模电课件第五章

5场效应管放大电路5.1金属-氧化物-半导体（MOS）场效应管5.3结型场效应管（JFET）*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5.2MOSFET放大电路15.0场效应管——场效应管(FieldEffectTransistor，简称FET)BJT(三极管)是一种电流控制元件(iB~iC)。工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，所以能耗大，温度特性差。FET是一种电压控制器件(vGS~iD)。它的输出电流决定于输入电压的大小，基本上不需要信号源提供电流，所以它能耗小，输入电阻高，且温度稳定性好。2P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5.0场效应管的分类：35.1金属-氧化物-半导体（MOS）场效应管5.1.1N沟道增强型MOSFET5.1.5MOSFET的主要参数5.1.2N沟道耗尽型MOSFET5.1.3P沟道MOSFET5.1.4沟道长度调制效应45.1.1N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>L55.1.1N沟道增强型MOSFET剖面图1.结构（N沟道）符号62.工作原理（1）VGS对沟道的控制作用当VGS≤0时d、s间加电压时，无电流产生。当VGS>0时产生电场5.1.1N沟道增强型MOSFETDS之间相当于两个反偏的PN结ID=0自由电子浓度增加无导电沟道未形成导电沟道（感生沟道），d、s间加电压后，没有电流产生。当VGS<VT时7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2.工作原理（1）VGS对沟道的控制作用5.1.1N沟道增强型MOSFET导电沟道相当于电阻将D-S连接起来，VGS越大此电阻越小。82.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？电流ID是否会随着VDS的增加一直线性增长？9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。2.工作原理（2）VDS对沟道的控制作用在预夹断处：VGD=VGS-VDS=VT预夹断后，VDS夹断区延长沟道电阻ID基本不变102.工作原理（3）VDS和VGS同时作用时

VDS一定，VGS变化时给定一个vGS，就有一条不同的iD–vDS曲线。11以上分析可知沟道中只有一种载流子参与导电，所以场效应管也称为单极型三极管。MOSFET是电压控制电流器件（VCCS），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。

MOSFET的栅极是绝缘的，所以iG0，输入电阻很高。只有当VGS>VT时，增强型MOSFET的d、s间才能导通。？MOSFET与BJT有什么不同？MOSFET只有一种载流子参与导电，而BJT有两种载流子参与导电MOSFET比BJT输入电阻大MOSFET是VCCS,BJT是CCCS123.

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。没有导电沟道133.

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）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/V2有导电沟道且沟道未被夹断143.

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由于vDS较小，可近似为rdso是一个受vGS控制的可变电阻②可变电阻区vDS≤（vGS－VT）153.

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：导电沟道被夹断以后？此时场效应管的V-I特性方程是怎样的？

163.

V-I特性曲线及大信号特性方程（2）转移特性

为什么不考虑输入特性曲线？ABCDE？175.1.2N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18vGS>0时，沟道变宽vGS<0时，沟道变窄，当vGS=Vp时，沟道被夹断iD=0,iG=0结论：可以在正或负的栅源电压下工作，而且基本上无栅流1.结构和工作原理（N沟道）192.V-I特性曲线及大信号特性方程

（N沟道增强型）为零栅压的漏极电流，称为饱和漏极电流IDSS205.1.3P沟道MOSFET#衬底是什么类型的半导体材料？#哪个符号是增强型的？#在增强型的P沟道MOSFET中，vGS应加什么极性的电压才能工作在饱和区（线性放大区）？？215.1.4沟道长度调制效应实际上饱和区的曲线并不是平坦的L的单位为m当不考虑沟道调制效应时，＝0，曲线是平坦的。

修正后225.1.5MOSFET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→∞

235.1.5MOSFET的主要参数2.低频互导gm

二、交流参数考虑到则其中245.1.5MOSFET的主要参数end三、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

25场效应管与晶体管的比较电流控制电压控制控制方式电子和空穴两种载流子同时参与导电载流子电子或空穴中一种载流子参与导电类型

NPN和PNPN沟道和P沟道放大参数

rce很高

rds很高输出电阻输入电阻较低较高双极型三极管单极型场效应管热稳定性差好制造工艺较复杂简单，成本低对应电极

B—E—CG—S—D26(1)静态：适当的静态工作点，使场效应管工作在恒流区，场效应管的偏置电路相对简单。

(2)动态：能为交流信号提供通路。组成原则：静态分析：估算法、图解法。动态分析：图解法、微变等效电路法。分析方法：5.2MOSFET放大电路275.2MOSFET放大电路5.2.1MOSFET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5.2.2带PMOS负载的NMOS放大电路（CMOS共源放大电路）28FET放大电路的三种组态5.2.1MOSFET放大电路输入在栅极,输出在漏极:共源极放大电路(CS)输入在栅极,输出在源极:共漏极放大电路(CD漏极输出器)输入在源极,输出在漏极:共栅极放大电路(CG)291.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）（2）带源极电阻的NMOS共源极放大电路（3）电流源偏置的NMOS共源极放大电路？场效应管的静态工作量由那些参数决定？

