《华中科技大学》模拟电子技术课件-第05章-场效应管放大电路.ppt

1、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5.3 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5.2 MOSFET放大电路放大电路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5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET5.1.5 MOSFET的主要参数的主要参数5.1.2 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P沟道沟道耗尽型耗尽型P沟道沟

2、道P沟道沟道N沟道沟道增强型增强型N沟道沟道N沟道沟道（耗尽型）（耗尽型）FET场效应管场效应管JFET结型结型MOSFET绝缘栅型绝缘栅型(IGFET)耗尽型耗尽型：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在增强型增强型：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道场效应管的分类：场效应管的分类：5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET1. 结构结构（N沟道）沟道）L ：沟道长度：沟道长度W ：沟道宽度：沟道宽度tox ：绝缘层厚度：绝缘层厚度通常通常 W L 5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET剖

3、面图剖面图1. 结构结构（N沟道）沟道）符号符号5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET2. 工作原理工作原理（1）vGS对沟道的控制作用对沟道的控制作用当当vGSGS00时时 无导电沟道，无导电沟道， d、s间加电压时，也间加电压时，也无电流产生。无电流产生。当当00vGSGS V VT T ）时，）时，vDSDS iD D 沟道电位梯度沟道电位梯度 整个沟道呈整个沟道呈楔形分布楔形分布当当vGSGS一定（一定（vGSGS V VT T ）时，）时，vDSDS iD D 沟道电位梯度沟道电位梯度 当当vDSDS增加到使增加到使vGDGD= =V VT T 时，时，在紧靠漏极处出现预夹断

4、。在紧靠漏极处出现预夹断。2. 工作原理工作原理（2）vDS对沟道的控制作用对沟道的控制作用在预夹断处：在预夹断处：vGDGD= =vGSGS- -vDSDS = =V VT T预夹断后，预夹断后，vDSDS 夹断区延长夹断区延长沟道电阻沟道电阻 iD D基本不变基本不变2. 工作原理工作原理（2）vDS对沟道的控制作用对沟道的控制作用2. 工作原理工作原理（3） vDS和和vGS同时作用时同时作用时 vDSDS一定，一定，vGSGS变化时变化时 给定一个给定一个vGSGS ，就有一条不，就有一条不同的同的 iD D vDSDS 曲线曲线。3. V-I 特性曲线及大信号特性方程特性曲线及大信号

5、特性方程（1）输出特性及大信号特性方程）输出特性及大信号特性方程const.DSDGS)( vvfi 截止区截止区当当vGSVT时，导电沟道尚时，导电沟道尚未形成，未形成，iD0，为截止工，为截止工作状态。作状态。3. 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）输出特性及大信号特性方程）输出特性及大信号特性方程const.DSDGS)( vvfi 可变电阻区可变电阻区 vDS（vGSVT） )(22DSDSTGSnDvvv VKi由于由于vDS较小，可近似为较小，可近似为DSTGSnD )(vvVKi 2常数常数 GSDDSdsoddvvir)(TGSnVK v21rdso

6、是一个受是一个受vGS控制的可变电阻控制的可变电阻 3. 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）输出特性及大信号特性方程）输出特性及大信号特性方程 可变电阻区可变电阻区 DSTGSnD )(vvVKi 2)(TGSndsoVKr v21 n ：反型层中电子迁移率：反型层中电子迁移率Cox ：栅极（与衬底间）氧：栅极（与衬底间）氧化层单位面积电容化层单位面积电容本征电导因子本征电导因子oxnnCK LWCLWKK22oxnnn其中其中Kn为电导常数，单位：为电导常数，单位：mA/VmA/V2 23. 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）输出特性及

