华中科技大学模拟电子技术基础CH04 3讲解

1、华中科技大学 张林 1 刘勃 4.5 共漏极和共栅极放大电路共漏极和共栅极放大电路 4.5.1 共漏极（源极跟随器）放大电路 4.5.2 共栅极放大电路 4.5.3 MOSFET放大电路三种组态的总结和比较 2 华中科技大学 张林 刘勃 4.5.1 共漏极（源极跟随器）放大电路共漏极（源极跟随器）放大电路 1. 静态分析 VDD d B T g Rg1 s vo Rs Rg2 Rsi vi Cb vs 该电路为什么是共漏 极放大电路？ 3 华中科技大学 张林 刘勃 4.5.1 共漏极（源极跟随器）放大电路共漏极（源极跟随器）放大电路 1. 静态分析 设MOS管工作于饱和区 VDD d B T

2、g Rg1 s vo Rs Rg2 Rsi vi Cb vs 2 TNGSQnDQ )(VVKI? sDQDD g2g1 g2 GSQ RIV RR R V? ? ? sDQDDDSQ RIVV? 需验证是否工作在饱和区 4 华中科技大学 张林 刘勃 4.5.1 共漏极（源极跟随器）放大电路共漏极（源极跟随器）放大电路 2. 动态分析 根据静态工作点可求得 gm VDD d B T g Rg1 s vo Rs Rg2 Rsi vi Cb vs vs gmvgs Rs rds d vo vi vgs Ri Rsi g Rg1Rg2 s 小信号等效电路 )(2 TNGSQnm VVKg? )|(

3、dssgsmo rRg v v ? )|(1 )|( dssmgs dssgsmgsogsi rRg rRg ? ? v vvvvv 电压增益 )|(1 )|( dssmgs dssgsm i o rRg rRg A ? ? v v v v v 1 )|(1 )|( dssm dssm ? ? ? rRg rRg 输出与输入同相，且增益小于等于1 5 华中科技大学 张林 刘勃 4.5.1 共漏极（源极跟随器）放大电路共漏极（源极跟随器）放大电路 2. 动态分析 VDD d B T g Rg1 s vo Rs Rg2 Rsi vi Cb vs vs gmvgs Rs rds d vo vi vg

4、s Ri Rsi g Rg1Rg2 s 源电压增益 输入电阻 )( )|(1 )|( sii i dsdm dsdm s i i o s o s RR R rRg rRg A ? ? ? ? ? v v v v v v v g2g1i | | RRR ? 受静态偏置电路的影响， 栅极绝缘的特性并未充分表现 出来 就是在输入电阻 上的正比分量 6 华中科技大学 张林 刘勃 4.5.1 共漏极（源极跟随器）放大电路共漏极（源极跟随器）放大电路 2. 动态分析 VDD d B T g Rg1 s vo Rs Rg2 Rsi vi Cb vs 输出电阻 gsm ds T s T T v vv g rR

5、 i? m dss m dss T T o 1 | | 11 1 g rR g rR i R? ? ? v Tgs vv? gmvgs Rsi Rg1|Rg2 g vgs s d rds Rs iR it vt 输出电阻较小 三路 电流 之和 7 华中科技大学 张林 刘勃 4.5.2 共栅极放大电路共栅极放大电路 Cb2 T B RL s Rd Cb1 Cg VSS vi Rsi vs ii I d vo VDD Rg g 1. 静态分析 根据直流通路有 II? DQ dDQDDD RIVV? T B s Rd VSS I d VDD g 2 TNGSQnDQ )(VVKI?由 可得 V GS

6、Q 又 VS = -VGSQ 所以 VDSQ = VD - VS = VDD -IDQ Rd + VGSQ 需验证是否工作在饱和区 源极输入漏极输出 8 华中科技大学 张林 刘勃 4.5.2 共栅极放大电路共栅极放大电路 Cb2 T B RL s Rd Cb1 Cg VSS vi Rsi vs ii I d vo VDD Rg g 2. 动态分析 )|( Ldgsmo RRg vv? gsi vv? 电压增益 )|( Ldm i o RRgA? v v v 输出与输入同相 vi gmvgs vo d io RL Rd Ro g s Rsi vs ii Ri vgs 设?=0 sigsmgssi

