模拟电子技术8场效应管及放大

1、模拟电子技术基础模拟电子技术基础电子教案电子教案 V2013陈大钦陈大钦 主编主编华中科技大学电信系华中科技大学电信系 邹韬平邹韬平2013年年3月月7日日2课程内容与学时安排课程内容与学时安排第第1章章 绪论绪论 (2h)第第2章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路 (4h)第第3章章 半导体半导体三极管三极管及其放大电路及其放大电路基础基础 (15h)第第4章章 多级放大电路及模拟集成电路基础多级放大电路及模拟集成电路基础 (4h)第第5章章 信号运算电路信号运算电路 (5h)第第6章章 负反馈放大电路负反馈放大电路 (6h)第第7章章 信号处理与产生电路信号处理与产生电路

2、 (4h)第第8章章 场效应管场效应管及其放大电路及其放大电路 (4h)48学时学时第第9章章 功率放大电路功率放大电路第第10章章 集成运算放大器集成运算放大器第第11章章 直流电源直流电源2个器件个器件BJTFET关键词关键词核心内容核心内容1个电路个电路 放大电路放大电路三极管三极管集成运放集成运放完美的完美的放大电路放大电路模模 拟拟 电电 子子 技技 术术重点章重点章介绍放大的基本概念介绍放大的基本概念分立元件分立元件分立元件电路分立元件电路(放大放大) 构成规律和分析方法构成规律和分析方法核心、基础核心、基础线索线索-不断完善放大性能不断完善放大性能(读图读图-741)集成运放实现

3、放大的条件集成运放实现放大的条件集成运放的应用集成运放的应用模电的常用功能电路模电的常用功能电路复习、机动复习、机动 (2h)清明、五一清明、五一 (2h)3109 1012 (1) 问题的引出问题的引出(2) 分类分类进一步提高进一步提高Ri ，但但BJT的的Je必须正偏，使必须正偏，使rbe(r )较小较小FET场效应管场效应管JFET结型结型MOSFET绝缘栅型绝缘栅型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）/)1(/Lebeb2b1biRRrRRRR 反偏的反偏的PN结结106 4教学大纲教学大纲(48学时学时2012版版

4、)n主要内容主要内容nMOS场效应管结构及工作原理场效应管结构及工作原理nMOSFET放大电路放大电路n基本要求基本要求n(1)了解了解MOS场效应管的工作原理、特性曲线及主要参数场效应管的工作原理、特性曲线及主要参数n(2)掌握用小信号模型分析法分析掌握用小信号模型分析法分析MOSFET放大电路的动态指标放大电路的动态指标n(3)了解双极型三极管了解双极型三极管(BJT)和场效应管两种放大电路各自的特点和场效应管两种放大电路各自的特点 8.2 结型场效应管结型场效应管8.1 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8.3 场效应管放大电路及模拟集成电路基础场效应管放大电

5、路及模拟集成电路基础8.4 各种放大器件及电路性能比较各种放大器件及电路性能比较 计划计划4学时学时掌握场效应管的工作原理掌握场效应管的工作原理注意与注意与BJT的异同点的异同点类比：与类比：与BJT放大电路放大电路自学（归纳、比较）自学（归纳、比较）58.2 结型场效应管结型场效应管8.2.1 结型场效应管的结构和工作原理结型场效应管的结构和工作原理 8.2.2 结型场效应管的特性曲线及参数结型场效应管的特性曲线及参数 Junction Field-Effect Transistor (1) 了解了解JFET (PN结结FET)的工作原理和特性的工作原理和特性(2) 特别注意与特别注意与BJ

6、T的异同点的异同点6 VBB VCC VBE IB IC c e + b IE RL VCE + + I + vBE+ iE+ iC+ iB + O 放大电路放大电路 vI = 20mV iB = 20 A iE =1mA vO = -0.98 VRL1k VEEVCCIBIEICVBEecb + + vI放大电路放大电路共基接法共基接法+ vBE+ iEii+ iCio vO+ + iB = 0.984920mVV98. 0IOV vvARi= vI / iB =1k 4920mVV98. 0IOV vvARi= vI / iE = 20 iC =0.98mA(a)共基极共基极(b)共发射极

7、共发射极78.2.1 结型场效应管的结构和工作原理结型场效应管的结构和工作原理(1) 结构和符号结构和符号(2) 工作原理工作原理vBEvCEiBcebiCvBEvCEiBcebiC N P N c b e d s g N d s g N P+ P+ d s g N P+ P+ d s g N P+ P+ 导电沟道电阻导电沟道电阻 长度、长度、宽度宽度、掺杂、掺杂已知已知PN结反偏时：结反偏时： 空间电荷区空间电荷区(耗尽层耗尽层)加宽加宽 且且反偏电压反偏电压耗尽层耗尽层 问题问题：如何提高：如何提高Rib ?BJT：Je正偏正偏,使使rbe较小较小(iB 0)JFET:希望希望iB=0,反

8、偏反偏PN结结N型导电沟道型导电沟道漏极漏极D(d)源极源极S(s)栅极栅极G(g)8(2) 工作原理工作原理(1) 结构和符号结构和符号 VGS对沟道的控制作用对沟道的控制作用(VDS=0) VDS对沟道的影响对沟道的影响(VGS=0) VGS和和VDS同时作用时同时作用时 s 源极 g 栅极 d 漏极 金属铝 氧化层 P型衬底 N P N 耗尽层 N 型导电沟道 N沟道结型场效应管沟道结型场效应管(a) 结构剖面图结构剖面图(b) 结构示意图结构示意图 d s g N P+ P+ 8.2.1 结型场效应管的结构和工作原理结型场效应管的结构和工作原理9结论结论: 可变电阻可变电阻(受受vGS

