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1、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 場效應管及其電路,4.3,場效應管放大電路,4.3.1,共源放大電路,4.3.2,共漏放大電路,4.3.3,復合互補源極跟隨器,第,4,章 場效應管及其電路,【,本章難點,】,MOS,管的原理和轉移特性及主要參數,場效應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,結型場效應管原理、特性及主要參數,場效應管放大電路的組成與原理,第,4,章 場效應管及其電路,場效應管,(FET),是一種電壓控制器件，它是利用輸入電壓產生電場效應來控制輸出電流的。它具有輸入電阻高、噪聲低
2、、熱穩定性好、耗電省等優點，目前已被廣泛應用于各種電子電路中。,場效應管按其結構不同分為結型,(JFET),和絕緣柵型,(IGFET),兩種，其中絕緣柵型場效應管由于其制造工藝簡單，便于大規模集成，因此應用更為廣泛。,4.1,絕緣柵場效應管,(MOSFET,),第,4,章 場效應管及其電路,絕緣柵型場效應管,簡稱,MOS,管，由于其內部由金屬,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,溝道增強型場效應管,(NMOS,管,),1,結構,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
3、雜的 區，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,絕緣柵場效應管,(MOSFET),第,4,章 場效應管及其電路,(a),結構示意圖,(b),電路符號,圖,4-1 N,溝道增強型,MOS,管,4.1,絕緣柵場效應管,(MOSFET),第,4,章 場效應管及其電路,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的,PN,結，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
4、柵場效應管,(MOSFET),第,4,章 場效應管及其電路,2,工作原理,如圖,4-3,所示，由,P,型半導體轉化成的,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,絕緣柵場效應管,(MOSFET,),第,4,章 場效應管及其電路,3,特性曲線,(1),轉移特性曲線,轉移特性曲線是指,增強型,NMOS,管在漏源電壓,一定時，輸出電流 與輸入電壓 的關系曲線，,即,轉移特性曲線的表達式為,是 時的 值,為開啟電壓,。,
5、圖,4-4,轉移,特性曲線,（,4-1,）,4.1,絕緣柵場效應管,(MOSFET),第,4,章 場效應管及其電路,(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 的關系曲線，如圖,4-5,所示，其函數關系式為,圖,4-5,輸出特性曲線,4.1,絕緣柵場效應管,(MOSFET),第,4,章 場效應管及其電路,4.1.2 P,溝道增強型場效應管,(PMOS,管,),P,溝道增強型,MOS,管和,N,溝道增強型,MOS,管的主要區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
6、為,P,型，對應的導電溝道也為,P,型結構，其符號如圖,4-6,所示。,實際應用中，常常將,P,溝道增強型,MOS,管和,N,溝道增強型,MOS,管結合起來使用，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,絕緣柵場效應管,(MOSFET),第,4,章 場效應管及其電路,4.1.3 N,溝道耗盡型場效應管,N,溝道耗盡型,MOS,管在制造時，在二氧化硅絕緣層中預先摻入了大量的正離子。因而使,P,襯底表面也可感應出較多的自由電子，形成反型層，建立起導電溝道,其結構如圖,4-7,（,a,）所示。,將 時有導電溝道存在的場效應管通稱為耗盡型場效應
7、管，符號中導電溝道用實線表示。,4.1,絕緣柵場效應管,(MOSFET),第,4,章 場效應管及其電路,(a),結構示意圖,(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,絕緣柵場效應管,(MOSFET),第,4,章 場效應管及其電路,4.1.4 P,溝道耗盡型場效應管,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
8、符號,4.2,結型場效應管,(JFET),第,4,章 場效應管及其電路,4.2.1,結型場效應管的結構,結型場效應管其內部結構如圖,4-9,所示，與絕緣柵型場效應管不同的是漏極,D,和源極,S,通常可以對調使用。結型場效應管也可分為,N,溝道和,P,溝道兩種。,圖,4-9,結型場效應管,4.2,結型場效應管,(JFET),第,4,章 場效應管及其電路,4.2.2,結型場效應管的工作原理,圖,4-10,時，對導電溝道的影響,4.2,結型場效應管,(JFET),第,4,章 場效應管及其電路,如圖,4-10(a),所示，場效應管兩側的,PN,結均處于零偏置，因此耗盡層很薄，中間的導電溝道最寬，溝道等
9、效電阻最小。當 時，在 作用下，場效應管兩側的耗盡層加寬，相應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，場效應管兩側的耗盡層相接，導電溝道消失，這種現象稱為夾斷，如圖,4-10(c),所示，發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,結型場效應管,(JFET),第,4,章 場效應管及其電路,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,溝道結型場效應管的輸出特性曲線，由圖可見，其工作狀態分為四個區域。,4.2,結
