模電場(chǎng)效應(yīng)管放大電路

1、模電課件場(chǎng)效應(yīng)管放大電路第1頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)40分，星期四與BJT相比：利用電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)效應(yīng)來(lái)控制電流單極型晶體管：主要是多數(shù)載流子導(dǎo)電輸入阻抗高噪聲低易于制造，便于集成第2頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)40分，星期四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(chǎng)效應(yīng)管JFET結(jié)型MOSFET絕緣柵型(IGFET)耗盡型：場(chǎng)效應(yīng)管沒(méi)有加偏置電壓時(shí)，就有導(dǎo)電溝道存在增強(qiáng)型：場(chǎng)效應(yīng)管沒(méi)有加偏置電壓時(shí)，沒(méi)有導(dǎo)電溝道場(chǎng)效應(yīng)管的分類：第3頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)40分，星期四5.1 金屬-氧化物-半導(dǎo)體（MOS）場(chǎng)效應(yīng)管

2、5.1.1 N溝道增強(qiáng)型MOSFET5.1.5 MOSFET的主要參數(shù)5.1.2 N溝道耗盡型MOSFET5.1.3 P溝道MOSFET5.1.4 溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)第4頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)40分，星期四5.1.1 N溝道增強(qiáng)型MOSFET1. 結(jié)構(gòu)（N溝道）L ：溝道長(zhǎng)度W ：溝道寬度tox ：絕緣層厚度通常 W L 第5頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)40分，星期四5.1.1 N溝道增強(qiáng)型MOSFET剖面圖1. 結(jié)構(gòu)（N溝道）符號(hào)第6頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)40分，星期四5.1.1 N溝道增強(qiáng)型MOSFET2. 工作原理（1）vGS對(duì)溝

3、道的控制作用當(dāng)vGS0時(shí) 無(wú)導(dǎo)電溝道， d、s間加電壓時(shí)，也無(wú)電流產(chǎn)生。當(dāng)0vGS VT 時(shí) 在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生導(dǎo)電溝道，d、s間加電壓后，將有電流產(chǎn)生。 vGS越大，導(dǎo)電溝道越厚VT 稱為開(kāi)啟電壓第7頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)40分，星期四2. 工作原理（2）vDS對(duì)溝道的控制作用靠近漏極d處的電位升高電場(chǎng)強(qiáng)度減小溝道變薄當(dāng)vGS一定（vGS VT ）時(shí)，vDSID溝道電位梯度整個(gè)溝道呈楔形分布第8頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)40分，星期四當(dāng)vGS一定（vGS VT ）時(shí)，vDSID溝道電位梯度 當(dāng)vDS增加到使vGD=VT 時(shí)，在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷。2.

4、工作原理（2）vDS對(duì)溝道的控制作用在預(yù)夾斷處：vGD=vGS-vDS =VT第9頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)40分，星期四預(yù)夾斷后，vDS夾斷區(qū)延長(zhǎng)溝道電阻ID基本不變2. 工作原理（2）vDS對(duì)溝道的控制作用第10頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)40分，星期四2. 工作原理（3） vDS和vGS同時(shí)作用時(shí) vDS一定，vGS變化時(shí) 給定一個(gè)vGS ，就有一條不同的 iD vDS 曲線。第11頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)40分，星期四3. V-I 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 截止區(qū)當(dāng)vGSVT時(shí)，導(dǎo)電溝道尚未形成，iD0

5、，為截止工作狀態(tài)。第12頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)40分，星期四3. V-I 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 可變電阻區(qū) vDS（vGSVT）由于vDS較小，可近似為rdso是一個(gè)受vGS控制的可變電阻 第13頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)40分，星期四3. V-I 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 可變電阻區(qū) n ：反型層中電子遷移率Cox ：柵極（與襯底間）氧化層單位面積電容本征電導(dǎo)因子其中Kn為電導(dǎo)常數(shù)，單位：mA/V2第14頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)40分，星期四3. V-I 特性曲線及大信

