1、第三章：場效應晶體管及其放第三章：場效應晶體管及其放大電路大電路 鄧鄧 鋼鋼GG內容提要場效應晶體管利用輸入電壓在管場效應晶體管利用輸入電壓在管內形成的電場影響導電溝道的形內形成的電場影響導電溝道的形狀，進而控制輸出電流狀，進而控制輸出電流場效應管的特點：場效應管的特點：輸入阻抗高輸入阻抗高抗輻射能力強抗輻射能力強熱穩定性好熱穩定性好重點介紹場效應管的結構、工作重點介紹場效應管的結構、工作原理及其應用電路原理及其應用電路三極管的工作原理三極管的工作原理ReviewReviewN N溝道增強型場效應管的結構溝道增強型場效應管的結構襯底上的箭襯底上的箭頭代表頭代表PNPN結結的正向方向的正向方向M

2、OSMOS管的命管的命名原因名原因溝道的含溝道的含義義N N溝道增強型場效應管的基本工作原理溝道增強型場效應管的基本工作原理( (一一) )(0)BSv柵源電壓柵源電壓 對管工作的影響對管工作的影響GSv0DSv設設0GSv時時管子截止管子截止0GSv時時()GSGS thvV時時反型層形成，反型層形成，出現導電溝出現導電溝道道()GS ththVV ：開啟電壓開啟電壓N N溝道增強型場效應管的基本工作原理溝道增強型場效應管的基本工作原理( (二二) )(0)BSv漏源電壓漏源電壓 對管工作的影響對管工作的影響DSv()GSGS thvV設設0DSv時時導電溝道變為導電溝道變為楔形楔形DSGS

3、thvvV時時出現預夾斷出現預夾斷DSGSthvvV時時溝道被夾斷溝道被夾斷N N溝道增強型場效應管的基本工作原理溝道增強型場效應管的基本工作原理( (三三) )柵源電壓起著建柵源電壓起著建立導電溝道和控制立導電溝道和控制溝道形狀的作用溝道形狀的作用由于溝道電流僅由由于溝道電流僅由多子流構成，故也多子流構成，故也稱場效應管為單極稱場效應管為單極型晶體管。特點：型晶體管。特點：漏源電壓產生輸漏源電壓產生輸出電流并改變溝道出電流并改變溝道形狀形狀溫度穩定性能好溫度穩定性能好抗輻射能力強抗輻射能力強增強型的含義增強型的含義N N溝道增強型場效應管的輸出特性曲線溝道增強型場效應管的輸出特性曲線( (一

4、一) )由于柵極與源極和由于柵極與源極和漏極之間有絕緣層漏極之間有絕緣層隔開，故柵極輸入隔開，故柵極輸入電流極小電流極小 ，輸，輸入電阻極高，可以入電阻極高，可以達到達到 以上以上0Gi 910 因此，常用的特性因此，常用的特性曲線為曲線為輸出特性曲輸出特性曲線線和和轉移特性曲線轉移特性曲線N N溝道增強型場效應管的輸出特性曲線溝道增強型場效應管的輸出特性曲線( (二二) )可可變變電電阻阻區區飽飽和和區區擊擊穿穿區區截止區截止區截止區：截止區：()GSGS thvV可變電阻區：可變電阻區：()GSGS thvV()()DSGSGS thvvV飽和飽和( (恒流恒流) )區：區：()GSGS

5、thvV()()DSGSGS thvvV2()()2pDGSGS thkWivVL厄爾利電壓厄爾利電壓AV溝道長度調制效應溝道長度調制效應擊穿區：擊穿區：()DSBR DSvV放放大大區區預夾斷點預夾斷點無溝道無溝道溝道未夾斷溝道未夾斷溝道已夾斷溝道已夾斷N N溝道增強型場效應管的轉移特性曲線溝道增強型場效應管的轉移特性曲線( (一一) )()|DSDGSvif v常數轉移特性曲線表示漏轉移特性曲線表示漏源電壓一定時，漏極源電壓一定時，漏極電流與柵源電壓之間電流與柵源電壓之間的關系曲線的關系曲線可由輸出曲線求得可由輸出曲線求得轉移跨導：轉移跨導：0DSDmGSvigvN N溝道增強型場效應管的

