模电0场效应管及放大2课件

模拟电子技术基础电子教案V1.0陈大钦主编1目录第1章绪论第2章半导体二极管及其应用电路第3章半导体三极管及其放大电路基础第4章多级放大电路及模拟集成电路基础第5章信号运算电路第6章负反馈放大电路第7章信号处理与产生电路第8章场效应管及其放大电路第9章功率放大电路第10章集成运算放大器第11章直流电源模拟电子技术基础28场效应管及其放大电路8.2结型场效应管8.1金属-氧化物-半导体(MOS)场效应管8.3场效应管放大电路及模拟集成电路基础8场效应管及其放大电路8.4各种放大器件及电路性能比较类比：与BJT放大电路自学（归纳、比较）简单介绍，与JFET对比掌握场效应管的工作原理注意与BJT的异同点3已知图示放大电路中三极管的=60，rbe=3k。(1)若电容C3断开，求Ri(2)接上C3后，求Ri。分析举例5引言8场效应管放大电路1、问题的引出进一步提高Ri，但BJT的Je正偏，rbe较小sgdvBEvCEiBcebiC6引言8场效应管放大电路1、问题的引出2、分类进一步提高Ri，但BJT的Je正偏，rbe较小FET场效应管JFET结型MOSFET绝缘栅型N沟道P沟道增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道P沟道（耗尽型）78.2.1结型场效应管的结构和工作原理1.结构和符号N型导电沟道漏极D(d)源极S(s)导电沟道电阻——长度、宽度、掺杂P+P+反偏的PN结——反偏电压控制耗尽层结构特点:空间电荷区（耗尽层）栅极G(g)9图8.2.1N沟道结型场效应管(a)结构剖面图(b)结构示意图导电沟道8.2.1结型场效应管的结构和工作原理1.结构和符号2.工作原理①VGS对沟道的控制作用(VDS=0)②VDS对沟道的影响(VGS=0)③

VGS和VDS同时作用时102.工作原理8.2.1结型场效应管的结构和工作原理VGS=0VGS＜0(反偏)VGS=VP耗尽层加厚|VGS|

增加沟道变窄沟道电阻增大全夹断（夹断电压）①VGS对沟道的控制作用(VDS=0)112.工作原理8.2.1结型场效应管的结构和工作原理②VDS对沟道的影响(VGS=0)132.工作原理③

VGS和VDS同时作用时14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是电压控制电流器件，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。#

为什么JFET的输入电阻比BJT高得多？

JFET栅极与沟道间的PN结是反向偏置的，因此

iG0，输入电阻很高。15VP8.2.2结型场效应管的特性曲线及参数#

JFET有正常放大作用时，沟道处于什么状态？2.转移特性1.输出特性178.2.2结型场效应管的特性曲线及参数3.主要参数①夹断电压VP(或VGS(off))：②饱和漏极电流IDSS：漏极电流约为零时的VGS值。VGS=0时对应的漏极电流。③直流输入电阻RGS：结型FET，反偏时RGS约大于107Ω。⑤最大漏极功耗PDM④最大漏源电压V(BR)DS

；最大栅源电压V(BR)GS⑦输出电阻rd：⑥低频跨导gm：或低频跨导反映了vGS对iD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)。188.1金属-氧化物-半导体(MOS)场效应管8.1.1N沟道增强型MOS场效应管8.1.2N沟道耗尽型MOS场效应管8.1.3P沟道MOS场效应管8.1.4MOS场效应管的主要参数191.结构8.1.1N沟道增强型MOS场效应管21

2.工作原理8.1.1N沟道增强型MOS场效应管228.1.2N沟道耗尽型MOS场效应管N沟道增强型MOS管238.1.1N沟道增强型MOS场效应管8.1金属-氧化物-半导体(MOS)场效应管BJT三极管场效应管电流控制电流型器件电压控制电流型器件双极型器件单极型器件场效应管按基本结构分类:金属一氧化物-半导体场效应管（MOSFET）结型场效应管（JFET）N沟道（电子型）P沟道（空穴型）增强型耗尽型重点讨论N沟道增强型MOS管1.结构2.工作原理3.特性曲线与特性方程4.沟道长度调制效应251.结构8.1.1N沟道增强型MOS场效应管(a)结构图(b)结构剖面图(c)电路符号图8.1.1N沟道增强型MOSFET结构及符号262.工作原理8.1.1N沟道增强型MOS场效应管（1）vGS对iD的控制作用①

