模电第三章-场效应管放大电路课件.ppt

1、 场效应管放大电路3.1 场效应管场效应管2.2 场效应单管放大电路场效应单管放大电路 场效应管放大电路场效应管的定义：场效应管的定义： 场效应管是一种利用电场效应来控制其电流大小场效应管是一种利用电场效应来控制其电流大小的半导体器件。的半导体器件。场效应管的特点：场效应管的特点：场效应管的工作原理：场效应管的工作原理： 具有输入阻抗高、热稳定性好、噪声低、抗辐射能具有输入阻抗高、热稳定性好、噪声低、抗辐射能力强、制造工艺简单等优点。力强、制造工艺简单等优点。兼有体积小、重量轻、耗电省寿命长等特点。兼有体积小、重量轻、耗电省寿命长等特点。 将控制电压转换为漏极电流将控制电压转换为漏极电流互导放

2、大器件。互导放大器件。 场效应管放大电路P沟道沟道耗尽型耗尽型DP沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道增强型增强型EN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： 场效应管放大电路3.1 场效应管场效应管3.1.1 金属氧化物金属氧化物-半导体场效应管半导体场效应管MOSFET3.1.2 结型场效应管结型场效

3、应管JFET 场效应管放大电路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 场效应管放大电路1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET剖面图剖面图1. 结构结构（N沟道）沟道）符号符号 场效应管放大电路1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET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vGS=0时时 无导电沟道，无导电沟道， d、s间加电压时，也无间加电压时，也无电流产生。电流产生。当当0vGS VT 时时 在电场作用下产生导电沟道，在电场作用下产生导电沟道，d

4、、s间加间加电压后，将有电流产生。电压后，将有电流产生。 vGS越大，导电沟道越厚越大，导电沟道越厚 场效应管放大电路工作原理工作原理（2）vDS对沟道的控制作用对沟道的控制作用靠近漏极靠近漏极d处的电位升高处的电位升高电场强度减小电场强度减小 沟道变薄沟道变薄当当vGS一定（一定（vGS VT ）时，）时，vDS ID 沟道电位梯度沟道电位梯度 整个沟道呈楔形分布整个沟道呈楔形分布 场效应管放大电路当当vGS一定（一定（vGS VT ）时，）时，vDS ID 沟道电位梯度沟道电位梯度 当当vDS增加到使增加到使vGD=VT 时，时，在紧靠漏极处出现预夹断。在紧靠漏极处出现预夹断。工作原理工作

5、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：vGD=vGS-vDS =VT 场效应管放大电路预夹断后，预夹断后，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 场效应管放大电路工作原理工作原理（3） vDS和和vGS同时作用时同时作用时 给定一个给定一个vGS ，就有一条不同的，就有一条不同的 iD vDS 曲线曲线。 场效应管放大电路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 截止区截止区当当vGSVT时，导电沟时，

6、导电沟道尚未形成，道尚未形成，iD0，为截止工作状态。为截止工作状态。 场效应管放大电路 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 vDS（vGSVT）由于由于vDS较小，可近似为较小，可近似为rdso是一个受是一个受vGS控制的可变电阻控制的可变电阻 场效应管放大电路 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 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

7、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其中其中Kn为电导常数，单位：为电导常数，单位：mA/VmA/V2 2 场效应管放大电路 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 饱和区饱和区（恒流区又称放大区）（恒流区又称放大区）vGSGS V VT T ，且，且vDSDS（v vGSGSV VT T）是是vGSGS2 2V VT T时的时的iD D V V- -I I 特性：特性： 场效应管放大电路 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 在漏源电压一定的条件下，在漏源电压一

8、定的条件下，栅源电压对漏极电流的控制特性栅源电压对漏极电流的控制特性 场效应管放大电路2 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET1. 结构和工作原理结构和工作原理（N沟道）沟道）二氧化硅绝缘层中掺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vGS为负电压达到一定数值时，沟道完全被夹断，此时的为负电压达到一定数值时，沟道完全被夹断，此时的栅源电压称为夹断电压栅源电压称为夹断电压V Vp 场效应管放大电路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 （

9、N N沟道增强型）沟道增强型） 场效应管放大电路3 P沟道沟道MOSFET 场效应管放大电路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L的单位为的单位为 m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 场效应管放大电路3.1.2 JFET1. 结构结构 场效应管放大电路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

10、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。沟道变窄。 vGS继续减小，沟道继续减小，沟道继续变窄。继续变窄。 场效应管放大电路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

11、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 场效应管放大电路2. 工作原理工作原理（以（以N沟道沟道JFET为例）为例） vGS和和vDS同时作用时同时作用时当当VP 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 场效应管放大电路假设工作在饱和区假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 .

12、0()(22TGSnDQ VVKIV2V)15)(2 . 0(5dDDDDSQ 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， 场效应管放大电路 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载线相同载线与直流负载线相同 场效应管放大电路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 场效应管放大电路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 dDQiI gsmdvgi 0 0时时