第4章模擬電子課件

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單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,#,第,4,章場效應(yīng)管及其電路,4.3,場效應(yīng)管放大電路,4.3.1,共源放大電路,4.3.2,共漏放大電路,4.3.3,復(fù)合互補源極跟隨器,第,4,章場效應(yīng)管及其電路,【,本章難點,】,MOS,管的原理和轉(zhuǎn)移特性及主要參數(shù),場效應(yīng)管的微變等效電路法,【,本章,要點,】,MOS,管的原理、特性和主要參數(shù),結(jié)型場效應(yīng)管原理、特性及主要參數(shù),場效應(yīng)管放大電路的組成與原理,第,4,章場效應(yīng)管及其電路,場效應(yīng)管,(FET),是一種電壓控制器件，它是利用輸入電壓產(chǎn)生電場效應(yīng)來控制輸出電流的它具有輸入電阻高、噪聲低、熱穩(wěn)定性好、耗電省等優(yōu)點，目前已被廣泛應(yīng)用于各種電子電路中場效應(yīng)管按其結(jié)構(gòu)不同分為結(jié)型,(JFET),和絕緣柵型,(IGFET),兩種，其中絕緣柵型場效應(yīng)管由于其制造工藝簡單，便于大規(guī)模集成，因此應(yīng)用更為廣泛4.1,絕緣柵場效應(yīng)管,(MOSFET,),第,4,章場效應(yīng)管及其電路,絕緣柵型場效應(yīng)管,簡稱,MOS,管，由于其內(nèi)部由金屬,氧化物,半導體三種材料制成，可分為增強型和耗盡型兩大類，每類中又有,N,溝道和,P,溝道之分。

4.1.1 N,溝道增強型場效應(yīng)管,(NMOS,管,),1,結(jié)構(gòu),如,圖,4-1,（,a,）所示，在一塊摻雜濃度較低的,P,型硅片上，通過擴散工藝形成兩個高摻雜的區(qū)，通過金屬鋁引出兩個電極分別作為源極,S,和漏極,D,，再在半導體表面覆蓋一層二氧化硅絕緣層，在源漏極之間的絕緣層上制作一鋁電極，作為柵極,G,4.1,絕緣柵場效應(yīng)管,(MOSFET),第,4,章場效應(yīng)管及其電路,(a),結(jié)構(gòu)示意圖,(b),電路符號,圖,4-1 N,溝道增強型,MOS,管,4.1,絕緣柵場效應(yīng)管,(MOSFET),第,4,章場效應(yīng)管及其電路,2,工作原理,(1),柵源電壓時的,情況,如圖,4-2,所示，漏源之間為一條由半導體,N-P-N,組成的兩個反向串聯(lián)的,PN,結(jié)，因此即使加入漏源電壓，因無導電溝道形成，漏極電流圖,4-2,時的情況,4.1,絕緣柵場效應(yīng)管,(MOSFET),第,4,章場效應(yīng)管及其電路,2,工作原理,如圖,4-3,所示，由,P,型半導體轉(zhuǎn)化成的,N,型薄層，被稱為反型層反型層使漏源之間形成一條由半導體,N-N-N,組成的導電溝道若此時加入漏源電壓，就會有漏極電流產(chǎn)生2),柵源電壓，漏源電壓時的情況,柵源電壓,漏源電壓時的情況,圖,4-3,4.1,絕緣柵場效應(yīng)管,(MOSFET,),第,4,章場效應(yīng)管及其電路,3,特性曲線,(1),轉(zhuǎn)移特性曲線,轉(zhuǎn)移特性曲線是指,增強型,NMOS,管在漏源電壓,一定時，輸出電流與輸入電壓的關(guān)系曲線，,即,轉(zhuǎn)移特性曲線的表達式為,是時的值,為開啟電壓,。

