场效应管放大电路(1).ppt

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1、机电工程学院机电工程学院 肖林荣肖林荣肖林荣肖林荣 5.1 金属金属-氧化物氧化物-半导体（半导体（MOS）场效应管场效应管5.3 结型场效应管（结型场效应管（JFET）*5.4 砷化镓金属砷化镓金属-半导体场效应管半导体场效应管5.5 各种放大器件电路性能比较各种放大器件电路性能比较5.2 MOSFET放大电路放大电路5.1 金属金属-氧化物氧化物-半导体半导体（MOS）场效应管场效应管5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET5.1.5 MOSFET的主要参数的主要参数5.1.2 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET5.1.3 P沟道沟道MOSFET5.1.4 沟道长度调制效应沟道长度调

2、制效应场效应管分类场效应管分类结型场效应管结型场效应管绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管特点特点单极型器件单极型器件(一种载流子导电一种载流子导电)；输入电阻高；输入电阻高；工工艺艺简简单单、易易集集成成、功功耗耗小小、体体积积小小、成本低。成本低。场场效效应应管管：是是利利用用输输入入回回路路的的电电压压产产生生的的电电场场效效应应来来控控制制输输出出回回路路电电流流的的三三极极管管.一一种种载载流流子子参参与与导导电电，又又称称单极型三极管。单极型三极管。P沟道沟道耗尽型耗尽型P沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道增强型增强型N沟道沟道N沟道沟道（耗尽型）（耗尽型）FET场效应管场效应管JFET结型结型

3、MOSFET绝缘栅型绝缘栅型(IGFET)耗尽型耗尽型：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在增强型增强型：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道场效应管的分类场效应管的分类：Metal-Oxide Semiconductor Field Effect TransistorJunction Field Effect Transistor5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET剖面图剖面图1.结构结构（N沟道）沟道）符号符号在一块掺杂浓度较低的P型硅衬底上，制作两个高掺杂浓度的N+区，并用金属铝引出两个

4、电极，分别作漏极漏极d d和源极和源极s s。然后在半导体表面复盖一层很薄的二氧化硅(SiO2)绝缘层，在漏-源极间的绝缘层上再装上一个铝电极,作为栅极栅极g g。栅极与其它电极间是绝缘的。在衬底上也引出一个电极电极B B，这就构成了一个N沟道增强型MOS管。MOS管的源极和衬底通常是接在一起的(大多数管子在出厂前已连接好)。5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET1.结构结构（N沟道）沟道）L：沟道长度沟道长度W：沟道宽度沟道宽度tox：绝缘层厚度绝缘层厚度通常通常 W L（动画动画2-3）5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET2.工作原理工作原理（1）vGS对沟道的控制作用对

5、沟道的控制作用当当vGSGS=0=0时时 漏源之间相当于两个背靠背的漏源之间相当于两个背靠背的 PN 结结,无导无导电沟道，电沟道，d、s间加电压时，也无电流产生。间加电压时，也无电流产生。当当00vGSGS V VT T）时，时，vDSDS iD D 沟道电位梯度沟道电位梯度 整个沟道呈整个沟道呈楔形分布楔形分布5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET当当vGSGS一定（一定（vGSGS V VT T）时，时，vDSDS iD D 沟道电位梯度沟道电位梯度 当当vDSDS增加到使增加到使vGDGD=V VT T 时，时，在紧靠漏极处出现预夹断。在紧靠漏极处出现预夹断。2.工作原理工作原

6、理（2）vDS对沟道的控制作用对沟道的控制作用在预夹断处：在预夹断处：vGDGD=vGSGS-vDSDS =V VT T5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET预夹断后，预夹断后，vDSDS 夹断区延长夹断区延长沟道电阻沟道电阻 iD D基本不变基本不变2.工作原理工作原理（2）vDS对沟道的控制作用对沟道的控制作用5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET2.工作原理工作原理（3）vDS和和vGS同时作用时同时作用时 vDSDS一定，一定，vGSGS变化时变化时 给定一个给定一个vGSGS ，就有一条不同就有一条不同的的 iD D vDSDS 曲线曲线。5.1.1 N沟道增强型沟道

7、增强型MOSFET（4）正常放大时外加偏置电压的要求正常放大时外加偏置电压的要求:2.工作原理工作原理5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET3.V-I 特性曲线特性曲线（1）输出特性）输出特性 截止区截止区当当vGSVT时时，导导电电沟沟道道尚尚未未形形成成，iD0，为为截截止止工工作状态。作状态。5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET3.V-I 特性曲线特性曲线（1）输出特性）输出特性 可变电阻区可变电阻区 vDS（vGSVT）由于由于vDS较小较小，可，可近似为近似为:rdso是是一个受一个受vGS控制的可变电阻控制的可变电阻 5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET

8、3.V-I 特性曲线特性曲线（1）输出特性）输出特性 可变电阻区可变电阻区 n：反型层中电子迁移率反型层中电子迁移率Cox：栅栅极极（与与衬衬底底间间）氧氧化层单位面积电容化层单位面积电容本征电导因子本征电导因子其中其中Kn为电导常数为电导常数，单位：单位：mA/VmA/V2 25.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET3.V-I 特性曲线特性曲线（1）输出特性）输出特性 饱和区饱和区（恒流区又称放大区）（恒流区又称放大区）vGSGS VT，且，且vDSDS（v vGSGSVT）是是vGSGS2 2VT时的时的iD D V V-I I 特性：特性：5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSF

9、ET3.V-I 特性曲线特性曲线（2）转移特性）转移特性5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET5.1.2 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET1.结构和工作原理简述结构和工作原理简述（N沟道）沟道）二氧化硅绝缘层中掺有大量的正离子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，而且基本上无栅流可以在正或负的栅源电压下工作，而且基本上无栅流5.1.2 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET2.V-I 特性曲线特性曲线 （N N沟道增强型）沟道增强型）5.1.3 P沟道沟道MOSFET*5.1.4 沟道长度调制效应沟道长度调制效应实际上饱和区的曲线并不是平坦的实际上饱和区的曲线并

10、不是平坦的L的单位为的单位为 m当不考虑沟道调制效应时，当不考虑沟道调制效应时，0 0，曲线是平坦的。，曲线是平坦的。修正后修正后5.1.5 MOSFET的主要参数的主要参数一、直流参数一、直流参数1.1.开启电压开启电压V VT T （增强型参数）增强型参数）2.2.夹断电压夹断电压V VP P （耗尽型参数）耗尽型参数）3.3.饱和漏电流饱和漏电流I IDSSDSS （耗尽型参数）耗尽型参数）4.4.直流输入电阻直流输入电阻R RGSGS （10109 910101515 ）二、交流参数二、交流参数 1.1.输出电阻输出电阻r rdsds 5.1.5 MOSFET的主要参数的主要参数2.2

11、.低频互导低频互导g gm m 二、交流参数二、交流参数 考虑到考虑到 则则其中其中对于对于N沟道增强型沟道增强型MOSFET：5.1.5 MOSFET的主要参数的主要参数end三、极限参数三、极限参数 1.1.最大漏极电流最大漏极电流I IDMDM 2.2.最大耗散功率最大耗散功率P PDMDM 3.3.最大漏源电压最大漏源电压V V（BRBR）DSDS 4.4.最大栅源电压最大栅源电压V V（BRBR）GSGS 5.2 MOSFET放大电路放大电路5.2.1 MOSFET放大电路放大电路1.直流偏置及静态工作点的计算直流偏置及静态工作点的计算2.小信号模型分析小信号模型分析*5.2.2 带

12、带PMOS负载的负载的NMOS放大电路放大电路3.MOSFET 三种基本放大电路比较三种基本放大电路比较5.2.1 MOSFET放大电路放大电路1.直流偏置及静态工作点的计算直流偏置及静态工作点的计算（1）简单的共源极放大电路简单的共源极放大电路（N沟道）沟道）共源极放大电路共源极放大电路b G,e S,c D 为为了了使使场场效效应应管管工工作作在在恒恒流流区区实实现现放放大大作作用，应满足：用，应满足：与双极型三极管对应关系与双极型三极管对应关系5.2.1 MOSFET放大电路放大电路1.直流偏置及静态工作点直流偏置及静态工作点(VGSQ、IDQ VDSQ)的计算的计算（1）简单的共源极放

13、大电路简单的共源极放大电路（N沟道）沟道）假设工作在饱和区，即假设工作在饱和区，即验证是否满足验证是否满足如果不满足，则说明假设错误如果不满足，则说明假设错误须满足须满足VGS VT，否则工作在截止区否则工作在截止区再假设工作在可变电阻区再假设工作在可变电阻区即即两种方法两种方法近似估算法近似估算法图解法图解法 假设工作在饱和区假设工作在饱和区(放大区）放大区）满足满足假设成立，结果即为所求。假设成立，结果即为所求。解：解：例例5.2.1设设Rg1=60k，Rg2=40k，Rd=15k，试计算电路的静态漏极电流试计算电路的静态漏极电流IDQ和漏源和漏源电压电压VDSQ。VDD=5V，VT=1V