6、轉移特性曲線溝道增強型場效應管的轉移特性曲線( (二二) )2DQmGSQthIgVV在相同工作點電流在相同工作點電流情況下，情況下，MOSMOS管跨導管跨導的數值通常會比雙的數值通常會比雙極型管的小，可能極型管的小，可能小小1212個數量級個數量級跨導也可以由轉移跨導也可以由轉移特性曲線圖解確定特性曲線圖解確定MOSMOS場效應管的擊穿場效應管的擊穿飽和區內，過大的飽和區內，過大的漏源電壓所產生的漏源電壓所產生的擊穿與輸出特性曲擊穿與輸出特性曲線上的擊穿區對應線上的擊穿區對應漏源電壓過大時，漏源電壓過大時，會導致漏區與襯底會導致漏區與襯底間的間的PNPN結出現反向結出現反向擊穿擊穿飽和區內可

7、能會出飽和區內可能會出現貫通擊穿現貫通擊穿當柵源電壓過大時，當柵源電壓過大時，可能會導致絕緣層可能會導致絕緣層被擊穿被擊穿MOSMOS場效應管襯底調制效應場效應管襯底調制效應( (一一) )在在MOSMOS管工作時，管工作時，漏區、源區、導電漏區、源區、導電溝道與襯底之間的溝道與襯底之間的PNPN結不應出現正向結不應出現正向導通情況，否則管導通情況，否則管不能正常工作不能正常工作這就要求這就要求N N溝道型溝道型管的襯源極間電壓管的襯源極間電壓應滿足應滿足 ，P P溝道型管應溝道型管應0BSv0BSvMOSMOS場效應管襯底調制效應場效應管襯底調制效應( (二二) )分立元件中，襯底分立元件中

8、，襯底B B一般與源極一般與源極S S相連。相連。在集成電路中，由在集成電路中，由于所有元件為同一于所有元件為同一襯底，為保證所有襯底，為保證所有元件的溝道與襯底元件的溝道與襯底間的隔離，導電溝間的隔離，導電溝道與襯底之間所形道與襯底之間所形成的成的PNPN結必須反偏，結必須反偏，也即也即N N溝道溝道MOSMOS管管的的 。所以，。所以，開啟電壓和轉移特開啟電壓和轉移特性曲線右移性曲線右移0BSv背柵跨導背柵跨導P P溝道增強型溝道增強型MOSMOS場效應管場效應管( (一一) )P P溝道管的結構和原理與溝道管的結構和原理與N N溝道管類溝道管類似似但應注意溝道極性的區別及由此帶但應注意溝

9、道極性的區別及由此帶來的電流、電壓方向的變化來的電流、電壓方向的變化P P溝道增強型溝道增強型MOSMOS場效應管場效應管( (二二) )應注意特性曲應注意特性曲線圖中電流、線圖中電流、電壓的方向電壓的方向耗盡型耗盡型MOSMOS場效應管場效應管( (一一) )耗盡型耗盡型MOSMOS管在柵源零偏時即已管在柵源零偏時即已存在導電溝道存在導電溝道注意其符號與增強型的區別注意其符號與增強型的區別耗盡型耗盡型MOSMOS場效應管場效應管( (二二) )(0)GSif v()()GSGS offif vV：截止電壓：截止電壓或閾值電壓或閾值電壓()GS offV(0)DSif v也會產生預夾斷也會產生

10、預夾斷和漏極電流飽和和漏極電流飽和的情況的情況0GSv0DSv 時已有導電時已有導電溝道，故溝道，故 時即時即有漏極電流產生有漏極電流產生(0)GSif v耗盡型耗盡型MOSMOS場效應管場效應管( (三三) )可可變變電電阻阻區區飽飽和和區區擊擊穿穿區區截止區截止區截止區：截止區：()GSGS offvV可變電阻區：可變電阻區：()GSGS offvV()0()DSGSGS offvvV飽和飽和( (恒流恒流) )區：區：()GSGS offvV()()DSGSGS offvvV2()()2pDGSGS thkWivVL擊穿區擊穿區耗盡型耗盡型MOSMOS場效應管場效應管( (四四) )21

