ch3 场效应管基本放大电路

+++ + + + + +
ID
- - - 反型层
动 当UGS>UT时, 沟道加厚，沟道电阻减少，在相同UDS的作 画 用下，ID将进一步增加 3-2
增强型MOS管 n—沟道内电子的表面迁移率 N沟道增强型MOS场效应管特性曲线 COX—单位面积栅氧化层电容 W—沟道宽度 转移特性曲线 L—沟道长度 UDS一定时，UGS对漏极电流IDSn—沟道长宽比 的控制关系曲线 K'—本征导电因子 ID=f(UGS)UDS=C
点切线上的斜率
4.导通电阻Ron
在恒阻区内
Ron
dU DS dID
U BS C U GS C
1 gm
微变参数
5. 极间电容
主要的极间电容有：
Cgs—栅极与源极间电容 Cgd —栅极与漏极间电容 Cgb —栅极与衬底间电容 Csd —源极与漏极间电容
Csb —源极与衬底间电容
Cdb —漏极与衬底间电容
结型场效应管
结型场效应管（JFET)的特性曲线
与MOS的特性曲线基本相同，只不过MOS的栅压可 正可负，而结型场效应三极管的栅压只能是P沟道的为正 转移特性曲线 或N沟道的为负。 输出特性曲线
UP
结 型 场 效 应 管
N 沟 道 耗 尽 型
P 沟 道 耗 尽 型
§3.3 场效应管的主要参数和微变等效电路
直流参数 微变参数 微变等效电路
场效应管的直流参数
1. 开启电压UT
开启电压是MOS增强型管的参数，栅源电压小于
开启电压的绝对值,场效应管不能导通。 2. 夹断电压UP 夹断电压是耗尽型FET的参数，当UGS=UP 时,漏极电
流为零。
3. 饱和漏极电流IDSS 耗尽型场效应三极管当UGS=0时所对应的漏 极电流。
微变等效电路
高频微变等效电路
Cgd
+ G Ugs gds ID D +
-
Cgs
Cds Uds -
gmUgs
S
§3.4
场效应管放大电路
场效应管偏置电路 三种基本放大电路
场效应管偏置电路
D G
RS的作用：
1. 提供栅源所需的直流 场效应管偏置电路的关键是如何提供栅源控制电压UGS S 偏压。 自给偏置电路： 适合结型场效应管和耗尽型MOS管 2. 提供直流负反馈，稳
耗尽型MOS场效应管
N沟道耗尽型MOS场效应管结构
耗尽型MOS管存在 原始导电沟道
+++++++

耗尽型MOS管
N沟道耗尽型MOS场效应管工作原理
ID(mA) 当UGS=0时，UDS加正向电压，产生漏极电流ID, 此时的漏极电流称为漏极饱和电流，用IDSS表示 当UGS＞0时，将使ID进一步增加。 当UGS＜0时，随着UGS的减小漏极电流逐渐减小。直至 UGS(V) ID=0。对应ID=0的UGS称为夹断电压，用符号UP表示。 UP
场效应管的微变参数
2. 衬底跨导gm b 反映了衬底偏置电压对漏极电流ID的控制作用
g mb
dID dU BS
U DS C U GS C
g mb gm
——跨导比
微变参数
3. 漏极电阻rds
dUDS rds dID
U BS C U GS C
反映了UDS对ID的影响，实际上是输出特性曲线上工作
MOS：使SiO2绝缘层击穿的电压
场效应管的微变参数
1. 低频跨导gm 低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用
ห้องสมุดไป่ตู้
gm
dID dUGS
U DS C U BS C

gm的求法: ① 图解法—gm实际就是转移特性曲线的斜率 ②解析法：如增强型MOS管存在ID=K(UGS-UT)2
g m 2K(UGS UT )
L L U DS
UT
UGS(V)
增强型MOS管
N沟道增强型MOS场效应管特性曲线
输出特性曲线 UGS一定时， ID与UDS的变化曲线，是一族曲线 ID=f(UDS)UGS=C 1.可变电阻区： ID与UDS的关系近线性 ID(mA) 当UGS变化时，RON将随之变化 UGS=6V ID≈ 2K(UGS-UT)UDS 因此称之为可变电阻区 dUDS R on dU GS 0 dID UGS=5V 当UGS一定时，RON近似为一常数 UGS=3V UGS=4V 1 1 因此又称之为恒阻区 UGS=UT=3V U GS U T 2K
