電子技術(shù)基礎(chǔ)(第五版)康華光05 場效應(yīng)管放大電路

1、15.1 金屬金屬-氧化物氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管半導(dǎo)體場效應(yīng)管5.2 MOSFET放大電路放大電路5.3 結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管5.4 各種放大器件電路性能比較各種放大器件電路性能比較2N溝道溝道P溝道溝道N溝道溝道P溝道溝道增強型增強型耗盡型耗盡型增強型增強型耗盡型耗盡型（耗盡型）（耗盡型）FETField Effect Transistor場效應(yīng)管場效應(yīng)管JFET結(jié)型結(jié)型MOSFET按結(jié)構(gòu)不同場效應(yīng)管有兩種按結(jié)構(gòu)不同場效應(yīng)管有兩種:35.1 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5.1.1 N溝道增強型溝道增強型MOSFET5.1.4 MOSFET的主要參數(shù)的主

2、要參數(shù)5.1.2 N溝道耗盡型溝道耗盡型MOSFET5.1.3 P溝道溝道MOSFET45.1.1 N溝道增強型溝道增強型MOSFET1. 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)P型硅襯底型硅襯底耗盡層耗盡層SiO2鋁鋁鋁鋁鋁鋁剖面圖剖面圖襯底引線襯底引線 柵極和其它電極及硅柵極和其它電極及硅片之間是絕緣的，柵極片之間是絕緣的，柵極電流幾乎為零，輸入電電流幾乎為零，輸入電阻很高，最高可達阻很高，最高可達1015 ，故稱，故稱絕緣柵型絕緣柵型場效應(yīng)管場效應(yīng)管(IGFET)。源極源極柵極柵極漏極漏極 又稱又稱金屬金屬-氧化物氧化物-半導(dǎo)半導(dǎo)體場效應(yīng)管體場效應(yīng)管(MOSFET) 。高摻雜高摻雜N區(qū)區(qū)5P型硅襯底型硅襯底 由結(jié)構(gòu)圖

3、可見，由結(jié)構(gòu)圖可見，N+型漏區(qū)和型漏區(qū)和N+型源區(qū)之間被型源區(qū)之間被P型襯底隔開，漏極型襯底隔開，漏極和源極之間是兩個背靠背的和源極之間是兩個背靠背的PN結(jié)。結(jié)。當柵源電壓當柵源電壓vGS = 0 時，不管漏時，不管漏極和源極之間所加電壓的極性如極和源極之間所加電壓的極性如何，其中總有一個何，其中總有一個PN結(jié)是反向結(jié)是反向偏置的，偏置的，漏極電流近似為零漏極電流近似為零。2. 工作原理工作原理（1）vGS對溝道的控制作用對溝道的控制作用SDVDD6當當vGS 0時時, 產(chǎn)生電場，排斥空穴而吸引電子。產(chǎn)生電場，排斥空穴而吸引電子。當當vGS VT 時，時， 在電場作用下產(chǎn)生導(dǎo)電溝道。在電場作用

4、下產(chǎn)生導(dǎo)電溝道。 vGS越大，導(dǎo)電溝道越厚越大，導(dǎo)電溝道越厚D、S間加電壓后，將有電流產(chǎn)生。間加電壓后，將有電流產(chǎn)生。P型硅襯底型硅襯底VGGVDDN型溝道型溝道iD（1）vGS對溝道的控制作用對溝道的控制作用7符號符號時時, ,沒有導(dǎo)電溝道沒有導(dǎo)電溝道P型硅襯底型硅襯底必須依靠柵源電壓的作用，才能形成導(dǎo)電溝道的必須依靠柵源電壓的作用，才能形成導(dǎo)電溝道的FETFET稱為稱為增強型增強型FETFET。8（2）vDS對溝道的控制作用對溝道的控制作用當當vGS一定（一定（vGS VT ）時，）時，vDS iD 產(chǎn)生產(chǎn)生溝道電位梯度，靠近溝道電位梯度，靠近漏極漏極d處的電位升高，電場處的電位升高，電場

