模电第三章场效应管放大电路课件

3场效应管放大电路3.1场效应管2.2场效应单管放大电路3场效应管放大电路3.1场效应管2.2场效应单管放1场效应管的定义：场效应管是一种利用电场效应来控制其电流大小的半导体器件。场效应管的特点：场效应管的工作原理：具有输入阻抗高、热稳定性好、噪声低、抗辐射能力强、制造工艺简单等优点。兼有体积小、重量轻、耗电省寿命长等特点。将控制电压转换为漏极电流——互导放大器件。场效应管的定义：场效应管是一种利用电场效应来2P沟道耗尽型DP沟道P沟道N沟道增强型EN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：P沟道耗尽型DP沟道P沟道N沟道增强型EN沟道N沟道（耗尽型33.1场效应管3.1.1金属氧化物-半导体场效应管MOSFET3.1.2结型场效应管JFET3.1场效应管3.1.1金属氧化物-半导体场效应管M41N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>L1N沟道增强型MOSFET1.结构（N沟道）L：沟道51N沟道增强型MOSFET剖面图1.结构（N沟道）符号1N沟道增强型MOSFET剖面图1.结构（N沟道）符号61N沟道增强型MOSFET工作原理（1）vGS对沟道的控制作用当vGS=0时无导电沟道，d、s间加电压时，也无电流产生。当0<vGS<VT时产生电场，但未形成导电沟道（感生沟道），d、s间加电压后，没有电流产生。当vGS>VT时在电场作用下产生导电沟道，d、s间加电压后，将有电流产生。

vGS越大，导电沟道越厚VT称为开启电压输出特性曲线

1N沟道增强型MOSFET工作原理（1）vGS对沟道的控7工作原理（2）vDS对沟道的控制作用靠近漏极d处的电位升高电场强度减小沟道变薄当vGS一定（vGS>VT）时，vDSID沟道电位梯度整个沟道呈楔形分布输出特性曲线

工作原理（2）vDS对沟道的控制作用靠近漏极d处的电位升高8当vGS一定（vGS>VT）时，vDSID沟道电位梯度当vDS增加到使vGD=VT时，在紧靠漏极处出现预夹断。工作原理（2）vDS对沟道的控制作用在预夹断处：vGD=vGS-vDS=VT输出特性曲线

当vGS一定（vGS>VT）时，vDSID沟道电9预夹断后，vDS夹断区延长沟道电阻ID基本不变工作原理（2）vDS对沟道的控制作用预夹断后，vDS夹断区延长沟道电阻ID基本不变工作10工作原理（3）vDS和vGS同时作用时给定一个vGS，就有一条不同的iD–vDS曲线。工作原理（3）vDS和vGS同时作用时给定一个vG11V-I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①截止区当vGS＜VT时，导电沟道尚未形成，iD＝0，为截止工作状态。V-I特性曲线及大信号特性方程（1）输出特性及大信号特性方12

V-I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②可变电阻区vDS≤（vGS－VT）由于vDS较小，可近似为rdso是一个受vGS控制的可变电阻V-I特性曲线及大信号特性方程（1）输出特性及大信号特性13

V-I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②可变电阻区

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本征电导因子其中Kn为电导常数，单位：mA/V2V-I特性曲线及大信号特性方程（1）输出特性及大信号特性14

V-I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③饱和区（恒流区又称放大区）vGS>VT

，且vDS≥（vGS－VT）是vGS＝2VT时的iDV-I特性：V-I特性曲线及大信号特性方程（1）输出特性及大信号特性15

V-I特性曲线及大信号特性方程（2）转移特性在漏源电压一定的条件下，栅源电压对漏极电流的控制特性V-I特性曲线及大信号特性方程（2）转移特性162N沟道耗尽型MOSFET1.结构和工作原理（N沟道）二氧化硅绝缘层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vGS为负电压达到一定数值时，沟道完全被夹断，此时的栅源电压称为夹断电压Vp2N沟道耗尽型MOSFET1.结构和工作原理（N沟道）172N沟道耗尽型MOSFET2.V-I特性曲线及大信号特性方程

（N沟道增强型）2N沟道耗尽型MOSFET2.V-I特性曲线及大信183P沟道MOSFET3P沟道MOSFET194沟道长度调制效应实际上饱和区的曲线并不是平坦的L的单位为m当不考虑沟道调制效应时，＝0，曲线是平坦的。