场效应管的直流参数
4. 直流输入电阻RGS 栅源间所加的恒定电压UGS与流过栅极电流IGS之比 结型场效应三极管，反偏时RGS约大于107Ω， 绝缘栅场效应三极管RGS约是109～1015Ω。 5. 漏源击穿电压BUDS 使ID开始剧增时的UDS。 6.栅源击穿电压BUGS JFET：反向饱和电流剧增时的栅源电压
N沟道耗尽型MOS场效应管特性曲线
转移特性曲线 常用关系式： ID≈ IDSS(1- UGS /UP)2 在恒流区，ID与UGS的关系为 ID≈K(UGS-UP)2 沟道较短时， ID≈K(UGS-UP)2（1+UDS)
耗尽型MOS管
N沟道耗尽型MOS场效应管特性曲线
输出特性曲线
N沟道耗尽型MOS管可工作在UGS0或UGS>0 N沟道增强型MOS管只能工作在UGS>0
ID(mA)
UGS=6V
UGS=1V UGS=4V
UGS=0V UGS=--1V
UDS(V)
各类绝缘栅场效应三极管的特性曲线
N 沟 道 绝 增 缘 强 型
栅 场 效 应 管
P 沟 道 增 强 型
绝 缘 栅 场 效 应 管
N 沟 道 耗 尽 型
P 沟 道 耗 尽 型
§3.2
结型场效应管
结型场效应管的分类
UGS=4V UGS=5V
UGS=3V UGS=UT=3V
UGS(V)
增强型MOS管
漏源电压UDS对漏极电流ID的控制作用
当UGS＞UT，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。UDS的不同变化对沟道的影响。 UDS=UDG＋UGS =－UGD＋UGS
UGD=UGS－UDS
结型场效应管的结构 结型场效应管的工作原理
结型场效应管的特性曲线
结型场效应管
结型场效应管（JFET)分类
可分为N沟道和P沟道两种，输入电阻约为107。
结型场效应管（JFET)结构
N沟道结型场效应管 G P+ N
D
导电沟道
P+
S
结型场效应管
结型场效应管（JFET)的工作原理
根据结型场效应三极管的结构，因它没有绝缘层， 只能工作在反偏的条件下，对于N沟道结型场效应三极管 只能工作在负栅压区，P沟道的只能工作在正栅压区，否 则将会出现栅流。现以N沟道为例说明其工作原理。 U =U D ID N G P+ P+ UDS G UGS S S P+ 夹断状态 D ID ID=0 预夹断 N P+ UDS
当UDS增加到UGDUT时， 此时预夹断区域加长，伸向S极。
UDS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。 动画3-3
MOS管衬底的处理
处理原则：
增强型MOS管
保证两个PN结反偏，源极—沟道—漏极之间处于绝缘态 处理方法： NMOS管—UBS加一负压 PMOS管—UBS加一正压
UGS(V)
增强型MOS管
N沟道增强型MOS场效应管特性曲线
输出特性曲线 2. 恒流区： 该区内，UGS一定，ID基本不随UDS变化而变
3.击穿区：
UDS 增加到某一值时， ID(mA) ID开始剧增而出现击穿。
UGS=6V
当UDS 增加到某一临界
值时，ID开始剧增时UDS 称为漏源击穿电压。
第三章 场效应管基本放大电路 §3.1 MOS场效应管
§3.2 结型场效应管
§3.3
路
场效应管的主要参数和微变等效电
§3.4 场效应管基本放大电路
小结
概
场效应管与晶体管的区别
述
1. 晶体管是电流控制元件；场效应管是电压控制元件。 2. 晶体管参与导电的是电子—空穴，因此称其为双极型器件； 场效应管是电压控制元件，参与导电的只有一种载流子， 因此称其为单极型器件。 3. 晶体管的输入电阻较低，一般102~104； 场效应管的输入电阻高，可达109~1014 场效应管的分类 结型场效应管JFET
U GS 2 I D I DSS (1 ) UP
偏置电路
外加偏置电路
R1和R2提供一个固定栅压
R2 UG ED R1 R 2 R2 E D -I R D S R1 R 2
