第三章授课教案

第三章场效应管放大电路〖本章主要内容〗本章重点讲述场效应管的基本结构和工作原理，由场效应管构成的放大电路的分析方法。

〖学时分配〗本章有6讲，每讲两个学时。

第十讲场效应管一、主要内容１、效应管及其类型效应管FET是一种利用电场效应来控制其电流大小的半导体器件。

根据结构不同可分为两大类：结型场效应管（JFET）和金属－氧化物－半导体场效应管（MOSFET简称MOS管）。

每一类又有N沟道和P沟道两种类型。

其中MOS管又可分为增强型和耗尽型两种。

2、N沟道增强型MOS管结构N沟道增强型MOSFET基本上是一种左右对称的拓扑结构，它是在P型半导体上生成一层SiO2薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区，从N型区引出两个电极，漏极D，和源极S。

在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G。

P型半导体称为衬底，用符号B表示。

因为这种MOS管在V GS=0V时I D=0；只有当U GS＞U GS(th) 后才会出现漏极电流，所以称为增强型MOS管。

如P42图1.44所示。

3、N沟道增强型MOS管的工作原理1）夹断区工作条件U GS=0时，D与S之间是两个PN结反向串联，没有导电沟道，无论D与S之间加什么极性的电压，漏极电流均接近于零；当0﹤U GS﹤U GS(th时，由柵极指向衬底方向的电场使空穴向下移动，电子向上移动，在P型硅衬底的上表面形成耗尽层，仍然没有漏极电流。

工作条件U GS> U GS(th) 时，栅极下P型半导体表面形成N型导电沟道(反型层)，若D、S间加上正向电压后可产生漏极电流I D。

若u DS＜u GS- U GS(th)，则沟道没夹断，对应不同的u GS，ds间等效成不同阻值的电阻，此时，FET相当于压控电阻。

3）恒流区（或饱和区）工作条件当u DS=u GS- U GS(th) 时，沟道预夹断；若u DS＞u GS- U GS(th)，则沟道已夹断，i D仅仅决定于u GS，而与u DS无关。

此时，i D近似看成u GS控制的电流源，FET相当于压控流源。

可见，对于N沟道增强型MOS管，栅源电压V GS对导电沟道有控制作用，即U GS> U GS(th)时，才能形成导电沟道将漏极和源极沟通。

如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流I D。

当场效应管工作在恒流区时，利用栅－源之间外加电压u GS所产生的电场来改变导电沟道的宽窄，从而控制多子漂移运动所产生的漏极电流I D。

此时，可将I D看成电压u GS控制的电流源。

4、N沟道耗尽型MOSFETN沟道耗尽型MOSFET是在栅极下方的S i O2绝缘层中掺入了大量的金属正离子，所以当U GS=0时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。

如P45图1.48所示。

于是，只要有漏源电压，就有漏极电流存在。

当U GS＞0时，将使I D进一步增加。

U GS＜0时，随着U GS 的减小漏极电流逐渐减小，直至I D=0。

对应I D=0的U GS称为夹断电压，用符号U GS(off)表示，5、P沟道增强型和耗尽型MOSFETP沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完全相同，只不过导电的载流子不同，供电电压极性不同而已。

这如同双极型三极管有NPN型和PNP型一样。

6、场效应管的伏安特性场效应三极管的特性曲线类型比较多，根据导电沟道的不同以及是增强型还是耗尽型可有四种转移特性曲线和输出特性曲线，其电压和电流方向也有所不同。

以增强型N沟MOSFET为例，输出特性：i D＝f (u DS)︱U GS =常数反映U GS＞U GS(th) 且固定为某一值时，U DS对I D的影响；转移特性：i D＝f (u GS)︱U DS =常数反映U GS对漏极电流的控制关系；输出特性和转移特性反映了场效应管工作的同一物理过程，因此，转移特性可以从输出特性上用作图法一一对应地求出。

场效应管的输出特性可分为四个区：夹断区、可变阻区、饱和区（或恒流区）和击穿区。

在放大电路中，场效应管工作在饱和区。

7、场效应管的主要参数：1）直流参数（1）开启电压U GS(th)：开启电压是MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值，场效应管不能导通。

（2）夹断电压U GS(off)：夹断电压是耗尽型FET的参数，当U GS=U GS(off) 时，漏极电流为零。

（3）饱和漏极电流I DSS：I DSS是耗尽型FET的参数，当U GS=0时所对应的漏极电流。

（4）直流输入电阻R GS（DC）：FET的栅源输入电阻。

对于JFET，反偏时R GS约大于107Ω；对于MOSFET，R GS约是109～1015Ω。

交流参数（1）低频跨导g m：低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用，这一点与电子管的控制作用十分相像。

g m可以在转移特性曲线上求取，单位是mS(毫西门子)。

（2）级间电容：FET的三个电极间均存在极间电容。

通常C gs和C gd约为1～3pF,而C ds 约为0.1～1pF。

在高频电路中，应考虑极间电容的影响。

极限参数（1）最大漏极电流I DM：是FET正常工作时漏极电流的上限值。

（2）漏--源击穿电压U(BR)DS：FET进入恒流区后，使i D骤然增大的u DS值称为漏—源击穿电压，u DS超过此值会使管子烧坏。

（3）最大耗散功率P DM：可由P DM= V DS I D决定，与双极型三极管的P CM相当。

8、场效应管FET与晶体管BJT的比较1）FET是另一种半导体器件，在FET中只是多子参与导电，故称为单极型三极管；而普通三极管参与导电的既有多数载流子，也有少数载流子，故称为双极型三极管（BJT）。