vGS＝0，没有导电沟道②

vGS≥VT时，出现N型沟道（2）vDS对iD的影响①

vDS较小时，iD迅速增大②

vDS较大出现夹断时，iD趋于饱和272.工作原理8.1.1N沟道增强型MOS场效应管（d）（c）图8.1.2①

vDS较小时，iD迅速增大②

vDS较大出现夹断时，iD趋于饱和（2）vDS对iD的影响导电沟道形成后加上vDS，将产生iD。在vGS和vDS共同作用下的综合电位梯度，使得沟道厚度不均匀，靠近漏极一端的沟道最薄。当vDS较小时，沟道厚度不均匀现象对沟道影响较小。当vDS到使vGD=vGSvDS=VT时，漏极一端的沟道厚度为零，这种情况称为预夹断。当vDS继续，使vGSvDS<VT时，形成一夹断区。vDS部分主要降落在夹断区，形成较强的电场，电子仍能克服夹断区阻力到达漏极。但导电沟道的电场基本上不随vDS而，iD趋于饱和，仅取决于vGS。292.工作原理8.1.1N沟道增强型MOS场效应管图8.1.2N沟道增强型MOSFET的基本工作原理示意图①当vGS＜VT时，没有导电沟道，iD＝0。②当vGS≥VT，导电沟道形成，iD0。 vDS较小，导电沟道预夹断前，iD与vDS成线性关系。 当vDS到预夹断出现后，iD趋于饱和。③漏极电流iD受栅源电压vGS控制，因此场效应管是电压控制电流器件。由上述分析可知：303.特性曲线与特性方程8.1.1N沟道增强型MOS场效应管(1)输出特性及特性方程(2)转移特性(1)输入特性曲线(2)输出特性曲线31(1)输出特性及特性方程3.特性曲线与特性方程8.1.1N沟道增强型MOS场效应管图8.1.3N沟道增强型MOS管输出特性①截止区②可变电阻区③饱和区（恒流区、放大区）vGS<VT，没有导电沟道，iD＝0。vGS＞VT，有沟道；但vDS≤(vGSVT)，导电沟道未预夹断。漏源之间可以看成受vGS控制的可变电阻vDS≥(vGSVT)，导电沟道预夹断后。32(2)转移特性3.特性曲线与特性方程8.1.1N沟道增强型MOS场效应管图8.1.4N沟道增强型MOS管转移特性图8.1.3N沟道增强型MOS管输出特性转移特性可以直接从输出特性上用作图法求出。在饱和区内，不同vDS下的转移特性基本重合。334.沟道长度调制效应8.1.1N沟道增强型MOS场效应管在理想情况下，当MOS场效应管工作在饱和区时，vDS对iD的影响可以忽略，输出特性曲线与横坐标轴平行。对于典型器件，的值可近似表示为:

而实际的输出特性曲线在饱和区会略向上倾斜，即vDS增加时，iD会略有增加。这是因为vDS对沟道长度L的调制作用，常用沟道长度调制参数对描述输出特性的公式进行修正。电导常数Kn(单位:mA/V2)式中:Kn称为本征导电因子（通常为常量），n是反型层中电子迁移率，Cox为氧化层单位面积电容。沟道长度L（一般为0.5～10m）和宽度W（一般为0.5～50m），34图8.1.5N沟道耗尽型MOSFET(b)电路符号(a)结构剖面图1.结构和工作原理简述耗尽型与增强型的区别:生产耗尽型MOS管时，在SiO2绝缘层中掺入大量正离子。在正离子的作用下，即使vGS=0，也会在P型衬底上感应出电子，形成N型沟道，此时只要加上正的vDS，就会产生电流iD。当vGS＜0时，则沟道变窄，从而使iD减小。当vGS＞0时，栅极与沟道间的电场将在沟道中感应出更多的电子，使沟道变宽，沟道电阻减小，iD增加。当vGS＜0并达到某值时，使感应的电子消失，沟道完全被夹断。这时即使加正向vDS，也不会有电流iD。此时的栅源电压称为夹断电压Vp。358.1.2N沟道耗尽型MOS场效应管8.1金属-氧化物-半导体(MOS)场效应管2.特性曲线与特性方程图8.1.6N沟道耗尽型MOS管特性曲线(a)输出特性曲线(b)转移特性①截止区②可变电阻区③饱和区（恒流区、放大区）vGS＜VP，iD=0vGS＞VP，0＜vDS＜vGSVP

