第五章 模拟电路.ppt

1、1,5.1 金属-氧化物-半导体场效应管,5.2 场效应管放大电路,5.5 各种放大器件电路性能比较,5 场效应管放大电路,5.3 结型场效应管,*5.4 砷化镓金属-半导体场效应管,2,5 场效应管放大电路,3,5.1 金属-氧化物-半导体场效应管, 结构, 工作原理, V-I特性曲线及大信号特征方程,5.1.1 N沟道增强型MOSFET,5.1.2 N沟道耗尽型MOSFET,5.1.5 MOSFET的主要参数,4,5.1.1 N沟道增强型MOSFET,N沟道增强型MOSFET的结构 (Metal-Oxide Semiconductor Type Field Effect Transisto

2、r),5,5.1.1 N沟道增强型MOSFET,N沟道增强型MOSFET的结构 (Metal-Oxide Semiconductor Type Field Effect Transistor),6,5.1.1 N沟道增强型MOSFET,4个电极：漏极D， 源极S，栅极G和 衬底P。,符号：,N沟道增强型MOSFET的结构 (Metal-Oxide Semiconductor Type Field Effect Transistor),7,5.1.1 N沟道增强型MOSFET,2. 工作原理,当vGS0V时纵向电场将靠近栅极下方的空穴向下排斥耗尽层。,当vGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的

3、二极管，在d、s之间加上电压也不会形成电流，即管子截止。,再增加vGS VT 纵向电场将P区少子电子聚集到P区表面形成导电沟道。,如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流id。漏源电压较大，出现夹断时， id趋于饱和。,8,5.1.1 N沟道增强型MOSFET,2. 工作原理,定义： 开启电压（ VT）刚刚产生沟道所需的栅源电压VGS。,N沟道增强型MOS管的基本特性： vGS VT，管子截止， vGS VT，管子导通。 vGS 越大，沟道越宽，在相同的漏源电压vDS作用下，漏极电流ID越大。,9,3. V-I特性曲线及大信号特征方程,5.1.1 N沟道增强型MOSFET,（1）输出特性及大信

4、号特性方程,iD=f (vDS)|vGS=constant,预夹断临界点轨迹vGD= vGS vDS=VT,vDSVGS-VT,饱和区,截止区vGSVT,ID0是vGS=2VT的iD,vDSVGS-VT,可变电阻区,10,5.1.1 N沟道增强型MOSFET,可根据输出特性曲线作出转移特性曲线。 例：作vDS=10V的一条转移特性曲线：,VT,（2）转移特性,iD=f (vGS)|vDS=constant,11,5.1.2 N沟道耗尽型MOSFET,特点： 当vGS=0时，就有沟道，加入vDS，就有iD。 当vGS0时，沟道增宽，iD进一步增加。 当vGS0时，沟道变窄，iD减小。,在栅极下方

5、的SiO2层中掺入了大量的金属正离子。所以当vGS=0时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。,夹断电压（ VP）沟道刚刚消失所需的栅源电压vGS。,衬底,1. 结构和工作原理简述,12,5.1.2 N沟道耗尽型MOSFET,2. V-I特性曲线及大信号特征方程,对于耗尽型MOS：,IDSS：零栅压的漏极电流，饱和漏极电流,13,5.1.5 MOSFET的主要参数,一、直流参数,2. 夹断电压VP （或vGS(off)）：耗尽型MOS参数,vDS为某一固定值，使iD等于一个微小的电流时，栅源之间所加的电压,1. 开启电压VP （或vGS(th)）：增强型MOS参数,vDS为某一固定值，使i

6、D等于一个微小的电流时，栅源之间所加的电压,3. 饱和漏极电流IDSS：,vGS=0，当vDS |VP|时的漏极电流,4. 直流输入电阻RGS：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,14,5.1.5 MOSFET的主要参数,2. 低频互导gm,互导反映了vGS对iD的控制能力，相当于转移特性曲线上工作点的斜率。单位是mS或S,1. 输出电阻rd,十分之几至几mS，互导随管子工作点不同而变,几十千欧到几百千欧,二、交流参数,N沟道EMOSFET,15,5.1.5 MOSFET的主要参数,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)

