场效应管放大电路13545

场效应管放大电路13545第四章场效应管放大电路由于半导体三极管工作在放大状态时，必须保证发射结正偏，故输入端始终存在输入电流。改变输入电流就可改变输出电流，所以三极管是电流控制器件，因而三极管组成的放大器，其输入电阻不高。场效应管是通过改变输入电压(即利用电场效应)来控制输出电流的，属于电压控制器件，它不吸收信号源电流，不消耗信号源功率，因此输入电阻十分高，可高达上百兆欧。除此之外，场效应管还具有温度稳定性好，抗辐射能力强、噪声低、制造工艺简单、便于集成等优点，所得到广泛的应用。场效应管分为结型场效应管(JFET)和绝缘栅场效应管(IGFET)，目前最常用的MOS管。由于半导体三极管参与导电的两种极性的载流子，电子和空穴，所以又称为半导体三极管双极性三极管。场效应管仅依靠一种极性的载流子导电，所以又称为单极性三极管。FET－FieldEffecttransistorJFET－JunctionFieldEffecttransistorIGFET－InsulatedGateFieldEffectTransistorMOS－Metal-Oxide-Semiconductor（一）课程内容1 结型场效应管和绝缘栅型场效应管。2 场效应管的主要参数。3 场效应管的特点。4 场效应管放大电路。（二）教学基本要求1 了解结型和绝缘栅型场效应管的结构，工作原理及伏安特性。2 理解场效应管的主要参数。3 理解场效应管的特点。4 了解场效应管放大电路的结构，工作原理，静态和动态。（三）本章重点1 场效应管的结构。2 工作原理及其特点。第四章场效应管放大电路§1结型场效应管一、结构结型场效应管有两种结构形式。N型沟道结型场效应管和P型沟道结型场效应管。以N沟道为例。在一块N型硅半导体材料的的两边，利用合金法、扩散法或其它工艺做成高浓度的P+型区，使之形成两个PN结，然后将两边的P+型区连在一起，引出一个电极，称为栅极G。在N型半导体两端各引出一个电极，分别作为源极S和漏极D。夹在两个PN结中间的N型区是源极与漏极之间的电流通道，称为导电沟道。由于N型半导体多数载流子是电子，故此沟道称为N型沟道。同理，P型沟道结型场效应管中，沟道是P型区，称为P型沟道，栅极与N型区相连。电路符号如图所示，箭头方向可理解为两个PN结的正向导电方向。二、工作原理从结型场效应管的结构可看出，我们在D、S间加上电压UDS，则在源极和漏极之间形成电流ID。我们通过改变栅极和源极的反向电压UGS，则可以改变两个PN结阻档层(耗尽层)的宽度。由于栅极区是高掺杂区，所以阻挡层主要降在沟道区。故|UGS|的改变，会引起沟道宽度的变化，其沟道电阻也随之而变，从而改变了漏极电流ID。如|UGS|上升，则沟道变窄，电阻增加，ID下降。反之亦然。所以改变UGS的大小，可以控制漏极电流。这是场效应管工作的基本原理，也是核心部分。下面我们详细讨论。1．UGS对导电沟道的影响为了便于讨论，先假设UDS=0。(a)UGS=0(b)UGS<0当UGS由零向负值增大时，PN结的阻挡层加厚，沟道变窄，电阻增大。(c)UGS=–Up若UGS的负值再进一步增大，当UGS=–Up时，两个PN结的阻挡层相遇，沟道消失，我们称沟道被“夹断”了，UP称为夹断电压，此时ID=0。2．ID与UDS、UGS之间的关系假定：栅、源电压|UGS|<|Up|，如UGS=–1V，Up=–4V。⑴当UDS=2V时，沟道中将有电流ID通过。此电流将沿着沟道方向产生一个电压降，这样沟道上各点的电位就不同，因而沟道内各点的电位就不同，因而沟道内各点与栅极的电位差也就不相等。漏极端与栅极之间的反向电压最高，如：UDG=UDS–UGS=2–(–1)=3V，沿着沟道向下逐渐降低，源极端为最低，如：USG=–UGS=1V，两个PN结阻挡层将出现楔形，使得靠近源极端沟道较宽，而靠近漏极端的沟道较窄。如下图(a)所示。此时再增大UDS，由于沟道电阻增长较慢，所以ID随之增加。⑵预夹断当进一步增加UDS，当栅、漏间电压UGD等于Up时，即UGD=UGS–UDS=Up则在D极附近，两个PN结的阻挡层相遇，如下图(b)所示。我们称为预夹断。如果继续升高UDS，就会使夹断区向源极端方向发展，沟道电阻增加。