10、型場效應管,(JFET),第,4,章 場效應管及其電路,(1),可變電阻區,較小，場效應管尚未出現預夾斷的區域。該工作區的特點是：與 近似成線性關系，改變 曲線斜率就發生變化。因此，工作在該區的場效應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,較大超過 ，輸出特性曲線趨于水平的區域。在這一區域內，與 無關，只受 控制，是一個受電壓控制的電流源。場效應管作為放大器件應用時，均工作在這一區域，所以又稱為放大區。,4.2,結型場效應管,(JFET),第,4,章 場效應管及其電路,(,3),擊穿區,值很大，超過漏源擊穿電壓 ，漏極電流 迅速上升，對應輸出特性曲線上翹的部分
11、。擊穿后場效應管不能正常工作，甚至很快燒毀，因此，不允許場效應管工作在此區域。,(4),截止區,輸出特性曲線靠近橫軸，漏極電流 的區域。此時，導電溝道被完全夾斷，故也被稱為夾斷區。,4.2,結型場效應管,(JFET),第,4,章 場效應管及其電路,2,轉移特性曲線,在,N,溝道,JFET,轉移特性曲線上，處的,而 處的 。在恒流區，與 之間的關系可近似表示為,條件為：,4.2,結型場效應管,(JFET),第,4,章 場效應管及其電路,4.2.4,場效應,管的主要參數及使用注意事項,1,場效應管的主要參數,(,1),夾斷電壓,為耗盡型管子,(,含結型,),的參數,是指,u,DS,為某一定值而,i
12、,D,減小到某一微小值時的,u,GS,值。在轉移特性曲線上，處的 值即為 。,(,2),飽和漏極電流,為耗盡型管子的參數，是在 時，場效應管處于預夾斷時的漏極電流。在轉移特性曲線上，處的 值即為 。,4.2,結型場效應管,(JFET),第,4,章 場效應管及其電路,(,3),開啟電壓,為增強型,MOS,管的特有參數，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 為某一常數時，的微變量與相應 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。,(4-3),4.2,結型場效應管,(JFET
13、),第,4,章 場效應管及其電路,2,使用注意事項,場效應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管，使用時應注意漏極和源極不能對調。,(2),使用時各場效應管外加電壓的極性應按規定接入，特別是結型場效應管應注意柵源間加反偏電壓，以保證較高的輸入電阻。,4.2,結型場效應管,(JFET),第,4,章 場效應管及其電路,(3),MOS,管應注意防止柵極懸空，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，所以貯存時應將三個電極短路，焊接時應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，應保
14、證襯源間,PN,結反偏。通常,P,襯底接低電位，,N,襯底接高電位。,4.3,場效應管放大電路,第,4,章 場效應管及其電路,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,自身電流產生的，故稱為自偏壓電路。只適合由耗盡型,FET(,含,JFET),構成的放大電路。,(4-4),4.3,場效應管放大電路,第,4,章 場效應管及其電路,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
15、阻,R,s,共同建立的，其值為,(4-5),4.3,場效應管放大電路,第,4,章 場效應管及其電路,(1),靜態分析,增強型,耗盡型,求得,I,D,和,U,GS,后,，再求,4.3,場效應管放大電路,第,4,章 場效應管及其電路,(2),動態分析,FET,的簡化,H,參數等效電路,圖,4-14 FET,簡化,H,參數等效電路,4.3,場效應管放大電路,第,4,章 場效應管及其電路,圖,4-15 FET,簡化,H,參數等效電路,4.3,場效應管放大電路,第,4,章 場效應管及其電路,電壓放大倍數,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,根據圖,4-15,所示的,H,參數等效電路
16、，進行動態分析,(4-6,),(4-7),輸出電阻,采用“分析法”，可求得輸出電阻,(4-8),4.3,場效應管放大電路,第,4,章 場效應管及其電路,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,場效應管放大電路,第,4,章 場效應管及其電路,1.,靜態分析,直流電路為分壓式自偏壓電路，其靜態分析 與之相同。,2.,動態分析,共漏放大,電路動態分析類似于第,3,章中共,集放大電路,略。,4.3,場效應管放大電路,第,4,章 場效應管及其電路,圖,4-17,共漏放大,電路簡化,H,參數,等效電路,其,簡化,H,參數等效電路如圖,4-17,所示，源極輸出器電壓放大倍數接近于,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，通常可達幾十兆歐,。,4.3,場效應管放大電路,第,4,章 場效應管及其電路,4.3.3,復合互補源極跟隨器,場效應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
第4章模擬電子課件
