模拟电子技术课件第三章.ppt

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场效应管放大器,第3章,278,目录,3.1结型场效应管.279,3.2绝缘栅场效应管.296,3.3场效应管的参数及特点.313,3.4场效应管放大器320,3.5场效应管放大器的频率响应.357,HOME,279,3.1结型场效应管,3.1.1结型场效应晶体管的结构,3.1.2结型场效应管的工作原理,3.1.3结型场效应管的特性曲线,HOME,280,JFET结构与符号,P-JFET,N-JFET,3.1.1结型场效应晶体管的结构,HOME,281,导电沟道两个P+区与N区形成两个PN结，夹在其中的N区是电子由源极流向漏极的通道，称为导电沟道。

3.1.2结型场效应管的工作原理,正常工作的条件栅极电压：

栅极为负，源极为正漏极电压：

漏极为正，源极为负,HOME,282,受控机理通过改变加在PN结上的反向偏压（栅源电压uGS）的大小来改变耗尽层的宽度，进而改变导电沟道的宽度，以达到控制沟道漏极电流的目的，漏极电流iD受控于uGS。

3.1.2结型场效应管的工作原理,HOME,283,uGS控制iD（uDS=C0）,uGS增大时，沟道变窄，沟道电阻增大则iD减小。

沟道被夹断时管子截止，iD=0。

管子刚好截止时的栅极电压称为夹断电压，用UGS（off）表示。

3.1.2结型场效应管的工作原理,HOME,284,uDS增大时，沟道变窄，沟道电阻增大。

以预夹断为分界线，预夹断前iD增大，预夹断后iD近似恒定。

uDS影响iD（uGS=C0）,预夹断：

沟道在靠近漏极处一端即将帔夹断的状态。

此时uGD=UGS（off）,3.1.2结型场效应管的工作原理,HOME,285,放大原理,3.1.2结型场效应管的工作原理,栅源之间接有直流反向偏置电压,栅源之间加入交流小信号电压,漏源之间接有漏极电阻,输入信号变化,随之改变。

HOME,漏源之间接直流电源,286,1.输出特性曲线,指uGS为参变量，iD随uDS变化的关系曲线,3.1.3结型场效应管的特性曲线,HOME,287,

（1）截止区,截止区：

对应夹断状态特点：

uGSUGS（off）iD=0,3.1.3结型场效应管的特性曲线,截止区,1.输出特性曲线,HOME,288,可变电阻区：

对应预夹断前状态特点：

固定uGS，uDS则iD近似线性电阻特性固定uDS，变化uGS则阻值变化变阻特性,

（2）可变电阻区,可变电阻区,3.1.3结型场效应管的特性曲线,1.输出特性曲线,HOME,289,放大区：

对应管子预夹断后的状态特点：

受控放大，iD只受uGS控制uGS则iD,放大区,（3）线性放大区,3.1.3结型场效应管的特性曲线,1.输出特性曲线,HOME,290,击穿区：

对应PN结击穿状态特点：

uDS很大iD急剧增加,（4）击穿区,击穿区,3.1.3结型场效应管的特性曲线,1.输出特性曲线,HOME,291,指uDS为参变量，iD随uGS变化的关系曲线,iD=f2（uDS,uGS）,3.1.3结型场效应管的特性曲线,2.转移特性曲线,HOME,292,预夹断后转移特性曲线重合曲线方程条件,3.1.3结型场效应管的特性曲线,2.转移特性曲线,HOME,293,3.1.3结型场效应管的特性曲线,例3-1已知图中各JFET参数为（a）（b）（c）问JFET各工作在什么区？

HOME,294,3.1.3结型场效应管的特性曲线,解：

（a）这是N-JFET。

沟道全夹断，JFET处于截止区。

（b）这是N-JFET。

沟道部分夹断，JFET工作在放大区。

HOME,295,3.1.3结型场效应管的特性曲线,解：

（c）这是P-JFET。

JFET工作在放大区。

HOME,296,3.2绝缘栅场效应管,3.2.1半导体的表面场效应,3.2.2N沟道增强型MOS管,3.2.3N沟道耗尽型MOS管,3.2.4P沟道绝缘栅场效应管,HOME,297,根据栅极绝缘材料分为金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFET或MOS）；金属-氮化硅-半导体场效应管（MNSFET或MNS）；金属-氧化铝-半导体场效应管（MALSFET）。

