模电课件第3章(2).ppt

1、下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页第 3 章 基本放大电路授课教师：张祖媛下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页3.93.9 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路 场效应晶体管是利用电场效应来控制电流的一场效应晶体管是利用电场效应来控制电流的一种半导体器件，即是种半导体器件，即是电压控制元件电压控制元件电压控制元件电压控制元件。它的输出电流。它的输出电流决定于输入电压的大小，基本上不需要信号源提供决定于输入电压的大小，基本上不需要信号源提供电流，所以它的电流，所以它的输入电阻高，且温度稳定性好。输入电阻高，

2、且温度稳定性好。结型场效应管结型场效应管结型场效应管结型场效应管按结构不同按结构不同场效应管有两种场效应管有两种:绝缘栅型场效应管 绝缘栅型场效应管 绝缘栅型场效应管 绝缘栅型场效应管 本节仅介绍绝缘栅型场效应管本节仅介绍绝缘栅型场效应管按工作状态可分为：按工作状态可分为：增强型和耗尽型两类增强型和耗尽型两类增强型和耗尽型两类增强型和耗尽型两类每类每类又有又有 N N 沟道沟道沟道沟道和和 P P 沟道沟道沟道沟道之分之分下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页3.9.13.9.1 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管漏极漏极 D 栅极栅极栅极栅极和其它电

3、极和其它电极和其它电极和其它电极及硅片之间及硅片之间及硅片之间及硅片之间是绝缘的，是绝缘的，是绝缘的，是绝缘的，称绝缘栅型称绝缘栅型称绝缘栅型称绝缘栅型场效应管。场效应管。场效应管。场效应管。金属电极金属电极(1)(1)N N 沟道增强型管的结构沟道增强型管的结构沟道增强型管的结构沟道增强型管的结构栅极栅极 G源极源极 S1.1.增强型绝缘栅场效应管增强型绝缘栅场效应管增强型绝缘栅场效应管增强型绝缘栅场效应管SiO2绝缘层绝缘层P P 型硅衬底型硅衬底 高掺杂高掺杂 N 区区下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页GSD符号：符号：符号：符号：由于栅极是绝缘的，栅极电流几乎为

4、零，输入由于栅极是绝缘的，栅极电流几乎为零，输入电阻很高，最高可达电阻很高，最高可达 1014 。漏极漏极 D金属电极金属电极栅极栅极 G源极源极 SSiO2绝缘层绝缘层P P 型硅衬底型硅衬底 高掺杂高掺杂 N 区区 由于金属栅极和半导体之间的绝缘层目前常用由于金属栅极和半导体之间的绝缘层目前常用二氧化硅，故又称金属二氧化硅，故又称金属-氧化物氧化物-半导体场效应管半导体场效应管，简称，简称 MOS 场效应管。场效应管。下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页(2)N(2)N 沟道增强型管的工作原理沟道增强型管的工作原理沟道增强型管的工作原理沟道增强型管的工作原理EGP 型

5、硅衬底N+N+GSD+UGSED+由结构图可见由结构图可见，N+型漏区和型漏区和 N+型源区之间型源区之间被被 P 型衬底隔开，漏极和源极之间是两个背靠背的型衬底隔开，漏极和源极之间是两个背靠背的PN 结结。当栅源电压当栅源电压 UGS=0 时时，不管漏极和源极之，不管漏极和源极之间所加电压的极性如何间所加电压的极性如何，其中总有一个，其中总有一个 PN 结结是反向偏置的，反向电是反向偏置的，反向电阻很高，阻很高，漏极电流近似漏极电流近似为零为零。SD下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页EGP 型硅衬底N+N+GSD+UGSED+当当 UGS 0 时，时，P P 型衬底中

6、的电子受到电场力的型衬底中的电子受到电场力的吸引到达表层，填补空穴形成负离子的耗尽层；吸引到达表层，填补空穴形成负离子的耗尽层；N 型导电沟道在漏极电源的作用在漏极电源的作用在漏极电源的作用在漏极电源的作用下将产生漏极电流下将产生漏极电流下将产生漏极电流下将产生漏极电流I ID D，管子导通。，管子导通。，管子导通。，管子导通。当当当当 U UGS GS U UGSGS（thth）时，将时，将时，将时，将出现出现出现出现 N N 型型型型导电沟道，将导电沟道，将导电沟道，将导电沟道，将 D-SD-S连接起来。连接起来。连接起来。连接起来。U UGSGS愈愈愈愈高，导电沟道愈宽高，导电沟道愈宽高

