场效应管放大器模拟电子技术 课件

1、第第3 3章场效应管放大器章场效应管放大器( (模拟电子技术模拟电子技术281导电沟道导电沟道 两个两个P P+ +区与区与N N区形成两个区形成两个PNPN结结，夹在其中的夹在其中的N N区区是电子由源极流向漏是电子由源极流向漏极的通道，称为导电沟道。极的通道，称为导电沟道。 结型场效应管的工作原理结型场效应管的工作原理正常工作的条件正常工作的条件栅极电压：栅极为负，源极为正栅极电压：栅极为负，源极为正漏极电压：漏极为正，源极为负漏极电压：漏极为正，源极为负282 结型场效应管的工作原理结型场效应管的工作原理283 uGS uGS 增大时，沟道变窄，沟道电阻增大时，沟道变窄，沟道电阻增大那么

2、增大那么iDiD减小。沟道被夹断时管子减小。沟道被夹断时管子截止，截止，iD =0iD =0。 管子刚好截止时的栅极电压称为管子刚好截止时的栅极电压称为，用，用 表示表示。 结型场效应管的工作原理结型场效应管的工作原理284u uDSDS增大时，沟道变窄，沟增大时，沟道变窄，沟道电阻增大。以预夹断为道电阻增大。以预夹断为分界线，预夹断前分界线，预夹断前i iD D 增大，增大，预夹断后预夹断后i iD D 近似恒定。近似恒定。夹断夹断 结型场效应管的工作原理结型场效应管的工作原理285放大原理放大原理 结型场效应管的工作原理结型场效应管的工作原理GGUsU栅源之间接有直流反向偏置电压栅源之间接

3、有直流反向偏置电压栅源之间参加交流小信号电压栅源之间参加交流小信号电压 漏源之间接有漏极电阻漏源之间接有漏极电阻 dRDDU输入信号变化输入信号变化, GSu随之改变。随之改变。 漏源之间接直流电源漏源之间接直流电源 286指指uGS为参变量为参变量，iD随随uDS变化的关系曲线变化的关系曲线 3.1.3 结型场效应管的特性曲线结型场效应管的特性曲线 ),(DSGS1Duufi= =2871截止区截止区截止区：截止区： 对应夹断状态对应夹断状态 特点特点：uGS UGS (off) iD=0 3.1.3 结型场效应管的特性曲线结型场效应管的特性曲线截止区截止区288可变电阻区：可变电阻区： 对

4、应预夹断前状态对应预夹断前状态 特点：特点：固定固定uGS，uDS那么那么iD近似线近似线性性 电阻特性电阻特性固定固定uDS，变化，变化uGS那么阻值那么阻值变化变化 变阻特性变阻特性 2 可变电阻区可变电阻区可可变变电电阻阻区区 3.1.3 结型场效应管的特性曲线结型场效应管的特性曲线289放大区：放大区： 对应管子预夹断后的状态对应管子预夹断后的状态 特点：受控放大，特点：受控放大，iD iD 只只受受 uGS uGS控制控制 uGS uGS 那么那么 iD iD 放大区放大区3线性放大区线性放大区 3.1.3 结型场效应管的特性曲线结型场效应管的特性曲线290击穿区：击穿区： 对应对应

5、PN结击穿状态结击穿状态 特点：特点：uDS 很大很大 iD急剧增加急剧增加 4击穿区击穿区击击穿穿区区 3.1.3 结型场效应管的特性曲线结型场效应管的特性曲线291指指uDS为参变量为参变量，iD随随uGS变化的关系曲线变化的关系曲线iD= f2(uDS , uGS) 3.1.3 结型场效应管的特性曲线结型场效应管的特性曲线292 预夹断后转移特性曲线重合预夹断后转移特性曲线重合 曲线方程曲线方程 条件条件 DSGS(off)GS0uUu 2)off(GSGSDSSD)1(UuIi = = 3.1.3 结型场效应管的特性曲线结型场效应管的特性曲线293 3.1.3 结型场效应管的特性曲线结

6、型场效应管的特性曲线例例31 已知图中各已知图中各JFET参数为参数为 （a a） （b b） （c c） 问问JFET各工作在什么区？各工作在什么区？GS off3VU= GS off5VU= GS off4VU=294 3.1.3 结型场效应管的特性曲线结型场效应管的特性曲线解：解： a这是这是NJFET。 GSGS off5VuU= 沟道全夹断，沟道全夹断，JFET处于截止区。处于截止区。 b这是这是NJFET。 GSGS off02VuU= DSGSGS off6V3VuuU=DGGS off6V5VuU=沟道局部夹断，沟道局部夹断，JFETJFET工作在放大区。工作在放大区。 295

