模拟电子技术基础 第5章

1、5.1 结型场效应管结型场效应管5.2 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应管半导体场效应管5.4 场效应管放大电路场效应管放大电路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N沟道沟道P沟道沟道增强型增强型耗尽型耗尽型N沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道P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)分类：分类：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5.1 结型场效应管结型

2、场效应管 结构结构 工作原理工作原理 输出特性输出特性 转移特性转移特性 主要参数主要参数 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 5.1.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理1. 结构结构 源极源极，用用S或或s表示表示N型导电沟道型导电沟道漏极漏极，用用D或或d表示表示 P型区型区P型区型区栅极栅极，用用G或或g表示表示栅极栅极，用用G或或g表示表示符号符号符号符号5.1.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理5.1结型场结型场效应管工效应管工作原理作原理1. 结构结构 2. 工作原理工作原理 VGS对沟道的

3、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5.1结型场结型场效应管工效应管工作原理作原理 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，

4、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2. 工作原理工作原理（以（以N沟道沟道JFET为例）为例）5.1结型场结型场效应管工效应管工作原理作原理（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 导电沟导电沟道更容易夹断，道更容易夹断， 对于同样对于同样的的VDS ， ID的值比的值比VGS=0时时的值要小。的值要小。在预夹断处在预夹断处VGD=VGS- -VDS =VP 当当VP VGS0时时U

5、GS足够大时足够大时（UGSVT）感）感应出足够多电子，应出足够多电子，这里出现以电子这里出现以电子导电为主的导电为主的N型型导电沟道。导电沟道。感应出电子感应出电子VT称为阈值电压称为阈值电压 2、MOS管的工作原理管的工作原理5.3 MOS场效应管场效应管工作原理工作原理UGS较小时，导较小时，导电沟道相当于电电沟道相当于电阻将阻将D-S连接起连接起来，来，UGS越大此越大此电阻越小。电阻越小。PNNGSDUDSUGS2、MOS管的工作原理管的工作原理5.3 MOS场效应管场效应管工作原理工作原理PNNGSDUDSUGS当当UDS不太大不太大时，导电沟时，导电沟道在两个道在两个N区区间是均

6、匀的。间是均匀的。当当UDS较大较大时，靠近时，靠近D区的导电沟区的导电沟道变窄。道变窄。 2、MOS管的工作原理管的工作原理5.3 MOS场效应管场效应管工作原理工作原理PNNGSDUDSUGS夹断后，即夹断后，即使使UDS 继续继续增加，增加，ID仍仍呈恒流特性呈恒流特性。IDUDS增加，增加，UGD=VT 时，时，靠近靠近D端的沟道被夹断，端的沟道被夹断，称为予夹断。称为予夹断。2、MOS管的工作原理管的工作原理5.3 MOS场效应管场效应管工作原理工作原理UGS=3VUGS=4VUGS=5VU DS （V）ID（mA）01324UGS=2VUGS=1V开启电压开启电压UGS（th）固定

7、一个固定一个U DS，画出，画出ID和和UGS的关系曲线，称为转移特性的关系曲线，称为转移特性曲线曲线3、增强型、增强型N沟道沟道MOS管的特性曲线管的特性曲线 可可变变电电阻阻区区饱和区饱和区截止区截止区5.3 MOS场效应管场效应管工作原理工作原理MOSFETMOSFET的输出特性曲线是指在栅源电压的输出特性曲线是指在栅源电压u uGSGS一定一定的情况下，漏极电流的情况下，漏极电流i iD D与漏源电压与漏源电压u uDSDS之间的关系：之间的关系：常常数数GSuDSDufi)()(TGSDSVuuTGSVu可变电阻区可变电阻区饱和区饱和区截止区截止区当当 u uGSGSV VT T 时