根据导电沟道类型分为:

N沟道和P沟道。

根据是否存在原始导电沟道分为:

增强型和耗尽型。

3.2绝缘栅场效应管,结型场效应管限制了输入电阻的提高,绝缘栅场效应管：

栅极同其余电极之间绝缘。

HOME,298,3.2.1半导体的表面场效应,当电场作用于半导体表面时，会导致半导体内部的载流子产生一定运动，从而改变其导电性。

反型层的宽度取决于作用于半导体表面电场的强度,HOME,299,N沟道增强型MOSFET,1.N沟道增强型MOS管的结构,3.2.2N沟道增强型MOS管,HOME,300,uGS=0时，无导电沟道（夹断状态）uGSUGS（th）时，产生导电沟道（开启状态）定义开启电压UGS（th）为刚开始出现导电沟道时的栅源电压值。

2.增强型MOS管的工作原理,3.2.2N沟道增强型MOS管,HOME,301,当时，,3.增强型MOS管的特性曲线,3.2.2N沟道增强型MOS管,

（1）转移特性曲线,特点：

当时，导电沟道形成，,NMOS管处于导通状态,为对应于某一栅源电压的值，,满足,HOME,302,指uGS为参变量，iD随uDS变化的关系曲线,3.增强型MOS管的特性曲线,3.2.2N沟道增强型MOS管,

（2）输出特性曲线,HOME,303,uDS0,uDSiD近似不变,uDS=uGSUGS（th）预夹断状态uDSiD,固定uGS，可以看到uDS如何影响iD,uDS（uGSUGS（th）预夹断后,3.2.2N沟道增强型MOS管,

（2）输出特性曲线,HOME,304,小结：

iD受控于uGS:

uGS则iD直至iD=0；iD受uDS影响:

uDS则iD先增随后近似不变。

预夹断前uDS则iD以预夹断状态为分界线预夹断后uDS则iD不变。

3.2.2N沟道增强型MOS管,

（2）输出特性曲线,HOME,305,UGS（th）=4V,截止区,截止区：

对应夹断状态特点：

uGSUGS（th）iD=0,3.2.2N沟道增强型MOS管,

（2）输出特性曲线,HOME,306,放大区：

对应管子预夹断后的状态特点：

受控放大uGS则iD,放大区,3.2.2N沟道增强型MOS管,

（2）输出特性曲线,HOME,307,可变电阻区：

对应预夹断前状态特点：

固定uGS，uDS则iD近似线性-电阻特性固定uDS，uGS变化则阻值变化-变阻特性,可变电阻区,3.2.2N沟道增强型MOS管,

（2）输出特性曲线,HOME,308,uBS0且uBS0时iD受控于uBS的特性衬调效应又称：

背栅效应体效应,3.2.2N沟道增强型MOS管,4.衬底电位对场效应管特性的影响,HOME,309,耗尽型NMOS管,转移特性,输出特性,3.2.3N沟道耗尽型MOS管,HOME,310,PMOS管也有增强型和耗尽型两种。

3.2.4P沟道绝缘栅场效应管,例3-2电路如图所示，试问它们各工作于什么区？

HOME,311,3.2.4P沟道绝缘栅场效应管,解：

（a）这是N沟道耗尽型绝缘栅场效应管。

管子导通,场效应管工作在放大区,（b）这是N沟道增强型绝缘栅场效应管。

管子导通,场效应管工作在放大区,HOME,312,3.2.4P沟道绝缘栅场效应管,解：

（c）这是P沟道耗尽型绝缘栅场效应管。

场效应管工作在截止区,（d）这是P沟道增强型绝缘栅场效应管。

场效应管工作在截止区,HOME,313,3.3场效应管的参数及特点,3.3.1主要参数,3.3.2场效应管的特点,HOME,314,

（1）夹断电压UGS（off）:

iD=0时的uGS值；

（2）开启电压UGS（th）:

