模拟电路课件：chapter5.ppt

1、15 场效应管放大电路场效应管放大电路5.1 金属金属-氧化物氧化物-半导体半导体(MOS)场效应管场效应管5.2 MOSFET放大电路放大电路5.3 结型场效应管结型场效应管(JFET)5.4 砷化镓金属砷化镓金属-半导体场效应管半导体场效应管5.5 各种放大器件电路性能比较各种放大器件电路性能比较25 场效应管放大电路场效应管放大电路场效应晶体管（FET）是一种电压控制的单极性半导体器件，它利用电场效应改变内部导电沟道，实现控制输出电流的目的。它具有体积小、重量轻、功耗小、寿命长、输入阻抗高、噪声低和制造工艺简单等优点，因而在电子电路中得到了广泛地应用，特别是在大规模集成电路和超大规模集成

2、电路中得到广泛应用。FET是Field Effect Transistor 的缩写JFET是Junction type Field Effect Transistor 的缩写MOSFET是Metal-Oxide-Semiconductor type Field Effect Transistor 的缩写3场效应管的分类（基本结构）场效应管的分类（基本结构）N沟道沟道P沟道沟道增强型增强型耗尽型耗尽型N沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道（耗尽型）（耗尽型）FET场效应管场效应管JFET 结型结型 绝缘栅型绝缘栅型MOSFET45.1 金属金属-氧化物氧化物-半导体半导体(MOS)场效应管场效

3、应管5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET5.1.2 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET5.1.3 P沟道沟道MOSFET5.1.4 沟道长度调制效应沟道长度调制效应5.1.5 MOSFET的主要参数的主要参数55.1 金属金属-氧化物氧化物-半导体半导体(MOS)场效应管场效应管金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFET）是利用半导体表面电场效应进行工作，故又称为表面场效应器件。1.MOSFET的栅极处于绝缘状态，所以其输入电阻可高达1015。2.按照MOSFET导电沟道不同，可分为N沟道和P沟道两类，其中每一类又可分为增强型(E)型MOSFET和耗尽型(D型) MOSFET。当vG

4、S=0时，没有导电沟道的称为E型。E型只有加上一定的vGS才形成导电沟道，因此称为增强型。当vGS=0时，存在着电沟道的称为D型。65.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET1. 结构结构PNNgsdP型基底型基底两个两个N+区区SiO2绝缘层绝缘层金属铝金属铝gsd电路符号电路符号箭头表示由箭头表示由P（衬底）（衬底）指向指向N（沟道）（沟道）75.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET2. 工作原理工作原理PN+N+gsdvDSvGSvGS=0时时d-s间相当于两个间相当于两个背靠背的背靠背的PN结结iD=0对应截止区对应截止区85.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET2.

5、工作原理工作原理VT称为开启电压称为开启电压PN+N+gsdvDSvGSvGS0时时vGS足够大时（足够大时（ vGS VT）感应出足够多电子，这里感应出足够多电子，这里出现以电子导电为主的出现以电子导电为主的N型导电沟道。型导电沟道。感应出电子感应出电子这种这种vGS=0时没有导电时没有导电沟道，而必须依靠栅沟道，而必须依靠栅源电压的作用，才形源电压的作用，才形成感生沟道的成感生沟道的FETFET称为称为增强型增强型FETFET。95.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET2. 工作原理工作原理vGS较小时，导电较小时，导电沟道相当于电阻将沟道相当于电阻将d-s连接起来，连接起来， vG

6、S越大此电阻越小。越大此电阻越小。PN+N+gsdvDSvGS105.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET2. 工作原理工作原理PN+N+gsdvDSvGS当当vDS不太大时，不太大时，导电沟道在两导电沟道在两个个N+区间是均区间是均匀的。匀的。当当vDS较大时，靠较大时，靠近近d区的导电沟道区的导电沟道变窄。变窄。115.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET2. 工作原理工作原理夹断后，即夹断后，即使使vDS 继续增继续增加，加，iD仍呈恒仍呈恒流特性流特性。iDPN+N+gsdvdsvgsvDS增加，增加，vGD=VT 时，时，靠近靠近d端的沟道被夹断，端的沟道被夹断，称为称为