7、 3.1.3 结型场效应管的特性曲线结型场效应管的特性曲线解：解： c这是这是PJFET。 GSGS off0V4VuU=DSGSGS off8V4VuuU= = JFET工作在放大区。工作在放大区。 296 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管 半导体的外表场效应半导体的外表场效应 N沟道增强型沟道增强型MOS管管 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管管 P沟道绝缘栅场效应管沟道绝缘栅场效应管297根据栅极绝缘材料分为根据栅极绝缘材料分为 金属金属- -氧化物氧化物- -半导体场效应管半导体场效应管(MOSFET或或MOS)； 金属金属- -氮化硅氮化硅- -半导体场效应管半导体场效应管(MNSFET(M

8、NSFET或或MNS)MNS)； 金属金属- -氧化铝氧化铝- -半导体场效应管半导体场效应管(MALSFET)。根据导电沟道类型分为根据导电沟道类型分为: : N沟道和沟道和P沟道沟道。根据是否存在原始导电沟道分为根据是否存在原始导电沟道分为: :增强型和耗尽型。增强型和耗尽型。 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管结型场效应管限制了输入电阻的提高结型场效应管限制了输入电阻的提高298 3.2.1 半导体的外表场效应半导体的外表场效应反型层的宽度取决于作用于半导体外表电场的强度反型层的宽度取决于作用于半导体外表电场的强度 299N沟道增强型MOSFET1. N沟道增强型沟道增强型MOS管的结构管的结

9、构 3.2.2 N沟道增强型沟道增强型MOS管管300uGS=0时，无导电沟道时，无导电沟道( (夹断状态夹断状态) ) uGS UGS(th)时，产生导电沟道时，产生导电沟道( (开启开启状态状态) ) 为刚开始为刚开始出现导电沟道时的栅源电压值。出现导电沟道时的栅源电压值。2. 增强型增强型MOS管的工作原理管的工作原理 3.2.2 N沟道增强型沟道增强型MOS管管301D0i =3. 增强型增强型MOS管的特性曲线管的特性曲线 3.2.2 N沟道增强型沟道增强型MOS管管开启电压开启电压UGS(th)GSGS th0uUGSGS thuUD0i NMOS管处于导通状态管处于导通状态 2D

10、2D1GS1GS2GS1GS th(1 () ()iiuuuU=为对应于某一栅源电压为对应于某一栅源电压 的值，的值， D1iGS1uDSGSGS th()uuU满足满足 302指指uGS为参变量，为参变量，iD随随uDS变化的关系曲线变化的关系曲线 ),(DSGS1Duufi= =3. 增强型增强型MOS管的特性曲线管的特性曲线 3.2.2 N沟道增强型沟道增强型MOS管管303uDS0uDSiD 近似不变近似不变uDS= uGS UGS(th)预夹断状态预夹断状态uDS iD 固定固定uGS ，可以看到，可以看到uDS 如何影响如何影响 iDuDS(uGS UGS(th)预夹断后预夹断后

11、3.2.2 N沟道增强型沟道增强型MOS管管304小结：小结： iD 受控于受控于uGS : uGS 那么那么 iD 直至直至iD =0 ； iD受受uDS影响影响 : uDS 那么那么iD先增随后近似不变。先增随后近似不变。 预夹断前预夹断前uDS 那么那么iD 以预夹断状态为分界线以预夹断状态为分界线 预夹断后预夹断后uDS 那么那么iD不变。不变。 3.2.2 N沟道增强型沟道增强型MOS管管305截止区：截止区： 对应夹断状态对应夹断状态 特点：特点：uGS UGS (th) iD =0 3.2.2 N沟道增强型沟道增强型MOS管管306放大区：放大区：对应管子预夹断对应管子预夹断后的

12、状态后的状态 特点：特点： 受控放大受控放大 uGS 那么那么 iD 3.2.2 N沟道增强型沟道增强型MOS管管307可变电阻区：可变电阻区： 对应预夹断前状态对应预夹断前状态特点：特点： 固定固定uGSuGS，uDSuDS那么那么iDiD近似近似线性线性 -电阻特性电阻特性 固定固定uDSuDS，uGSuGS变化那么阻值变化那么阻值变化变化 -变阻特性变阻特性 3.2.2 N沟道增强型沟道增强型MOS管管308 uBS 0且且uBS 0uuU= = = = = =管子导通管子导通 场效应管工作在放大区场效应管工作在放大区 b这是这是N沟道增强型绝缘栅场效应管。沟道增强型绝缘栅场效应管。 G

