复试笔试模电课件第3章

1、第三章第三章 场效应管放大器场效应管放大器绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管结型场效应管结型场效应管 3.2 3.2 场效应管放大电路场效应管放大电路效应管放大器的静态偏置效应管放大器的静态偏置效应管放大器的交流小信号模型效应管放大器的交流小信号模型效应管放大电路效应管放大电路3.1 3.1 场效应管场效应管只有一种载流子参与导电，且利用电场效应来控制电只有一种载流子参与导电，且利用电场效应来控制电流的三极管，称为流的三极管，称为场效应管场效应管，也称，也称单极型三极管。单极型三极管。场效应管分类场效应管分类结型场效应管结型场效应管绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管特点特点单极型器件单极型器件( (一

2、种载流子导电一种载流子导电) )； 输入电阻高输入电阻高(107 1015 )；工艺简单、易集成、功耗小、体积小、工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低。成本低。3.13.1 场效应管场效应管增强型增强型耗尽型耗尽型1、结构和符号、结构和符号一、结型场效应管（一、结型场效应管（N N沟道为例）沟道为例） 场效应管有三个极：源极（场效应管有三个极：源极（s）、栅极（、栅极（g）、漏极）、漏极（d），对应于晶体管的发射极），对应于晶体管的发射极e、基极、基极b、集电极、集电极c。导电导电沟道沟道源极源极栅极栅极漏极漏极符号符号结构示意图结构示意图-gsdN沟道1)1)栅栅- -源电压源电压uGS

3、对导电沟道宽度的控制作用对导电沟道宽度的控制作用沟道最宽沟道最宽沟道变窄沟道变窄沟道消失沟道消失称为称为夹断夹断 当当uDS=0，uGS可以控制导电沟道的宽度。可以控制导电沟道的宽度。 2、工作原理、工作原理 当沟道消失时，当沟道消失时，uGS = UGS（off）称为称为夹断电压夹断电压2)2)漏漏- -源电压源电压UDS对漏极电流对漏极电流ID的影响的影响 当当UGS（off）uGS UGS(th)时，漏源电压时，漏源电压uDS 对对iD的影响的影响 (可变电阻区可变电阻区) (恒流区恒流区)N沟道增强型沟道增强型MOS管工作在恒流区的条件是什么？管工作在恒流区的条件是什么？预夹断，预夹断

4、，电电流趋于饱和流趋于饱和管子工作在恒流区，满足管子工作在恒流区，满足uGSUGS（th）且且uGDUGS（th）2、耗尽型、耗尽型MOS管符号和结构（管符号和结构（N沟道为例）沟道为例）符号符号结构示意图结构示意图加正离子加正离子uGS=0时就存时就存在导电沟道在导电沟道 耗尽型耗尽型MOS管在管在 uGS0、uGS0、uGS0时均可时均可导通，且由于导通，且由于SiO2绝缘层的存在，在绝缘层的存在，在uGS0时仍保持时仍保持g-s间电阻非常大的特点。间电阻非常大的特点。uGSUGS（off） U(BR)GS ，PN结将被击穿。结将被击穿。4. 最大耗散功率最大耗散功率PDM 由场效应管允许

5、的温升决定。漏极耗散功率转化为由场效应管允许的温升决定。漏极耗散功率转化为热能使管子的温度升高。热能使管子的温度升高。1. N沟道结型场效应管：沟道结型场效应管：截止区（夹断区）：截止区（夹断区）： uGS UGS(off) 0恒流区恒流区： UGS(off) uGS 0，并且，并且uGD UGS(off) 四、场效应管的工作区域判断四、场效应管的工作区域判断可变电阻区：可变电阻区： UGS(off) uGS UGS(off) 2. N沟道增强型沟道增强型MOS管：管：截止区：截止区： uGS 0恒流区恒流区： uGS UGS(th) ，并且，并且uGD UGS(th) ，并且，并且uGD U

6、GS(th) 注：耗尽型注：耗尽型MOS管与结型场效应管相类似。管与结型场效应管相类似。3. P沟道结型场效应管：沟道结型场效应管：截止区（夹断区）：截止区（夹断区）： uGS UGS(off) 0恒流区恒流区： 0 uGS UGS(off) 可变电阻区：可变电阻区： 0 uGS UGS(off) ，并且，并且uGD UGS(th) ,并且并且UGS(th) 0恒流区恒流区： uGS UGS(th) 可变电阻区：可变电阻区： uGS UGS(th) ，并且，并且uGD UGS(th) 注：耗尽型注：耗尽型MOS管与结型场效应管相类似。管与结型场效应管相类似。判断下列判断下列N沟道场效应管的管型