增强型管刚开始导电时的uGS值；（3）饱和漏极电流IDSS:

uGS=0时的iD值；（4）直流输入电阻RGS:

RGS=UGS/IG。

1.直流参数,3.3.1主要参数,HOME,315,2.交流参数,耗尽型,定义：

（1）跨导gm,计算：

3.3.1主要参数,单位为西门子（S）,gm是表征场效应管放大能力的一个重要参数,几何意义是转移特性在工作点处切线的斜率,HOME,316,

（2）背栅跨导gmb,（3）输出电阻rds,物理意义：

表示uDS对iD的控制能力几何意义：

表示输出特性曲线上工作点处切线斜率的倒数。

（4）极间电容：

Cgs、Cgd、Cds（Cbs、Cbd、Cbg）,令：

2.交流参数,3.3.1主要参数,HOME,317,在特定工作电流电压下，管子参数的温度系数可以为零。

（1）栅源击穿电压：

UBR（GS）；

（2）漏源击穿电压：

UBR（DS）；（3）最大功率PDM:

。

3.极限参数,4.参数的温度特性,3.3.1主要参数,HOME,318,漂移,扩散，漂移,电压控制,电流控制,高,低,多子，单极型,多子、少子，双极型,FET,BJT,3.3.2场效应管的特点,HOME,319,FET,BJT,小,大,强,弱,好,差,3.3.2场效应管的特点,HOME,320,3.4场效应管放大器,3.4.1直流偏置电路与静态分析,3.4.2动态分析,HOME,321,共源（CS）,共栅（CG）,共漏（CD）,共射（CE）,共基（CB）,共集（CC）,两种器件的工作原理不同，不能简单地用场效应管取代晶体三极管，特别应注意偏置电路和微变等效电路的区别。

3.4场效应管放大器,HOME,322,1固定偏压电路,3.4.1直流偏置电路与静态分析,解析法求解静态工作点,HOME,323,直流负载线方程,图解法求解静态工作点,3.4.1直流偏置电路与静态分析,1固定偏压电路,HOME,324,直流偏置电压线方程为,2自偏压电路,作图即求出UGSQ、IDQ,3.4.1直流偏置电路与静态分析,HOME,325,若已知：

则联立解方程组可以得到UGSQ、IDQ。

由图有,3.4.1直流偏置电路与静态分析,2自偏压电路,HOME,326,例3-3,一场效应管放大器电路如图所示。

已知：

计算：

、。

3.4.1直流偏置电路与静态分析,HOME,327,解得（舍去）,解：

故,3.4.1直流偏置电路与静态分析,HOME,328,增强型场效应管，不能采用自偏压电路。

只有栅源电压达到开启电压时才有漏极电流,自偏压电路与固定偏压电路相比有稳定工作点的作用,3.4.1直流偏置电路与静态分析,HOME,329,3.混合偏置电路,3.4.1直流偏置电路与静态分析,混合偏置电路不仅适用于增强型MOSFET,也适用于耗尽型MOSFET及JFET。

HOME,330,4恒流源电路,3.4.1直流偏置电路与静态分析,HOME,331,3.4.2动态分析,场效应管放大电路进行动态分析时可以采用两种分析方法：

图解法和微变等效电路法。

图解法与晶体管放大电路的类似，不再介绍。

主要讨论微变等效电路法。

HOME,332,1微变等效电路,

（1）JFET等效电路,进行全微分，得,即,3.4.2动态分析,HOME,333,对正弦信号输入，有,JFET交流小信号等效电路,3.4.2动态分析,1微变等效电路,HOME,334,JFET交流小信号等效电路,rgs是JFET栅、源间的交流输入电阻，一般外电路栅、源之间的电阻比rgs小得多,故可以不予考虑rgs。

