模擬電子技術第5章 場效應管放大電路

1、5.1 金屬金屬- -氧化物氧化物- -半導體（半導體（MOS）場效應管）場效應管5.3 結型場效應管（結型場效應管（JFET）*5.4 砷化鎵金屬砷化鎵金屬- -半導體場效應管半導體場效應管5.5 各種放大器件電路性能比較各種放大器件電路性能比較5.2 MOSFET放大電路放大電路第第5章章 場效應管及其放大電路場效應管及其放大電路5.1.1 N溝道增強型溝道增強型MOSFET5.1.5 MOSFET的主要參數的主要參數5.1.2 N溝道耗盡型溝道耗盡型MOSFET5.1.3 P溝道溝道MOSFET5.1.4 溝道長度調制效應（不講）溝道長度調制效應（不講）5.1 金屬金屬-氧化物氧化物-半

2、導體（半導體（MOS）場效應管）場效應管P溝道溝道耗盡型耗盡型P溝道溝道P溝道溝道N溝道溝道增強型增強型N溝道溝道N溝道溝道（耗盡型）（耗盡型）FET場效應管場效應管JFET結型結型MOSFET絕緣柵型絕緣柵型(IGFET)耗盡型耗盡型：場效應管沒有加偏置電壓時，就有導電溝道存在：場效應管沒有加偏置電壓時，就有導電溝道存在增強型增強型：場效應管沒有加偏置電壓時，沒有導電溝道：場效應管沒有加偏置電壓時，沒有導電溝道場效應管的分類：場效應管的分類：剖面圖剖面圖符號符號1. 結構結構（N溝道）溝道）5.1.1 N溝道增強型溝道增強型MOSFET為了幫助記為了幫助記憶憶,可以和可以和BJT對照。對照。

3、（1）vGS（對應（對應vBE）對溝道的作用對溝道的作用當當vGS00時時 無導電溝道，無導電溝道， d d、s s間加電壓時，間加電壓時，也無電流產生。也無電流產生。當當00vGS VT ）時，）時，vDS iD 溝道電位梯度溝道電位梯度 整個溝道呈整個溝道呈楔形分布楔形分布 溝道存在的條件是：柵極的溝道存在的條件是：柵極的電位比溝道處的電位高于電位比溝道處的電位高于VT。當當vGS一定（一定（vGS VT ）時）時vDS iD 溝道溝道電位梯度電位梯度 當當vDS增加到使增加到使vGD= =VT 時，時，在緊靠漏極處出現在緊靠漏極處出現預夾斷預夾斷。2. 工作原理工作原理vGD 預夾斷后，

4、預夾斷后，vDS 夾斷區(qū)延長夾斷區(qū)延長溝道電阻溝道電阻 iD基本不變基本不變2. 工作原理工作原理 溝道溝道損耗的損耗的 電壓越大電壓越大 看特性圖看特性圖場效應管場效應管輸出特性輸出特性與與BJT相似相似 vDS一定，一定，vGS變化時變化時 給定一個給定一個vGS ，就有一條不，就有一條不同的同的 iD vDS 曲線。曲線。（3） vDS和和vGS同時作用時同時作用時（1）輸出特性）輸出特性const.DSDGS)( vvfi 截止區(qū)截止區(qū)3. V-I 特性曲線特性曲線輸出特性及其三個區(qū)域輸出特性及其三個區(qū)域導電溝道尚未形成；導電溝道尚未形成；iD0，為，為截止工作狀態(tài)截止工作狀態(tài)BJT的

5、輸出特性：的輸出特性：iC=f(vCE) iB=const外部條件：當外部條件：當vGSVT時，時，3. V-I 特性曲線特性曲線 可變電阻區(qū)可變電阻區(qū)rds是一個受是一個受vGS控制的可變電控制的可變電阻阻外部條件：外部條件：vDS（vGSVT）（1）輸出特性）輸出特性說明：說明：教材中教材中Kn，Kn ，n 和和rdso等參數屬于半導體物理的內等參數屬于半導體物理的內容，不于介紹容，不于介紹。3. V-I 特性曲線特性曲線（1）輸出特性）輸出特性 飽和區(qū)（恒流區(qū)或放大區(qū)）飽和區(qū)（恒流區(qū)或放大區(qū)）條件：條件：vGS GS VT ，且且vDSDS（vGS SVT）特點：特點：iD與與vGS成正