8、时 ，导电沟道尚未形成，导电沟道尚未形成，I ID D=0=0为为截止工作状态截止工作状态开启电压开启电压V VT T为在漏源电压作用下开始导电时的栅源电压为在漏源电压作用下开始导电时的栅源电压u uGSGSTGSDSVuu2) 1(TGSDODVuIi3、增强型、增强型N沟道沟道MOS管的特性曲线管的特性曲线DTGSTnDOiVvVKI时时是是2,2 5.3 MOS场效应管场效应管工作原理工作原理N沟道增强型沟道增强型（UGS=0时，时，ID =0 ）GSDIDUGSUGS（th）开启电压开启电压UGS全正全正增强型增强型NMOS场效应管转移特性场效应管转移特性2) 1(TGSDODVuIi

9、5.3 MOS场效应管场效应管工作原理工作原理输出特性曲线输出特性曲线UGS=0VU DS （V）ID（mA）01324UGS=+1VUGS=+2VUGS=-1VUGS=-2V夹断电压夹断电压UP固定一个固定一个U DS，画出，画出ID和和UGS的关系曲线，称为转移特性的关系曲线，称为转移特性曲线曲线4、耗尽型、耗尽型N沟道沟道MOS管的特性曲线管的特性曲线5.3 MOS场效应管场效应管工作原理工作原理N沟道耗尽型沟道耗尽型（UGS=0时，时，有有ID）GSD0UGS（off）IDUGS夹断电压夹断电压UGS有正有正有负有负耗尽型耗尽型NMOS场效应管转移特性场效应管转移特性耗尽型的耗尽型的M

10、OS管管UGS=0时就有导电沟道，加反向时就有导电沟道，加反向电压才能夹断。电压才能夹断。 5.3 MOS场效应管场效应管工作原理工作原理5.4 场效应管放大电路场效应管放大电路 直流偏置电路直流偏置电路 静态工作点静态工作点 FET小信号模型小信号模型 动态指标分析动态指标分析 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 5.4.1 FET的直流偏置及静态分析的直流偏置及静态分析 5.4.2 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 场效应管是电压控制电流元件，具有高输入阻抗。场效应管是电压控制电流元件，具有高输入阻抗。1. 场效应管放大电路的三种接法场效应管放大

11、电路的三种接法（以（以N沟道结型场效应管为例）沟道结型场效应管为例）场效应管放大电路的三种接法场效应管放大电路的三种接法（a）共源电路（）共源电路（b）共漏电路（）共漏电路（c）共栅电路）共栅电路 5.4.1 FET的直流偏置及静态分析的直流偏置及静态分析5.4.1 FET静态分析静态分析2.场效应管放大电路的静态工作点的设置方法场效应管放大电路的静态工作点的设置方法基本共源放大电路基本共源放大电路VDD+uO iDT+ uIVGGRGSDGRD与双极型三极管对应关系与双极型三极管对应关系b G , e S , c D 为了使场效应管工作为了使场效应管工作在恒流区实现放大作在恒流区实现放大作用

12、，应满足：用，应满足：TGSDSTGS UuuUu N 沟道增强型沟道增强型 MOS 场效应管组成的放大电路。场效应管组成的放大电路。( (UT：开启电压：开启电压) )一、基本共源放大电路一、基本共源放大电路5.4.1 FET静态分析静态分析静态分析静态分析 UGSQ 、 IDQ UDSQVDD+uO iDT+ uIVGGRGSDGRD基本共源放大电路基本共源放大电路两种方法两种方法近似估算法近似估算法图解法图解法 ( (一一) ) 近似估算法近似估算法MOS 管栅极电流管栅极电流为零，当为零，当 uI = 0 时时UGSQ = VGG而而 iD 与与 uGS 之间近似满足之间近似满足2TG

13、SDOD)1( UuIi( (当当 uGS UT) )式中式中 IDO 为为 uGS = 2UT 时的值。时的值。2TGSQDODQ)1( UUIIDDQDDDSQRIVU 则静态漏极电流为则静态漏极电流为5.4.1 FET静态分析静态分析 ( (二二) ) 图解法图解法图解法求基本共源放大电路的图解法求基本共源放大电路的 静态工作点静态工作点VDDDDDRVIDQUDSQQ利用式利用式 uDS = VDD iDRD 画出直流负载线。画出直流负载线。图中图中 IDQ、UDSQ 即为静态值。即为静态值。5.4.1 FET静态分析静态分析Q点：点： UGSQ 、 IDQ 、 UDSQUGSQ =2