7、iis RgRivvvv? 源电压增益 sim Ldm s o 1 )|( Rg RRg A ? ? v v v 9 华中科技大学 张林 刘勃 4.5.2 共栅极放大电路共栅极放大电路 Cb2 T B RL s Rd Cb1 Cg VSS vi Rsi vs ii I d vo VDD Rg g 2. 动态分析 输入电阻 mgsm gs i i i 1 gg R? ? ? ? v v i v 与共源电路同相 vi gmvgs vo d io RL Rd Ro g s Rsi vs ii Ri vgs 输出电阻 输入电阻远小于其它两种组态 当rds Rd 和 rds Rsi时 Ro ? R d

8、10 华中科技大学 张林 刘勃 4.5.3 MOSFET放大电路三种组态的总结和比较放大电路三种组态的总结和比较 1. 三种组态的判断 较好的方法并不是试图寻找接地的电极，而是寻找信号 的输入电极和输出电极。 即观察输入信号加在哪个电极，输出信号从哪个电极取 出，剩下的那个电极便是共同电极。如 共源极放大电路，信号由栅极输入，漏极输出； 共漏极放大电路，信号由栅极输入，源极输出； 共栅极放大电路，信号由源极输入，漏极输出。 栅极始终不能做输出电极 11 华中科技大学 张林 刘勃 4.5.3 MOSFET放大电路三种组态的总结和比较放大电路三种组态的总结和比较 2. 三种组态的动态指标比较 共源

9、 共漏 共栅 电压增益 输入电阻 输出电阻 )|( ddsm RrgA? v 1 )|(1 )|( dssm dssm ? ? ? rRg rRg A v )|( Ldm RRgA ? v m i 1 g R ? 很高 很高 Ro ? R d Ro ? R d m dsso 1 | | g rRR ? 华中科技大学 张林 12 刘勃 4.6 集成电路单级集成电路单级MOSFET 放大电路 4.6.1 带增强型负载的 NMOS放大电路 4.6.2 带耗尽型负载的 NMOS放大电路 4.6.3 带PMOS负载的NMOS放大电路 （CMOS共源放大电路） 华中科技大学 张林 22 刘勃 4.7 多级

10、放大电路多级放大电路 4.7.1 共源?共漏放大电路 4.7.2 共源?共栅放大电路 23 华中科技大学 张林 刘勃 4.7.1 共源?共漏放大电路 1. 静态分析 直流通路 VDD s2 T1 B1 Rd1 d1 Rg1 g1 Rg2 s1 Cb1 Rs1 VSS vi Rsi vs Cs1 T2 g2 B2 RL d2 Cs2 vo Rs2 VDD s2 T1 B1 Rd1 d1 Rg1 g1 Rg2 s1 Rs1 VSS T2 g2 B2 d2 Rs2 例4.7.1 24 华中科技大学 张林 刘勃 例例4.7.1 1. 静态分析 两管栅极均无电流，假设工作在饱和区 2 TN1GSQ 1n

11、1DQ 1 )(VVKI? s1DQ 1SSDD g2g1 g2 GSQ 1 )(RIVV RR R V? ? ? )( s1d1DQ 1SSDDDSQ 1 RRIVVV? 需验证是否工作在饱和区 VDD s2 T1 B1 Rd1 d1 Rg1 g1 Rg2 s1 Rs1 VSS T2 g2 B2 d2 Rs2 s2DQ 2d1DQ 1SSDDGSQ 2 RIRIVVV? 2 TN2GSQ 2n2DQ 2 )(VVKI? s2DQ 2SSDDDSQ 2 RIVVV? 已知管子参数和电路参数， 便可解出两管静态工作点 25 华中科技大学 张林 刘勃 1. 静态分析 将具体参数值代入，计算得 可验

12、证两管均工作在饱和区 VDD s2 T1 B1 Rd1 d1 Rg1 g1 Rg2 s1 Rs1 VSS T2 g2 B2 d2 Rs2 VGSQ1 = 1.84 V IDQ1 = 0.2 mA VDSQ1 = 6.02 V IDQ2 ? 0.49 mA VGSQ2 = 2.78 V VDSQ2 = 5.98 V 由于VTN1 = VTN2 = 1.2 V 例例4.7.1 26 华中科技大学 张林 刘勃 例例4.7.1 2. 动态分析 根据 小信号等效电路 )(2 TNGSQnm VVKg? )|( Ls2gs2m2o RRgv v ? gs1i v v ? 电压增益 )|(1 )|( Ls2