vGS＞VP，vDS≥vGSVP

考虑沟道长度调制效应，则368.1.3P沟道MOS场效应管8.1金属-氧化物-半导体(MOS)场效应管P沟道MOS管是在N型衬底表面生成P型反型层作为沟道。P沟道MOS管与N沟道MOS管的结构和工作原理类似，并且也有增强型和耗尽型两种。使用时，vGS、vDS的极性与N沟道MOS管相反。P沟道增强型MOS管的开启电压VT是负值，而P沟道耗尽型MOS管的夹断电压VP为正值。P沟道增强型MOSFETN沟道增强型MOSFETP沟道耗尽型MOSFETN沟道耗尽型MOSFET37三、极限参数1.开启电压VT2.夹断电压VP一、直流参数二、交流参数3.饱和漏电流IDSS4.直流输入电阻RGS1.低频跨导gm2.输出电阻rds

3.极间电容Cgs、Cgd

1.最大漏极电流IDM2.最大耗散功率PDM3.最大漏源电压V(BR)DS4.最大栅源电压V(BR)GS38一、直流参数8.1.4MOS场效应管的主要参数8.1金属-氧化物-半导体(MOS)场效应管1.开启电压VT2.夹断电压VP3.饱和漏电流IDSS4.直流输入电阻RGSVT是增强型MOS管的参数。当vDS为某一固定值（例如10V），使iD等于一个微小的电流（例如50A）时，栅源之间所加的电压。VP是耗尽型MOS管的参数。令vDS为某一固定值（例如10V），使iD等于一个微小的电流（例如20A）时，栅源之间所加的电压。IDSS是耗尽型FET的参数。在vGS=0的条件下，产生预夹断时的漏极电流。在漏源之间短路的条件下，栅源之间加一定电压时的栅源直流电阻就是直流输入电阻RGS。MOS管的RGS可达109～1015。39二、交流参数8.1.4MOS场效应管的主要参数8.1金属-氧化物-半导体(MOS)场效应管1.低频跨导gm3.极间电容Cgs、Cgd

2.输出电阻rds

Cgs是栅源极间电容，约为1~3pF，Cgd是栅漏极间电容，约为0.1~1pF。在低频情况下，它们的影响可以忽略，但在高频工作时，必须予以考虑。是输出特性某一点上切线斜率的倒数，说明vDS对iD的影响。在饱和区内，iD几乎不随vDS而变化，故rds。考虑沟道调制效应(增强型MOS)，有它是转移特性上工作点的切线的斜率，反映了栅源电压对漏极电流的控制能力。gm随工作点的不同而变，一般在十分之几至几mS的范围内，特殊的可达100mS，甚至更高。40三、极限参数8.1.4MOS场效应管的主要参数8.1金属-氧化物-半导体(MOS)场效应管1.最大漏极电流IDM2.最大耗散功率PDM3.最大漏源电压V(BR)DS4.最大栅源电压V(BR)GS是指栅源间的PN结发生反向击穿，反向电流开始急剧增加时的vGS值。是指发生雪崩击穿、iD开始急剧上升时的vDS值。PD＝vDSiD，这些耗散功率将变为热能，使管子的温度升高。为了限制它的温度不要升得太高，就要限制它的耗散功率不能超过最大数值PDM。显然，PDM受管子最高工作温度的限制。IDM是管子正常工作时允许的最大漏极电流。41vGS=VPvGS=VT各种FET的特性比较428.3场效应管放大电路及模拟集成电路基础8.3.1场效应管放大电路的静态分析8.3.2场效应管的微变等效电路8.3.3场效应管电流源8.3.4场效应管差分放大电路43分析思路8.3场效应管放大电路及模拟集成电路基础VP两个要点：1、合适的静态工作点2、叠加原理的应用448.3.1场效应管放大电路的静态分析8.3场效应管放大电路及模拟集成电路基础1.直流偏置电路（b）分压式自偏压电路分压式射极偏置电路耗尽MOS管结型场效应管增强MOS管458.3.1场效应管放大电路的静态分析8.3场效应管放大电路及模拟集成电路基础1.直流偏置电路（b）分压式自偏压电路（a）自偏压电路耗尽MOS管结型场效应管图8.3.1场效应管的两种偏置电路468.3.1场效应管放大电路的静态分析8.3场效应管放大电路及模拟集成电路基础2.静态工作点的确定公式估算法公式估算法确定静态工作点(VGSQ、IDQ和VDSQ)：图解法与半导体三极管放大电路类似饱和区转移特性方程G、S偏置方程沟道所在回路KVL方程耗尽MOS管结型场效应管增强MOS管分压式自偏压电路自偏压电路对于N沟道增强型场效应管，如果计算出的VDSQ＞VGSQVT，说明该场效应管工作在饱和区。47例8.3.4 共漏极电路如图8.3.8所示，其中场效应管为N沟道结型 场效应管。已知Rg1=2M，Rg2=47k，Rg3=10M，Rd=30k，R=2k，VDD=18V，场效应管的VP=1V，Kn=0.5mA/V2，且=0。试确定Q点，并计算电压增益、输入电阻和输出电阻。图8.3.8例8.3.4电路解：①首先计算Q点VGSQ=0.42IDQ