7、，导电沟道愈宽高，导电沟道愈宽。(2)N(2)N 沟道增强型管的工作原理沟道增强型管的工作原理沟道增强型管的工作原理沟道增强型管的工作原理下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页EGP 型硅衬底N+N+GSD+UGSED+N 型导电沟道当当 UGS UGS(th(th）后，场后，场效应管才形成导电沟道效应管才形成导电沟道，开始导通，开始导通，若漏若漏源源之间加上一定的电压之间加上一定的电压 UDS，则有漏极电流，则有漏极电流 ID产生。产生。在一定的在一定的 UDS下下漏极电漏极电流流 ID的大小与栅源电压的大小与栅源电压UGS有关。所以，场效有关。所以，场效应管是一种电压控

8、制电应管是一种电压控制电流的器件。流的器件。在一定的漏在一定的漏源电压源电压 UDS下，使管子由不导下，使管子由不导通变为导通的临界栅源电压称为开启电压通变为导通的临界栅源电压称为开启电压 UGS(thth）。(2)N(2)N 沟道增强型管的工作原理沟道增强型管的工作原理沟道增强型管的工作原理沟道增强型管的工作原理下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页(3)(3)特性曲线特性曲线特性曲线特性曲线有导电沟道有导电沟道转移特性曲线转移特性曲线转移特性曲线转移特性曲线无导电无导电沟道沟道开启电压开启电压 U UGSGS(t(t(t(th h h h）UDSUGS/ID/mAUDS

9、/Vo oUGS=1VUGS=2VUGS=3VUGS=4V 漏极特性曲线漏极特性曲线漏极特性曲线漏极特性曲线恒流区恒流区可变电阻区可变电阻区截止区截止区下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页N 型衬底型衬底P+P+GSD符号：符号：结构结构(4)(4)P P P P 沟道增强型 沟道增强型 沟道增强型 沟道增强型 SiO2绝缘层绝缘层加电压才形成加电压才形成 P 型导电沟道型导电沟道 增强型场效应管只有当增强型场效应管只有当 U UGSGS U UGSGS(th(th(th(th）时才形成时才形成导电沟道。导电沟道。下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页

10、2.2.耗尽型绝缘栅场效应管耗尽型绝缘栅场效应管耗尽型绝缘栅场效应管耗尽型绝缘栅场效应管GSD符号：符号：如果如果如果如果 MOSMOS 管在制造时导电沟道就已形成，称为管在制造时导电沟道就已形成，称为管在制造时导电沟道就已形成，称为管在制造时导电沟道就已形成，称为耗尽型场效应管。耗尽型场效应管。耗尽型场效应管。耗尽型场效应管。(1)N(1)N 沟道耗尽型管沟道耗尽型管沟道耗尽型管沟道耗尽型管SiO2绝缘层中绝缘层中掺有正离子掺有正离子予埋了予埋了 N 型型 导电沟道导电沟道下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页2.2.耗尽型绝缘栅场效应管耗尽型绝缘栅场效应管耗尽型绝缘栅场

11、效应管耗尽型绝缘栅场效应管 由于耗尽型场效应管预埋了导电沟道，所以在由于耗尽型场效应管预埋了导电沟道，所以在UGS=0 时，时，若漏若漏源之间加上一定的电压源之间加上一定的电压 UDS，也会有漏极电流 也会有漏极电流 ID 产生。产生。当当当当 U UGS GS 0 0 时，使导电沟道变宽，时，使导电沟道变宽，时，使导电沟道变宽，时，使导电沟道变宽，I ID D 增大；增大；增大；增大；当当当当 U UGS GS 0 0 时，使导电沟道变窄，时，使导电沟道变窄，时，使导电沟道变窄，时，使导电沟道变窄，I ID D 减小；减小；减小；减小；U UGSGS负值愈高，沟道愈窄，负值愈高，沟道愈窄，负

12、值愈高，沟道愈窄，负值愈高，沟道愈窄，I ID D就愈小。就愈小。就愈小。就愈小。当当 UGS达到一定达到一定负值时，负值时，N 型导电沟道消失型导电沟道消失，ID=0，称为场效应管处于夹断状态（即截止）。称为场效应管处于夹断状态（即截止）。这时的这时的 UGS称为夹断电压，用称为夹断电压，用 UGS(off(off）表示。表示。这这这这时的时的时的时的漏极电流漏极电流漏极电流漏极电流用用用用 I IDSSDSS表示，称为表示，称为表示，称为表示，称为饱和漏极电流饱和漏极电流饱和漏极电流饱和漏极电流。下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页(2)(2)耗尽型耗尽型耗尽型耗尽型

