模电11.1.讲第五章

5

场效应管放大电路§5.1金属-氧化物-半导体(MOS)场效应管§5.2

MOS场效应管放大电路§5.3结型场效应管§*5.4

砷化镓金属－半导体场效应管§5.5

各种放大器件电路性能比较§5.6

SPICE仿真例题AGRICULTURAL2MECHANICAL

&

ELECTRICAL

ENGINEERING

COLLEGE

OF

S上

讲

回

顾金属－氧化物－半导体(MOS)场效应管N沟道增强型MOSFET结构、工作原理、特性曲线N沟道耗尽型MOSFETP沟道耗尽型MOSFETMOSFET的主要参数AGRICULTURAL3MECHANICAL

&

ELECTRICAL

ENGINEERING

COLLEGE

OF

S4MOSFET和BJT放大电路的组态比较：三极管共射极(b)共集电极(c)共基极(b)场效应管共源极(s)共漏极(d)共栅极(g)gdsVDDRdRg1Rg2dBVGID5VS5.2.1简单共源极放大电路的直流分析步骤——直流通路1

假设MOS管工作于饱和区，则有VGSQ>VT，IDQ>0，VDSQ>VGSQ-VT2

利用饱和区的V-I曲线分析电路：D

n

GS

TI

K

(V

V

)2如果出现VGS<VT，则MOS管可能截至，如果VDS<VGS-VT，则MOS管可能工作在可变电阻区。如果初始假设被证明是错误的，则必须作新的假设，同时重新分析电路。gdsVDDRdRg1Rg2dBVGID6VSI

K

(V

V

)2D

n

GS

TVGS=

VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2)若NMOS工作于饱和区，则VDS=

VDD－IDRd若计算的VDS>VGS-VT，则说明NMOS确工作于饱和区；若VDS<VGS-VT，则说明工作于可变电阻区。5.2.1简单共源极放大电路的直流分析直流通路工作于可变电阻区的ID：ID

2Kn

(VGS

VT

)vDS5.2.2带源极电阻的NMOS共源极放大电路直流通路gdVDDRdRg1Rg2dVSs若NMOS工作于饱和区，则RVGIDBVGS

VGg

2g1

g

2R(VDD

VSS)

V

(I R

V

)SS

D

SS

R

RI

K

(V

V

)2D

n

GS

TVDS=

VDD+V(Rd+R)－Vss7gdVDDRdRg1Rg2dR－Vss例.如图，设VT=1V,Kn=500μA/V2

,VDD=5V,-VSS=-5V,Rd=10K,R=0.5K,ID=0.5mA

。若流过Rg1,Rg2的电流是ID的1/10，试确定Rg1,Rg2的值。解.作出直流通路，并设MOS工作在饱和区，则由：VSs即0.5＝0.5(VGS-1)2I

K

(V

V

)2D

n

GS

T流过Rg1、Rg2的电流为0.05mAVGIDB得VGS=2VRg1

Rg

2Igg1g

2

10

200K0.05R

R8gdVDDRdRg1Rg2dR－Vss例.如图，设VT=1V,Kn=500μA/V2

,VDD=5V,-VSS=-5V,Rd=10K,R=0.5K,ID=0.5mA

。若流过Rg1,Rg2的电流是ID的1/10，试确定Rg1,Rg2的值。解.作出直流通路，并设MOS工作在饱和区，则由：VSsVGIDB2

Rg

210

5

(0.5

0.5

5)

200

Rg2=45K、Rg1=155K9判断假设的正确性：VDS=

(VDD+VSS)－ID(Rd+R)=4.7V则有：VDS>(VGS-VT)=2-1=1V说明管子工作在饱和状态，与最初假设一致。sBVDDRdRg1Rg2d

idCb2—v0＋

＋＋—viCb2＋

g静态值：VGSQ、IDQ、VDSQ外加信号电压波形：因为：vGS=VGSQ+viωtvi所以vGS的波形为：负载线方程：：iD=IDQ+gmviωtvGSVGSQVGSQ1VGSQ20ωtiDIDQIDQ1IDQ20Di

=-+DD10v

VDSRdRd是一条过(VDD,0)和(0,VDD/RD)的直线5.2.3

NMOS共源极放大电路的图解分析vDS/VωtiD(mA)VGSQVDDiD(mA)VDDRdQviIDQQ1Q2vDSωtVDSQ5.2.3

NMOS共源极放大电路的图解分析111.NMOS管的小信号模型双端口网络g

dsvgssvdsidD工作在饱和区的漏极电流i

:2TiD

Kn

vGS

V

Kn

VGSQ

vgs

VT

n

GSQ

2gsn

GSQTn

GSQ

T

gsn

K

V

V

2K

VV

v

K

v2IDQid＝gmvgs谐波分量越小越12好，一般取为0。ig＝0,输入端相当于开路；gm=2Kn(VGSQ-VT)id＝gmvgs，输出回路等效成一个电压控制电流源。5.2.4