9、控制控制) 耗尽型耗尽型(沟道被耗尽时为沟道被耗尽时为全夹断全夹断)(2) 工作原理工作原理 VGS对沟道的控制作用对沟道的控制作用(VDS=0) g d s P+ N P+ 耗耗尽尽层层 g d s P+ N P+ g d s P+ N P+ VGS=0 VGS0 (反偏反偏) VGS= VP耗尽层加厚耗尽层加厚 沟道变窄沟道变窄沟道电阻增大沟道电阻增大 VGS=0 沟道最宽沟道最宽 沟道电阻最小沟道电阻最小 VGS0: 随随|VGS | VGS= VP(夹断电压夹断电压) 沟道为沟道为全夹断全夹断 vDS iD -2 vGS=0V -3 vGS=VP 8.2.1 结型场效应管的结构和工作原

10、理结型场效应管的结构和工作原理10(2) 工作原理工作原理 VDS对沟道的影响对沟道的影响(VGS=0) g d s P+ N P+ g d s P+ N P+ 耗耗尽尽层层 g d s P+ N P+ VDS ID 影响：影响：由于由于VGD vDS(sat)VDS(sat)=VGS VP vDS iD -1 vGS=0V -2 -3 vGS=VP 饱和区饱和区 预夹断点轨迹预夹断点轨迹VDS(sat)=VGS VP= VP VGS和和VDS同时作用时同时作用时8.2.1 结型场效应管的结构和工作原理结型场效应管的结构和工作原理12综上分析可知综上分析可知vBEvCEiBcebiCvBEvC

11、EiBcebiC N P N c b e d s g N P+ P+ 耗尽型耗尽型沟道沟道 JFET是是电压控制电流电压控制电流器件，器件， iD受受vGS控制控制 预夹断前预夹断前iD与与vDS呈近似线性关呈近似线性关系系(受受vGS控制控制可变电阻可变电阻)； 预夹断后预夹断后, iD趋于趋于饱和饱和。 JFET栅极与沟道间的栅极与沟道间的PN结是结是反向偏置的反向偏置的,因此因此iG 0,Ri很高。很高。 d g s 8.2.1 结型场效应管的结构和工作原理结型场效应管的结构和工作原理 沟道中只有多数载流子参与导电沟道中只有多数载流子参与导电,场效应管也称场效应管也称单极型单极型三极管三

12、极管。13 vDS iD -1 vGS=0V -2 -3 vGS=VP 饱和区饱和区 8.2.2 结型场效应管的特性曲线及参数结型场效应管的特性曲线及参数(1) 输出特性输出特性常数常数 GS DSDv)(vfi(2) 转移特性转移特性常常数数 DSGSDv)(vfi(1) 输入特性输入特性常数常数 CE)(BEBvvfi常数常数 B)(CECivfi(2) 输出特性输出特性 vGS g d s iD vDS iG 共射共射# JFET有正常放大作用时，沟道处于什么状态？有正常放大作用时，沟道处于什么状态？共源共源14(1) 输出特性输出特性常数常数 GS DSDv)(vfi(2) 转移特性转

13、移特性常常数数 DSGSDv)(vfi vGS g d s iD vDS iG VP)0()1(GSP2PGSDSSD vVVvIiIDSS饱和区理想饱和区理想i-v特性特性考虑饱和区非零斜率考虑饱和区非零斜率)1()1(DS2PGSDSSDvVvIi 饱和区饱和区饱和区条件饱和区条件vDS VDS(sat)=vGS VP(预夹断点轨迹预夹断点轨迹)8.2.2 结型场效应管的特性曲线及参数结型场效应管的特性曲线及参数15 vGS g d s iD vDS iG 不同点：不同点：2PGSDSSD)1(VvIi 相同点：相同点： 类似的输出特性，都具有放大作用（恒流）。类似的输出特性，都具有放大作

14、用（恒流）。 (1) 参变量不同参变量不同 (2) 可变电阻区可变电阻区饱和区饱和区 BCii 饱和区饱和区16教学大纲教学大纲(48学时学时2012版版)n主要内容主要内容nMOS场效应管结构及工作原理场效应管结构及工作原理nMOSFET放大电路放大电路n基本要求基本要求n(1)了解了解MOS场效应管的工作原理、特性曲线及主要参数场效应管的工作原理、特性曲线及主要参数n(2)掌握用小信号模型分析法分析掌握用小信号模型分析法分析MOSFET放大电路的动态指标放大电路的动态指标n(3)了解双极型三极管了解双极型三极管(BJT)和场效应管两种放大电路各自的特点和场效应管两种放大电路各自的特点 8.

15、2 结型场效应管结型场效应管8.1 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8.3 场效应管放大电路及模拟集成电路基础场效应管放大电路及模拟集成电路基础8.4 各种放大器件及电路性能比较各种放大器件及电路性能比较 计划计划4学时学时掌握场效应管的工作原理掌握场效应管的工作原理注意与注意与BJT的异同点的异同点类比：与类比：与BJT放大电路放大电路自学（归纳、比较）自学（归纳、比较）178.1 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8.1.1 N沟道沟道增强型增强型MOS场效应管场效应管 8.1.2 N沟道沟道耗尽型耗尽型MOS场效应管场效应管 8.

