模拟电子技术-场效应管放大电路课件.ppt

1、5.3 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 结型场效应管（结型场效应管（JFET）*5.5 砷化镓金属砷化镓金属-半导体场效应管半导体场效应管5.6 各种放大器件电路性能比较各种放大器件电路性能比较5.4 MOSFET放大电路放大电路5.2 JFET放大电路放大电路BJT(Bipolar Junction Transistor)-电流对电流控制电流对电流控制的器件、能放大电信号，而存在不足的器件、能放大电信号，而存在不足1)2),在大规在大规模集成电路制造中存在瓶颈问题。模集成电路制造中存在瓶颈问题。FET管管Field-effect transistor

2、，简记为，简记为FET（单极型晶体管（单极型晶体管Uipolar Junction Transistor- 也即只有也即只有一种载流子参与导电一种载流子参与导电的的晶体管，基晶体管，基本原理是本原理是外加电压在器件中建立电场，电场外加电压在器件中建立电场，电场控制导电沟道宽窄和形状，从而控制输出电控制导电沟道宽窄和形状，从而控制输出电流大小。）流大小。）场效应管的特点： (1)它是利用改变外加电压产生的电场强度来控制其导电能力的半导体器件。 (2)它具有双极型三极管的体积小、重量轻、耗电少、寿命长等优点， (3)还具有输入电阻高、热稳定性好、抗辐射能力强、噪声低、制造工艺简单、便于集成等特点。

3、(4)在大规模及超大规模集成电路中得到了广泛的应用。 P沟道沟道耗尽型耗尽型P沟道沟道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)场效应管的分类：场效应管的分类：( (电场效应，单极性管，电压控制电流电场效应，单极性管，电压控制电流) )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N沟道沟道P沟道沟道（耗尽型）（耗尽型）结构的动画演示结构的动

4、画演示结构的动画演示结构的动画演示2场效应管的符号：场效应管的符号：N沟道沟道MOSFET耗尽型耗尽型增强型增强型P沟道沟道MOSFETN沟道沟道JFETecbcbe5.1 (5.3)结型场效应管结型场效应管 5.1.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理 5.1.2 JFET的特性曲线及参数的特性曲线及参数 5.1.3 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 5.1.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理1. 结构结构 结构的动画演示结构的动画演示ecbg-gate,G 栅极s-source,S 源极d-drain,D 漏极b-basee-emitterc-

5、collector基本组态：共基本组态：共s, 共共d, 共共g基本组态：共基本组态：共e,共共c，共，共b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）动画演示动画演示 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

6、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和和vDS同时作用时同时作用时当当VP vGSUGS则：则：UG US而：而：IG=0所以：所以：UDD=20VuoRSuiCSC2C1R1RD

7、RGR2RL150k50k1M10k10kGDS10kV5212DDGURRRUmA5 . 0SGSSDRURUIV10)(DSDDDDSRRIUUuoUDD=20VRSuiCSC2C1R1RDRGR2RL150k50k1M10k10kGDS10k二、动态分析二、动态分析sgR2R1RGRLdRLRD微变等效电路微变等效电路gsmUggsUsgR2R1RGRLdRLRDgsUgsmUgiUoUgsiUU)/(LDgsmoRRUgULmuRgA21/RRRrGiM0375. 1ro=RD=10k 例题：例题：设设 gm=3mA/V， =50，rbe = 1.7k前级前级:场效应管场效应管共源极放

8、大器共源极放大器后级后级:晶体管晶体管共射极放大器共射极放大器求：总电压放大倍数、输入电阻、输出电阻。求：总电压放大倍数、输入电阻、输出电阻。+UCCRS3M(+24V)R120k10kC2C3R4R3RLRE282k43k10k8k10kC1RCT1RE1CE2T2CE1RD10kR21MSUiUoU（1）估算各级静态工作点）估算各级静态工作点: （略）（略）（2）动态分析）动态分析: 微变等效电路微变等效电路ir2iror首先计算第二级的输入电阻：首先计算第二级的输入电阻： ri2= R3/ R4/ rbe=82/43/1.7=1.7 k R3R4RCRLRSR2R1RDrbegsUdIs

9、UoUcIbIgdsiU第二步：计算各级电压放大倍数第二步：计算各级电压放大倍数4471103211.)./()r/R(g RgAiDmLmu147711010502.)/(rR/Rr RAbeLCbeLuR3R4RCRLRSR2R1RDrbegsUdIsUoUcIbIgdsiU第三步：计算输入电阻、输出电阻第三步：计算输入电阻、输出电阻ri=R1/R2=3/1=0.75M ro=RC=10k R3R4RCRLRSR2R1RDrbegsUdIsUoUcIbIgdsiU第四步：计算总电压放大倍数第四步：计算总电压放大倍数Au=Au1Au2 =(-4.4) (-147) =647630750207

10、50647iSiuusrRrAAR3R4RCRLRSR2R1RDrbegsUdIsUoUcIbIgdsiU作业：4.4.4；4.5.45.1.2 FET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. FET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 rD iVgsVRVggsm )1(mgsRgV oVdgsmRVg mVARgRgmdm1 /iiRR 由输入输出回路得

11、由输入输出回路得则则giiIVR )/(g2g1g3RRR )/()1(g2g1g3mgsgsRRRRgrr 通常通常则则)/(g2g1g3iRRRR doRR Rgrr)1(mgsgs gsgsgsmgsgsgs)(rVRVgrVV 例例4.4.2 共漏极放大电路如图共漏极放大电路如图示。试求中频电压增益、输入电阻示。试求中频电压增益、输入电阻和输出电阻。和输出电阻。（2）中频电压增益）中频电压增益（3）输入电阻）输入电阻 iVgsV)/(LgsmRRVg )/(1LmgsRRgV oV)/(LgsmRRVg mVA)/(1)/(LmLmRRgRRg 得得)/(g2g1g3iRRRR 解：解