6、比成正比, 不隨不隨vDS變化。變化。 對比對比BJT輸出特性放大區(qū)：輸出特性放大區(qū)：iC與與iB成正比成正比,不隨不隨vCE變化。變化。3. V-I 特性曲線特性曲線const.GSDDS)( vvfi由以上特性曲線可見，由以上特性曲線可見， VGS VT0，VDS 0。對比對比BJTBJT的輸入特性：的輸入特性：iB= =f( (vBEBE) ) ；iC= = iB B而而MOS管的管的iG=0=0，iD受受vGS控制控制, ,故稱為故稱為電壓控制器件電壓控制器件。（2）轉移特性）轉移特性1. 結構和工作原理簡述結構和工作原理簡述（N溝道）溝道）二氧化硅絕緣層中摻有大量的正離子二氧化硅絕緣

7、層中摻有大量的正離子 可以在正或負的柵源電壓下工作，而且基本上無柵流可以在正或負的柵源電壓下工作，而且基本上無柵流5.1.2 N溝道耗盡型溝道耗盡型MOSFET符號符號5.1.2 N溝道耗盡型溝道耗盡型MOSFET 21)(PGSDSSDVIiv 21)(TGSDOD VIiv（N N溝道增強型）溝道增強型）由特性曲線可知耗盡型由特性曲線可知耗盡型MOS管，管，VGS可可, 可可0, 可可+；VDS 0。2. V-I 特性曲線特性曲線5.1.3 P溝道溝道MOSFET區(qū)別：區(qū)別：VDS 0，VGS VT 0，VDS 0,id流向流向d端。端。VGS VT0，VDS 0,id流向流向d端。端。V

8、GS: 可可, 可可0, 可可+ VDS VT ， 對應對應 (VBE0V) VDS(VGSVT), 對對應應（vCE 1V）共源極放大電路共源極放大電路1. 直流偏置及靜態(tài)工作點的計算直流偏置及靜態(tài)工作點的計算（1）模型）模型gsmdvgi 2.場效應管小信號模型分析法場效應管小信號模型分析法DDQgsmDQDiIgIi v簡化的小信號模型簡化的小信號模型 特別說明：特別說明：六種場效應管的小六種場效應管的小信號模型是一樣的信號模型是一樣的解：畫解：畫小信號模型電路小信號模型電路。 例例5.2.5 求共源放大電路求共源放大電路 的交流參數。的交流參數。（2 2）放大電路分析）放大電路分析sg

9、輸入端：柵極輸入端：柵極輸出端：漏極輸出端：漏極公共端：源極公共端：源極放大原理：放大原理：vivGS 溝道電阻變小溝道電阻變小 iD |-vo| 電壓放大電壓放大注意負電源注意負電源在交流電路在交流電路中的畫法中的畫法（2 2）放大電路分析）放大電路分析dgsmoRgRidDvv )(mgsgsiRgRiD 1vvvRgRgAmdmio1 vvvg2g1i| RRR doRR siiososvvvvvvv AssiivRRRA )|()|)(dsgsmgsdsgsmiorRgrRgAvvvvvv 1)|(1)|(dsmdsm rRgrRg)( isioRRRAAvsiiosvsvvvvvv共

10、漏共漏例例5.2.6 共漏放大電路共漏放大電路與共集放大與共集放大電路類似！電路類似?。?）求電壓增益）求電壓增益3. 3. 小信號模型分析小信號模型分析（2 2）求輸入輸出電阻求輸入輸出電阻g2g1i| | RRR mdsmds1| |111grRgrR RottoiVR 5.3.1 JFET的結構和工作原理的結構和工作原理 5.3.2 JFET的特性曲線及參數的特性曲線及參數 5.3.3 JFET放大電路的小信號模型分析法放大電路的小信號模型分析法 5.3 結型場效應管結型場效應管1. N溝道結構溝道結構 5.3.1 JFET的結構和工作原理的結構和工作原理2. 工作原理工作原理 vGS對

