電子線路謝嘉奎第3章場效應管

1、 場效應管是另一種具有正向受控作用的半導體器場效應管是另一種具有正向受控作用的半導體器件。它件。它比比BJTBJT體積小、工藝簡單，器件特性便于控制，體積小、工藝簡單，器件特性便于控制，是目前制造大規(guī)模集成電路的主要有源器件。是目前制造大規(guī)模集成電路的主要有源器件。 場效應管輸入電阻遠大于三極管輸入電阻。場效應管輸入電阻遠大于三極管輸入電阻。三極管三極管不高，在許多場合不能滿足要求。不高，在許多場合不能滿足要求。 場效應管是單極型器件（三極管是雙極型器件）。場效應管是單極型器件（三極管是雙極型器件）。FETFET靠半導體中的靠半導體中的，又稱單極型晶體管，又稱單極型晶體管。三極管是三極管是兩種

2、兩種 FETFET優(yōu)點：優(yōu)點：輸入電阻大（輸入電阻大（10107 710101212）、）、噪音低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強、噪音低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強、體積小、體積小、工藝簡單，便于集成，因此應用廣泛。工藝簡單，便于集成，因此應用廣泛。主要用于高輸入阻抗放大器的輸入級。主要用于高輸入阻抗放大器的輸入級。 場效應管場效應管：壓控：壓控電流源器件（電流源器件（ID=gmVGS）。）。三極管：流控三極管：流控電流源器件（電流源器件（IC= IB ）。FETFET利用輸入回路的利用輸入回路的壓壓（來控制輸出回來控制輸出回路電流的器件，故此命名。路電流的器件，故此命名。P溝道（溝道（P-EMOS

3、） N溝道（溝道（N-EMOS） P溝道（溝道（P-DMOS） N溝道（溝道（N-DMOS） 增強型（增強型（E） 耗盡型（耗盡型（D） N- -MOS管與管與P- -MOS管工作原理相似，不同之管工作原理相似，不同之處僅在于處僅在于它們形成電流的載流子性質不同，因此，它們形成電流的載流子性質不同，因此，導致加在各極上的電壓極性相反導致加在各極上的電壓極性相反。 JFET結型結型N溝道溝道P溝道溝道N-JFETP-JFET金屬氧化物場效應管金屬氧化物場效應管（IGFET絕緣柵型）絕緣柵型）N+N+P+P+PUSGDN N溝道溝道q N-EMOS FET結構示意圖結構示意圖源極源極漏極漏極襯底極

4、襯底極 SiO2絕緣層絕緣層金屬柵極金屬柵極P P型硅型硅 襯底襯底SGUD電路符號電路符號l溝道長度溝道長度W溝道溝道寬度寬度MOSMOS管管外部工作條件外部工作條件: :兩個兩個PNPN結反偏。結反偏。N-EMOSN-EMOS管為：管為： VDS 0 ( (保證柵漏保證柵漏PN結反偏結反偏) )。 U接電路最低電位或與接電路最低電位或與S極相連極相連( (保證源襯保證源襯PN結反偏結反偏) )。 VGS 0 ( (形成導電溝道形成導電溝道) )。1 1、由金屬、氧化物和半導體制成。稱為、由金屬、氧化物和半導體制成。稱為金屬金屬- -氧化物氧化物- -半半導體場效應管導體場效應管(M-O-S

5、)(M-O-S)。2、柵極有、柵極有SiO2絕緣層絕緣層，或簡稱，或簡稱 I-G-FET場效應管。場效應管。 3.1.1 N3.1.1 N溝道增強型（溝道增強型（EMOSEMOS）管）管 MOS管襯底一般與源極相連使用；管襯底一般與源極相連使用； 柵極和襯底間形成電容。柵極和襯底間形成電容。一一. 工作原理工作原理 1、溝道形成原理。溝道形成原理。(1)(1)設設VDS =0，當當VGS=0時，時，iD=0。圖圖(a)(a) 3.1 3.1 絕緣柵型場效應管（絕緣柵型場效應管（MOSMOS管）管）柵柵 襯之間襯之間相當于以相當于以SiO2為介質的平板電容器。為介質的平板電容器。 (2)當當VG

