第三章场效应管放大电路

第三章场效应管放大电路延安大学西安创新学院

第三章场效应管放大电路

3.1 结型场效应管

3.2 绝缘栅场效应管

3.3 场效应管的主要参数

3.4 场效应管的特点

3.5 场效应管放大电路


3.1 结型场效应管

D

G

S

D

G

S

(a ) N 型沟道

P £« P £«

N型沟道

源极

栅极

漏极 D

G

S

(b ) P 型沟道

N £« N £«

P型沟道

源极

栅极

漏极

D

G

S

(c ) N 沟道 (d ) P 沟道

图 3-1 结型场效应管的结构示意图和符号

3.1.1 结构


3.1.2 工作原理

N型沟道

D

G

S

(a ) U GS £½0

P £« P £«

ID £½0

NÐÍ¹µµÀ

D

G

S

(b ) U GS £¼0

P £« P £«

ID £½0

U G S

D

G

S

(c ) U GS £½ £ U P

P £« P £«

ID £½0

U G S

图 3-2 当 UDS=0 时 UGS 对导电沟道的影响示意

1. UGS 对导电沟道的影响


2. ID 与 UDS 、 UGS 之间的关系

N

D

G

S

(a ) U GS £¼0, U DG £¼|U P |

U DS

ID

U GS

N

D

G

S

U DS

U GS

ID

P P PP

IS IS

(b ) UGS

£¼0 , UDG

£¼|UP

| 预夹断

D

G

S

U DS

U GS

ID

P P

IS

(c ) UGS

¡ÜUP

, UDG

£¾|UP

| 夹断

图 3-3 UDS 对导电沟道和 ID 的影响


3.1.3 特性曲线

1. 输出特性曲线常数GSUDSD UfI )(

iD / mA

6

5

4

3

2

1

uDS / V0 4 8 12

£ 3 V

£ 2 V

£ 1V

u GS £½0 V

16 20 24

RDS小

RDS ´ó

击穿区

U P£½£ 4 V

BU DSS截止区

可变电阻区(恒流区放大)区

uDS £½u GS £ U P

图3--4N

沟道结型场效应管的输出特

性


根据工作情况 , 输出特性可划分为 4 个区域 , 即 :

