模电 场效应管放大电路

1、电子技术基础 A（模拟部分）2 / 105MOS场效应管场效应管5.1MOSFET放大电路放大电路5.2JFET场效应管场效应管5.3GaAS-M-S场效应管场效应管*5.4各放大器件电路性能比较各放大器件电路性能比较5.53 / 1051. N沟道增强型沟道增强型MOSFET5.1.2. 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5.1.5. MOSFET的主要参数的主要参数4 / 1055.1.0 概述概述特点：特点：场效应管与双极型晶体管不同，它是多子导场效应管与双极型晶体管不同，它是多子导电，输入阻抗高，温度稳定

2、性好。电，输入阻抗高，温度稳定性好。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：5 / 1055.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET1. 结构与符号结构与符号增强型增强型(Enhancement)耗尽型耗尽型(Depletion)N沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道MOSFET绝缘栅型绝缘栅型(IGFET)工作原理差别在于工作原理差别在于VGS= 0时，是否存在导电沟道！时，是否存在导电沟道！6 / 1055.1.1 N沟道增强型沟

3、道增强型MOSFET1. 结构与符号结构与符号PNNGSDP型基底型基底两个两个N区区SiO2绝缘层绝缘层导电沟道导电沟道金属铝金属铝GSDN 沟道增强型沟道增强型源极源极Source栅极栅极Grid漏极漏极Drain7 / 1055.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET1. 结构与符号结构与符号GSDN 沟道增强型沟道增强型GSDPGSDNNNGSDPPP 沟道增强型沟道增强型8 / 105GSDUGS = 0时时:5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET2. 工作原理工作原理GSDPNNUDS对应截止区对应截止区D-S 间相当间相当于两个反接于两个反接的的PN结结UGSID=

4、09 / 105GSDPNNUDSUGSID5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET2. 工作原理工作原理VT：阈：阈值电压值电压UGS 0时时:UGS足够大足够大( VT )，可感应，可感应出足量电子，出足量电子，形成形成N型型 (电电子子) 导电沟道导电沟道感应出电子感应出电子导电沟道将导电沟道将D-S连接起来连接起来 ( R )，UGS 越大越大 R 越小越小UDS不太大时，不太大时，导电沟道在两个导电沟道在两个N 区间是均匀的区间是均匀的10 / 105GSDPNNUDSUGSID5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET2. 工作原理工作原理UGS 0时时:当当UDS较大时

5、较大时,靠近靠近 D 区的导区的导电沟道变窄电沟道变窄VT：阈：阈值电压值电压UDS, UGD=VT 时时, 靠近靠近 D 端的端的沟道被夹断沟道被夹断, 称称予夹断予夹断夹断后，即使夹断后，即使UDS 继续继续, ID 仍呈恒流特性仍呈恒流特性11 / 105饱和区饱和区电阻区电阻区5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET2. 工作原理工作原理总结：总结：PNNUDSUGSGSDIDADSGSTvvvDSGSTvvvGSTvviD/mAUDSOB预夹断点预夹断点截止区截止区12 / 105饱和区饱和区5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET2. 工作原理工作原理总结：总结：PNN

6、UDSUGSGSDID预夹断点轨迹预夹断点轨迹电阻区电阻区EMOS工作原理：在栅极电工作原理：在栅极电压作用下，漏、源区之间形压作用下，漏、源区之间形成导电沟道。在漏极电压作成导电沟道。在漏极电压作用下，源区电子沿此沟道行用下，源区电子沿此沟道行进到漏区，产生漏极电流。进到漏区，产生漏极电流。改变栅极电压，可控制导电改变栅极电压，可控制导电沟道导电能力，使漏极电流沟道导电能力，使漏极电流发生变化。发生变化。iD/mAUDS/VO10206V7V5V4VGS=3VV截止区截止区13 / 1055.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET3. V-I 特性曲线特性曲线 输出特性：输出特性：GSD