6、號(hào)特性方程（1）輸出特性及大信號(hào)特性方程 飽和區(qū)（恒流區(qū)又稱放大區(qū)）vGS VT ，且vDS（vGSVT）是vGS2VT時(shí)的iD V-I 特性：第15頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)40分，星期四3. V-I 特性曲線及大信號(hào)特性方程（2）轉(zhuǎn)移特性第16頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)40分，星期四5.1.2 N溝道耗盡型MOSFET1. 結(jié)構(gòu)和工作原理（N溝道）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(wú)柵流第17頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)40分，星期四5.1.2 N溝道耗盡型MOSFET2. V-I 特性曲線及大信號(hào)

7、特性方程 （N溝道增強(qiáng)型）第18頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)40分，星期四5.1.3 P溝道MOSFET第19頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)40分，星期四5.1.4 溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)實(shí)際上飽和區(qū)的曲線并不是平坦的L的單位為m當(dāng)不考慮溝道調(diào)制效應(yīng)時(shí)，0，曲線是平坦的。 修正后第20頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)40分，星期四5.1.5 MOSFET的主要參數(shù)一、直流參數(shù)NMOS增強(qiáng)型1. 開(kāi)啟電壓VT （增強(qiáng)型參數(shù)）2. 夾斷電壓VP （耗盡型參數(shù)）3. 飽和漏電流IDSS （耗盡型參數(shù)）4. 直流輸入電阻RGS （1091015 ）二、交流參數(shù) 1.

8、 輸出電阻rds 當(dāng)不考慮溝道調(diào)制效應(yīng)時(shí)，0，rds 第21頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)40分，星期四5.1.5 MOSFET的主要參數(shù)2. 低頻互導(dǎo)gm 二、交流參數(shù) 考慮到 則其中第22頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)40分，星期四5.1.5 MOSFET的主要參數(shù)end三、極限參數(shù) 1. 最大漏極電流IDM 2. 最大耗散功率PDM 3. 最大漏源電壓V（BR）DS 4. 最大柵源電壓V（BR）GS 第23頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)40分，星期四5.2 MOSFET放大電路5.2.1 MOSFET放大電路1. 直流偏置及靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算2.

9、圖解分析3. 小信號(hào)模型分析第24頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)40分，星期四5.2.1 MOSFET放大電路1. 直流偏置及靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算（1）簡(jiǎn)單的共源極放大電路（N溝道）直流通路共源極放大電路第25頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)40分，星期四5.2.1 MOSFET放大電路1. 直流偏置及靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算（1）簡(jiǎn)單的共源極放大電路（N溝道）假設(shè)工作在飽和區(qū)，即驗(yàn)證是否滿足如果不滿足，則說(shuō)明假設(shè)錯(cuò)誤須滿足VGS VT ，否則工作在截止區(qū)再假設(shè)工作在可變電阻區(qū)即第26頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)40分，星期四假設(shè)工作在飽和區(qū)滿足假設(shè)成立，結(jié)果即為

10、所求。解：例：設(shè)Rg1=60k，Rg2=40k，Rd=15k，試計(jì)算電路的靜態(tài)漏極電流IDQ和漏源電壓VDSQ 。VDD=5V， VT=1V，第27頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)40分，星期四5.2.1 MOSFET放大電路1. 直流偏置及靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算（2）帶源極電阻的NMOS共源極放大電路飽和區(qū)需要驗(yàn)證是否滿足第28頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)40分，星期四5.2.1 MOSFET放大電路1. 直流偏置及靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算靜態(tài)時(shí)，vI0，VG 0，ID I電流源偏置 VS VG VGS （飽和區(qū)） 第29頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)40分，星期

11、四5.2.1 MOSFET放大電路2. 圖解分析由于負(fù)載開(kāi)路，交流負(fù)載線與直流負(fù)載線相同 第30頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)40分，星期四5.2.1 MOSFET放大電路3. 小信號(hào)模型分析（1）模型靜態(tài)值（直流）動(dòng)態(tài)值（交流）非線性失真項(xiàng) 當(dāng)，vgs 2(VGSQ- VT )時(shí)，第31頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)40分，星期四5.2.1 MOSFET放大電路3. 小信號(hào)模型分析（1）模型0時(shí)高頻小信號(hào)模型第32頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)40分，星期四3. 小信號(hào)模型分析解：例5.2.2的直流分析已求得： （2）放大電路分析（例5.2.5）s第