可变电阻区、恒流区、击穿区和截止区。


2. 转移特性曲线

常数DSUGSD UfI )(

iD / mA

6

5

4

3

2

1

uGS / V

DS

U P£½£ 4 V

0£ 1£ 2£ 3£ 4

IDSS

图 3- 5 N 沟道结型场效应管的转移特性曲线

2

1

P

GSDSSD U

UII


iD / mA iD / mA

6 6

5 5

4 4

3 3

2 2

1 1

u GS / V uDS / V0 U DS4 8 U DS 12

£ 4 V

£ 3 V

£ 2 V

£ 1 V

U GS £½04

3

2

1

U DS £½U DS

4¡ä

3¡äU DS £½U DS

2¡ä

1¡äU P

0£ 1£ 2£ 3£ 412

1

2

图 3-6 由输出特性画转移特性


3.2 绝缘栅场效应管 3.2.1 N 沟道增强型 MOS 场效应管1. 结构

N £« N £«

P 型衬底

S G DSiO 2 铝

B

图 3-7 N 沟道增强型 MOS 场效应管的结构示意图


2. 工作原理

N £« N £«

P 型衬底

S

G

D

U GS

B

U DS

N 型沟道

图 3-8UGS ＞ UT 时形成导电沟道


3. 特性曲线

iD / mA

10 A

0 U T uG S / V U G S £½U T

0截止区

iD / mA可变电阻区恒流区击穿区

U D S £½U GS £ U T 轨迹

uD S / V

(a ) ×ªÒÆÌØÐÔ (b ) Êä³öÌØÐÔ

图 3 – 9 N 沟道增强型 MOS 场效应管的特性曲线


3.2.2 N 沟道耗尽型 MOS 场效应管

N £« N £«

P型衬底

S G D

掺杂在绝缘层中的正离子

£«£« £« £«£« £«£« £«£«£« £«

N型沟道

衬底引线

图 3-10 N 沟道耗尽型 MOS 管的结构示意图


OU PuGS

IDSS

(a ) 转移特性

IDSS

0

1

2

3

4

5 10 15

£ 3 V

uDS / V

(b ) 输出特性

£ 2 V

£ 1 V

£«1 V

U GS £½ 0 V

iD iD / mA

20

图 3-11 N 沟道耗尽型 MOS 场效应管的特性曲线


G

D

S

衬底

(a ) N 沟道增强型

G

D

S

衬底

(b ) N 沟道耗尽型

G

D

S

(c ) N 沟道 MOS 管简化符号

G

D

S

衬底

(d ) P 沟道增强型

G

D

S

衬底

(e ) P 沟道耗尽型

G

D

S

( f ) P 沟道 MOS 管简化符号

图 3-12 MOS 场效应管电路符号

第三章场效应管放大电路延安大学西安创新学院表 3-1 各种场效应管的符号和特性曲线

类型符号和极性转移特性输出特性

uGS

O

IDSS

iD

UP

uGS

O

IDSS

iD U

P

－i

－ uDS

O

uGS

＝ 0 V

＋ 1 V

D

＋ 2 V＋ 3 V

uGS

＝UP＝＋ 4 V

uDS

O

uGS

＝ 0 V

－ 1 V

iD

－ 2 V－ 3 V

uGS

＝UP＝－ 4 V

uDS

O

uGS

＝ 5 ViD

3 V

uGS

＝UT＝＋ 2 V

4 V

uGS

iD

O UT

G

S

D+

－

iD

－+

G

S

D

+

－iD

－

+

G

S

D+

－

iD

－

+B

JFETP沟道

JFETN沟道

增强型N MOS


uGS

O

iD

UP

IDSS

iD

OU

TuGS

uGSO

IDSS

iD U

P

uDS

O

uGS

＝ 0 V

iD

－ 2 V

uGS

＝UP＝－ 4 V

＋ 2 V

－ iD

－ 5 V

uGS

＝UT＝－ 3 V

O － uDS

－ 4 V

uGS

＝－ 6 V

－iD － 2 V

uGS

＝UP＝＋ 4 V

O － uDS

＋ 2 V

uGS

＝0 V

G

S

D+

－

iD

B+

－

G

S

D

+

－iD

－+

B

G

S

D

+

－iD

B－+

耗尽型N MOS

增强型P MOS

耗尽型P MOS

表 3-1 续表


3.3 场效应管的主要参数

3.3.1 直流参数

1. 饱和漏极电流 IDSS

2. 夹断电压 UP

• 开启电压 UT

4. 直流输入电阻 RGS


2. 夹断电压 UP

UP 也是耗尽型和结型场效应管的重要参数 , 其定义为当 UDS 一定时 , 使 ID 减小到某一个微小电流 ( 如1μA, 50μA) 时所需的 UGS 值。

1. 饱和漏极电流 IDSS

IDSS 是耗尽型和结型场效应管的一个重要参数 ,

它的定义是当栅源之间的电压 UGS 等于零 , 而漏、源之间的电压 UDS 大于夹断电压 UP 时对应的漏极电流。


3. 开启电压 UT

UT 是增强型场效应管的重要参数 , 它的定义是当

UDS 一定时 , 漏极电流 ID 达到某一数值 ( 例如 10μA)

时所需加的 UGS 值。 4. 直流输入电阻 RGS

RGS 是栅、源之间所加电压与产生的栅极电流之比。由于栅极几乎不索取电流 , 因此输入电阻很高。结型为 106 Ω 以上 , MOS 管可达 1010Ω 以上。


3.3.2 交流参数1. 低频跨导 gm

常数

DSU

GS

Dm U

Ig

跨导 gm 的单位是 mA/V 。它的值可由转移特性或输出特性求得。

)1(2

P

GS

P

DSS

GS

Dm U

U

U

I

U

Ig


iD / mA iD / mA

Q

O

uGS / VU GS

ID

(a ) ×ªÒÆÌØÐÔ (b ) Êä³öÌØÐÔ

u DS / VO

ID

QU GS

uDS £½常数

3-13 根据场效应管的特性曲线求 gm


2. 极间电容

场效应管三个电极之间的电容 , 包括CGS 、 CGD 和 CDS 。这些极间电容愈小 , 则管子的高频性能愈好。一般为几个 pF 。


3.3.3 极限参数

1. 漏极最大允许耗散功率 PDm

PDm 与 ID 、 UDS 有如下关系 :

