模拟电子技术第5章 场效应管放大电路

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放大电路放大电路第第5章章 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路5.1.1 N沟道增强型沟道增强型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（不讲）沟道长度调制效应（不讲）5.1 金属金属-氧化物氧化物-半

2、导体（半导体（MOS）场效应管）场效应管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)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：剖面图剖面图符号符号1. 结构结构（N沟道）沟道）5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET为了帮助记为了帮助记忆忆,可以和可以和BJT对照。对照。

3、（1）vGS（对应（对应vBE）对沟道的作用对沟道的作用当当vGS00时时 无导电沟道，无导电沟道， d d、s s间加电压时，间加电压时，也无电流产生。也无电流产生。当当00vGS VT ）时，）时，vDS iD 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 沟道存在的条件是：栅极的沟道存在的条件是：栅极的电位比沟道处的电位高于电位比沟道处的电位高于VT。当当vGS一定（一定（vGS VT ）时）时vDS iD 沟道沟道电位梯度电位梯度 当当vDS增加到使增加到使vGD= =VT 时，时，在紧靠漏极处出现在紧靠漏极处出现预夹断预夹断。2. 工作原理工作原理vGD 预夹断后，

4、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2. 工作原理工作原理 沟道沟道损耗的损耗的 电压越大电压越大 看特性图看特性图场效应管场效应管输出特性输出特性与与BJT相似相似 vDS一定，一定，vGS变化时变化时 给定一个给定一个vGS ，就有一条不，就有一条不同的同的 iD vDS 曲线。曲线。（3） vDS和和vGS同时作用时同时作用时（1）输出特性）输出特性const.DSDGS)( vvfi 截止区截止区3. V-I 特性曲线特性曲线输出特性及其三个区域输出特性及其三个区域导电沟道尚未形成；导电沟道尚未形成；iD0，为，为截止工作状态截止工作状态BJT的

5、输出特性：的输出特性：iC=f(vCE) iB=const外部条件：当外部条件：当vGSVT时，时，3. V-I 特性曲线特性曲线 可变电阻区可变电阻区rds是一个受是一个受vGS控制的可变电控制的可变电阻阻外部条件：外部条件：vDS（vGSVT）（1）输出特性）输出特性说明：说明：教材中教材中Kn，Kn ，n 和和rdso等参数属于半导体物理的内等参数属于半导体物理的内容，不于介绍容，不于介绍。3. V-I 特性曲线特性曲线（1）输出特性）输出特性 饱和区（恒流区或放大区）饱和区（恒流区或放大区）条件：条件：vGS GS VT ，且且vDSDS（vGS SVT）特点：特点：iD与与vGS成正

6、比成正比, 不随不随vDS变化。变化。 对比对比BJT输出特性放大区：输出特性放大区：iC与与iB成正比成正比,不随不随vCE变化。变化。3. V-I 特性曲线特性曲线const.GSDDS)( vvfi由以上特性曲线可见，由以上特性曲线可见， VGS VT0，VDS 0。对比对比BJTBJT的输入特性：的输入特性：iB= =f( (vBEBE) ) ；iC= = iB B而而MOS管的管的iG=0=0，iD受受vGS控制控制, ,故称为故称为电压控制器件电压控制器件。（2）转移特性）转移特性1. 结构和工作原理简述结构和工作原理简述（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

7、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5.1.2 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET符号符号5.1.2 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET 21)(PGSDSSDVIiv 21)(TGSDOD VIiv（N N沟道增强型）沟道增强型）由特性曲线可知耗尽型由特性曲线可知耗尽型MOS管，管，VGS可可, 可可0, 可可+；VDS 0。2. V-I 特性曲线特性曲线5.1.3 P沟道沟道MOSFET区别：区别：VDS 0，VGS VT 0，VDS 0,id流向流向d端。端。VGS VT0，VDS 0,id流向流向d端。端。V

8、GS: 可可, 可可0, 可可+ VDS VT ， 对应对应 (VBE0V) VDS(VGSVT), 对对应应（vCE 1V）共源极放大电路共源极放大电路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）模型）模型gsmdvgi 2.场效应管小信号模型分析法场效应管小信号模型分析法DDQgsmDQDiIgIi v简化的小信号模型简化的小信号模型 特别说明：特别说明：六种场效应管的小六种场效应管的小信号模型是一样的信号模型是一样的解：画解：画小信号模型电路小信号模型电路。 例例5.2.5 求共源放大电路求共源放大电路 的交流参数。的交流参数。（2 2）放大电路分析）放大电路分析sg

9、输入端：栅极输入端：栅极输出端：漏极输出端：漏极公共端：源极公共端：源极放大原理：放大原理：vivGS 沟道电阻变小沟道电阻变小 iD |-vo| 电压放大电压放大注意负电源注意负电源在交流电路在交流电路中的画法中的画法（2 2）放大电路分析）放大电路分析dgsmoRgRidDvv )(mgsgsiRgRiD 1vvvRgRgAmdmio1 vvvg2g1i| RRR doRR siiososvvvvvvv AssiivRRRA )|()|)(dsgsmgsdsgsmiorRgrRgAvvvvvv 1)|(1)|(dsmdsm rRgrRg)( isioRRRAAvsiiosvsvvvvvv共

10、漏共漏例例5.2.6 共漏放大电路共漏放大电路与共集放大与共集放大电路类似！电路类似！（1）求电压增益）求电压增益3. 3. 小信号模型分析小信号模型分析（2 2）求输入输出电阻求输入输出电阻g2g1i| | RRR mdsmds1| |111grRgrR RottoiVR 5.3.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理 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 结型场效应管结型场效应管1. N沟道结构沟道结构 5.3.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理2. 工作原理工作原理 vGS对