设场效应管工作在饱和区因IDSS=0.5mA，所以IDQ=0.31mA。 VGSQ=0.22V， VDSQ=VDDIDQ(Rd+R)=8.1V。Kn＝IDSS/Vp2

48例8.3.1解:电路如图8.3.1b所示，已知Rg1=300k，Rg2=200k，Rd=5k，R=0，VDD=5V，VT=1V，Kn=0.5mA/V2，试计算电路的静态工作点的值。图8.3.1（b）由于VDSQ＞(VGSQVT)=(21)V=1V，说明该场效应管确实工作在饱和区，上面的分析是正确的。如果初始假设被证明是错误的，则必须重新假设，并重新分析电路。设N沟道增强型MOS管工作在饱和区增强MOS管49508.1.2N沟道耗尽型MOS场效应管8.1金属-氧化物-半导体(MOS)场效应管2.特性曲线与特性方程图8.1.6N沟道耗尽型MOS管特性曲线(a)输出特性曲线(b)转移特性①截止区②可变电阻区③饱和区（恒流区、放大区）vGS＜VP，iD=0vGS＞VP，0＜vDS＜vGSVP

vGS＞VP，vDS≥vGSVP

考虑沟道长度调制效应，则51(1)输出特性及特性方程3.特性曲线与特性方程8.1.1N沟道增强型MOS场效应管图8.1.3N沟道增强型MOS管输出特性①截止区②可变电阻区③饱和区（恒流区、放大区）vGS<VT，没有导电沟道，iD＝0。vGS＞VT，有沟道；但vDS≤(vGSVT)，导电沟道未预夹断。漏源之间可以看成受vGS控制的可变电阻vDS≥(vGSVT)，导电沟道预夹断后。528.3.2场效应管的微变等效电路8.3场效应管放大电路及模拟集成电路基础(a)N沟道增强型MOS管 (b)交流等效模型图8.3.2MOS管的低频小信号等效模型(a)共射极连接时的二端口网络(b)H参数等效模型图3.3.9三极管H参数及等效模型531.场效应管的低频小信号等效模型8.3.2场效应管的微变等效电路(a)N沟道增强型MOS管 (b)交流等效模型图8.3.2MOS管的低频小信号等效模型

