5-模拟电子技术第五章场效应管及其放大电路

1、5.1 金属-氧化物-半导体（MOS）场效应管5.1.1 N沟道增强型MOSFET5.1.5 MOSFET的主要参数5.1.2 N沟道耗尽型MOSFET5.1.3 P沟道MOSFET5.1.4 沟道长度调制效应1P沟道耗尽型P沟道P沟道N沟道增强型N沟道N沟道（耗尽型）FET场效应管JFET结型MOSFET绝缘栅型(IGFET)耗尽型：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在增强型：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道场效应管的分类：25.1.1 N沟道增强型MOSFET1. 结构（N沟道）L ：沟道长度W ：沟道宽度tox ：绝缘层厚度通常 W L （动画2-3）35.1.1 N沟道增强

2、型MOSFET剖面图1. 结构（N沟道）符号4二、 工作原理栅源电压VGS的控制作用 当VGS=0V时， 因为漏源之间被两个背靠背的 PN结隔离，因此，即使在D、S之间加上电压, 在D、S间也不可能形成电流。 当 0VGSVT (开启电压)时， 通过栅极和衬底间的电容作用，将栅极下方P型衬底表层的空穴向下排斥，同时，使两个N区和衬底中的自由电子吸向衬底表层，并与空穴复合而消失，结果在衬底表面形成一薄层负离子的耗尽层。漏源间仍无载流子的通道。管子仍不能导通，处于截止状态。5 把开始形成反型层的VGS值称为该管的开启电压VT。这时,假设在漏源间加电压 VDS,就能产生漏极电流 I D,即管子开启。

3、 VGS值越大,沟道内自由电子越多,沟道电阻越小,在同样 VDS 电压作用下, I D 越大。这样,就实现了输入电压 VGS 对输出电流 I D 的控制。 当VGSVT时,衬底中的电子进一步被吸至栅极下方的P型衬底表层,使衬底表层中的自由电子数量大于空穴数量,该薄层转换为N型半导体,称此为反型层。形成N源区到N漏区的N型沟道。I D6漏源电压VDS对沟道导电能力的影响 当VGSVT且固定为某值的情况下,假设给漏源间加正电压VDS则源区的自由电子将沿着沟道漂移到漏区,形成漏极电流ID,当ID从D S流过沟道时,沿途会产生压降,进而导致沿着沟道长度上栅极与沟道间的电压分布不均匀。源极端电压最大,为

4、VGS ,由此感生的沟道最深；离开源极端,越向漏极端靠近,则栅沟间的电压线性下降,由它们感生的沟道越来越浅；直到漏极端,栅漏间电压最小,其值为： VGD=VGS-VDS , 由此感生的沟道也最浅。可见,在VDS作用下导电沟道的深度是不均匀的,沟道呈锥形分布。假设VDS进一步增大,直至VGD=VT,即VGS-VDS=VT或VDS=VGS-VT 时,则漏端沟道消失,出现预夹断。A7 当VDS为0或较小时,VGDVT,此时VDS 根本均匀降落在沟道中,沟道呈斜线分布。 当VDS增加到使VGD=VT时,漏极处沟道将缩减到刚刚开启的情况,称为预夹断。源区的自由电子在VDS电场力的作用下,仍能沿着沟道向漏

5、端漂移,一旦到达预夹断区的边界处,就能被预夹断区内的电场力扫至漏区,形成漏极电流。 当VDS增加到使VGDVT时,预夹断点向源极端延伸成小的夹断区。由于预夹断区呈现高阻,而未夹断沟道局部为低阻,因此,VDS增加的局部根本上降落在该夹断区内,而沟道中的电场力根本不变,漂移电流根本不变,所以,从漏端沟道出现预夹断点开始, ID根本不随VDS增加而变化。8可变电阻区(resistive region) 饱和区恒流区（constant current region）放大区夹断区（cutoff rigion） 截止区1. 输出特性vGD= vGS-vDS=VT三、特性曲线及特性方程9可变电阻区： 饱和区