13、SGS(th)3V2VuU= = = =管子导通管子导通 DSGSGS(th)8V321V0uuU= = = = = =场效应管工作在放大区场效应管工作在放大区 312 3.2.4 P沟道绝缘栅场效应管沟道绝缘栅场效应管解：解： c这是这是P沟道耗尽型绝缘栅场效应管。沟道耗尽型绝缘栅场效应管。 场效应管工作在截止区场效应管工作在截止区 d这是这是P沟道增强型绝缘栅场效应管。沟道增强型绝缘栅场效应管。 场效应管工作在截止区场效应管工作在截止区 GSGS(th)3V2VuU= = = =GSGS(th)3V2VuU= = = = 313 场效应管的参数及特点场效应管的参数及特点 主要参数主要参数

14、场效应管的特点场效应管的特点3141夹断电压夹断电压 UGS(off) : iD =0时的时的uGS值；值；2开启电压开启电压 UGS(th) : 增强型管刚开始导电时的增强型管刚开始导电时的uGS值；值；3饱和漏极电流饱和漏极电流IDSS : uGS=0时的时的iD 值；值；4直流输入电阻直流输入电阻RGS: RGS = UGS / IG 。1. 直流参数直流参数 主要参数主要参数315)1(2)off(GSGS)off(GSDSSmUuUIg = =D)off(GSDSS2IUI = =2. 交流参数交流参数定义：定义：常数)(GSDmBSDSdd= = =uuuig计算：计算： 主要参数

15、主要参数单位为西门子单位为西门子S 是表征场效应管放大能力的一个重要参数 几何意义是转移特性在工作点处切线的斜率几何意义是转移特性在工作点处切线的斜率 316(2) 背栅跨导背栅跨导 gmb 常数)(BSDmbGSDSdd= = =uuuigmmbgg= =(3) 输出电阻输出电阻 rds常数)(DDSdsBSGSdd= = =uuiur物理意义：表示物理意义：表示uDS对对iD的控制能力的控制能力 几何意义：表示输出特性曲线上工作点处切线几何意义：表示输出特性曲线上工作点处切线斜率的倒数。斜率的倒数。(4) 极间电容极间电容：Cgs、Cgd 、Cds ( Cbs 、Cbd 、Cbg )令：令

16、：2. 交流参数交流参数 主要参数主要参数317在特定工作电流电压下，管子参数的在特定工作电流电压下，管子参数的温度系数可以为零温度系数可以为零 。(1) 栅源击穿电压栅源击穿电压：UBR(GS) ；(2) 漏源击穿电压漏源击穿电压：UBR(DS) ；(3) 最大功率最大功率PDM : 。DSDDMUIP= = 主要参数主要参数318导电方式导电方式 载流子载流子运动方式运动方式控制方式控制方式输入电阻输入电阻漂移漂移 扩散，扩散， 漂移漂移 电压控制电压控制 电流控制电流控制 高高 低低 多子，多子， 单极型单极型 多子、少子，双极型多子、少子，双极型 FETBJT 场效应管的特点场效应管的

17、特点319FETBJT噪声噪声小小大大抗辐射力抗辐射力强强弱弱 热稳定性热稳定性好好 差差 场效应管的特点场效应管的特点3203.4 场效应管放大器场效应管放大器3.4.1 直流偏置电路与静态分析直流偏置电路与静态分析 动态分析动态分析321共源共源CS共栅共栅CG共漏共漏CD共射共射CE共基共基CB共集共集CC 两种器件的工作原理不同，不能简单地用场效两种器件的工作原理不同，不能简单地用场效应管取代晶体三极管，特别应注意偏置电路和微变应管取代晶体三极管，特别应注意偏置电路和微变等效电路的区别。等效电路的区别。 3.4 场效应管放大器场效应管放大器322GSQGGUU= 1固定偏压电路固定偏压

18、电路 3.4.1 直流偏置电路与静态分析直流偏置电路与静态分析2DQDSSGSQGS(off)(1)IIUU=DSQDDDQdUUIR=解析法求解静态工作点解析法求解静态工作点 323GGGSQUU=DSDDDduUi R=直流负载线方程直流负载线方程图解法求解静态工作点图解法求解静态工作点 3.4.1 直流偏置电路与静态分析直流偏置电路与静态分析1固定偏压电路固定偏压电路 324GSDsui R= 直流偏置电压线方程为直流偏置电压线方程为2自偏压电路自偏压电路作图即求出作图即求出UGSQ、IDQ3.4.1 直流偏置电路与静态分析直流偏置电路与静态分析325GSDsui R= 2DDSSGSG