11、溝道的控制作用對溝道的控制作用當當vGS0時時（以（以N溝道溝道JFET為例）為例） 當溝道夾斷時，對應的柵當溝道夾斷時，對應的柵源電壓源電壓vGS稱為稱為夾斷電壓夾斷電壓VP （ 或或VGS(off) ）。）。對于對于N溝道的溝道的JFET，VP 0。PN結反偏結反偏耗盡層加厚耗盡層加厚溝道變窄。溝道變窄。 vGS繼續(xù)減小，溝道繼續(xù)繼續(xù)減小，溝道繼續(xù)變窄。變窄。注意：加的注意：加的是反偏電壓是反偏電壓2. 工作原理工作原理（以（以N溝道溝道JFET為例）為例） vDS對溝道的控制作用對溝道的控制作用當當vGS=0時，時，vDS iD g、d間間PN結的反向電結的反向電壓增加，使靠近漏極處的壓

12、增加，使靠近漏極處的耗盡層加寬，溝道變窄，耗盡層加寬，溝道變窄，從上至下呈楔形分布。從上至下呈楔形分布。 當當vDS增加到使增加到使vGD=VP 時，在緊靠漏極處出現預時，在緊靠漏極處出現預夾斷。夾斷。此時此時vDS 夾斷區(qū)延長夾斷區(qū)延長 溝道電阻溝道電阻 iD基本不變基本不變MOSFET和和JFET的溝道的溝道途異同歸途異同歸2. 工作原理工作原理（以（以N溝道溝道JFET為例）為例） vGS和和vDS同時作用時同時作用時當當VP vGS0 時，導電溝道更容易夾斷，時，導電溝道更容易夾斷，對于同樣的對于同樣的vDS ， iD的值比的值比vGS=0時的值要小。時的值要小。在預夾斷處在預夾斷處v

13、GD=vGS- -vDS =VP 綜上分析可知綜上分析可知 溝道中只有一種類型的多數載流子參與導電，溝道中只有一種類型的多數載流子參與導電， 所以場效應管也稱為單極型三極管所以場效應管也稱為單極型三極管。 JFET是電壓控制電流器件，是電壓控制電流器件，iD受受vGS控制?？刂?。 預夾斷前預夾斷前iD與與vDS呈近似線性關系；預夾斷后，呈近似線性關系；預夾斷后， iD趨于飽和。趨于飽和。 JFET柵極與溝道間的柵極與溝道間的PN結是反向偏置的，因結是反向偏置的，因 此此iG 0，輸入電阻很高。，輸入電阻很高。const.DSDGS)( vvfi2. 轉移特性轉移特性 const.GSDDS)(

14、 vvfi1. 輸出特性輸出特性 2PGSDSSD)1(VIiv (VPvGS0)5.3.2 JFET的特性曲線及參數的特性曲線及參數N溝道溝道JFET工作條件：工作條件：Vp vGSVP 0與與MOSFET類似類似3. 主要參數主要參數5.3.2 JFET的特性曲線及參數的特性曲線及參數結型場效應管結型場效應管的的特性小結特性小結結型場效應管N N溝溝道道耗耗盡盡型型P P溝溝道道耗耗盡盡型型vpvgs 0iD流入流入d端端0 vgs vpiD流出流出d端端1. JFET小信號模型小信號模型（1） JFET低頻小信號模型低頻小信號模型5.3.3 JFET放大電路的小信號模型分析法放大電路的小