7、DSconst()vif v饱和区饱和区电阻区电阻区iD/mAUDS/VO10206V7V5V4VGS=3VV截止区截止区14 / 1055.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET3. V-I 特性曲线特性曲线 转移特性：转移特性：DSDGSconst.()vif viD/mAUGS/VABOCDE7V6V5V4V3V26VDS=10V饱和区饱和区电阻区电阻区iD/mAUDS/VO10206V7V5V4VGS=3VV截止区截止区ABCDE二次函数二次函数VT：开：开启电压启电压15 / 1055.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET3. V-I 特性曲线及大信号特性方程特性曲线及大信

8、号特性方程 转移特性：转移特性：DSDGSconst.()vif viD/mAUGS/VABOCDE7V6V5V4V3V26EMOS特点：特点： 属于压控型器件；属于压控型器件； 线性度更好；线性度更好；16 / 1055.1.2 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET1. 结构与符号结构与符号GSDN 沟道沟道耗尽耗尽型型PGSDNNP 沟道沟道耗尽耗尽型型NGSDPPGSD予埋导予埋导电沟道电沟道 17 / 1055.1.2 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET2. 工作原理工作原理PNNUDSUGSGSDIDGSD DMOS工作原理与工作原理与EMOS基本相同，区基本相同，区别在于：由于预埋导

9、别在于：由于预埋导电沟道，故电沟道，故DMOS在在VGS=0V时仍能导电，时仍能导电，故其特性曲线适当平故其特性曲线适当平移。移。予埋导予埋导电沟道电沟道 18 / 105饱和区饱和区电阻区电阻区5.1.2 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET3. V-I 特性曲线特性曲线PNNUDSUGSGSDID截止区截止区2V4ViD/mAUDS/VO10202VGS=0VV4V 输出特性：输出特性：GSDDSconst()vif v19 / 105截止区截止区iD/mAUDS/VO4V2VGS=0VV2V4V1020电阻区电阻区饱和区饱和区5.1.2 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET3. V-I 特性

10、曲线特性曲线ABCDEiD/mAUGS/VABOCDE4V2V0V2V4V446DSDGSconst.()vif vVDS=10V二次函数二次函数 转移特性：转移特性：VP：夹：夹断电压断电压20 / 1055.1.5 MOSFET主要参数主要参数 夹断电压夹断电压VP (或或VGS(off)：ID= 0 时的时的VGS值值 ；DSDSSGSPDmPGSGSP2(1)When 0VIvVigVvvV （） 饱和漏极电流饱和漏极电流 IDSS：VGS= 0 时对应的时对应的ID； 低频跨导低频跨导 gm：反映反映vGS对对iD的控制作用（交流）。的控制作用（交流）。可在转移特性曲线上求得，单位可

11、在转移特性曲线上求得，单位mS；GSDSdDVvri 输出电阻输出电阻 rd：直流直流输入电阻输入电阻RGS：在在1091015之间，非常大之间，非常大。21 / 1055.1.5 MOSFET主要参数主要参数 最大漏源电压最大漏源电压V(BR)DS： 最大栅源电压最大栅源电压V(BR)GS： 最大漏极功耗最大漏极功耗PDM：22 / 1055.2.1 MOSFET放大放大电路电路 5.2.2 CMOS共源放大电路共源放大电路* Q点计算 图解法 小信号模型分析23 / 1055.2.0 概述概述1. 组成原则：组成原则：(1) 静态：适当设置静态：适当设置Q点，使场效应管工作在恒流点，使场效

