[工程科技]模电 CH05场效应管放大电路ppt课件

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放大电路放大电路与与BJT相比：相比： 利用电压产生的电场效应来控制电流利用电压产生的电场效应来控制电流 单极型晶体管：主要是多数载流子导电单极型晶体管：主要是多数载流子导电 输入阻抗高输入阻抗高 噪声低噪声低 易于制造，便于集成易于制造，便于集成P沟道沟道耗尽型耗尽型P沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道加强型加强型N沟道沟道N沟道沟道耗尽型耗尽型FET场效应管

2、场效应管JFET结型结型MOSFET绝缘栅型绝缘栅型(IGFET)耗尽型：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在耗尽型：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在加强型：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道加强型：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 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沟道加强型沟道加强型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5.1.1 N沟道加强型沟道加

3、强型MOSFET1. 构造构造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沟道加强型沟道加强型MOSFET剖面图剖面图1. 构造构造N沟道沟道符号符号5.1.1 N沟道加强型沟道加强型MOSFET2. 任务原理任务原理1vGS对沟道的控制造用对沟道的控制造用当当vGS0vGS0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0vGS VT 0vGS VT vGS 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、s间加间加电压后，将有电流产生。电压后，将

4、有电流产生。 vGS越大，导电沟道越厚越大，导电沟道越厚2. 任务原理任务原理2vDS对沟道的控制造用对沟道的控制造用接近漏极d处的电位升高电场强度减小 沟道变薄当当vGSvGS一定一定vGS VT vGS VT 时，时，vDSID沟道电位梯度整个沟道呈楔形分布整个沟道呈楔形分布当当vGSvGS一定一定vGS VT vGS VT 时，时，vDSID沟道电位梯度 当当vDSvDS添加到使添加到使vGD=VT 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。2. 任务原理任务原理2vDS对沟道的控制造用对沟道的控制造用在预夹断处：在预夹断处：vGD=vGS-vDS =VTvG

5、D=vGS-vDS =VT预夹断后，预夹断后，vDSvDS夹断区延伸沟道电阻 ID根本不变2. 任务原理任务原理2vDS对沟道的控制造用对沟道的控制造用2. 任务原理任务原理3 vDS和和vGS同时作用时同时作用时 vDS vDS一定，一定，vGSvGS变化时变化时 给定一个给定一个vGS vGS ，就有一条不，就有一条不同的同的 iD vDS iD vDS 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，导电沟道时，导电沟道尚未构成，尚未构成，iD0

6、，为截止，为截止任务形状。任务形状。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 vDSvGSVT )( DSDSTGSnD22vvv 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 GSDDSdsovvdidr)(TGSnVK v21rdso是一个受是一个受vGS控制的可变电控制的可变电阻阻 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

7、 DSTGSnD )(vvVKi 2)(TGSndsoVKr v21 n n ：反型层中电子迁移率：反型层中电子迁移率Cox 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oxnnC K LWLWKK22oxnnnC 其中其中Kn为电导常数，单位：为电导常数，单位：mA/V23. 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vGS VT ，且，且vDSvGSVT2)(TGSnDVKi v221)(TGSTn VVKv21)(TGSDO V

8、Iv2TnDOVKI 是是vGSvGS2VT2VT时的时的iD iD V-I V-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. 构造和任务原理构造和任务原理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任务，而且根本上无栅流可以在正或负的栅源电压下任务，而且根本上无栅流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

9、 21)(PGSDSSDVIiv 21)(TGSDOD VIivN N沟道加强型沟道加强型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践上饱和区的曲线并不是平坦的实践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当不思索沟道调制效应时，当不思索沟道调制效应时， 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加强型加强型1. 1. 开启电压开启电压VT VT 加强型参数加强型参

10、数2. 2. 夹断电压夹断电压VP VP 耗尽型参数耗尽型参数3. 3. 饱和漏电流饱和漏电流IDSS IDSS 耗尽型参数耗尽型参数4. 4. 直流输入电阻直流输入电阻RGS RGS 1091091015 1015 二、交流参数二、交流参数 1. 1. 输出电阻输出电阻rds rds GSDDSdsVir vD12TGSnds1)(iVKr v当不思索沟道调制效应时，当不思索沟道调制效应时， 0 0，rds rds 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gm gm 二、交流参数二、交流参数 思索到思索到 2TGSnD)(VKi v那么

