第四章 场效应管放大电路

模拟电子技术主讲教师：张立权第四章场效应管放大电路123金属-氧化物-半导体场效应管MOSFET放大电路结型场效应管2引言优点：输入阻抗高、热稳定性好、噪声低、抗辐射能力强及省电等。BJTFET电流控制电流的器件两种载流子参与导电属于双极型器件利用电场效应来控制电流的器件一种载流子参与导电属于单极型器件3分类：场效应管JFETMOSFETN沟道P沟道N沟道P沟道增强型耗尽型增强型耗尽型4第一节金属-氧化物-半导体场效应管1.1N沟道增强型MOSFET结构及电路符号衬底衬底SiO2绝缘层金属Al箭头方向表示由P指向NN沟道增强型5衬底衬底SiO2绝缘层金属Al箭头方向表示由P指向NP沟道增强型结构及符号特点：栅极g相当基极b，源极s相当发射极e，漏极d相当集电极c。6VGS=0时N沟道增强型MOS管的工作原理栅源电压VGS的控制作用衬底VGS=0时D-S间相当两个背靠背的PN结7VGS>0时VGS>0时衬底SiO2绝缘层的存在，栅极电流为零此电场排斥多子空穴，剩下不能移动的负离子，形成耗尽层。由于电容效应会产生一垂直向下的电场E。8VGS>VT时VGS>VT时，VT称为开启电压衬底此电场吸引足够多的电子，形成N型沟道，也称反型层。9VGS控制作用小结：VGS<VT，ID≈0，场效应管工作于输出特性曲线的

截止区。VGS较小时

，感应的电子较少，导电沟道的电阻较大。在VDS一定时，随着VGS增加，导电沟道阻值变小，漏极电流ID增大。VGS<VT，ID≈0，没有导电沟道。必须依靠正栅源电压的作用，才能形成感生沟道的场效应管为增强型10漏源电压VDS的控制作用VDS较小时衬底当VDS较小时，在两个N区之间的导电沟道是均匀的。随着VDS增加，ID迅速增大，导电沟道呈现为一可变电阻。11衬底VDS较大时当VDS较大时，由于沟道存在电位梯度，靠近D极的导电沟道变窄。12衬底VDS继续增加，使VGD=VGS-VDS=VT时，靠近D端的沟道被夹断，称为预夹断。夹断后，即使VDS继续增加，ID仍呈现恒流特性。即进入饱和区。13VDS控制作用小结：VDS较小时

，随着VDS的增加，漏极电流ID增大，场效应管工作于可变电阻区。即：VGD=VGS-VDS>VT

随着VDS继续增加，会产生预夹断现象，此时有

VGD=VGS-VDS＝VT

VDS继续增加，当VGD=VGS-VDS<VT

时，增加的电压主要降在夹断区，因此ID基本恒定，进入饱和区。

141516N沟道增强型MOS管的特性曲线由于栅极输入端基本上没有电流，所以要研究转移特性：即在漏源电压vDS一定的条件下，栅源电压vGS对漏极电流iD的控制特性。转移特性曲线转移特性曲线可由输出特性曲线获得。

17输出特性曲线在栅源电压vGS一定的情况下，漏极电流iD与漏源电压vDS之间的关系。181.2N沟道耗尽型MOSFET结构及电路符号即使VGS=0，只要外加VDS就会有漏极电流ID。N沟道耗尽型衬底衬底+++++++SiO2绝缘层中掺有大量正离子。即使VGS=0，也会形成导电沟道。19P沟道耗尽型结构及符号P沟道耗尽型衬底衬底-------SiO2绝缘层中掺有大量负离子。20N沟道耗尽型MOS管的工作原理衬底+++++++VGS=0时VGS=0时由于绝缘层中存在正离子，感应出反型层，形成导电沟道。因此即使VGS=0，只要加漏源电压，就有漏极电流。21VGS>0时衬底+++++++VGS>0时随着VGS的增加，导电沟道变宽，漏极电流ID增大。22VGS<0时衬底+++++++随着VGS的反向增加，导电沟道变窄，漏极电流ID减小。当VGS增至某一数值时，沟道完全被夹断。漏极电流ID＝0。ID=0时的栅源电压称为夹断电压VP。N沟道耗尽型MOS管可在正或负的栅源电压下工作。23N沟道耗尽型MOS管的特性曲线耗尽型MOS管在vGS＝0时就有导电沟道，加反向电压才能夹断。转移特性和输出特性曲线241.3MOSFET和BJT的比较BJTMOS结构C、E极一般不可互换使用D、S极一般可互换使用导电机理多子扩散少子漂移多子漂移放大原理电流控制电流电压控制电流外界影响受温度影响较大受温度影响较小输入电阻几十到几千欧姆几兆欧姆以上电流基极电流不为0栅极电流近似于0251.4MOSFET的主要参数开启电压VT：当vDS为一固定值使iD等于微小电流时，栅源间的电压。夹断电压VP：当vDS为一固定值使iD等于微小电流时，栅源间的电压。饱和漏极电流IDSS：耗尽型MOS管vGS=0时的漏极电流直流输入电阻RGS(DC)：栅源电压除栅流。低频跨导gm：在漏源电压为常数时，漏极电流的微变量除栅源电压的微变量。26输出电阻rds：最大漏极电流IDM：漏极电流允许的上限值。最大耗散功率PDM：最大漏源电压V(BR)DS：发生雪崩击穿iD急剧上升的vDS最大栅源电压V(BR)GS：栅源间反向电流急剧上升的vGS27作业：5.1.1、5.1.228第二节MOSFET放大电路电路组成原则及分析方法组成原则：