5、強度減小，溝道變薄。強度減小，溝道變薄。整個溝道呈楔形分布。整個溝道呈楔形分布。P型硅襯底型硅襯底VGGVDDiD迅速增大迅速增大9P型硅襯底型硅襯底VGGVDDiD 當當vDS增加到使增加到使vGD=VT時，時，在緊靠漏極處出現(xiàn)在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷預(yù)夾斷。在預(yù)夾斷處：在預(yù)夾斷處：vGD=vGS-vDS =VT預(yù)夾斷后，預(yù)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基本不變基本不變夾斷區(qū)夾斷區(qū)飽和飽和（2）vDS對溝道的控制作用對溝道的控制作用10（3） vDS和和vGS同時作用時同時作用時 給定一個給定一個vGS ，就有一條不同的，就有一條不同的 iD vDS 曲線曲線。P型

6、硅襯底型硅襯底VGGVDDiDvGD=vGS-vDS 當當 vGS VT時，時，vGS越小導(dǎo)越小導(dǎo)電溝道越容易夾斷。電溝道越容易夾斷。 改變改變vGS的值，的值，iD的飽和值的飽和值隨之改變。隨之改變。漏極電流漏極電流iD的飽和值與柵源電壓的飽和值與柵源電壓vGS有關(guān)。所以，場效有關(guān)。所以，場效應(yīng)管是一種應(yīng)管是一種電壓控制電流的器件。電壓控制電流的器件。11綜上分析可知：綜上分析可知： 溝道中只有一種類型的載流子參與導(dǎo)電，溝道中只有一種類型的載流子參與導(dǎo)電， 所以所以溫度穩(wěn)定溫度穩(wěn)定性好性好，場效應(yīng)管也稱為，場效應(yīng)管也稱為單極型晶體管單極型晶體管。 場效應(yīng)管是場效應(yīng)管是電壓控制電流器件電壓控制

7、電流器件，iD受受vGS控制?？刂?。 場效應(yīng)管的場效應(yīng)管的輸入電阻高輸入電阻高，基本上不需要信號源提供電流。，基本上不需要信號源提供電流。123. 特性曲線特性曲線（1）輸出特性）輸出特性const.DSDGS)(vvfi 截止區(qū)截止區(qū)vGSVT導(dǎo)電溝道尚未形成導(dǎo)電溝道尚未形成iD = 0，為，為截止狀態(tài)截止狀態(tài)。13 可變電阻區(qū)可變電阻區(qū)vGD = vGS vDS VT即即vDSvGSVT時時溝道預(yù)夾斷前溝道預(yù)夾斷前iD與與vDS呈近似線性關(guān)系呈近似線性關(guān)系FET可看作受可看作受vGS控制的控制的可變電阻可變電阻14 可變電阻區(qū)可變電阻區(qū)vGSVT ，且，且vDSvGSVT )(2 2DSD

8、STGSnDvvvVKiKn為電導(dǎo)常數(shù)，單位：為電導(dǎo)常數(shù)，單位：mA/V2DSTGSnD )(2vvVKi15 飽和區(qū)飽和區(qū)（恒流區(qū)（恒流區(qū)/放大區(qū)）放大區(qū)）vGS VT ，且且vDS vGS - VT2TGSnD)(VKiv2TGS2Tn) 1(VVKv2TGSDO) 1(VIv2TnDOVKI 是是vGS2VT時時iD的飽和值的飽和值溝道預(yù)夾斷后溝道預(yù)夾斷后iD達到飽和，只與達到飽和，只與vGS有關(guān)有關(guān)16（2）轉(zhuǎn)移特性）轉(zhuǎn)移特性const.GSDDS)(vvfi21)(TGSDOD VIiv當當vGS VT ，且且vDSvGSVT時，時，17符號符號5.1.2 N溝道耗盡型溝道耗盡型MO

9、SFET1. 結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)和工作原理SiO2絕緣層中絕緣層中摻有正離子摻有正離子預(yù)埋了預(yù)埋了N型型 導(dǎo)電溝道導(dǎo)電溝道18 由于耗盡型場效應(yīng)管預(yù)埋了導(dǎo)電溝由于耗盡型場效應(yīng)管預(yù)埋了導(dǎo)電溝道，所以在道，所以在vGS= 0時，時，若漏若漏源之間加源之間加上一定的電壓上一定的電壓vDS，也會有漏極電流，也會有漏極電流 iD 產(chǎn)生。產(chǎn)生。 當當vGS達到一定達到一定負值時，負值時，N型導(dǎo)電溝道消失，型導(dǎo)電溝道消失，iD= 0，稱為稱為場效應(yīng)管處于夾斷狀態(tài)（即截止）。這時的場效應(yīng)管處于夾斷狀態(tài)（即截止）。這時的vGS稱為夾斷電稱為夾斷電壓，用壓，用VP表示。表示。192. 特性曲線特性曲線 2PGSD

