第 3章 场效应管及其基本电路第 3章 场效应管及其基本电路
3–1 结型场效应管
3–2 绝缘栅场效应管 (IGFET)
3–3 场效应管的参数和小信号模型
3–4 场效应管放大器第 3章 场效应管及其基本电路
3–1结型场效应管
3–1–1结型场效应管的结构及工作原理结型场效应管 (JunctionFieldEffectTransistor)简称
JFET,有 N沟道 JFET和 P沟道 JFET之分 。 图 3–1给出了
JFET的结构示意图及其表示符号 。
第 3章 场效应管及其基本电路
( b )
D
S
G
P
型沟道
N N
D
G
S
( a )
D
S
G
N
型沟道
P P
D
G
S
图 3–1
(a)N沟道 JFET； (b)P沟道 JFET
第 3章 场效应管及其基本电路
N沟道 JFET,是在一根 N型半导体棒两侧通过高浓度扩散制造两个重掺杂 P++型区,形成两个 PN结,将两个 P++区接在一起引出一个电极,称为栅极 (Gate)，
在两个 PN结之间的 N型半导体构成导电沟道 。 在 N型半导体的两端各制造一个欧姆接触电极,这两个电极间加上一定电压,便在沟道中形成电场,在此电场作用下,形成由多数载流子 ——自由电子产生的漂移电流 。
我们将电子发源端称为源极 (Source),接收端称为漏极
(Drain)。 在 JFET中,源极和漏极是可以互换的 。
第 3章 场效应管及其基本电路如图 3–2所示,如果在栅极和源极之间加上负的电压 UGS,而在漏极和源极之间加上正的电压 UDS,那么,在 UDS作用下,电子将源源不断地由源极向漏极运动,形成漏极电流 ID。 因为栅源电压 UGS为负,PN结反偏,在栅源间仅存在微弱的反向饱和电流,所以栅极电流 IG≈0,源极电流 IS=ID。 这就是结型场效应管输入阻抗很大的原因 。
第 3章 场效应管及其基本电路当栅源负压 UGS加大时,PN结变厚,并向 N区扩张,
使导电沟道变窄,沟道电导率变小,电阻变大,在同样的 UGS下,ID变小；反之,| UGS |变小,沟道变宽,
沟道电阻变小,ID变大 。 当 | UGS |加大到某一负压值时,
两侧 PN结扩张使沟道全部消失,此时,ID将变为零 。
我们称此时的栅源电压 UGS为,夹断电压,,记为
UGSoff。 可见,栅源电压 UGS的变化,将有效地控制漏极电流的变化,这就是 JFET最重要的工作原理 。
第 3章 场效应管及其基本电路图 3–2栅源电压 UGS对沟道及 ID
(a) UGS =0,沟道最宽,ID最大；
(b) UGS负压增大,沟道变窄,ID减小；
(c) UGS负压进一步增大,沟道夹断,ID =0
N
D
G
S
( a )
PP
U
DS
I
D
＝ I
D S S
( 最大 )
第 3章 场效应管及其基本电路图 3–2栅源电压 UGS对沟道及 ID
(a) UGS =0,沟道最宽,ID最大；
(b) UGS负压增大,沟道变窄,ID减小；
(c) UGS负压进一步增大,沟道夹断,ID =0
D
S
( b )
PP
U
DS
I
D
减小
U
GS
第 3章 场效应管及其基本电路图 3–2栅源电压 UGS对沟道及 ID
(a) UGS =0,沟道最宽,ID最大；
(b) UGS负压增大,沟道变窄,ID减小；
(c) UGS负压进一步增大,沟道夹断,ID =0
D
S
( c )
PP
U
DS
U
GS
I
D
＝ 0
第 3章 场效应管及其基本电路
3–1–2结型场效应管的特性曲线一,转移特性曲线转移特性曲线表达在 UDS一定时,栅源电压 uGS对漏极电流 iD的控制作用,即
CuGSD DSufi )(
(3–1)
理论分析和实测结果表明,iD与 uGS符合平方律关系,
即
2)1(
G S o ff
GS
D S SD U
uIi (3–2)
第 3章 场效应管及其基本电路式中,IDSS——饱和电流,表示 uGS=0时的 iD值；
UGSoff——夹断电压,表示 uGS=UGSoff时 iD为零 。
转移特性曲线如图 3–3(a)所示 。
为了使输入阻抗大 (不允许出现栅流 iG),也为了使栅源电压对沟道宽度及漏极电流有效地进行控制,PN
结一定要反偏,所以在 N沟道 JFET中,uGS必须为负值 。
第 3章 场效应管及其基本电路图 3–3JFET的转移特性曲线和输出特性曲线
(a)转移特性曲线； (b)输出特性曲线
u
G S
/ V0－ 1－ 2－ 3
1
2
3
4
5I
D S S
U
GS o ff
i
D
/ mA
( a )
第 3章 场效应管及其基本电路图 3–3JFET的转移特性曲线和输出特性曲线
(a)转移特性曲线； (b)输出特性曲线
1
2
3
4
i
D
/ mA
0
10 20 u
D S
/ V
可变电阻区恒截止区
－ 2 V
－ 1,5 V
－ 1 V
U
DS
＝ U
G S
－ U
G S o ff
5 15
流区击穿区
U
GS
＝ 0V
( b )
U
G S o ff
－0,5V
第 3章 场效应管及其基本电路二,输出特性曲线输出特性曲线表达以 UGS为参变量时 iD与 uDS的关系 。
如图 3–3(b)所示,根据特性曲线的各部分特征,我们将其分为四个区域：
1.恒流区恒流区相当于双极型晶体管的放大区 。 其主要特征为：
(1)当 UGSoff<UGS<0时,uGS变化,曲线平移,iD与
uGS符合平方律关系,uGS对 iD的控制能力很强 。
第 3章 场效应管及其基本电路
(2)UGS固定,uDS增大,iD增大极小 。 说明在恒流区,uDS对 iD的控制能力很弱 。 这是因为,当 uDS较大时,
UDG增大,靠近漏区的 PN结局部变厚,当
|uDS-uGS|>|UGSoff| (3–3)
时,沟道在漏极附近被局部夹断 (称为预夹断 )，
如图 3–4(b)所示 。 此后,uDS再增大,电压主要降到局部夹断区,而对整个沟道的导电能力影响不大 。 所以
uDS的变化对 iD影响很小 。
第 3章 场效应管及其基本电路
2,可变电阻区当 uDS很小,|uDS-uGS|<|UGSoff|时,即预夹断前 (如图
3–4(a)所示 ),uDS的变化直接影响整个沟道的电场强度,
从而影响 iD的大小 。 所以在此区域,随着 uDS的增大,
iD增大很快 。
与双极型晶体管不同,在 JFET中,栅源电压 uGS对
iD上升的斜率影响较大,|UGS|增大,曲线斜率变小,说明 JFET的输出电阻变大 。 如图 3--3(b)所示
)(
D
DS
DS i
ur
第 3章 场效应管及其基本电路
D
G
S
( a )
U
DS
I
D
＞ 0
U
GS
D
G
S
( b )
U
DS
U
GS
沟道局部夹断
I
D
＝ I
D S S
P P P P
图 3–4 uDS
第 3章 场效应管及其基本电路
3,截止区当 |UGS|>|UGSoff|时,沟道被全部夹断,iD=0,故此区为截止区 。 若利用 JFET作为开关,则工作在截止区,
即相当于开关打开 。
4.击穿区随着 uDS 增大,靠 近 漏 区 的 PN 结 反 偏 电 压
uDG(=uDS-uGS)也随之增大 。
第 3章 场效应管及其基本电路
3–2 绝缘栅场效应管 (IGFET)
3–2–1 绝缘栅场效应管的结构如图 3–5所示,其中图 (a)为立体结构示意图,图 (b)
为平面结构示意图 。
第 3章 场效应管及其基本电路
( a )
源极 栅极 漏极氧化层
( S i O
2
)
B
WP 型衬底
N
＋
N
＋
L
耗尽层
A1 层
S
G D
图 3–5绝缘栅 (金属 -氧化物 -半导体 )场效应管结构示意图
(a)立体图； (b)剖面图第 3章 场效应管及其基本电路图 3–5绝缘栅 (金属 -氧化物 -半导体 )场效应管结构示意图
