电流。
(4) 输入电阻RGS：结型场效应管，RGS大于107Ω， MOS场效应管, RGS可达109～1015Ω。
转移特性 iD f (uGS ) UDS常量
场效应管工作在恒流区，因而uGS＞UGS(off)且uGD＜UGS(off)。
漏极饱 和电流
uDG＞－UGS（off）
uDS＞uGS UGS(off)
夹断
在恒流区时
电压
iD
I
DSS
(1
uGS U GS(off)
)2
JFET是电压控制电流器件 id受uGS控制， uGS绝对值增加使id减小
几十到几千欧
FET
单极型场效应管 多子（一种）
电压输入 电压控制电流源
几兆欧以上
较大 不受静电影响 不宜大规模集成
较小
易受静电影响
适宜大规模和超大 规模集成
二、场效应管静态工作点的设置方法
1. 基本共源放大电路
根据场效应管工作在恒流区的条件，在g-s、d-s间加极性 合适的电源
UGSQ VGG
D
输出特性曲线
转移特性曲线
i D (mA)
4 3
2 1
uGS =+2V
uGS =+1V uGS =0V uGS = -1V 10V uGS= -2V＝UP
i D (mA)
4 3
2 1
uDS (V)
-2 -1 0 1 2
uGS (V)
UP
三 MOS管的主要参数
(1) 开启电压UGS(th) ： 是MOS增强型管的参数，刚刚产生 沟道所需的栅源电压UGS。
3、 结型场效应三极管的特性曲线
（1）输出特性曲线： iD=f (uDS)│uGS=常数
d
预夹断
id
i D (mA) iD也受uGS控制
uGS==00VV
g
p+
p+
VDD
uuGGS=S=--11VV
VGG
uGS=-2V
s
iD受uDS控制:
uGS=-3V
u
预夹断前，uDS增加使iD迅速增加； DS 预夹断后，uDS增加iD几乎不变趋于饱和
+
ui
C2
gT
+
s
RL uo
Rg 3 Rg 2
R
C
-
—
g
d
+
+
ui
Rg3 + ug s
RL uo
gmugs Rd
Rg1 Rg2
—
-S
-
Ri
RO
+
动态 分析 ui
—
g
d
Rg3 + u
gs
Rg1 Rg2 -S
+
RL uo
gmugs Rd
-
Ri
RO
（1）求电压放大倍数 ui ugs uo gmugs(Rd // RL )
gm Rs 1 gmRs
Ri
基本共漏放大电路输出电阻的分析
Ro
Uo Io
Uo Rs
Uo gmU gs
Uo Rs
Uo gmUo
Rs∥
1 gm
id
二 氧二化氧硅化 硅
再增加uGS→纵向电场↑ →将P区少子电子聚集到 P区表面→形成导电沟道，
如果此时加有漏源电压， 就可以形成漏极电流id。
N+ N+
N+ N+
P衬 底 P衬 底
bb
定义： 开启电压（ UGS (th)）——刚刚产生沟道 所需的栅源电压UGS。
N沟道增强型MOS管的基本特性： uGS ＜ UGS(th) ，管子截止， uGS ＞ UGS(th) ，管子导通。 uGS 越大，沟道越宽，在相同的漏源电压uDS作 用下，漏极电流iD越大。
DMOSFET/JFET,iD
I
DSS
(1
uGS U GS(off)
)2
UGS(off)为夹断电压，IDSS为uGS 0时的饱和漏极电流
gm
iD uGS
U D S 常量
四.双极型和场效应型三极管的比较
载流子 输入量 控制 输入电阻
噪声 静电影响 制造工艺
BJT
双极型三极管 多子+少子（两种）
电流输入 电流控制电流源
第五章场效应管及其基本放大电路
一、场效应管 二、场效应管放大电路静态工作点的设置方法 三、场效应管放大电路的动态分析
场效应管
BJT是一种电流控制元件(iB~ iC)，工作时，多数载流子和 少数载流子都参与导电，所以被称为双极型器件。
场效应管（Field Effect Transistor简称FET）是一种电压控
可根据输出特性曲线作出转移特性曲线。 例：作uDS=10V的一条转移特性曲线：
i D (mA)
4 3
2 1
uGS=6V
uGS =5V uGS =4V uGS=3V
10V
i D (mA)
4
3
2
1
u
DS
(V)
UT
2 46
u
GS
(V)
一个重要参数——跨导gm：