修正后4沟道长度调制效应实际上饱和区的曲线并不是平坦的L的单位203.1.2JFET1.结构#

符号中的箭头方向表示什么？栅结（PN结）的正偏方向3.1.2JFET1.结构#符号中的箭212.工作原理①vGS对沟道的控制作用当vGS＜0时（以N沟道JFET为例）当沟道夹断时，对应的栅源电压vGS称为夹断电压VP（或VGS(off)）。对于N沟道的JFET，VP<0。PN结反偏耗尽层加厚沟道变窄。

vGS继续减小，沟道继续变窄。2.工作原理①vGS对沟道的控制作用当vGS＜0时（以222.工作原理（以N沟道JFET为例）②vDS对沟道的控制作用当vGS=0时，vDSIDG、D间PN结的反向电压增加，使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，从上至下呈楔形分布。当vDS增加到使vGD=VP时，在紧靠漏极处出现预夹断。此时vDS夹断区延长沟道电阻ID基本不变2.工作原理（以N沟道JFET为例）②vDS对沟道的控232.工作原理（以N沟道JFET为例）③

vGS和vDS同时作用时当VP<vGS<0时，导电沟道更容易夹断，对于同样的vDS，

ID的值比vGS=0时的值要小。在预夹断处vGD=vGS-vDS=VPvDS=vGS-VP2.工作原理（以N沟道JFET为例）③vGS和vDS同243.1.3JFET的特性曲线及参数2.转移特性1.输出特性3.1.3JFET的特性曲线及参数2.转移特性253.1.4MOSFET的主要参数一、直流参数NMOS增强型1.开启电压VT（增强型参数）2.夹断电压VP（耗尽型参数）3.饱和漏电流IDSS（耗尽型参数）4.直流输入电阻RGS（109Ω～1015Ω）二、交流参数1.输出电阻rds

当不考虑沟道调制效应时，＝0，rds→∞

3.1.4MOSFET的主要参数一、直流参数NMOS增强26MOSFET的主要参数2.低频互导gm

二、交流参数考虑到则其中反映了栅源电压对漏极电流的控制能力。

MOSFET的主要参数2.低频互导gm二、交流参数27MOSFET的主要参数极限参数1.最大漏极电流IDM

2.最大耗散功率PDM

3.最大漏源电压V（BR）DS

4.最大栅源电压V（BR）GS

MOSFET的主要参数极限参数1.最大漏极电流IDM2283.2MOSFET放大电路1.直流偏置及静态工作点的计算2.图解分析3.小信号模型分析3.2MOSFET放大电路1.直流偏置及静态工作点的计29MOSFET放大电路1.直流偏置及静态工作点的计算（1）简单的共源极放大电路（N沟道）直流通路共源极放大电路MOSFET放大电路1.直流偏置及静态工作点的计算（130MOSFET放大电路1.直流偏置及静态工作点的计算（1）简单的共源极放大电路（N沟道）假设工作在饱和区，即验证是否满足如果不满足，则说明假设错误须满足VGS>VT，否则工作在截止区再假设工作在可变电阻区即MOSFET放大电路1.直流偏置及静态工作点的计算（131假设工作在饱和区满足假设成立，结果即为所求。解：例：设Rg1=60k，Rg2=40k，Rd=15k，试计算电路的静态漏极电流IDQ和漏源电压VDSQ。VDD=5V，VT=1V，假设工作在饱和区满足假设成立，结果即为所求。解：例：设Rg132MOSFET放大电路2.图解分析由于负载开路，交流负载线与直流负载线相同MOSFET放大电路2.图解分析由于负载开路，交流负载33MOSFET放大电路3.小信号模型分析（1）模型静态值（直流）动态值（交流）非线性失真项当，vgs<<2(VGSQ-VT)时，MOSFET放大电路3.小信号模型分析（1）模型静态值动态34MOSFET放大电路3.小信号模型分析（1）模型0时MOSFET放大电路3.小信号模型分析（1）模型0时353场效应管放大电路3.1场效应管2.2场效应单管放大电路3场效应管放大电路3.1场效应管2.2场效应单管放36场效应管的定义：场效应管是一种利用电场效应来控制其电流大小的半导体器件。场效应管的特点：场效应管的工作原理：具有输入阻抗高、热稳定性好、噪声低、抗辐射能力强、制造工艺简单等优点。兼有体积小、重量轻、耗电省寿命长等特点。将控制电压转换为漏极电流——互导放大器件。场效应管的定义：场效应管是一种利用电场效应来37P沟道耗尽型DP沟道P沟道N沟道增强型EN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：P沟道耗尽型DP沟道P沟道N沟道增强型EN沟道N沟道（耗尽型383.1场效应管3.1.1金属氧化物-半导体场效应管MOSFET3.1.2结型场效应管JFET3.1场效应管3.1.1金属氧化物-半导体场效应管M391N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>L1N沟道增强型MOSFET1.结构（N沟道）L：沟道401N沟道增强型MOSFET剖面图1.结构（N沟道）符号1N沟道增强型MOSFET剖面图1.结构（N沟道）符号411N沟道增强型MOSFET工作原理（1）vGS对沟道的控制作用当vGS=0时无导电沟道，d、s间加电压时，也无电流产生。当0<vGS<VT时产生电场，但未形成导电沟道（感生沟道），d、s间加电压后，没有电流产生。当vGS>VT时在电场作用下产生导电沟道，d、s间加电压后，将有电流产生。

vGS越大，导电沟道越厚VT称为开启电压输出特性曲线

1N沟道增强型MOSFET工作原理（1）vGS对沟道的控42工作原理（2）vDS对沟道的控制作用靠近漏极d处的电位升高电场强度减小沟道变薄当vGS一定（vGS>VT）时，vDSID沟道电位梯度整个沟道呈楔形分布输出特性曲线