13、 N N 沟道沟道沟道沟道 MOSMOS 管的特性曲线管的特性曲线管的特性曲线管的特性曲线夹断电压 耗尽型的耗尽型的 MOS 管管 UGS=0 时就有导电沟道，加时就有导电沟道，加反向电压到一定值时才能夹断。反向电压到一定值时才能夹断。UGS(off)转移特性曲线转移特性曲线0ID/mA UGS/V-1-2-34812161 2U UDSDS=常数常数U DSUGS=0UGS0漏极特性曲线漏极特性曲线0ID/mA16 201248121648IDSS下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页2.2.耗尽型绝缘栅场效应管耗尽型绝缘栅场效应管耗尽型绝缘栅场效应管耗尽型绝缘栅场效应管

14、(3)P(3)P 沟道耗尽型管沟道耗尽型管沟道耗尽型管沟道耗尽型管符号：符号：GSD予埋了予埋了 P P 型型 导电沟道导电沟道SiO2绝缘层中绝缘层中掺有负离子掺有负离子下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页耗尽型耗尽型耗尽型耗尽型GSDGSD增强型增强型增强型增强型N 沟道沟道P P 沟道沟道沟道沟道GSDGSDN N 沟道沟道沟道沟道P 沟道沟道GG、S S 之间加一定之间加一定之间加一定之间加一定电压才形成导电沟道电压才形成导电沟道电压才形成导电沟道电压才形成导电沟道在制造时就具有在制造时就具有在制造时就具有在制造时就具有原始原始原始原始导电沟道导电沟道导电沟道导电

15、沟道下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页3.3.场效应管的主要参数场效应管的主要参数场效应管的主要参数场效应管的主要参数(1)(1)开启电压 开启电压 开启电压 开启电压 U UGS(th)GS(th)：是增强型是增强型是增强型是增强型 MOSMOS 管的参数管的参数管的参数管的参数(2)(2)夹断电压 夹断电压 夹断电压 夹断电压 U UGS(off)GS(off)：(3)(3)饱和漏电流 饱和漏电流 饱和漏电流 饱和漏电流 I IDSSDSS：是结型和耗尽型是结型和耗尽型是结型和耗尽型是结型和耗尽型MOSMOS 管的参数管的参数管的参数管的参数(4)(4)低频跨导 低

16、频跨导 低频跨导 低频跨导 g gmm：表示栅源电压对漏极电流表示栅源电压对漏极电流表示栅源电压对漏极电流表示栅源电压对漏极电流 的控制能力的控制能力的控制能力的控制能力极限参数：极限参数：极限参数：极限参数：最大漏极电流、耗散功率、击穿电压。最大漏极电流、耗散功率、击穿电压。最大漏极电流、耗散功率、击穿电压。最大漏极电流、耗散功率、击穿电压。DSGSm UDUIg 下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页 场效应管与晶体管的比较场效应管与晶体管的比较 电流控制 电压控制 电流控制 电压控制 电流控制 电压控制 电流控制 电压控制 控制方式控制方式控制方式控制方式电子和空穴两

17、种载电子和空穴两种载电子和空穴两种载电子和空穴两种载流子同时参与导电流子同时参与导电流子同时参与导电流子同时参与导电载流子载流子载流子载流子电子或空穴中一种电子或空穴中一种电子或空穴中一种电子或空穴中一种载流子参与导电载流子参与导电载流子参与导电载流子参与导电类 型类 型类 型类 型 NPNNPN 和和和和 PNP NPNP N 沟道和沟道和沟道和沟道和P P 沟道沟道沟道沟道放大参数放大参数放大参数放大参数20020 mA/V51m g r rcece很高 很高 很高 很高 r rdsds很高 很高 很高 很高 输出电阻输出电阻输出电阻输出电阻输入电阻输入电阻输入电阻输入电阻421010较低

18、较低较低较低1471010较高较高较高较高 双极型三极管 单极型场效应管双极型三极管 单极型场效应管双极型三极管 单极型场效应管双极型三极管 单极型场效应管热稳定性热稳定性热稳定性热稳定性 差差差差 好好好好制造工艺制造工艺制造工艺制造工艺 较复杂较复杂较复杂较复杂 简单，成本低简单，成本低简单，成本低简单，成本低对应电极对应电极 BEC GSD下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页3.9.23.9.2 场效应管放大电路场效应管放大电路场效应管放大电路场效应管放大电路 场效应晶体管具有输入电阻高、噪声低等优点场效应晶体管具有输入电阻高、噪声低等优点场效应晶体管具有输入电阻高