静态：设置合适的静态工作点，使MOS工作在恒流区(饱和区)。

动态：能为交流信号提供通路。

分析方法：

静态：估算法、图解法。

动态：小信号等效电路法。

292.1静态工作点计算基本共源极放大电路：源极s与衬底一般是相连的。30直流通道：注意：栅极电流Ig≈0其中，Kn为电导常数。静态参数有栅源电压、漏极电流以及漏源电压。31MOS管工作区域判别：若计算出的VGS<VT，说明工作在截止区。

若计算出的VDS>(VGS-VT)，说明工作在饱和区。

若计算出的VDS<(VGS-VT)，说明工作在可变电阻区

32例1：电路如图，各参数为：

，计算静态工作点，并说明管子工作状态。解：因VGD=0V<VT，所以处于饱和状态。332.2动态分析(低频小信号模型)场效应管输出特性表达式：输出电阻rds很大34场效应管的小信号等效电路35例2：电路如图，计算静态工作点和动态参数。参数如下36解：(1)估算静态工作点设VG>>VGS，则VGVS，而IG=0V则有：注意：漏极和源极电流相等。37(2)动态参数计算38电压放大倍数输入电压输出电压电压放大倍数为39输入、输出电阻输入电阻输出电阻信号源置零，则电压控制电流源也为零。共射电路为倒相电路。402.3源极跟随器共漏极电路例2：电路如图，计算静态工作点和动态参数。参数如下41解：(1)估算静态工作点设VG>>VGS，则VGVS，而IG=0V则有：42(2)动态参数计算43电压放大倍数输入电压输出电压电压放大倍数为44输入电阻输入电阻45输出电阻输出电阻46第三节结型场效应管3.1N沟道结型场效应管结构及电路符号箭头方向表示栅结正偏时，栅极电流的方向由P指向N47P沟道结型场效应管结构和符号箭头方向表示栅结正偏时，栅极电流的方向由P指向N48N沟道JFET工作原理栅源电压VGS的控制作用VDS=0，栅源间加负电压PN结反偏，|VGS|越大则耗尽区越宽，导电沟道越窄，电阻增大。49|VGS|>|VP|时|VGS|增至一定值(夹断电压VP)，两耗尽层合拢，导电沟道夹断。此时即使VDS

0V，漏极电流ID=0A50VGS控制作用小结：改变VGS的大小

，可控制导电沟道电阻的大小，对于固定的VDS，VGS的增加使漏极电流ID减小。结型场效应管由于没有绝缘层，只能工作在反偏的条件下，否则会出现栅流。即输入电阻较大。51漏源电压VDS的控制作用VGS=0，漏源间加正电压由于存在电位梯度，越靠近漏端，PN结反偏电压越大，耗尽层越宽。52VDS控制作用小结：增加VDS的大小

，一方面可增加漏极电流ID，另一方面由于导电沟道变窄，电阻增大，又使漏极电流

ID减小。但是在预夹断前，可近似认为沟道电阻基本上决定于VGS，即ID随VDS线性增加。

VDS对沟道的影响是不均匀的，使沟道呈楔形。53VGS<0，漏源间加正电压|VGS|<|VP|时随着VDS增加，ID线性增大。当VDS增加至使VGD=VGS-VDS=VP时，靠近漏端的沟道被预夹断。54|VGS|<|VP|时随着VDS继续增加，夹断区向下延伸。增加的VDS主要降落在夹断区上，因此，ID基本恒定。5556N沟道JFET特性曲线在漏源电压vDS一定的条件下，栅源电压vGS对漏极电流iD的控制特性。转移特性曲线转移特性曲线可由输出特性曲线获得。

其中，

IDSS为饱和漏极电流。

57输出特性曲线在栅源电压vGS一定的情况下，漏极电流iD与漏源电压vDS之间的关系。5