10、SS2PGS2PnD)1 ()1 (VIVVKivv205.1.3 P溝道溝道MOSFETN型襯底型襯底P+P+結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)加電壓才形成加電壓才形成 P型導(dǎo)電溝道型導(dǎo)電溝道215.1.3 P溝道溝道MOSFET預(yù)埋了預(yù)埋了P型型 導(dǎo)電溝道導(dǎo)電溝道SiO2絕緣層中絕緣層中摻有負離子摻有負離子225.1.3 P溝道溝道MOSFET235.1.4 MOSFET的主要參數(shù)的主要參數(shù)1. 開啟電壓開啟電壓VT (或或VGS(th)一、直流參數(shù)一、直流參數(shù)2. 夾斷電壓夾斷電壓VP (或或VGS(off)4. 直流輸入電阻直流輸入電阻RGS：在漏源極短路的情況下，柵源間加一定電壓時的柵源直在漏源極短路的情況下

11、，柵源間加一定電壓時的柵源直流電阻。對于流電阻。對于MOS場效應(yīng)管場效應(yīng)管RGS可達可達109 1015。3. 飽和漏極電流飽和漏極電流IDSS增強型增強型MOS管的參數(shù)管的參數(shù)24二、交流參數(shù)二、交流參數(shù) 1. 低頻互導(dǎo)（跨導(dǎo)）低頻互導(dǎo)（跨導(dǎo)）gm：DSGSDmVvig（飽和區(qū)）)(2TGSnmVKgv 低頻跨導(dǎo)反映了低頻跨導(dǎo)反映了vGS對對iD的控制作用。的控制作用。gm可以在轉(zhuǎn)移特可以在轉(zhuǎn)移特性曲線上求得，單位是性曲線上求得，單位是mS(毫西門子毫西門子)。2. 輸出電阻輸出電阻rds：GSDDSdsVivr25三、極限參數(shù)三、極限參數(shù) 2. 最大耗散功耗最大耗散功耗PDM3. 最大漏源

12、電壓最大漏源電壓V(BR)DS4. 最大柵源電壓最大柵源電壓V(BR)GS1. 最大漏最大漏極極電電流流IDM26 FET與與BJT的比較的比較10020mA/V51mg4210101571010對應(yīng)電極對應(yīng)電極 BEC GSD27 場效應(yīng)管放大電路與三極管放大電路結(jié)構(gòu)上相類似，有場效應(yīng)管放大電路與三極管放大電路結(jié)構(gòu)上相類似，有三種組態(tài)三種組態(tài)：共源極放大電路：共源極放大電路(CS)、共漏極放大電路、共漏極放大電路(CD)和和共柵極放大電路共柵極放大電路(CG)。 場效應(yīng)管放大電路的分析與三極管放大電路一樣，包括場效應(yīng)管放大電路的分析與三極管放大電路一樣，包括靜態(tài)分析靜態(tài)分析和和動態(tài)分析動態(tài)分

13、析。 5.2 MOSFET放大電路放大電路28一、直流偏置及靜態(tài)工作點的計算一、直流偏置及靜態(tài)工作點的計算直流通路直流通路1、簡單的共源極放大電路、簡單的共源極放大電路 場效應(yīng)管放大電路需要設(shè)置合適的靜態(tài)工作點，否則將造成場效應(yīng)管放大電路需要設(shè)置合適的靜態(tài)工作點，否則將造成輸出信號的失真。輸出信號的失真。 29DDg2g1g2GSQVRRRV2TGSQnDQ)(VVKIdDQDDDSQRIVV假設(shè)工作在飽和區(qū)，即假設(shè)工作在飽和區(qū)，即)(TGSQDSQVVV驗證是否滿足驗證是否滿足)(TGSQDSQVVV若滿足，說明假設(shè)成立，場效應(yīng)管工作在飽和區(qū)；若滿足，說明假設(shè)成立，場效應(yīng)管工作在飽和區(qū)；若不