6、：可变电阻区特性曲线原点附近：n ：反型层中电子迁移率Cox ：栅极（与衬底间）氧化层单位面积电容Kn为电导常数,单位：mA/V2是vGS2VT时的iD 10 vGS VT 时, iD = 0； vGS VT时, iD随vGS增大而增大。2、转移特性3、转移特性与漏极特性间的关系在漏极特性上,对应某一vDS,作一垂直线；该垂线与各漏极特性相交得到一组交点；由各交点所对应的vGS 和iD值可画出对应的转移特性。1112 5.1.2 N沟道耗尽型MOSFETP沟道 N沟道PNP NPN一、结构与符号13二、工作原理4.vGS0预埋在绝缘层中的正离子能感应出负电荷感应出的负电荷在漏源间形成导电沟道，

7、形成漏极电流3.vGS0感应出的负电荷减少漏源间形成导电沟道变窄漏极电流iD减小2. vGS0 vDS 0感应电荷增多漏源间形成导电沟道变宽漏极电流iD增大14(1. 输出特性 2. 转移特性)三、特性曲线15 5.1.3 P沟道MOSFET一、符号二、特性曲线vGS|VP|时对应的漏极电流。2. 夹断电压VP（耗尽型） vDS一定时,使漏极电流iD下降至微小电流的vGS。1. 开启电压VT（增强型） vDS一定时,使漏极电流iD等于微小电流的vGS。20二、交流参数2. 低频互导（跨导） gm 用以描述栅源电压vGS 对漏极电流iD的控制作用,相当于转移特性上工作点的斜率,表征FET的放大能

8、力,相当于双极型三极管的。单位:mS或S1. 输出电阻rds 用以描述漏源电压vDS 对漏极电流iD的影响,相当于漏极特性上某点切线斜率的倒数。饱和区输出电阻很大,一般为几十到几百千欧。21三、极限参数3. 最大漏源电压V(BR)DS 指发生雪崩击穿时,漏极电流iD急剧上升时的vDS。与vGS有关。4. 最大栅源电压 V(BR)GS 指PN结电流开始急剧增大时的vGS。1. 最大漏极电流IDM 指管子正常工作时漏极电流允许的上限值。2. 最大耗散功率PDM 由PDM= VDS ID决定,在管子内部将变成热能,使管子的温度升高,为了使管子温度不致升的太高,限制其耗散功率不能超过PDM。225.2

9、 MOSFET放大电路5.2.1 MOSFET放大电路1. 直流偏置及静态工作点的计算2. 小信号模型分析*5.2.2 带PMOS负载的NMOS放大电路3. MOSFET 三种根本放大电路比较231 简单的共源极放大电路一、静态工作点的计算注意：通过判断VDS是否大于VGS-VT,来确定管子工作在饱和区还是可变电阻区。当VGSVT,管子截止。24例题: 电路如下图,设Rg1=60k,Rg2=40k,Rd=15k,VDD=5V,VT=1V,Kn=0.2mA/V2。试计算电路的静态漏极电流IDQ和漏源电压VDSQ。假设工作在饱和区(放大区）满足解：252 带源极电阻的NMOS共源极放大电路静态工作

10、点的计算射极电阻也具有稳定静态工作点26例题: 电路如下图,设VT=1V,Kn=500A/V2,VDD=5V,-VSS=-5V, Rd=10k, R=0.5k, ID=0.5mA。假设流过Rg1 和Rg2的电流是ID的1/10,试确定Rg1和Rg2的值。27例题: 电路如下图,由电流源提供偏置（可由其它MOS管构成）。设NMOS管的参数为Kn=160A/V2, VT=1V, VDD=VSS=5V,IDQ=0.25mA, VDQ=2.5V。试求电路参数。静态时,vI0,VG 0,ID IVS VG VGS （饱和区） VDS VD VS =VDDIDRD VS 28二、小信号模型产生谐波或非线性

11、失真漏极信号电流= 0 029例题5.2.4: 电路如下图,设VDD=5V, Rd=3.9k, VGS=2V, VT=1V,Kn=0.8mA/V2,=0.02V-1。试当管工作在饱和区时,试确定电路的小信号电压增益。共源极放大电路30例题5.2.5: 电路如下图,设Rg1=150k,Rg2=47k,VT=1V,Kn=500A/V2,=0,VDD=5V,-VSS=-5V, Rd=10k, R=0.5k, Rs=4k。求电路的电压增益和源电压增益、输入电阻和输出电阻。31例题: 电路如下图,耦合电容对信号频率可视为交流短路,场效应管工作在饱和区,rds很大,可忽略。试画出小信号等效电路,求出输入电