16、1.3 P沟道沟道MOS场效应管场效应管 8.1.4 MOS场效应管的主要参数场效应管的主要参数 要点：要点：掌握掌握MOS管管 (1)与与JFET的异同的异同 (2) 沟道？沟道？18(1) 结构和符号结构和符号 绝缘体绝缘体 沟道沟道 栅极栅极 g 铝电极铝电极 （Al） 二氧化硅绝缘层二氧化硅绝缘层 （SiO2） 源极源极 s 漏极漏极 d L W N N P 型衬底型衬底 tox 铝铝 源极源极 s SiO2绝缘层绝缘层 栅极栅极 g 漏极漏极 d 铝铝 铝铝 N N 耗尽层耗尽层 P 型硅衬底型硅衬底 B 衬底引线衬底引线 三层结构：三层结构：M-O-S绝缘；绝缘；没有沟道没有沟道(

17、增强型增强型)尺寸小尺寸小: L=1 m; tox=0.04 m(2) 基本工作原理基本工作原理8.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOS场效应管场效应管 s 源极 g 栅极 d 漏极 金属铝 氧化层 P型衬底 N P N 耗尽层 N 型导电沟道 N沟道结型场效应管沟道结型场效应管19(1) 结构和符号结构和符号 绝缘体绝缘体 沟道沟道 栅极栅极 g 铝电极铝电极 （Al） 二氧化硅绝缘层二氧化硅绝缘层 （SiO2） 源极源极 s 漏极漏极 d L W N N P 型衬底型衬底 tox 铝铝 源极源极 s SiO2绝缘层绝缘层 栅极栅极 g 漏极漏极 d 铝铝 铝铝 N N 耗尽层耗尽层 P 型

18、硅衬底型硅衬底 B 衬底引线衬底引线 三层结构：三层结构：M-O-S绝缘；绝缘；没有沟道没有沟道(增强型增强型)尺寸小尺寸小: L=1 m; tox=0.04 m(2) 基本工作原理基本工作原理 二氧化硅二氧化硅 g s d iD0 铝铝 耗尽层耗尽层 N N P B 衬底引线衬底引线 VDD 8.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOS场效应管场效应管20(2) 基本工作原理基本工作原理 沟道是如何产生的沟道是如何产生的 vGS对沟道的控制作用对沟道的控制作用 vDS对沟道的影响对沟道的影响 二氧化硅二氧化硅 g s d iD0 铝铝 耗尽层耗尽层 N N P B 衬底引线衬底引线 VDD VG

19、S s d iD0 耗尽层耗尽层 P B 衬底引线衬底引线 N 型型(感生感生)沟道沟道 g N N VGS s d iD0 耗尽层耗尽层 P B 衬底引线衬底引线 N 型型(感生感生)沟道沟道 g N N VGS s d iD0 耗尽层耗尽层 P B 衬底引线衬底引线 g N N VGS s d iD0 耗尽层耗尽层 P B 衬底引线衬底引线 g N N VGS s d iD0 耗尽层耗尽层 P B 衬底引线衬底引线 g N N iG0 VGS s d iD0 耗尽层耗尽层 P B 衬底引线衬底引线 g N N iG0 VGS s d iD0 耗尽层耗尽层 P B 衬底引线衬底引线 g N

20、N vGS=0,无沟道无沟道vGS必须必须0理由理由(感应沟道感应沟道)在电场作用下在电场作用下空穴电子的运动空穴电子的运动vGS 吸引电子越多吸引电子越多vGS=VT 时，时，形成形成N型感生沟道型感生沟道(电子电子)反型层反型层开启开启(阈值阈值)电压电压沟道形成后沟道形成后 则同则同JFETvGS 沟道加宽沟道加宽8.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOS场效应管场效应管21 VGS s d iD 0 P B 衬底引线衬底引线 g N N VDS VGS s d iD 0 P B 衬底引线衬底引线 g N N VDS VGS s d iD 0 P B 衬底引线衬底引线 g N N VDS

21、夹断区夹断区 VGS s d iD0 耗尽层耗尽层 P B 衬底引线衬底引线 N 型型(感生感生)沟道沟道 g N N (2) 基本工作原理基本工作原理 vDS对沟道的影响对沟道的影响(与与JFET类似类似) vDS iD vGS=2VTN vDS iD vGS=2VTN vDS iD vDS(sat) vGS=2VTN vDS iD 饱和区饱和区 vDS(sat) vGS=2VTN vDS iD vGS=2VTN 饱和区饱和区 vDS(sat) 沟道不等宽沟道不等宽预夹断预夹断饱和区饱和区预夹断预夹断 vDS=VDS(sat)VGD=VTN=VGS VDSVDS(sat)=VGS VTN8.

22、1.1 N沟道增强型沟道增强型MOS场效应管场效应管22(a) 输出特性及特性方程输出特性及特性方程 (3) 特性曲线与特性方程特性曲线与特性方程 8.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOS场效应管场效应管常数常数 GS DSDv)(vfi 截止区截止区 可变电阻区可变电阻区 LWLWKK2C2oxnnn常数常数 GSDDSdsoddvirv)(vTGSn21VK 饱和区（恒流区、放大区）饱和区（恒流区、放大区）2TGSnD)(VKi v2TGSDO1)v( VIvGS VT ，没有导电沟道，没有导电沟道 ， iD0。DSTGSn2DSDSTGSnD)(2 )(2 vvvvvVKVKi vGSV