19、S(off)(1)iIuU=假设：假设：那么联立解方程组可以得到那么联立解方程组可以得到UGSQ、IDQ。DSQDDDQds()UUIRR=由图有由图有3.4.1 直流偏置电路与静态分析直流偏置电路与静态分析2自偏压电路自偏压电路326例例33 V,4GS(off)=U，2kd=RV,12DD=UDQIGSQUDSQU一场效应管放大器电路如下图。：一场效应管放大器电路如下图。：8mA,DSS=I计算计算： 、 、 。1ks=R3.4.1 直流偏置电路与静态分析直流偏置电路与静态分析327解得解得 舍去舍去=DsDGS2GS2GS(off)GSDSSD)41 ( 8)1 (iRiuuUuIiD1

20、D22mA 8mAii=，DQ2mAI=DSQDDDQds()122(2 1)6VUUIRR=GSQDQs2VUIR= = 解：解：故故3.4.1 直流偏置电路与静态分析直流偏置电路与静态分析328增强型场效应管，不能采用自偏压电路。增强型场效应管，不能采用自偏压电路。只有栅源电压到达开启电压时才有漏极电流只有栅源电压到达开启电压时才有漏极电流自偏压电路与固定偏压电路相比有稳定工作点的作用自偏压电路与固定偏压电路相比有稳定工作点的作用3.4.1 直流偏置电路与静态分析直流偏置电路与静态分析3293. 混合偏置电路混合偏置电路sDGGGSRiUu=DD212GGURRRU=3.4.1 直流偏置电

21、路与静态分析直流偏置电路与静态分析混合偏置电路混合偏置电路不仅适用于不仅适用于增强型增强型MOSFET, ,也适用于也适用于耗尽型耗尽型MOSFET及及JFET。3304 4恒流源电路恒流源电路3.4.1 直流偏置电路与静态分析直流偏置电路与静态分析3313.4.2 动态分析动态分析 场效应管放大电路进行动态分析时可以采用两场效应管放大电路进行动态分析时可以采用两种分析方法：图解法和微变等效电路法。图解法与种分析方法：图解法和微变等效电路法。图解法与晶体管放大电路的类似，不再介绍。主要讨论晶体管放大电路的类似，不再介绍。主要讨论微变微变等效电路法等效电路法。 332),(DSGSDuufi =

22、DSDSDGSGSDDduuiduuidi=dsDSGSmDruddugdi= 1微变等效电路微变等效电路 (1) JFET等效电路等效电路进行全微分，得进行全微分，得即即3.4.2 动态分析动态分析333对正弦信号输入，有对正弦信号输入，有JFET交流小信号等效电路交流小信号等效电路dsdsgsmdrUUgI=3.4.2 动态分析动态分析 1微变等效电路微变等效电路 334JFET交流小信号等效电路交流小信号等效电路 rgs是是JFET栅、源间的交流输入电阻，一般外电路栅、栅、源间的交流输入电阻，一般外电路栅、源之间的电阻比源之间的电阻比rgs小得多小得多, ,故可以不予考虑故可以不予考虑r

23、gs 。3.4.2 动态分析动态分析 1微变等效电路微变等效电路 335),(DSBSGSDuuufi =DSDSDBSBSDGSGSDDduuiduuiduuidi=dsDSBSmbGSmDruddugdugdi=那么那么因而因而(2) MOSFET等效电路等效电路3.4.2 动态分析动态分析 1微变等效电路微变等效电路 336对正弦信号输入，有对正弦信号输入，有MOSFET交流小信号等效电路交流小信号等效电路dsdsbsmbgsmdrUUgUgI=3.4.2 动态分析动态分析(2) MOSFET等效电路等效电路3372共源电路共源电路3.4.2 动态分析动态分析338)/(LddsimoR

24、RrUgU=)/(LddsmiomRRrgUUAu=3.4.2 动态分析动态分析2共源电路共源电路gsiUU=339通常有通常有 ,于是于是 21giii/ RRRIUR=21g/RRR giRR odsd/RrR=3.4.2 动态分析动态分析2共源电路共源电路3403共漏电路共漏电路( (源极跟随器源极跟随器) ) 3.4.2 动态分析动态分析341oigsUUU=)/(LsdsgsmoRRrUgU=3.4.2 动态分析动态分析3共漏电路共漏电路( (源极跟随器源极跟随器) )）（）（LsdsmLsdsmiom/1/RRrgRRrgUUAu=giRR =342而而 gsmds22UgrUI=