3.4.2动态分析,1微变等效电路,HOME,335,则,因而,

（2）MOSFET等效电路,3.4.2动态分析,1微变等效电路,HOME,336,对正弦信号输入，有,MOSFET交流小信号等效电路,3.4.2动态分析,

（2）MOSFET等效电路,HOME,337,2共源电路,3.4.2动态分析,HOME,338,3.4.2动态分析,2共源电路,HOME,339,通常有,于是,3.4.2动态分析,2共源电路,HOME,340,3共漏电路（源极跟随器）,3.4.2动态分析,HOME,341,3.4.2动态分析,3共漏电路（源极跟随器）,HOME,342,而,输出电阻等效电路如图所示,由图可知,因此,3.4.2动态分析,3共漏电路（源极跟随器）,HOME,343,4源极接电阻的共源放大器,3.4.2动态分析,HOME,344,受控电流源支路改为电压源形式,3.4.2动态分析,4源极接电阻的共源放大器,HOME,345,4源极接电阻的共源放大器,其中,由图可知,3.4.2动态分析,而,HOME,346,输入电阻,因此,3.4.2动态分析,4源极接电阻的共源放大器,HOME,347,分析输出电阻的电路如图所示。

因此,3.4.2动态分析,4源极接电阻的共源放大器,HOME,348,3.4.2动态分析,5有源负载场效应管放大器,场效应管有源负载放大器的三种接法,HOME,349,3.4.2动态分析,5有源负载场效应管放大器,场效应管有源负载电路,a、b两端等效的交流电阻,HOME,350,3.4.2动态分析,5有源负载场效应管放大器,互补MOS有源负载共源放大器,HOME,351,如果忽略、输出电阻的影响,3.4.2动态分析,6集成MOS单级放大器,

（1）全增强型NMOS单级放大器,作为的有源负载,减小负载管的衬调系数，可以提高全增强型NMOS单级放大器电压增益，,HOME,352,3.4.2动态分析,6集成MOS单级放大器,

（1）全增强型NMOS单级放大器,输出电阻,输入电阻,输入阻抗很高,由于放大器的输入端是栅极和地，而栅极SiO2绝缘层的电阻率高达1016,HOME,353,如果忽略、的影响,3.4.2动态分析,6集成MOS单级放大器,

（2）增强型-耗尽型NMOS单级放大器,VT2使用了N沟道耗尽型MOS管，用以提高NMOS放大器的电压增益。

HOME,354,3.4.2动态分析,6集成MOS单级放大器,全增强型NMOS单级放大器,增强型-耗尽型NMOS单级放大器,因为约为0.1左右，于是,比大1个数量级,HOME,355,3.4.2动态分析,6集成MOS单级放大器,（3）互补MOS（CMOS）单级放大器,P沟道MOS管VT2是N沟道MOS管VT1的有源负载。

CMOS放大器是一种低功耗、高增益、线性和温度稳定性都很好的放大器。

由于CMOS中有两种性能接近的互补管子，从而可以大大简化许多模拟电路。

可以说CMOS是MOS模拟电路中比较理想的一种电路形式，因此在集成电路中得到了非常广泛地应用。

HOME,356,3.4.2动态分析,6集成MOS单级放大器,（4）源极跟随器,多数情况有gds1、gds21,HOME,357,3.5场效应管放大器的频率响应,类似于晶体管的高频等效电路，需要考虑场效应管极间电容的影响。

（1）JFET高频等效电路,

（2）MOS管高频等效电路,（3）MOS管高频等效电路（衬源短路）,HOME,358,3.5场效应管放大器的频率响应,例3-4一JFET放大器如图所示。

已知,试计算、以及。

HOME,359,用密勒定理将等效。

由于输入为恒压源（内阻为零,则时间常数为零），所以输入端总电容对频率特性没有影响。

3.5场效应管放大器的频率响应,解：

输出端的总电容,HOME,360,3.5场效应管放大器的频率响应,HOME,