12、： （1 1）中频小信号模型）中频小信号模型由由ioVV1 例题例题（4 4）输出电阻）输出电阻 TIRIgsmVg RVT gsVTV oRm11gR 所以所以由图有由图有TTIVgsmVg m1/gR 例题例题3. 三种基本放大电路的性能比较三种基本放大电路的性能比较组态对应关系：组态对应关系：CEBJTFETCSCCCDCBCGBJTFET电压增益：电压增益：beLc)/(rRR )/)(1()/()1(LebeLeRRrRR beLc)/(rRR CE：CC：CB：)/(LdmRRg )/(1)/(LmLmRRgRRg )/(LdmRRgCS：CD：CG：beb/rR输出电阻：输出电阻

13、：cR )/)(1(/LebebRRrR 1)/(/bebserRRR 1/beerRcR3. 三种基本放大电路的性能比较三种基本放大电路的性能比较BJTFET输入电阻：输入电阻：CE：CC：CB：CS：CD：CG：)/(g2g1g3RRR m1/gR)/(g2g1g3RRR CE：CC：CB：CS：CD：CG：dRm1/gRdR 解：解：画中频小信号等效电路画中频小信号等效电路 gsmVg iV gsV2gsmRVg bIbI bI oVcbRI MVA2mcm1RgRg 6 .128 giRR coRR M 5则电压增益为则电压增益为sgRR 例题例题放大电路如图所示。已知放大电路如图所示

14、。已知，ms 18m g，100 试求电路的中频增益、输入电阻和输出电阻。试求电路的中频增益、输入电阻和输出电阻。， k 1ber根据电路有根据电路有 ioVV由于由于则则 sMVA soVV iosiVVVV k 20 MisiVARRR6 .128M VAend场效应管的共源极放大电路场效应管的共源极放大电路一、静态分析一、静态分析求：求：UDS和和 ID。设：设：UGUGS则：则：UG US而：而：IG=0所以：所以：UDD=20VuoRSuiCSC2C1R1RDRGR2RL150k50k1M10k10kGDS10kV5212DDGURRRUmA5 . 0SGSSDRURUIV10)(D

15、SDDDDSRRIUUuoUDD=20VRSuiCSC2C1R1RDRGR2RL150k50k1M10k10kGDS10k二、动态分析二、动态分析sgR2R1RGRLdRLRD微变等效电路微变等效电路gsmUggsUsgR2R1RGRLdRLRDgsUgsmUgiUoUgsiUU)/(LDgsmoRRUgULmuRgA21/RRRrGiM0375. 1ro=RD=10k 例题：例题：设设 gm=3mA/V， =50，rbe = 1.7k前级前级:场效应管场效应管共源极放大器共源极放大器后级后级:晶体管晶体管共射极放大器共射极放大器求：总电压放大倍数、输入电阻、输出电阻。求：总电压放大倍数、输入

16、电阻、输出电阻。+UCCRS3M(+24V)R120k10kC2C3R4R3RLRE282k43k10k8k10kC1RCT1RE1CE2T2CE1RD10kR21MSUiUoU（1）估算各级静态工作点）估算各级静态工作点: （略）（略）（2）动态分析）动态分析: 微变等效电路微变等效电路ir2iror首先计算第二级的输入电阻：首先计算第二级的输入电阻： ri2= R3/ R4/ rbe=82/43/1.7=1.7 k R3R4RCRLRSR2R1RDrbegsUdIsUoUcIbIgdsiU第二步：计算各级电压放大倍数第二步：计算各级电压放大倍数4471103211.)./()r/R(g R

17、gAiDmLmu147711010502.)/(rR/Rr RAbeLCbeLuR3R4RCRLRSR2R1RDrbegsUdIsUoUcIbIgdsiU第三步：计算输入电阻、输出电阻第三步：计算输入电阻、输出电阻ri=R1/R2=3/1=0.75M ro=RC=10k R3R4RCRLRSR2R1RDrbegsUdIsUoUcIbIgdsiU第四步：计算总电压放大倍数第四步：计算总电压放大倍数Au=Au1Au2 =(-4.4) (-147) =64763075020750647iSiuusrRrAAR3R4RCRLRSR2R1RDrbegsUdIsUoUcIbIgdsiUGSDuGSiDuD

18、SGSDuGSiDuDSiDuGSiDuGSVTVP增强型 耗尽型1、特点：特点：压控，Ri特大、偏置灵活 、多子导电， 可大规模集成2、转移特性：转移特性： 3、使用：使用： N沟道 : VDS : + P 沟道相反 VGS : 增 + ; 耗 - , 防感应电压击穿，结型漏、源可换， 箭头向里为 N沟道,实线为耗尽型. 21PGSDSSDVVIi21TGSDODVVIiMOSFETN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00v

19、GS GS V VT T ）时，）时，vDSDS I 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（vGS GS V VT T ）时，）时，vDSDS I 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。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- -vDS DS = =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 I ID D基本

20、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vGS GS ，就有一条不，就有一条不同的同的 iD D vDS DS 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特性方程 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。 可变电阻区可变电阻区 vDS（vGSVT） 饱和区饱和区（恒流区又称放大区）（恒流区又称放大区）vGS GS V VT T ，且，

21、且vDSDS（v vGSGSV VT T）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5.2.1 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）直流通路直流通路共源极放大电路共源极放大电路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）

22、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 25.2.1 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 )(2dDDDDSRRIVV )(SSSSDDg2g1g2VVVRRR )(SSDVRI 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