23、T，有沟道；但，有沟道；但vDS (vGS VT ) ，导电，导电沟道未预夹断。沟道未预夹断。漏源之间可以看成受漏源之间可以看成受vGS控制的可变电阻控制的可变电阻 vDS (vGS VT ) ，导电沟道预夹断后。，导电沟道预夹断后。 iD/mA 8 6 4 2 0 5 10 15 20 vDS/V 预夹断临界点轨迹预夹断临界点轨迹 vDS = vGSVT 7V 6V 5V 4V vGS3V A B C D E 截止区截止区 可变可变 电阻区电阻区 饱和区饱和区 vDS vGSVT vDS vGSVT 图图8.1.3 N沟道增强型沟道增强型MOS管输出特性管输出特性=VT23(b) 转移特性转

24、移特性(3) 特性曲线与特性方程特性曲线与特性方程 8.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOS场效应管场效应管图图8.1.4 N沟道增强型沟道增强型MOS管转移特性管转移特性 iD/mA 8 6 4 2 0 1 2 3 4 5 6 7 vGS/V A B C D E VT vDC10V 常常数数 DSGSDv)(vfi 转移特性可以直接从输出特性上用作图法求出。在饱和区内，不同转移特性可以直接从输出特性上用作图法求出。在饱和区内，不同vDS下的转移下的转移特性基本重合。特性基本重合。 2TGSnD)(VKi v2TGSDO1)v( VI iD/mA 8 6 4 2 0 5 10 15 20 vD

25、S/V 预夹断临界点轨迹预夹断临界点轨迹 vDS = vGSVT 7V 6V 5V 4V vGS3V A B C D E 截止区截止区 可变可变 电阻区电阻区 饱和区饱和区 vDS vGSVT vDS vGSVT 图图8.1.3 N沟道增强型沟道增强型MOS管输出特性管输出特性248.1.2 N沟道沟道耗尽型耗尽型MOS场效应管场效应管N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET s g d 二氧化硅二氧化硅 掺杂后具有正掺杂后具有正 离子的绝缘层离子的绝缘层 N N 耗尽层耗尽层 N 型沟道型沟道 P B 衬底引线衬底引线 d g s B 衬底衬底 N 沟道沟道 N沟道增强型沟道增强型MOSFET 铝

26、铝 源极源极 s SiO2绝缘层绝缘层 栅极栅极 g 漏极漏极 d 铝铝 铝铝 N N 耗尽层耗尽层 P 型硅衬底型硅衬底 B 衬底引线衬底引线 d g s B 衬底衬底 P 沟道沟道 8.1.3 P沟道沟道MOS场效应管场效应管25N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET特性曲线特性曲线 iD/mA 8 6 4 2 0 3 6 9 12 vDS/V 截止区截止区 vDS = vGSVP 4V 2V vGS0V 2V 4V 15 可变可变 电阻区电阻区 饱和区饱和区 6 iD/mA 8 6 4 2 0 4 2 2 vGS/V IDSS VP 2PGSnD)(VKi v )(2 2DSDSPGSnDv

27、vVvKi 2PnDSS :VKI 其其中中2PGSDSS)1(VIv 截止区截止区 可变电阻区可变电阻区 饱和区（恒流区、放大区）饱和区（恒流区、放大区）vGSVP，iD=0vGSVP，0vDSvGS VP vGSVP，vDSvGS VP 2TGSnD)(VKi v2TGSDO)1(VvI )(2 2DSDSTGSnDvvVvKi 增强增强耗尽耗尽增强增强耗尽耗尽8.1.2 N沟道沟道耗尽型耗尽型MOS场效应管场效应管268.1.4 MOS场效应管的主要参数场效应管的主要参数8.1 金属金属-氧化物氧化物-半导体半导体(MOS)场效应管场效应管一、直流参数一、直流参数 二、交流参数二、交流参

28、数三、极限参数三、极限参数1. 开启电压开启电压VT2. 夹断电压夹断电压VP3. 饱和漏电流饱和漏电流IDSS4. 直流输入电阻直流输入电阻RGS1. 低频跨导低频跨导gm2. 输出电阻输出电阻rds 3. 极间电容极间电容Cgs、Cgd 1. 最大漏极电流最大漏极电流IDM2. 最大耗散功率最大耗散功率PDM3. 最大漏源电压最大漏源电压V(BR)DS4. 最大栅源电压最大栅源电压V(BR)GS8.2.2 结型场效应管的特性曲线及参数结型场效应管的特性曲线及参数27 d g s 衬 MOS晶体管工作原理小结晶体管工作原理小结各种各种FET的特性比较的特性比较 d g s vGS iD O

29、VP vDS iD O -1 vGS=0V -2 -3 d g s 衬 vGS iD O VP vDS iD O vGS=0V 0.2 -0.2 -0.4 vGS iD O VT O vDS iD O vGS=5V 4 3 vGS =VPvGS =VTvGS =VP28 d g s 衬 MOS晶体管工作原理小结晶体管工作原理小结各种各种FET的特性比较的特性比较 d g s vGS iD O VP vDS iD O -1 vGS=0V -2 -3 d g s 衬 vGS iD O VP vDS iD O vGS=0V 0.2 -0.2 -0.4 vGS iD O VT O vDS iD O v

30、GS=5V 4 3 vGS =VPvGS =VTVPvGS 0vDSVDS(sat)=vGSVP VPvGSvDSVDS(sat)=vGSVT vDSVDS(sat)=vGSVP VTvGS2PGSnD)(VKi v2TGSnD)(VKi v2PGSDSSD)1(VvIi vGS =VP29MOS共源电路的电压传输特性共源电路的电压传输特性vGSVT，vDS (vGS VT ) ，饱和区，饱和区(预夹断预夹断)。DDDS8Riv VT3V，VDD8V， Rd4k DSTGSn2DSDSTGSnD)(2 )(2 vvvvvVKVKi vGSVT，vDS (vGS VT ) ，可变电阻区。，可变电