为低频跨导rds为场效应管的输出电阻输入端口输出端口由于iG=0，可视为开路542.场效应管的高频小信号等效模型8.3.2场效应管的微变等效电路图8.3.3场效应管的高频小信号模型(a)N沟道增强型MOS管 (b)交流等效模型图8.3.2MOS管的低频小信号等效模型图中: Cgd——栅漏电容 Cgs——栅源电容 Cgb——栅极-衬底间电容 Cds——漏源电容如果源极与衬底没有相连，则还需考虑Cbs和Cbd。552.场效应管的高频小信号等效模型8.3.2场效应管的微变等效电路图中: Cgd——栅漏电容 Cgs——栅源电容 Cgb——栅极-衬底间电容 Cds——漏源电容如果源极与衬底没有相连，则还需考虑Cbs和Cbd。563.场效应管放大电路的微变等效电路分析8.3.2场效应管的微变等效电路(1)画放大电路的微变等效电路(2)确定H参数(3)计算电压增益(4)计算输入电阻Ri(5)计算输出电阻Ro

用微变等效电路法分析共源极和共漏极电路的步骤与半导体三极管电路相同。对于共栅极电路，由于未能有效利用栅极与沟道间的高阻，所以很少应用。分析步骤:57

(1)共源极放大电路的动态分析8.3.2场效应管的微变等效电路图8.3.4图8.3.1b共源极电路的微变等效电路图8.3.1(b)3.场效应管放大电路的微变等效电路分析②输入电阻③输出电阻①电压增益共源极电路的特点是：电路具有电压放大作用，并且输出电压与输入电压相位相反；输入电阻高。585960 电路如图8.3.1b所示，已知VDD=5V，Rd=5k，R=0，

Rg1=300k，Rg2=200k，RL=5k，场效应管的参数为VT=1V，Kn=0.5mA/V2，rds可以视为无穷大，试确定电路的电压增益、输入电阻和输出电阻。Ro=Rd=5k电压增益输入电阻输出电阻例8.3.2解：为计算gm，首先要求静态值。该题与例8.3.1电路及参数相同，已求得VGSQ=2V，所以有图8.3.4图8.3.1b共源极电路的微变等效电路图8.3.1(b)61图8.3.5例8.3.3电路共源极电路如图8.3.5所示，已知VDD=5V，Rd=2.5k，VGSQ=2V，场效应管的参数为VT=1V，Kn=0.8mA/V2，。当MOS管工作于饱和区，试确定电路的电压增益、输入电阻和输出电阻。①求静态值例8.3.3解：②求跨导和输出电阻③求电压增益、输入电阻和输出电阻电压增益为输入电阻Ro=rds//Rd2.4k输出电阻62

(2)共漏极放大电路的动态分析8.3.2场效应管的微变等效电路3.场效应管放大电路的微变等效电路分析②输入电阻③输出电阻①电压增益共源极电路的特点是：又称为源极跟随器，与射极跟随器一样，其电压增益小于1，但接近于1，输出电压与输入电压同相位。输入电阻大，输出电阻小。(b)微变等效电路图8.3.6共漏极电路(a)电路63图8.3.7求共漏极放大电路Ro的电路输出电阻的证明(b)微变等效电路图8.3.6共漏极电路

(2)共漏极放大电路的动态分析8.3.2场效应管的微变等效电路3.场效应管放大电路的微变等效电路分析由S点KCL有64例8.3.4 共漏极电路如图8.3.8所示，其中场效应管为N沟道结型 场效应管。已知Rg1=2M，Rg2=47k，Rg3=10M，Rd=30k，R=2k，VDD=18V，场效应管的VP=1V，Kn=0.5mA/V2，且=0。试确定Q点，并计算电压增益、输入电阻和输出电阻。图8.3.8例8.3.4电路解：①首先计算Q点VGSQ=0.42IDQ

设场效应管工作在饱和区②求跨导gm和场效应管输出电阻rds因IDSS=0.5mA，所以IDQ=0.31mA。 VGSQ=0.22V， VDSQ=VDDIDQ(Rd+R)=8.1V。由于=0，所以rds可视为无穷大65例8.3.4 共漏极电路如图8.3.8所示，其中场效应管为N沟道结型 场效应管。已知Rg1=2M，Rg2=47k，Rg3=10M，Rd=30k，R=2k，VDD=18V，场效应管的VP=1V，Kn=0.5mA/V2，且=0。试确定Q点，并计算电压增益、输入电阻和输出电阻。图8.3.8例8.3.4电路解：③计算电压增益、输入电阻和输出电阻664.场效应管三种放大电路的性能比较共源极电路共漏极电阻共栅极电路电压增益高输出电压与输入电压反相输入电阻大电压增益小于1但接近1输出、输入电压同相输入电阻高,输出电阻低电压增益高输出、输入电压同相输入电阻小67图8.3.9MOS管基本电流源与半导体三极管镜像电流源结构相同。T1、T2是N沟道增强型MOS对管，由于T1管的漏极与栅极相连，只要VDD＞VT，则T1工作在饱和区，并使T2管的VDS2≥VGS2VT，保证T2工作在饱和区。如果不考虑沟道调制效应，则：若两管的参数完全相同，若两管的宽长比不同时，由于所以动态输出电阻Ro=rds2