6、S0時，時，VGS對對溝道溝道導電能力的控制作導電能力的控制作用。用。圖圖(b)(b) 若若VGS0（正柵源電壓）（正柵源電壓）耗盡層，耗盡層，如圖如圖(b)所示。所示。 VGS反型層加厚反型層加厚溝道電阻變小。溝道電阻變小。 當當VGS耗盡層加寬耗盡層加寬反型層反型層N型型導電溝道，導電溝道，如如圖圖(C)所示。所示。反型層反型層VGS越大，反型層中越大，反型層中n 越多，導電能力越強。越多，導電能力越強。2、當、當VGSVGS(th)且一定時，且一定時，VDS對對溝道導電能力溝道導電能力i iD D的的影響。影響。圖圖(d)(d) V VDSGSGDVVV （假設（假設V VGSGS V

7、VGS(thGS(th) ) 且保持不變）且保持不變）講講P104 VDG VGS(th) V DS VGS(th) V DS VGSVGS(th) 考慮溝道長度調制效應考慮溝道長度調制效應(CLME)(CLME)，輸出特性曲線隨，輸出特性曲線隨VDS的增加略有上翹。的增加略有上翹。注意：飽和區(qū)（又稱有源區(qū)）對應三極管放大區(qū)。注意：飽和區(qū)（又稱有源區(qū)）對應三極管放大區(qū)。數學模型：數學模型：工作在飽和區(qū)時，工作在飽和區(qū)時，MOSMOS管的正向受控作管的正向受控作用，服從平方律關系式：用，服從平方律關系式：若考慮若考慮CLME，則，則ID的修正方程：的修正方程： 2GS(th)GSOXnD)(2V

8、VlWCIADS2GS(th)GSOXnD1)(2VVVVlWCIDS2GS(th)GSOXn1)(2VVVlWC其中：其中： 稱稱溝道長度調制系數，其值與溝道長度調制系數，其值與l 有關。有關。通常通常 =( 0.005 0.03 )V- -1（3-1-7）（3-1-8）2GS(th)GSDSSD1VVIi飽和漏極電流飽和漏極電流q 3 3、截止區(qū)、截止區(qū)特點：特點：相當于相當于MOS管三個電極斷開。管三個電極斷開。 ID/mAVDS /V0VDS = VGS VGS(th)VGS =5V3.5V4V4.5V溝道未形成時的工作區(qū)溝道未形成時的工作區(qū)條件：條件： VGS VGS(th) ID=

9、0=0以下的工作區(qū)域。以下的工作區(qū)域。IG0，ID0q 4 4、擊穿區(qū)擊穿區(qū) VDS增大增大到一定值時到一定值時漏襯漏襯PN結雪崩擊穿結雪崩擊穿 ID劇增。劇增。 VDS溝道溝道 l 對于對于l 較小的較小的MOS管管穿通擊穿。穿通擊穿。V VDSDS過大時過大時 MOSMOS管管C COXOX很小，當帶電物體（很小，當帶電物體（烙鐵烙鐵或人或人）靠近）靠近金屬柵極時金屬柵極時Q Q大大，感生電荷在，感生電荷在SiOSiO2 2絕緣層中將產生很絕緣層中將產生很大的電壓大的電壓V VGSGS(=Q/(=Q/C COXOX) )，使，使絕緣層絕緣層擊穿，造成擊穿，造成MOSMOS管永管永久性損壞久