31、阻区。DDDS8Riv VDD Rd d g s vI vO BJT共射电路的电压传输特性共射电路的电压传输特性BBEIBRVVI BCII BCICCO)7 . 0(55RRVRIV 当当 VI 0.2V，放大，放大 IB RC iC RB VCC=5V 5k 150k VI =120 VO When VO= 0.2V, yield VI= 1.9V. For VI 1.9V, T is saturation. 当当 VI 0.7V，VO 0.2V，饱和，饱和30MOS共源电路的电压传输特性共源电路的电压传输特性vGSVT，vDS (vGS VT ) ，饱和区，饱和区(预夹断预夹断)。DDD

32、S8Riv VT3V，VDD8V， Rd4k DSTGSn2DSDSTGSnD)(2 )(2 vvvvvVKVKi vGSVT，vDS (vGS VT ) ，可变电阻区。，可变电阻区。DDDS8Riv VDD Rd d g s vI vO BJT共射电路的电压传输特性共射电路的电压传输特性 0 vI vO /V Cutoff Saturation Active 0.2 0.7 1.9 5 iD/mA 4 3 2 1 0 2 4 6 8 vDS/V 预夹断临界点轨迹预夹断临界点轨迹 vDS = vGSVT 7V 6V 5V 4V vGS3V 截止区截止区 可变可变 电阻区电阻区 饱和区饱和区 v

33、DS vGSVT vDS vGSVT 8V 2 4 6 8 vGS IB RC iC RB VCC=5V 5k 150k VI =120 VO 31教学大纲教学大纲(48学时学时2012版版)n主要内容主要内容nMOS场效应管结构及工作原理场效应管结构及工作原理nMOSFET放大电路放大电路n基本要求基本要求n(1)了解了解MOS场效应管的工作原理、特性曲线及主要参数场效应管的工作原理、特性曲线及主要参数n(2)掌握用小信号模型分析法分析掌握用小信号模型分析法分析MOSFET放大电路的动态指标放大电路的动态指标n(3)了解双极型三极管了解双极型三极管(BJT)和场效应管两种放大电路各自的特点和

34、场效应管两种放大电路各自的特点 8.2 结型场效应管结型场效应管8.1 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8.3 场效应管放大电路及模拟集成电路基础场效应管放大电路及模拟集成电路基础8.4 各种放大器件及电路性能比较各种放大器件及电路性能比较 计划计划4学时学时掌握场效应管的工作原理掌握场效应管的工作原理注意与注意与BJT的异同点的异同点类比：与类比：与BJT放大电路放大电路自学（归纳、比较）自学（归纳、比较）8.3.1 场效应管放大电路的静态分析场效应管放大电路的静态分析 8.3.2 场效应管的微变等效电路场效应管的微变等效电路 ( (过渡过渡) )328.3 场

35、效应管放大电路及模拟集成电路基础场效应管放大电路及模拟集成电路基础8.3.1 场效应管放大电路的静态分析场效应管放大电路的静态分析 8.3.2 场效应管的微变等效电路场效应管的微变等效电路 8.3.3 场效应管电流源场效应管电流源 8.3.4 场效应管差分放大电路场效应管差分放大电路 33QIBQVBEQvBE/ViB/uAttvBE/ViB/uA Q ICQ VCEQ vCE/V iC/mA vCE/V iC/mA t t QQQIBQVBEQvBE/ViB/uAttvBE/ViB/uAQQQIBQVBEQvBE/ViB/uAttvBE/ViB/uA204060 Q Q Q ICQ VCEQ

36、 vCE/V iC/mA vCE/V iC/mA t t 20uA 40uA 60uA Q Q Q ICQ VCEQ vCE/V iC/mA vCE/V iC/mA t t 20uA 40uA 60uA Q Q Q ICQ VCEQ vCE/V iC/mA vCE/V iC/mA t t 20uA 40uA 60uA 分析思路分析思路8.3 场效应管放大电路及模拟集成电路基础场效应管放大电路及模拟集成电路基础VP两个要点：两个要点：1、合适的静态工作点、合适的静态工作点2、叠加原理的应用、叠加原理的应用34电压分压器偏置电压分压器偏置 + vi iB i1 Rb1 b c iC Rc VCC

37、+ vo RL iE Rb2 Cb1 + Cb2 + e i2 Re +VDD Rd d Rg1 g Rg2 s R C1 vi C2 vo C3 EECCCCCERIRIVV EBEBB2BB1BCCB)1(RVVRVRVVI 根据根据Je正偏正偏VBE回路回路 假设假设三极管处于三极管处于放大放大状态状态 根据根据Jc反偏反偏即即VCE回路回路BJT求解求解Q：IBQ 、ICQ 、VCEQ硅管硅管VBE = 0.7V，锗管，锗管VBE = 0.2V。BEBC)1(,IIII 判断：判断：VCE VCE(sat)=0.2V (放大放大or 饱和饱和)FET求解求解Q：VGSQ 、IDQ 、V

