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第五章 场效应管放大电路

第五章 场效应管放大电路. 引言： 1. 场效应管 (FET) 的特点 场效应管 【FET——Field Effect Transistor】 (1) 它是利用改变外加电压产生的电场强度来控制其导电能力的半导体单极型 ( 一种载流子导电 ) 器件 ; (2) 它具有双极型三极管的体积小、重量轻、耗电少、寿命长等优点 ; (3) 还具有输入电阻高、热稳定性好、抗辐射能力强、噪声低、制造工艺简单、便于集成等特点 ; (4) 在大规模及超大规模集成电路中得到了广泛的应用。. BJT 、 FET 两种形式三极管的对照：. 2. 场效应管的分类

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第五章 场效应管放大电路

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  1. 第五章 场效应管放大电路

  2. 引言： 1.场效应管(FET)的特点 场效应管【FET——Field Effect Transistor】 (1) 它是利用改变外加电压产生的电场强度来控制其导电能力的半导体单极型(一种载流子导电)器件; (2) 它具有双极型三极管的体积小、重量轻、耗电少、寿命长等优点; (3) 还具有输入电阻高、热稳定性好、抗辐射能力强、噪声低、制造工艺简单、便于集成等特点; (4) 在大规模及超大规模集成电路中得到了广泛的应用。

  3. BJT、FET两种形式三极管的对照：

  4. 2.场效应管的分类 根据结构和工作原理的不同，场效应管可分为两大类： (1) 结型场效应管(JFET) (2) 绝缘栅型场效应管(IGFET，如MOS-FET)。 3.本章内容 (1) 结型场效应管的结构、工作原理、特性曲线和主要参数； (2) 绝缘栅型场效应管的结构、工作原理、特性曲线和主要参数； (3) 场效应管放大电路。

  5. 5.1 金属-氧化物-半导体场效应管 本节介绍的金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFET）具有非常高的输入电阻，可1015欧姆。并具有制造工艺简单、适于集成电路的优点。 MOS管也有N沟道和P沟道之分，而且每一类又分为增强型和耗尽型两种。 增强型MOS管在vGS=0时，没有导电沟道存在。 耗尽型MOS管在vGS=0时，就有导电沟道存在。

  6. 铝电极 SiO2 绝缘层 半导体 D(Drain)： 漏极，相当于c G(Gate)： 栅极，相当于bS(Source)： 源极，相当于e B(Substrate)：衬底 一.N沟道增强型MOSFET • 结构 符号：

  7. 任意 极性 s d N+ P N+ s d iD=0 B B • 工作原理 ① 栅源电压vGS的控制作用 • 当vGS=0V时： VDS

  8. + - • 现假设vDS=0V，在s、g间加一电压vGS＞0V 当vGS＞0V时→认为金属极板（铝）与P型衬底间构成一个平板电容 →形成由栅极指向P型衬底的纵向电场 →将靠近栅极下方的空穴向下排斥 →形成耗尽层。

  9. 当vGS增大时→耗尽层增宽，并且该大电场会 把衬底的自由电子吸引到耗尽层与绝缘层之间，形成一N型薄层，构成漏-源之间的导电沟道，称为反型层（也称感生沟道）。 • 现假设vDS=0V，在s、g间加一电压vGS＞0V vGS↑→反型层越厚 →沟道电阻↓→两个N+区被感生沟道连在一起 ∵ vDS=0∴ iD≡0

  10. 关于“开启电压”的定义 刚刚产生沟道所需的栅源电压vGS，用VT表示。 vGS越大，反型层越宽，导电沟道电阻越小。 N沟道增强型MOS管的基本特性： vGS＜ VT，管子截止， vGS＞VT，管子导通。 vGS越大，沟道越宽，在漏源电压vDS＝0时，漏极电流ID始终为0。

  11. ② 漏源电压vDS对漏极电流id的控制作用 假设vGS＞VT且为一固定值时，并在漏－源之间加上正电压vDS: VDS VGS (a) vDS=0时，iD=0

  12. vDS< vGS-VT， 即vGD=vGS-vDS>VT ② 漏源电压vDS对漏极电流id的控制作用 假设vGS＞VT且固定时，在漏－源间加正电压vDS: (b) 外加vDS较小时 VDS VGS vDS↑→id↑；同时沟道靠漏区变窄。