7、和工作状态。沟道场效应管的管型和工作状态。T1为为N沟道结型场效应管，工作在截止区。沟道结型场效应管，工作在截止区。管号管号UGS(off)或或UGS(th)USUGUD结型结型T1-33-110MOST24-23-1.2MOST3-30010T2为增强型为增强型N沟道沟道MOS管，工作在可变电阻区。管，工作在可变电阻区。T3为耗尽型为耗尽型N沟道沟道MOS管，工作在恒流区。管，工作在恒流区。例：例：已知场效应管的输出特性曲线如图已知场效应管的输出特性曲线如图, ,分析当分析当u uI I4V4V、8V8V、12V12V三种情况下场效应管分别工作在什么区域。三种情况下场效应管分别工作在什么区域

8、。 解：由解：由T的输出特性可知其的输出特性可知其开启电压开启电压为为5V，图示电路，图示电路uGSuI。 当当uI4V时，时，uGS小于开启电压，故小于开启电压，故T截止。截止。 当当uI8V时，设时，设T工作在恒流区，由输出特性得工作在恒流区，由输出特性得iD0.6mA，管压降，管压降uDSVCCiDRd10V uGDuGSuDS2V 小于开启电压，小于开启电压，假设成立假设成立 当当uI12V时，假设时，假设T工作在恒流区，由工作在恒流区，由iD 3.8mA得：得： 即即T工作在恒流区。工作在恒流区。 uDS-0.54-0.54V， uGD112.54V大于开启电压，大于开启电压，T工作

9、在工作在可变电阻区。可变电阻区。 五五 . .双极型和场效应型三极管的比较双极型和场效应型三极管的比较双极型三极管双极型三极管 单极型场效应管单极型场效应管载流子载流子多子扩散少子漂移多子扩散少子漂移 多子多子漂移漂移输入量输入量电流输入电流输入电压输入电压输入控制控制电流控制电流源电流控制电流源电压控制电流源电压控制电流源输入电阻输入电阻几十到几千欧几十到几千欧几兆欧以上几兆欧以上噪声噪声较大较大较小较小静电影响静电影响不受静电影响不受静电影响易受静电影响易受静电影响制造工艺制造工艺不宜大规模集成不宜大规模集成适宜大规模和超大适宜大规模和超大规模集成规模集成 共E 共S3.2. 场效应管放大

10、电路（结型N沟道）+gTRdRgC1C2uouiVDDdVGGs+bTRcRbC1C2uouicVBBe+CCV一一.场效应管放大器的直流偏置电路 保证管子工作在饱和区，输出信号不失真保证管子工作在饱和区，输出信号不失真 1.自自偏压电路偏压电路UGS =- IDR 注意：该电路产生负的栅源电压，所以只能用于需要负栅源电压的电路。注意：该电路产生负的栅源电压，所以只能用于需要负栅源电压的电路。计算计算Q点：点：UGS 、 ID 、UDS2PGSDSSD)1(UUII 已知已知UP ，由，由UGS =- IDR可解出可解出Q点的点的UGS 、 IDUDS =VDD- ID (Rd + R )再求

11、：再求：+gTRdRRgC1C2uouiVD DCdsID 2.分压式自分压式自偏压电路偏压电路SGGSUUU RIVRRRDDDg2g1g2 + + 2PGSDSSD)1(UUII 可解出可解出Q点的点的UGS 、 ID 计算计算Q点：点：已知已知UP ，由，由RIVRRRUDDDg2g1g2GS + + 该电路产生的栅源电压可正该电路产生的栅源电压可正可负，所以适用于所有的场可负，所以适用于所有的场效应管电路。效应管电路。UDS =VDD- ID (Rd + R )再求：再求：+gTRdRC12CuouiVD DCdsg1Rg2Rg3R 如果输入信号很小， 场效应管工作在线性放大区（即输出