7、大信号特性方程）输出特性及大信号特性方程 饱和区饱和区（恒流区又称放大区）（恒流区又称放大区）vGSGS VT ，且，且vDSDS（v vGSGSVT）2)(TGSnDVKi v221)(TGSTn VVKv21)(TGSDO VIv2TnDOVKI 是是vGSGS2 2VT时的时的iD D V V- -I I 特性：特性：3. 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（2）转移特性）转移特性const.GSDDS)( vvfi21)(TGSDOD VIiv5.1.2 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET1. 结构和工作原理简述结构和工作原理简述（N沟道）沟道）二氧化硅绝缘层中掺

8、有大量的正离子二氧化硅绝缘层中掺有大量的正离子 可以在正或负的栅源电压下工作，而且基本上无栅流可以在正或负的栅源电压下工作，而且基本上无栅流5.1.2 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 21)(PGSDSSDVIiv 21)(TGSDOD VIiv（N N沟道增强型）沟道增强型）5.1.3 P沟道沟道MOSFET5.1.4 沟道长度调制效应沟道长度调制效应实际上饱和区的曲线并不是平坦的实际上饱和区的曲线并不是平坦的)()(DSTGSnDvv 12VKi)()(DSTGSDOvv 112VIL的单位为的单位为 m1V 1 . 0 L

9、当不考虑沟道调制效应时，当不考虑沟道调制效应时， 0 0，曲线是平坦的。，曲线是平坦的。 修正后修正后5.1.5 MOSFET的主要参数的主要参数一、直流参数一、直流参数NMOSNMOS增强型增强型1. 1. 开启电压开启电压V VT T （增强型参数）（增强型参数）2. 2. 夹断电压夹断电压V VP P （耗尽型参数）（耗尽型参数）3. 3. 饱和漏电流饱和漏电流I IDSSDSS （耗尽型参数）（耗尽型参数）4. 4. 直流输入电阻直流输入电阻R RGSGS （10109 910101515 ）二、交流参数二、交流参数 1. 1. 输出电阻输出电阻r rdsds GSDDSdsVir v

10、D12TGSnds1)(iVKr v当不考虑沟道调制效应时，当不考虑沟道调制效应时， 0 0，rdsds 5.1.5 MOSFET的主要参数的主要参数DS GSDmVigv 2. 2. 低频互导低频互导g gm m 二、交流参数二、交流参数 考虑到考虑到 2TGSnD)(VKi v则则DSDSGS2TGSnGSDm)(VVVKigvvv )(2TGSnVK vnDTGS)(KiV vDn2iK LWCK 2oxnn其中其中5.1.5 MOSFET的主要参数的主要参数end三、极限参数三、极限参数 1. 1. 最大漏极电流最大漏极电流I IDMDM 2. 2. 最大耗散功率最大耗散功率P PDM

11、DM 3. 3. 最大漏源电压最大漏源电压V V（BRBR）DSDS 4. 4. 最大栅源电压最大栅源电压V V（BRBR）GSGS 5.2 MOSFET放大电路放大电路5.2.1 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2. 图解分析图解分析3. 小信号模型分析小信号模型分析*5.2.2 带带PMOS负载的负载的NMOS放大电路放大电路5.2.1 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（N沟道）沟道）共源极放大电路共源极放大电路直流通路直流通路5.2.

12、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（N沟道）沟道）DDg2g1g2GSVRRRV 2)(TGSnDVVKI dDDDDSRIVV 假设工作在饱和区，即假设工作在饱和区，即)(TGSDSVVV 验证是否满足验证是否满足)(TGSDSVVV 如果不满足，则说明假设错误如果不满足，则说明假设错误须满足须满足VGS VT ，否则工作在截止区，否则工作在截止区再假设工作在可变电阻区再假设工作在可变电阻区)(TGSDSVVV 即即dDDDDSRIVV DSTGSnD )(vvVKI 2假设工作在饱和区假

13、设工作在饱和区满足满足)(TGSDSVVV 假设成立，结果即为所求。假设成立，结果即为所求。解：解：V2V5406040 DDg2g1g2GSQ VRRRVmA2 . 0mA)12()2 . 0()(22TGSnDQ VVKIV2V)152 . 05(dDDDDSQ RIVV例：例：设设Rg1=60k ，Rg2=40k ，Rd=15k ，220V/mA.n K试计算电路的静态漏极电流试计算电路的静态漏极电流IDQ和漏源和漏源电压电压VDSQ 。VDD=5V， VT=1V，5.2.1 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（2）带源极电阻的）带源极