gm=iD/uGS uDS=const (单位mS)
制器件(uGS~ iD) ，工作时，只有一种载流子参与导电，因此它 是单极型器件。
FET因其制造工艺简单，功耗小，温度特性好，输入电阻极
高等优点，得到了广泛应用。 增强型
绝缘栅场效应管
N沟道 P沟道
FET分类 ：
结型场效应管
增强型：无原始导电沟道。
耗尽型
N沟道 P沟道
N沟道 P沟道
耗尽型：有原始导电沟道。
令uDS =0
①当uGS=0时，为平衡PN结，
导电沟道最宽。
②当│uGS│↑时，PN结反偏， 耗尽层变宽，导电沟道变
gg g
pp++ p+ pp++ p+
窄，沟道电阻增大。
③当│uGS│↑到一定值时，沟
VVGGGGVGG
NN N
道会完全合拢。
定义：夹断电压UGS (off ) ——使
ss s
导电沟道完全合拢（消失）
NEMOSFET
G
IDQ
S
I DQ
I
DO
( UGS U GS(th)
1)2
UDSQ VDD IDQRd
EMOSFET，iD
I
DO
( uGS U GS(th)
1)2
式中UGS(th)为开启电压，IDO为uGS 2UGS(th)时的iD
2. 自给偏压电路
D
G
IDQ
S
由正电源获得负偏压 称为自给偏压
一. 结型场效应管
1. 结型场效应管的结构（以N沟为例）：
两个PN结夹着一个N型沟道。 三个电极： g：栅极 d：漏极 s：源极
符号：
栅极g
-
漏极d
-
p+
p+
两个高 掺杂P 区接在 一起
N
N沟道
P沟道
源-极s
2. 结型场效应管的工作原理
（1）栅源电压对沟道的控制作用
在栅源间加负电压uGS ，
ddd
s VDD
---
sssVGGVVDDVDDDD -g VVGGVGGGG -g-g-g
id iiddid
-d --dd-d
二氧化硅
二二二氧氧氧化化化硅硅硅
N+ NN+N++
N+ N +N +
(d) uDS再增加, 预夹断区加长 , uDS增加的部分基本降落在 随之加长的夹断沟道上, iD基 本不变。（恒流区）
VDD
D G
IDQ
S
USQ IDQ Rs
UGSQ UGQ USQ
Rg1 Rg1 Rg2
VDD
IDQ Rs
①
NEMOSFET
I DQ
I
DO
( UGSQ U GS(th)
1)2
②
解方程组①②可求得UGSQIDQ UDSQ VDD IDQ (Rd Rs )
三、场效应管放大电路的动态分析
1. 场效应管的交流等效模型
gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。 在转移特性曲线上， gm为的曲线的斜率。 在输出特性曲线上也可求出gm。
i D (mA)
4
3
2
△ iD
1
uGS=6V
=5V
△ uGS
=3V
10V
i D (mA)
4
3
2
1
u
DS
(V)
△ iD △ uGS
2 46
u
GS
(V)
2.N沟道耗尽型MOSFET的特性曲线
(5) 低频跨导gm ：gm反映了栅压对漏极电流的控制作用, 单位是mS(毫西门子)。gm=iD/uGS Hale Waihona Puke BaiduDS=const
(6) 最大漏极功耗PDM：PDM= UDS ID，与双极型三极管的 PCM相当。
场效应管的方程
EMOSFET，iD
I
DO
( uGS U GS(th)
1)2
式中UGS(th)为开启电压，IDO为uGS 2UGS(th)时的iD
输出特性 iD f (uDS ) UGS常量
预夹断轨迹，uGD＝UGS（off）
IDSS
g-s电压控制
可
d-s的等效电
变
恒
阻
电 ΔiD 阻
流
区
区
低频跨导：
夹断区（截止区）
iD几乎仅决 定于uGS
击 穿 区
夹断电压
gm
iD uGS
U DS常量
不同型号的管子UGS（off）、IDSS不同。
预夹断前，iD与uDS近似线性， uDS增加使iD迅速增加； 预夹断后，iD趋于饱和IDSS
N沟道
二. 绝缘栅场效应三极管
绝缘栅型场效应管 ( Metal Oxide Semiconductor FET)，
简称MOSFET。分为：
增强型 N沟道、P沟道 耗尽型 N沟道、P沟道 1.N沟道增强型MOS管
源极s
-
栅极-g
漏极d
-
二氧化 硅绝缘 层