圖,4-4,轉(zhuǎn)移,特性曲線,（,4-1,）,4.1,絕緣柵場效應(yīng)管,(MOSFET),第,4,章場效應(yīng)管及其電路,(2),輸出特性曲線,輸出特性是指增強型,NMOS,管在柵源電壓一定時，輸出電流與漏源電壓的關(guān)系曲線，如圖,4-5,所示，其函數(shù)關(guān)系式為,圖,4-5,輸出特性曲線,4.1,絕緣柵場效應(yīng)管,(MOSFET),第,4,章場效應(yīng)管及其電路,4.1.2 P,溝道增強型場效應(yīng)管,(PMOS,管,),P,溝道增強型,MOS,管和,N,溝道增強型,MOS,管的主要區(qū)別在于作為襯底的半導體材料的類型不同，,P,溝道增強型,MOS,管以,N,型硅作為襯底，另外，漏極和源極是從引出，反型層為,P,型，對應(yīng)的導電溝道也為,P,型結(jié)構(gòu)，其符號如圖,4-6,所示實際應(yīng)用中，常常將,P,溝道增強型,MOS,管和,N,溝道增強型,MOS,管結(jié)合起來使用，稱為,CMOS,，也可稱為互補,MOS,圖,4-6 P,溝道增強型,MOS,管電路符號,4.1,絕緣柵場效應(yīng)管,(MOSFET),第,4,章場效應(yīng)管及其電路,4.1.3 N,溝道耗盡型場效應(yīng)管,N,溝道耗盡型,MOS,管在制造時，在二氧化硅絕緣層中預(yù)先摻入了大量的正離子。

因而使,P,襯底表面也可感應(yīng)出較多的自由電子，形成反型層，建立起導電溝道,其結(jié)構(gòu)如圖,4-7,（,a,）所示將時有導電溝道存在的場效應(yīng)管通稱為耗盡型場效應(yīng)管，符號中導電溝道用實線表示4.1,絕緣柵場效應(yīng)管,(MOSFET),第,4,章場效應(yīng)管及其電路,(a),結(jié)構(gòu)示意圖,(b),電路符號,N,溝道耗盡型,MOS,管其漏極電流和柵源電壓之間的關(guān)系表達式為,圖,4-7 N,溝道耗盡型,MOS,管,(4-2),4.1,絕緣柵場效應(yīng)管,(MOSFET),第,4,章場效應(yīng)管及其電路,4.1.4 P,溝道耗盡型場效應(yīng)管,P,溝道耗盡型,MOS,管除了漏極、源極和襯底的半導體材料類型與,N,溝道耗盡型,MOS,管的對偶外，還有一個明顯的區(qū)別就是在二氧化硅絕緣層中摻入的是負離子，其符號如圖,4-8,所示圖,4-8 P,溝道耗盡型,MOS,管電路符號,4.2,結(jié)型場效應(yīng)管,(JFET),第,4,章場效應(yīng)管及其電路,4.2.1,結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu),結(jié)型場效應(yīng)管其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖,4-9,所示，與絕緣柵型場效應(yīng)管不同的是漏極,D,和源極,S,通?？梢詫φ{(diào)使用結(jié)型場效應(yīng)管也可分為,N,溝道和,P,溝道兩種。

圖,4-9,結(jié)型場效應(yīng)管,4.2,結(jié)型場效應(yīng)管,(JFET),第,4,章場效應(yīng)管及其電路,4.2.2,結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理,圖,4-10,時，對導電溝道的影響,4.2,結(jié)型場效應(yīng)管,(JFET),第,4,章場效應(yīng)管及其電路,如圖,4-10(a),所示，場效應(yīng)管兩側(cè)的,PN,結(jié)均處于零偏置，因此耗盡層很薄，中間的導電溝道最寬，溝道等效電阻最小當時，在作用下，場效應(yīng)管兩側(cè)的耗盡層加寬，相應(yīng)的中間導電溝道變窄，溝道等效電阻增大，如圖,4-10(b),所示當的反偏值增大到某一值時，場效應(yīng)管兩側(cè)的耗盡層相接，導電溝道消失，這種現(xiàn)象稱為夾斷，如圖,4-10(c),所示，發(fā)生夾斷時的柵源電壓即為夾斷電壓此時，溝道等效電阻趨于無窮大，即使加入，漏極電流依然為零4.2,結(jié)型場效應(yīng)管,(JFET),第,4,章場效應(yīng)管及其電路,4.2.3,特性曲線,1,輸出特性曲線,圖,4-11 N,溝道,JFET,特性曲線,圖,4-11(a),就是,N,溝道結(jié)型場效應(yīng)管的輸出特性曲線，由圖可見，其工作狀態(tài)分為四個區(qū)域4.2,結(jié)型場效應(yīng)管,(JFET),第,4,章場效應(yīng)管及其電路,(1),可變電阻區(qū),較小，場效應(yīng)管尚未出現(xiàn)預(yù)夾斷的區(qū)域。

