第3章(第5讲场效应管及放大电路

1、第第3 3章章 第第5 5讲：讲：场效应管放大电路场效应管放大电路 3.1 3.1 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3.3 3.3 结型场效应管（结型场效应管（JFET）3.4 3.4 各种放大器件电路性能比较各种放大器件电路性能比较3.2 3.2 MOSFET放大电路放大电路第第3 3章章 第第5 5讲：讲：场效应管放大电路场效应管放大电路 3.1 3.1 金属金属- -氧化物氧化物- -半导体（半导体（MOSMOS）场效应管场效应管3.1.1 N3.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFETMOSFET3.1.4 MOSFET3.1.4 MOSFE

2、T的主要参数的主要参数3.1.2 N3.1.2 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFETMOSFET3.1.3 P3.1.3 P沟道沟道MOSFETMOSFET第第3 3章章 第第5 5讲：讲：场效应管放大电路场效应管放大电路 3.1.1 N3.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFETMOSFET1. 结构结构（N沟道）沟道） L :沟道长度，沟道长度， W :沟道宽度，沟道宽度，tox :绝缘层厚度绝缘层厚度通常通常 W W L L 第第3 3章章 第第5 5讲：讲：场效应管放大电路场效应管放大电路 P沟道沟道耗尽型耗尽型P沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道增强型增强型N沟道沟道N沟道沟道（耗尽型）（

3、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)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，没有导电沟道场效应管的分类：场效应管的分类：第第3 3章章 第第5 5讲：讲：场效应管放大电路场效应管放大电路 剖面图剖面图1. 结构结构（N沟道）沟道）符号符号P型底衬型底衬源极源极 s栅极栅极 g漏极漏极 d耗尽层耗尽层B 底衬引线底衬引线3.1.1 N3.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFETMOSFET第第3 3章章

4、第第5 5讲：讲：场效应管放大电路场效应管放大电路 2. 2. 工作原理工作原理（1）vGS对沟道的控制作用对沟道的控制作用当当vGSGS00时时 无导电沟道，无导电沟道， d、s间加电压时，间加电压时，也无电流产生。也无电流产生。当当00vGS GS V VT T ）时，）时，vDSDS iD D 沟道电位梯度沟道电位梯度 整个沟道呈整个沟道呈楔形分布楔形分布2. 2. 工作原理工作原理第第3 3章章 第第5 5讲：讲：场效应管放大电路场效应管放大电路 当当vGSGS一定（一定（vGS GS V VT T ）时，）时，vDSDS iD D 沟道电位梯度沟道电位梯度 当当vDSDS增加到使增加

5、到使vGDGD= =V VT T 时，时，在紧靠漏极处出现预夹断。在紧靠漏极处出现预夹断。（2）vDS对沟道的控制作用对沟道的控制作用在预夹断处：在预夹断处：vGDGD= =vGSGS- -vDS DS = =V VT T2. 2. 工作原理工作原理第第3 3章章 第第5 5讲：讲：场效应管放大电路场效应管放大电路 预夹断后，预夹断后，vDSDS 夹断区延长夹断区延长沟道电阻沟道电阻 iD D基本不变基本不变（2）vDS对沟道的控制作用对沟道的控制作用2. 2. 工作原理工作原理第第3 3章章 第第5 5讲：讲：场效应管放大电路场效应管放大电路 （3） vDS和和vGS同时作用时同时作用时 v

6、DSDS一定，一定，vGSGS变化时变化时 给定一个给定一个vGS GS ，就有一条不同，就有一条不同的的 iD D vDS DS 曲线。曲线。2. 2. 工作原理工作原理第第3 3章章 第第5 5讲：讲：场效应管放大电路场效应管放大电路 3. 3. V V- -I I 特性曲线及大信号特性方程特性曲线及大信号特性方程（1）输出特性及大信号特性方程）输出特性及大信号特性方程const.DSDGS)( vvfi 截止区截止区当当vGSVT时，导电沟道尚时，导电沟道尚未形成，未形成，iD0，为截止工，为截止工作状态。作状态。第第3 3章章 第第5 5讲：讲：场效应管放大电路场效应管放大电路 （1）