NMOS共源极放大电路的小信号模型GS

DSD,v

)i

=

f

(vDSDS

iDGSGS

iDDvvdiGSV

dvDSV

dv求全微分:双端口网络g

dsvgssvdsidrds

1

diD

gm

dvGS

dvDSdm

gsdsdsri

g

v

1

v变化量13由该式可得到场效应管的微变等效电路5.2.4

NMOS共源极放大电路的小信号模型1.NMOS管的小信号模型场效应管输出特性表达式：1dm

gsdsdsi

g

v

vr5.2.4

NMOS共源极放大电路的小信号模型1.NMOS管的小信号模型gsgmvgsvgs+-s+-vdsidd14因rds很大，可忽略，得简化小信号模型:可得到场效应管放大电路的微变等效电路5.2.4

NMOS共源极放大电路的小信号模型gdsRdRg1Rg2idBv0＋＋—viC2.

场效应管放大电路的微变等效电路首先将电容、电源短路得到交流通路：小信号模型：gdgmvgsv+-+-v0idvi+-gs

RgrdsRd15s根据微变等效电路计算动态参数。5.2.4

NMOS共源极放大电路的小信号模型2.

场效应管放大电路的微变等效电路首先将电容、电源短路得到交流通路：小信号模型：gsdgmvgs+--+v0idvi+-vgs

RgrdsRd16(1)电压放大倍数vivA

0

gm

Rd(2)输入电阻Ri=Rg1//Rg2(3)输出电阻

R0=Rd小信号模型：gsdgmvgsv+gs-+-v0id+-RviRgRd5.2.4

NMOS共源极放大电路的小信号模型2.

场效应管放大电路的微变等效电路首先将电容、电源短路得到交流通路：(1)电压放大倍数v17ig

Rgmvgs

RdA

v0

v vgs

gmvgs

R

m

d

1

gm

R输入电阻Ri=Rg1//Rg2输出电阻R0=RdgdsBRg1Rg2＋—viv0＋R小信号模型：dg

vgs+idgmvgsvi+-srds

R

v0Rg5.2.5NMOS共漏极放大电路的小信号模型首先将电容、电源短路得到交流通路：(1)电压放大倍数vivA

v0

取rds为无穷时：gm

(rds

//

R)m

ds1

g

(r

//

R)gm

Rm1

g

R0dsR

=R//r

//gm(2)输入电阻Ri=Rg1//Rg2(3)输出电阻

1推导18dg

vgsidgmvgsvi+-srds

RRgRsvTiT0输出电阻R0的计算：vR

=

T

iTiRirvgs=-vTiT=iR

+ir

-gmvgs

vT

vTTm

Tdsi

g

vR

rvT

119dsTm

mdsig

R

//

r

//

1R

r1

1

g5.2.5

NMOS共漏极放大电路的小信号模型+-vi4020g1

g

2Rg

2VDD

5

2VR

R

60

40GSQ解.

V若管子工作在饱和区，则I

K

(V

V

)2DQ

n

GS

T=0.2×(2-1)2=0.2mA

ID

Rd

(5

0.215)

2VVDSQ

VDD可见:VT

2

1

1VVDSQ

VGSQ说明管子工作在饱和区.例.Rg1=60K,

Rg2=40K,

Rd=15K,

VDD=5V,VT=1V，Kn=0.2mA/V2，RL=15K计算IDQ、VDSQ；Av、Ri、R0。(1)电压放大倍数gm=2Kn(VGS-VT)=2×0.2×

(2-1)=0.4mS2v

m LA

g

R`

0.4

15

3输入电阻Ri=Rg1//Rg2=60//40=24K输出电阻R0=Rd=15K例.Rg1=60K,

Rg2=40K,

Rd=15K,

VDD=5V,VT=1V，Kn=0.2mA/V2，RL=15K计算IDQ、VDSQ；Av、Ri、R0。解.+-vi215.3.1

JFET的结构和工作原理1.N沟道JFET的结构NP+漏极d源极sg栅极N沟道JFET的结构动画g22ds箭头的方向表示栅结正偏置时，栅极电流的方向是由P指向N，故从符号上能识别出d、s之间是N沟道。5.3

结型场效应管JFETPN+漏极d源极sg栅极gds5.3

结型场效应管JFET235.3.1

JFET的结构和工作原理1.N沟道JFET的结构按类似方法可得P沟道JFET的结构242.N沟道JFET的工作原理外电路必须保证结型场效应管的两个PN结工作在反偏的条件下:N沟道结型场效应管只能工作在负栅压区；P沟道的只能工作在正栅压区；否则将会出现栅流。5.3

结型场效应管JFET5.3.1

JFET的结构和工作原理dP+sgP+V25P改变vGS的大小,可以有效地控制沟道电阻的大小,若在漏源极间外加一固定的正向电压vDS,则有漏极电流iD产生且受vGS的控制.5.3.1

JFET的结构和工作原理2.N沟道JFET的工作原理(1)