19、、噪声低等优点场效应晶体管具有输入电阻高、噪声低等优点，常用于多级放大电路的输入级以及要求噪声低的，常用于多级放大电路的输入级以及要求噪声低的，常用于多级放大电路的输入级以及要求噪声低的，常用于多级放大电路的输入级以及要求噪声低的放大电路。放大电路。放大电路。放大电路。场效应管的源极、漏极、栅极相当于双极型晶场效应管的源极、漏极、栅极相当于双极型晶场效应管的源极、漏极、栅极相当于双极型晶场效应管的源极、漏极、栅极相当于双极型晶体管的发射极、集电极、基极。体管的发射极、集电极、基极。体管的发射极、集电极、基极。体管的发射极、集电极、基极。场效应管的共源极放大电路和源极输出器与双极场效应管的共源极

20、放大电路和源极输出器与双极场效应管的共源极放大电路和源极输出器与双极场效应管的共源极放大电路和源极输出器与双极型晶体管的共发射极放大电路和射极输出器在结构型晶体管的共发射极放大电路和射极输出器在结构型晶体管的共发射极放大电路和射极输出器在结构型晶体管的共发射极放大电路和射极输出器在结构上也相类似。上也相类似。上也相类似。上也相类似。场效应管放大电路的分析与双极型晶体管放大电场效应管放大电路的分析与双极型晶体管放大电场效应管放大电路的分析与双极型晶体管放大电场效应管放大电路的分析与双极型晶体管放大电路一样，包括静态分析和动态分析。路一样，包括静态分析和动态分析。路一样，包括静态分析和动态分析。路

21、一样，包括静态分析和动态分析。下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页1.1.1.1.自给偏压式偏置电路自给偏压式偏置电路自给偏压式偏置电路自给偏压式偏置电路3.9.23.9.2 场效应管放大电路场效应管放大电路场效应管放大电路场效应管放大电路 栅源电压栅源电压栅源电压栅源电压 U UGSGS是由场效应管自身的电流提供的是由场效应管自身的电流提供的是由场效应管自身的电流提供的是由场效应管自身的电流提供的，故称自给偏压。，故称自给偏压。，故称自给偏压。，故称自给偏压。U UGSGS =R=RS SI IS S =R=RS SI ID D+U UDDDD R RS SC CS S

22、C C2 2C C1 1R RD DR RGG+T T+_ _ _ _+_ _ _ _u ui iu uo oI IS S +_ _ _ _U UGSGST T 为为为为 N N 沟道耗尽型场效应沟道耗尽型场效应沟道耗尽型场效应沟道耗尽型场效应管管管管 增强型增强型增强型增强型 MOSMOS 管因管因管因管因 U UGSGS=0=0 时，时，时，时，I ID D 0 0，故不能故不能故不能故不能采用自给偏压式电路。采用自给偏压式电路。采用自给偏压式电路。采用自给偏压式电路。下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页+U UDDDD R RS SC CS SC C2 2C C1

23、1R RD DR RGG+T T+_ _ _ _+_ _ _ _u ui iu uo oI IS S +_ _ _ _U UGSGS静态分析可以用估算法或图解法静态分析可以用估算法或图解法静态分析可以用估算法或图解法静态分析可以用估算法或图解法(略 略 略 略)估算法：估算法：估算法：估算法：U UGSGS =R=RS SI ID D2GS(OFF)GSDSSD)1(UUII 将已知的将已知的将已知的将已知的U UGS(off)GS(off)、I IDSSDSS代入代入代入代入上两式，解出上两式，解出上两式，解出上两式，解出 U UGSGS、I ID D;由 由 由 由 U UDSDS=U U

24、DD DD IID D(R RD D+R RS S)解出解出解出解出 U UDSDS列出静态时的关系式列出静态时的关系式列出静态时的关系式列出静态时的关系式 对增强型对增强型对增强型对增强型 MOSMOS 管构成的放大电路需用图解法管构成的放大电路需用图解法管构成的放大电路需用图解法管构成的放大电路需用图解法来确定静态值。来确定静态值。来确定静态值。来确定静态值。下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页+U UDDDD R RS SC CS SC C2 2C C1 1R RD DR RGG+T T+_ _ _ _+_ _ _ _u ui iu uo oI IS S +_ _

