模拟电子技术第五章场效应管及其放大电路

2025/1/2模拟电子技术第五章场效应管及其放大(fàngdà)电路第一页，共54页。P沟道(ɡōudào)耗尽(hàojìn)型P沟道(ɡōudào)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，没有导电沟道场效应管的分类：第二页，共54页。5.1.1N沟道(ɡōudào)增强型MOSFET1.结构(jiégòu)（N沟道）L：沟道(ɡōudào)长度W：沟道宽度tox

：绝缘层厚度通常W>L（动画2-3）第三页，共54页。5.1.1N沟道(ɡōudào)增强型MOSFET剖面图1.结构(jiégòu)（N沟道）符号第四页，共54页。二、工作(gōngzuò)原理①栅源电压VGS的控制(kòngzhì)作用

当VGS=0V时，

因为漏源之间被两个背靠背的PN结隔离，因此，即使在D、S之间加上电压,在D、S间也不可能形成电流。

当0＜VGS＜VT(开启电压)时，

通过栅极和衬底间的电容作用，将栅极下方P型衬底表层的空穴向下排斥，同时，使两个N区和衬底中的自由电子吸向衬底表层，并与空穴复合而消失，结果在衬底表面形成一薄层负离子的耗尽层。漏源间仍无载流子的通道。管子仍不能导通，处于截止状态。第五页，共54页。把开始形成反型层的VGS值称为该管的开启电压VT。这时，若在漏源间加电压VDS，就能产生漏极电流ID，即管子开启。VGS值越大，沟道内自由电子越多，沟道电阻越小，在同样VDS电压作用下，ID越大。这样，就实现了输入(shūrù)电压VGS对输出电流ID的控制。当VGS＞VT时，衬底中的电子进一步被吸至栅极下方的P型衬底表层，使衬底表层中的自由电子数量大于空穴数量，该薄层(báocénɡ)转换为N型半导体，称此为反型层。形成N源区到N漏区的N型沟道。ID第六页，共54页。②漏源电压(diànyā)VDS对沟道导电能力的影响当VGS＞VT且固定为某值的情况下，若给漏源间加正电压VDS则源区的自由电子将沿着沟道漂移到漏区，形成漏极电流ID，当ID从DS流过沟道时，沿途会产生压降，进而导致沿着沟道长度上栅极与沟道间的电压分布不均匀。源极端电压最大，为VGS，由此感生的沟道最深；离开源极端，越向漏极端靠近(kàojìn)，则栅—沟间的电压线性下降，由它们感生的沟道越来越浅；直到漏极端，栅漏间电压最小，其值为：VGD=VGS-VDS,由此感生的沟道也最浅。可见，在VDS作用下导电沟道的深度是不均匀(jūnyún)的，沟道呈锥形分布。若VDS进一步增大，直至VGD=VT，即VGS-VDS=VT或VDS=VGS-VT时，则漏端沟道消失，出现预夹断。A第七页，共54页。当VDS为0或较小时，VGD＞VT，此时VDS基本均匀降落在沟道(ɡōudào)中，沟道(ɡōudào)呈斜线分布。当VDS增加到使VGD=VT时，漏极处沟道将缩减到刚刚开启的情况，称为预夹断。源区的自由电子在VDS电场力的作用下，仍能沿着沟道向漏端漂移，一旦到达预夹断区的边界(biānjiè)处，就能被预夹断区内的电场力扫至漏区，形成漏极电流。当VDS增加到使VGDVT时，预夹断(jiāduàn)点向源极端延伸成小的夹断(jiāduàn)区。由于预夹断(jiāduàn)区呈现高阻，而未夹断(jiāduàn)沟道部分为低阻，因此，VDS增加的部分基本上降落在该夹断(jiāduàn)区内，而沟道中的电场力基本不变，漂移电流基本不变，所以，从漏端沟道出现预夹断(jiāduàn)点开始，ID基本不随VDS增加而变化。第八页，共54页。可变电阻区(resistiveregion)——饱和区恒流区（constantcurrentregion）——放大区夹断(jiāduàn)区（cutoffrigion）——截止区1.输出特性vGD=vGS-vDS=VT三、特性曲线(qūxiàn)及特性方程第九页，共54页。①可变电阻区：③饱和(bǎohé)区：②可变电阻区特性曲线(qūxiàn)原点附近：n：反型层中电子迁移率Cox：栅极(shānjí)（与衬底间）氧化层单位面积电容Kn为电导常数，单位：mA/V2是vGS＝2VT时的iD第十页，共54页。①vGS<VT时，iD=0；②vGS≥VT时，iD随vGS增大(zēnɡdà)而增大(zēnɡdà)。2、转移特性3、转移特性(tèxìng)与漏极特性(tèxìng)间的关系①在漏极特性(tèxìng)上,对应某一vDS,作一垂直线；②该垂线与各漏极特性(tèxìng)相交得到一组交点；③由各交点所对应的vGS和iD值可画出对应的转移特性(tèxìng)。第十一页，共54页。第十二页，共54页。5.1.2N沟道(ɡōudào)耗尽型MOSFETP沟道N沟道PNPNPN一、结构(jiégòu)与符号第十三页，共54页。二、工作(gōngzuò)原理4.vGS<0，且vGS=VP感应电荷耗尽导电沟道消失漏极电流iD≈0N沟道耗尽型MOSFET在正、负栅源电压(diànyā)下均能工作。1.vGS=0