  13. ② 漏源电压vDS对漏极电流id的控制作用 （c）当vDS增加到使vGD=VT时，沟道靠漏区夹断，称为预夹断。 VDS VGS

  14. ② 漏源电压vDS对漏极电流id的控制作用 （d）vDS再增加，预夹断区加长， vDS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。 VDS VGS

  15. 总结N沟道增强型MOSFET的工作状态：

  16. 工作原理： iD 受控于uGS :uGS则iD ， 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

  17. ① 输出特性 ② 转移特性 夹断区 VT 2VT • N沟道增强型MOS-FET的特性曲线 ID0为当vGS=2VT时的iD值

  18. ①截止区: vGS<vT 无导电沟道,iD=0,管子处于截止区. ②可变电阻区: vDS< vGS-vT Kn电导常数；n电子迁移率；Cox栅-衬间单位面积电容； L、W为沟道长度和宽度.

  19. ③饱和（放大）区: vGS>vT， vGD=vGS-vDS<VT

  20. 预夹断后进入饱和区，对于一定的vGS。iD基本不随vDS而变，即转移特性曲线重合。曲线方程:预夹断后进入饱和区，对于一定的vGS。iD基本不随vDS而变，即转移特性曲线重合。曲线方程: • 条件 开启电压VT=UGS(th) • 转移特性曲线

  21. 沟道长度调制效应：P207-208 图 4.3.8N沟道增强型绝缘栅场效应管伏安特性 (a) 输出特性； (b) 转移特性

  22. (2) 转移特性曲线 转移特性曲线如图5.1.4所示,由于场效应管作放大器件使用时是工作在饱和区(恒流区)，此时iD几乎不随VDS而变化,即不同的VDS所对应的转移特性曲线几乎重合。所以可用VDS大于某一数值(VDS＞VGS-VT)后的一条转移特性曲线代替饱和区的所有转移特性曲线。 (3)iD与vGS的近似关系 与结型场效应管相类似。在饱和区内,iD与vGS的 近似关系式为： 式中IDO是VGS=2VT时的漏极电流iD。

  23. uGS=0时存在原始导电沟道的FET管。 5.1.2 N沟道耗尽型MOS管 1. 基本结构 N沟道耗尽型MOS管与N沟道增强型MOS管基本相似。 区别：耗尽型MOS管在vGS=0时，漏－源极间已有导电沟道产生； 增强型MOS管要在vGS≥VT时才出现导电沟道。 5.1.5

  24. N沟道耗尽型MOSFET 在栅极下方的SiO2层中掺入了大量的金属正离子。所以当vGS=0时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。 符号

  25. 基本工作原理： 1. 在VGS=0时，在SiO2绝缘层中的正离子产生的电场作用下，漏－源极间的P型衬底表面也能感应生成N沟道(称为初始沟道)，只要加上正向电压VDS，就有电流iD。 2. 如果加上正的VGS，栅极与N沟道间的电场将在沟道中吸引来更多的电子，沟道加宽，沟道电阻变小，iD增大。 3. 反之VGS为负时，沟道中感应的电子减少，沟道变窄，沟道电阻变大，iD减小。 4. 当VGS负向增加到某一值时，导电沟道消失，iD趋于0，管子截止，故称为耗尽型。

  26. ① 输出特性 ② 转移特性 • N沟道耗尽型MOS-FET的特性曲线

  27. 沟道消失时的栅-源电压称为夹断电压，仍用VP表示。沟道消失时的栅-源电压称为夹断电压，仍用VP表示。 N沟道耗尽型MOS管的夹断电压VP为负值。 但是，N沟道耗尽型MOS管在VGS=0，VGS>0，VP<VGS<0的情况下均能实现对iD的控制，而且仍能保持栅-源极间有很大的绝缘电阻,使栅极电流为零。这是耗尽型MOS管的一个重要特点。 电流方程: 在饱和区内，耗尽型MOS管的电流方程为: 饱和漏极电流IDSS =KnVP2：在vGS=0的条件下的漏极电流。