7、输出特性及大信号特性方程）输出特性及大信号特性方程const.DSDGS)( vvfi 可变电阻区可变电阻区 vDS（vGSVT） )(22DSDSTGSnDvvv VKi由于由于vDS较小，可近似为较小，可近似为DSTGSnD )(vvVKi 2常数常数 GSDDSdsoddvvir)(TGSnVK v21rdso是一个受是一个受vGS控制的可变电阻控制的可变电阻 3. 3. V V- -I I 特性曲线及大信号特性方程特性曲线及大信号特性方程第第3 3章章 第第5 5讲：讲：场效应管放大电路场效应管放大电路 （1）输出特性及大信号特性方程）输出特性及大信号特性方程 可变电阻区可变电阻区 D

8、STGSnD )(vvVKi 2)(TGSndsoVKr v21其中其中Kn为电导常数，单位：为电导常数，单位：mA/VmA/V2 23. 3. V V- -I I 特性曲线及大信号特性方程特性曲线及大信号特性方程第第3 3章章 第第5 5讲：讲：场效应管放大电路场效应管放大电路 （1）输出特性及大信号特性方程）输出特性及大信号特性方程 饱和区饱和区（恒流区又称放大区）（恒流区又称放大区）vGSGS VT ，且，且vDSDS（v vGSGSVT）2)(TGSnDVKi v221)(TGSTn VVKv2TGSDO) 1(VIv2TnDOVKI是是vGSGS2 2VT时的时的iD D V V-

9、-I I 特性：特性：3. 3. V V- -I I 特性曲线及大信号特性方程特性曲线及大信号特性方程第第3 3章章 第第5 5讲：讲：场效应管放大电路场效应管放大电路 （2 2）转移特性）转移特性const.GSDDS)( vvfi21)(TGSDOD VIiv3. 3. V V- -I I 特性曲线及大信号特性方程特性曲线及大信号特性方程第第3 3章章 第第5 5讲：讲：场效应管放大电路场效应管放大电路 3.1.2 N3.1.2 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFETMOSFET1. 1. 结构和工作原理简述（结构和工作原理简述（N N沟道）沟道）二氧化硅绝缘层中掺有大量的正离子二氧化硅绝缘层

10、中掺有大量的正离子 可以在正或负的栅源电压下工作，而且基本上无栅流可以在正或负的栅源电压下工作，而且基本上无栅流第第3 3章章 第第5 5讲：讲：场效应管放大电路场效应管放大电路 2. V-I 特性曲线及大信号特性方程特性曲线及大信号特性方程 21)(PGSDSSDVIiv 21)(TGSDOD VIiv（N N沟道增强型）沟道增强型）3.1.2 N3.1.2 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFETMOSFET第第3 3章章 第第5 5讲：讲：场效应管放大电路场效应管放大电路 3.1.3 P3.1.3 P沟道沟道MOSFETMOSFET第第3 3章章 第第5 5讲：讲：场效应管放大电路场效应管放大

11、电路 3.1.4 MOSFET3.1.4 MOSFET的主要参数的主要参数一、直流参数一、直流参数1. 1. 开启电压开启电压V VT T （增强型参数）（增强型参数）2. 2. 夹断电压夹断电压V VP P （耗尽型参数）（耗尽型参数）3. 3. 饱和漏电流饱和漏电流I IDSSDSS （耗尽型参数）（耗尽型参数）4. 4. 直流输入电阻直流输入电阻R RGSGS （10109 910101515 ）二、交流参数二、交流参数 1. 1. 输出电阻输出电阻r rdsds GSDDSdsVir v第第3 3章章 第第5 5讲：讲：场效应管放大电路场效应管放大电路 DS GSDmVigv 2. 2

12、. 低频互导低频互导g gm m 二、交流参数二、交流参数 考虑到考虑到 2TGSnD)(VKi v则则DSDSGS2TGSnGSDm)(VVVKigvvv )(2TGSnVK vnDTGS)(KiV vDn2iK 3.1.5 MOSFET3.1.5 MOSFET的主要参数的主要参数第第3 3章章 第第5 5讲：讲：场效应管放大电路场效应管放大电路 end三、极限参数三、极限参数 1. 1. 最大漏极电流最大漏极电流I IDMDM 2. 2. 最大耗散功率最大耗散功率P PDMDM 3. 3. 最大漏源电压最大漏源电压V V（BRBR）DSDS 4. 4. 最大栅源电压最大栅源电压V V（BR