25、/dssds/ rRr=2gsUU=ids2ods2mm ds01/1UrURrIgg r=输出电阻等效电路如下图输出电阻等效电路如下图, ,由图可知由图可知因此因此3.4.2 动态分析动态分析3共漏电路共漏电路( (源极跟随器源极跟随器) )3434源极接电阻的共源放大器源极接电阻的共源放大器3.4.2 动态分析动态分析344受控电流源支路改为受控电流源支路改为电压源形式电压源形式 3.4.2 动态分析动态分析4源极接电阻的共源放大器源极接电阻的共源放大器3454源极接电阻的共源放大器源极接电阻的共源放大器 )(sLdsgsdsmdRRrUrgI=LdL/RRR =其中其中由图可知由图可知3

26、.4.2 动态分析动态分析sdigsRIUU=而而sdsmLdsidsmd)1 (RrgRrUrgI=sdsmLdsiLdsmLdo)1 (RrgRrURrgRIU=346sdsmLdsLdsmiom)1 (RrgRrRrgUUAu=输入电阻输入电阻因此因此ig12g/RRRRR=3.4.2 动态分析动态分析4源极接电阻的共源放大器源极接电阻的共源放大器347分析输出电阻的电路如下图。分析输出电阻的电路如下图。sdgsRIU=sdsmdsdo)1 (/RrgrRR=因此因此3.4.2 动态分析动态分析4源极接电阻的共源放大器源极接电阻的共源放大器3483.4.2 动态分析动态分析5有源负载场效

27、应管放大器有源负载场效应管放大器场效应管有源负载放大器的三种接法场效应管有源负载放大器的三种接法3493.4.2 动态分析动态分析5有源负载场效应管放大器有源负载场效应管放大器场效应管有源负载电路场效应管有源负载电路a、b两端等效的交流电阻两端等效的交流电阻 odsRr= =odsm dss(1)Rrg rR= = odsm dss(1)Rrg rR= = 3503.4.2 动态分析动态分析5有源负载场效应管放大器有源负载场效应管放大器互补互补MOS有源负载共源放大器有源负载共源放大器 ommlds1ds2i/uUAgrrU= = iR = Ods1ds2/Rrr=351如果忽略如果忽略 、

28、输出电阻的影响输出电阻的影响 3.4.2 动态分析动态分析6集成集成MOS单级放大器单级放大器1全增强型全增强型NMOS单级放大器单级放大器dds2m2mb21Rggg=ds2ds21gr=om1m1umEids1dds1ds2m21/(1)UggAUgRggg= = ds1ds11gr=mb2m2gg=m1umEm2(1)gAg 作为作为 的有源负载的有源负载 2VT1VT2VT1VT 减小负载管的衬调系数，可以提高全增强型减小负载管的衬调系数，可以提高全增强型NMOS单级放大器电压增益，单级放大器电压增益， 3523.4.2 动态分析动态分析6集成集成MOS单级放大器单级放大器1全增强型全

29、增强型NMOS单级放大器单级放大器输出电阻输出电阻 ods1dds1ds2m2mb2/1 ()RrRgggg=输入电阻输入电阻 输入阻抗很高输入阻抗很高 由于放大器的输入端是栅极和地，由于放大器的输入端是栅极和地，而栅极而栅极SiO2绝缘层的电阻率高达绝缘层的电阻率高达10101616cm353如果忽略如果忽略 、 的影响的影响3.4.2 动态分析动态分析6集成集成MOS单级放大器单级放大器2增强型增强型耗尽型耗尽型NMOS单级放大器单级放大器VT2使用了使用了N沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管管，用以提高用以提高NMOS放大器的电压增益。放大器的电压增益。 m1umDds1ds22m2gAggg= ds1gds2gm1umD2m2gAg 3543.4.2 动态分析动态分析6集成集成MOS单级放大器单级放大器m1umD2m2gAg 全增强型全增强型NMOS单级放大器单级放大器m1umEm2(1)gAg 增强型增强型- -耗尽型耗尽型NMOS单级放大器单级放大器2umDumE21AA=因为因为 约为左右，于是约为左右，于是 2umEumD2AA=umDAumEA 比比 大大1 1个数量级个数量级 3553.4.2 动态分析动态分析6集成集成MOS单级放大器单级放大器3互补互补MOS CMOS单级放大器单级放大器P沟道