7、GS,发生雪崩击穿、iD 开始急剧上升时的vDS值,栅源间反向电流开始急剧增加时的vGS值,PDM= vDS iD,受管子最高工作温度的限制,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,16,5.2 MOSFET放大电路, 直流偏置及静态工作点的计算, 图解分析,5.2.1 MOSFET放大电路,5.2.2 带PMOS负载的NMOS放大电路, 小信号模型分析,17,5.2.1 MOS放大电路,根据求得的VDS判断FET工作在饱和区或可变电阻区,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沟道增强型MOS管电路的直流计算步骤见P.212,18,

8、5.2.1 MOS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,当NMOS管工作在饱和区,19,5.2.1 MOS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,在MOS管中接入源极电阻，也具有稳定静态工作点的作用,很多MOS管电路的源极 电阻被电流源代替（例5.2.3）,20,2. 图解分析,iD,vDS,o,VDD,预夹断临界点轨迹vGD= vGS vDS=VT,VDD/Rd,o,o,t,t,iD,IDQ,VDSQ,id,vds,vi,VGS=VGG,Q,vDS,VGG VT,VDD 足够大，场效应管工作于饱和区

9、,21,5.2.1 MOS放大电路,3. 小信号模型分析,输入信号很小，FET工作在饱和区，看成双口网络，N沟道EMOS,22,5.2.1 MOS放大电路,3. 小信号模型分析,第三项与输入信号平方成正比，当vi=vgs为正弦时，平方项使输出电压产生谐波或非线性失真,小信号条件：vgs2(VGSQ-VT),23,5.2.1 MOS放大电路,3. 小信号模型分析,低频小信号模型,FET的高频模型,24,例题,例5.2.5 电路如图所示。试求中频电压增益、输入电阻和输出电阻。,vo,R,vi,g,Rd,Rg1| Rg2,s,d,Rs,vs,+,-,25,例题,vo,R,vi,g,Rd,Rg1| R

10、g2,s,d,Rs,vs,+,-,26,例题,例5.2.6 电路如图所示。试求中频电压增益、输入电阻和输出电阻。,27,例题,同相放大电压跟随,vo,R,vi,g,rds,Rg1|Rg2,s,d,Rs,28,例题,R,s,d,Rs,g,计算输出电阻时，信号源置零，除去负载，在输出端加测试源vT,rds,Rg1|Rg2,29,5.3 结型场效应管, 结构, 工作原理, 输出特性, 转移特性, 主要参数,5.3.1 JFET的结构和工作原理,5.3.2 JFET的特性曲线及参数,5.3.3 JFET的小信号模型分析法,30,1. 结型场效应管的结构（以N沟为例）： (Junction Type F

11、ield Effect Transistor),5.3.1 JFET的结构和工作原理,31,1. 结型场效应管的结构（以N沟为例）： (Junction Type Field Effect Transistor),两个PN结夹着一个N型沟道。三个电极： g：栅极 d：漏极 s：源极,符号：,5.3.1 JFET的结构和工作原理,动画演示,32,5.3.1 JFET的结构和工作原理,（1）栅源电压对沟道的控制作用,在栅源间加负电压vGS ，令vDS =0 当vGS=0时，为平衡PN结，导电沟道最宽。,当vGS时，PN结反偏，耗尽层变宽，导电沟道变窄，沟道电阻增大。,当vGS到一定值时 ，沟道会完

12、全合拢。,定义： 夹断电压VP使导电沟道完全合拢（消失）所需要的栅源电压vGS。,2. 结型场效应管的工作原理：,33,5.3.1 JFET的结构和工作原理,（2）漏源电压对沟道的控制作用,2. 结型场效应管的工作原理：,在漏源间加电压uDS ，令vGS =0 由于vGS =0，所以导电沟道最宽。 当vDS=0时， iD=0。,vDSiD 靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，呈楔形分布。,当vDS ，使vGD=vG S- vDS=VP时，在靠漏极处夹断预夹断。,预夹断前， vDSiD 。 预夹断后， iDSiD 几乎不变。,vDS再，预夹断点下移。,34,5.3.1 JFET的结构和工作原理,2

13、. 结型场效应管的工作原理：,（3）栅源电压vGS和漏源电压vDS共同作用,iD=f（ vGS 、vDS）,可用两组特性曲线来描绘。,动画演示,35,5.3.2 JFET的特性曲线及参数,1. 输出特性曲线： iD=f（ vDS ）vGS=常数,36,5.3.2 JFET的特性曲线及参数,1. 输出特性曲线： iD=f（ vDS ）vGS=常数,四个区：,恒流区的特点：在vDS为常数时 iD / vGS = gm 常数 即： iD = gm vGS （放大原理）,（a）可变电阻区（预夹断前）。,（b）恒流区也称饱和区（预 夹断后）。,（c）夹断区（截止区）。,（d）击穿区。,可变电阻区,恒流区