該工作區(qū)的特點是：與近似成線性關(guān)系，改變曲線斜率就發(fā)生變化因此，工作在該區(qū)的場效應(yīng)管可以看作是一個受柵源電壓控制的可變電阻，即壓控電阻2),恒流區(qū),較大超過，輸出特性曲線趨于水平的區(qū)域在這一區(qū)域內(nèi)，與無關(guān)，只受控制，是一個受電壓控制的電流源場效應(yīng)管作為放大器件應(yīng)用時，均工作在這一區(qū)域，所以又稱為放大區(qū)4.2,結(jié)型場效應(yīng)管,(JFET),第,4,章場效應(yīng)管及其電路,(,3),擊穿區(qū),值很大，超過漏源擊穿電壓，漏極電流迅速上升，對應(yīng)輸出特性曲線上翹的部分擊穿后場效應(yīng)管不能正常工作，甚至很快燒毀，因此，不允許場效應(yīng)管工作在此區(qū)域4),截止區(qū),輸出特性曲線靠近橫軸，漏極電流的區(qū)域此時，導電溝道被完全夾斷，故也被稱為夾斷區(qū)4.2,結(jié)型場效應(yīng)管,(JFET),第,4,章場效應(yīng)管及其電路,2,轉(zhuǎn)移特性曲線,在,N,溝道,JFET,轉(zhuǎn)移特性曲線上，處的,而處的在恒流區(qū)，與之間的關(guān)系可近似表示為,條件為：,4.2,結(jié)型場效應(yīng)管,(JFET),第,4,章場效應(yīng)管及其電路,4.2.4,場效應(yīng),管的主要參數(shù)及使用注意事項,1,場效應(yīng)管的主要參數(shù),(,1),夾斷電壓,為耗盡型管子,(,含結(jié)型,),的參數(shù),是指,u,DS,為某一定值而,i,D,減小到某一微小值時的,u,GS,值。

在轉(zhuǎn)移特性曲線上，處的值即為 2),飽和漏極電流,為耗盡型管子的參數(shù)，是在時，場效應(yīng)管處于預(yù)夾斷時的漏極電流在轉(zhuǎn)移特性曲線上，處的值即為 4.2,結(jié)型場效應(yīng)管,(JFET),第,4,章場效應(yīng)管及其電路,(,3),開啟電壓,為增強型,MOS,管的特有參數(shù)，是指為某一定值，使漏極電流為某一微小值,(,接近于,0),時所需的最小值4),低頻跨導,在為某一常數(shù)時，的微變量與相應(yīng) 的微變量之比值，即,反映了柵源電壓對漏極電流的控制能力，是表征,FET,放大能力的一個重要參數(shù)4-3),4.2,結(jié)型場效應(yīng)管,(JFET),第,4,章場效應(yīng)管及其電路,2,使用注意事項,場效應(yīng)管的漏極和源極通常情況下可以互換使用，但對于出廠時已將源極和襯底連接在一起的場效應(yīng)管，使用時應(yīng)注意漏極和源極不能對調(diào)2),使用時各場效應(yīng)管外加電壓的極性應(yīng)按規(guī)定接入，特別是結(jié)型場效應(yīng)管應(yīng)注意柵源間加反偏電壓，以保證較高的輸入電阻4.2,結(jié)型場效應(yīng)管,(JFET),第,4,章場效應(yīng)管及其電路,(3),MOS,管應(yīng)注意防止柵極懸空，以免絕緣層因電荷積累過多無法泄放，導致柵源電壓升高而擊穿二氧化硅絕緣層，所以貯存時應(yīng)將三個電極短路，焊接時應(yīng)用導線將各電極連在一起，并且電烙鐵必須良好接地。