(a)立体图； (b)剖面图
S G D
N
＋
N
＋
P 型硅衬底绝缘层 ( S i O
2
)
衬底引线 B
( b )
半导体第 3章 场效应管及其基本电路
3–2–2N沟道增强型
MOSFET(EnhancementNMOSFET)
一,导电沟道的形成及工作原理如图 3–6所示,若将源极与衬底相连并接地,在栅极和源极之间加正压 UGS,在漏极与源极之间施加正压
UDS,我们来观察 uGS变化时管子的工作情况 。
第 3章 场效应管及其基本电路
B
( a )
N
＋
U
GS
U
DS
N
＋
PN 结 ( 耗尽层 )
P 型衬底图 3–6N沟道增强型 MOS场效应管的沟道形成及符号第 3章 场效应管及其基本电路图 3–6N沟道增强型 MOS场效应管的沟道形成及符号
B
( b )
N
＋
U
DS
导电沟道
P 型衬底
U
GS
N
＋
D
G
S
( c )
B
第 3章 场效应管及其基本电路二,转移特性
N沟道增强型 MOSFET的转移特性如图 3–7所示 。
其主要特点为：
(1)当 uGS<UGSth时,iD=0。
(2)当 uGS >UGSth时,iD >0,uGS越大,
iD (3–4)
所示。
2)(
2 G S thGS
oxn
D UuL
WCui (3–4)
第 3章 场效应管及其基本电路
u
G S
U
G S t h
i
D
0
平方律曲线图 3-7 N 沟道增强型 MOSFET的转移特性第 3章 场效应管及其基本电路式中,UGSth——开启电压 (或阈值电压 )；
μn——沟道电子运动的迁移率；
Cox——单位面积栅极电容；
W——沟道宽度；
L——沟道长度 (见图 3–5(a))；
W/L——MOS管的宽长比。
在 MOS集成电路设计中，宽长比是一个极为重要的参数。
第 3章 场效应管及其基本电路三,输出特性
N沟道增强型 MOSFET的输出特性如图 3–8所示 。
与结型场效应管的输出特性相似,它也分为恒流区,
可变电阻区,截止区和击穿区 。 其特点为：
(1)截止区,UGS≤UGSth,导电沟道未形成,iD=0。
第 3章 场效应管及其基本电路
i
D
0
u
D S
U
GS
＝ 6V
截止区
4 V
3 V
2 V
5 V
可变电阻区
( a )
恒流区区穿击图 3–8
(a)输出特性； (b)厄尔利电压第 3章 场效应管及其基本电路图 3–8
(a)输出特性； (b)厄尔利电压
u
D S
i
D
0
U
G S
U
A
( 厄 尔利电压 )
( b )
第 3章 场效应管及其基本电路
(2)恒流区：
·曲线间隔均匀,uGS对 iD控制能力强 。
·uDS对 iD的控制能力弱,曲线平坦 。
·进入恒流区的条件,即预夹断条件为
G S thGSDS UUU
(3–5)
第 3章 场效应管及其基本电路因为 UGD=UGS-UDS，当 UDS增大，使 UGD<UGSth时，
靠近漏极的沟道被首先夹断 ( 3–9所示 )。此后，
UDS再增大，电压的大部分将降落在夹断区 (此处电阻大 )，而对沟道的横向电场影响不大，沟道也从此基本恒定下来。所以随 UDS的增大,iD增大很小，曲线从此进入恒流区。
第 3章 场效应管及其基本电路
B
U
DS
预夹断
P 型衬底
U
GS
N
＋
N
＋
图 3–9 uDS增大,(预夹断 )情况第 3章 场效应管及其基本电路沟道调制系数 λ。 不同 UGS对应的恒流区输出特性延长会交于一点 (见图 3--8(b)),该点电压称为厄尔利电压 UA。 定义沟道调制系数来表达 uDS对沟道及电流 iD的影响 。 显然,曲线越平坦,|UA|越大,λ越小 。
11
AU
(3–6)
第 3章 场效应管及其基本电路考虑 uDS对 iD微弱影响后的恒流区电流方程为
2
2
)(
2
)1()(
2
G St hGS
oxn
D
DSG St hGS
oxn
D
Uu
L
WCu
i
uUu
L
WCu
i
但由于 λ<<1,沟道调制效应可忽略,则
(3)可变电阻区：
可变电阻区的电流方程为
])(2[2 2 DSDSG S thGSoxnD uuUuLWCui
(3–8)
(3–7b)
(3–7a)
第 3章 场效应管及其基本电路
G S thGSoxnD
DS
DS
DSG S thGS
oxn
D
UuWCu
L
di
du
r
UUu
L
WCu
i
1
)(
2
可见，当 uDS (uGS-UGSth)时 (即预夹断前 )
那么,可变电阻区的输出电阻 rDS为式 (3–10)表明,uGS越大,rDS越小,体现了可变电阻
(3–10)
(3–9)
第 3章 场效应管及其基本电路
3–2–3 N沟道耗尽型 MOSFET(DepletionNMOSFET)
增强型 N沟道 MOSFET在 uGS=0时,管内没有导电沟道 。 而耗尽型则不同,uGS =0时就存在导电沟道 。 因为这种器件在制造过程中,在栅极下面的
SiO2绝缘层中掺入了大量碱金属正离子 (如 Na++或 K++)，
形成许多正电中心 。 这些正电中心的作用如同加正栅压一样,在 P型衬底表面产生垂直于衬底的自建电场,
排斥空穴,吸引电子,从而形成表面导电沟道,称为原始导电沟道 。
第 3章 场效应管及其基本电路由于 uGS=0时就存在原始沟道,所以只要此时
uDS>0,就有漏极电流 。 如果 uGS >0,指向衬底的电场加强,沟道变宽,漏极电流 iD将会增大 。 反之,若 uGS <0，
则栅压产生的电场与正离子产生的自建电场方向相反,
总电场减弱,沟道变窄,沟道电阻变大,iD减小 。 当
uGS继续变负,等于某一阈值电压时,沟道将全部消失,
iD =0,管子进入截止状态 。
综上所述,N沟道耗尽型 MOSFET的转移特性和输出特性以及表示符号如图 3–10(a),(b),(c)所示 。
第 3章 场效应管及其基本电路
i
D
u
G S
U
G S o f f
0
( a )
I
D0
图 3–10N沟道耗尽型 MOS
(a)转移特性； (b)输出特性； (c)表示符号第 3章 场效应管及其基本电路图 3–10N沟道耗尽型 MOS
(a)转移特性； (b)输出特性； (c)表示符号
1
2
3
4
i
D
/ mA
0
10 20
u
D S
/ V
0 V
5 15
( b )
U
GS
＝ ＋ 3 V
＋ 6V
－ 3 V
第 3章 场效应管及其基本电路图 3–10N沟道耗尽型 MOS
(a)转移特性； (b)输出特性； (c)表示符号
D
G
S
( c )
B
第 3章 场效应管及其基本电路
N沟道耗尽型 MOSFET管的电流方程与增强型管是一样的,不过其中的开启电压应换成夹断电压 UGSoff。
经简单变换,耗尽型 NMOSFET的电流方程为
)(
2
)1(
2
0
2
0
G S o ff
oxn
D
G S o ff
GS
DD
U
L
WCu
I
U
u
Ii
式中：
(3–11)
(3–12)
ID0表示 uGS=0时所对应的漏极电流。
第 3章 场效应管及其基本电路
3–2–4各种类型 MOS管的符号及特性对比图 3–11给出各种 N沟道和 P沟道场效应管的符号 。
图 3–12给出各种场效应管的转移特性和输出特性 。 各种管子的输出特性形状是一样的,只是控制电压 UGS不同 。
第 3章 场效应管及其基本电路
D
G
S
D
G
S
N 沟道 P 沟道结型 F E T
图 3–11各种场效应管的符号对比第 3章 场效应管及其基本电路
D
S
G
B
D
S
G
B
D
S
G
B
D
S
G
B
N 沟道 P 沟道增强型
N 沟道 P 沟道耗尽型
M O S F E T
图 3–11各种场效应管的符号对比第 3章 场效应管及其基本电路
i
D
u
G S
U
G S o f f
