模拟电子技术8场效应管与放大

模拟电子技术8场效应管与放大第一页，共61页。模拟电子技术基础电子教案V2013陈大钦主编华中科技大学电信系邹韬平2013年3月7日第二页，共61页。课程内容与学时安排第1章绪论 (2h)第2章半导体二极管及其应用电路(4h)第3章半导体三极管及其放大电路基础

(15h)第4章多级放大电路及模拟集成电路基础(4h)第5章信号运算电路 (5h)第6章负反馈放大电路 (6h)第7章信号处理与产生电路 (4h)第8章

场效应管及其放大电路 (4h)48学时第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2个器件BJTFET关键词核心内容1个电路—放大电路三极管集成运放完美的放大电路模拟电子技术重点章介绍放大的基本概念分立元件分立元件电路(放大)

构成规律和分析方法核心、基础线索-不断完善放大性能(读图-741)集成运放实现放大的条件集成运放的应用模电的常用功能电路复习、机动(2h)清明、五一(2h)3第三页，共61页。1091012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必须正偏，使rbe(r)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）反偏的PN结1064第四页，共61页。8场效应管及其放大电路教学大纲(48学时2012版)主要内容MOS场效应管结构及工作原理MOSFET放大电路基本要求(1)了解MOS场效应管的工作原理、特性曲线及主要参数(2)掌握用小信号模型分析法分析MOSFET放大电路的动态指标(3)了解双极型三极管(BJT)和场效应管两种放大电路各自的特点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8.4各种放大器件及电路性能比较计划4学时掌握场效应管的工作原理注意与BJT的异同点类比：与BJT放大电路自学（归纳、比较）5第五页，共61页。8.2结型场效应管8.2.1结型场效应管的结构和工作原理8.2.2结型场效应管的特性曲线及参数2.工作原理1.结构和符号2.主要参数(阅读)1.特性曲线与特性方程JunctionField-EffectTransistor要点：(1)了解JFET(PN结FET)的工作原理和特性(2)特别注意与BJT的异同点6第六页，共61页。+vBE+iE+iC+iB放大电路vI=20mV

iB=20AiE=1mAvO=-0.98VRL1kVEEVCCIBIEICVBEecb++vI放大电路共基接法+vBE+iEii+iCiovO++iB=0.98Ri=vI/iB=1kRi=vI/iE=20iC=0.98mA(a)共基极(b)共发射极7第七页，共61页。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vBEvCEiBcebiCvBEvCEiBcebiC导电沟道电阻

—长度、宽度、掺杂已知PN结反偏时：空间电荷区(耗尽层)加宽且反偏电压耗尽层问题：如何提高Rib?BJT：Je正偏,使rbe较小(iB0)JFET:希望iB=0,反偏PN结N型导电沟道漏极D(d)源极S(s)栅极G(g)8第八页，共61页。(2)工作原理(1)结构和符号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N沟道结型场效应管(a)结构剖面图(b)结构示意图8.2.1结型场效应管的结构和工作原理9第九页，共61页。结论:

可变电阻(受vGS控制)

耗尽型(沟道被耗尽时为全夹断)(2)工作原理①VGS对沟道的控制作用(VDS=0)VGS=0VGS＜0(反偏)VGS=VP耗尽层加厚沟道变窄沟道电阻增大

VGS=0沟道最宽沟道电阻最小VGS＜0:随|VGS|VGS=VP(夹断电压)沟道为全夹断8.2.1结型场效应管的结构和工作原理10第十页，共61页。(2)工作原理②VDS对沟道的影响(VGS=0)VDS

ID影响：由于VGD<0，使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变得不等宽，呈楔(xiē)形分布。VGD=VP时：在紧靠漏极处出现预夹断。

VDS夹断区等比例延长,故ID基本不变(饱和)VGD=VGSVDS

VDS较小时：楔形对沟道电阻影响不大

VDS较大时：楔形对沟道影响增大，使沟道电阻，IDVDS(sat)=VGSVP=VP

VDSID略有增大，沟道长度调制(枝节问题-251页)8.2.1结型场效应管的结构和工作原理11第十一页，共61页。(2)工作原理结论：预夹断后为饱和区，iD不依赖vDS。条件vDS>vDS(sat)VDS(sat)=VGSVP预夹断点轨迹VDS(sat)=VGSVP=VP③