11、GSDDSSoffviIV2()()2pDGSGS thkWivVL0GSDSGSoffvDSSDvvVIiP P溝道型管的特性可與之類比溝道型管的特性可與之類比2DQmGSQoffIgVVMOSMOS管類型總結管類型總結MOSMOS管管N N溝道溝道MOSMOS管管P P溝道溝道MOSMOS管管N N溝道增強型溝道增強型MOSMOS管管N N溝道耗盡型溝道耗盡型MOSMOS管管P P溝道增強型溝道增強型MOSMOS管管P P溝道耗盡型溝道耗盡型MOSMOS管管MOSMOS管的結構管的結構注意注意N N溝道與溝道與P P溝溝道的區別道的區別注意增強注意增強型與耗盡型與耗盡型的區別型的區別結型場

12、效應管的結構結型場效應管的結構結型場效應管結型場效應管(JFET(JFET：Junction Field Junction Field Effect Transistor)Effect Transistor)根據溝道類型不同亦可分類根據溝道類型不同亦可分類結型場效應管的基本工作原理結型場效應管的基本工作原理( (一一) )結型場效應管存在著結型場效應管存在著內建初始導電溝道，內建初始導電溝道，這一點與耗盡型管類這一點與耗盡型管類似似結型場效應管應用時結型場效應管應用時的輸入電阻很大，可的輸入電阻很大，可達達 以上以上710 結型場效應管也是通結型場效應管也是通過控制導電溝道的形過控制導電溝道的

13、形態改變輸出電流態改變輸出電流結型場效應管輸入信結型場效應管輸入信號及輸出電流、電壓號及輸出電流、電壓的選擇與的選擇與MOSMOS管類似管類似結型場效應管的基本工作原理結型場效應管的基本工作原理( (二二) )柵源電壓柵源電壓 對管工作的影響對管工作的影響GSv0GSv時時耗盡層增厚，導耗盡層增厚，導電溝道變薄，溝電溝道變薄，溝道電阻增大道電阻增大0DSv設設()GSGS offvV時時溝道全夾斷，漏溝道全夾斷，漏極電流為零極電流為零()GS offoffVV ：夾斷電壓夾斷電壓結型場效應管的基本工作原理結型場效應管的基本工作原理( (三三) )漏源電壓漏源電壓 對管工作的影響對管工作的影響D

14、Sv0DSv時時導電溝道變為楔導電溝道變為楔型型()DSGSGS offvvV時時DSv 繼續增大時繼續增大時溝道預夾斷，此溝道預夾斷，此時的漏極電流為時的漏極電流為飽和電流飽和電流DSSI(,0GSoffvV設設此時對應于輸出此時對應于輸出特性曲線飽和區特性曲線飽和區結型場效應管的特性曲線結型場效應管的特性曲線恒恒流流區區擊擊穿穿區區可可變變電電阻阻區區夾斷電壓夾斷電壓飽和漏極電流飽和漏極電流大功率管的作用大功率管的作用大功率管：最大允許工作電流大功率管：最大允許工作電流 、擊、擊穿電壓穿電壓 、最大耗散功率、最大耗散功率 的數的數值均較大值均較大DMI()BR DSVDMP橫向結構場效應管

15、的漏源擊穿電壓和橫向結構場效應管的漏源擊穿電壓和最大耗散功率、最大容許工作電流不最大耗散功率、最大容許工作電流不能同時增大能同時增大VDMOSVDMOS型場效應管型場效應管VDMOSVDMOS的結的結構說明構說明VDMOSVDMOS中溝中溝道的產生道的產生VDMOSVDMOS中的中的三極三極管及管及器件器件符號符號IGBTIGBT型管型管請自行參閱課本請自行參閱課本MOSMOS場效應管的瞬態模型場效應管的瞬態模型MOSMOS場效應管的微變信號模型場效應管的微變信號模型結型場效應管的微變信號模型結型場效應管的微變信號模型場效應管放大電路的要點場效應管放大電路的要點分析方法與三極管放大電路相同，分

