模电第五章,场效应管放大电路

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5.1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P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(IGFET)绝缘栅型耗尽型：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：5.1.1N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>L5.1.1N沟道增强型MOSFET剖面图1.结构（N沟道）符号5.1.1N沟道增强型MOSFET2.工作原理（1）vGS对的控制作用①vGS≤0时d、s间PN结相背，无导电沟道②vGS>0时感应出负电荷，形成反型层（N型）——把d、s间连接起来，形成导电沟道。形成反型层的最小栅压——称为开启电压。③

vGS>VT时沟道加宽，电阻变小，。外加栅压后才形成导电沟道的——称为增强型2.工作原理（2）vDS对沟道的控制作用整个沟道呈楔形分布当

一定（

）时，

沟道电位梯度靠近漏极d处的电位升高电场强度减小沟道变薄在预夹断处：当

增加到使

时，在紧靠漏极处出现预夹断。（2）vDS对沟道的控制作用预夹断后，夹断区延长沟道电阻基本不变。（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。一定，

变化时，随而变3.

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（2V）时，导电沟道尚未形成，iD＝0，为截止工作状态。分为三个区（1）输出特性及大信号特性方程②可变电阻区

vDS≤（vGS－VT）近似为较小时随迅速增大由于

较小，可近似为是一个受

控制的可变电阻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其中本征电导因子Kn为电导常数，单位：mA/V2③饱和区（又称恒流区、放大区）vGS

>VT

，且vDS≥（vGS－VT）预夹断临界点是vGS＝2VT时的iD

V-I特性：不随变化，将预夹断临界条件代入得：（2）转移特性s5.1.2N沟道耗尽型MOSFET1.结构和工作原理简述（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2.V-I特性曲线及大信号特性方程

（N沟道增强型）饱和漏极电流()时的夹断电压（）时沟道夹断。5.1.3P沟道MOSFET各种类型MOS管的特性曲线绝缘栅场效应管N沟道增强型P沟道增强型各种类型MOS管的特性曲线绝缘栅场效应管

N沟道耗尽型P

沟道耗尽型5.1.4沟道长度调制效应实际上饱和区的曲线并不是平坦的当不考虑沟道调制效应时，＝0，曲线是平坦的。

L的单位为m修正后沟道长度调制参数V-I特性曲线输出特性(1)可变电阻区

vDS≤（vGS－VT）近似为:(2)饱和区(放大区）vGS

>VT

，vDS≥（vGS－VT）预夹断临界点修正转移特性5.1.5MOSFET的主要参数一、直流参数1.开启电压VT

（增强型参数）4.直流输入电阻RGS

(栅源间电阻)（109Ω～1015Ω）漏源极短路时，栅源极在一定条件下的等效电阻，RGS可达几千兆欧。在饱和区增强型MOS管的漏极电流

（通常规定

）时，所对应的栅源间的电压值。3.饱和漏极电流IDSS

（耗尽型参数）在情况下（通常），时的漏极电流。2.夹断电压VP

（耗尽型参数）在

为某一固定数值时（例如10V），使等于一微小电流（如）时的

值。二、交流参数1.输出电阻rds

NMOS增强型当不考虑沟道调制效应时，＝0，rds→∞

二、交流参数考虑到则其中2.低频互导gm——表示

对

的控制作用在转移特性曲线上，是曲线在某点上的斜率，也可由

的表达式求导得出，单位为S或mS。三、极限参数1.最大漏极电流IDM

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

3.最大漏源电压V（BR）DS

发生雪崩击穿时的4.最大栅源电压V（BR）GS

是栅源间反向电流开始急剧增加时的。几种常用的场效应三极管的主要参数见表5.2MOSFET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5.2.1MOSFET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）共源极放大电路直流通路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工作于饱和区工作于可变电阻区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，1.直流偏置及静态工作点的计算（2）带源极电阻的NMOS共源极放大电路需要验证是否满足饱和区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）（3）电流源偏置（例5.2.3）设管子工作于饱和区管子工作于饱和区假设正确2.图解分析由于负载开路，交流负载线与直流负载线相同负载线与的交点就是Q点已知场效应管输出特性表达式：求全微分:漏极与源极间等效电导变化量其中：低频跨导,可从输出曲线上求出（1）场效应管微变等效电路3.小信号模型分析0时高频小信号模型场效应管微变等效电路解：例5.2.2的直流分析已求得：（2）放大电路分析s①共源极放大电路（例5.2.5）s①共源极放大电路（例5.2.5）（2）放大电路分析②共漏极放大电路(源极输出器、源极跟随器)例5.2.6共漏共漏（2）放大电路分析*5.2.2带PMOS负载的NMOS放大电路本小节不作教学要求，有兴趣者自学5.3结型场效应管

5.3.1JFET的结构和工作原理

5.3.2JFET的特性曲线及参数

5.3.3JFET放大电路的小信号模型分析法5.3.1JFET的结构和工作原理1.结构2.工作原理（1）栅源电压vGS对沟道的控制作用栅源间加反向偏电压（以N沟道JFET为例）对于N沟道的JFET，VP<0。PN结反偏耗尽层加宽沟道变窄。当沟道夹断时，对应的栅源电压vGS称为夹断电压VP

（或VGS(off)）。①②结型场效应管就是通过改变加在PN结上的反向偏压(栅源电压)的大小来改变耗尽层的宽度,进而改变沟道的宽度和沟道电阻的大小以达到控制沟道电流(漏极电流)的目的。即时，沟道夹断2.工作原理(2)vDS对沟道的控制作用一定(|

|<||)时,

①随着

靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，呈楔形分布②当vDS增加到使

时，导电沟道在A点相遇，沟道被夹断——称为预夹断③继续加大夹断延长沟道电阻

的增量降落在沟道夹断处iD基本不变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栅极与沟道间的PN结是反向偏置的，因此，

输入电阻很高。预夹断前

与呈近似线性关系；预夹断后，趋于饱和。JFET是电压控制电流器件，

受

控制。5.3.2JFET的特性曲线及参数2.转移特性1.输出特性(VP≤vGS≤0)3.主要参数(与MOSFET类似)④输出电阻rd：或③

低频跨导gm：低频跨导反映了

对

的控制作用。gm可以在转移特性曲线上求得，单位是mS(毫西门子)。①夹断电压VP(或VGS(off))：漏极电流约为零时的

值。②饱和漏极电流IDSS：

时的漏极电流称为饱和漏极电流IDSS。3.主要参数⑤直流输入电阻RGS：对于结型场效应管，反偏时RGS约大于107Ω。⑧最大漏极功耗PDM⑥

最大漏源电压V(BR)DS⑦最大栅源电压V(BR)GS5.3.3JFET放大电路的小信号模型分析法(场效应管放大电路)直流偏置电路静态工作点

FET小信号模型动态指标分析三种基本放大电路的性能比较

4.4.2FET放大电路的小信号模型分析法

4.4.1

FET的直流偏置及静态分析vGSvGS（1）自偏压电路5.3.3JFET放大电路的小信号模型分析法(场效应管放大电路)1.直流偏置及静态分析vGSvGS静态工作点：

、

、已知VP，由可解出Q点的

、

、（2）分压式自偏压电路5.3.3JFET放大电路的小信号模型分析法2.JFET小信号模型（1）低频模型（2）高频模型3.动态指标分析中频小信号模型(共源极放大电路)3.动态指标分析（1）中频电压增益忽略rds

，由输入输出回路得则（2）输入电阻（3）输出电阻例5.3.15.5