12、应管工作在恒流区，场效应管的偏置电路相对简单。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。动态：能为交流信号提供通路。静态分析：估算法、图解法。静态分析：估算法、图解法。动态分析：微变等效电路法。动态分析：微变等效电路法。2. 分析方法分析方法：24 / 1055.2.1 MOSFET放大电路放大电路1. Q点计算点计算Rg1+VDDRDC1C2Rg2RLvivogds共源放大电路！共源放大电路！g2GSQDDg1g2RVVRR2DQnGSQT()IK VVDSQDDDQDVVIR 特点特点！25 / 1055.2.1 MOSFET放大电路放大电路1. Q点计算点计算

13、例题：例题：放大电路如图，放大电路如图，MOS管参数：管参数：VT =1V，Kn=500m m A/V2，ID = 0.5 mA。若流经。若流经Rg1、Rg2的电流为的电流为0.1ID。求。求Rg1、Rg2。Rg1+VDDRDC1C2Rg2RSvivogds-VSS10k0.5k5V5VDI解：解：DDSSg1g2D200k0.1VVRRI2DnGSTGS()2VIK VVV设工作与放大区，则：设工作与放大区，则：g2GSDS2.25VVVI Rg2g2D0.145kRVI26 / 1055.2.1 MOSFET放大电路放大电路2. 图解分析图解分析+VDDRDvivogdsDiggViD/m

14、AUDSODDVDDDVRQggViviDtt27 / 1055.2.1 MOSFET放大电路放大电路3. 小信号模型分析小信号模型分析vgsvdsgdsDimgsg VdsrgsVsgddsVgdCgsCdsCmgsg VgsVsgddsVmgsg VdsrgsVsgddsV很大！很大！28 / 1052DGSDGSD0.5(1)0.5mA5 10IVIVI5.2.1 MOSFET放大电路放大电路3. 小信号模型分析小信号模型分析例例1：电路如图，电路如图，VT = 1V， Kn= 500m mA/V2，求，求：(1) Q点；点；(2) AV、ri、 ro 。Rg1+VDDRDC1C2Rg2

15、RSvivogds10k10k20V150k50kRL10kCSRg1M解：解：(1) 求求Q点点g2gDDg1g2=5 VRVVRR2DnGSTGSgDS()IK VVVVIRDSQDDDDS()10VVVIRRgSVV29 / 1055.2.1 MOSFET放大电路放大电路3. 小信号模型分析小信号模型分析例例1：电路如图，电路如图，VT = 1V， Kn= 500m mA/V2，求，求：(1) Q点；点；(2) AV、ri、 ro 。解：解：(2) 微变等效如图微变等效如图Rg1+VDDRDC1C2Rg2RSvivogds10k10k20V150k50kRL10kCSRg1Mmgsg V

16、gsVsgdoViVgRg1Rg2RDRLRomgsLDmiLVg VRRg V R VoimLAV Vg R igg1g2rRRRoDrR30 / 1055.2.1 MOSFET放大电路放大电路3. 小信号模型分析小信号模型分析例例2：电路如图，电路如图，VT =1V， Kn= 500m mA/V2，求，求：(1) Q点；点；(2) AV、ri、 ro 。解：解：(2) 微变等效如图微变等效如图omgsLVg V RmLVoimL11g RAV Vg Rigg1g2rRRRigsomLgs(1)VVVg R VviRg1+VDDC1C2Rg2RSvogds10k20V150k50kRL10k

17、Rg1Mm gsg VgsVsoViVgRg1Rg2RSRLRgd31 / 1055.2.1 MOSFET放大电路放大电路3. 小信号模型分析小信号模型分析例例2：电路如图，电路如图，VT =1V， Kn= 500m mA/V2，求，求：(1) Q点；点；(2) AV、ri、 ro 。解：解：(2) 求输出电阻求输出电阻oSSSm11rVIRgviRg1+VDDC1C2Rg2RSvogds10k20V150k50kRL10kRg1Mmgsg VgsVsgdSVgRg1Rg2RSRSSSmgsSSmSIVRg VVRg VSI设设 RD两端施加两端施加SVSm1Rg32 / 1055.2.1 M