（1）结构
4个电极：漏极D，
N+
N+
源极S，栅极G和 衬底B。
P衬底 PP衬衬 P衬底 底底
b bb
增强型MOS管uDS对iD的影响
3v 5v
刚出现夹断
1v2v3v
iD随uDS的增大而增 大，可变电阻区
uGD＝UGS(th), 预夹断
uGS的增大几乎全部用 来克服夹断区的电阻
iD几乎仅仅受控 于uGS，恒流区
用场效应管组成放大电路时应使之工作在恒流区。
（3）特性曲线
则
Au
uo ui
gm (Rd
//
RL )
（2）求输入电阻 Ri Rg3 (Rg1 // Rg2)
（3）求输出电阻
Ro Rd
基本共源放大电路的动态分析
d g
s
Au
Uo Ui
gmUgs Rd U gs
gm Rd
Ri
Ro Rd
基本共漏放大电路的动态分析
d g
s
Au
Uo Ui
gmUgs Rs Ugs gmUgs Rs
（2）转移特性曲线： iD=f(uGS)│uDS=常数
可根据输出特性曲线作出转移特性曲线。 例：作uDS=10V的一条转移特性曲线。
i D (mA)
4 3
2 1
uGS=0V
uGS=-1V uGS=-2V uGS=-3V
10V
i D (mA)
4
3
2
u
DS
(V)
1 -4 -3 -2 -1 0
u
GS
(V)
P衬底
符号：
- 通常将衬底与 衬底b 源极接在一起
（2）工作原理
①栅源电压uGS的控制作用
当uGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的 二极管，在 d、s之间加上电压也不会形成电流，即管子截止。
当uGS＞0V时→纵向电场 →将靠近栅极下方的空穴向
下排斥→耗尽层。
s sVDD VDD - - VGG -g -g -d -d
UGQ 0 USQ IDQ Rs UGSQ UGQ - USQ
-IDQ Rs ①
解方程组①②可求得UGSQIDQ
NJFET
I DQ
I
DSS
(1
U
GSQ
②
)2
U GS(off)
UDSQ VDD IDQ (Rd Rs )
3. 分压式偏置电路 即典型的Q点稳定电路
U GQ
UAQ
Rg1 Rg1 Rg2
所需要的栅源电压uGS。
（2）漏源电压对沟道的控制作用
在漏源间加电压uDS ，令uGS =0 由于uGS =0，所以导电沟道最宽。
dddiiiddd
①当uDS=0时， iD=0。
②uDS↑→iD ↑→靠近漏极处的 耗尽层加宽，沟道变窄，
gg
pppp++++
pppp++++
VVVDDDDDD
呈楔形分布。
近似分析时可认 为其为无穷大！
gm
iD uGS
UDS
根据iD的表达式或转移特性可求得gm。
gm
2 UGS (th)
I DO I DQ
推导 EMOSFET
gm
2 UGS (off )
I DSS I DQ
DMOSFET/JFET
2分压偏置共源放大电路
+ VDD
Rd
画出共源放大电路的
Rg1 d
交流小信号等效电路， C1 求交流参数
②漏源电压uDS对漏极电流iD的控制作用
当uGS ＞ UGS(th) , 且固定为某一值时, 来分析漏源电压uDS 对漏极电流iD的影响。(设UT=2V， uGS=4V )
(a)uDS=0时, iD=0。截止区 (b)uDS ↑→iD↑;同时沟道靠漏区 变窄。可变电阻区
(c) 当uDS增加到使uGD= UGS(th) 时, 沟道靠漏区夹断, 称为预夹断。
NN
③当uDS ↑，使uGD=uG S- uDS=
UGS (off )时，在靠漏极处夹
ss
断——预夹断。
④uDS再↑，预夹断点下移。
预夹断前， uDS↑→iD ↑。 预夹断后， uDS↑→iD 几乎不变。
（3）栅源电压uGS和漏源电压uDS共同作用 iD=f (uGS 、uDS),可用输出两组特性曲线来描绘。
①输出特性曲线：iD=f(uDS)uGS=const
四个区：
（a）可变电阻区
i D (mA)
（预夹断前）。可变电阻区
（b）恒流区也称饱和
iD受uGS控制
uGS=6V
恒流区
uGS=5V
区（预夹断 后）。 （c）夹断区（截止区）。
（d）击穿区。
uGS=4V uGS=3V
截止区
击穿区
u
DS
(V)
②转移特性曲线： iD= f(uGS)uDS=const