16、析方法與三極管放大電路相同，仍然是先靜態后動態，既可以使用圖仍然是先靜態后動態，既可以使用圖解法又可以使用等效電路法解法又可以使用等效電路法注意偏置電路的設置（對于不同的注意偏置電路的設置（對于不同的場效應管來說有不同的設置需求）場效應管來說有不同的設置需求）由于柵極電流為零，因此在等效模由于柵極電流為零，因此在等效模型中的柵極為懸空。受控電流源所反型中的柵極為懸空。受控電流源所反映的為柵源電壓對漏極電流的控制作映的為柵源電壓對漏極電流的控制作用用跨導一般較小，從而使得場效應管跨導一般較小，從而使得場效應管放大電路的具體參數與三極管放大電放大電路的具體參數與三極管放大電路相比有一些不同之處路相

17、比有一些不同之處偏置變量的相關回顧偏置變量的相關回顧所謂偏置，就是給器件加一定的電壓所謂偏置，就是給器件加一定的電壓( (或電流或電流) )，使其工作點偏離原點，以便器，使其工作點偏離原點，以便器件能夠在電路中按照人們的要求工作。對件能夠在電路中按照人們的要求工作。對于放大運用來說，器件應工作于放大于放大運用來說，器件應工作于放大( (恒恒流，飽和流，飽和) )區區當大信號工作時，靜態工作點的位置及當大信號工作時，靜態工作點的位置及動態運用的范圍影響非線性失真動態運用的范圍影響非線性失真當小信號運用時，只要是在放大區，靜當小信號運用時，只要是在放大區，靜態工作點的位置并不影響非線性失真，但態工

18、作點的位置并不影響非線性失真，但將影響放大量將影響放大量( (動態范圍動態范圍) )和功率消耗和功率消耗偏置電路應兼顧靜態工作點的穩定、功偏置電路應兼顧靜態工作點的穩定、功率消耗。大信號運用時，靜態工作點的不率消耗。大信號運用時，靜態工作點的不穩定還影響動態運用范圍和功率損耗，后穩定還影響動態運用范圍和功率損耗，后者將牽涉到器件的安全運用者將牽涉到器件的安全運用分壓式偏置分壓式偏置管狀態的分析過程管狀態的分析過程與三極管類似，即與三極管類似，即先假定管處于飽和先假定管處于飽和狀態并展開分析看狀態并展開分析看結果是否一致結果是否一致212212GQDDSQDQSGSQGQSQDDDQSRVVRR

19、VIRVVVRVIRRR對于不同類型的管對于不同類型的管子來說，應注意：子來說，應注意：N N溝道增強型溝道增強型N N溝道耗盡型溝道耗盡型N N溝道結型溝道結型P P溝道型管溝道型管0thV GDQthVV0offVGDQoffVV0offVGSQoffVV電源電壓應為電源電壓應為負值負值GDQoffVV溝溝道道產產生生后后被被夾夾斷斷自給偏壓式偏置自給偏壓式偏置( (一一) )靜態時靠源極電阻靜態時靠源極電阻上的電壓為柵源上的電壓為柵源提供一個負的偏壓，提供一個負的偏壓，故稱自給偏壓故稱自給偏壓GSQSQDQSVVIR 增強型場效應管增強型場效應管為同極性偏置為同極性偏置結型場效應管為結型

20、場效應管為反極性偏置反極性偏置耗盡型耗盡型MOSMOS場效場效應管兩者均可應管兩者均可自給偏壓適用于結自給偏壓適用于結型或耗盡型管型或耗盡型管自給偏壓式偏置自給偏壓式偏置( (二二) )偏置電阻對交流信號有損耗作用，也偏置電阻對交流信號有損耗作用，也降低了放大電路的輸入電阻降低了放大電路的輸入電阻在集成電路中，在集成電路中，本級放大電路的本級放大電路的輸入端直流偏置輸入端直流偏置通常由前級電路通常由前級電路的輸出提供的輸出提供必要時加入直流必要時加入直流電平移動單元，電平移動單元，稱這種偏置方式稱這種偏置方式為直接偏置為直接偏置場效應管的三種基本組態放大電路場效應管的三種基本組態放大電路共源與