10、性損壞。MOS管保護措施：管保護措施：分立的分立的MOS管：管：各極引線短接、烙鐵外殼接地。各極引線短接、烙鐵外殼接地。MOS集成電路：集成電路：TD2D1D1 與與D2：(1)限制限制VGS間間最大電壓。最大電壓。（2）對感）對感 生電荷起旁生電荷起旁路作用。路作用。 NEMOS管轉移特性曲線管轉移特性曲線VGS(th) = 3VVDS = 5V 轉移特性曲線反映轉移特性曲線反映VDS為常數時，為常數時，VGS對對ID的控的控制作用制作用, ,可由輸出特性轉換得到?？捎奢敵鎏匦赞D換得到。 ID/mAVDS /V0VDS = VGS VGS(th)VGS =5V3.5V4V4.5VVDS =

11、5VID/mAVGS /V012345 轉移特性曲線中轉移特性曲線中, ,ID = =0 時對應的時對應的VGS值值, ,即開啟即開啟電壓電壓VGS（th） 。q三、三、襯底效應襯底效應 集成電路中，許多集成電路中，許多MOS管做在同一襯底上，為保證管做在同一襯底上，為保證U與與S、D之間之間PN結反偏，襯底應接電路最低電位（結反偏，襯底應接電路最低電位（N溝道）或最高電位（溝道）或最高電位（P溝道）。溝道）。 若若| VUS | - - +VUS耗盡層中負離子數耗盡層中負離子數 因因VGS不變（不變（G極正電荷量不變）極正電荷量不變）ID VUS = 0ID/mAVGS /VO- -2V-

12、-4V根據襯底電壓對根據襯底電壓對ID的控制作用，又的控制作用，又稱稱U極為極為背柵極。背柵極。PP+N+N+SGDUVDSVGS- - +- - +阻擋層寬度阻擋層寬度 表面層中表面層中電子電子數數 q 四、四、P溝道溝道EMOS管管+ -+ - VGSVDS+ - + - NN+P+SGDUP+N-EMOS管與管與P-EMOS管管工作原理相似。工作原理相似。即即 VDS 0 、VGS 0，VGS 正、負、零均可。正、負、零均可。外部工作條件：外部工作條件：DMOS管在飽和區(qū)與非飽和區(qū)的管在飽和區(qū)與非飽和區(qū)的ID表達式表達式與與EMOS管管相同相同。DMOS-P與與N差別僅在電壓極性與電流方

13、向相反。差別僅在電壓極性與電流方向相反。轉移特性轉移特性q 電路符號及電流流向電路符號及電流流向SGUDIDSGUDIDUSGDIDSGUDIDN-EMOSN-DMOSP-DMOSP-EMOSq 轉移特性轉移特性IDVGS0VGS(th)IDVGS0VGS(th)IDVGS0VGS(th)IDVGS0VGS(th)3.1.3 六種場效應管的符號及特性如圖所示。六種場效應管的符號及特性如圖所示。P113qN-EMOSN-EMOS管簡化小信號電路模型管簡化小信號電路模型( (與三極管對照與三極管對照) ) gmvgsrdsgdsicvgs- -vds+- -（2）rds為為場效應管場效應管輸出電阻

14、：輸出電阻：（1）由于）由于場場效應管效應管G G、S S之間開路，之間開路，I IG G 0 0，所以輸入電阻，所以輸入電阻r rgsgs 。而而三極管發(fā)三極管發(fā)射結正偏，射結正偏，故輸入電阻故輸入電阻r rb b e e較小。較小。)/(1CQceIr與三極管與三極管輸出電阻表達式輸出電阻表達式 相似。相似。)/(1DQdsIrrb ercebceibic+- - -+vbevcegmvb e 將場效應管視為二端口網絡將場效應管視為二端口網絡 柵、源之間只有電壓柵、源之間只有電壓VGS，而無電流，而無電流取全微分得：取全微分得：DSDSDGSGSDDdVdVdGSDSVVViViiGSVD