4),MOS,管中若源極與襯底分開，應(yīng)保證襯源間,PN,結(jié)反偏通常,P,襯底接低電位，,N,襯底接高電位4.3,場效應(yīng)管放大電路,第,4,章場效應(yīng)管及其電路,4.3.1,共源放大電路,1,自偏壓電路,圖,4-12,自偏壓電路,電路如圖,4-12,所,示，場效應(yīng)管的直流偏壓是靠,源極電阻,R,s,上,的直流壓降建立的，即,放大電路的柵偏壓是依靠,FET,自身電流產(chǎn)生的，故稱為自偏壓電路只適合由耗盡型,FET(,含,JFET),構(gòu)成的放大電路4-4),4.3,場效應(yīng)管放大電路,第,4,章場效應(yīng)管及其電路,2.,分壓式自偏壓電路,圖,4-13,分壓式自偏壓電路,電路的直流偏壓是靠分壓電阻,R,g1,、,R,g2,和源極電阻,R,s,共同建立的，其值為,(4-5),4.3,場效應(yīng)管放大電路,第,4,章場效應(yīng)管及其電路,(1),靜態(tài)分析,增強型,耗盡型,求得,I,D,和,U,GS,后,，再求,4.3,場效應(yīng)管放大電路,第,4,章場效應(yīng)管及其電路,(2),動態(tài)分析,FET,的簡化,H,參數(shù)等效電路,圖,4-14 FET,簡化,H,參數(shù)等效電路,4.3,場效應(yīng)管放大電路,第,4,章場效應(yīng)管及其電路,圖,4-15 FET,簡化,H,參數(shù)等效電路,4.3,場效應(yīng)管放大電路,第,4,章場效應(yīng)管及其電路,電壓放大倍數(shù),負號說明共源放大電路的輸出電壓與輸入電壓反相。

輸入電阻,根據(jù)圖,4-15,所示的,H,參數(shù)等效電路，進行動態(tài)分析,(4-6,),(4-7),輸出電阻,采用“分析法”，可求得輸出電阻,(4-8),4.3,場效應(yīng)管放大電路,第,4,章場效應(yīng)管及其電路,4.3.2,共漏放大電路,圖,4-16,是由增強型,NMOS,管構(gòu)成的共漏放大電路，由其交流通路可知，漏極為輸入、輸出回路的公共端由于信號從源極輸出，故又稱源極輸出器圖,4-16,共漏放大電路,4.3,場效應(yīng)管放大電路,第,4,章場效應(yīng)管及其電路,1.,靜態(tài)分析,直流電路為分壓式自偏壓電路，其靜態(tài)分析與之相同2.,動態(tài)分析,共漏放大,電路動態(tài)分析類似于第,3,章中共,集放大電路,略4.3,場效應(yīng)管放大電路,第,4,章場效應(yīng)管及其電路,圖,4-17,共漏放大,電路簡化,H,參數(shù),等效電路,其,簡化,H,參數(shù)等效電路如圖,4-17,所示，源極輸出器電壓放大倍數(shù)接近于,1,、輸入電阻高和輸出電阻低的特點，只不過源極輸出器的輸入電阻要比射極輸出器大得多，通?？蛇_幾十兆歐,4.3,場效應(yīng)管放大電路,第,4,章場效應(yīng)管及其電路,4.3.3,復(fù)合互補源極跟隨器,場效應(yīng)管源極跟隨器的輸入電阻可以做得很高，而輸出電阻不是很低，且。

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