14、滿足，說明假設(shè)錯誤，場效應(yīng)管工作在可變電阻區(qū)。若不滿足，說明假設(shè)錯誤，場效應(yīng)管工作在可變電阻區(qū)。須滿足須滿足VGSQ VT ，否則工作在截止區(qū)，否則工作在截止區(qū)Q點：點：VGSQ 、 IDQ 、 VDSQ 30假設(shè)工作在飽和區(qū)假設(shè)工作在飽和區(qū)滿足滿足)(TGSQDSQVVV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：mA2 . 0mA)12)(2 . 0()(22TGSnDQ VVKIV2V)15)(2 . 0(5dDDDDSQ RIVV例：例：設(shè)設(shè)Rg1=60k ，Rg2=40k ，Rd=15k ，220V/mA.n K試計算電路的靜態(tài)漏極電流試計算電路的靜態(tài)漏極電流IDQ和漏源

15、和漏源電壓電壓VDSQ 。VDD=5V， VT=1V，V2V5406040 DDg2g1g2GSQVRRRV31N溝道增強型溝道增強型MOS管電路的靜態(tài)分析管電路的靜態(tài)分析:1、畫出直流通路；、畫出直流通路；2、求、求VGSQ，若，若VGSQ VT ，設(shè)，設(shè)MOS管工作在飽和區(qū)，利用飽和區(qū)管工作在飽和區(qū)，利用飽和區(qū)電流電流-電壓關(guān)系分析電路，求電壓關(guān)系分析電路，求IDQ、 VDSQ ；4、若、若VDSQVGSQ-VT，說明假設(shè)錯誤，說明假設(shè)錯誤， MOS管工作在可管工作在可變電阻區(qū)，需利用可變電阻區(qū)電流變電阻區(qū)，需利用可變電阻區(qū)電流-電壓關(guān)系重新分析電電壓關(guān)系重新分析電路。路。322、帶源極電

16、阻的、帶源極電阻的NMOS共源極放大電路共源極放大電路2TGSQnDQ)(VVKI假設(shè)工作在飽和區(qū)假設(shè)工作在飽和區(qū)需要驗證是否滿足需要驗證是否滿足)(TGSQDSQVVVSGGSQVVV)(dDQSSDDDSQRRIVVV)(SSSSDDg2g1g2VVVRRR)(SSDQVRI33VG 0 0，IDQ IVS VG VGSQ 2TGSQnDQ)(VVKI（飽和區(qū)）（飽和區(qū)） 3、電流源偏置的、電流源偏置的NMOS共源極放大電路共源極放大電路VD VDD IDQ Rd VDSQ VD VS34二、二、 圖解分析圖解分析由于負載開路，交流負載線與直流負載線相同由于負載開路，交流負載線與直流負載線

17、相同 VGSQ =VGGIDQVDSQvDS/VtOtiD/mAOidvoVDDVDD/RdOiD/mAvDS/VQQQdDDDDSRiVv35三、三、 小信號模型分析小信號模型分析1、MOSFET的小信號模型的小信號模型輸入端口：輸入端口：柵極電流為零，輸入端口柵極電流為零，輸入端口視為開路，柵視為開路，柵-源極間只有電壓存在。源極間只有電壓存在。輸出端口：輸出端口：),(DSGSDvvfi在小信號情況下，對上式取全微分得在小信號情況下，對上式取全微分得DSDSDGSGSDDGSQDSQdvvidvvidiVV其中，其中，mGSDDSQgviVdsDDSGSQrivVdsdsgsmd1vrg

18、iv故36高頻小信號模型高頻小信號模型dsdsgsmd1vrgiv372、MOSFET放大電路分析舉例放大電路分析舉例例例1：設(shè)設(shè)Rs=4k ， Rg1=150k ，Rg2=47k ，Rd=10k ，R=0.5k VDD=5V， -VSS=-5V， VT=1V， 。試計算電。試計算電路的電壓增益，輸入電阻和輸出電阻路的電壓增益，輸入電阻和輸出電阻 。2nV/A500K2TGSQnDQ)(VVKI)()(SSDQSSSSDDg2g1g2GSQVRIVVVRRRV解：解：假設(shè)工作在飽和區(qū)，求假設(shè)工作在飽和區(qū)，求Q點點)(dDQSSDDDSQRRIVVV得得V2mA5 . 0GSQDQVI，V75.