15、SVDSi（3-1-9）DSDSDGSGSDDdvdvdGSDSvvvivii令令mGSDgDSVvidsDSD1GSrviV， 若信號較小，則若信號較小，則gm和和rds近似為常數近似為常數于是，有于是，有dsdsgsmd1vrvgI （3-1-10） 跨導跨導gm由由VGS=VGSQ時的轉移特性曲線上時的轉移特性曲線上Q點處切線斜率決定，點處切線斜率決定，如圖所示如圖所示Qgmrds為為VGS=VGSQ時輸出特性曲線上時輸出特性曲線上Q點處切線斜率的倒數點處切線斜率的倒數Q理想時理想時,場效應管簡化等效模型場效應管簡化等效模型 MOS管管跨導跨導QGSDmvig2GS(th)GSOXD)(

16、2VVlWCI利用利用DQOXQGSDm22IlWCvig得得三極管三極管跨導跨導CQeQEBC5 .38 Irvigm 通常通常MOS管的跨導比管的跨導比三極管的三極管的跨導要小一個跨導要小一個數量級以上，即數量級以上，即MOS管放大能力比三極管弱。管放大能力比三極管弱。（3-1-13）（3-1-7）（2-5-4）DQDSSGS(th)m2IIVgq 計及襯底效應的計及襯底效應的MOS管簡化電路模型管簡化電路模型 考慮到襯底電壓考慮到襯底電壓vus對漏極電流對漏極電流id的控制作用，小信的控制作用，小信號等效電路中需增加一個壓控電流源號等效電路中需增加一個壓控電流源gmuvus。gmvgsr

17、dsgdsidvgs- -vds+- -gmuvusgmu稱背柵（稱背柵（襯底襯底）跨導：）跨導：mQusDmugvig工程上，工程上， 為常為常數，數，一般一般 = 0.1 0.2（3-1-16）q MOS管高頻小信號電路模型管高頻小信號電路模型 當高頻應用、需計及管子極間電容影響時，應當高頻應用、需計及管子極間電容影響時，應采用如下高頻等效電路模型。采用如下高頻等效電路模型。gmvgsrdsgdsidvgs- -vds+- -CdsCgdCgs柵源極間柵源極間平板電容平板電容漏源極間電容漏源極間電容（漏襯與（漏襯與源襯之間的勢壘電容）源襯之間的勢壘電容）柵漏極間柵漏極間平板電容平板電容 場

18、效應管電路分析方法與三極管的相似，可采場效應管電路分析方法與三極管的相似，可采用用估算法（公式）估算法（公式）分析電路直流工作點；采用分析電路直流工作點；采用小信小信號等效電路法號等效電路法分析電路動態(tài)指標。分析電路動態(tài)指標。圖解法圖解法少用。少用。P116 場效應管估算法分析思路與三極管相同，場效應管估算法分析思路與三極管相同，但但兩種兩種管工作原理不同，故外部工作條件明顯不同。管工作原理不同，故外部工作條件明顯不同。q一、估算法一、估算法1 1、MOS管管截止模式判斷方法截止模式判斷方法假定假定MOS管工作在放大模式：管工作在放大模式：放大模式放大模式非飽和模式非飽和模式（需重新計算需重新

19、計算Q Q點點）N溝道管溝道管：VGS VGS(th)截止條件截止條件2 2、MOS管管非飽和與飽和（放大）模式判斷方法非飽和與飽和（放大）模式判斷方法a)a)由直流通路寫出管外電路由直流通路寫出管外電路VGS與與ID之間關系式。之間關系式。c)c)聯(lián)立解上述方程，選出合理的一組解。聯(lián)立解上述方程，選出合理的一組解。d)d)判斷電路工作模式：判斷電路工作模式：若若|VDS| |VGSVGS(th)| 若若|VDS| 0， P溝道溝道：VDS |VGS(th) |，|VDS | | VGS VGS(th) |VGS| |VGS(th) | ，q 飽和區(qū)（放大區(qū)）工作條件飽和區(qū)（放大區(qū)）工作條件|