0
( a )
I
D S S
I
D0
U
G S th
结型 P 沟耗尽型
P 沟增强型
P 沟
M O S
耗尽型
N 沟增强型
N 沟
M O S
结型 N 沟图 3–12
(a)转移特性； (b)输出特性第 3章 场效应管及其基本电路图 3–12
(a)转移特性； (b)输出特性
u
D S
i
D
0
可变电阻区
0
1
2
3
4
5
6
0
1
2
3
－ 1
－ 2
－ 3
－ 3
－ 4
－ 5
－ 6
－ 7
－ 8
－ 9
结型
P 沟耗尽型
M O S P 沟
－ 3
－ 4
－ 5
－ 6
0
－ 1
－ 2
0
1
2
3
－ 1
－ 2
－ 3 3
4
5
6
7
8
9
结型
N 沟耗尽型 增强型
M O S N 沟
U
GS
/ V
U
GS
/ V
第 3章 场效应管及其基本电路
3–3 场效应管的参数和小信号模型
3–3–1场效应管的主要参数一,直流参数
1,结型场效应管和耗尽型 MOSFET的主要参数
(1)饱和漏极电流 IDSS(ID0),IDSS指的是对应 uGS=0时的漏极电流 。
(2)夹断电压 UGSoff：当栅源电压 uGS=UGSoff时,iD=0。
第 3章 场效应管及其基本电路
2.增强型 MOSFET的主要参数对增强型 MOSFET来说,主要参数有开启电压
UGSth,即当 uGS>uGSth时,导电沟道才形成,iD≠0。
3.输入电阻 RGS
对结型场效应管,RGS在 108~1012Ω之间 。
对 MOS管,RGS在 1010~1015Ω之间 。
通常认为 RGS →∞ 。
第 3章 场效应管及其基本电路二,极限参数场效应管也有一定的运用极限,若超过这些极限值,管子就可能损坏 。 场效应管的极限参数如下：
(1)栅源击穿电压 U(BR)GSO。
(2)漏源击穿电压 U(BR)DSO。
(3)最大功耗 PDM,PDM=ID·UDS
第 3章 场效应管及其基本电路三,交流参数
1 跨导 gm
跨导 gm的定义为
)/( Vmdudig Cu
GS
D
m DS
(3–13)
gm的大小可以反映栅源电压 uGS对漏极电流 iD的控制能力的强弱 。
gm可以从转移特性或输出特性中求得,也可以用公式计算出来 。
对 JFET和耗尽型 MOS管,电流方程为第 3章 场效应管及其基本电路
D S S
DQ
G S of f
D S S
G S of f
GS
G S of f
D S S
Q
GS
D
m
G S of f
GS
D S SD
I
I
U
I
U
u
U
I
du
di
g
U
u
Ii
2
)1(
)1(
2
(3–14)
那么,对应工作点 Q的 gm为式中,IDQ为直流工作点电流 。 可见,工作点电流增大,跨导也将增大 。
而对增强型 MOSFET,其电流方程为
2)(
2 G S thgs
oxn
D UuL
WCui
第 3章 场效应管及其基本电路那么,对应工作点 Q的 gm为
DQ
oxn
m IL
WCug 2?
(3–15)
式 (3–15)表明,增大场效应管的宽长比和工作电流,
可以提高 gm。
2.输出电阻 rds
输出电阻 rds定义为
DQ
A
ds
u
D
DS
ds
I
U
r
di
du
r
G S Q
(3–16)
(3–17)
恒流区的 rds可以用下式计算：
第 3章 场效应管及其基本电路
3–3–2 场效应管的低频小信号模型因为
DS
ds
GSmDS
DS
D
GS
GS
D
D
DSGSD
du
r
dugdu
u
i
du
u
i
di
uufi
1
),(
所以
(3–18)
(3–19)
以正弦复数值表示,上式可改写为
gsmd
ds
ds
gsmmd
UgI
U
r
UggI
1
通常 rds较大,对 Id的影响可以忽略,则?
dsU
第 3章 场效应管及其基本电路画出式 (3–20)和式 (3–21)所对应的等效电路分别如图 3–13(a),(b)所示 。 iG=0,RGS=∞,所以输入回路等效电路可以不画出 。 可见,场效应管低频小信号等效电路比晶体管的还简单 。
第 3章 场效应管及其基本电路
r
ds
( a )
g
m
U
gs
.
U
ds
.
I
d
.
D
S
( b )
g
m
U
gs
.
U
o
.
I
d
.
D
S
图 3–13 场效应管低频小信号简化模型第 3章 场效应管及其基本电路
3–4 场效应管放大器
3–4–1场效应管偏置电路与晶体管放大器相似,静态工作点的设置对放大器的性能至关重要 。 在场效应管放大器中,由于结型场效应管与耗尽型 MOS场效应管 uGS=0时,iD≠0,故可采用自偏压方式,如图 3–14(a)所示 。 而对于增强型
MOSFET,则一定要采用分压式偏置或混合偏置方式,
如图 3–14(b)所示 。
我们可以用两种办法确定直流工作点,一种是图解法,另一种是解析法 。
第 3章 场效应管及其基本电路图 3–14
(a)自偏压方式； (b)混合偏置方式
R
D
U
DD
R
S
( 自偏压电阻)
u
i
R
G
V
( a )
R
D
U
DD
R
S
( 自偏压电阻)
u
i
R
G2
( b )
R
G1
( 分压式偏置)
第 3章 场效应管及其基本电路一,图解法画出 N沟道场效应管的转移特性如图 3–15所示 。 对于自偏压方式,栅源回路直流负载线方程为
SDGS Riu
(3–22)
在转移特性坐标上画出该负载线方程如图 3–15(a)
所示 。 分别求出 JFET的工作点为 Q1 点,耗尽型
MOSFET的工作点为 Q2点,而与增强型 MOSFET转移特性则无交点 。
第 3章 场效应管及其基本电路图 3–15
(a)自偏压方式； (b)混合偏置方式
i
D
u
G S
0
( a )
Q
1
Q
2
i
D
u
G S
0
( b )
Q
1
Q
2
′
′
Q
2
″
Q
3
′
Q
3
R
S
1
－
R
S
1
－
R
G1
＋ R
G2
R
G2
U
DD
第 3章 场效应管及其基本电路对于混合偏置方式,栅源回路直流负载线方程为
SDDD
GG
G
GS RiURR
Ru?
21
2
(3–23)
画出该负载线如图 3–15(b)所示,对于三种不同类型的场效应管的工作点分别为 Q′1,Q′2及 Q3。 这里要特别注意的是,对 JFET,RG2过大,或 RS太小,都会导致工作点不合适,3–15(b)虚线所示 。
第 3章 场效应管及其基本电路二,解析法已知电流方式及栅源直流负载线方程,联立求解即可求得工作点 。 例如：
SDGS
G S of f
GS
D S SD
Riu
U
U
Ii
2)1(
(3–24a)
(3–24b)
将式 (3–24b)代入式 (3–24a),解一个 iD的二次方程,有两个根,舍去不合理的一个根,留下合理的一个根便是 IDQ。
第 3章 场效应管及其基本电路
3–4–2场效应管放大器分析与晶体管放大器相似,场效应管放大器也有共源,
共漏,共栅等三种基本组态电路 。
一,共源放大器共源放大器电路如图 3–16(a)所示,其低频小信号等效电路如图 3–16(b)所示 。
由图 (b)可知,放大器输出交流电压 为oU?
)( LDdsgsmo RRrUgU (3–25)
第 3章 场效应管及其基本电路
U
i
C
2C
1
R
D
R
G1
R
S
U
DD
＝＋ 2 0 V
R
G2
＋
1 5 0 k
5 0 k
2k
1 0 k
＋
＋
R
L
1M
( a )
U
o
.
R
G3
1M
.
C
3
图 3–16共源放大器电路及其低频小信号等效电路
(a)电路； (b)低频小信号等效电路第 3章 场效应管及其基本电路图 3–16共源放大器电路及其低频小信号等效电路
(a)电路； (b)低频小信号等效电路
r
ds
D
S
U
o
.