14、PGSQDSSDQ)1 (UUIIUDSQ =已知已知UP 或或 UGS（Off)VDD- IDQ (Rd + R ) -IDQR可解出可解出Q点的点的UGS Q、 IDQ 、 UDSQ 如知道如知道FET的特性曲线，也可采用的特性曲线，也可采用图解法。图解法。二、自给偏压电路二、自给偏压电路JFET自给偏压共源电路自给偏压共源电路耗尽型耗尽型MOS管自给偏压共源电路的分析方法相同。管自给偏压共源电路的分析方法相同。IDQ5.4.1 FET静态分析静态分析三、三、分压式分压式偏偏置置电路电路( (一一)Q)Q点点近似估算法近似估算法根据输入回路列方程根据输入回路列方程解联立方程求出解联立方程求

15、出 UGSQ 和和 IDQ。列输出回路方程求列输出回路方程求 UDSQUDSQ = VDD IDQ(RD + RS)将将I IDQDQ 代入，求出代入，求出U UDSDSQ QMOS管分压式管分压式偏偏置置电路电路VDD+ T+RGSDGRDR2RLRSR1C1CSC2+iUoUSV QVGSGV2TGSQDODQ)1( UUIISDQDD211GSQRIVRRRU 5.4.1 FET静态分析静态分析TGSVu可变电阻区可变电阻区饱和区饱和区截止区截止区当当 u uGSGSV VT T 时时 ，导电沟道尚未形成，导电沟道尚未形成，I ID D=0=0为为截止工作状态截止工作状态TGSDSVuu

16、2) 1(TGSDODVuIi)(TGSDSVuu对于对于N N沟道增强型沟道增强型MOSMOS管电路的直流计算，管电路的直流计算，应该区分：应该区分：5.4.1 FET静态分析静态分析（2 2）结型场效应管分压式自偏压电路）结型场效应管分压式自偏压电路SV GSVGVDDg2g1g2VRRR RID 2)1(PGSDSSDVuIi 5.4.1 FET静态分析静态分析可变电阻区可变电阻区饱和区饱和区截止区截止区当当 u uGSGSV VP P 时时 ，I ID D=0=0，为截止工作状态，为截止工作状态2)1(PGSDSSDVuIi )(PGSDSVuu 对于对于N N沟道沟道JFETJFET

17、管电路的直流计算，应该区分：管电路的直流计算，应该区分：0 GSuPVPGSVu DSu0 GSuPV5.4.1 FET静态分析静态分析( (二二) )图解法图解法由式由式SDDD211SDGQGSRiVRRRRiUu 可做出一条直线，可做出一条直线，另外，另外，iD 与与 uGS 之间满之间满足转移特性曲线的规律，足转移特性曲线的规律，二者之间交点为静态工二者之间交点为静态工作点，确定作点，确定 UGSQ， IDQ 。MOS管分压式管分压式偏偏置置电路电路VDD+ T+RGSDGRDR2RLRSR1C1CSC2+iUoU5.4.1 FET静态分析静态分析SDDDRRV 根据漏极回路方程根据漏

18、极回路方程在漏极特性曲线上做直流负载线，在漏极特性曲线上做直流负载线， 与与 uGS = UGSQ 的的交点确定交点确定 Q，由，由 Q 确定确定 UDSQ 和和 IDQ值。值。UDSQuDS = VDD iD(RD + RS)3 uDS/ViD/mA012152 V105uGS4.5V4V3.5V UGSQ3 VVDDQIDQuGS/ViD/mAO24612QIDQUGSQSGQRUUGQ5.4.1 FET静态分析静态分析场效应管的微变等效电路场效应管的微变等效电路GSD),(DSGSDuufi DSDSDGSGSDDuuiuuiiDSDSGSmurug 1GSDmuig 跨导跨导DDSDS