7、预预夹断夹断。125.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET3. V-I特性曲线及大信号特性方程特性曲线及大信号特性方程（1）输出特性输出特性const.DSDGS)( vvfi 截止区：截止区： vGS0时时， 沟道中感应出更多的负电荷，使沟道变宽，沟道中感应出更多的负电荷，使沟道变宽，在在vDS作用下作用下，iD具有更大的数值。具有更大的数值。(2) vGS0时，沟道中的感应的负电荷减少，沟道变窄，从时，沟道中的感应的负电荷减少，沟道变窄，从而使得漏极电流减少。当为负电压到达某值，耗尽区而使得漏极电流减少。当为负电压到达某值，耗尽区扩展到这个沟道，沟道被完全夹断，这时即使存在扩展到这个

8、沟道，沟道被完全夹断，这时即使存在vDS,也不会存在也不会存在iD，这时的栅源电压被称为，这时的栅源电压被称为夹断电压（截夹断电压（截止电压）止电压）VP195.1.2 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET2.V-I特性曲线及大信号特性方程特性曲线及大信号特性方程0,GSDSGSPvvvV预夹断后：预夹断后：2DnPDSSiK VI饱和漏极电流：饱和漏极电流：2(1)GSDDSSPviIV205.1.3 P沟道沟道MOSFET增强型增强型MOS管沟道产生的条件：管沟道产生的条件：P沟道沟道MOSFET电路符号电路符号GSTvV可变电阻区和饱和区的界线：可变电阻区和饱和区的界线：DSGSTvvV2

9、2()DPGSTDSDSiKvV vv22()(1)GSDPGSTDOTviKvVIV可变电阻区：可变电阻区：,GSTDSGSTvV vvV饱和区：饱和区：,GSTDSGSTvV vvV2DOPTIK V沟道的电导参数：2PoxPWCKL215.1.4 沟道长度调制效应沟道长度调制效应实际实际MOS管在饱和区的输出特性曲线考虑管在饱和区的输出特性曲线考虑vDS对沟道长度对沟道长度L的调制作用的调制作用： vDS增加，增加，iD也相应地增加。也相应地增加。沟道长度调制参数沟道长度调制参数 对输出特性公式的修正：对输出特性公式的修正：22() (1)(1) (1)GSDnGSTDSDODSTviK

10、 vVvIvV典型器件：典型器件：10.1VL以以NMOS增强型为例：增强型为例：225.1.5 MOSFET的主要参数的主要参数一、直流参数一、直流参数开启电压开启电压VT: 增强型增强型MOS管的参数，管的参数，夹断电压夹断电压VP : 耗尽型耗尽型FET管的参数管的参数饱和漏极电流饱和漏极电流IDSS : 耗尽型耗尽型FET管的参数，管的参数，二、极限参数二、极限参数最大漏极电流最大漏极电流IDM最大耗散功率最大耗散功率PDM最大漏源电压最大漏源电压V（BR）DS最大栅源电压最大栅源电压V（BR）GS235.1.5 MOSFET的主要参数的主要参数三、交流参数三、交流参数输出电阻输出电阻

11、：低频互导低频互导：低频低频互互导反映了导反映了v vGSGS对对i iD D的控制作用。的控制作用。g gm m可可以在转移特性曲线上求得，单位是以在转移特性曲线上求得，单位是mSmS( (毫西门子毫西门子) )。21() 1/()GSDSdSDVnGSTDvrK vViiDSGSDmVvig N沟道增强型沟道增强型MOSFET为例：为例：2() 2()DSDSDmGSnGSTVVnGSTGSiK vVgK vVvv22() ,DnGSTDOnTiK vVIK V22mn DDO DTgK iIiV245.2 MOSFET放大电路放大电路5.2.1 MOSFET放大电路放大电路5.2.2 *