38、DSQ 假设假设Q点在点在饱和区饱和区 根据根据合适的合适的vGS 根据根据合适的合适的vDS 判断：判断：VGS VT (增强增强NMOS) VDS VDS(sat) = (vGS VT )(饱和饱和or可变电阻可变电阻)SQGQGSQVVV RIRRVRDQg2g1DDg2 )(DDQDDDSQRRIVV 2TGSnD)(VvKi 8.3.1 场效应管放大电路的静态分析场效应管放大电路的静态分析1. 直流偏置电路直流偏置电路2. 静态工作点的确定静态工作点的确定358.3.1 场效应管放大电路的静态分析场效应管放大电路的静态分析8.3 场效应管放大电路及模拟集成电路基础场效应管放大电路及模

39、拟集成电路基础1. 直流偏置电路直流偏置电路（b）分压式自偏压电路）分压式自偏压电路 VDD Rd d Rg1 g Rg2 s R C1 vi C2 vo C3 SQGQGSQVVV RIVRRRDQDDg2g1g2 耗尽耗尽MOS管管结型场效应管结型场效应管增强增强MOS管管（a）自偏压电路）自偏压电路RIVVVDQSQGQGSQ0 VDD Rd C1 vi C2 d T g Rg R s vo C3 耗尽耗尽MOS管管结型场效应管结型场效应管适应管型适应管型适应管型适应管型36 8.3.1 场效应管放大电路的静态分析场效应管放大电路的静态分析8.3 场效应管放大电路及模拟集成电路基础场效应

40、管放大电路及模拟集成电路基础1. 直流偏置电路直流偏置电路（b）分压式自偏压电路）分压式自偏压电路（a）自偏压电路）自偏压电路 VDD Rd C1 vi C2 d T g R s vo C3 VDD Rd d Rg1 g Rg2 s R C1 vi C2 vo C3 RIVRRRVVVDQDDg2g1g2SQGQGSQ RIVVVDQSQGQGSQ 耗尽耗尽MOS管管结型场效应管结型场效应管 VDD Rd C1 vi C2 d T g Rg R s vo C3 图图8.3.1 场效应管的两种偏置电路场效应管的两种偏置电路37例例8.3.4 共漏极电路如图共漏极电路如图8.3.8所示，其中场效应

41、管为所示，其中场效应管为N沟道结型沟道结型 场效应管。已知场效应管。已知Rg1=2M ，Rg2=47k ，Rg3=10M ，Rd=30k ，R=2k ，VDD=18V，场效应管的，场效应管的VP= 1V，Kn=0.5mA/V2，且，且 =0。试确定试确定Q点，并计算电压增益、输入电阻和输出电阻。点，并计算电压增益、输入电阻和输出电阻。 VDD d Rg1 g Rg2 s R C1 vi C2 vo Rg3 图图8.3.8 例例8.3.4电路电路解：解： 首先计算首先计算Q点点 RIVRRRVVVDDDg2g1g2SGGS VGSQ = 0.4 2IDQ 设场效应管工作在饱和区设场效应管工作在饱

42、和区 2GSQDQ)1(50 VI.2DQ)2401(50I .因因 IDSS =0.5mA，所以，所以IDQ = 0.31mA。VGSQ= 0.22V，VDSQ= VDD IDQ (Rd +R) =8.1V。 )mA640950( :DQ. I解出解出2PGSDSS2PGSnD1)( VIVKivvKnIDSS/Vp2 388.3 场效应管放大电路及模拟集成电路基础场效应管放大电路及模拟集成电路基础8.3.1 场效应管放大电路的静态分析场效应管放大电路的静态分析 8.3.2 场效应管的微变等效电路场效应管的微变等效电路 8.3.3 场效应管电流源场效应管电流源 8.3.4 场效应管差分放大电

43、路场效应管差分放大电路 398.3.2 场效应管的微变等效电路场效应管的微变等效电路8.3 场效应管放大电路及模拟集成电路基础场效应管放大电路及模拟集成电路基础 id g vds d s vgs g gsV s gm rds d gsV dsV dI (a) N沟道增强型沟道增强型MOS管管(b) 交流等效模型交流等效模型图图8.3.2 MOS管的低频小信号等效模型管的低频小信号等效模型 (a) 共射极连接时的二端口网络共射极连接时的二端口网络 (b) H参数等效模型参数等效模型图图3.3.9 三极管三极管H参数及等效模型参数及等效模型40三种三种N沟道沟道FET的小信号等效电路的小信号等效电

44、路(模型模型) g s rds d Vgs gmVgs (gmvgs) (vgs) ro Vds Id (id) (vds) )1()(DS2TGSnDvVvKi )1()1(DS2PGSDSSDvVvIi iD g vDS d s vGS iD g vDS d s vGS vGS g d s iD vDS iG )1()(DS2PGSnDvVvKi )1()(DS2TNGSnDvVvKi 输入端口输入端口 输出端口输出端口 由于由于iG=0，可视为开路，可视为开路 2PDSSn:JFETVIK 其中其中DSDSDGSGSDDGSDSdvvidvvidiVV DSGSDmVvig 低频跨导低频

45、跨导 GSDSDds1Vvir 输出电阻输出电阻 )(2TGSQnVVK DQ2TGSQn)(IVVK DQn2IK 8.3.2 场效应管的微变等效电路场效应管的微变等效电路1. 场效应管的低频小信号等效模型场效应管的低频小信号等效模型41 g s d iD 饱 和 P B 衬底引线 VGG VDD N N 夹断区 2. 场效应管的高频小信号等效模型场效应管的高频小信号等效模型 8.3.2 场效应管的微变等效电路场效应管的微变等效电路 g Cgd Id d Vgs CgsCgb gmVgs rds Cds Vds s . . . . 图图8.3.3 场效应管的高频小信号模型场效应管的高频小信号