由于沟道电阻的增长速率与UDS的增加速率基本相同，故这一期间ID趋于一恒定值，不随UDS的增大而增大，此时，漏极电流的大小仅取决于UGS的大小。UGS越负，沟道电阻越大，ID便越小。⑶当UGS=Up时，沟道被全部夹断，ID=0，如下图(c)所示。注意：预夹断后还能有电流。不要认为预夹断后就没有电流。由于结型场效应管工作时，我们总是要栅源之间加一个反向偏置电压，使得PN结始终处于反向接法，故ID≈0，所以，场效应管的输入电阻rgs很高。三、特性曲线1、输出特性曲线以UGS为参变量时，漏极电流ID与与漏、源电压UDS之间的关系，称为输出特性，即根据工作情况，输出特性可划分为四个区域。⑴可变电阻区。可变电阻区位于输出特性曲线的起始部分，此区的特点是：固定UGS时，ID随UDS增大而线性上升，相当于线性电阻；改变UGS时，特性曲线的斜率变化，相当于电阻的阻值不同，UGS增大，相应的电阻增大。⑵恒流区。该区的特点是：ID基本不随UDS而变化，仅取决于UGS的值，输出特性曲线趋于水平，故称为恒流区或饱和区。⑶击穿区。位于特性曲线的最右部分，当UDS升高到一定程度时，反向偏置的PN结被击穿，ID将突然增大。UGS愈负时，达到雪崩击穿所需的UDS电压愈小。当UGS=0时其击穿电压用BUDSS⑷截止区。当|UGS|≥|UP|时，管子的导电沟道处于完全夹断状态，ID=0，场效应管截止。2、转移特性曲线当漏、源之间电压UDS保持不变时，漏极电流ID和栅、源之间电压UGS的关系称为转移特性。即它描述了栅、源之间的电压UGS对漏极电流ID的控制作用。由图可见：UGS=0时，ID=IDSS漏极电流最大，称为饱合漏极电流IDSS|UGS|增大，ID减小，当UGS=–Up时，ID=0。Up称为夹断电压。结型场效应管的转移特性在UGS=0～Up范围内可用下面近似公式示：根据输出特性曲线可以做出转移特性曲线。§2绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管通常由金属、氧化物和半导体制成，所以又称为金属-氧化物-半导体场效应管，简称为MOS场效应管。由于这种场效应管的栅极被绝缘层(SiO2)隔离(所以称为绝缘栅)。因此其输入电阻更高，可达109Ω以上。N沟道P沟道增强型耗尽型共有四种类型。一、N沟道增强型MOS场效应管1．结构N沟道增强型MOS场效应管的结构示意图如右图所示。把一块掺杂浓度较低的P型半导体作为衬底，然后在其表面上覆盖一层SiO2的绝缘层，再在SiO2层上刻出两个窗口，通过扩散工艺形成两个高掺杂的N型区(用N+表示)，并在N+区和SiO2的表面各自喷上一层金属铝，分别引出源极、漏极和控制栅极。衬底上也引出一根引线，通常情况下将它和源极在内部相连。2．工作原理结型场效应管是通过改变UGS来控制PN结的阻挡层宽窄，从而改变导电沟道的宽度，达到控制漏极电流ID的目的。而绝缘栅场效应管则是利用UGS来控制“感应电荷”的多少，以改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道的状况，然后达到控制漏极电流ID的目的。对N沟道增强型的MOS场效应管，当UGS=0时，在漏极和源极的两个N+区之间是P型衬底，因此漏、源之间相当于两个背靠背的PN结。所以无论漏、源之间加上何种极性的电压，总是不导通的，ID=0。当UGS>0时，(为方便假定UDS=0)，则在SiO2的绝缘层中，产生了一个垂直半导体表面，由栅极指向P型衬底的电场。这个电场排斥空穴吸引电子，当UGS>UT时，在绝缘栅下的P型区中形成了一层以电子为主的N型层。由于源极和漏极均为N+型，故此N型层在漏、源极间形成电子导电的沟道，称为N型沟道。UT称为开启电压，此时在漏、源极间加UDS，则形成电流ID。显然，此时改变UGS则可改变沟道的宽窄，即改变沟道电阻大小，从而控制了漏极电流ID的大小。由于这类场效应管在UGS=0时，ID=0，只有在UGS>UT后才出现沟道，形成电流，故称为增强型。3．特性曲线N沟道增强型场效应管，也用转移特性、输出特性表示ID、UGS、UDS之间的关系，如下图所示。转移特性：UGS 0时，将产生较大的漏极电流ID。