VGS和VDS同时作用时8.2.1结型场效应管的结构和工作原理12第十二页，共61页。综上分析可知vBEvCEiBcebiCvBEvCEiBcebiC

耗尽型沟道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(受vGS控制可变电阻)；预夹断后,iD趋于饱和。JFET栅极与沟道间的PN结是反向偏置的,因此iG0,Ri很高。8.2.1结型场效应管的结构和工作原理

沟道中只有多数载流子参与导电,场效应管也称单极型三极管。13第十三页，共61页。8.2.2结型场效应管的特性曲线及参数(1)输出特性(2)转移特性(1)输入特性(2)输出特性共射#JFET有正常放大作用时，沟道处于什么状态？共源14第十四页，共61页。(1)输出特性(2)转移特性VPIDSS饱和区理想i-v特性考虑饱和区非零斜率饱和区饱和区条件vDS>VDS(sat)=vGSVP(预夹断点轨迹)8.2.2结型场效应管的特性曲线及参数15第十五页，共61页。#

JFET有正常放大作用时，沟道处于什么状态？不同点：相同点：类似的输出特性，都具有放大作用（恒流）。

(1)参变量不同(2)可变电阻区 <－> 饱和区饱和区16第十六页，共61页。8场效应管及其放大电路教学大纲(48学时2012版)主要内容MOS场效应管结构及工作原理MOSFET放大电路基本要求(1)了解MOS场效应管的工作原理、特性曲线及主要参数(2)掌握用小信号模型分析法分析MOSFET放大电路的动态指标(3)了解双极型三极管(BJT)和场效应管两种放大电路各自的特点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8.4各种放大器件及电路性能比较计划4学时掌握场效应管的工作原理注意与BJT的异同点类比：与BJT放大电路自学（归纳、比较）17第十七页，共61页。8.1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要点：掌握MOS管(1)与JFET的异同

(2)沟道？18第十八页，共61页。(1)结构和符号三层结构：M-O-S绝缘；没有沟道(增强型)尺寸小:L=1m;tox=0.04m(2)基本工作原理8.1.1N沟道增强型MOS场效应管N沟道结型场效应管19第十九页，共61页。(1)结构和符号三层结构：M-O-S绝缘；没有沟道(增强型)尺寸小:L=1m;tox=0.04m(2)基本工作原理8.1.1N沟道增强型MOS场效应管20第二十页，共61页。(2)基本工作原理

沟道是如何产生的

vGS对沟道的控制作用

vDS对沟道的影响vGS=0,无沟道vGS必须>0理由(感应沟道)在电场作用下空穴电子的运动vGS吸引电子越多vGS=VT

时，形成N型感生沟道(电子)反型层开启(阈值)电压沟道形成后则同JFETvGS沟道加宽8.1.1N沟道增强型MOS场效应管21第二十一页，共61页。(2)基本工作原理

vDS对沟道的影响(与JFET类似)沟道不等宽预夹断饱和区预夹断

vDS=VDS(sat)VGD=VTN=VGSVDSVDS(sat)=VGSVTN8.1.1N沟道增强型MOS场效应管22第二十二页，共61页。(a)

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。图8.1.3N沟道增强型MOS管输出特性=VT23第二十三页，共61页。(b)

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

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。图8.1.3N沟道增强型MOS管输出特性24第二十四页，共61页。8.1.2N沟道耗尽型MOS场效应管N沟道耗尽型MOSFETN沟道增强型MOSFET8.1.3P沟道MOS场效应管25第二十五页，共61页。N沟道耗尽型MOSFET特性曲线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

增强耗尽增强耗尽8.1.2N沟道耗尽型MOS场效应管26第二十六页，共61页。8.1.4MOS场效应管的主要参数8.1金属-氧化物-半导体(MOS)场效应管一、直流参数二、交流参数三、极限参数1.开启电压VT2.夹断电压VP3.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)GS8.2.2结型场效应管的特性曲线及参数27第二十七页，共61页。MOS晶体管工作原理小结各种FET的特性比较vGS=VPvGS=VTvGS=VP28第二十八页，共61页。MOS晶体管工作原理小结各种FET的特性比较vGS=VPvGS=VTVP＜vGS<0vDS＞VDS(sat)=vGS－VP

