MOS管放大電路學(xué)習(xí)課程

1、5.1 金屬金屬-氧化物氧化物-半導(dǎo)體（半導(dǎo)體（MOS）場效應(yīng)管）場效應(yīng)管5.3 結(jié)型場效應(yīng)管（結(jié)型場效應(yīng)管（JFET）*5.4 砷化鎵金屬砷化鎵金屬-半導(dǎo)體場效應(yīng)管半導(dǎo)體場效應(yīng)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1頁/共36頁第一頁，編輯于星期六：八點(diǎn) 四十一分。P溝道耗盡型P溝道P溝道N溝道增強(qiáng)型N溝道N溝道（耗盡型）FET場效應(yīng)管JFET結(jié)型MOSFET絕緣柵型(IGFET)場效應(yīng)管的分類：場效應(yīng)管的分類：( (電場效應(yīng)，單極性管，電壓控制電流電場效應(yīng)，單極性管，電壓控制電流) )增強(qiáng)型：場效應(yīng)管沒有加偏置電壓時(shí)，沒有導(dǎo)電溝道耗

2、盡型耗盡型：場效應(yīng)管沒有加偏置電壓時(shí)，就有導(dǎo)電溝道存在：場效應(yīng)管沒有加偏置電壓時(shí)，就有導(dǎo)電溝道存在N溝道P溝道（耗盡型）第2頁/共36頁第二頁，編輯于星期六：八點(diǎn) 四十一分。場效應(yīng)管的符號(hào)場效應(yīng)管的符號(hào)N溝道MOSFET耗盡型增強(qiáng)型P溝道MOSFETN溝道JFETP溝道JFET第3頁/共36頁第三頁，編輯于星期六：八點(diǎn) 四十一分。N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOSFET工作原理工作原理（1）vGS對(duì)溝道的控制作用對(duì)溝道的控制作用當(dāng)當(dāng)vGSGS00時(shí)時(shí) 無導(dǎo)電溝道，無導(dǎo)電溝道， d、s間加電壓時(shí)，也無電間加電壓時(shí)，也無電流產(chǎn)生。流產(chǎn)生。當(dāng)當(dāng)00vGS GS V VT T ）時(shí)，）時(shí)，vDSDS I I

3、D D 溝道電位梯度溝道電位梯度 整個(gè)溝道呈整個(gè)溝道呈楔形分布楔形分布第5頁/共36頁第五頁，編輯于星期六：八點(diǎn) 四十一分。當(dāng)當(dāng)vGSGS一定（一定（vGS GS V VT T ）時(shí)，）時(shí)，vDSDS I ID D 溝道電位梯度溝道電位梯度 當(dāng)當(dāng)vDSDS增加到使增加到使vGDGD= =V VT T 時(shí)，在緊靠漏極處出現(xiàn)時(shí)，在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷。預(yù)夾斷。2. 工作原理工作原理（2）vDS對(duì)溝道的控制作用對(duì)溝道的控制作用在預(yù)夾斷處：在預(yù)夾斷處：vGDGD= =vGSGS- -vDS DS = =V VT T第6頁/共36頁第六頁，編輯于星期六：八點(diǎn) 四十一分。預(yù)夾斷后，預(yù)夾斷后，vDSDS 夾

4、斷區(qū)延長夾斷區(qū)延長溝道電阻溝道電阻 I ID D基本不變基本不變2. 工作原理工作原理（2）vDS對(duì)溝道的控制作用對(duì)溝道的控制作用第7頁/共36頁第七頁，編輯于星期六：八點(diǎn) 四十一分。2. 工作原理工作原理（3） vDS和和vGS同時(shí)作用時(shí)同時(shí)作用時(shí) vDSDS一定，一定，vGSGS變化時(shí)變化時(shí) 給定一個(gè)給定一個(gè)vGS GS ，就有一條不同的，就有一條不同的 iD D vDS DS 曲線。曲線。第8頁/共36頁第八頁，編輯于星期六：八點(diǎn) 四十一分。3. V-I 特性曲線及大信號(hào)特性方程特性曲線及大信號(hào)特性方程 截止區(qū)截止區(qū)當(dāng)當(dāng)vGSVT時(shí)，導(dǎo)電溝道尚未形成，時(shí)，導(dǎo)電溝道尚未形成，iD0，為截止