12、阻、小信号电压增益、源电压小信号增益和输出电阻。共漏极放大电路（源极跟随器）32333. MOSFET 三种根本放大电路比较(p.221)共源极放大电路共漏极放大电路(源极输出器）共栅极放大电路345.3 结型场效应管 5.3.1 JFET的结构和工作原理 5.3.2 JFET的特性曲线及参数 5.3.3 JFET放大电路的小信号模型分析法 355.3.1 JFET的结构和工作原理1. 结构 # 符号中的箭头方向表示什么？36栅源电压VGS对iD的控制作用 当VGS0时,PN结反偏,耗尽层变厚,沟道变窄,沟道电阻变大；VGS更负,沟道更窄,直至沟道被耗尽层全部覆盖,沟道被夹断。这时所对应的栅源

13、电压VGS称为夹断电压VP。2.工作原理 (以N沟道结型场效应管为例）37漏源电压VDS对iD的影响 在栅源间加电压VGSVP,漏源间加电压VDS。则因漏端耗尽层所受的反偏电压为VGD=VGS-VDS,比源端耗尽层所受的反偏电压VGS大,(如:VGS=-2V, VDS =3V, VP=-9V,则漏端耗尽层受反偏电压为-5V,源端耗尽层受反偏电压为-2V),使靠近漏端的耗尽层比源端厚,沟道比源端窄,故VDS对沟道的影响是不均匀的,使沟道呈楔形。当VDS增加到使VGD=VGS-VDS =VP 时,在紧靠漏极处出现预夹断点, 随VDS增大,这种不均匀性越明显。当VDS继续增加时,预夹断点向源极方向伸

14、长为预夹断区。由于预夹断区电阻很大,使主要VDS降落在该区,由此产生的强电场力能把未夹断区漂移到其边界上的载流子都扫至漏极,形成漏极饱和电流。38综上分析可知 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。JFET是电压控制电流器件,iD受vGS控制预夹断前iD与vDS呈近似线性关系；预夹断后, iD趋于饱和。# 为什么JFET的输入电阻比BJT高得多？ JFET栅极与沟道间的PN结是反向偏置的,因 此iG0,输入电阻很高。395.3.2 JFET的特性曲线及参数2. 转移特性 VP1. 输出特性 40漏极输出特性1、可变电阻区2、饱和区3、截止区当大于某值时,不同

15、的转移特性很接近转移特性415.3.3 JFET放大电路的小信号模型分析法一. JFET的小信号模型42二、分压器式自偏压电路（共源极电路）1. 静态分析43输出电阻 输入电阻电压放大倍数2. 小信号模型倒相电压放大电路44例题：在图示电路中,已知Rg1= 2M,Rg2=47k,Rg3=10M ,Rd=30k, R=2k, VDD=18V, VP=-1V, IDSS=0.5mA,且=0,试确定Q。45 共漏极放大电路如图示。试求中频电压增益、输入电阻和输出电阻。（2）中频电压增益（3）输入电阻得 解：（1）中频小信号模型由例题46（4）输出电阻所以由图有例题47 解：画中频小信号等效电路则电压

16、增益为例题放大电路如图所示。已知试求电路的中频增益、输入电阻和输出电阻。根据电路有由于则485.5 各种放大器件性能比较1.耗尽型场效应管包含了JFET和耗尽型MOSFET；2.增强型场效应管仅包含增强型MOSFET。BJT放大电路的三种组态： 共发射极（CE）、共集电极（CC）、共基极（CB）。JFET和MOSFET放大电路的三种组态： 共源极（CS）、共漏极（CD）、共栅极（CG）。两类放大元件的三种通用组态：1反相电压放大器： 共发射极（CE）、共源极（CS）2电压跟随器： 共集电极（CC）、共漏极（CD）3电流跟随器： 共基极（CB）、共栅极（CG）5.5.2 各种放大器件电路性能比较5.5.1 各种FET的特性比较49双极型和场效应型三极管的比较 双极型三极管 场效应管(单极型三极管)结构 NPN型 结型耗尽型 N沟道 P沟道 PNP型 绝缘栅增强型 N沟道 P沟道 绝缘栅耗尽型 N沟道 P沟道 C与E一般不可倒置使用 D与S有的型号可倒置使用载流子 多子