求电路的动态输出电阻：1.场效应管镜像电流源681.场效应管镜像电流源8.3.3场效应管电流源8.3场效应管放大电路及模拟集成电路基础图8.3.9MOS管基本电流源图8.3.10用有源电阻构成MOS管电流源在集成电路中，通常电阻R是用有源电阻代替的，如图8.3.10所示，则合理设计T1、T3管的宽长比，就可以得到符合要求的参考电流IREF。692.场效应管多路电流源8.3.3场效应管电流源8.3场效应管放大电路及模拟集成电路基础将图8.3.10所示的镜像电流源进行扩展，可以得到图8.3.11所示的多路电流源。T0~T4的开启电压均相等的情况下，则有图8.3.10用有源电阻构成MOS管电流源图8.3.11MOS管多路电流源703.电流源为有源负载的场效应管放大电路8.3.3场效应管电流源8.3场效应管放大电路及模拟集成电路基础图8.3.9MOS管基本电流源图8.3.12有源负载共源极放大电路T1为放大管，由N沟道增强型MOS管构成，T2、T3为P沟道增强型MOS管组成的镜像电流源，作T1的有源负载，恒流源符号所代表的可以是图8.3.9中的电阻R，也可以是图8.3.10中的MOS管T3等。当宽长比相同时，有ID2=IREF空载时T1管的静态漏极电流ID1=ID2=IREF与漏极接电阻的放大电路相比，有源负载共源极电压增益将大大提高。71图8.3.13结型场效应管差分放大电路图4.3.12具有电流源的差分放大电路从前面介绍的差分放大电路已知，由半导体三极管构成的差分放大电路对共模信号有很好的抑制能力，但差模输入电阻较低。因此，在高输入阻抗模拟集成电路中，常利用场效应管的输入电阻大、输入电流小等优点，组成差分放大电路。721.结型场效应管差分放大电路8.3场效应管放大电路及模拟集成电路基础8.3.4场效应管差分放大电路图8.3.13结型场效应管差分放大电路场效应管差分放大电路的电路结构、工作原理和分析方法与三极管差分放大电路基本相同。双端输入、双端输出时双端输入、单端输出时732.MOS管差分放大电路8.3.4场效应管差分放大电路图8.3.14MOS管差分放大电路图中:T1、T2为N沟道增强型MOS管作为差分放大管;

T3、T4管为P沟道增强型MOS管构成有源电阻;因此该电路又称为互补MOS，即CMOS差分放大电路。

Io是电流源(交流内阻为ro)。为T1、T2管提供偏置电流。为简便起见，设T1～T4管特性相同，并且它们均工作在饱和区。静态时:vi1=vi2=0，因电路完全对称，所以各个场效应管的漏极电流相等，

ID1=ID2=ID3=ID4=Io/2，输出电流io2=0。为双端输入、单端输出的差分放大电路74差模分析——双端输入(vi1=vi2=vid/2)、单端输出:如果差模信号使T1管漏极电流产生一个增量id1=gmvid/2。由于T3、T4管组成电流镜，根据电流镜原理，T3、T4管漏极电流的增加与id1相同，方向如图b所示。差模信号同时使T2管电流等量减小，所以方向与id1相反。图8.3.14MOS管差分放大电路(a)电路(b)差模输入时的交流通路2.MOS管差分放大电路8.3.4场效应管差分放大电路75图8.3.14MOS管差分放大电路(b)差模输入时的交流通路2.MOS管差分放大电路8.3.4场效应管差分放大电路差模分析——双端输入(vi1=vi2=vid/2)、单端输出:vo2=(id2+id4)

(rds2//rds4)

=gmvid(rds2//rds4