13、BR）GSGS 3.1.5 MOSFET3.1.5 MOSFET的主要参数的主要参数第第3 3章章 第第5 5讲：讲：场效应管放大电路场效应管放大电路 3.2 MOSFET3.2 MOSFET放大电路放大电路3.2.1 MOSFET3.2.1 MOSFET放大电路放大电路1. 1. 直流偏置及静态工作点的计算直流偏置及静态工作点的计算2. 2. 图解分析图解分析3. 3. 小信号模型分析小信号模型分析第第3 3章章 第第5 5讲：讲：场效应管放大电路场效应管放大电路 3.2.1 MOSFET3.2.1 MOSFET放大电路放大电路1. 1. 直流偏置及静态工作点的计算直流偏置及静态工作点的计算

14、（1）简单的共源极放大电路）简单的共源极放大电路（N沟道）沟道）共源极放大电路共源极放大电路直流通路直流通路第第3 3章章 第第5 5讲：讲：场效应管放大电路场效应管放大电路 1. 直流偏置及静态工作点的计算直流偏置及静态工作点的计算（1）简单的共源极放大电路）简单的共源极放大电路（N沟道）沟道）DDg2g1g2GSVRRRV 2)(TGSnDVVKI dDDDDSRIVV 假设工作在饱和区，即假设工作在饱和区，即)(TGSDSVVV 验证是否满足验证是否满足)(TGSDSVVV 如果不满足，则说明假设错误如果不满足，则说明假设错误须满足须满足VGS VT ，否则工作在截止区，否则工作在截止区

15、再假设工作在可变电阻区再假设工作在可变电阻区)(TGSDSVVV 即即dDDDDSRIVV DSTGSnD )(vvVKI 23.2.1 MOSFET3.2.1 MOSFET放大电路放大电路第第3 3章章 第第5 5讲：讲：场效应管放大电路场效应管放大电路 假设工作在饱和区假设工作在饱和区满足满足)(TGSDSVVV 假设成立，结果即为所求。假设成立，结果即为所求。解：V2V5406040 DDg2g1g2GSQ VRRRVmA2 . 0mA)12()2 . 0()(22TGSnDQ VVKIV2V)152 . 05(dDDDDSQ RIVV例：设设Rg1=60k ，Rg2=40k ，Rd=1

16、5k ，220V/mA.n K试计算电路的静态漏极电流试计算电路的静态漏极电流IDQ和漏源和漏源电压电压VDSQ 。VDD=5V， VT=1V，第第3 3章章 第第5 5讲：讲：场效应管放大电路场效应管放大电路 1. 直流偏置及静态工作点的计算（2）带源极电阻的）带源极电阻的NMOS共源极放大电路共源极放大电路2)(TGSnDVVKI 饱和区饱和区需要验证是否满足需要验证是否满足)(TGSDSVVV SGGSVVV )()(dDSSDDDSRRIVVV )(SSSSDDg2g1g2VVVRRR )(SSDVRI 3.2.1 MOSFET3.2.1 MOSFET放大电路放大电路第第3 3章章 第

17、第5 5讲：讲：场效应管放大电路场效应管放大电路 2. 图解分析由于负载开路，交流负由于负载开路，交流负载线与直流负载线相同载线与直流负载线相同 3.2.1 MOSFET3.2.1 MOSFET放大电路放大电路第第3 3章章 第第5 5讲：讲：场效应管放大电路场效应管放大电路 3. 小信号模型分析2TGSnD)(VKi v2TgsGSQn)(VVK v2gsTGSQn)(v VVK2gsngsTGSQn2TGSQn)(2)(vvKVVKVVK （1）模型）模型DQI gsmvg 2gsnvK 静态值静态值（直流）（直流）动态值动态值（交流）（交流）非线性非线性失真项失真项 当当，vgs 2(

18、2(VGSQ- - VT ) )时，时，DQDIi gsmvg dDQiI 3.2.1 MOSFET3.2.1 MOSFET放大电路放大电路第第3 3章章 第第5 5讲：讲：场效应管放大电路场效应管放大电路 3. 小信号模型分析（1）模型）模型DQDIi gsmvg dDQiI gsmdvgi 高频小信号模型高频小信号模型3.2.1 MOSFET3.2.1 MOSFET放大电路放大电路第第3 3章章 第第5 5讲：讲：场效应管放大电路场效应管放大电路 3. 3. 小信号模型分析小信号模型分析DQIGSQVDSQV)(2TGSQnmVVKg（2）放大电路分析）放大电路分析s解：直流解：直流静态工

