物理场效应管放大电路PPT学习教案

1、会计学1物理场效应管放大电路物理场效应管放大电路场效应管的分类FET场效应管MOSFET(IGFET)绝缘栅型JFET结型增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道P沟道(耗尽型)P沟道N沟道耗尽型：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在增强型：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道存在第1页/共50页5.1 5.1 金属氧化物半导体（MOS）场效应管5.1.1 5.1.1 N沟道增强型MOSFET5.1.2 5.1.2 N沟道耗尽型MOSFET5.1.3 5.1.3 P沟道MOSFET5.1.45.1.4 沟道长度调制效应5.1.55.1.5 MOSFET的主要参数第2页/共50页5.1.1 5.1

2、.1 N沟道增强型MOSFET1、结构、结构（N沟道）漏极漏极d源极源极s s栅极栅极g g沟道沟道L：沟道长度LWW：沟道宽度通常 WLoxt：绝缘层厚度oxt第3页/共50页剖面图电路符号1、结构、结构（N沟道）第4页/共50页2、工作原理、工作原理（1） 对沟道的控制作用GSV当 时，0GSVd、s间加电压时，无电流产生无导电沟道当 时，0GSV产生电场当 时GSTVV未形成导电沟道（感生沟道），d、s间加电压后，没有电流产生。第5页/共50页当 时GSTVV 在电场作用下产生导电沟道，d、s间加电压后，将有电流产生。称为开启电压TVGSV越大，导电沟道越厚导电沟道相当于电阻将DS连接起

3、来，GSV越大此电阻越小。第6页/共50页（2） 对沟道的控制作用DSV当 一定（ ）时，GSVGSTVVDSV靠近漏极d处的电位升高电场强度减小沟道变薄问题：电流 是否会随着 的增加线性增长？DIDSV整个沟道呈楔形分布沟道电位梯度DI第7页/共50页 当 增加到使 时，在紧靠漏极处出现预夹断。DSVGDTVV 在预夹断处： 预夹断后，GDGSDSTVVVVDSV夹断区延长 沟道电阻 基本不变。DI第8页/共50页（3） 和 同时作用DSVGSV 一定， 变化时，DSVGSVGSVDDSiv给定一个 ，就有一条不同的 曲线。第9页/共50页以上分析可知 沟道中只有一种载流子参与导电，所以场效

4、应管也称为单级 型三极管。 MOSFET的栅极是绝缘的，所以 ，输入电阻很高。0Gi MOSFET是电压控制电流器件（VCCS）， 受 控制。DiGSv 只有当 时，增强型MOSFET的d、s间才能导通。GSTVV 预夹断前 与 呈近似线性关系；夹断后， 趋于饱和。DiDSvDiMOSFET与BJT有什么不同？（1）MOSFET只有一种载流子参与导电，而BJT有两种载 流子参与导电（2）MOSFET比BJT输入电阻大（3）MOSFET是VCCS,BJT是CCCS第10页/共50页3、VI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()|GSDDSvconsti

5、f v截止区 当 时，导电沟道尚未形成， 为截止工作状态。GSTvV0Di无导电沟道第11页/共50页可变电阻区()D SG STvvV22()DnGSTDSDSiKvVvv其中22nnoxnKCWWKLLn：为反型层中电子迁移率oxC：栅极氧化层单位面积电容no xKC 本征电导因子nK为电导常数，单位：2m A V有导电沟道且沟道未被夹断由于 较小，可近似为DSv2()DnG STD SiKvVvGSDSdsovconstDdvrdi是一个受 控制的可变电阻。dsorG Sv12()nGSTKvV第12页/共50页饱和区(恒流区又称为放大区)()DSGSTvvVG STvV，且问题：此时场

6、效应管的VI特性 方程是怎样的？VI特性： 2DOnTIKV是 时的 2GSTvVDi导电沟道被夹断后2()DnGSTDSiK vV v第13页/共50页（2）转移特性()|DSDGSvconstif v(1)GSDDOTviIV问题：为什么不考虑输入特性？ABCDEF第14页/共50页5.1.2 5.1.2 N沟道耗尽型MOSFET1、结构(N沟道)二氧化硅绝缘层中掺有大量的正离子第15页/共50页当 时，沟道变宽0GSv 当 时，沟道变窄0GSv 当 时，沟道被夹断GSPvV0,0DGii结论：可以在正或负的栅源电压下工作，而且基本上无栅流2 工作原理（N沟道）pV称为夹断电压第16页/共

7、50页2、VI特性曲线及大信号特性方程2(1)GSDDOTviIV（N沟道增强型）为零栅压的漏极电流，称为饱和漏极电流DSSIDSSI2(1)GSDDSSPviIV（N沟道耗尽型）第17页/共50页5.1.3 5.1.3 P沟道MOSFET 衬底是什么类型的半导体材料？ 哪个符号是增强型的？ 在增强型的P沟道MOSFET中， 应加什么极性的 电压才能工作在饱和区（线性放大区）？GSv问题：第18页/共50页5.1.45.1.4 沟道长度调制效应实际上饱和区的曲线并不是平坦的修正后22() (1)(1) (1)GSDnGSTDSDODSTviK vVvIvV10.1VLL的单位为m当不考虑沟道调

8、制效应时， 曲线是平坦的。0第19页/共50页5.1.55.1.5 MOSFET的主要参数一、直流参数1.开启电压 （增强型参数）TV2.夹断电压 （耗尽型参数）PV4.直流输入电阻 （ ）GSR91510 10二、交流参数1.输出电阻 dsrGSDSdsvDvriNMOS增强型211() dsnGSTDrKvViDSSI3.饱和漏电流 （耗尽型参数）当不考虑沟道调制效应时，0,dsr 第20页/共50页2.低频互导mgDSDmvGSigv考虑到2()DnGSTiK vV()DGSTnivVK则2() DSDSnGSTDmvvGSGSKvVigvv2()nGSTK vV2n DK i第21页/