R
D
R
L
＋
－
＋
－
U
i
.
G
R
G3
R
G2
R
G1
( b )
g
m
U
gs
.
第 3章 场效应管及其基本电路式中,,且一般满足 RD‖ RL<<rds。
所以,共源放大器的放大倍数 Au为
igs UU
)( DdsDm
i
o
u RrRg
U
UA
(3–26)
若 gm=5mA/V,元件值如图 3–16(a)所示,则 Au=50。
输出电阻：
MRRRR
kRrRR
GGGi
DdsDo
0375.1
10
213
输入电阻：
(3–27)
(3–28)
第 3章 场效应管及其基本电路图 3–17给出了基于 Workbench平台的场效应管电路的计算机仿真结果,从仿真中可以测出直流工作点及输入输出波形的相位关系,放大倍数等 。
第 3章 场效应管及其基本电路
1 0 μ
7 5 k
5k
1M
4 0 k
1k
5 0 k
1 0 μ
i n f 5 1 0
1 0 0 μ8 m V / 6 0 H z / 0 D e g
1 2 V
＋
－
图 3–17基于 Workbench平台的 FET放大电路的计算机仿真第 3章 场效应管及其基本电路由图可见,场效应管型号为 inf510,栅流 IG=0,漏极电流 IDQ=0.858mA。 输出波形与输入波形相位相反 。
用示波器光标分别测出输出信号峰峰值为 3V,输入信
0.024V,故该电路的放大倍数为
1 2 50 2 4.0 3uA
第 3章 场效应管及其基本电路例 场效应管放大器电路如图 3–18(a)所示,已知工作点的 gm=5mA/V,试画出低频小信号等效电路,并计算增益 Au。
第 3章 场效应管及其基本电路
u
i
＋
－
C
2
C
1
C
3
R
D
u
o
＋
－
R
G1
R
G3
R
S2
U
DD
R
G2
＋
R
S1
1 5 0 k
5 0 k
2k
1 0 k
1k
＋
＋
1M
R
L
1M
( a )
g
m
＝ 2 m A / V
图 3–18
(a)电路； (b)等效电路； (c)简化等效电路第 3章 场效应管及其基本电路图 3–18
(a)电路； (b)等效电路； (c)简化等效电路
g
m
U
gs
.
D
S
U
o
.
R
S1
R
D
R
L
r
ds
( b ) ( c )
U
o
.
R
L
′
1 ＋ g
m
R
S1
g
m
U
i
.
＋
－
＋
－
第 3章 场效应管及其基本电路解
(1)该电路的小信号等效电路如图 3–18(b)所示 。
(2)输出电压：
i
Sm
m
d
S
di
m
GS
m
d
LD
do
U
Rg
g
I
RIUgUgI
RRIU
1
1
1
)(
)(
式中：
故
(3–29)
(3–30)
(3–31)
将式 (3–31)代入式 (3–29),得放大倍数 Au为
3.8)(
1 1
LmLD
Sm
m
i
o
u RgRRRg
g
U
UA (3–32)
第 3章 场效应管及其基本电路二,共漏放大器共漏放大器的电路如图 3–19(a)所示,相应的等效电路如图 3–19(b)所示 。 该电路的主要参数如下 。
1,放大倍数 Au
i
Lm
m
d
L
di
mLS
di
m
gs
m
d
i
LS
d
i
o
u
U
Rg
g
I
RIUgRRIUgUgI
U
RRI
U
U
A
1
][])([
)(
式中：
故第 3章 场效应管及其基本电路
C
2
C
1
R
G1
R
S
U
DD
R
G2
1 5 0 k
5 0 k
2k
＋
＋
R
L
1 0 k
( a )
U
o
.
R
G3
1M
＋
－
＋
－
U
i
.
g
m
＝ 2 m A / V
图 3–19
(a)电路； (b)等效电路第 3章 场效应管及其基本电路图 3–19
(a)电路； (b)等效电路
＋
－
U
o
.
R
L
R
S
S
D
I
d
.
( b )
g
m
U
gs
.
＝ g
m
[ U
i
－ I
d
( R
S
R
L
)]
.,
｜ ｜
第 3章 场效应管及其基本电路所以
33
33
106.11021
106.1102
1
Lm
Lm
u Rg
RgA (3–33)
第 3章 场效应管及其基本电路
2,输出电阻 Ro
计算输出电阻 Ro的等效电路如图 3–20所示 。 首先将 RL开路,短路,在输出端加信号,求出,则
iU
oU
oI
o
o
o
I
UR
第 3章 场效应管及其基本电路
C
1
＋
－
R
G1
R
S
U
DD
＋
＋
( a )
R
G2
R
o
I
o
.
U
o
.
图 3–20计算共漏电路输出电阻 Ro
第 3章 场效应管及其基本电路图 3–20计算共漏电路输出电阻 Ro
R
S
( b )
I
S
.
′
＋
－
I
o
.
g
m
U
gs
.
＝ g
m
( － U
o
)
.
U
o
.
R
o
I
S
R
第 3章 场效应管及其基本电路
m
S
o
m
S
o
o
o
o
o
o
m
o
m
gs
m
S
S
o
R
oRo
g
R
Ug
R
U
U
I
U
R
UgUgUgI
R
U
I
III
S
S
1
11
1
)(
由图可见式中：
所以，输出电阻为第 3章 场效应管及其基本电路
MRRRRR
g
RR
GGGGi
m
So
0 3 7 5.1
4 0 0
102
1
102
1
213
3
3
故输入电阻
(3–34)
共栅电路与共基电路相似,留给读者自行分析 。
第 3章 场效应管及其基本电路
3–4–3若干问题的讨论一,晶体管的跨导比场效应管的跨导大得多我们知道,晶体管的电流 iC与发射结电压 uBE成指数关系,而场效应管的漏极电流 iD与栅源电压成平方律关系 。 跨导表示转移特性的斜率 。 显然,双极型晶体管的跨导比场效应管的跨导要大得多 。
第 3章 场效应管及其基本电路
D S S
DQ
G S o ff
D S S
m
DQ
oxnn
Q
GS
D
m
G S thGS
oxn
D
T
CQ
e
Q
BE
C
m
U
u
SC
I
I
U
I
g
I
L
WCuu
du
di
g
Uu
L
WCu
i
U
I
rdu
di
g
eIi
T
BE
2
2
)(
2
1
)1(
2
晶体管：
场效应管：
结型场效应管：
第 3章 场效应管及其基本电路二,关于温度稳定性场效应管导电机理为多数载流子的漂移电流,热稳定性较晶体管好 。 而且场效应管还存在一个零温度系数点,如图 3–21所示,在这一点工作,温度稳定性会更好 。
第 3章 场效应管及其基本电路
i
D
u
G S
0
10 ℃
30 ℃
80 ℃
10 ℃
30 ℃
80 ℃
零温度系数点图 3–21 场效应管的零温度系数点第 3章 场效应管及其基本电路三,关于体效应和背栅跨导前面所有结论都是在衬底与源极短路的前提下得出的 。 但是在集成电路中,在同一硅片衬底上要做许多管子 。 为保证正常工作,一般衬底要接到全电路的最低电位点,因此不可能所有管子的源极都与自身的衬底连接,此时,会存在源极与衬底之间的电位差 UBS。
为了保证沟道与衬底之间用反偏的 PN结相隔离,UBS
必须为负 。
第 3章 场效应管及其基本电路在衬底负压作用下,沟道与衬底间的耗尽层加厚,
导致开启电压 UGSth增大,沟道变窄,沟道电阻增大,
iD减小,这种效应称之为,体效应,,或,背栅效应,,
或,衬底调制效应,。
为了表达衬底电压对 iD的影响，引入背栅跨导 gmb：
CDSU
CGSUBS
D
mb U
ig
(3–40)
通常用跨导比 η来表示 gmb的大小,
1
m
mb
g
g? (3–41)
第 3章 场效应管及其基本电路式中,η为常数,一般为 0.1~0.2。
考虑背栅跨导影响的等效电路如图 3–22所示 。
g
m
U
gs
.