20、VDS | |VGS(th) |，q 非飽和區(qū)（可變電阻區(qū)）數學模型非飽和區(qū)（可變電阻區(qū)）數學模型DSGS(th)GSOXnD)(VVVlWCI（3-1-5）MOS管管q N-EMOS N-EMOS直流簡化電路模型直流簡化電路模型( (與三極管相對照與三極管相對照) ) （1）場效應管）場效應管G、S之間開路之間開路 ，IG 0。三極管發(fā)射結由于正偏而導通，等效三極管發(fā)射結由于正偏而導通，等效為為VBE(on) 。（2）FET輸出端等效為輸出端等效為壓控壓控電流源，滿足平方律方程：電流源，滿足平方律方程： 三極管輸出端等效為三極管輸出端等效為流控流控電流源，滿足電流源，滿足IC= IB 。2G

21、S(th)GSOXD)(2VVlWCISGDIDVGSSDGIDIG 0ID(VGS )+- -VBE(on)ECBICIBIB +- -（3-1-7）例例1 已知已知 nCOXW/(2l)=0.25mA/V2，VGS(th)= 2V, 求求ID解：解：假設假設T工作在放大模式（工作在放大模式（? ?區(qū)區(qū)） VDD(+20V)1.2M 4k TSRG1RG2RDRS0.8M 10k GIDSDG2G1DDG2SGGSRIRRVRVVV2GS(th)GSOXD)(2VVlWCI帶入已知條件解上述方程組得：帶入已知條件解上述方程組得： ID= 1mAVGS= 4V及ID= 2.25mAVGS= -

22、1V（舍去）（舍去）VDS= VDD-ID （RD + RS）= 6V因此因此 驗證得知：驗證得知： VDS VGSVGS(th) ，VGS VGS(th)，假設成立。假設成立。（3-1-7）例例2：（：（3-1-7）q3.1.5 3.1.5 分析方法：分析方法：P116P116q二、小信號等效電路法二、小信號等效電路法FET小信號等效電路分析法與三極管相似。小信號等效電路分析法與三極管相似。 利用微變等效電路分析交流指標。利用微變等效電路分析交流指標。 畫交流通路。畫交流通路。 將將FETFET用小信號電路模型代替。用小信號電路模型代替。 計算微變參數計算微變參數gm、rds注：具體分析將在

23、注：具體分析將在第四章中第四章中詳細介紹。詳細介紹。 3.2 3.2 結型場效應管（結型場效應管（JFETJFET）N溝道管溝道管P溝道管溝道管實際結構及符號如下圖所實際結構及符號如下圖所示。示。 P-JFET P-JFET除偏置電壓極性、載流子類型與除偏置電壓極性、載流子類型與N-JFETN-JFET不同不同外，其工作原理完全相同，因此，只討論外，其工作原理完全相同，因此，只討論N-JFETN-JFET。類型類型MOSFETMOSFET利用利用V VGSGS大小，來改變半導體表面感生電荷的大小，來改變半導體表面感生電荷的多少，從而控制漏極電流大小。多少，從而控制漏極電流大小。 JFETJFE

24、T利用利用PNPN結反結反向電壓來向電壓來控制控制耗盡層厚度，改變導耗盡層厚度，改變導電溝道的寬窄，從而控制漏極電流大小。電溝道的寬窄，從而控制漏極電流大小。 3.2 N-JFET結構和工作原理結構和工作原理1. 結構結構 N型導電溝道型導電溝道漏極漏極D(d)溝道電阻溝道電阻 長度、長度、寬度寬度、摻雜、摻雜P+P+反偏的反偏的PN結結 反偏電壓反偏電壓控制耗盡層控制耗盡層結構特點結構特點:空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)(耗盡層耗盡層)柵極柵極G(g)源極源極S(s)N型型q N溝道溝道JFET管管外部工作條件外部工作條件 VDS 0 ( (保證柵漏保證柵漏PN結反偏結反偏) )VGS 0 ( (保證