19、 4DSQV，38V/mA1 V/mA) 12(5 . 02 )(2TGSQnmVVKgs39)1 ()(mgsgsmgsiRgRgvvvv67. 61mdmioRgRgAvvvk79.35/g2g1iRRRk10doRRs 場效應(yīng)管放大電路具有高輸入阻抗的特點，所以特別場效應(yīng)管放大電路具有高輸入阻抗的特點，所以特別適用于作為多極放大電路的輸入級。適用于作為多極放大電路的輸入級。 dgsmoRg vv40例例2：畫出如圖所示共漏極放大電路的小信號等效電路，并計算畫出如圖所示共漏極放大電路的小信號等效電路，并計算電路的電壓增益、輸入電阻和輸出電阻電路的電壓增益、輸入電阻和輸出電阻 。41RgRg

20、Agsmgsgsmiovvvvvv11mmRgRgg2g1i/RRR mdsmdstto1/ 111grRgrRiRv425.3 結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 工作原理工作原理 5.3.1 JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理 5.3.2 JFET的特性曲線及參數(shù)的特性曲線及參數(shù) 5.3.3 JFET放大電路放大電路435.3.1 JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理1. 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) (N溝道溝道) 源極源極(Source)N型導(dǎo)電溝道型導(dǎo)電溝道柵極柵極(Gate)漏極漏極(Drain)P型區(qū)型區(qū) P型區(qū)型區(qū)耗盡層耗盡層44代表符號代表符號452. 工作原理工作原理 vGS對溝道的

21、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(yīng)的柵當溝道夾斷時，對應(yīng)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(jié)反偏結(jié)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)減小，溝道繼續(xù)變窄。繼續(xù)變窄。+-vGSVGG溝道電阻變大溝道電阻變大46 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 同時，同時，PN結(jié)反偏，耗盡結(jié)反偏，耗盡層變厚，溝道變窄。層變厚，溝道變窄。 當當vDS增加到使增加到使vGD=VP 時，

22、在緊靠漏極處出現(xiàn)時，在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷預(yù)夾斷。預(yù)夾斷后預(yù)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基本不變基本不變迅速增大迅速增大VDD+-vDSA飽和飽和iD并且，越靠近漏極并且，越靠近漏極d處的電處的電位越高，位越高， PN結(jié)所加反向電壓結(jié)所加反向電壓越大，耗盡層越厚。整個溝道越大，耗盡層越厚。整個溝道呈楔形分布。呈楔形分布。47 vGS和和vDS同時作用時同時作用時 當當VP vGS0 時，時，vGS越小越小導(dǎo)電溝道越容易夾斷。導(dǎo)電溝道越容易夾斷。 對于同樣的對于同樣的vDS ， 改變改變vGS的值，的值，iD隨之改變。隨之改變。在預(yù)夾斷處在預(yù)夾斷處 vGD=vGS-v

23、DS =VP vGD=vGS-vDS+-vDS+-vGSVDDVGG JFET柵極與溝道間的柵極與溝道間的PN結(jié)是反向偏置結(jié)是反向偏置的，的，因此因此iG 0，輸入電阻很高。，輸入電阻很高。485.3.2 JFET的特性曲線及參數(shù)的特性曲線及參數(shù)VPconst.DSDGS)( vvfi輸出特性輸出特性 const.GSDDS)(vvfi轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性 ), 0()1 (GSDSGSP2PGSDSSDPVvvvVVvIi49與耗盡型與耗盡型MOSFET類似類似3. JFET的參數(shù)的參數(shù)50一、直流偏置及靜態(tài)工作點的計算一、直流偏置及靜態(tài)工作點的計算5.3.3 JFET放大電路放大電路1、自偏壓

24、電路自偏壓電路vGSvGSvGSvGSVGS2PGSQDSSDQ)1 (VVIIRIVDQGSQ假設(shè)工作在飽和區(qū)假設(shè)工作在飽和區(qū))(dDQDDDSQRRIVVVGS+-VDS若若VP VGSQ VP，則假設(shè)成立。則假設(shè)成立。512、分壓式自、分壓式自偏壓電路偏壓電路SV GSQVGVDDg2g1g2VRRR RIDQ2PGSQDSSDQ)1 (VVIIR)(RdQDSQDDDIVV需要判斷靜態(tài)工作點是否在飽和區(qū)需要判斷靜態(tài)工作點是否在飽和區(qū)521. 小信號模型小信號模型 （1）低頻模型）低頻模型 gm：低頻跨導(dǎo)：低頻跨導(dǎo)rd：輸出電阻：輸出電阻rgs ：輸入電阻：輸入電阻二、動態(tài)分析二、動態(tài)分析53（2）高頻模型）高頻模型542. 動態(tài)指標分析動態(tài)指標分析 （1 1）中