VGS、VDS、ID

305.2.1MOSFET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？如何画直流通路和交流通路？315.2.1MOSFET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32设Rd=15k，VZ=3V,

VDD=5V，

VT=1V，Kn=0.2mA/V2,求静态工作点（2）Rg1=45k，Rg2=5k,（3）Rg1=70k，Rg2=30k,VDD+-vi+-voVz（1）Rg1=60k，Rg2=40k,解：（1）先求VGS：

（4）Rg1=30k，Rg2=30k,假设工作在饱和区满足假设成立，结果即为所求。33VDD+-vi+-voVz（2）Rg1=45k，Rg2=5k,（3）Rg1=70k，Rg2=30k,截止区所以工作于饱和区VDSQ=3V如果Rg1=30k，Rg2=30k,结果又如何？

假设工作于饱和区？34VDD+-vi+-voVz（4）Rg1=30k，Rg2=30k,假设工作于饱和区假设不合理，设工作于可变电阻区故工作于可变电阻区，VDSQ=0.5V355.2.1MOSFET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NMOS共源极放大电路饱和区需要验证是否满足365.2.1MOSFET放大电路1.直流偏置及静态工作点的计算静态时，vI＝0，VG＝0，ID＝I电流源偏置VS＝VG－VGS（饱和区）求出VGSVDS＝

VDD－

IDRD－

VS（3）电流源偏置的NMOS共源极放大电路375.2.1MOSFET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vivGS＝VGGQiD0ωtvDS0ωtIDQidVDSQvds383.小信号模型分析（1）模型（微变等效电路）（2）放大电路分析共源极放大电路共漏极放大电路39互导漏极输出电阻vGSiDvDS5.2.1MOSFET放大电路3.小信号模型分析（1）模型gsd40很大，可忽略。=0时（1）模型（微变等效电路）3.小信号模型分析高频小信号模型413.小信号模型分析解：例5.2.2的直流分析已求得：（2）放大电路分析（例5.2.5）423.小信号模型分析（2）放大电路分析（例5.2.5）取id所在回路取vgs所在回路433.小信号模型分析（2）放大电路分析（例5.2.6）共漏443.小信号模型分析（2）放大电路分析45riro

rogR2R1RGsdRLRS微变等效电路（3）共漏极放大电路vo+VDDRSviC1R1RGR2RL150k50k1M10kDSC2G3.小信号模型分析46riRL输入电阻ri输出电阻rogR2R1RGsdRS微变等效电路

roro47场效应管放大电路小结(1)场效应管放大器输入电阻很大。(2)场效应管共源极放大器(漏极输出)输入输出反相，电压放大倍数大于1；输出电阻=RD。(3)场效应管源极跟随器输入输出同相，电压放大倍数小于1且约等于1；输出电阻小。48例：设gm=3mA/V，=50，场效应管=0前级:场效应管共源极放大器后级:晶体管共射极放大器求：总电压放大倍数、输入电阻、输出电阻。+VCCRS3M(+24V)R120k10kC2C3R4R3RLRE282k43k10k8k10kC1RCT1RE1CE2T2CE1RD10kR21M49（1）估算各级静态工作点:（2）动态分析:

微变等效电路首先计算第二级的输入电阻：

ri2=

R3//R4//rbe=82//43//1.64=1.64kR3R4RCRLRSR2R1RDrbegds50第二步：计算各级电压放大倍数R3R4RCRLRSR2R1RDrbegds51第三步：计算输入电阻、输出电阻ri=R1//R2=3//1=0.75Mro=RC=10kR3R4RCRLRSR2R1RDrbegds52第四步：计算总电压放大倍数Av=Av1Av2=(-4.2)(-152)=638.4R3R4RCRLRSR2R1RDrbegds535.2.2带PMOS负载的NMOS放大电路（CMOS共源放大电路）不作要求end54N基底：N型半导体PP两边是P区G(栅极)S源极D漏极一、结构导电沟道5.3结型场效应管剖面图55NPPG(栅极)S源极D漏极N沟道结型场效应管DGS一、结构PNNG(栅极)S源极D漏极DGSP沟道结型场效应管56二、工作原理（以P沟道为例）VDS=0V时PGSDVDSVGSNNNNIDPN结反偏，VGS越大则耗尽区越宽，导电沟道越窄。1、VGS对沟道的控制作用当VGS较小时，耗尽区宽度有限，存在导电沟道。DS间相当于线性电阻。