25、柵保證柵源源PN結反偏結反偏) )P+P+NGSD- + + VGSVDS+ + - -q VGS對溝道寬度的影響：對溝道寬度的影響：|VGS | 阻擋層寬度阻擋層寬度 若若|VGS | 繼續(xù)繼續(xù) 溝道全夾斷溝道全夾斷使使VGS =VGS (off)夾斷電壓夾斷電壓若若VDS=0NGSD- + + VGSP+P+N型溝道寬度型溝道寬度 溝道電阻溝道電阻Ron g d s P+ N P+ 耗耗盡盡層層 g d s P+ N P+ g d s P+ N P+ VGS對溝道的控制作用（對溝道的控制作用（ VGS=0 VGS0 (反偏反偏)耗盡層加耗盡層加寬寬厚厚|VGS | 增加增加溝道變窄溝道變窄

26、溝道電阻增大溝道電阻增大全夾斷（夾斷電壓）全夾斷（夾斷電壓） |uGS|VP溝道電阻為溝道電阻為 VDS很小時很小時 VGD VGS由圖由圖 VGD = VGS - - VDS因此因此 VDS ID線性線性 若若VDS 則則VGD 近漏端溝道近漏端溝道 Ron增大增大。此時此時, ,Ron ID 變慢。變慢。q VDS對溝道的控制對溝道的控制（假設（假設VGS 一定一定）NGSD- + + VGSP+P+VDS+- -此時此時W近似不變，近似不變，即即Ron不變。不變。DSGSGDVVV講講P119 當當VDS增加到增加到使使VGD 并并=VGS(off)時，時， A點出現(xiàn)點出現(xiàn)預夾斷。預夾斷

27、。 若若VDS 繼續(xù)繼續(xù) A點下移點下移出現(xiàn)夾斷區(qū)。出現(xiàn)夾斷區(qū)。此時此時 VAS =VAG +VGS =- -VGS(off) +VGS （恒定）（恒定）若忽略若忽略CLMECLME，則近似認為，則近似認為l l 不變（即不變（即R Ronon不變）。不變）。NGSD- + + VGSP+P+VDS+- -ANGSD- + + VGSP+P+VDS+- -A VDGVGS VGS(off) V DS VGS VGS(off)V DS VGSVGS(off) 在飽和區(qū)，在飽和區(qū)，JFET的的ID與與VGS之間也滿足平方律關系，但由之間也滿足平方律關系，但由于于JFET與與MOS管結構不同，故管結

28、構不同，故方程不同。方程不同。（3-2-3）q三、截止區(qū)三、截止區(qū)特點：特點：溝道全夾斷的工作區(qū)。溝道全夾斷的工作區(qū)。條件：條件： VGS VGS(off) IG0，ID=0q四、四、擊穿區(qū)擊穿區(qū)VDS 增大增大到一定值時到一定值時 近近漏極漏極PN結雪崩擊穿。結雪崩擊穿。ID/mAVDS /V0VDS = VGS VGS(off)VGS =0V- -2V- -1. 5V- -1V- -0. 5V 造成造成 ID劇增。劇增。VGS 越負越負 則則VGD 越負越負 相應相應擊穿電壓擊穿電壓V(BR)DS越小越小擊穿電壓擊穿電壓V(BR)DS： V(BR)DSVGS- V(BR)GD JFET J

29、FET轉移特性曲線轉移特性曲線 同同MOS管一樣，管一樣，JFET的轉移特性也可由輸出的轉移特性也可由輸出特性轉換得到特性轉換得到( (略略) )。 ID = =0 時對應的時對應的VGS值值 夾斷電壓夾斷電壓VGS（off） 。VGS(off)ID/mAVGS /V0IDSS ( (N- -JFET) )ID/mAVGS /V0IDSSVGS(off) ( (P- -JFET ) )VGS= =0 時對應的時對應的ID 值值 飽和漏電流飽和漏電流IDSS。 1、轉移特性、轉移特性常數DS)(GSDVVfi2 2、電流方程、電流方程2GS(off)GSDSSD1VVIi( VGS（off)VG