U
o
.
r
ds
g
mb
U
BS
图 3–22 计入背栅跨导的 FET等效电路场效应管三种组态放大器的性能比较如表 3-1。
第 3章 场效应管及其基本电路
3–1 结型场效应管
3–2 绝缘栅场效应管 (IGFET)
3–3 场效应管的参数和小信号模型
3–4 场效应管放大器第 3章 场效应管及其基本电路
3–1结型场效应管
3–1–1结型场效应管的结构及工作原理结型场效应管 (JunctionFieldEffectTransistor)简称
JFET,有 N沟道 JFET和 P沟道 JFET之分 。 图 3–1给出了
JFET的结构示意图及其表示符号 。
第 3章 场效应管及其基本电路
( b )
D
S
G
P
型沟道
N N
D
G
S
( a )
D
S
G
N
型沟道
P P
D
G
S
图 3–1
(a)N沟道 JFET； (b)P沟道 JFET
第 3章 场效应管及其基本电路
N沟道 JFET,是在一根 N型半导体棒两侧通过高浓度扩散制造两个重掺杂 P++型区,形成两个 PN结,将两个 P++区接在一起引出一个电极,称为栅极 (Gate)，
在两个 PN结之间的 N型半导体构成导电沟道 。 在 N型半导体的两端各制造一个欧姆接触电极,这两个电极间加上一定电压,便在沟道中形成电场,在此电场作用下,形成由多数载流子 ——自由电子产生的漂移电流 。
我们将电子发源端称为源极 (Source),接收端称为漏极
(Drain)。 在 JFET中,源极和漏极是可以互换的 。
第 3章 场效应管及其基本电路如图 3–2所示,如果在栅极和源极之间加上负的电压 UGS,而在漏极和源极之间加上正的电压 UDS,那么,在 UDS作用下,电子将源源不断地由源极向漏极运动,形成漏极电流 ID。 因为栅源电压 UGS为负,PN结反偏,在栅源间仅存在微弱的反向饱和电流,所以栅极电流 IG≈0,源极电流 IS=ID。 这就是结型场效应管输入阻抗很大的原因 。
第 3章 场效应管及其基本电路当栅源负压 UGS加大时,PN结变厚,并向 N区扩张,
使导电沟道变窄,沟道电导率变小,电阻变大,在同样的 UGS下,ID变小；反之,| UGS |变小,沟道变宽,
沟道电阻变小,ID变大 。 当 | UGS |加大到某一负压值时,
两侧 PN结扩张使沟道全部消失,此时,ID将变为零 。
我们称此时的栅源电压 UGS为,夹断电压,,记为
UGSoff。 可见,栅源电压 UGS的变化,将有效地控制漏极电流的变化,这就是 JFET最重要的工作原理 。
第 3章 场效应管及其基本电路图 3–2栅源电压 UGS对沟道及 ID
(a) UGS =0,沟道最宽,ID最大；
(b) UGS负压增大,沟道变窄,ID减小；
(c) UGS负压进一步增大,沟道夹断,ID =0
N
D
G
S
( a )
PP
U
DS
I
D
＝ I
D S S
( 最大 )
第 3章 场效应管及其基本电路图 3–2栅源电压 UGS对沟道及 ID
(a) UGS =0,沟道最宽,ID最大；
(b) UGS负压增大,沟道变窄,ID减小；
(c) UGS负压进一步增大,沟道夹断,ID =0
D
S
( b )
PP
U
DS
I
D
减小
U
GS
第 3章 场效应管及其基本电路图 3–2栅源电压 UGS对沟道及 ID
(a) UGS =0,沟道最宽,ID最大；
(b) UGS负压增大,沟道变窄,ID减小；
(c) UGS负压进一步增大,沟道夹断,ID =0
D
S
( c )
PP
U
DS
U
GS
I
D
＝ 0
第 3章 场效应管及其基本电路
3–1–2结型场效应管的特性曲线一,转移特性曲线转移特性曲线表达在 UDS一定时,栅源电压 uGS对漏极电流 iD的控制作用,即
CuGSD DSufi )(
(3–1)
理论分析和实测结果表明,iD与 uGS符合平方律关系,
即
2)1(
G S o ff
GS
D S SD U
uIi (3–2)
第 3章 场效应管及其基本电路式中,IDSS——饱和电流,表示 uGS=0时的 iD值；
UGSoff——夹断电压,表示 uGS=UGSoff时 iD为零 。
转移特性曲线如图 3–3(a)所示 。
为了使输入阻抗大 (不允许出现栅流 iG),也为了使栅源电压对沟道宽度及漏极电流有效地进行控制,PN
结一定要反偏,所以在 N沟道 JFET中,uGS必须为负值 。
第 3章 场效应管及其基本电路图 3–3JFET的转移特性曲线和输出特性曲线
(a)转移特性曲线； (b)输出特性曲线
u
G S
/ V0－ 1－ 2－ 3
1
2
3
4
5I
D S S
U
GS o ff
i
D
/ mA
( a )
第 3章 场效应管及其基本电路图 3–3JFET的转移特性曲线和输出特性曲线
(a)转移特性曲线； (b)输出特性曲线
1
2
3
4
i
D
/ mA
0
10 20 u
D S
/ V
可变电阻区恒截止区
－ 2 V
－ 1,5 V
－ 1 V
U
DS
＝ U
G S
－ U
G S o ff
5 15
流区击穿区
U
GS
＝ 0V
( b )
U
G S o ff
－0,5V
第 3章 场效应管及其基本电路二,输出特性曲线输出特性曲线表达以 UGS为参变量时 iD与 uDS的关系 。
如图 3–3(b)所示,根据特性曲线的各部分特征,我们将其分为四个区域：
1.恒流区恒流区相当于双极型晶体管的放大区 。 其主要特征为：
(1)当 UGSoff<UGS<0时,uGS变化,曲线平移,iD与
uGS符合平方律关系,uGS对 iD的控制能力很强 。
第 3章 场效应管及其基本电路
(2)UGS固定,uDS增大,iD增大极小 。 说明在恒流区,uDS对 iD的控制能力很弱 。 这是因为,当 uDS较大时,
UDG增大,靠近漏区的 PN结局部变厚,当
|uDS-uGS|>|UGSoff| (3–3)
时,沟道在漏极附近被局部夹断 (称为预夹断 )，
如图 3–4(b)所示 。 此后,uDS再增大,电压主要降到局部夹断区,而对整个沟道的导电能力影响不大 。 所以
uDS的变化对 iD影响很小 。
第 3章 场效应管及其基本电路
2,可变电阻区当 uDS很小,|uDS-uGS|<|UGSoff|时,即预夹断前 (如图
3–4(a)所示 ),uDS的变化直接影响整个沟道的电场强度,
从而影响 iD的大小 。 所以在此区域,随着 uDS的增大,
iD增大很快 。
与双极型晶体管不同,在 JFET中,栅源电压 uGS对
iD上升的斜率影响较大,|UGS|增大,曲线斜率变小,说明 JFET的输出电阻变大 。 如图 3--3(b)所示
)(
D
DS
DS i
ur
第 3章 场效应管及其基本电路
D
G
S
( a )
U
DS
I
D
＞ 0
U
GS
D
G
S
( b )
U
DS
U
GS
沟道局部夹断
I
D
＝ I
D S S
P P P P
图 3–4 uDS
第 3章 场效应管及其基本电路
3,截止区当 |UGS|>|UGSoff|时,沟道被全部夹断,iD=0,故此区为截止区 。 若利用 JFET作为开关,则工作在截止区,
即相当于开关打开 。
4.击穿区随着 uDS 增大,靠 近 漏 区 的 PN 结 反 偏 电 压
uDG(=uDS-uGS)也随之增大 。
第 3章 场效应管及其基本电路
3–2 绝缘栅场效应管 (IGFET)
3–2–1 绝缘栅场效应管的结构如图 3–5所示,其中图 (a)为立体结构示意图,图 (b)
为平面结构示意图 。
第 3章 场效应管及其基本电路
( a )
源极 栅极 漏极氧化层
( S i O
2
)
B
WP 型衬底
N
＋
N
＋
L
耗尽层
A1 层
S
G D
图 3–5绝缘栅 (金属 -氧化物 -半导体 )场效应管结构示意图