46、模型 id g vds d s vgs g gsV s gm rds d gsV dsV dI 图图8.3.2 MOS管的低频小信号等效模型管的低频小信号等效模型 图中图中:Cgd 栅漏电容栅漏电容Cgs 栅源电容栅源电容Cgb 栅极栅极-衬底间电容衬底间电容Cds 漏源电容漏源电容 如果源极与衬底没有相连，则还需如果源极与衬底没有相连，则还需考虑考虑Cbs和和Cbd。 423. 场效应管放大电路的微变等效电路分析场效应管放大电路的微变等效电路分析 8.3.2 场效应管的微变等效电路场效应管的微变等效电路(1) 画放大电路的微变等效电路画放大电路的微变等效电路(2) 确定确定H参数参数(3)

47、计算电压增益计算电压增益 (4) 计算输入电阻计算输入电阻Ri(5) 计算输出电阻计算输出电阻Ro 用微变等效电路法分析共源极和共漏极电路的步骤与用微变等效电路法分析共源极和共漏极电路的步骤与半导体三极管电路相同。半导体三极管电路相同。 对于共栅极电路，由于未能有效利用栅极与沟道间的对于共栅极电路，由于未能有效利用栅极与沟道间的高阻，所以很少应用。高阻，所以很少应用。 分析步骤分析步骤:43 g gsV s gm Rd d gsV oV dI Rg2 Rg1 RL iV iI Ro Ri rds (1) 共源极放大电路的动态分析共源极放大电路的动态分析 8.3.2 场效应管的微变等效电路场效应

48、管的微变等效电路图图8.3.4 图图8.3.1b共源极电路共源极电路的微变等效电路的微变等效电路 VDD Rd d Rg1 g Rg2 s R C1 vi C2 vo C3 图图8.3.1(b) 3. 场效应管放大电路的微变等效电路分析场效应管放大电路的微变等效电路分析 )(Lddsgsmo/RRrVgV gsiVV )(LddsmioV/RRrgVVA 输入电阻输入电阻g2g1iii/RRIVR dddso/RRrR 输出电阻输出电阻 电压增益电压增益 共源极电路的特点是：共源极电路的特点是： 电路具有电压放大作用，并且输出电路具有电压放大作用，并且输出电压与输入电压相位相反；输入电阻电压与

49、输入电压相位相反；输入电阻高。高。 44 g gsV s gm Rd d gsV oV dI Rg2 Rg1 RL iV iI Ro Ri rds VDD Rd d Rg1 g Rg2 s R C1 vi C2 vo C3 45 VDD Rd d Rg1 g Rg2 s R C1 vi C2 vo C3 gsLddsgsmioV)/(VRRrVgVVA g2g1iii/RRIVR dddso/RRrR RVgVRRrVgVVAgsmgsLddsgsmioV)/( g2g1g3iii/RRRIVR dddso/RRrR 46 (2) 共漏极放大电路的动态分析共漏极放大电路的动态分析 8.3.2

50、场效应管的微变等效电路场效应管的微变等效电路 3. 场效应管放大电路的微变等效电路分析场效应管放大电路的微变等效电路分析 输入电阻输入电阻 输出电阻输出电阻 电压增益电压增益 共源极电路的特点是：共源极电路的特点是： 又称为源极跟随器，与射极跟随器又称为源极跟随器，与射极跟随器一样，其电压增益小于一样，其电压增益小于1，但接近于，但接近于1，输出电压与输入电压同相位。输入电输出电压与输入电压同相位。输入电阻大，输出电阻小。阻大，输出电阻小。 VDD d Rg1 g Rg2 s R C1 vi C2 vo Rs vs Rg1/Rg2 g s d rds R gm Ri iV gsV gsV oV

51、 vi Rs sV vi (b) 微变等效电路微变等效电路图图8.3.6 共漏极电路共漏极电路(a) 电路电路)(dsgsmo /rRVgV ogsiVVV )()(dsmdsmioV/1 /rRgrRgVVA g2g1i /RRR mdso1/grRR 47 Rg1/Rg2 g s d rds R gm gsV gsV TV vi Rs TI vi RI vi rI vi 图图8.3.7 求共漏极放大电路求共漏极放大电路Ro的电路的电路输出电阻的证明输出电阻的证明 mdsmdsTTo1/111grRgrRIVR gsmrRTVgIII gsmdsTTVgrVRV Tgs VV 而而)(mds

52、TT11 :grRVI 所以所以 Rg1/Rg2 g s d rds R gm Ri iV gsV gsV oV vi Rs sV vi (b) 微变等效电路微变等效电路图图8.3.6 共漏极电路共漏极电路SSLTTo0RVRIVR但保留但保留, (2) 共漏极放大电路的动态分析共漏极放大电路的动态分析 8.3.2 场效应管的微变等效电路场效应管的微变等效电路 3. 场效应管放大电路的微变等效电路分析场效应管放大电路的微变等效电路分析 由由S点点KCL有有 48教学大纲教学大纲(48学时学时2012版版)n主要内容主要内容nMOS场效应管结构及工作原理场效应管结构及工作原理nMOSFET放大电

53、路放大电路n基本要求基本要求n(1)了解了解MOS场效应管的工作原理、特性曲线及主要参数场效应管的工作原理、特性曲线及主要参数n(2)掌握用小信号模型分析法分析掌握用小信号模型分析法分析MOSFET放大电路的动态指标放大电路的动态指标n(3)了解双极型三极管了解双极型三极管(BJT)和场效应管两种放大电路各自的特点和场效应管两种放大电路各自的特点 8.2 结型场效应管结型场效应管8.1 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8.3 场效应管放大电路及模拟集成电路基础场效应管放大电路及模拟集成电路基础8.4 各种放大器件及电路性能比较各种放大器件及电路性能比较 计划计划4