21、共射對應共源與共射對應共漏與共集對應共漏與共集對應共柵與共基對應共柵與共基對應場效應管基本共源放大電路場效應管基本共源放大電路(/)(/)/mgsDdsovmDdsiiioDdsg vRrVAgRrVVRRRr 基本特性及基本特性及應用范圍同應用范圍同共射電路共射電路場效應管基本共柵放大電路場效應管基本共柵放大電路基本特性及基本特性及應用范圍同應用范圍同共基電路共基電路()(/)/(/)1/(1/)1/1()/gsoomgsDdsmgsgsdsDoDdsmgsgsdsDoDdsomdsDviDdsgsimgsgsodsmoDdsvVVg vRrg vvrRV Rrg vvrRVRrVgrRAV

22、RrvRg vvVrgRRr 場效應管基本共漏放大電路場效應管基本共漏放大電路(/)(/)(/)(/) 11/mgsdsomdsvimgsdsgsmdsiodsmg vRrVgRrAVg vRrvgRrRRRrg 基本特性及應用基本特性及應用范圍同共集電路范圍同共集電路場效應管基本電流源場效應管基本電流源2111()1111() (1)2pDRGSGS thDSkWIIVVVLT T2 2管的管的 ，保證其工作在飽和區保證其工作在飽和區22()2DSGSGS thVVV0222111(/)(1)(/)(1)DSRDSIWLVIWLV22202()2222() (1)2pDGSGS thDSkW

23、IIVVVL()1()2()12,GS thGS thGS thVVV設設忽略溝道長度調制效應后忽略溝道長度調制效應后( )( )，若，若兩管參數對稱則為鏡像電流源，否則兩管參數對稱則為鏡像電流源，否則為比例電流源為比例電流源0場效應管串聯電流源場效應管串聯電流源T T3 3、T T4 4特性相同，特性相同，T T1 1、T T2 2特性相同特性相同12DSDSVV02222211111(/)(1)/(/)(1)/DSRDSIWLVWLIWLVWL輸出電流幾乎不受電輸出電流幾乎不受電流源輸出端電壓的影流源輸出端電壓的影響，從而使輸出電阻響，從而使輸出電阻大為提高，保證了良大為提高，保證了良好的

24、恒流特性好的恒流特性4424()ommbdsdsrggrr場效應管威爾遜電流源場效應管威爾遜電流源三管均工作在飽和區三管均工作在飽和區具有很高的輸出電阻具有很高的輸出電阻113omdsdsrg r r由于串聯電流源和威爾由于串聯電流源和威爾遜電流源在輸出回路中遜電流源在輸出回路中串聯有兩個串聯有兩個MOSMOS管且要求管且要求兩管均工作于飽和區，兩管均工作于飽和區，從而在電源電壓一定的從而在電源電壓一定的情況下，減小了輸出端情況下，減小了輸出端電壓變化的動態范圍電壓變化的動態范圍MOSMOS管有源電阻管有源電阻在工作點處在工作點處DSDS之間的直流電之間的直流電阻為阻為 ，小信號動態電小信號動

25、態電阻可在阻可在Q Q點處點處切線斜率求得切線斜率求得/DSQQVI注意伏安特性注意伏安特性曲線的做法曲線的做法也可用也可用P P溝道溝道管構成類似電管構成類似電阻阻NMOSNMOS管共源管共源E/EE/E型放大電路型放大電路放大管與負載管均為增強型放大管與負載管均為增強型MOSMOS管的放管的放大電路稱為大電路稱為E/EE/E放大電路放大電路NMOSNMOS管共源管共源E/DE/D型放大電路型放大電路以增強型以增強型MOSMOS管管( (稱為稱為E E管管) )作為放大管，作為放大管，耗盡型耗盡型MOSMOS管管( (稱為稱為D D管管) )作為負載管的作為負載管的放大電路稱為放大電路稱為E

26、/DE/D放大電路放大電路CMOSCMOS共源放大電路共源放大電路沒有襯底調制效應的原因沒有襯底調制效應的原因為保證為保證T T2 2管工作于飽和區，其柵極偏壓管工作于飽和區，其柵極偏壓 應小于應小于 ，且，且 。同理，。同理，為保證為保證T T1 1工作于飽和區，應滿足工作于飽和區，應滿足()1()1,IGS thOIGS thvVvvV2()2GSGDDGS thVVVVDDVGVT T1 1為放為放大管，大管，T T2 2為負為負載管載管三種單級放大電路的主要性能比較三種單級放大電路的主要性能比較放大管：放大管：/150/10W L 負載管：負載管：/30/30W L 從輸出曲線從輸出曲