(a)立体图； (b)剖面图第 3章 场效应管及其基本电路图 3–5绝缘栅 (金属 -氧化物 -半导体 )场效应管结构示意图
(a)立体图； (b)剖面图
S G D
N
＋
N
＋
P 型硅衬底绝缘层 ( S i O
2
)
衬底引线 B
( b )
半导体第 3章 场效应管及其基本电路
3–2–2N沟道增强型
MOSFET(EnhancementNMOSFET)
一,导电沟道的形成及工作原理如图 3–6所示,若将源极与衬底相连并接地,在栅极和源极之间加正压 UGS,在漏极与源极之间施加正压
UDS,我们来观察 uGS变化时管子的工作情况 。
第 3章 场效应管及其基本电路
B
( a )
N
＋
U
GS
U
DS
N
＋
PN 结 ( 耗尽层 )
P 型衬底图 3–6N沟道增强型 MOS场效应管的沟道形成及符号第 3章 场效应管及其基本电路图 3–6N沟道增强型 MOS场效应管的沟道形成及符号
B
( b )
N
＋
U
DS
导电沟道
P 型衬底
U
GS
N
＋
D
G
S
( c )
B
第 3章 场效应管及其基本电路二,转移特性
N沟道增强型 MOSFET的转移特性如图 3–7所示 。
其主要特点为：
(1)当 uGS<UGSth时,iD=0。
(2)当 uGS >UGSth时,iD >0,uGS越大,
iD (3–4)
所示。
2)(
2 G S thGS
oxn
D UuL
WCui (3–4)
第 3章 场效应管及其基本电路
u
G S
U
G S t h
i
D
0
平方律曲线图 3-7 N 沟道增强型 MOSFET的转移特性第 3章 场效应管及其基本电路式中,UGSth——开启电压 (或阈值电压 )；
μn——沟道电子运动的迁移率；
Cox——单位面积栅极电容；
W——沟道宽度；
L——沟道长度 (见图 3–5(a))；
W/L——MOS管的宽长比。
在 MOS集成电路设计中，宽长比是一个极为重要的参数。
第 3章 场效应管及其基本电路三,输出特性
N沟道增强型 MOSFET的输出特性如图 3–8所示 。
与结型场效应管的输出特性相似,它也分为恒流区,
可变电阻区,截止区和击穿区 。 其特点为：
(1)截止区,UGS≤UGSth,导电沟道未形成,iD=0。
第 3章 场效应管及其基本电路
i
D
0
u
D S
U
GS
＝ 6V
截止区
4 V
3 V
2 V
5 V
可变电阻区
( a )
恒流区区穿击图 3–8
(a)输出特性； (b)厄尔利电压第 3章 场效应管及其基本电路图 3–8
(a)输出特性； (b)厄尔利电压
u
D S
i
D
0
U
G S
U
A
( 厄 尔利电压 )
( b )
第 3章 场效应管及其基本电路
(2)恒流区：
·曲线间隔均匀,uGS对 iD控制能力强 。
·uDS对 iD的控制能力弱,曲线平坦 。
·进入恒流区的条件,即预夹断条件为
G S thGSDS UUU
(3–5)
第 3章 场效应管及其基本电路因为 UGD=UGS-UDS，当 UDS增大，使 UGD<UGSth时，
靠近漏极的沟道被首先夹断 ( 3–9所示 )。此后，
UDS再增大，电压的大部分将降落在夹断区 (此处电阻大 )，而对沟道的横向电场影响不大，沟道也从此基本恒定下来。所以随 UDS的增大,iD增大很小，曲线从此进入恒流区。
第 3章 场效应管及其基本电路
B
U
DS
预夹断
P 型衬底
U
GS
N
＋
N
＋
图 3–9 uDS增大,(预夹断 )情况第 3章 场效应管及其基本电路沟道调制系数 λ。 不同 UGS对应的恒流区输出特性延长会交于一点 (见图 3--8(b)),该点电压称为厄尔利电压 UA。 定义沟道调制系数来表达 uDS对沟道及电流 iD的影响 。 显然,曲线越平坦,|UA|越大,λ越小 。
11
AU
(3–6)
第 3章 场效应管及其基本电路考虑 uDS对 iD微弱影响后的恒流区电流方程为
2
2
)(
2
)1()(
2
G St hGS
oxn
D
DSG St hGS
oxn
D
Uu
L
WCu
i
uUu
L
WCu
i
但由于 λ<<1,沟道调制效应可忽略,则
(3)可变电阻区：
可变电阻区的电流方程为
])(2[2 2 DSDSG S thGSoxnD uuUuLWCui
(3–8)
(3–7b)
(3–7a)
第 3章 场效应管及其基本电路
G S thGSoxnD
DS
DS
DSG S thGS
oxn
D
UuWCu
L
di
du
r
UUu
L
WCu
i
1
)(
2
可见，当 uDS (uGS-UGSth)时 (即预夹断前 )
那么,可变电阻区的输出电阻 rDS为式 (3–10)表明,uGS越大,rDS越小,体现了可变电阻
(3–10)
(3–9)
第 3章 场效应管及其基本电路
3–2–3 N沟道耗尽型 MOSFET(DepletionNMOSFET)
增强型 N沟道 MOSFET在 uGS=0时,管内没有导电沟道 。 而耗尽型则不同,uGS =0时就存在导电沟道 。 因为这种器件在制造过程中,在栅极下面的
SiO2绝缘层中掺入了大量碱金属正离子 (如 Na++或 K++)，
形成许多正电中心 。 这些正电中心的作用如同加正栅压一样,在 P型衬底表面产生垂直于衬底的自建电场,
排斥空穴,吸引电子,从而形成表面导电沟道,称为原始导电沟道 。
第 3章 场效应管及其基本电路由于 uGS=0时就存在原始沟道,所以只要此时
uDS>0,就有漏极电流 。 如果 uGS >0,指向衬底的电场加强,沟道变宽,漏极电流 iD将会增大 。 反之,若 uGS <0，
则栅压产生的电场与正离子产生的自建电场方向相反,
总电场减弱,沟道变窄,沟道电阻变大,iD减小 。 当
uGS继续变负,等于某一阈值电压时,沟道将全部消失,
iD =0,管子进入截止状态 。
综上所述,N沟道耗尽型 MOSFET的转移特性和输出特性以及表示符号如图 3–10(a),(b),(c)所示 。
第 3章 场效应管及其基本电路
i
D
u
G S
U
G S o f f
0
( a )
I
D0
图 3–10N沟道耗尽型 MOS
(a)转移特性； (b)输出特性； (c)表示符号第 3章 场效应管及其基本电路图 3–10N沟道耗尽型 MOS
(a)转移特性； (b)输出特性； (c)表示符号
1
2
3
4
i
D
/ mA
0
10 20
u
D S
/ V
0 V
5 15
( b )
U
GS
＝ ＋ 3 V
＋ 6V
－ 3 V
第 3章 场效应管及其基本电路图 3–10N沟道耗尽型 MOS
(a)转移特性； (b)输出特性； (c)表示符号
D
G
S
( c )
B
第 3章 场效应管及其基本电路
N沟道耗尽型 MOSFET管的电流方程与增强型管是一样的,不过其中的开启电压应换成夹断电压 UGSoff。
经简单变换,耗尽型 NMOSFET的电流方程为
)(
2
)1(
2
0
2
0
G S o ff
oxn
D
G S o ff
GS
DD
U
L
WCu
I
U
u
Ii
式中：
(3–11)
(3–12)
ID0表示 uGS=0时所对应的漏极电流。
第 3章 场效应管及其基本电路
3–2–4各种类型 MOS管的符号及特性对比图 3–11给出各种 N沟道和 P沟道场效应管的符号 。
图 3–12给出各种场效应管的转移特性和输出特性 。 各种管子的输出特性形状是一样的,只是控制电压 UGS不同 。
第 3章 场效应管及其基本电路
D
G
S
D
G
S
N 沟道 P 沟道结型 F E T
图 3–11各种场效应管的符号对比第 3章 场效应管及其基本电路
D
S
G
B
D
S
G
B
D
S
G
B
D
S
G
B
N 沟道 P 沟道增强型
N 沟道 P 沟道耗尽型
M O S F E T
图 3–11各种场效应管的符号对比第 3章 场效应管及其基本电路
i
D
u
G S
U
G S o f f