54、学时学时掌握场效应管的工作原理掌握场效应管的工作原理注意与注意与BJT的异同点的异同点类比：与类比：与BJT放大电路放大电路自学（归纳、比较）自学（归纳、比较）8.3.1 场效应管放大电路的静态分析场效应管放大电路的静态分析 8.3.2 场效应管的微变等效电路场效应管的微变等效电路 ( (过渡过渡) )49教学大纲教学大纲(48学时学时2012版版)n主要内容主要内容nMOS场效应管结构及工作原理场效应管结构及工作原理nMOSFET放大电路放大电路n基本要求基本要求n了解了解MOS场效应管的工作原理、特性曲线及主要参数场效应管的工作原理、特性曲线及主要参数n掌握用小信号模型分析法分析掌握用小信

55、号模型分析法分析MOSFET放大电路的动态指标放大电路的动态指标n了解双极型三极管了解双极型三极管(BJT)和场效应管两种放大电路各自的特点和场效应管两种放大电路各自的特点 8.2 结型场效应管结型场效应管8.1 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8.3 场效应管放大电路及模拟集成电路基础场效应管放大电路及模拟集成电路基础8.4 各种放大器件及电路性能比较各种放大器件及电路性能比较 计划计划4学时学时50 8.3.1 场效应管放大电路的静态分析场效应管放大电路的静态分析8.3 场效应管放大电路及模拟集成电路基础场效应管放大电路及模拟集成电路基础2. 静态工作点的确定

56、静态工作点的确定公式估算法公式估算法 公式估算法确定静态工作点公式估算法确定静态工作点(VGSQ 、IDQ和和VDSQ)： 图解法图解法与半导体三极管放大电路类似与半导体三极管放大电路类似 饱和区饱和区转移特性方程转移特性方程G、S偏置方程偏置方程沟道所在回路沟道所在回路KVL方程方程耗尽耗尽MOS管管结型场效应管结型场效应管增强增强MOS管管)v( )(PGS2PGSnDVVKi v)( )(TGS2TGSnDVVKi vv分压式分压式自偏压电路自偏压电路自偏压电路自偏压电路RIVRRRVVVDQDDg2g1g2SQGQGSQ RIVVVDQSQGQGSQ )(DDQDDDSQRRIVV 对

57、于对于N沟道增强型场效应管，如果计算出的沟道增强型场效应管，如果计算出的VDSQVGSQ VT，说明该，说明该场效应管工作在饱和区。场效应管工作在饱和区。)v( )v1(PGS2PGSDSSDVVIi 51例例8.3.1解解:电路如图电路如图8.3.1b所示，已知所示，已知Rg1=300k ，Rg2=200k ，Rd=5k ，R=0，VDD=5V，VT=1V，Kn=0.5mA/V2，试，试计算电路的静态工作点的值。计算电路的静态工作点的值。 VDD Rd d Rg1 g Rg2 s R C1 vi C2 vo C3 图图8.3.1（b） V2V5300200200 DDg2g1g2GSQ VR

58、RRVmA50mA) 12(50)(22TGSnDQ. VVKIV52)V5505(dDDDDSQ. RIVV 由于由于VDSQ(VGSQ VT) = (2 1)V = 1V，说，说明该场效应管确实工作在饱和区，上面的明该场效应管确实工作在饱和区，上面的分析是正确的。分析是正确的。 如果初始假设被证明是错误的，则必须如果初始假设被证明是错误的，则必须重新假设，并重新分析电路。重新假设，并重新分析电路。设设N沟道增强型沟道增强型MOS管工作在饱和区管工作在饱和区 增强增强MOS管管)( )(TGS2TGSnDVVKi vv52 电路如图电路如图8.3.1b所示，已知所示，已知VDD=5V， Rd

59、=5k ，R=0， Rg1=300k ，Rg2=200k ，RL=5k ，场效应管的参数为，场效应管的参数为VT=1V，Kn=0.5mA/V2，rds可以视为无穷大，试确定电路的电压增益、输入电可以视为无穷大，试确定电路的电压增益、输入电阻和输出电阻。阻和输出电阻。mA/V 1mA/V12502)(2TGSQnm )(.VVKg525/51/LdmV.)()( RRgA k120k200/300/g2g1i)(RRRRo = Rd = 5k 电压增益电压增益 输入电阻输入电阻 输出电阻输出电阻 例例8.3.2解：解：为计算为计算gm，首先要求静态值。，首先要求静态值。该题与例该题与例8.3.1

60、电路及参数相同，已求电路及参数相同，已求得得VGSQ= 2V，所以有，所以有 g gsV s gm Rd d gsV oV dI Rg2 Rg1 RL iV iI Ro Ri rds 图图8.3.4 图图8.3.1b共源极电路共源极电路的微变等效电路的微变等效电路 VDD Rd d Rg1 g Rg2 s R C1 vi C2 vo C3 图图8.3.1(b) 53例例8.3.4 共漏极电路如图共漏极电路如图8.3.8所示，其中场效应管为所示，其中场效应管为N沟道结型沟道结型 场效应管。已知场效应管。已知Rg1=2M ，Rg2=47k ，Rg3=10M ，Rd=30k ，R=2k ，VDD=1