12、特性中的恒流区）时，与三极管一样，可用小信号模型法进行动态分析。 将场效应管看成一个两端口网络，栅极与源极之间视为输入端口，漏极与源极之间视为输出端口。以N沟道耗尽型MOS管为例，可认为栅极电流为零，栅-源之间只有电压存在。漏极电流iD是栅源电压uGS和漏源电压uDS的函数iD=f(uGS, uDS) 二二. 场效应管的交流小信号模型场效应管的交流小信号模型 对上式求iD的全微分可得 DSUDSDGSUGSDDduuiduuidiGSDS+式中mUGSDguiDSdsUDSDruiGS1iD=f(uGS, uDS) dsdsgsmdUrUgI1+从场效应管的特性曲线可知，当小信号作用时，管子的

13、电压、 电流在Q点附近变化，因此可认为在Q点附近的特性是线性的， 则gm和rds近似为常数。用正弦相量 取代变化量diD、 duGS、duDS，上式可写成： dsgsdUUI、dsdsgsmdUrUgI1+由此可构造出场效应管的小信号模型。图中栅-源之间只有一个栅源电压 ，没有栅极电流；漏-源之间是一个受电压控制的电流源和电阻rds相并联。gsUuGSgsuDSdggsUsgmgsUrdsdsU(a)(b)d场效应管的小信号模型(a) N沟道耗尽型MOSFET； (b) 小信号模型 由转移特性可知，gm是UDS=UDSQ那条转移特性曲线上以Q点为切点的切线斜率。在小信号作用时，可用切线来等效Q

14、点附近的曲线，由于gm是输出电流与输入电压的比值，故称为跨导，其单位为西门子（S）， 一般gm数值约为0.120 mS。从输出特性可知，rds是UGS=UGSQ那条输出特性曲线上Q点处斜率的倒数，它表示曲线的上翘程度，rds越大，曲线越平。通常rds在几十千欧到几百千欧之间，若外电路电阻较小时，可将rds视为开路，即忽略rds中的电流，将输出回路只等效成一个受控电流源。 iDIDSSUDS UDSQIDQQiDuDSUGSQuGS(off)uGSuDSiDUDSQuDSQuGS0 VIDQiDOO从特性曲线求gm和rds(a) 从转移特性求解gm; (b) 从输出特性求解rds 对于结型场效应

15、管的电流方程在Q点求导可得gm表达式 DQDSSoffGSoffGSGSQoffGSDSSUGSDmIIUUUUIuigDS)()()(212上式表明gm与Q点有关，Q点越高，gm越大。 同理，若对增强型MOSFET的电流方程在Q点求导可得gm表达式 DQDOthGSthGSGSQthGSDOUGSDmIIUUUUIuigDS)()()(2122GS(off)GSDSSD)1 (UuIi2GS(th)GSDOD)1( UuIi三三. 场效应管场效应管放大电路放大电路1.共源放大电路共源放大电路+C2RuTg3D D1Rg1CCVRRgdsig2dRuoRL+-分析：分析：（1）画出共源放大电路

16、的交流小信号等效电路。画出共源放大电路的交流小信号等效电路。 （2）求电压放大倍数）求电压放大倍数（3）求输入电阻）求输入电阻（4）求输出电阻）求输出电阻则则)/(g2g1g3iRRRR+doRR +uiugdugsugsmRg3g1Rg2RiRLR-S-o+gROdRgsiuu omgsdL(/ /)ug uRR )/(LdmiouRRguuA （2）电压放大倍数）电压放大倍数（3）输入电阻）输入电阻)/(LgsmgsiRRuguu+ + )/(LgsmoRRugu )/(1)/(LmLmiouRRgRRguuA+ + 得得)/(g2g1g3iRRRR+ + 分析：分析：（1 1）画）画交流

17、小信号等效电路。交流小信号等效电路。 由由1 2.共漏放大电路共漏放大电路+-+Su+-RSui+uo-gdsugsugsmgRg3g1Rg2RiRRLR+Cg3VsTR1D DoRuRdg1g2C2RR+-L+u-SRS（4 4）输出电阻）输出电阻gsmRugii+ + gsuumo11gRiuR+ + 所以所以由图有由图有m1/gR +-+Sui+u-gdsugsugsmgRg3g1Rg2RRRooRRigsmugRu+ + 本章小结本章小结 1FET分为分为JFET和和MOSFET两种，工作时只有一种两种，工作时只有一种载流子参与导电，因此称为单极性型晶体管。载流子参与导电，因此称为单极性型晶体管。FET是一种是一种压控电流型器件，改变其栅源电