14、，5.2.1 MOSFET放大电路放大电路1.直流偏置及静态工作点的计算直流偏置及静态工作点的计算（2）带源极电阻的）带源极电阻的NMOS共源极放大电路共源极放大电路(例例5.2.2）假设工作在饱和区假设工作在饱和区(放大区）：放大区）：需要验证是否满足需要验证是否满足5.2.1 MOSFET放大电路放大电路1.直流偏置及静态工作点的计算直流偏置及静态工作点的计算静态时，静态时，vI0 0，VG 0 0，ID I电流源偏置电流源偏置 VS VG VGS（饱和区）（饱和区）VDS VD VS =VDDIDRD VS 电流源作偏置的电流源作偏置的NMOS共源极共源极放大电路放大电路(例例5.2.3

15、）5.2.1 MOSFET放大电路放大电路2.图解分析图解分析由于负载开路，交流负由于负载开路，交流负载线与直流负载线相同载线与直流负载线相同 在在漏漏极极特特性性曲曲线线上上做做直直流流负负载载线线，与与 uGS=UGSQ 的的交交点点确确定定 Q，由由 Q 确定确定 UDSQ 和和 IDQ值。值。uDS=VDD iDRd5.2.1 MOSFET放大电路放大电路3.小信号模型分析小信号模型分析（1）模型模型静态值静态值（直流）（直流）动态值动态值（交流）（交流）非线性非线性失真项失真项 当当，vgs 2(2(VGSQ-VT)时，时，5.2.1 MOSFET放大电路放大电路3.小信号模型分析小

16、信号模型分析（1）模型模型0 0时时高频小信号模型高频小信号模型其他类型的其他类型的MOSFET小信号模型，小信号模型，在电路形式上一样，参数计算式有在电路形式上一样，参数计算式有所不同，如所不同，如gm。2.小信号模型分析小信号模型分析解：例解：例5.2.25.2.2的直流分析已的直流分析已求得：求得：（2）放大电路分析）放大电路分析（例（例5.2.5）s2.小信号模型分析小信号模型分析（2）放大电路分析）放大电路分析（例（例5.2.5）s2.小信号模型分析小信号模型分析（2）放大电路分析）放大电路分析（例（例5.2.6）共漏共漏2.小信号模型分析小信号模型分析（2）放大电路分析）放大电路分

17、析共漏共漏3.MOSFET 三种基本放大电路比较三种基本放大电路比较(p.221)共源极放大电路共源极放大电路共漏极放大电路共漏极放大电路(源极输出器）源极输出器）共栅极放大电路共栅极放大电路 三种基本放大电路的性能比较三种基本放大电路的性能比较组态对应关系：组态对应关系：CEBJTFETCSCCCDCBCGBJTFET电压增益：电压增益：CE：CC：CB：CS：CD：CG：输出电阻：输出电阻：三种基本放大电路的性能比较三种基本放大电路的性能比较BJTFET输入电阻：输入电阻：CE：CC：CB：CS：CD：CG：CE：CC：CB：CS：CD：CG：*5.2.2 带带PMOS负载的负载的NMOS

18、放大电路放大电路本小节不作教学要求，有兴趣者自学本小节不作教学要求，有兴趣者自学end5.3 结型场效应管结型场效应管 5.3.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理 5.3.2 JFET的特性曲线及参数的特性曲线及参数 5.3.3 JFET放大电路的小信号模型分析法放大电路的小信号模型分析法 5.3.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理1.结构结构#符号中的箭头方向表示什么？符号中的箭头方向表示什么？符号中的箭头方向表示什么？符号中的箭头方向表示什么？(动画动画2-8）2.工作原理工作原理 vGS对沟道的控制作用对沟道的控制作用当当vGS0时时（以（以N沟道沟道JFET为例）为

19、例）当沟道夹断时，对应的栅源电压当沟道夹断时，对应的栅源电压vGS称为称为夹断电压夹断电压VP（或或VGS(off)）。）。对于对于N沟道的沟道的JFET，VP 0。PN结反偏结反偏耗尽层加厚耗尽层加厚沟道变窄。沟道变窄。vGS继续减小，沟道继续变窄。继续减小，沟道继续变窄。（动画2-9）5.3.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理 vDS对沟道的控制作用对沟道的控制作用当当vGS=0时，时，vDS iD g、d间间PN结的反向结的反向电压增加，使靠近漏极电压增加，使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道处的耗尽层加宽，沟道变窄，从上至下呈楔形变窄，从上至下呈楔形分布。分布。当当vDS增加到使增