vDS

>0预埋在绝缘层中的正离子能感应出负电荷感应出的负电荷在漏源间形成导电沟道，形成漏极电流3.vGS<0

vDS

>0感应出的负电荷减少漏源间形成导电沟道变窄漏极电流iD减小2.vGS>0

vDS

>0感应电荷增多漏源间形成导电沟道变宽漏极电流iD增大第十四页，共54页。(1.输出特性2.转移(zhuǎnyí)特性)三、特性(tèxìng)曲线第十五页，共54页。5.1.3P沟道(ɡōudào)MOSFET一、符号(fúhào)二、特性(tèxìng)曲线vGS<VT1、可变电阻区2、饱和区第十六页，共54页。5.1.4沟道长度调制(tiáozhì)效应第十七页，共54页。绝缘栅场效应管N沟道增强型P沟道增强型第十八页，共54页。绝缘(juéyuán)栅场效应管

N沟道耗尽型P沟道耗尽型第十九页，共54页。5.1.5MOSFET的主要参数一、直流参数(cānshù)4.直流输入电阻RGS在漏源短路的情况下，栅源间加一定电压(diànyā)时的栅极直流电阻，约为109～1015Ω。3.饱和漏极电流IDSS（耗尽(hàojìn)型）vGS=0，|vDS|>|VP|时对应的漏极电流。2.夹断电压VP（耗尽型）

vDS一定时，使漏极电流iD下降至微小电流的vGS。1.开启电压VT（增强型）

vDS一定时，使漏极电流iD等于微小电流的vGS。第二十页，共54页。二、交流(jiāoliú)参数2.低频互导（跨导）gm用以描述栅源电压vGS对漏极电流iD的控制作用，相当于转移特性上工作(gōngzuò)点的斜率，表征FET的放大能力，相当于双极型三极管的β。单位(dānwèi):mS或μS1.输出电阻rds

用以描述漏源电压vDS对漏极电流iD的影响，相当于漏极特性上某点切线斜率的倒数。饱和区输出电阻很大，一般为几十到几百千欧。第二十一页，共54页。三、极限(jíxiàn)参数3.最大漏源电压V(BR)DS指发生(fāshēng)雪崩击穿时，漏极电流iD急剧上升时的vDS。与vGS有关。4.最大栅源电压V(BR)GS指PN结电流开始(kāishǐ)急剧增大时的vGS。1.最大漏极电流IDM指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由PDM=VDS