0
( a )
I
D S S
I
D0
U
G S th
结型 P 沟耗尽型
P 沟增强型
P 沟
M O S
耗尽型
N 沟增强型
N 沟
M O S
结型 N 沟图 3–12
(a)转移特性； (b)输出特性第 3章 场效应管及其基本电路图 3–12
(a)转移特性； (b)输出特性
u
D S
i
D
0
可变电阻区
0
1
2
3
4
5
6
0
1
2
3
－ 1
－ 2
－ 3
－ 3
－ 4
－ 5
－ 6
－ 7
－ 8
－ 9
结型
P 沟耗尽型
M O S P 沟
－ 3
－ 4
－ 5
－ 6
0
－ 1
－ 2
0
1
2
3
－ 1
－ 2
－ 3 3
4
5
6
7
8
9
结型
N 沟耗尽型 增强型
M O S N 沟
U
GS
/ V
U
GS
/ V
第 3章 场效应管及其基本电路
3–3 场效应管的参数和小信号模型
3–3–1场效应管的主要参数一,直流参数
1,结型场效应管和耗尽型 MOSFET的主要参数
(1)饱和漏极电流 IDSS(ID0),IDSS指的是对应 uGS=0时的漏极电流 。
(2)夹断电压 UGSoff：当栅源电压 uGS=UGSoff时,iD=0。
第 3章 场效应管及其基本电路
2.增强型 MOSFET的主要参数对增强型 MOSFET来说,主要参数有开启电压
UGSth,即当 uGS>uGSth时,导电沟道才形成,iD≠0。
3.输入电阻 RGS
对结型场效应管,RGS在 108~1012Ω之间 。
对 MOS管,RGS在 1010~1015Ω之间 。
通常认为 RGS →∞ 。
第 3章 场效应管及其基本电路二,极限参数场效应管也有一定的运用极限,若超过这些极限值,管子就可能损坏 。 场效应管的极限参数如下：
(1)栅源击穿电压 U(BR)GSO。
(2)漏源击穿电压 U(BR)DSO。
(3)最大功耗 PDM,PDM=ID·UDS
第 3章 场效应管及其基本电路三,交流参数
1 跨导 gm
跨导 gm的定义为
)/( Vmdudig Cu
GS
D
m DS
(3–13)
gm的大小可以反映栅源电压 uGS对漏极电流 iD的控制能力的强弱 。
gm可以从转移特性或输出特性中求得,也可以用公式计算出来 。
对 JFET和耗尽型 MOS管,电流方程为第 3章 场效应管及其基本电路
D S S
DQ
G S of f
D S S
G S of f
GS
G S of f
D S S
Q
GS
D
m
G S of f
GS
D S SD
I
I
U
I
U
u
U
I
du
di
g
U
u
Ii
2
)1(
)1(
2
(3–14)
那么,对应工作点 Q的 gm为式中,IDQ为直流工作点电流 。 可见,工作点电流增大,跨导也将增大 。
而对增强型 MOSFET,其电流方程为
2)(
2 G S thgs
oxn
D UuL
WCui
第 3章 场效应管及其基本电路那么,对应工作点 Q的 gm为
DQ
oxn
m IL
WCug 2?
(3–15)
式 (3–15)表明,增大场效应管的宽长比和工作电流,
可以提高 gm。
2.输出电阻 rds
输出电阻 rds定义为
DQ
A
ds
u
D
DS
ds
I
U
r
di
du
r
G S Q
(3–16)
(3–17)
恒流区的 rds可以用下式计算：
第 3章 场效应管及其基本电路
3–3–2 场效应管的低频小信号模型因为
DS
ds
GSmDS
DS
D
GS
GS
D
D
DSGSD
du
r
dugdu
u
i
du
u
i
di
uufi
1
),(
所以
(3–18)
(3–19)
以正弦复数值表示,上式可改写为
gsmd
ds
ds
gsmmd
UgI
U
r
UggI
1
通常 rds较大,对 Id的影响可以忽略,则?
dsU
第 3章 场效应管及其基本电路画出式 (3–20)和式 (3–21)所对应的等效电路分别如图 3–13(a),(b)所示 。 iG=0,RGS=∞,所以输入回路等效电路可以不画出 。 可见,场效应管低频小信号等效电路比晶体管的还简单 。
第 3章 场效应管及其基本电路
r
ds
( a )
g
m
U
gs
.
U
ds
.
I
d
.
D
S
( b )
g
m
U
gs
.
U
o
.
I
d
.
D
S
图 3–13 场效应管低频小信号简化模型第 3章 场效应管及其基本电路
3–4 场效应管放大器
3–4–1场效应管偏置电路与晶体管放大器相似,静态工作点的设置对放大器的性能至关重要 。 在场效应管放大器中,由于结型场效应管与耗尽型 MOS场效应管 uGS=0时,iD≠0,故可采用自偏压方式,如图 3–14(a)所示 。 而对于增强型
MOSFET,则一定要采用分压式偏置或混合偏置方式,
如图 3–14(b)所示 。
我们可以用两种办法确定直流工作点,一种是图解法,另一种是解析法 。
第 3章 场效应管及其基本电路图 3–14
(a)自偏压方式； (b)混合偏置方式
R
D
U
DD
R
S
( 自偏压电阻)
u
i
R
G
V
( a )
R
D
U
DD
R
S
( 自偏压电阻)
u
i
R
G2
( b )
R
G1
( 分压式偏置)
第 3章 场效应管及其基本电路一,图解法画出 N沟道场效应管的转移特性如图 3–15所示 。 对于自偏压方式,栅源回路直流负载线方程为
SDGS Riu
(3–22)
在转移特性坐标上画出该负载线方程如图 3–15(a)
所示 。 分别求出 JFET的工作点为 Q1 点,耗尽型
MOSFET的工作点为 Q2点,而与增强型 MOSFET转移特性则无交点 。
第 3章 场效应管及其基本电路图 3–15
(a)自偏压方式； (b)混合偏置方式
i
D
u
G S
0
( a )
Q
1
Q
2
i
D
u
G S
0
( b )
Q
1
Q
2
′
′
Q
2
″
Q
3
′
Q
3
R
S
1
－
R
S
1
－
R
G1
＋ R
G2
R
G2
U
DD
第 3章 场效应管及其基本电路对于混合偏置方式,栅源回路直流负载线方程为
SDDD
GG
G
GS RiURR
Ru?
21
2
(3–23)
画出该负载线如图 3–15(b)所示,对于三种不同类型的场效应管的工作点分别为 Q′1,Q′2及 Q3。 这里要特别注意的是,对 JFET,RG2过大,或 RS太小,都会导致工作点不合适,3–15(b)虚线所示 。
第 3章 场效应管及其基本电路二,解析法已知电流方式及栅源直流负载线方程,联立求解即可求得工作点 。 例如：
SDGS
G S of f
GS
D S SD
Riu
U
U
Ii
2)1(
(3–24a)
(3–24b)
将式 (3–24b)代入式 (3–24a),解一个 iD的二次方程,有两个根,舍去不合理的一个根,留下合理的一个根便是 IDQ。
第 3章 场效应管及其基本电路
3–4–2场效应管放大器分析与晶体管放大器相似,场效应管放大器也有共源,
共漏,共栅等三种基本组态电路 。
一,共源放大器共源放大器电路如图 3–16(a)所示,其低频小信号等效电路如图 3–16(b)所示 。
由图 (b)可知,放大器输出交流电压 为oU?
)( LDdsgsmo RRrUgU (3–25)
第 3章 场效应管及其基本电路
U
i
C
2C
1
R
D
R
G1
R
S
U
DD
＝＋ 2 0 V
R
G2
＋
1 5 0 k
5 0 k
2k
1 0 k
＋
＋
R
L
1M
( a )
U
o
.
R
G3
1M
.
C
3
图 3–16共源放大器电路及其低频小信号等效电路
(a)电路； (b)低频小信号等效电路第 3章 场效应管及其基本电路图 3–16共源放大器电路及其低频小信号等效电路
(a)电路； (b)低频小信号等效电路
r
ds
D
S
U
o
.
R
D
R
L
＋
－
＋
－
U
i
.