工作原理（2）vDS对沟道的控制作用靠近漏极d处的电位升高43当vGS一定（vGS>VT）时，vDSID沟道电位梯度当vDS增加到使vGD=VT时，在紧靠漏极处出现预夹断。工作原理（2）vDS对沟道的控制作用在预夹断处：vGD=vGS-vDS=VT输出特性曲线

当vGS一定（vGS>VT）时，vDSID沟道电44预夹断后，vDS夹断区延长沟道电阻ID基本不变工作原理（2）vDS对沟道的控制作用预夹断后，vDS夹断区延长沟道电阻ID基本不变工作45工作原理（3）vDS和vGS同时作用时给定一个vGS，就有一条不同的iD–vDS曲线。工作原理（3）vDS和vGS同时作用时给定一个vG46V-I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①截止区当vGS＜VT时，导电沟道尚未形成，iD＝0，为截止工作状态。V-I特性曲线及大信号特性方程（1）输出特性及大信号特性方47

V-I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②可变电阻区vDS≤（vGS－VT）由于vDS较小，可近似为rdso是一个受vGS控制的可变电阻V-I特性曲线及大信号特性方程（1）输出特性及大信号特性48

V-I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②可变电阻区

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本征电导因子其中Kn为电导常数，单位：mA/V2V-I特性曲线及大信号特性方程（1）输出特性及大信号特性49

V-I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③饱和区（恒流区又称放大区）vGS>VT

，且vDS≥（vGS－VT）是vGS＝2VT时的iDV-I特性：V-I特性曲线及大信号特性方程（1）输出特性及大信号特性50

V-I特性曲线及大信号特性方程（2）转移特性在漏源电压一定的条件下，栅源电压对漏极电流的控制特性V-I特性曲线及大信号特性方程（2）转移特性512N沟道耗尽型MOSFET1.结构和工作原理（N沟道）二氧化硅绝缘层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vGS为负电压达到一定数值时，沟道完全被夹断，此时的栅源电压称为夹断电压Vp2N沟道耗尽型MOSFET1.结构和工作原理（N沟道）522N沟道耗尽型MOSFET2.V-I特性曲线及大信号特性方程

（N沟道增强型）2N沟道耗尽型MOSFET2.V-I特性曲线及大信533P沟道MOSFET3P沟道MOSFET544沟道长度调制效应实际上饱和区的曲线并不是平坦的L的单位为m当不考虑沟道调制效应时，＝0，曲线是平坦的。

修正后4沟道长度调制效应实际上饱和区的曲线并不是平坦的L的单位553.1.2JFET1.结构#

符号中的箭头方向表示什么？栅结（PN结）的正偏方向3.1.2JFET1.结构#符号中的箭562.工作原理①vGS对沟道的控制作用当vGS＜0时（以N沟道JFET为例）当沟道夹断时，对应的栅源电压vGS称为夹断电压VP（或VGS(off)）。对于N沟道的JFET，VP<0。PN结反偏耗尽层加厚沟道变窄。

vGS继续减小，沟道继续变窄。2.工作原理①vGS对沟道的控制作用当vGS＜0时（以572.工作原理（以N沟道JFET为例）②vDS对沟道的控制作用当vGS=0时，vDSIDG、D间PN结的反向电压增加，使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，从上至下呈楔形分布。当vDS增加到使vGD=VP时，在紧靠漏极处出现预夹断。此时vDS夹断区延长沟道电阻ID基本不变2.工作原理（以N沟道JFET为例）②vDS对沟道的控582.工作原理（以N沟道JFET为例）③

vGS和vDS同时作用时当VP<vGS<0时，导电沟道更容易夹断，对于同样的vDS，

ID的值比vGS=0时的值要小。在预夹断处vGD=vGS-vDS=VPvDS=vGS-VP2.工作原理（以N沟道JFET为例）③vGS和vDS同593.1.3JFET的特性曲线及参数2.转移特性1.输出特性3.1.3JFET的特性曲线及参数2.转移特性603.1.4MOSFET的主要参数一、直流参数NMOS增强型1.开启电压VT（增强型参数）2.夹断电压VP（耗尽型参数）3.饱和漏电流IDSS（耗尽型参数）4.直流输入电阻RGS（109Ω～1015Ω）二、交流参数1.输出电阻rds

当不考虑沟道调制效应时，＝0，rds→∞

3.1.4MOSFET的主要参数一、直流参数NMOS增强61MOSFET的主要参数2.低频互导gm

二、交流参数考虑到则其中反映了栅源电压对漏极电流的控制能力。

MO