DSDDm UIP

这部分功率将转化为热能 , 使管子的温度升高。 PDm

决定于场效应管允许的最高温升。

2. 漏、源间击穿电压 BUDS

在场效应管输出特性曲线上 , 当漏极电流 ID 急剧上升产生雪崩击穿时的 UDS 。工作时外加在漏、源之间的电压不得超过此值。


3. 栅源间击穿电压 BUGS

结型场效应管正常工作时 , 栅、源之间的 PN 结处于

反向偏置状态 , 若 UGS 过高 , PN 结将被击穿。

对于 MOS 场效应管 , 由于栅极与沟道之间有一层很

薄的二氧化硅绝缘层 , 当 UGS 过高时 , 可能将 SiO2 绝缘

层击穿 , 使栅极与衬底发生短路。这种击穿不同于 PN 结击穿 , 而和电容器击穿的情况类似 , 属于破坏性击穿 ,

即栅、源间发生击穿 , MOS 管立即被损坏。


3.4 场效应管的特点

(1) 场效应管是一种电压控制器件 , 即通过 UGS 来控制

ID 。

(2) 场效应管输入端几乎没有电流 , 所以其直流输入电阻

和交流输入电阻都非常高。

(3) 由于场效应管是利用多数载流子导电的 , 因此 , 与双

极性三极管相比 , 具有噪声小、受幅射的影响小、热稳定性

较好而且存在零温度系数工作点等特性。

场效应管具有放大作用，可以组成各种放大电路，与双极性三极管相比，具有以下特点：


(4) 由于场效应管的结构对称 , 有时漏极和源极可以互换使用 , 而各项指标基本上不受影响 , 因此应用时比较方便、灵活。

(5) 场效应管的制造工艺简单 , 有利于大规模集成。

(6) 由于 MOS 场效应管的输入电阻可高达 1015Ω, 因此 ,

由外界静电感应所产生的电荷不易泄漏 , 而栅极上的 SiO2

绝缘层又很薄 , 这将在栅极上产生很高的电场强度 , 以致引起绝缘层击穿而损坏管子。

(7) 场效应管的跨导较小 , 当组成放大电路时 , 在相同的负载电阻下 , 电压放大倍数比双极型三极管低。


iD

O uGS

零温度系数工作点

T 3

T 2

T 1

T 1£¾T 2£¾T 3

图 3 – 14 场效应管的零温度系数工作点


D

S

GR

VD1

VD2

图 3-15 栅极过压保护电路


3.5 场效应管放大电路

3.5.1 静态工作点与偏置电路

RS

C 1

C 2

RD

£«U DD

RL

£«

£

RG

G

£«

C S

D

S

U i¡¤

ID

U o¡¤

图 3 – 16 自给偏压电路

SDGS RIU


1. 图解法

)( SDDDDDS RRIUU

iD / mA iD / mA

AC

Q

DO O

uGS / V 5 10 15 20 uDS / V

B

Q

£ 3 V

£ 2.5 V

£ 2 V

£ 1.5 V

£ 1 V

£ 0.5 V

u GS £½0

图 3 – 17 求自给偏压电路 Q 点的图解


2. 计算法

2

1

P

GSDSSD U

UII

IDSS 为饱和漏极电流 ,UP 为夹断电压 , 可由手册查出。


【例 1】电路如图 3 - 16 所示 , 场效应管为 3DJG, 其输出特性曲线如图 3 - 18 所示。已知 RD=2 kΩ, RS=1.2

kΩ,UDD=15V, 试用图解法确定该放大器的静态工作点。

解写出输出回路的电压电流方程 , 即直流负载线方程

)( SDDDDDS RRIUU

设

VUmAI

mARR

UIVU

DSD

SD

DDDDS

150

7.42.12

150

时，

时，


在输出特性图上将上述两点相连得直流负载线。

£ 6 £ 4 £ 2 0 5 7 10 15£ uGS / V

5

6

4

3

2

1

£ 1£ 2

£ 3

£ 4£ 5

£ 6u DS / V

iD / mA

Q

u GS £½0 V

图 3-18 图解法确定工作点 ( 例 1)


在转移特性曲线上 , 作出 UGS=-IDRS 的曲线。由上式可看出它在 uGS~iD坐标系中是一条直线 , 找出两点即可。令

VUmAI

UI

GSD

GSD

6.3,3

0,0

连接该两点 , 在 uGS~iD坐标系中得一直线 , 此线与转移特性曲线的交点 , 即为 Q 点 , 对应 Q 点的值为 :