如果使UGS<0，则它将削弱正离子所形成的电场，使N沟道变窄，从而使ID减小。当UGS更负，达到某一数值时沟道消失，ID=0。使ID=0的UGS我们也称为夹断电压，仍用UP表示。UGS0，而耗尽型工作在UGS<0。1．1．自给偏压偏置电路右图给出的是一种称为自给偏压电路的偏置电路，它适用于结型场效应管或耗尽型场效应管。它依靠漏极电流ID在Re上的电压降提供栅极偏压。即UGS=–IDRS同样，在RS上要并联一个足够大的旁路电容。由场效应管的工作原理我们知道ID是随UGS变化的，而现在UGS又取决于ID的大小，怎么确定静态工作点的ID和UGS的值呢？一般可采用两种方法：图解法和计算法。⑴图解法首先，作直流负载线，由漏极回路写出方程UDS=UDD－ID(RD+RS)由此在输出特性曲线上做出直流负载线AB，将此直流负载线逐点转到uGS～iD坐标，得到对应直流负载线的转移特性曲线CD，再由UGS=–IDRS在转移特性坐标中作另一条直线，两线的交点即为Q点。⑵计算法【例】电路如上页图，场效应管为3DJG，其输出特性曲线如下图所示，已知RD=2kΩ，RS=1.2kΩ，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。UDS=UDD－ID(RD+RS)设UDS=0V时ID=0mA时在输出特性图上将上述两点相连得直流负载线。再根据上述直流负载线与输出特性曲线簇的交点，转移到uGS～iD坐标系中，画出相应于该直流负载线的转移特性曲线。在转移特性曲线上，做出UGS=–IDRS的曲线。它在uGS～iD坐标系中是一条直线，找出两点即可。令ID=0   UGS=0ID=3mA UGS=3.6V连接这两点，在uGS～iD坐标系中得一直线，此直线与转移特性曲线的交点即为Q点，对应Q点的值为：ID=2.5mA  UGS=–3V  UDS=7V2．分压式偏置电路分压式偏置电路也是一种常用的偏置电路，该种电路适用于所有类型的场效应管，如下图所示，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：⑴图解法同上，不过ID=0，UGS不等于0，而为⑵计算法联立解下面方程组：【例】试计算上图的静态工作点。已知R1=50kΩ，R2=150kΩ，RG=1MΩ，RD=RS=10kΩ，RL=1MΩ，CS=100μF，UDD=20V，场效应管为3DJF，其Up=–5V，IDSS=1mA。解：即将UGS代入ID式得：漏极对地电压为：UD=UDD–IDRD=20–0.61×10=13.9V二、场效应管的微变等效电路由于场效应管输入端不取电流，输入电阻极大，故输入端可视为开路。场效应管仅存在如下关系：rD很大，可以认为开路。根据电路方程可画出等效电路如右上图所示。三、共源极放大电路放大电路和微变等效电路如下图与示。场效应管放大电路的动态分析同双极性三极管，也是求电压放大倍数Au、输入电阻ri和输出电阻ro。1．电压放大倍数根据电压放大倍数的定义由等效电路可得：再找出Uo和Ui的关系，即Ugs和Ui的关系，从等效电路可得：Ui=Ugs所以：2．输入电阻3．输出电阻四、共漏极放大器(源极输出器)电路和等效电路如下图所示。同样求电压放大倍数、输入电阻、输出电阻。1．电压放大倍数根据电压放大倍数的定义从等效电路可得：又有Ui=Ugs+UoUgs=Ui–Uo2．输入电阻ri=RG3．输出电阻根据求输出电阻的方法，令：Us=0，并在输出端加一信号U2如下图所示则：【例】计算下面电路的电压放大倍数、输入电阻、输出电阻。电路参数为：R1=50kΩ，R2=150kΩ，RG=1MΩ，RD=RS=10kΩ，RL=1MΩ，CS=100μF，UDD=20V，场效应管为3DJF，其Up=–5V，IDSS=1mA，解：由前例可知，UGS=－1.1V，ID=0.61mAro=RD=10kΩField[]n.原[旷]野，田地;场Effect[]n.结果,效果,作用,影响transistor[]n.[电子]晶体管junction[]n.连接,接合,交叉点,汇合处insulated[]绝缘的隔热的gate[]n.大门semiconductor[]n.[物]半导体metal[]n.金属oxide[]n.[化]氧化物