14、电阻的NMOS共源极放大电路共源极放大电路2)(TGSnDVVKI 饱和区饱和区需要验证是否满足需要验证是否满足)(TGSDSVVV SGGSVVV )()(dDSSDDDSRRIVVV )(SSSSDDg2g1g2VVVRRR )(SSDVRI 5.2.1 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静态时，静态时，vI0 0，VG 0 0，ID I电流源偏置电流源偏置 VS VG VGS 2TGSnD)(VVKI （饱和区）（饱和区） 5.2.1 MOSFET放大电路放大电路2. 图解分析图解分析由于负载开路，交流负由于负载开路，交流负载线与直流负

15、载线相同载线与直流负载线相同 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2TGSnD)(VKi v2TgsGSQn)(VVK v2gsTGSQn)(v VVK2gsngsTGSQn2TGSQn)(2)(vvKVVKVVK （1）模型）模型DQI gsmvg 2gsnvK 静态值静态值（直流）（直流）动态值动态值（交流）（交流）非线性非线性失真项失真项 当当，vgs 2( 2(VGSQ- - VT ) )时，时，DQDIi gsmvg dDQiI 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（1）模型）模型DQDIi gsmvg dD

16、QiI gsmdvgi 0 0时时高频小信号模型高频小信号模型3. 小信号模型分析小信号模型分析解：例解：例5.2.25.2.2的直流分析已的直流分析已求得：求得： mA5 . 0DQ IV2GSQ VV75. 4DSQ VmS1 mS)12(5 . 02 )(2TGSQnm VVKg（2）放大电路分析）放大电路分析（例（例5.2.5）s3. 小信号模型分析小信号模型分析（2）放大电路分析）放大电路分析（例（例5.2.5）dgsmoRg vv )1()(mgsgsmgsiRgRg vvvvRgRgAmdmio1 vvvg2g1i| RRR doRR siisiiososRRRAA vvvvvv

17、vvs3. 小信号模型分析小信号模型分析（2）放大电路分析）放大电路分析（例（例5.2.6）)|()|)(dsgsmgsdsgsmiorRgrRgAvvvvvv 1)|(1)|(dsmdsm rRgrRg)()|(1)|( siidsmdsmsiiososRRRrRgrRgA vvvvvvv共漏共漏3. 小信号模型分析小信号模型分析（2）放大电路分析）放大电路分析g2g1i| | RRR mdsmdstto1| | 111grRgrRiR v*5.2.2 带带PMOS负载的负载的NMOS放大电路放大电路本小节不作教学要求，有兴趣者自学本小节不作教学要求，有兴趣者自学end5.3 结型场效应管结

18、型场效应管 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 5.3.3 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 5.3.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理1. 结构结构 2. 工作原理工作原理 vGS对沟道的控制作用对沟道的控制作用当当vGS0时时（以（以N沟道沟道JFET为例）为例） 当沟道夹断时，对应当沟道夹断时，对应的栅源电压的栅源电压vGS称为称为夹断夹断电压电压VP （ 或或VGS(off) ）。）。对于对于N沟道的沟道的JFET，VP 0。PN结反偏结反偏耗尽层加厚耗尽层加厚沟道变窄。沟道变

19、窄。 vGS继续减小，沟道继续减小，沟道继续变窄。继续变窄。2. 工作原理工作原理（以（以N沟道沟道JFET为例）为例） vDS对沟道的控制作用对沟道的控制作用当当vGS=0时，时， vDS iD g、d间间PN结的反向结的反向电压增加，使靠近漏极电压增加，使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道处的耗尽层加宽，沟道变窄，从上至下呈楔形变窄，从上至下呈楔形分布。分布。 当当vDS增加到使增加到使vGD=VP 时，在紧靠漏时，在紧靠漏极处出现预夹断。极处出现预夹断。此时此时vDS 夹断区延长夹断区延长沟道电阻沟道电阻 iD基本不变基本不变2. 工作原理工作原理（以（以N沟道沟道JFET为例）为例） vGS