13、m2 Ls2d1m2m1 i o RRg RRRgg A ? ? ? v v v VDD s2 T1 B1 Rd1 d1 Rg1 g1 Rg2 s1 Cb1 Rs1 VSS vi Rsi vs Cs1 T2 g2 B2 RL d2 Cs2 vo Rs2 gm1vgs1 Rd1 Rs2 s1 vo vgs1 Ri vs Rsi vi Rg1|Rg2 d1, g2 g1 vgs2 gm2vgs2 Ro RL s2 d2 gs2od1gs1m1 vvv?Rg 可求得 gm 27 华中科技大学 张林 刘勃 2. 动态分析 源电压增益 输入电阻 )( )|(1 )|( sii i Ls2m2 Ls2d1

14、m2m1 s i i o s o s RR R RRg RRRgg A ? ? ? ? v v v v v v v g2g1i | | RRR ? gm1vgs1 Rd1 Rs2 s1 vo vgs1 Ri vs Rsi vi Rg1|Rg2 d1, g2 g1 vgs2 gm2vgs2 Ro RL s2 d2 输出电阻就是后一级共 漏电路的输出电阻 m2 ds2s2o 1 | | g rRR ? m2 s2 1 | g R?(? 2 = 0) 例例4.7.1 28 华中科技大学 张林 刘勃 4.7.2 共源?共栅放大电路 华中科技大学电信系 张林 例4.7.2 VDD vo T2 B2 Rd

15、2 d2 Rg1 g2 Rg2 s2 Cg vi T1 d1 B1 Cb1 Cs1 s1 g1 Rs1 -VSS Rg3 1. 静态分析 直流通路 VDD vo T2 B2 Rd2 d2 Rg1 g2 Rg2 s2 T1 d1 B1 s1 g1 Rs1 -VSS Rg3 29 华中科技大学 张林 刘勃 需验证是否工作在饱和区 VDD vo T2 B2 Rd2 d2 Rg1 g2 Rg2 s2 T1 d1 B1 s1 g1 Rs1 -VSS Rg3 1. 静态分析 假设工作在饱和区 2 TN1GSQ 1n1DQ 1 )(VVKI? SSs1DQ 1DD g3g2g1 g3 GSQ 1 VRIV

16、RRR R V? ? ? DQ 2DQ 1 II? 2 TN2GSQ 2n2DQ 2 )(VVKI? s1DQ 1DSQ 1DSQ 2d2DQ 2SSDD RIVVRIVV? 例例4.7.2 SSs1DQ 1DSQ 1DD g3g2g1 g3g2 GSQ 2 )(VRIVV RRR RR V? ? ? ? 30 华中科技大学 张林 刘勃 例例4.7.2 2. 动态分析 小信号等效电路 d2gs1m1d2gs2m2o RgRgvvv? gs1i v v ? 电压增益 d2m1 i o RgA? v v v VDD vo T2 B2 Rd2 d2 Rg1 g2 Rg2 s2 Cg vi T1 d1

17、 B1 Cb1 Cs1 s1 g1 Rs1 -VSS Rg3 vi gm1vgs1 Rd2 s1 vo vgs1 Ri Rg2|Rg3 s2 d1 gm2vgs2=gm1vgs1 d2 Ro vgs2 g2 31 华中科技大学 张林 刘勃 2. 动态分析 输入电阻 输出电阻 Ro ? R d2 vi gm1vgs1 Rd2 s1 vo vgs1 Ri Rg2|Rg3 s2 d1 gm2vgs2=gm1vgs1 d2 Ro vgs2 g2 g3g2i | | RRR ? (? 2 = 0) 例例4.7.2 华中科技大学 张林 32 刘勃 4.8 结型场效应管（JFET） 及其放大电路 4.8.1