栅源电压对沟道的控制作用在栅源间加负电压vGS,可见:5.3

结型场效应管JFETdsg5.3.1

JFET的结构和工作原理2.N沟道JFET的工作原理(2)

漏源电压对沟道的控制作用令vGS

=0,在漏源间加电压vDS①当vDS=0时，iD=0。VDDID②VDS

↑→ID→↑沟道发生如下变化:③当VDS↑,使VGD=VGS-VDS=VP时，在漏

出现预夹断。④VDS再↑，预夹断点下移，导电沟道进一步变窄。5.3

结型场效应管JFET26dsgVDDID5.3.1

JFET的结构和工作原理2.N沟道JFET的工作原理(2)

漏源电压对沟道的控制作用令vGS

=0,在漏源间加电压vDS预夹断前,VDS↑→ID↑.预夹断后,VDS↑→iD

几乎不变27原因：随着VDS↑，沟道电阻RDS↑，且两者基本成正比。5.3

结型场效应管JFETVGG如：vGS=-2V，vDS=5VvDG=vDS-vGS=7V

,

vSG=2V随VDS增大，这种不均匀性越明显在同样VDS下，VGG越负，对沟道得影响越大，不均匀性越明显dsgVDD(2)

漏源电压对沟道的控制作用令VGS

<0,在漏源间加电压VDS28ID5.3

结型场效应管JFET5.3.1

JFET的结构和工作原理2.N沟道JFET的工作原理iD(mA)0uGS=0GD预夹断点：v

=vPuGS=

-

0.5V动

画IDSSuGS=

-

1VvDS/VVGGdsgVDDID295.3

结型场效应管JFET(2)

漏源电压对沟道的控制作用5.3.1

JFET的结构和工作原理2.N沟道JFET的工作原理5.3.2

JFET的特性曲线及参数1.输出特性曲线在VGS一定时，漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用，即GS30ID

f

(VDS

)

VC5.3

结型场效应管JFETVGGdNP+sgP+VDDIDmVVmA①VGS=0②VGS=-0.5③VGS=-1④VGS=-1.5VGS

C31ID

f

(VDS

)5.3

结型场效应管JFET5.3.2

JFET的特性曲线及参数1.输出特性曲线vGS=0VvGS=-0.5VvDS/VvGS=-1VGSiD(mA)可变电阻区饱和区击穿v

=-1.5V

区预夹断点：vDS=vGS-VP截止区(a)可变电阻区(预夹断前)当VP<vGS≤0，vDS

≤vGS-VPV-I特性：i

K

2(v

V

)v

v2D

n

GS

P

DS

DS当vGS为定值时,iD

是vDS的线性函数，管子的漏源间呈现为线性电阻，且其阻值受

vGS

控制。管压降vDS

很小做压控线性电阻和无触点的闭合状态的电子开关。325.3

结型场效应管JFET5.3.2

JFET的特性曲线及参数1.输出特性曲线恒流区(预夹断后)(又称饱和区或放大区）受控性：输出电流iD受输入电压vGS的控制恒流性：输出电流iD

基本上不受输出DS电压v

的影响。用途:可做放大器和恒流源。5.3

结型场效应管JFET5.3.2

JFET的特性曲线及参数1.输出特性曲线GSv

=0VvGS=-0.5VvDS/ViD(mA)GSv

=-1VvGS=-1.5V可变电阻区饱和区击穿区GD预夹断点：v

=vPvDS=vGS-VP截止区33(c)夹断区(截止区)特点：iD用途：

0做无触点的、断开状态的电子开关。条件：整个沟道都夹断5.3

结型场效应管JFETvGS=0VGSv

=-0.5VvDS/VGSv

=-1ViD(mA)可变电阻区饱和区击穿区vGS=-1.5V预夹断点：vGD=vPvDS=vGS-VP截止区5.3.2

JFET的特性曲线及参数1.输出特性曲线34(d)

击穿区当漏源电压增大到V(BR)DS时，漏端PN结发生雪崩击穿，使iD

剧增的区域。其值一般为(20~50)V之间。管子不能在击穿区工作。动

画5.3

结型场效应管JFET5.3.2

JFET的特性曲线及参数1.输出特性曲线vGS=0VvGS=-0.5VvDS/VGSv

=-1VGSiD(mA)可变电阻区饱和区击穿v

=-1.5V

区预夹断点：vGD=vPvDS=vGS-VP截止区35VGGdNP+sgP+VDDIDmVVmA-2

-1.5

-1

-0.50.40.30.20.10vGS/VDSv

=6VvDS=3VIDSSVP365.3

结型场效应管JFET5.3.2

JFET的特性曲线及参数2.转移特性曲线iD/mAvDS=10V

0.5iD

/

mA665544332211uDS

/

V48

UDS

12iD

/

mA4

UGS＝

03

－

1

V2

－

2

V1

－

3

V—4

VUDS＝UDS4′3′UDS＝UDS2′1′UP0

uGS

/

V 0

UDS—

1—

3

－

2—

41212动

画375.3

结型场效应管JF