19、iur 漏极输出电阻漏极输出电阻uGSiDuDS1. FET小信号模型小信号模型 5.4.2 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很大，很大，可忽略。可忽略。 场效应管的微变等效电路为：场效应管的微变等效电路为：GSDuGSiDuDSSGDugsgmugsudsSGDrDSugsgmugsuds一般一般 g gm m 约为约为 0.1 0.1 至至 20 mS20 mS。 r rDSDS 为为几百千欧的数量级。当几百千欧的数量级。当 R RD D 比比 r rDSDS 小得小得多时，可认为等效电路的多时，可认为等效电路的 r rDSDS 开路开路。5.4.2 FET小信号

20、模小信号模型分析型分析5.4.2 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5.4.2 FET小信号模小信号模型分析型分析（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5.4.2 FET小信号模小信号模型分析型分析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 由输入输出回路得由输入输出回路得则

21、则giiIVR )/(g2g1g3RRR )/()1(g2g1g3mgsgsRRRRgrr 通常通常则则)/(g2g1g3iRRRR doRR Rgrr)1(mgsgs gsgsgsmgsgsgs)(rVRVgrVV rgs极大,g、s间可视为开路5.4.2 FET小信号模小信号模型分析型分析共漏极放大电路如图示。共漏极放大电路如图示。试求中频电压增益、输入试求中频电压增益、输入电阻和输出电阻。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

22、 得得)/(g2g1g3iRRRR 解：解： （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 5.4.2 FET小信号模小信号模型分析型分析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：CECSCCCDBJTFETCBCGBJTFET电压增益：电压增益：beLc)/(rRR )/)(1()/()1(LebeLeRRrRR beLc)/(rRR CE：CC：CB：)/(LdmRRg )/(1)/(LmLm

23、RRgRRg )/(LdmRRgCS：CD：CG：5.4.2 FET小信号模小信号模型分析型分析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输入电阻：输入电阻：beb/rR输出电阻：输出电阻：cR )/)(1(/LebebRRrR 1)/(/bebserRRR 1/beerRcRBJTFETCE：CC：CB：CS：CD：CG：)/(g2g1g3RRR m1/gR)/(g2g1g3RRR CE：CC：CB：CS：CD：CG：dRm1/gRdR5.4.2 FET小信号模小信号模型分析型分析 场效应管共源极放大电路场效应管共源极放大电路一、静态分析一、静态分析求：求：UDS和和 ID。

24、设：设：UGUGS则：则：UG US而：而：IG=0所以：所以：UDD=20VuoRSuiCSC2C1R1RDRGR2RL150k50k1M10k10kGDS10kV5212DDGURRRUmA5 . 0SGSSDRURUIV10)(DSDDDDSRRIUU5.4.2 FET小信号模小信号模型分析型分析uoUDD=20VRSuiCSC2C1R1RDRGR2RL150k50k1M10k10kGDS10k二、动态分析二、动态分析sgR2R1RGRLdRLRD微变等效电路微变等效电路gsmUggsU5.4.2 FET小信号模小信号模型分析型分析sgR2R1RGRLdRLRDgsUgsmUgiUoUg

25、siUU)/(LDgsmoRRUgULmuRgA21/RRRrGiM0375. 1ro=RD=10k 5.4.2 FET小信号模小信号模型分析型分析场效应管源极输出器场效应管源极输出器一、静态分析一、静态分析US UGmA50.RURUISGSSDUDS=UDD- US =20-5=15VV5211DDGURRRUuo+UDDRSuiC1R1RGR2RL150k50k1M10kDSC2G5.4.2 FET小信号模小信号模型分析型分析uo+UDDRSuiC1R1RGR2RL150k50k1M10kDSC2GLgsmgsLgsmiouRUgURUgUUA11LmLmRgRgiUoUgsUgsmUg

26、dIriro ro gR2R1RGsdRLRS微变等效电路微变等效电路二、动态分析二、动态分析5.4.2 FET小信号模小信号模型分析型分析riro ro gR2R1RGsdRLRS微变等效电路微变等效电路21/RRRrGiM0375. 1输入电阻输入电阻 ri5.4.2 FET小信号模小信号模型分析型分析输出电阻输出电阻 ro加压求流法加压求流法mgsmgsdogUgUIUr1SooRrr/UIdIgd微变等效电路微变等效电路ro ro R2R1RGsRSgsUgsmUg5.4.2 FET小信号模小信号模型分析型分析 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sg