18、 JFET的结构和工作原理 4.8.2 JFET的特性曲线及参数 4.8.3 JFET放大电路的小信号模型分析法 33 华中科技大学 张林 刘勃 4.8.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理 1. 结构 # 符号中的箭头方向表示什么？ 34 华中科技大学 张林 刘勃 4.8.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理 2. 工作原理 vGS对沟道的控制作用 当vGS0时 （以N沟道JFET为例） 当沟道夹断时，对应的栅源 电压vGS称为夹断电压V P （ 或 V GS(off) ）。 对于N沟道的JFET，V P 0。 PN结反偏 耗尽层加厚 沟道变窄。 ? ? vGS继续减小，沟道

19、继续 变窄。 35 华中科技大学 张林 刘勃 4.8.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理 vDS对沟道的控制作用 当vGS=0时， vDS? ? iD ? g、d间PN结的反向电 压增加，使靠近漏极处的 耗尽层加宽，沟道变窄， 从上至下呈楔形分布。 当vDS增加到使vGD=VP 时，在紧靠漏极处出现 预夹断。 此时vDS ? 夹断区延长 ? 沟道电阻? ? iD基本不变 ? 2. 工作原理 （以N沟道JFET为例） 36 华中科技大学 张林 刘勃 4.8.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理 vGS和vDS同时作用时 当V P vGS0 时，导电沟道更容易夹断， 对于同样的v

20、DS ， iD的值比vGS=0时的值要小。 在预夹断处 vGD=vGS-vDS =V P 2. 工作原理 （以N沟道JFET为例） 37 华中科技大学 张林 刘勃 综上分析可知综上分析可知 ? JFET是电压控制电流器件，iD受vGS控制。 ? 预夹断前iD与vDS呈近似线性关系；预夹断后， iD趋于饱 和。 # 为什么JFET 的输入电阻比BJT高得多？ ? JFET栅极与沟道间的PN结是反向偏置的，因此iG?0，输 入电阻很高。 38 华中科技大学 张林 刘勃 4.8.2 JFET的特性曲线及参数的特性曲线及参数 const.DSD GS )( ? ? v vfi 2. 转移特性 cons

21、t.GSD DS )( ? ? v vfi 1. 输出特性 2 P G S DSSD )1( V Ii v ?(V PvGS0) 39 华中科技大学 张林 刘勃 4.8.2 JFET的特性曲线及参数的特性曲线及参数 与MOSFET 类似 3. 主要参数 40 华中科技大学 张林 刘勃 4.8.3 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 41 华中科技大学 张林 刘勃 4.8.3 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 VDD Rd Rg1 Cb1 vI Cb2 d T g Rg3 Rs s Rg2 vo 2. 应用小信号模

22、型法分析 JFET 放大电路 （1）静态工作点 与MOSFET 类似 2 P GSQ DSSDQ )1( V V II? sDQDD g2g1 g2 GSQ RIV RR R V? ? ? )( sdDQDDDSQ RRIVV? 42 华中科技大学 张林 刘勃 4.8.3 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 2. 应用小信号模型法分析 JFET 放大电路 （2）动态指标 VDD Rd Rg1 Cb1 vI Cb2 d T g Rg3 Rs s Rg2 vo g vi Rg3 Rg1 Rg2 vgs gmvgs d id vo Rd Rs s rds 43 华中科技大学

23、 张林 刘勃 4.8.3 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 电压增益 忽略 rds ? i v gs vRg gsm v?)1( mgs Rg? ? v ? o v dgsm Rg v? 由输入输出回路得 ? mv A Rg Rg m dm 1? ? 则 g vi Rg3 Rg1 Rg2 vgs gmvgs d id vo Rd Rs s rds 2. 应用小信号模型法分析 JFET 放大电路 （2）动态指标 44 华中科技大学 张林 刘勃 4.8.3 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 输入电阻 )|( g2g1g3i RRRR? g vi Rg3 Rg1 Rg2 vgs gmvgs d id vo Rd Rs s rds 2. 应用小信号模型法分析 JFET 放大电路 （2）动态指标 输出电阻 do RR ? 45 华中科技大学 张林 刘勃 *4.9 砷化镓金属-半导体场效应管 砷化镓（GaAs）是由族元素镓和族元素砷二者 组成的单晶化合物，是一种新型半导体材料。 GaAs的电子迁移率比硅约大510倍，比硅器件转 换速度快很多。 高速砷化镓三极管广泛用于微波电路、高频放大和 高速数字逻辑器件中。 46