27、線變化范圍比較變化范圍比較從線性放大從線性放大區特性的斜率區特性的斜率比較比較場效應管差分放大電路綜述場效應管差分放大電路綜述場效應管差分放大電路的形式、基場效應管差分放大電路的形式、基本特性及分析方法與本特性及分析方法與BJTBJT差放一樣差放一樣場效應管差放具有輸入電阻大、輸場效應管差放具有輸入電阻大、輸入電流小、輸入線性范圍大等優點入電流小、輸入線性范圍大等優點場效應管差放通常也有微變增益低、場效應管差放通常也有微變增益低、偏差失調大的缺點偏差失調大的缺點MOSMOS管基本差分放大電路管基本差分放大電路( (一一) )電路結構說明電路結構說明差模微變增益的求差模微變增益的求解：解：111

28、2212(/)1(/)()21(/)()2omidsDmdsDiiomdsDiiVg VrRgrRVVVgrRVV 121212(/)oooviiiimdsDVVVAVVVVgrR MOSMOS管基本差分放大電路管基本差分放大電路( (二二) )MOSMOS管差放的傳輸管差放的傳輸特性與三極管類似特性與三極管類似但其非限幅區范圍但其非限幅區范圍比三極管差放寬許比三極管差放寬許多多MOSMOS管基本差分放大電路管基本差分放大電路( (三三) )共模交流通路：共模交流通路：MOSMOS管有源負載差分放大電路管有源負載差分放大電路( (一一) )E/EE/E型放大電路型放大電路負載管的微變負載管的微

29、變電阻為電阻為31/mg1211313/(1/)oviimdsmmmVAVVgrggg MOSMOS管有源負載差分放大電路管有源負載差分放大電路( (二二) )以電流源作為以電流源作為有源負載的有源負載的CMOSCMOS差放差放34/2DDSSIII12113(/)oviimdsdsVAVVgrr MOSMOS管有源負載差分放大電路管有源負載差分放大電路( (三三) )以鏡像電流源作以鏡像電流源作為有源負載的為有源負載的CMOSCMOS差放差放1224(/)oviimdsdsVAVVgrr 可類比三極管差可類比三極管差放電路放電路差放中的襯底調制效應差放中的襯底調制效應請自行閱讀課本請自行閱讀

30、課本模擬開關綜述模擬開關綜述模擬開關：模擬開關：用于控制信用于控制信號的通斷號的通斷一個理想的模擬開關，接通時電阻為一個理想的模擬開關，接通時電阻為零，關斷時電阻為無窮大。開關的工零，關斷時電阻為無窮大。開關的工作速度要快且對其它電路的性能的影作速度要快且對其它電路的性能的影響要小響要小實際的模擬開關可由工作在開關狀態的晶實際的模擬開關可由工作在開關狀態的晶體管或場效應管組成，外加控制電壓使晶體管或場效應管組成，外加控制電壓使晶體管交替工作在飽和區和截止區，或使場體管交替工作在飽和區和截止區，或使場效應管交替工作在可變電阻區和截止區；效應管交替工作在可變電阻區和截止區；此外，此外，PINPIN管也可以構成模擬開關管也可以構成模擬開關單管單管MOSMOS模擬開關模擬開關( (一一) )由于由于N N溝道溝道MOSMOS管的導通電阻小，單溝管的導通電阻小，單溝道模擬開關一般使用道模擬開關一般使用NMOSNMOS管管當柵極控制電壓為低電平即當柵極控制電壓為低電平即 時，時，MOSMOS管截止，開關斷開管截止，開關斷開GGLvV當柵極控制電壓為高當柵極控制電壓為高電平即電平即 時，管時，管子子 ，MOSMOS管導通，由于負管導通，由于負載電阻很大，且管子載電阻很大，且管子工作于可變電阻區工作于可變電阻區，開關閉合開關閉合GGHvV()GSGHIGS thvVvV單管單管MOS