11、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，对应的栅当沟道夹断时，对应的栅源电压源电压vGS称为称为夹断电压夹断电压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，沟道继续继续减小，沟道继续变窄。变窄。注意：加的注意：加的是反偏电压是反偏电压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结的反向电结的反向电压增加，使靠近漏极处的压

12、增加，使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，耗尽层加宽，沟道变窄，从上至下呈楔形分布。从上至下呈楔形分布。 当当vDS增加到使增加到使vGD=VP 时，在紧靠漏极处出现预时，在紧靠漏极处出现预夹断。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MOSFET和和JFET的沟道的沟道途异同归途异同归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 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v

13、GD=vGS- -vDS =VP 综上分析可知综上分析可知 沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电，沟道中只有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。 JFET是电压控制电流器件，是电压控制电流器件，iD受受vGS控制。控制。 预夹断前预夹断前iD与与vDS呈近似线性关系；预夹断后，呈近似线性关系；预夹断后， iD趋于饱和。趋于饱和。 JFET栅极与沟道间的栅极与沟道间的PN结是反向偏置的，因结是反向偏置的，因 此此iG 0，输入电阻很高。，输入电阻很高。const.DSDGS)( vvfi2. 转移特性转移特性 const.GSDDS)(

14、 vvfi1. 输出特性输出特性 2PGSDSSD)1(VIiv (VPvGS0)5.3.2 JFET的特性曲线及参数的特性曲线及参数N沟道沟道JFET工作条件：工作条件：Vp vGSVP 0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结型场效应管结型场效应管的的特性小结特性小结结型场效应管N N沟沟道道耗耗尽尽型型P P沟沟道道耗耗尽尽型型vpvgs 0iD流入流入d端端0 vgs vpiD流出流出d端端1. JFET小信号模型小信号模型（1） JFET低频小信号模型低频小信号模型5.3.3 JFET放大电路的小信号模型分析法放大电路的小

15、信号模型分析法2.放大电路放大电路 动态指标分析动态指标分析（1 1）放大电路中频小信号模型）放大电路中频小信号模型查直流条件是否满足：查直流条件是否满足：0212RIVRRRVVVDDDgggSGGS小信号模型等效电路小信号模型等效电路rds可看作可看作 ，不画出也可，不画出也可输入端：栅极输入端：栅极放大原理：放大原理：vivGS 沟道电阻变小沟道电阻变小 iD|vo| 电压放大电压放大Av输出端：漏极输出端：漏极?VVRRRVDDgggG0212解：画解：画小信号模型电路小信号模型电路。 例例5.2.5 求共源放大电路求共源放大电路 的交流参数。的交流参数。（2 2）放大电路分析）放大电

16、路分析sg公共端：源极公共端：源极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 rds ， ivgsvRggsmv )1(mgsRg v ovdgsmRg v RgRgAmdm 1mv由输入输出回路得由输入输出回路得则则)|(g2g1g3iRRRR doRR 课堂练习题课堂练习题1.六种类型的场效应管的转移特性如图所示（六种类型的场效应管的转移特性如图所示（iD以流入漏极为正方向），以流入漏极为正方向）， 试指出其对应的场效应管类型试指出其对应的场效应管类型。N沟道绝缘栅增强型沟道绝缘栅增强型P沟道绝缘栅增强型沟道绝缘栅

17、增强型N沟道绝缘栅耗尽型沟道绝缘栅耗尽型N沟道结型沟道结型P沟道结型沟道结型P沟道绝缘栅耗尽型沟道绝缘栅耗尽型 解：解：画中频小信号等效电路画中频小信号等效电路放大电路如图所示。已知放大电路如图所示。已知，mS 18m g，100 试求电路的中频增益、输入电阻试求电路的中频增益、输入电阻和输出电阻。和输出电阻。， k 1ber例题例题 5.5.1 (3) 这是一个场效应管和双极性这是一个场效应管和双极性三极管混合的两级放大电路。场效三极管混合的两级放大电路。场效应管作为输入级，利用其输入电阻应管作为输入级，利用其输入电阻高的优点，可克服高的优点，可克服RS大的影响。大的影响。T1组成共源极放大

18、电路组成共源极放大电路T2组成共基极放大电路组成共基极放大电路 多级放大电路求总的增益可以按多级放大电路求总的增益可以按分级求，也可以直接列方程求解。分级求，也可以直接列方程求解。gsm1VgiVgsV2gsm1RVgbIbIbIbeVcgsm1cbRVgRIVMA2m1cm11RgRg6 .128giRR coRR M 5则电压增益为则电压增益为sgiRRR ioVV由于由于则则k 20soSMVVVAiosiVVVVMVisiARRR6128.AVM根据电路有根据电路有由本题可以看出，场效应管由本题可以看出，场效应管rgs大，使放大电大，使放大电路的路的Ri提高，因此对提高，因此对VS几乎

19、没有衰减几乎没有衰减。例题例题1. MOSFET镜像电流源镜像电流源RVVVIIIGSSSDDREFD2O ro= rds2 MOSFET基本镜像电路流基本镜像电路流 6.1.2 FET电流源电流源当当VDD、VSSR确定后确定后,Io为为恒定的。恒定的。特别说明：特别说明：BJT能构成的所有电路，能构成的所有电路，FET都可以构成。都可以构成。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 p-2405.5 各种放大器件电路性能比较各种放大器件电路性能比较组态对应关系：组态对应关系：CEBJTFETCSCCCDCBCG电压增益：电压增益：BJTFETbeLc)|(rRR )|)(1()|()1(LebeLeRRrRR beLc)|(rRR CE：CC：CB：)|(LddsmRRrg