25、_ _U UGSGS例：例：例：例：已知已知已知已知 U UDDDD=20V=20V、R RD D=3k=3k 、R RS S=1k=1k 、R RGG=500k=500k 、U UGS(off)GS(off)=4V=4V、I IDSSDSS=8mA=8mA，确定静态工作点。确定静态工作点。确定静态工作点。确定静态工作点。解：解：解：解：用用用用估算法估算法估算法估算法U UGSGS =1 1 I ID D2GSD)41(8 UIU UDSDS=20 20 2 2（3+1 3+1）=12 V=12 V列出关系式列出关系式列出关系式列出关系式解出 解出 解出 解出 U UGS1 GS1=2V2V

26、、U UGS2 GS2=8V8V、I ID1D1=2mA=2mA、I ID2D2=8mA=8mA 因因因因 U UGS2 GS2 U UGS(off)GS(off)故舍去，故舍去，故舍去，故舍去，所求静态解为所求静态解为所求静态解为所求静态解为 U UGS GS=2V 2V I ID D=2mA=2mA、下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页2.2.分压式偏置电路分压式偏置电路分压式偏置电路分压式偏置电路(1)(1)静态分析静态分析静态分析静态分析+U UDDDD R RS SC CS SC C2 2C C1 1R RG1G1R RD DR RG2G2R RGG+R RL

27、Lu ui iu uo o估算法：估算法：估算法：估算法：SDDDG2G1G2GSRIURRRU 将已知的将已知的将已知的将已知的U UGS(off)GS(off)、I IDSSDSS代入代入代入代入上两式，解出上两式，解出上两式，解出上两式，解出 U UGSGS、I ID D;由 由 由 由 U UDSDS=U UDD DD I ID D(R RD D+R RS S)解出解出解出解出 U UDSDS列出静态时的关系式列出静态时的关系式列出静态时的关系式列出静态时的关系式2GS(OFF)GSDSSD)1(UUII 流过流过流过流过 R RG G 的电流为零的电流为零的电流为零的电流为零下一页下

28、一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页(2)(2)动态分析动态分析动态分析动态分析电压放大倍数电压放大倍数电压放大倍数电压放大倍数)/(LDmioRRgUUAu gsiUU)(LDdR/RIUo RG1RDRG2RG+RL+SDGTOUiUdI交流通路交流通路交流通路交流通路)(LDgsmR/RUg )/(G2G1GiRRRr DORr 输入电阻输入电阻输出电阻输出电阻输出电阻输出电阻 R RGG是为了提是为了提是为了提是为了提高输入电阻高输入电阻高输入电阻高输入电阻 r ri i而设置的。而设置的。而设置的。而设置的。下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页3.

29、源极输出器源极输出器+UDD RSC2C1RG1RG2RG+RLuiuo+RG1RSRG2RG+RL+SDGTOUiUSI+gsU交流通路交流通路1)/(1)/(LSmLSmio RRgRRgUUAuogsiUUU )(LSSR/RIUo)(LSgsmR/RUg 电压放大倍数电压放大倍数)/(LSgsmgsRRUgU 特点与晶体管的特点与晶体管的特点与晶体管的特点与晶体管的射极输出器一样射极输出器一样射极输出器一样射极输出器一样下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页当场效应管工作在可变电阻区时，漏源电阻：当场效应管工作在可变电阻区时，漏源电阻：当场效应管工作在可变电阻区时，

30、漏源电阻：当场效应管工作在可变电阻区时，漏源电阻：CDDSDSGS uiuR 场效应管可看作由栅源场效应管可看作由栅源场效应管可看作由栅源场效应管可看作由栅源电压控制的可变电阻。电压控制的可变电阻。电压控制的可变电阻。电压控制的可变电阻。U DS 1V 1.5VUGS=0.5V0ID/mA16 201248121648 2V 2.5V|U UGSGS|愈大，愈大，R RDSDS愈大。愈大。N N N N 沟道结型场效沟道结型场效沟道结型场效沟道结型场效应管的转移特性应管的转移特性应管的转移特性应管的转移特性下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页应用举例：应用举例：应用举例：应用举例：Ui Uo|UGS|RDS Au Uo +UCC 放大器 整流滤 波电路uoui下一页下一页总目录总目录 章目录章目录返回返回上一页上一页3.2、3.3、3.4、3.53.8、3.9、3.11本章作业请同学们课后认真复习请同学们课后认真复习！第第 3 3 章 结束章 结束