30、SVGS-VGS(off) ) 夾斷電壓夾斷電壓VP (或或VGS(off)： 飽和漏極電流飽和漏極電流IDSS： 低頻跨導低頻跨導gm：DSGSDmVvig 時）時）（當（當0)1(2GSPPPGSDSSm vVVVvIg或或3. 主要參數主要參數漏極電流約為零時的漏極電流約為零時的VGS值值 。VGS=0時對應的漏極電流。時對應的漏極電流。 低頻跨導反映了低頻跨導反映了vGS對對iD的控制作用。的控制作用。gm可以在轉移特性曲線上求得，單位是可以在轉移特性曲線上求得，單位是mS(毫西門子毫西門子)。 輸出電阻輸出電阻rd：GSDDSdVivr 3.3.主要參數主要參數 直流輸入電阻直流輸入

31、電阻RGS： 對于結型場效應三極管，反偏時對于結型場效應三極管，反偏時RGS約大于約大于107。 最大漏極功耗最大漏極功耗PDM 最大漏源電壓最大漏源電壓V(BR)DS 最大柵源電壓最大柵源電壓V(BR)GS JFET電路模型同電路模型同MOS管相同。只是由于兩種管子在管相同。只是由于兩種管子在飽和區(qū)數學模型不同，因此，跨導計算公式不同。飽和區(qū)數學模型不同，因此，跨導計算公式不同。 JFET電路模型電路模型VGSSDGIDIG 0ID(VGS)+- -gmvgsrdsgdsidvgs- -vds+- -SIDGD（共源極）（共源極）（直流電路模型）（直流電路模型）（小信號模型）（小信號模型）利

32、用利用2)()1 (offGSGSDSSDVVII得得DSSDQm0DSSDQGS(off)DSSQGSDm2IIgIIVIvig1. JFET小信號模型小信號模型（1 1）低頻模型）低頻模型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（2 2）高頻模型）高頻模型一、場效應管放大電路的特點一、場效應管放大電路的特點1. 1. 場效應管是電壓控制元件；場效應管是電壓控制元件； 2. 2. 柵極幾乎不取用電流，輸入電阻非常高；柵極幾乎不取用電流，輸入電阻非常高； 3. 噪聲小，受外界溫度及輻射影響??；噪聲小，受外界溫度及輻

33、射影響??； 4. 4. 制造工藝簡單，有利于大規(guī)模集成；制造工藝簡單，有利于大規(guī)模集成； 5. 跨導較小，電壓放大倍數一般比三極管低。跨導較小，電壓放大倍數一般比三極管低。6. 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所以場效應管也稱為單極型單極型三極管三極管?？偨Y：總結：二、二、表表3.1 3.1 場效應管與晶體管的比較場效應管與晶體管的比較VCCS(VCCS(g gm m) )CCCS()漂移漂移多子擴散多子擴散少子漂移少子漂移 雙極型三極管雙極型三極管 場效應三極管場效應三極管 噪聲噪聲 較大較大 較小較小溫度特性溫度特性 受溫

34、度影響較大受溫度影響較大 較小，可有零溫度系數點較小，可有零溫度系數點輸入電阻輸入電阻 幾十到幾千歐姆幾十到幾千歐姆 幾兆歐姆以上幾兆歐姆以上靜電影響靜電影響 不受靜電影響不受靜電影響 易受靜電影響易受靜電影響集成工藝集成工藝 不易大規(guī)模集成不易大規(guī)模集成 適宜大規(guī)模和超大規(guī)模集成適宜大規(guī)模和超大規(guī)模集成 C C與與E E不可互換使用不可互換使用 D D與與S S可互換使用可互換使用二、二、表表3.1 3.1 場效應管與晶體管的比較場效應管與晶體管的比較q三、各類三、各類FET管管VDS、VGS極性比較極性比較 VDS極性與極性與ID流向僅取決于溝道類型流向僅取決于溝道類型 VGS極性取決于工