  28. 2. 参数 MOS管的主要参数与后续的结型场效应管基本相同，只是增强型MOS管中不用夹断电压VP，而用开启电压VT表征管子的特性。 一、N沟道MOS管的直流参数 (1).开启电压VT: N沟道MOS管，在VGS＜VT时，不能形成导电沟道，管子处于截止状态；只有当VGS≥VT时，才有沟道形成。 VT——开启电压。 这种在VGS=0时没有沟道，只有VGS≥VT时才能形成感生导电沟道的MOS管称为增强型MOS管。

  29. (2). 夹断电压VP 这是耗尽型MOS管的参数。当vDS为某一固定值(例如10 V)，使iD等于某一微小电流(例如20 A)时，栅-源极间所加的电压即夹断电压。 (3). 饱和漏极电流IDSS 在vGS=0的条件下，场效应管发生预夹断时的漏极电流。 IDSS是MOS-FET所能输出的最大电流。

  30. (4). 直流输入电阻RGS 它是在漏-源极间短路的条件下，栅-源极间加一定电压时，栅-源极间的直流电阻。 二、N沟道MOS管的交流参数 ①. 低频跨导gm 当vDS为常数时，漏极电流的微小变化量与栅-源电压vGS的微小变化量之比为跨导，即：

  31. gm反映了栅-源电压对漏极电流的控制能力，是表征场效应管放大能力的一个重要参数。单位为西门子(s)，有时也用ms或s表示。gm反映了栅-源电压对漏极电流的控制能力，是表征场效应管放大能力的一个重要参数。单位为西门子(s)，有时也用ms或s表示。 需要指出的是，gm与管子的工作电流有关，iD越大，gm就越大。在放大电路中，场效应管工作在饱和区(恒流区)，gm可由式(4.1.2)和(4.1.3)求得。对N沟道耗尽型MOS-FET，有:

  32. ②输出电阻rd： 输出特性线上某点斜率的倒数。在饱和区，iD不随vDS而变，rd很大。 三、N沟道MOS管的极限参数 ①最大漏极电流IDM：管子正常工作时漏极电流的上限值。 ② 最大漏源电压V(BR)DS： 耗尽层击穿时，iD积聚上升的vDS。VGS越负，V(BR)DS越小。 ③ 最大栅源电压V(BR)GS： P+N结反向电流急剧增加时的VGS。 ④最大漏极功耗PDM：PDM = VDS iD

  33. 5.2 MOSFET放大电路 5.2.1 直流偏置及静态工作点 直流分析(估算法）： VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2) VGS= VG－VS= VG－IDR ID= IDO[(VGS /VT) －1]2 VDS= VDD－ID(Rd+R) 解出VGS、ID和VDS。IG=0

  34. 图5.2.2分压式偏置电路(有改动)

  35. 直流电路的静态工作点： 直流偏置电路如图所示，其中RG1和RG2为分压电阻， RG3电流IG=0。 式中VG为栅极电位，对N沟道耗尽型管，VGS＜0，所以，IDRS>VG；对N沟道增强型管，VGS>0，所以IDRS<VG。

  36. 交流负载线 图解分析 直流负载线 直流负载线: 交流负载线: 类比：P125 方法与BJT管子的相同。

  37. 5.2.2场效应管放大电路的等效电路 场效应管与晶体三极管等效电路对照图如下图所示，由于场效应管输入电阻rgs很大，故输入端可看成开路。 图 场效应管与晶体三极管等效电路对照图 (a)三极管等效电路； (b)场效应管等效电路

  38. 2. 动态分析 场效应管放大电路的动态分析可采用图解法和微变等效电路分析法，其分析方法和步骤与晶体管放大电路相同。下面用微变等效电路来进行分析。 1）接有电容CS的情况 图 场效应管小信号交流等效电路（接有CS时的等效电路）

  39. 图 场效应管等效电路（CS开路时的等效电路）

  40. 由图可知 电压放大倍数 输入电阻 输出电阻，当 时， 则恒流 所以，输出电阻

  41. 2）电容CS开路情况 其等效电路如图(b)所示。 由图可知 电压放大倍数: 输入电阻: 输出电阻:

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