18、OSFET放大电路放大电路4. 小结小结 场效应管放大器场效应管放大器输入电阻很大；输入电阻很大； 场效应管共源极放大器场效应管共源极放大器（漏极输出）（漏极输出）输入输出反输入输出反相相，电压放大倍数大于，电压放大倍数大于1；输出电阻；输出电阻=RD； 场效应管源极跟随器输入输出同相，电压放大倍场效应管源极跟随器输入输出同相，电压放大倍数小于数小于1且约等于且约等于1；输出电阻小；输出电阻小；33 / 1055.3.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理 5.3.2 特性曲线及参数特性曲线及参数 结构 工作原理5.3.3 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理 小信号模型 交流参数计

19、算34 / 1055.3.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理1. 结构（结构（N沟道）沟道）GSDDNPPGSGSD基底基底 ：N型半导体型半导体导电沟道导电沟道两边两边P区区35 / 1055.3.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理1. 结构（结构（P沟道）沟道）GSDDPNNGSGSD36 / 1055.3.1 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UDS= 0VUGS= 0VUDSDNGSIDPPUGSPN结反偏结反偏, UGS越越大则耗尽区越宽大则耗尽区越宽, 导电沟道越窄导电沟道越窄当当UGS较小时较小时, 耗耗尽区较窄，存在尽区较窄，存在

20、导电沟道。导电沟道。DS间间相当于线性电阻相当于线性电阻37 / 1055.3.1 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UDS= 0V截止区截止区 UGS= UDSDNGSIDPPUGSiD/mAUDSGSPvvOUGSVP (夹断电压夹断电压), 耗尽区触碰耗尽区触碰, DS被夹被夹断，此时即使断，此时即使UDS 0V，ID0A当当UGS逐渐增加时逐渐增加时, 耗尽区逐渐变宽耗尽区逐渐变宽, 导导电沟道逐渐变窄电沟道逐渐变窄38 / 1055.3.1 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 UGS= 0UDSDNGSIDPPUGSiD/mAU

21、DSGSPvvOUGDVP 预夹断点预夹断点GS0V UDS= 41 / 105饱和区饱和区电阻区电阻区5.3.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理2. 工作原理工作原理总结：总结：UDSDNGSIDPPUGSiD/mAPV OGS0VV预夹断点轨迹预夹断点轨迹iD/mAUDS/V8160.2V0.4V0.6V截止区截止区42 / 1055.3.2 JFET的特性曲线和参数的特性曲线和参数1. 输出特性输出特性iD/mAPV OGS0VV截止区截止区预夹断点轨迹预夹断点轨迹iD/mAUDS/V0.2V0.4V0.6V816电阻区电阻区饱和区饱和区GSDDSconst()vif vUDS

22、IDUGSGSD43 / 1055.3.2 JFET的特性曲线和参数的特性曲线和参数2. 转移特性转移特性iD/mAPV OGS0VV截止区截止区预夹断点轨迹预夹断点轨迹iD/mAUDS/VABCD0.2V0.4V0.6V816电阻区电阻区饱和区饱和区DSDGSconst.()vif viD/mAUGS/VAOBCD0.50.40.20.1.2.61VDS= 8V二次函数二次函数VP：夹：夹断电压断电压IDSS44 / 1055.3.2 JFET的特性曲线和参数的特性曲线和参数3. 主要参数主要参数与耗尽型与耗尽型MOSFET相似，请自阅相似，请自阅45 / 1055.3.2 JFET的特性曲

23、线和参数的特性曲线和参数4. 总结（特点）总结（特点） 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栅极与沟道间的栅极与沟道间的PN结是反向偏的，因此，结是反向偏的，因此，iG0，输入电阻很高。，输入电阻很高。 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。思考：为什么思考：为什么JFET的输入电阻比的输入电阻比BJT高得多高得多46 / 10