12、NMOS放大电路放大电路255.2.1 MOSFET放大电路放大电路1. 直流偏置及静态工作点的计算直流偏置及静态工作点的计算(1)简单的共源极放大电路简单的共源极放大电路NMOS的共源极放大电路的共源极放大电路直流通路直流通路212()GSgDDggRVVRR假设假设NMOS处于饱和区处于饱和区2()DnGSTIK VVDSDDDdVVI R()DSGSTVVVNMOS处于饱和区，假设成立；处于饱和区，假设成立；()DSGSTVVVNMOS处于可变电阻区；处于可变电阻区；验证假设是否成立：验证假设是否成立：265.2.1 MOSFET放大电路放大电路1. 直流偏置及静态工作点的计算直流偏置及

13、静态工作点的计算(1)带源极电阻的带源极电阻的NOMOS共源极放大电路共源极放大电路带源极电阻的带源极电阻的NMOS共源极放大电路共源极放大电路GSGSVVV假设假设NMOS处于饱和区处于饱和区2()DnGSTIK VV()()DSDDSSDdVVVIRR212()()gDDSSSSggDSSRVVVRRI RV验证假设是否成立验证假设是否成立275.2.1 MOSFET放大电路放大电路2. 图解分析图解分析NMOS共源极放大电路共源极放大电路DSDDDdVVi R vDS= vGSVT Q IDQ VDSQ vDS iD vDS iD t t vDS=vGS-iDRd vi vDSQ vds

14、 id 本例中直流负载线和交流负载线相同本例中直流负载线和交流负载线相同负载线：负载线：285.2.1 MOSFET放大电路放大电路3. 小信号模型分析小信号模型分析22222()()()()2()DnTnTnGSQTgsnGSQTnGSQTgGSGSQgsssngiKVKVKVVvK VVKV vVVvVvK（1）直流：）直流：2()DQnGSQTIK VV（2）漏极信号电流：）漏极信号电流：2()dnGSQTgsiK VV v（3）2()gsGSQTvVV线性放大器的小信号条件线性放大器的小信号条件2()2()DnGSQTnGSQTgsDQdDQmgsiK VVK VV vIiIg v29

15、5.2.1 MOSFET放大电路放大电路3. 小信号模型分析小信号模型分析NMOS增强型增强型低频小信号模型低频小信号模型0,dsr 低频小信号模型低频小信号模型0305.2.1 MOSFET放大电路放大电路3. 小信号模型分析小信号模型分析高频小信号模型高频小信号模型NMOS增强型增强型31例例5.2.4 电路如图电路如图5.2.4所示，设所示，设VDD5V，Rd3.9k ，VGS2V。场效应管的参数为。场效应管的参数为VT=1V, Kn=0.8mA/V2, =0.02V-1。当。当MOS管工作于饱和区，确定电路的小信号电压增益。管工作于饱和区，确定电路的小信号电压增益。 解：解：22()0

16、.8*(2 1)0.8DQnGSTIK VVmA(1) 求静态值：求静态值：(50.8*3.9)1.88DSQDDDQdVVIRVGSTDSVVV而MOS管处于饱和区；管处于饱和区；(2) 求求FET的互导和输出电阻：的互导和输出电阻：2()2*0.8*(2 1)1.6mnGSTgK VVmS21() 52.5dsnGSTrK VVk(3) 求电压增益：求电压增益：(|)omgsdsdvg vrR (|)5.87ovmdsdivAgrRv 325.3 结型场效应管结型场效应管(JFET)5.3.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理5.3.2 JFET的特性曲线及参数的特性曲线及参数5.