由于少数载流子的浓度易受温度影响，因此，在温度稳定性、低噪声等方面FET优于BJT。

2）BJT是电流控制器件，通过控制基极电流达到控制输出电流的目的。

因此，基极总有一定的电流，故BJT的输入电阻较低；FET是电压控制器件，其输出电流取决于栅源间的电压，栅极几乎不取用电流，因此，FET的输入电阻很高，可以达到109～１014Ω。

高输入电阻是FET的突出优点。

3）FET的漏极和源极可以互换使用，耗尽型MOS管的栅极电压可正可负，因而FET放大电路的构成比BJT放大电路灵活。

4）FET 和BJT都可以用于放大或作可控开关。

但FET还可以作为压控电阻使用，可以在微电流、低电压条件下工作，且便于集成。

在大规模和超大规模集成电路中应用极为广泛。

二、本讲重点1、MOS管结构原理；2、MOS管的伏安特性及其在三个工作区的工作条件；三、本讲难点：1、MOS管各工作区的工作条件；四、教学组织过程本讲以教师讲授为主。

用多媒体演示FET的结构原理、输出与转移特性等，便于学生理解和掌握。

FET的工作区、管型的判断方法可以启发讨论。

五、课后习题见相应章节的“习题指导”。

第十一讲 场效应管放大电路一、主要内容1、直接耦合放大电路的零点漂移直接耦合放大电路的零点漂移主要是晶体管的温漂造成的。

在基本差动放大电路中，利用参数的对称性进行补偿来抑制温漂。

在长尾电路和具有恒流源的差动放大电路中，还利用共模负反馈或恒流源抑制每只放大管的温漂。

2、差动放大电路组成及特点1）电路组成差分放大器是由对称的两个基本放大电路通过射极公共电阻耦合构成的。

“对称”的含义是两个三极管的特性一致，电路参数对应相等，即R c1=R c2，R b1=R b2，β1=β2，V BE1=V BE2，r be1= r be2， I CBO1=I CBO2。

2）电路特性（1）差动放大电路对零漂在内的共模信号有抑制作用；（2）差动放大电路对差模信号有放大作用；（3）共模负反馈电阻Re 的作用：①稳定静态工作点。

②对差模信号无影响。

③对共模信号有负反馈作用：Re 越大对共模信号的抑制作用越强；也可能使电路的放大能力变差。

3、差动放大电路的输入和输出方式1）差动放大电路可以有两个输入端：同相输入端和反相输入端。

根据规定的正方向，在某输入端加上一定极性的信号，如果输出信号的极性与其相同，则该输入端称为同相输入端。

反之，如果输出信号的极性与其相反，则该输入端称为反相输入端。

2）信号的输入方式：若信号同时加到同相输入端和反相输入端，称为双端输入；若信号仅从一个输入端加入，称为单端输入。

3）信号的输出方式：差动放大电路可以有两个输出端：集电极C 1和C 2。

从C 1和C 2输出称为双端输出；仅从集电极C 1或C 2对地输出称为单端输出。

按照信号的输入、输出方式，或输入端与输出端接地情况的不同，差动放大电路有四种接法：双端输入/双端输出；双端输入/单端输出；单端输入/双端输出；单端输入/单端输出；4、差模信号和共模信号1）差模信号：幅度相等、极性相反的一对输入信号。

通常为有用信号。

2）共模信号：幅度相等、极性相同的一对输入信号。

通常为温漂和干扰信号。

3）比较输入：1i u 和2u u 可以分解为一对差模信号id u ±和一对共模信号ic u 的叠加作用。

差模信号为：21i i id u u u -=；共模信号为：221i i ic u u u += 1i u 和2u u 均接地，故信号的输入方式无关，可分两种情况进行：双端输出和单端输出。

1）双端输出双端输出21CQ CQ u u =，所以，与电路有无接负载无关。

1列输入回路电压方程，并根据放大区CQ BQ EQ I I I ≈+=)1(β即可求得BQ I 和CQ I ；2列输出回路电压方程可求得CEQ U ；2）单端输出21BQ BQ I I =；在放大区有21CQ CQ I I =；但是，21CQ CQ U U ≠，21CEQ CEQ U U ≠。

所以，应该采用戴维南等效定理将原电路的1CQ U 和2CQ U 或1CEQ U 和2CEQ U6、差动放大电路的动态性能指标（1）差模电压放大倍数Ad ：描述电路放大差模信号的能力；（2）差模输入电阻Rid ：差模信号作用下的输入电阻。

（3）差模输出电阻Rod ：差模信号作用下的输出电阻。

（4）共模电压放大倍数Ac ：描述电路抑制共模信号的能力；（5）共模抑制比cd CMR A A K；理想情况下，共模放大倍数为0，共模抑制比为∞。

7、差动放大电路的动态分析求解动态参数的关键是针对差模参数和共模参数，应分别画出微变等效电路进行计算。

差模和共模微变等效电路的主要区别是对R e 的处理不同：在差模等效电路中，双端输入时R e 视为短路；单端输入时R e 视为开路。

在共模信号作用下对单边电路而言，发射极等效电阻为2Re 。

虽然差动放大电路有四种接法，且有三种不同的输入信号。

由于单端输入可以转换为双端输入；比较输入可以看成是差模输入和共模输入的叠加。

实际分析计算时，只须考虑两种情况：差模信号作用下的双入—双出、双入—单出；共模信号作用下的双入—双出、双入—单出。