35、作方式及溝道類型極性取決于工作方式及溝道類型 由于由于FETFET類型較多，單獨記憶較困難，現(xiàn)將各類類型較多，單獨記憶較困難，現(xiàn)將各類FETFET管管V VDSDS、V VGSGS極性及極性及I ID D流向歸納如下：流向歸納如下： N溝道溝道FET：VDS 0，ID流入管子漏極。流入管子漏極。 P溝道溝道FET：VDS vGS vGS(th) 因此因此當當 vGS vGS(th) 時時N- -EMOS管管工作在飽和區(qū)。工作在飽和區(qū)。伏安特性：伏安特性：2GS(th)OXn)(2VvlWCiiDvGSVQIQQ直流電阻：直流電阻：QQ/ IVR （?。ㄐ。┙涣麟娮瑁航涣麟娮瑁篿vr/（大）（

36、大）Tvi+- -+- -vRiq N- -DMOS管管GS相連相連構成有源電阻構成有源電阻v = vDS ，vGS =0 ，i = iD由圖由圖因此，當因此，當 vDS 0 vGS(th)時，管子工作在飽和區(qū)。時，管子工作在飽和區(qū)。伏安特性即伏安特性即vGS = 0 時的輸出特性。時的輸出特性。由由2GS(th)GSOXn)(2VvlWCi得知得知當當vGS =0 時，電路近似恒流輸出。時，電路近似恒流輸出。iDvDSVQIQQ- -VGS(th)vGS= =0 0Tvi+- -+- -vRiq 有源電阻有源電阻構成分壓器構成分壓器若兩管若兩管 n 、 COX 、VGS(th)相同，則相同，

37、則聯(lián)立求解得：聯(lián)立求解得：T1V1I1+- -I2V2+- -VDDT2由圖由圖I1 = I2V1 + V2 = VDD2GS(th)22OXn2GS(th)11OXn)()(2)()(2VVlWCVVlWCV1 + V2 = VDD1)/()/(1)/()/(12GS(th)12DD2lWlWVlWlWVV調整溝道寬長比（調整溝道寬長比（W/l），可得所需的分壓值。），可得所需的分壓值。 1. N-JFET管管 （1）特性曲線）特性曲線 （2）電流方程）電流方程2GS(off)GSDSSD1VVIi（工作于恒流區(qū)）（工作于恒流區(qū)）(3-2-3) （1）特性曲線）特性曲線 （2）電流方程）電流

38、方程2GS(th)GSDSSD1VVIi 2. N-EMOS2. N-EMOS管管（工作于恒流區(qū)）（工作于恒流區(qū)）(3-1-7) 3. N-DMOS管管 （1）特性曲線）特性曲線 （2）電流方程）電流方程2GS(off)GSDSSD1VVIi（工作于恒流區(qū)）（工作于恒流區(qū)）DSSI注意注意增加增加N-EMOS管管一、基本共源電路一、基本共源電路 1、電路組成、電路組成 類似例類似例2:（3-1-7） 2 2、靜態(tài)、靜態(tài)Q Q點的確定點的確定 令令0i U則則交點交點Q VGSQ=VGG，2GS(th)GSDSSD1VVIi2GS(th)GGDSSDQ1VVII二、分壓式偏置電路二、分壓式偏置電

39、路 1、靜態(tài)、靜態(tài)Q點的確定點的確定靜態(tài)時靜態(tài)時DDg2g1g1AGQVRRRVVsDQSQRIV于是，有于是，有sDQDDg2g1g1SQGQGSQRIVRRRVVV2GS(th)GSQDSSDQ1VVII)(sdDQDDDSQRRIVV類似類似例例1：(3-1-7)+ T+RGSDGRDR2VDD+RLRSR1C1CSC2+iUoU圖圖 2.7.5分壓分壓 式偏置電路式偏置電路2 2、圖解法圖解法由式由式SDDD211SDGQGSRiVRRRRiUu 可做出一條直線，可做出一條直線，另外，另外，iD 與與 uGS 之間滿之間滿足轉移特性曲線的規(guī)律，足轉移特性曲線的規(guī)律，二者間交點為靜態(tài)工作二者間交點為靜態(tài)工作點，確定點，確定 UGSQ， IDQ