ID决定，在管子内部将变成热能，使管子的温度升高，为了使管子温度不致升的太高，限制其耗散功率不能超过PDM。第二十二页，共54页。5.2MOSFET放大(fàngdà)电路5.2.1MOSFET放大(fàngdà)电路1.直流偏置及静态工作(gōngzuò)点的计算2.小信号模型分析*5.2.2带PMOS负载的NMOS放大电路3.MOSFET三种基本放大电路比较第二十三页，共54页。1简单的共源极放大(fàngdà)电路一、静态(jìngtài)工作点的计算注意：通过判断VDS是否大于VGS-VT，来确定(quèdìng)管子工作在饱和区还是可变电阻区。当VGS<VT，管子截止。第二十四页，共54页。例题:

电路如图所示，设Rg1=60kΩ，Rg2=40kΩ，Rd=15kΩ，VDD=5V，VT=1V，Kn=0.2mA/V2。试计算电路的静态漏极电流(diànliú)IDQ和漏源电压VDSQ。假设(jiǎshè)工作在饱和区(放大区）满足解：第二十五页，共54页。2带源极电阻的NMOS共源极放大(fàngdà)电路静态(jìngtài)工作点的计算射极电阻(diànzǔ)也具有稳定静态工作点第二十六页，共54页。例题:

电路如图所示，设VT=1V，Kn=500μA/V2，VDD=5V，-VSS=-5V，Rd=10kΩ，R=0.5kΩ，ID=0.5mA。若流过Rg1和Rg2的电流(diànliú)是ID的1/10，试确定Rg1和Rg2的值。第二十七页，共54页。例题:

电路如图所示，由电流(diànliú)源提供偏置（可由其它MOS管构成）。设NMOS管的参数为Kn=160μA/V2，VT=1V，VDD=VSS=5V，IDQ=0.25mA，VDQ=2.5V。试求电路参数。静态(jìngtài)时，vI＝0，VG＝0，ID＝IVS＝VG－VGS（饱和区）VDS＝VD－VS

=VDD－IDRD－VS

第二十八页，共54页。二、小信号(xìnhào)模型产生(chǎnshēng)谐波或非线性失真漏极信号(xìnhào)电流λ=0λ≠0第二十九页，共54页。例题(lìtí)5.2.4:

电路如图所示，设VDD=5V，Rd=3.9kΩ，VGS=2V，VT=1V，Kn=0.8mA/V2，λ=0.02V-1。试当管工作在饱和区时，试确定电路的小信号电压增益。共源极放大(fàngdà)电路第三十页，共54页。例题5.2.5:

电路(diànlù)如图所示，设Rg1=150kΩ，Rg2=47kΩ，VT=1V，Kn=500μA/V2，λ=0，VDD=5V，-VSS=-5V，Rd=10kΩ，R=0.5kΩ，Rs=4kΩ。求电路(diànlù)的电压增益和源电压增益、输入电阻和输出电阻。第三十一页，共54页。例题:

电路(diànlù)如图所示，耦合电容对信号频率可视为交流短路，场效应管工作在饱和区，rds很大，可忽略。试画出小信号等效电路(diànlù)，求出输入电阻、小信号电压增益、源电压小信号增益和输出电阻。共漏极放大(fàngdà)电路（源极跟随器）第三十二页，共54页。第三十三页，共54页。3.MOSFET三种基本放大(fàngdà)电路比较(p.221)共源极放大(fàngdà)电路共漏极放大电路(diànlù)(源极输出器）共栅极放大电路第三十四页，共54页。5.3结型场效应管5.3.1JFET的结构和工作(gōngzuò)原理5.3.2JFET的特性(tèxìng)曲线及参数5.3.3JFET放大电路的小信号(xìnhào)模型分析法第三十五页，共54页。5.3.1JFET的结构(jiégòu)和工作原理1.结构(jiégòu)#符号中的箭头方向(fāngxiàng)表示什么？第三十六页，共54页。①栅源电压VGS对iD的控制(kòngzhì)作用当VGS＜0时，PN结反偏，耗尽层变厚，沟道(ɡōudào)变窄，沟道(ɡōudào)电阻变大；VGS更负，沟道更窄，直至(zhízhì)沟道被耗尽层全部覆盖，沟道被夹断。这时所对应的栅源电压VGS称为夹断电压VP。2.工作原理(以N沟道结型场效应管为例）第三十七页，共54页。②漏源电压(diànyā)VDS对iD的影响在栅源间加电压VGS＞VP，漏源间加电压VDS。则因漏端耗尽层所受的反偏电压为VGD=VGS-VDS，比源端耗尽层所受的反偏电压VGS大,(如:VGS=-2V,VDS=3V,VP=-9V,则漏端耗尽层受反偏电压为-5V，源端耗尽层受反偏电压为-2V),使靠近(kàojìn)漏端的耗尽层比源端厚，沟道比源端窄，故VDS对沟道的影响是不均匀的，使沟道呈楔形。当VDS增加到使VGD=VGS-VDS=VP时，在紧靠(jǐnkào)漏极处出现预夹断点，随VDS增大，这种不均匀性越明显。当VDS继续增加时，预夹断点向源极方向伸长为预夹断区。由于预夹断区电阻很大，使主要VDS降落在该区，由此产生的强电场力能把未夹断区漂移到其边界上的载流子都扫至漏极，形成漏极饱和电流。第三十八页，共54页。综上分析(fēnxī)可知沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电(dǎodiàn)，

所以场效应管也称为单极型三极管。JFET是电压控制(kòngzhì)电流器件，iD受vGS控制(kòngzhì)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。第三十九页，共54页。5.3.2JFET的特性(tèxìng)曲线及参数2.转移(zhuǎnyí)特性VP1.输出特性第四十页，共54页。漏极输出特性1、可变电阻区2、饱和(bǎohé)区3、截止(jiézhǐ)区当大于某值时，不同的转移特性(tèxìng)很接近转移特性第四十一页，共54页。5.3.3JFET放大电路(diànlù)的小信号模型分析法一.JFET的小信号(xìnhào)模型第四十二页，共54页。二、分压器式自偏压(piānyā)电路（共源极电路）1.静态(jìngtài)分析第四十三页，共54页。输出电阻输入电阻电压放大倍数2.小信号(xìnhào)模型倒相电压放大(fàngdà)电路第四十四页，共54页。例题(lìtí)：在图示电路中,已知Rg1=2MΩ，Rg2=47kΩ，Rg3=10MΩ，Rd=30kΩ，R=2kΩ，VDD=18V，VP=-1V，IDSS=0.5mA，且λ=0，试确定Q。第四十五页，共54页。共漏极放大(fàngdà)电路如图示。试求中频电压增益、输入电阻和输出电阻。（2）中频电压(diànyā)增益（3）输入电阻得解：（1）中频(zhōngpín)小信号模型由例题第四十六页，共54页。（4）输出电阻所以(suǒyǐ)由图有例题(lìtí)第四十七页，共54页。解：画中频(zhōngpín)小信号等效电路则电压(diànyā)增益为例题(lìtí)放大电路如图所示。已知试求电路的中频增益、输入电阻和输出电阻。根据电路有由于则第四十八页，共54页。5.5各种(ɡèzhǒnɡ)放大器件性能比较1.耗尽(hàojìn)型场效应管包含了JFET和耗尽(hàojìn)型MOSFET；2.增强型场效应管仅包含增强型MOSFET。BJT放大电路(diànlù)的三种组态：共发射极（CE）、共集电极（CC）、共基极（CB）。JFET和MOSFET放大电路(diànlù)的三种组态：共源极（CS）、共漏极（CD）、共栅极（CG）。两类放大元件的三种通用组态：1．反相电压放大器：共发射极（CE）、共源极（CS）2．电压跟随器：共集电极（CC）、共漏极（CD）3．电流跟随器：共基极（CB）、共栅极（CG）5.5.2各种放大器件电路性能比较5.5.1各种FET的特性比较第四十九页，共54页。双极型和场效应型三极管的比较(bǐjiào)双极型三极管场效应管(单极型三极管)结构NPN型结型耗尽型N沟道P沟道