9、共50页三、极限参数1.最大漏极电流DMI()BR DSV3.最大漏源电压2.最大耗散功率DMP4.最大栅源电压()BR GSV第22页/共50页组成原则：（1）静态：合适的静态工作点，使场效应管工作在 恒流区，场效应管的偏置电路相对简单。 （2）动态：能为交流信号提供通路。分析方法：静态分析：估算法、图解法动态分析：图解法、微变等效电路法5.2 5.2 MOSFET放大电路第23页/共50页5.2.1 5.2.1 MOSFET放大电路1. 1. 直流偏置及静态工作点的计算2. 2. 图解分析3.3. 小信号模型分析* *5.2.25.2.2 带PMOS负载的NMOS放大电路 （CMOS共源放

10、大电路）5.2.1 5.2.1 MOSFET放大电路第24页/共50页FET放大电路的三种组态：共源极放大电路：输入在栅极，输出在漏极共漏极放大电路：输入在栅极，输出在源极共栅极放大电路：输入在源极，输出在漏极5.2.1 5.2.1 MOSFET放大电路第25页/共50页(1)简单的共源极放大电路（N沟道）1. 1. 直流偏置及静态工作点的计算(2)带源极电阻的NMOS共源极放大电路(3)电流源偏置的NMOS共源极放大电路问题：场效应管的静态点由哪些参数决定？G SD SDVVI、第26页/共50页(1)简单的共源极放大电路（N沟道）共源极放大电路问题：如何画直流通路和交流通路？直流通路第27

11、页/共50页共源极放大电路直流通路求Q点RRRGSDDVVg2g1g2=须满足 ，否则工作在截至区GSTVV假设工作在饱和区，即()DSGSTVVV2()DnGSTIK VVDSDDDdVVI R验证是否满足()DSGSTVVV如果不满足，则说明假设错误再假设工作在可变电阻区，即()DSGSTVVV2()DnGSTDSIK VV VDSDDDdVVI R第28页/共50页例：R60,R40,15DkkRkg1g225 ,V1 ,0.2nVVV KmA VDDT试计算电路的静态工作点。解：R2RRGSQDDVVVg2g1g2=假设工作在饱和区，即2()0.2DQnGSTIK VVmA2DSQDD

12、DdVVI RV满足 假设成立，结果即为所求。()DSGSTVVV第29页/共50页(2)带源极电阻的NMOS共源极放大电路求Q点SGSQVVVG=2()DQnGSTIK VV(RDSQDDSSDdVVVIR ）需要验证是否满足()DSGSTVVVSSSSR=(+)RRDDVVVg2g1g2()DSSI R V饱和区第30页/共50页(3)电流源偏置的NMOS共源极放大电路电流源偏置静态时，求Q点0,0,IGDQvVII2()DQnGSTIK VVDSQDDDdSVVI RVSGGSVVV饱和区有：GSV第31页/共50页2. 2. 图解分析（交流分析)由于负载开路，交流负载线与直流负载线相同

13、QQ第32页/共50页3.3. 小信号模型分析（1）模型（微变等效电路）（2）放大电路分析共源极放大电路第33页/共50页3.3. 小信号模型分析(,)DG SD SifvvGSDSdsvDvri1mGSDSdsgvvrDSDmvGSigvDSGSDDDvGSvDSGSDSiiivvvv互导漏极输出电阻第34页/共50页很大，可忽略1dsDri低频小信号模型共源极放大电路高频小信号模型（1）模型（微变等效电路）第35页/共50页第36页/共50页第37页/共50页第38页/共50页场效应管放大电路小结：（1）场效应管放大器输入电阻大（2）场效应管共源放大器（漏极输出）输入输出反相， 电压放大倍

14、数大于1，oDRR（3）场效应管共漏极放大器输入输出同相，电压放大 倍数小于1且约等于1；输出电阻小第39页/共50页例：设3/,50,0mgmA V求：总电压放大倍数、输入电阻、输出电阻。（1）估算各级静态工作点：第40页/共50页（2）动态分析第41页/共50页第一步 ：计算第二级的输入电阻234/iberRRr第二步 ：计算各级电压放大倍数12(/)vmLmDiAg RgRr 2/LCLvbebeRRRArr 第三步 ：计算输入电阻、输出电阻12/irRRoCrR第四步 ：计算总电压放大倍数12vvvAA AivSvSirAARr第42页/共50页饱和区设15,3 ,5 ,dZDDRkV

15、V VV21 ,0.2/,TnVV KmA V静态时求Vo12(1)60,40ggRkRk12(2)45,5ggRkRk12(3)70,30ggRkRk解：（1）先求GSV2122gGSDDggRVVVRR假设工作在饱和区有：2()0.2DnGSTIKVVmA2doDDDGSTVVIRVVV第43页/共50页12(2)45,5ggRkRk12(3)70,30ggRkRk2120.5gGSDDggRVVVRR假设工作在饱和区有：0DI3oVV截止区2121.5gGSDDggRVVVRR2()0.05DnGSTIKVVmA4.25oDDDdZVVIRVV所以：3oVV第44页/共50页5.5 5.5 各种放大器件电路性能比较管脚对应关系：BJT FET组态对应关系：BJT FETESCDBGCECSCCCDCBC