20、和和vDS同时作用时同时作用时当当VP vGS0 时，导电沟道更容易夹断，时，导电沟道更容易夹断，对于同样的对于同样的vDS ， iD的值比的值比vGS=0时的值要小。时的值要小。在预夹断处在预夹断处vGD=vGS- -vDS =VP 综上分析可知综上分析可知 沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电，沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电， 所以场效应管也称为单极型三极管所以场效应管也称为单极型三极管。 JFET是电压控制电流器件，是电压控制电流器件，iD受受vGS控制。控制。 预夹断前预夹断前iD与与vDS呈近似线性关系；预夹断后，呈近似线性关系；预夹断后， iD趋于饱和。趋于饱和。 JFE

21、T栅极与沟道间的栅极与沟道间的PN结是反向偏置的，因结是反向偏置的，因 此此iG 0，输入电阻很高。，输入电阻很高。5.3.2 JFET的特性曲线及参数的特性曲线及参数const.DSDGS)( vvfi2. 转移特性转移特性 const.GSDDS)( vvfi1. 输出特性输出特性 2PGSDSSD)1(VIiv (VPvGS0)与与MOSFET类似类似3. 主要参数主要参数5.3.2 JFET的特性曲线及参数的特性曲线及参数5.3.3 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1. JFET小信号模型小信号模型（1）低频模型）低频模型（2）高频模型）高频模型2. 动态指

22、标分析动态指标分析（1 1）中频小信号模型）中频小信号模型2. 动态指标分析动态指标分析（2）中频电压增益）中频电压增益（3）输入电阻）输入电阻（4）输出电阻）输出电阻忽略忽略 rds ， ivgsvRggsmv )1(mgsRg v ovdgsmRg v mvARgRgmdm1 |iiRR 由输入输出回路得由输入输出回路得则则giiiRv )|(g2g1g3RRR )|()1(g2g1g3mgsgsRRRRgrr 通常通常则则)|(g2g1g3iRRRR doRR Rgrr)1(mgsgs gsgsgsmgsgsgs)(rRgrvvvv end*5.4 砷化镓金属砷化镓金属- -半导体半导体

23、场效应管场效应管不作教学要求，有兴趣者自学不作教学要求，有兴趣者自学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组态对应关系：组态对应关系：CEBJTFETCSCCCDCBCG电压增益：电压增益：BJTFETbeLc)|(rRR )|)(1()|()1(LebeLeRRrRR beLc)|(rRR CE：CC：CB：)|(LddsmRRrg )|(1)|(LdsmLdsmRRrgRRrg dsLdLddsm|1)|)(1(rRRRRrg CS：CD：CG：beb|rR输出电阻：输出电阻：cR )|)(1(|LebebRRrR

24、rRRR 1)|(|bebserR 1|beecRBJTFET输入电阻：输入电阻：CE：CC：CB：CS：CD：CG：很高很高m1|gR很高很高CE：CC：CB：CS：CD：CG：dds| Rrmds1|gRrdds| Rr5.5 各种放大器件电路性能比较各种放大器件电路性能比较 解：解：画中频小信号等效电路画中频小信号等效电路例题例题放大电路如图所示。已知放大电路如图所示。已知，mS 18m g，100 试求电路的中频增试求电路的中频增益、输入电阻和输出电阻。益、输入电阻和输出电阻。， k 1ber例题例题 gsm1Vg iV gsV2gsm1RVg bIbI bI oVcgsm1cbRVgRI MVA2m1cm11RgRg 6 .128 giRR coRR M 5则电压增益为则电压增益为sgiRRR ioVV由于由于则则 k 20sosMVVAV iosiVVVV MisiVARRR 6 .128M VAend根据电路有根据电路有