11、那么DSDSGS2TGSnGSDm)(VVVKigvvv )(2TGSnVK vnDTGS)(KiV vDn2iK LWK 2Coxnn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IDM IDM 2. 2. 最大耗散功率最大耗散功率PDM PDM 3. 3. 最大漏源电压最大漏源电压V VBRBRDS DS 4. 4. 最大栅源电压最大栅源电压V VBRBRGS GS 5.2 MOSFET放大电路放大电路5.2.1 MOSFET放大电路放大电路1. 直流偏置及静态任务点的计算直流偏置及静态任务点的计算2. 图解分析图解

12、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. 直流偏置及静态任务点的计算直流偏置及静态任务点的计算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. 直流偏置及静态任务点的计算直流偏置及静态任务点的计算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 假设任务在饱和区，即假设任务在饱和区，即)(TGSDSVVV 验证能否满足验证能否满足)(TGSDSVVV 假设不满足，那么阐明假设错误假

13、设不满足，那么阐明假设错误须满足须满足VGS VT ，否那么任务在截止，否那么任务在截止区区再假设任务在可变电阻区再假设任务在可变电阻区)(TGSDSVVV 即即dDDDDSRIVV DSTGSnD )(vvVKI 2假设任务在饱和区假设任务在饱和区满足满足)(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)15)(2 . 0(5dDDDDSQ RIVV例：例：设设Rg1=60k，Rg2=40k，Rd=15k，220V/mA.n K试计

14、算电路的静态漏极电流试计算电路的静态漏极电流IDQIDQ和漏源和漏源电压电压VDSQ VDSQ 。VDD=5V， VT=1V，5.2.1 MOSFET放大电路放大电路1. 直流偏置及静态任务点的计算直流偏置及静态任务点的计算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 饱和区饱和区需求验证能否满足需求验证能否满足)(TGSDSVVV SGGSVVV )(2dDDDDSRRIVV )(SSSSDDg2g1g2VVVRRR )(SSDVRI 5.2.1 MOSFET放大电路放大电路1. 直流偏置及静态任务点的计算直流偏置及静态任务点的计算静态时，静态时，v

15、I0，VG 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载线一样载线与直流负载线一样 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

16、2(VGSQ- VT )vgs 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 dDQiI 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 VV/mA1 V/mA)12(5 . 02 )(2TGSQnm VVKg2放大电路分析例放大电路分析例5.2.5s3. 小信号模型分析小信号模型分析2放大电路分析例放

17、大电路分析例5.2.5dgsmoRg vv )1()(mgsgsmgsiRgRg vvvvRgRgAmdmio1 vvvg2g1i/ RRR doRR SiiSiioSosRRRAA vvvvvvvvs3. 小信号模型分析小信号模型分析2放大电路分析例放大电路分析例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/ 111grR

18、grRiR vend5.3 结型场效应管结型场效应管 5.3.1 JFET的构造和任务原理的构造和任务原理 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的构造和任务原理的构造和任务原理1. 构造构造 2. 任务原理任务原理 vGS对沟道的控制造用对沟道的控制造用当当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称为夹断称为夹断电压电压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

19、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. 任务原理任务原理以以N沟道沟道JFET为例为例 vDS对沟道的控制造用对沟道的控制造用当当vGS=0时，时，vDS ID G、D间间PN结的反向结的反向电压添加，使接近漏极电压添加，使接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添加到使添加到使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 夹断区延伸夹断区延伸沟道电阻沟道电阻ID根本不变根本不变2. 任务原理任务原理以以N沟道沟道JFET为例为例 v

20、GS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 沟道中只需一种类型的多数载流子参与导电，沟道中只需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。 JFETJFET是电压控制电流器件，是电压控制电流器件，iDiD受受vGSvGS控制。控制。 预夹断前预夹断前iDiD与与vDSvDS呈近似线性关系；预夹断后，呈近似线性关系；预夹断后， i

21、DiD趋于饱和。趋于饱和。 JFET JFET栅极与沟道间的栅极与沟道间的PNPN结是反向偏置的，因结是反向偏置的，因 此此iGiG0 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)( vvfi)0()1(GSP2PGSDSSD vvVVIi1. 输出特性输出特性 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5.3.2 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. 动态目的分析动态目的分析1 1中频小信号模型中频小信号模型2. 动态目的分析动态目的分析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那么那么giiiRv )/(g2g1g3RRR )/()1(g2g1g3mgsgsRRRRgrr 通常通常那么那么)/(g2g1g3iRRRR doRR Rgrr)1(mgsgs gsgsgsmgsgsgs)(rRgrvv