19、作点计算同前例（略）：静态工作点计算同前例（略）：第第3 3章章 第第5 5讲：讲：场效应管放大电路场效应管放大电路 （2）放大电路分析）放大电路分析dgsmoRg vv )1()(mgsgsmgsiRgRg vvvvRgRgAmdmio1 vvvg2g1i| RRR doRR siisiiososRRRAA vvvvvvvvs3. 3. 小信号模型分析小信号模型分析第第3 3章章 第第5 5讲：讲：场效应管放大电路场效应管放大电路 （2）放大电路分析）放大电路分析)|()|)(dsgsmgsdsgsmiorRgrRgAvvvvvv 1)|(1)|(dsmdsm rRgrRg)()|(1)|(

20、 siidsmdsmsiiososRRRrRgrRgA vvvvvvv共漏放大电路共漏放大电路3. 3. 小信号模型分析小信号模型分析第第3 3章章 第第5 5讲：讲：场效应管放大电路场效应管放大电路 （2）放大电路分析）放大电路分析g2g1i| | RRR mdsmdstto1| | 111grRgrRiR v3. 3. 小信号模型分析小信号模型分析第第3 3章章 第第5 5讲：讲：场效应管放大电路场效应管放大电路 3.3 3.3 结型场效应管结型场效应管 3.3.1 JFET3.3.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理 3.3.2 JFET3.3.2 JFET的特性曲线及参数的特性

21、曲线及参数 3.3.3 JFET3.3.3 JFET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 第第3 3章章 第第5 5讲：讲：场效应管放大电路场效应管放大电路 3.3.1 JFET3.3.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理1. 结构结构 第第3 3章章 第第5 5讲：讲：场效应管放大电路场效应管放大电路 2. 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，对应的当沟道夹断时，对应的栅源电压栅源电压vGS称为称为夹断电压夹断电压VP （ 或或VGS(off) ）。）。对于对于N沟道的沟道

22、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，沟道继续变窄。继续减小，沟道继续变窄。第第3 3章章 第第5 5讲：讲：场效应管放大电路场效应管放大电路 2. 2. 工作原理工作原理（以（以N N沟道沟道JFETJFET为例）为例） 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结的反向结的反向电压增加，使靠近漏极电压增加，使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道处的耗尽层加宽，沟道变窄，从上至下呈楔形变窄，从上至下呈楔形分布。分布。 当当vDS增加到使增加到使vGD=VP 时，在紧靠漏时，在紧靠漏极处出现预夹断。

23、极处出现预夹断。此时此时vDS 夹断区延长夹断区延长沟道电阻沟道电阻 iD基本不变基本不变第第3 3章章 第第5 5讲：讲：场效应管放大电路场效应管放大电路 （以（以N N沟道沟道JFETJFET为例）为例） vGS和和vDS同时作用时同时作用时当当VP vGS0 时，导电沟道更容易夹断，时，导电沟道更容易夹断，对于同样的对于同样的vDS ， iD的值比的值比vGS=0时的值要小。时的值要小。在预夹断处在预夹断处vGD=vGS- -vDS =VP 2. 2. 工作原理工作原理第第3 3章章 第第5 5讲：讲：场效应管放大电路场效应管放大电路 综上分析可知综上分析可知 沟道中只有一种类型的多数载

24、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。 JFET栅极与沟道间的栅极与沟道间的PN结是反向偏置的，因结是反向偏置的，因 此此iG 0，输入电阻很高。，输入电阻很高。第第3 3章章 第第5 5讲：讲：场效应管放大电路场效应管放大电路 3.3.2 JFET3.3.2 JFET的特性曲线及参数的特性曲线及参数const.DSDGS)( vvfi2. 转移特性转移特性 const.GSDDS)( vvfi1. 输出特性输出特性 2PGSDSSD)1(VIiv (VPvGS0)第第3 3章章 第第5 5讲：讲：场效应管放大电路场效应管放大电路 与与MOSFET类似类似3. 主要参数主要参数3.3.2 JFET3.3.2 JFET的特性曲线及参数的特性曲线及参数第第3 3章章 第第5 5讲：讲：场效应管放大电路场效应管放大电路 3.3.3 JFET3.3.3 JFET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. JFET小信号模型小信号模型（1）低频模型）低频模型第第3 3章章 第第5 5讲：讲：场效应管放大