VP＜vGSvDS＞VDS(sat)=vGS－VT

vDS＞VDS(sat)=vGS－VP

VT＜vGSvGS=VP29第二十九页，共61页。MOS共源电路的电压传输特性vGS<VT，截止区(无沟道)，iD＝0，vDS＝8V。vGS>VT，vDS≥(vGSVT)

，饱和区(预夹断)。VT＝3V，VDD＝8V，Rd＝4kvGS＞VT，vDS≤(vGSVT)

，可变电阻区。BJT共射电路的电压传输特性当VI<0.7V,BJT截止，VO=5V当VI0.7V，VO

>0.2V，放大WhenVO=0.2V,yieldVI=1.9V.ForVI1.9V,Tissaturation.当VI0.7V，VO

0.2V，饱和30第三十页，共61页。MOS共源电路的电压传输特性vGS<VT，截止区(无沟道)，iD＝0，vDS＝8V。vGS>VT，vDS≥(vGSVT)，饱和区(预夹断)。VT＝3V，VDD＝8V，Rd＝4kvGS＞VT，vDS≤(vGSVT)，可变电阻区。BJT共射电路的电压传输特性31第三十一页，共61页。8场效应管及其放大电路教学大纲(48学时2012版)主要内容MOS场效应管结构及工作原理MOSFET放大电路基本要求(1)了解MOS场效应管的工作原理、特性曲线及主要参数(2)掌握用小信号模型分析法分析MOSFET放大电路的动态指标(3)了解双极型三极管(BJT)和场效应管两种放大电路各自的特点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8.4各种放大器件及电路性能比较计划4学时掌握场效应管的工作原理注意与BJT的异同点类比：与BJT放大电路自学（归纳、比较）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(过渡)32第三十二页，共61页。8.3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33第三十三页，共61页。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34第三十四页，共61页。电压分压器偏置

根据Je正偏VBE回路假设三极管处于放大状态

根据Jc反偏即VCE回路BJT求解Q：IBQ、ICQ

、VCEQ硅管VBE=0.7V，锗管VBE=0.2V。判断：VCE>VCE(sat)=0.2V(放大or饱和)FET求解Q：VGSQ、IDQ

、VDSQ假设Q点在饱和区

根据合适的vGS

根据合适的vDS判断：VGS>VT(增强NMOS) VDS>VDS(sat)=(vGS

VT)(饱和or可变电阻)8.3.1场效应管放大电路的静态分析1.直流偏置电路2.静态工作点的确定35第三十五页，共61页。8.3.1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）分压式自偏压电路耗尽MOS管结型场效应管增强MOS管（a）自偏压电路耗尽MOS管结型场效应管适应管型适应管型36第三十六页，共61页。8.3.1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37第三十七页，共61页。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

38第三十八页，共61页。8.3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39第三十九页，共61页。8.3.2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40第四十页，共61页。三种N沟道FET的小信号等效电路(模型)输入端口输出端口由于iG=0，可视为开路低频跨导输出电阻8.3.2场效应管的微变等效电路1.场效应管的低频小信号等效模型41第四十一页，共61页。2.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。42第四十二页，共61页。3.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:43第四十三页，共61页。

(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。44第四十四页，共61页。45第四十五页，共61页。46第四十六页，共61页。

(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47第四十七页，共61页。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48第四十八页，共61页。8场效应管及其放大电路教学大纲(48学时2012版)主要内容MOS场效应管结构及工作原理MOSFET放大电路基本要求(1)了解MOS场效应管的工作原理、特性曲线及主要参数(2)掌握用小信号模型分析法分析MOSFET放大电路的动态指标(3)了解双极型三极管(BJT)和场效应管两种放大电路各自的特点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8.4各种放大器件及电路性能比较计划4学时掌握场效应管的工作原理注意与BJT的异同点类比：与BJT放大电路自学（归纳、比较）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(过渡)49第四十九页，共61页。教学大纲(48学时2012版)主要内容MOS场效应管结构及工作原理MOSFET放大电路基本要求了解MOS场效应管的工作原理、特性曲线及主要参数掌握用小信号模型分析法分析MOSFET放大电路的动态指标了解双极型三极管(BJT)和场效应管两种放大电路各自的特点8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8.4各种放大器件及电路性能比较计划4学时50第五十页，共61页。8.3.1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。51第五十一页，共61页。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52第五十二页，共61页。

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)53第五十三页，共61页。例8.3.4

共漏极电路如图8.3.8所示，其中场效应管为N