VUVUmAI DSGSD 7,3,5.2


SDDDSGGS RIURR

RUUU

12

1

另一种常用的偏置电路为分压式偏置电路 , 如图 3 -

19 所示。该电路适合于增强型和耗尽型 MOS 管和结型场效应管。为了不使分压电阻 R1 、 R2 对放大电路的输入

电阻影响太大 , 故通过 RG 与栅极相连。该电路栅、源

电压为


RS

C 1

C 2RD

£«U DD

RL

£«

£

R1

C S

U i

R2

RG

£«

£

U o

图 3-19 分压式偏置电路


利用图解法求 Q 点时 , 此方程的直线不通过 uGS~iD

坐标系的原点 , 而是通过 ID=0, 点 , 其它过程与自偏电路相同。

DDGS URR

RU

12

1

利用计算法求解时 , 需联立解下面方程组

2

21

1

1P

GSDSSD

SDDDGS

U

UII

RIURR

RU


3.5.2 场效应管的微变等效电路

DS

DS

GSDS

UGS

D

D

UGS

Dm

DSUDS

DGSU

GS

DD

DSGSD

u

i

r

u

ig

duu

idu

u

idi

uufi

1

),(

求微分式

定义

场效应管仅存关系 :

(3-13)


如果用 id 、 ugs 、 uds 分别表示 iD 、 uGS 、 uDS 的变化部分 , 则式 (3-13) 可写为

dsD

gsmd ur

ugi1

P

GS

P

DSSm U

U

U

Ig 1

2

P

DSSm U

Ig

20

P

GSmm U

Ugg 10


3.5.3 共源极放大电路

RG

£«

£

gm U gs

R1

RD RL

R2

£«

£

U iU gs U o

G

S

Id D

图 3 – 20 共源极放大电路微变等效电路


1. 电压放大倍数 (Au)

'Lgsmo

i

ou

RUgU

U

UA

式中 ,

'

' ,//

Lmi

Ou

igsLDL

RgU

UA

UURRR

所以。而


2. 输入电阻 ri

21 // RRRr Gi

3. 输出电阻ro

Do Rr


3.5.4 共漏放大器 ( 源极输出器 )

1. 电压放大倍数(Au)

i

ou U

UA

式中 , 。而LSL RRR //'

oigsogsi UUUUUU ,

所以 ')( Loimo RUUgU

'Lgsmo RUgU


整理后得

'

'

1 Lm

iLmo Rg

URgU

于是得

'

'

1 Lm

Lmu Rg

RgA


RSRL

£«

£

RG

U s

£«

£

U o

¡äR s

£«

£

U i

£«

(a ) 电路

RS

D

RL

RG

U s

£«£

U gs¡äR s

£«

(b ) µÈÐ§电路

gm U gs

£

U o

£«U DD

G

S

RS

D

SRG £«

£

U gs

¡äR s

£«gm U gs

£

U 2

G

(c ) 输出电阻的计算

图 3-21 源极输出器


2. 输入电阻ri

Gi Rr

3. 输出电阻 ro

222

2

1U

RgUg

R

UI

Smm

s

gsms

UgR

UI 2

2

令 Us=0, 并在输出端加一信号 U2 。

Sm

sm

o Rg

RgI

Ur //

11

1

2

2


【例 3 】计算例 2 电路 3-19 的电压放大倍数、输入电阻、输出电阻。电路参数及管子参数如例 2, 且RL=1MΩ,CS=100μF 。

解由例 2已求得该电路的静态工作点 ,UGS=-1.1V,

ID=0.61mA, 则根据 (3-17)式得

MkRRRr

RgA

VmAg

Gi

Lmu

m

04.1103815050

150501000//

12.3100010

100010312.0

/312.0)5

1.11(

5

12

21

'


【例 4 】计算图 3 - 21(a) 源极输出器的Au 、 ri 、 ro 。 (已知 RG=5MΩ, RS=10 kΩ,RL=10 kΩ, 场效应管 gm=4mA/V)

解由于 gm已给出 , 所以可不计算直流状态。95.0

21

20

541

54

1 '

'

Lm

Lmu Rg

RgA

式中。 kRRR LSL 5//'

kRg

r

MRr

Sm

o

Gi

25.04

110//

4

1//

1

5

第三章 场效应管放大电路

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