14、,截止区,击穿区,vGSVP时，iD=0称为截止区,37,5.3.2 JFET的特性曲线及参数,2. 转移特性曲线： iD=f（ vGS ）vDS=常数,可根据输出特性曲线作出转移特性曲线（transfer characteristic） 。 例：作vDS=10V的一条转移特性曲线：,A,B,C,D,A,B,C,D,38,5.3.2 JFET的特性曲线及参数,2. 转移特性曲线： iD=f（ vGS ）vDS=常数,vGS/V,0,iD/mA,IDSS,VP,饱和漏极电流,夹断电压,vDS=10V,39,5.3.2 JFET的特性曲线及参数,3. 主要参数, 夹断电压VP (或VGS(off)

15、：, 饱和漏极电流IDSS：, 低频跨导gm：,或,漏极电流约为零时的VGS值 。,VGS=0时对应的漏极电流。,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)。,40,5.3.2 JFET的特性曲线及参数,3. 主要参数, 输出电阻rd：, 直流输入电阻RGS：,对于结型场效应三极管，反偏时RGS约大于107。, 最大漏极功耗PDM, 最大漏源电压V(BR)DS, 最大栅源电压V(BR)GS,41,0.直流偏置电路,a.自偏压电路,VGS = IDR,注意：该电路产生负的栅源电压，所以只能用于需要负栅源电压的电路。,计算Q点：VGS 、 ID 、V

16、DS,已知VP ，由,可解出Q点的VGS 、 ID,VDS =VDD ID (Rd + R ),再求：,+,V,VGS = IDR,5.3.3 JFET放大电路的小信号模型分析法,42,0.直流偏置电路,b.分压器式自偏压电路,可解出Q点的VGS 、 ID,计算Q点：,已知VP ，由,该电路产生的栅源电压可正可负，所以适用于所有的场效应管电路。,VDS =VDD- ID (Rd + R ),再求：,5.3.3 JFET放大电路的小信号模型分析法,43,1. JFET的小信号模型,动画演示, 5.3.3 JFET放大电路的小信号模型分析法,44,1. JFET的小信号模型,5.3.3 JFET放

17、大电路的小信号模型分析法,45,2. 动态指标分析,动画演示,5.3.3 JFET放大电路的小信号模型分析法,46,2. 动态指标分析,（1）求电压放大倍数,（2）求输入电阻,（3）求输出电阻,i,R,5.3.3 JFET放大电路的小信号模型分析法,47,（2）电压放大倍数,（3）输入电阻,（1）画交流小信号等效电路。,共漏极放大电路如图示。试求中频电压增益、输入电阻和输出电阻。,例题,动画演示,48,（4）输出电阻,例题,共漏极放大电路如图示。试求中频电压增益、输入电阻和输出电阻。,动画演示,49,5.5 各种放大器件电路性能比较, 各种FET的特性比较, 使用注意事项,5.5.1 各种FE

18、T的特性及使用注意事项,5.5.2 各种放大器件电路性能比较,50,1. 各种FET的特性比较,5.5.1 各种FET的特性及使用注意事项,MOS器件主要应用在数字集成电路方面,JFET在低噪声放大电路方面有广泛应用,P.236，表5.5.1,2. 使用注意事项,51,5.5.2 各种放大器件电路性能比较,组态对应关系：,CE,BJT,FET,CS,CC,CD,CB,CG,BJT,FET,电压增益,CE：,CC：,CB：,CS：,CD：,CG：,52,5.5.2 各种放大器件电路性能比较,输出电阻,BJT,FET,输入电阻,CE：,CC：,CB：,CS：,CD：,CG：,CE：,CC：,CB：,CS：,CD：,CG：,53,双极型和场效应型三极管的比较,54,例题,例5.5.1：BJT和FET组合电路,电子电路设计中，首先根据技术要求选组态，然后确定器件，最后设计电路,55,例题,vs,Rc,vo,rbb,ic,vi,g,s,d,rbe,Cbe,Cgd,b,e,b,c,Rs,Cgs,Cbc,R2,高频小信号等效电路,Rc,vo,ic,g,s,d,rbe,Cbe,Cgd,b,e,c,Rs,Cgs,Cbc,R2