5、工作狀態(tài)。為截止工作狀態(tài)。 可變電阻區(qū)可變電阻區(qū) vDS（vGSVT） 飽和區(qū)飽和區(qū)（恒流區(qū)又稱放大區(qū)）（恒流區(qū)又稱放大區(qū)）vGS GS V VT T ，且，且vDSDS（v vGSGSV VT T）第9頁/共36頁第九頁，編輯于星期六：八點(diǎn) 四十一分。3. V-I 特性曲線及大信號(hào)特性方程特性曲線及大信號(hào)特性方程（1）輸出特性及大信號(hào)特性方程）輸出特性及大信號(hào)特性方程const.DSDGS)( vvfi 可變電阻區(qū)可變電阻區(qū) vDS（vGSVT） )( DSDSTGSnD22vvv VKi由于由于vDS較小，可近似為較小，可近似為DSTGSnD )(vvVKi 2常數(shù)常數(shù) GSDDSdsov

6、vdidr)(TGSnVK v21rdso是一個(gè)受是一個(gè)受vGS控制的可變電阻控制的可變電阻 第10頁/共36頁第十頁，編輯于星期六：八點(diǎn) 四十一分。3. V-I 特性曲線及大信號(hào)特性方程特性曲線及大信號(hào)特性方程（1）輸出特性及大信號(hào)特性方程）輸出特性及大信號(hào)特性方程 可變電阻區(qū)可變電阻區(qū) DSTGSnD )(vvVKi 2)(TGSndsoVKr v21 n ：反型層中電子遷移率：反型層中電子遷移率Cox ：柵極（與襯底間）氧化層單位面積電：柵極（與襯底間）氧化層單位面積電容容本征電導(dǎo)因子本征電導(dǎo)因子oxnnC K LWLWKK22oxnnnC 其中其中Kn為電導(dǎo)常數(shù)，單位：為電導(dǎo)常數(shù)，單位

7、：mA/VmA/V2 2第11頁/共36頁第十一頁，編輯于星期六：八點(diǎn) 四十一分。3. V-I 特性曲線及大信號(hào)特性方程特性曲線及大信號(hào)特性方程（1）輸出特性及大信號(hào)特性方程）輸出特性及大信號(hào)特性方程 飽和區(qū)飽和區(qū)（恒流區(qū)又稱放大區(qū)）（恒流區(qū)又稱放大區(qū)）vGS GS V VT T ，且，且vDSDS（v vGSGSV VT T）2)(TGSnDVKi v221)(TGSTn VVKv21)(TGSDO VIv2TnDOVKI 是是vGSGS2 2V VT T時(shí)的時(shí)的iD D V V- -I I 特性：特性： )( DSDSTGSnD22vvv VKi第12頁/共36頁第十二頁，編輯于星期六：八

8、點(diǎn) 四十一分。3. V-I 特性曲線及大信號(hào)特性方程特性曲線及大信號(hào)特性方程（2）轉(zhuǎn)移特性）轉(zhuǎn)移特性const.GSDDS)( vvfi21)(TGSDOD VIiv第13頁/共36頁第十三頁，編輯于星期六：八點(diǎn) 四十一分。溝道耗盡型溝道耗盡型MOSFET1. 結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)和工作原理（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層中摻有大量的正離子 可以在正或負(fù)的柵源電壓下工作，而且基本上無柵流可以在正或負(fù)的柵源電壓下工作，而且基本上無柵流第14頁/共36頁第十四頁，編輯于星期六：八點(diǎn) 四十一分。溝道耗盡型溝道耗盡型MOSFET1. 結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)和工作原理（N溝道）溝

9、道）當(dāng)當(dāng)vGSGS00時(shí)時(shí) 由于絕緣層的存在，并不會(huì)產(chǎn)生由于絕緣層的存在，并不會(huì)產(chǎn)生柵極電流，而是在溝道中感應(yīng)出更多的柵極電流，而是在溝道中感應(yīng)出更多的負(fù)電荷，使溝道變寬。在負(fù)電荷，使溝道變寬。在vDSDS的作用下，的作用下，i iD D將有更大的數(shù)值。將有更大的數(shù)值。 溝道變窄，從而使漏極電流減小。當(dāng)溝道變窄，從而使漏極電流減小。當(dāng)vGSGS為負(fù)電壓到為負(fù)電壓到達(dá)某個(gè)值時(shí)，耗盡區(qū)擴(kuò)展到整個(gè)溝道，溝道完全被夾斷，即達(dá)某個(gè)值時(shí)，耗盡區(qū)擴(kuò)展到整個(gè)溝道，溝道完全被夾斷，即使有使有vDSDS ，也不會(huì)有漏極電流，也不會(huì)有漏極電流i iD D ，此時(shí)的柵源電壓稱為夾斷，此時(shí)的柵源電壓稱為夾斷電壓電壓。當(dāng)