17、3.3 JFET放大电路的小信号模型分析法放大电路的小信号模型分析法335.3.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理1. 结构和符号结构和符号 N 沟道 s 源极 g 栅极 d 漏极 P+ P+ 耗尽层 d s g 栅极栅极源极源极s漏极漏极dN沟道沟道JFET符号中箭头的方向表示符号中箭头的方向表示由由P型栅极指向型栅极指向N型沟型沟道。道。345.3.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理分分v vGSGS=0=0和和v vGSGS00两种情况讨论两种情况讨论v vDSDS对对i iD D的控制作用的控制作用(1) vGS=0 如vGS=0，且漏极d与源极s间无电压，即vDS

18、=0时，漏极d与源极s之间无电流。 + + - VDD=0 s g d P+ P+ vDS iD=0 N - 355.3.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理 当vDS逐渐增加，耗尽层将主要向沟道(N区)扩展，在越靠近d极处，栅极与沟道的电位差越大、两耗尽层越靠近，使得靠近d端的导电沟道比s端窄。vDS进一步增加，使得沟道变得更窄，这将阻碍iD的增加，但在vDS较小(如vDS200mV)时，导电沟道变化不大，iD与vDS是线性关系，如图曲线的起始段。 s g d P+ P+ iD迅速增大 N + + - VDD vDS - OvDS/VV(BR)DSVPvGS=0Idss365.3.1

19、 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理 当vDS继续增加，栅极与沟道的电位差进一步增大，两耗尽层进一步加宽，并逐步靠近。当vDS上升致使两耗尽层在A点相遇时，称为预夹断，此时A点耗尽层两边的电位差用夹断电压VP表示。由于vGS =0，故vGD =- vDS = VP。 s d P+ P+ iD趋 于 饱 和 N A + + - VDD vDS - OvDS/VV(BR)DSVPvGS=0Idss预夹断点当当vGS 0，在，在A点处点处VP与与vGS、vDS的关系为的关系为vGD= vGS-vDS =Vp。注意注意: N沟道沟道JFET的的VP为负值为负值375.3.1 JFET的结构和工作

20、原理的结构和工作原理 在预夹断后，如果vDS还继续增加，iD略有上升，表现为图中特性曲线的平坦段略有上翘。原因有二：尽管vDS增加，夹断区长度确只是略有增加、沟道仅略为变短；漏极与A点之间形成一很强的电场，该电场仍能将电子拉过夹断区，形成漏极电流iD。 g s d P+ P+ iD饱和 N A + + - VDD vDS - OvDS/VV(BR)DSVPvGS=0Idss预夹断点385.3.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理（2 2）v vGSGS 0 Rs，可看成开路。，可看成开路。51+-RSCgsCgdrbeR2RCCbcCbe+-VS.Vo.-+Vbe.gm2Vbe.Ic.

21、gdsecbgm1Vgs.Ie.)1(2ebeebmebCjgrVI+-RSCgsCgdreR2RCCbcCbe+-VS.Vo.-+Vbe.gm2Vbe.Ic.gdsecbgm1Vgs.Ie.eebeberrrr)1 (111，则令eeebmrrrg1)1 (2)111(ebeebeeCjrrVI）（所以)1(ebebeCjrVebeCjrVIebe152+-RSCgsCgdreR2RCCbcCbe+-VS.Vo.-+Vbe.gm2Vbe.Ic.Ie.gdsecbgm1Vgs.+-RSC1=Cgd+CgsreR2RCCbcCbe+-VS.Vo.-+Vbe.gm2Vbe.Ic.Ie.gdsecb

22、gm1Vgs.gdmemMCRgrgC)11 (211所以有101eberr1gseeb eb ermrCCig V故 与并联时，流经的电流可忽略不计，2RregdMCC故53+-RSC1=Cgd+CgsreR2RCCbcCbe+-VS.Vo.+-Vbe.gm2Vbe.Ic.Ie.gdsecbgm1Vgs.三阶低通特性三阶低通特性)1)(1)(1 (321MMHHHVSVffjffjffjAA211M1RgRgAmCmVS1121CRfsHebesHCrRf2)/(21cbcHCRf32154作业作业5.1.3 5.1.45.2.1 5.2.3 5.2.5 5.2.95.3.4 5.3.7 5.3.85.5.1 5.5.4