UGS = UG-US
注：要求UG>US，才能提供一个正偏压，增强型管子才能 正常工作
三种基本放大电路
共源放大电路
1. 直流分析
UGS = UG-US
R2 E D -I R D S R1 R 2
UGSQ和IDQ UDSQ=ED-IDQ(RS+RD)
U GS 2 I D I DSS (1 ) UP
基本放大电路
共源放大电路
未接Cs时
AU
Uo Ui
R'D=RD//RL
G
=
- gmUgsR'D Ugs + gmUgsRs
自给偏置电路1R2提供一个 R
正偏栅压UG
大电阻（M)， 偏置电路 减小R1、R2对放大电 路输入电阻的影响
R2 UG ED R1 R 2
UGS = UG-US
R2 E D -I R D S R1 R 2
改进型自给偏置电路
UGSQ和IDQ UDSQ=ED-IDQ(RS+RD)
GS P
结型场效应管
结型场效应管（JFET)的工作原理
当UGS=0时，沟道较宽，在UDS的作用下N沟道内的
电子定向运动形成漏极电流ID。 当UGS＜0时，PN结反偏，PN结加宽，漏源间的沟道 将变窄，ID将减小， 当UGS继续向负方向增加，沟道继续变窄，ID继续减 小直至为0。 当漏极电流为零时所对应的栅源电压UGS称为夹断电 压UP。
场效应管的微变等效电路
低频微变等效电路
Δ ID Δ ID Δ ID Δ I DU g0Δ U GS g dsΔ UΔ U GS 0Δ U DS Δ DS mΔ U GS Δ U GS Δ U DS DS
+ ID Ugs S gmUgs gds Uds G ID D + 由输出特性： ID=f(UGS,UDS)
MOS型场效应管MOS –FET
§3.1
MOS场效应管
MOS场效应管分类 增强型MOS场效应管
耗尽型MOS场效应管
N沟道增强型的MOS管
P沟道增强型的MOS管 MOS场效应管 N沟道耗尽型的MOS管
P沟道耗尽型的MOS管
增强型MOS场效应管
源极S→发射极E 栅极G→基极B 电极—金属 N沟道增强型MOS场效应管结构 漏极D→集电极C 绝缘层—氧化物 基体—半导体 因此称之为MOS管
衬底B
动画3-1
N沟道增强型MOS场效应管工作原理
增强型MOS管
当UGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的PN结，无论 UDS之间加上电压不会在D、S间形成电流ID,即ID≈0. UDS 开始无导电沟道， 当UGS较小时，虽然在P型衬 当在UGSUT时才形 成沟道,这种类型的管 底表面形成一层耗尽层，但负 子称为增强型MOS管 离子不能导电。 当UGS=UT时, 在P型衬底表 面形成一层电子层，形成N型 导电沟道，在UDS的作用下形 成ID。 UGS
RG
一般rds较大可忽略 D Id
gmUgs
Ugs
rds
RD RL
=
- gmR'D 1 + gmRs
当UDS为0或较小时，相当 UGD＞UT， 此时UDS 基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜 线分布。在UDS作用下形成ID
增强型MOS管
漏源电压UDS对漏极电流ID的控制作用
当UDS增加到使UGD=UT时，
这相当于UDS增加使漏极处沟道 缩减到刚刚开启的情况，称为预夹断 。此时的漏极电流ID 基本饱和
在恒流区，ID与UGS的关系为 ID≈K(UGS-UT)2 沟道较短时，应考虑UDS对 沟道长度的调节作用： ID≈K(UGS-UT)2（1+UDS)
K—导电因子（mA/V2)T ID(mA) UDS>UGS-U —沟道调制长度系数
K
n COX W
2L
K K W Sn 2 2 L
自给偏置电路 UGS = UG-US = -ISRS ≈ -IDRS
外加偏置电路： 适合增强型MOS管 定静态工作点。 基本自给偏置电路 RS越大，工作点越稳
定。但会造成工作点偏
UGSQ和IDQ 低，放大增益减少，非
线性失真增大
U GS 2 I D I DSS (1 ) UP
UDSQ=ED-IDQ(RS+RD)