24、55.3.2 JFET的特性曲线和参数的特性曲线和参数4. 总结（缺点）总结（缺点） 栅源极电阻虽然可达栅源极电阻虽然可达107以上，但在某些场合仍以上，但在某些场合仍嫌不够高（嫌不够高（MOSFET： 1091015 ）。）。 在高温下，在高温下，PN结的反向电流增大，栅源极间的电结的反向电流增大，栅源极间的电阻会显著下降。阻会显著下降。 栅源极间的栅源极间的PN结加正向电压时，将出现较大的栅结加正向电压时，将出现较大的栅极电流。极电流。绝缘栅场效应管可以很好地解决这些问题！绝缘栅场效应管可以很好地解决这些问题！47 / 1055.3.3 JFET电路的小信号模型分析电路的小信号模型分析1.

25、 JFET小信号模型小信号模型uGSuDSgdsDimgsg VdsrgsVsgdgsVgdCgsCdsCmgsg VgsVsgddsVmgsg VdsrgsVsgdgsV48 / 1055.3.3 JFET电路的小信号模型分析电路的小信号模型分析2. 应用例子（应用例子（p251）例：例：电路如图，电路如图，VP=-4V，VGS =-2V，IDSS =4mA，求，求：(1) R1 和和 IDQ ；(2) 正常放大时的正常放大时的 R2最大值；最大值；(3) AV、ri、 ro 。解：解：(1) 2DQDSSGSP(1)1mAIIVV1GSDQ2kRVIgds+VDDRDC1C2R1uiuo1

26、0k20V1MR2RgRg无电流！无电流！偏置简单！偏置简单！49 / 1055.3.3 JFET电路的小信号模型分析电路的小信号模型分析2. 应用例子应用例子解：解：(2) T正常放大，需满足：正常放大，需满足：GDGSDSPDSGSP2VVVVVVVV22RDDDQD1DS2RDQ()6V6kVVIRRVRVIgds+VDDRDC1C2R1uiuo10k20V1MR2Rg例：例：电路如图，电路如图，VP=-4V，VGS =-2V，IDSS =4mA，求，求：(1) R1 和和 IDQ ；(2) 正常放大时的正常放大时的 R2最大值；最大值；(3) AV、ri、 ro 。2max6kR50

27、/ 1055.3.3 JFET电路的小信号模型分析电路的小信号模型分析2. 应用例子应用例子gds+VDDRDC1C2R1uiuo10k20V1MR2Rg解：解：(3) 求求AV、ri、 ro 例：例：igsmgs12()VVg VRRmgsg VgsVdgsoViVgR1R2RDR10k1M2komgsDVg V R VoimDm12D121()()AV Vg RgRRRRR Rg的分流忽略的分流忽略51 / 105本节自学本节自学52 / 105 基极分压式5.5.1 各种各种FET的特性及使用注意事项的特性及使用注意事项5.5.2 各种放大器件电路性能比较各种放大器件电路性能比较 各种F

28、ET特性比较 使用注意事项53 / 1055.5.1 各种各种FET的特性及使用注意事项的特性及使用注意事项1. 特性比较特性比较请参阅教材请参阅教材P237，表，表5.5.154 / 1055.5.1 各种各种FET的特性及使用注意事项的特性及使用注意事项2. 使用注意事项使用注意事项 J/MOSFET通常制成通常制成D-S极可互换，特性曲线没极可互换，特性曲线没有明显变化。但有明显变化。但S极已与衬底相连时则不可。极已与衬底相连时则不可。 J/MOSFET在储存和焊接时，必须注意防静电的在储存和焊接时，必须注意防静电的保护问题，保护问题，G-S极间需提供必要的保护。极间需提供必要的保护。55 / 1055.5.2 各种各种放大器件电路性能比较放大器件电路性能比较(p236)BJTFETbeb/rRCE：CS：)/(g2g1g3RRR 1/beerRCB：CG：m1/gR )/)(1(/LebebRRrR CC：C