15、信號模型分析法2.放大電路放大電路 動態(tài)指標分析動態(tài)指標分析（1 1）放大電路中頻小信號模型）放大電路中頻小信號模型查直流條件是否滿足：查直流條件是否滿足：0212RIVRRRVVVDDDgggSGGS小信號模型等效電路小信號模型等效電路rds可看作可看作 ，不畫出也可，不畫出也可輸入端：柵極輸入端：柵極放大原理：放大原理：vivGS 溝道電阻變小溝道電阻變小 iD|vo| 電壓放大電壓放大Av輸出端：漏極輸出端：漏極?VVRRRVDDgggG0212解：畫解：畫小信號模型電路小信號模型電路。 例例5.2.5 求共源放大電路求共源放大電路 的交流參數。的交流參數。（2 2）放大電路分析）放大電

16、路分析sg公共端：源極公共端：源極2. 動態(tài)指標分析動態(tài)指標分析（2）中頻電壓增益）中頻電壓增益（3）輸入電阻）輸入電阻（4）輸出電阻）輸出電阻忽略忽略 rds ， ivgsvRggsmv )1(mgsRg v ovdgsmRg v RgRgAmdm 1mv由輸入輸出回路得由輸入輸出回路得則則)|(g2g1g3iRRRR doRR 課堂練習題課堂練習題1.六種類型的場效應管的轉移特性如圖所示（六種類型的場效應管的轉移特性如圖所示（iD以流入漏極為正方向），以流入漏極為正方向）， 試指出其對應的場效應管類型試指出其對應的場效應管類型。N溝道絕緣柵增強型溝道絕緣柵增強型P溝道絕緣柵增強型溝道絕緣柵

17、增強型N溝道絕緣柵耗盡型溝道絕緣柵耗盡型N溝道結型溝道結型P溝道結型溝道結型P溝道絕緣柵耗盡型溝道絕緣柵耗盡型 解：解：畫中頻小信號等效電路畫中頻小信號等效電路放大電路如圖所示。已知放大電路如圖所示。已知，mS 18m g，100 試求電路的中頻增益、輸入電阻試求電路的中頻增益、輸入電阻和輸出電阻。和輸出電阻。， k 1ber例題例題 5.5.1 (3) 這是一個場效應管和雙極性這是一個場效應管和雙極性三極管混合的兩級放大電路。場效三極管混合的兩級放大電路。場效應管作為輸入級，利用其輸入電阻應管作為輸入級，利用其輸入電阻高的優(yōu)點，可克服高的優(yōu)點，可克服RS大的影響。大的影響。T1組成共源極放大

18、電路組成共源極放大電路T2組成共基極放大電路組成共基極放大電路 多級放大電路求總的增益可以按多級放大電路求總的增益可以按分級求，也可以直接列方程求解。分級求，也可以直接列方程求解。gsm1VgiVgsV2gsm1RVgbIbIbIbeVcgsm1cbRVgRIVMA2m1cm11RgRg6 .128giRR coRR M 5則電壓增益為則電壓增益為sgiRRR ioVV由于由于則則k 20soSMVVVAiosiVVVVMVisiARRR6128.AVM根據電路有根據電路有由本題可以看出，場效應管由本題可以看出，場效應管rgs大，使放大電大，使放大電路的路的Ri提高，因此對提高，因此對VS幾乎

19、沒有衰減幾乎沒有衰減。例題例題1. MOSFET鏡像電流源鏡像電流源RVVVIIIGSSSDDREFD2O ro= rds2 MOSFET基本鏡像電路流基本鏡像電路流 6.1.2 FET電流源電流源當當VDD、VSSR確定后確定后,Io為為恒定的。恒定的。特別說明：特別說明：BJT能構成的所有電路，能構成的所有電路，FET都可以構成。都可以構成。5.5 各種放大器件電路性能比較各種放大器件電路性能比較 p-2405.5 各種放大器件電路性能比較各種放大器件電路性能比較組態(tài)對應關系：組態(tài)對應關系：CEBJTFETCSCCCDCBCG電壓增益：電壓增益：BJTFETbeLc)|(rRR )|)(1()|()1(LebeLeRRrRR beLc)|(rRR CE：CC：CB：)|(LddsmRRrg