G
R
G3
R
G2
R
G1
( b )
g
m
U
gs
.
第 3章 场效应管及其基本电路式中,,且一般满足 RD‖ RL<<rds。
所以,共源放大器的放大倍数 Au为
igs UU
)( DdsDm
i
o
u RrRg
U
UA
(3–26)
若 gm=5mA/V,元件值如图 3–16(a)所示,则 Au=50。
输出电阻：
MRRRR
kRrRR
GGGi
DdsDo
0375.1
10
213
输入电阻：
(3–27)
(3–28)
第 3章 场效应管及其基本电路图 3–17给出了基于 Workbench平台的场效应管电路的计算机仿真结果,从仿真中可以测出直流工作点及输入输出波形的相位关系,放大倍数等 。
第 3章 场效应管及其基本电路
1 0 μ
7 5 k
5k
1M
4 0 k
1k
5 0 k
1 0 μ
i n f 5 1 0
1 0 0 μ8 m V / 6 0 H z / 0 D e g
1 2 V
＋
－
图 3–17基于 Workbench平台的 FET放大电路的计算机仿真第 3章 场效应管及其基本电路由图可见,场效应管型号为 inf510,栅流 IG=0,漏极电流 IDQ=0.858mA。 输出波形与输入波形相位相反 。
用示波器光标分别测出输出信号峰峰值为 3V,输入信
0.024V,故该电路的放大倍数为
1 2 50 2 4.0 3uA
第 3章 场效应管及其基本电路例 场效应管放大器电路如图 3–18(a)所示,已知工作点的 gm=5mA/V,试画出低频小信号等效电路,并计算增益 Au。
第 3章 场效应管及其基本电路
u
i
＋
－
C
2
C
1
C
3
R
D
u
o
＋
－
R
G1
R
G3
R
S2
U
DD
R
G2
＋
R
S1
1 5 0 k
5 0 k
2k
1 0 k
1k
＋
＋
1M
R
L
1M
( a )
g
m
＝ 2 m A / V
图 3–18
(a)电路； (b)等效电路； (c)简化等效电路第 3章 场效应管及其基本电路图 3–18
(a)电路； (b)等效电路； (c)简化等效电路
g
m
U
gs
.
D
S
U
o
.
R
S1
R
D
R
L
r
ds
( b ) ( c )
U
o
.
R
L
′
1 ＋ g
m
R
S1
g
m
U
i
.
＋
－
＋
－
第 3章 场效应管及其基本电路解
(1)该电路的小信号等效电路如图 3–18(b)所示 。
(2)输出电压：
i
Sm
m
d
S
di
m
GS
m
d
LD
do
U
Rg
g
I
RIUgUgI
RRIU
1
1
1
)(
)(
式中：
故
(3–29)
(3–30)
(3–31)
将式 (3–31)代入式 (3–29),得放大倍数 Au为
3.8)(
1 1
LmLD
Sm
m
i
o
u RgRRRg
g
U
UA (3–32)
第 3章 场效应管及其基本电路二,共漏放大器共漏放大器的电路如图 3–19(a)所示,相应的等效电路如图 3–19(b)所示 。 该电路的主要参数如下 。
1,放大倍数 Au
i
Lm
m
d
L
di
mLS
di
m
gs
m
d
i
LS
d
i
o
u
U
Rg
g
I
RIUgRRIUgUgI
U
RRI
U
U
A
1
][])([
)(
式中：
故第 3章 场效应管及其基本电路
C
2
C
1
R
G1
R
S
U
DD
R
G2
1 5 0 k
5 0 k
2k
＋
＋
R
L
1 0 k
( a )
U
o
.
R
G3
1M
＋
－
＋
－
U
i
.
g
m
＝ 2 m A / V
图 3–19
(a)电路； (b)等效电路第 3章 场效应管及其基本电路图 3–19
(a)电路； (b)等效电路
＋
－
U
o
.
R
L
R
S
S
D
I
d
.
( b )
g
m
U
gs
.
＝ g
m
[ U
i
－ I
d
( R
S
R
L
)]
.,
｜ ｜
第 3章 场效应管及其基本电路所以
33
33
106.11021
106.1102
1
Lm
Lm
u Rg
RgA (3–33)
第 3章 场效应管及其基本电路
2,输出电阻 Ro
计算输出电阻 Ro的等效电路如图 3–20所示 。 首先将 RL开路,短路,在输出端加信号,求出,则
iU
oU
oI
o
o
o
I
UR
第 3章 场效应管及其基本电路
C
1
＋
－
R
G1
R
S
U
DD
＋
＋
( a )
R
G2
R
o
I
o
.
U
o
.
图 3–20计算共漏电路输出电阻 Ro
第 3章 场效应管及其基本电路图 3–20计算共漏电路输出电阻 Ro
R
S
( b )
I
S
.
′
＋
－
I
o
.
g
m
U
gs
.
＝ g
m
( － U
o
)
.
U
o
.
R
o
I
S
R
第 3章 场效应管及其基本电路
m
S
o
m
S
o
o
o
o
o
o
m
o
m
gs
m
S
S
o
R
oRo
g
R
Ug
R
U
U
I
U
R
UgUgUgI
R
U
I
III
S
S
1
11
1
)(
由图可见式中：
所以，输出电阻为第 3章 场效应管及其基本电路
MRRRRR
g
RR
GGGGi
m
So
0 3 7 5.1
4 0 0
102
1
102
1
213
3
3
故输入电阻
(3–34)
共栅电路与共基电路相似,留给读者自行分析 。
第 3章 场效应管及其基本电路
3–4–3若干问题的讨论一,晶体管的跨导比场效应管的跨导大得多我们知道,晶体管的电流 iC与发射结电压 uBE成指数关系,而场效应管的漏极电流 iD与栅源电压成平方律关系 。 跨导表示转移特性的斜率 。 显然,双极型晶体管的跨导比场效应管的跨导要大得多 。
第 3章 场效应管及其基本电路
D S S
DQ
G S o ff
D S S
m
DQ
oxnn
Q
GS
D
m
G S thGS
oxn
D
T
CQ
e
Q
BE
C
m
U
u
SC
I
I
U
I
g
I
L
WCuu
du
di
g
Uu
L
WCu
i
U
I
rdu
di
g
eIi
T
BE
2
2
)(
2
1
)1(
2
晶体管：
场效应管：
结型场效应管：
第 3章 场效应管及其基本电路二,关于温度稳定性场效应管导电机理为多数载流子的漂移电流,热稳定性较晶体管好 。 而且场效应管还存在一个零温度系数点,如图 3–21所示,在这一点工作,温度稳定性会更好 。
第 3章 场效应管及其基本电路
i
D
u
G S
0
10 ℃
30 ℃
80 ℃
10 ℃
30 ℃
80 ℃
零温度系数点图 3–21 场效应管的零温度系数点第 3章 场效应管及其基本电路三,关于体效应和背栅跨导前面所有结论都是在衬底与源极短路的前提下得出的 。 但是在集成电路中,在同一硅片衬底上要做许多管子 。 为保证正常工作,一般衬底要接到全电路的最低电位点,因此不可能所有管子的源极都与自身的衬底连接,此时,会存在源极与衬底之间的电位差 UBS。
为了保证沟道与衬底之间用反偏的 PN结相隔离,UBS
必须为负 。
第 3章 场效应管及其基本电路在衬底负压作用下,沟道与衬底间的耗尽层加厚,
导致开启电压 UGSth增大,沟道变窄,沟道电阻增大,
iD减小,这种效应称之为,体效应,,或,背栅效应,,
或,衬底调制效应,。
为了表达衬底电压对 iD的影响，引入背栅跨导 gmb：
CDSU
CGSUBS
D
mb U
ig
(3–40)
通常用跨导比 η来表示 gmb的大小,
1
m
mb
g
g? (3–41)
第 3章 场效应管及其基本电路式中,η为常数,一般为 0.1~0.2。
考虑背栅跨导影响的等效电路如图 3–22所示 。
g
m
U
gs
.
U
o
.
r
ds
g
mb
U
BS
图 3–22 计入背栅跨导的 FET等效电路场效应管三种组态放大器的性能比较如表 3-1。
第 3章 场效应管及其基本电路