20、加到使vGD=VP 时，在紧靠漏时，在紧靠漏极处出现预夹断。极处出现预夹断。此时此时vDS 夹断区延长夹断区延长沟道电阻沟道电阻 iD基本不变基本不变5.3.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理 vGS和和vDS同时作用时同时作用时当当VP vGS0 时，导电沟道更容易夹断，时，导电沟道更容易夹断，对于同样的对于同样的vDS，iD的值比的值比vGS=0时的值要小。时的值要小。在预夹断处在预夹断处vGD=vGS-vDS=VP 5.3.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理综上分析可知综上分析可知JFET是电压控制电流器件，是电压控制电流器件，iD受受vGS控制。控制。预夹断前预夹断

21、前iD与与vDS呈呈近似线性关系；预夹断后，近似线性关系；预夹断后，iD趋于趋于饱和。饱和。#为什么为什么为什么为什么JFETJFET的输入电阻比的输入电阻比的输入电阻比的输入电阻比BJTBJT高得多？高得多？高得多？高得多？JFET栅极与沟道间的栅极与沟道间的PN结是反向偏置的，因结是反向偏置的，因 此此iG 0，输入电阻很高。输入电阻很高。5.3.2 JFET的特性曲线及参数的特性曲线及参数2.转移特性转移特性 1.输出特性输出特性 (VPvGS0)与耗尽型与耗尽型MOSFET类似类似3.主要参数主要参数5.3.2 JFET的特性曲线及参数的特性曲线及参数5.3.3 JFET放大电路的小信

22、号模型分析法放大电路的小信号模型分析法1.JFET小信号模型小信号模型（1）低）低频（及中（及中频）模型）模型2.动态指标分析动态指标分析（1 1）中频小信号等效电路）中频小信号等效电路2.动态指标分析动态指标分析（2）中频电压增益）中频电压增益（3）输入电阻）输入电阻（4）输出电阻）输出电阻忽略忽略 rds，由输入输出回路得由输入输出回路得则则end*5.4 砷化镓金属砷化镓金属-半导体半导体场效应管场效应管不作教学要求，有兴趣者自学不作教学要求，有兴趣者自学5.5 各种放大电路性能比较各种放大电路性能比较5.5.1 各种各种FET特性比较特性比较5.5.2 各种各种放大放大器件电路性能比较

23、器件电路性能比较N沟沟道道增增强强型型绝缘栅场效应管P沟沟道道增增强强型型 1.各类场效应管的特性曲线比较各类场效应管的特性曲线比较5.5.1 各种各种FET特性比较特性比较绝缘栅场效应管1.各类场效应管的特性曲线各类场效应管的特性曲线比较比较N沟沟道道耗耗尽尽型型P沟沟道道耗耗尽尽型型结型场效应管1.各类场效应管的特性曲线各类场效应管的特性曲线比较比较N沟沟道道P沟沟道道双极型三极管场效应三极管噪声噪声较大较大较小较小温度温度特性特性受受温度影响较大温度影响较大受温度影响较小，有零温受温度影响较小，有零温度系数点度系数点输入输入电阻电阻几十到几千欧姆几十到几千欧姆几兆几兆欧姆以上欧姆以上静电

24、静电影响影响不受静电影响不受静电影响易受静电影响易受静电影响集成集成工艺工艺不易大规模集成不易大规模集成适合于大规模和超大规模适合于大规模和超大规模集成集成2.BJT与与FET的比较的比较5.5.2 各种放大器件电路性能比较各种放大器件电路性能比较组态对应关系：组态对应关系：CEBJTFETCSCCCDCBCG电压增益：电压增益：BJTFETCE：CC：CB：CS：CD：CG：5.5.2 各种放大器件电路性能比较各种放大器件电路性能比较输出电阻：输出电阻：BJTFET输入电阻：输入电阻：CE：CC：CB：CS：CD：CG：CE：CC：CB：CS：CD：CG：5.5.2 各种放大器件电路性能比较各种放大器件电路性能比较 解：解：画中频小信号等效电路画中频小信号等效电路例题例题放大电路如图所示。已知放大电路如图所示。已知 试求电路的中频增试求电路的中频增益、输入电阻和输出电阻。益、输入电阻和输出电阻。例题例题则电压增益为则电压增益为由于由于则则end根据电路有根据电路有