12、33頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)40分，星期四3. 小信號(hào)模型分析（2）放大電路分析（例5.2.5）s第34頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)40分，星期四3. 小信號(hào)模型分析（2）放大電路分析（例5.2.6）共漏第35頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)40分，星期四3. 小信號(hào)模型分析（2）放大電路分析end第36頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)40分，星期四5.3 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管 5.3.1 JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理 5.3.2 JFET的特性曲線及參數(shù) 5.3.3 JFET放大電路的小信號(hào)模型分析法 第37頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日

13、，23點(diǎn)40分，星期四5.3.1 JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理1. 結(jié)構(gòu) # 符號(hào)中的箭頭方向表示什么？第38頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)40分，星期四2. 工作原理 vGS對(duì)溝道的控制作用當(dāng)vGS0時(shí)（以N溝道JFET為例） 當(dāng)溝道夾斷時(shí)，對(duì)應(yīng)的柵源電壓vGS稱為夾斷電壓VP （ 或VGS(off) ）。對(duì)于N溝道的JFET，VP 0。PN結(jié)反偏耗盡層加厚溝道變窄。 vGS繼續(xù)減小，溝道繼續(xù)變窄。第39頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)40分，星期四2. 工作原理（以N溝道JFET為例） vDS對(duì)溝道的控制作用當(dāng)vGS=0時(shí)，vDSID G、D間PN結(jié)的反向電壓增加，使

14、靠近漏極處的耗盡層加寬，溝道變窄，從上至下呈楔形分布。 當(dāng)vDS增加到使vGD=VP 時(shí)，在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷。此時(shí)vDS 夾斷區(qū)延長(zhǎng)溝道電阻ID基本不變第40頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)40分，星期四2. 工作原理（以N溝道JFET為例） vGS和vDS同時(shí)作用時(shí)當(dāng)VP vGS0 時(shí)，導(dǎo)電溝道更容易夾斷，對(duì)于同樣的vDS ， ID的值比vGS=0時(shí)的值要小。在預(yù)夾斷處vGD=vGS-vDS =VP 第41頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)40分，星期四綜上分析可知 溝道中只有一種類型的多數(shù)載流子參與導(dǎo)電， 所以場(chǎng)效應(yīng)管也稱為單極型三極管。JFET是電壓控制電流器件

15、，iD受vGS控制。預(yù)夾斷前iD與vDS呈近似線性關(guān)系；預(yù)夾斷后， iD趨于飽和。# 為什么JFET的輸入電阻比BJT高得多？ JFET柵極與溝道間的PN結(jié)是反向偏置的，因 此iG0，輸入電阻很高。第42頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)40分，星期四5.3.2 JFET的特性曲線及參數(shù)2. 轉(zhuǎn)移特性 1. 輸出特性 第43頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)40分，星期四與MOSFET類似3. 主要參數(shù)5.3.2 JFET的特性曲線及參數(shù)第44頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)40分，星期四5.3.2 FET放大電路的小信號(hào)模型分析法1. FET小信號(hào)模型（1）低

16、頻模型第45頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)40分，星期四（2）高頻模型第46頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)40分，星期四2. 動(dòng)態(tài)指標(biāo)分析（1）中頻小信號(hào)模型第47頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)40分，星期四2. 動(dòng)態(tài)指標(biāo)分析（2）中頻電壓增益（3）輸入電阻（4）輸出電阻忽略 rds，由輸入輸出回路得則通常則end第48頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)40分，星期四*5.4 砷化鎵金屬-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管不做教學(xué)要求第49頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)40分，星期四5.5 各種放大器件電路性能比較第50頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)40分，星期四5.5 各種放大器件電路性能比較組態(tài)對(duì)應(yīng)關(guān)系：CEBJTFETCSCCCDCBCG電壓增益：BJTFETCE：CC：CB：CS：CD：CG：第51頁(yè)