10、當(dāng)vGS GS 0 VT ，否則工作在截止區(qū)，否則工作在截止區(qū)再假設(shè)工作在可變電阻區(qū)再假設(shè)工作在可變電阻區(qū))(TGSDSVVV 即即dDDDDSRIVV DSTGSnD 2VV)(VKI 第25頁/共36頁第二十五頁，編輯于星期六：八點(diǎn) 四十一分。假設(shè)工作在飽和區(qū)假設(shè)工作在飽和區(qū)滿足滿足)(TGSDSVVV 假設(shè)成立，結(jié)果即為所求。假設(shè)成立，結(jié)果即為所求。解：解：V2V5406040 DDg2g1g2GSQ VRRRVmA2 . 0mA)12)(2 . 0()(22TGSnDQ VVKIV2V)15)(2 . 0(5dDDDDSQ RIVV例：例：設(shè)設(shè)Rg1=60k ，Rg2=40k ，Rd=

11、15k ，220V/mA.n K試計(jì)算電路的靜態(tài)漏極電流試計(jì)算電路的靜態(tài)漏極電流IDQ和漏源電壓和漏源電壓VDSQ 。VDD=5V， VT=1V，第26頁/共36頁第二十六頁，編輯于星期六：八點(diǎn) 四十一分。放大電路放大電路1. 直流偏置及靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算直流偏置及靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算（2）帶源極電阻的）帶源極電阻的NMOS共源極放大電路共源極放大電路2)(TGSnDVVKI 飽和區(qū)飽和區(qū)需要驗(yàn)證是否滿足需要驗(yàn)證是否滿足)(TGSDSVVV SGGSVVV )(2dDDDDSRRIVV )(SSSSDDg2g1g2VVVRRR )(SSDVRI 第27頁/共36頁第二十七頁，編輯于星期六：八點(diǎn) 四十

12、一分。放大電路放大電路1. 直流偏置及靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算直流偏置及靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算靜態(tài)時(shí)，靜態(tài)時(shí)，vI0 0，VG 0 0，ID I電流源偏置電流源偏置 VDS VDD IDRd VS2TGSnD)(VVKI （飽和區(qū)）（飽和區(qū)） VS VG VGS VGS第28頁/共36頁第二十八頁，編輯于星期六：八點(diǎn) 四十一分。放大電路放大電路2. 圖解分析圖解分析由于負(fù)載開路，交流負(fù)載線與直流負(fù)由于負(fù)載開路，交流負(fù)載線與直流負(fù)載線相同載線相同 第29頁/共36頁第二十九頁，編輯于星期六：八點(diǎn) 四十一分。放大電路放大電路3. 小信號(hào)模型分析小信號(hào)模型分析（1）模型）模型DQDIi gsmvg dDQiI g

13、smdvgi =0=0時(shí)時(shí)高頻小信號(hào)模型高頻小信號(hào)模型0時(shí)2)(TGSnDVVKI 2nTGSQn2TGSQn2TGSQnD2gsgsgsvKvVVKVVKVvVKi )()()(忽略第30頁/共36頁第三十頁，編輯于星期六：八點(diǎn) 四十一分。3. 小信號(hào)模型分析小信號(hào)模型分析解：例的直流分析已求得：解：例的直流分析已求得： mA5 . 0DQ IV2GSQ VV75. 4DSQ VV/mA1 V/mA)12(5 . 02 )(2TGSQnm VVKg（2）放大電路分析）放大電路分析（例）（例）s第31頁/共36頁第三十一頁，編輯于星期六：八點(diǎn) 四十一分。3. 小信號(hào)模型分析小信號(hào)模型分析（2）放大電路分析）放大電路分析（例）（例）dgsmoRg vv )1()(mgsgsmgsiRgRg vvvvRgRgAmdmio1 vvvg2g1i/ RRR doRR SiiSiioSosRRRAA vvvvvvvvs增益較低很高第32頁/共36頁第三十二頁，編輯于星期六：八點(diǎn) 四十一分。3. 小信號(hào)模型分析小信號(hào)模型分析（2）放大電路分析）放大電路分析（例）（例）)/()/)(dsgsmgsdsgsmiorRgrRgAvvvvvv 1)/(1)/(dsmdsm rRgrRg)()/(1)/( SiidsmdsmSiioSosRRRrRgrRgA vvvvvvv共漏共漏第