模電11.1.講第五章

5

場(chǎng)效應(yīng)管放大電路§5.1金屬-氧化物-半導(dǎo)體(MOS)場(chǎng)效應(yīng)管§5.2

MOS場(chǎng)效應(yīng)管放大電路§5.3結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管§*5.4

砷化鎵金屬－半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管§5.5

各種放大器件電路性能比較§5.6

SPICE仿真例題AGRICULTURAL2MECHANICAL

&

ELECTRICAL

ENGINEERING

COLLEGE

OF

S上

講

回

顧金屬－氧化物－半導(dǎo)體(MOS)場(chǎng)效應(yīng)管N溝道增強(qiáng)型MOSFET結(jié)構(gòu)、工作原理、特性曲線N溝道耗盡型MOSFETP溝道耗盡型MOSFETMOSFET的主要參數(shù)AGRICULTURAL3MECHANICAL

&

ELECTRICAL

ENGINEERING

COLLEGE

OF

S4MOSFET和BJT放大電路的組態(tài)比較：三極管共射極(b)共集電極(c)共基極(b)場(chǎng)效應(yīng)管共源極(s)共漏極(d)共柵極(g)gdsVDDRdRg1Rg2dBVGID5VS5.2.1簡(jiǎn)單共源極放大電路的直流分析步驟——直流通路1

假設(shè)MOS管工作于飽和區(qū)，則有VGSQ>VT，IDQ>0，VDSQ>VGSQ-VT2

利用飽和區(qū)的V-I曲線分析電路：D

n

GS

TI

K

(V

V

)2如果出現(xiàn)VGS<VT，則MOS管可能截至，如果VDS<VGS-VT，則MOS管可能工作在可變電阻區(qū)。如果初始假設(shè)被證明是錯(cuò)誤的，則必須作新的假設(shè)，同時(shí)重新分析電路。gdsVDDRdRg1Rg2dBVGID6VSI

K

(V

V

)2D

n

GS

TVGS=

VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2)若NMOS工作于飽和區(qū)，則VDS=

VDD－IDRd若計(jì)算的VDS>VGS-VT，則說明NMOS確工作于飽和區(qū)；若VDS<VGS-VT，則說明工作于可變電阻區(qū)。5.2.1簡(jiǎn)單共源極放大電路的直流分析直流通路工作于可變電阻區(qū)的ID：ID

2Kn

(VGS

VT

)vDS5.2.2帶源極電阻的NMOS共源極放大電路直流通路gdVDDRdRg1Rg2dVSs若NMOS工作于飽和區(qū)，則RVGIDBVGS

VGg

2g1

g

2R(VDD

VSS)

V

(I R

V

)SS

D

SS

R

RI

K

(V

V

)2D

n

GS

TVDS=

VDD+V(Rd+R)－Vss7gdVDDRdRg1Rg2dR－Vss例.如圖，設(shè)VT=1V,Kn=500μA/V2

,VDD=5V,-VSS=-5V,Rd=10K,R=0.5K,ID=0.5mA

。若流過Rg1,Rg2的電流是ID的1/10，試確定Rg1,Rg2的值。解.作出直流通路，并設(shè)MOS工作在飽和區(qū)，則由：VSs即0.5＝0.5(VGS-1)2I

K

(V

V

)2D

n

GS

T流過Rg1、Rg2的電流為0.05mAVGIDB得VGS=2VRg1

Rg

2Igg1g

2

10

200K0.05R

R8gdVDDRdRg1Rg2dR－Vss例.如圖，設(shè)VT=1V,Kn=500μA/V2

,VDD=5V,-VSS=-5V,Rd=10K,R=0.5K,ID=0.5mA

。若流過Rg1,Rg2的電流是ID的1/10，試確定Rg1,Rg2的值。解.作出直流通路，并設(shè)MOS工作在飽和區(qū)，則由：VSsVGIDB2

Rg

210

5

(0.5

0.5

5)

200

Rg2=45K、Rg1=155K9判斷假設(shè)的正確性：VDS=

(VDD+VSS)－ID(Rd+R)=4.7V則有：VDS>(VGS-VT)=2-1=1V說明管子工作在飽和狀態(tài)，與最初假設(shè)一致。sBVDDRdRg1Rg2d

idCb2—v0＋

＋＋—viCb2＋

g靜態(tài)值：VGSQ、IDQ、VDSQ外加信號(hào)電壓波形：因?yàn)椋簐GS=VGSQ+viωtvi所以vGS的波形為：負(fù)載線方程：：iD=IDQ+gmviωtvGSVGSQVGSQ1VGSQ20ωtiDIDQIDQ1IDQ20Di

=-+DD10v

VDSRdRd是一條過(VDD,0)和(0,VDD/RD)的直線5.2.3

NMOS共源極放大電路的圖解分析vDS/VωtiD(mA)VGSQVDDiD(mA)VDDRdQviIDQQ1Q2vDSωtVDSQ5.2.3

NMOS共源極放大電路的圖解分析111.NMOS管的小信號(hào)模型雙端口網(wǎng)絡(luò)g

dsvgssvdsidD工作在飽和區(qū)的漏極電流i

:2TiD

Kn

vGS

V

Kn

VGSQ

vgs

VT

n

GSQ

2gsn

GSQTn

GSQ

T

gsn

K

V

V

2K

VV

v

K

v2IDQid＝gmvgs諧波分量越小越12好，一般取為0。ig＝0,輸入端相當(dāng)于開路；gm=2Kn(VGSQ-VT)id＝gmvgs，輸出回路等效成一個(gè)電壓控制電流源。5.2.4

NMOS共源極放大電路的小信號(hào)模型GS

DSD,v

)i

=

f

(vDSDS

iDGSGS

iDDvvdiGSV

dvDSV

dv求全微分:雙端口網(wǎng)絡(luò)g

dsvgssvdsidrds

1

diD

gm

dvGS

dvDSdm

gsdsdsri

g

v

1

v變化量13由該式可得到場(chǎng)效應(yīng)管的微變等效電路5.2.4

NMOS共源極放大電路的小信號(hào)模型1.NMOS管的小信號(hào)模型場(chǎng)效應(yīng)管輸出特性表達(dá)式：1dm

gsdsdsi

g

v

vr5.2.4

NMOS共源極放大電路的小信號(hào)模型1.NMOS管的小信號(hào)模型gsgmvgsvgs+-s+-vdsidd14因rds很大，可忽略，得簡(jiǎn)化小信號(hào)模型:可得到場(chǎng)效應(yīng)管放大電路的微變等效電路5.2.4

NMOS共源極放大電路的小信號(hào)模型gdsRdRg1Rg2idBv0＋＋—viC2.

場(chǎng)效應(yīng)管放大電路的微變等效電路首先將電容、電源短路得到交流通路：小信號(hào)模型：gdgmvgsv+-+-v0idvi+-gs

RgrdsRd15s根據(jù)微變等效電路計(jì)算動(dòng)態(tài)參數(shù)。5.2.4

NMOS共源極放大電路的小信號(hào)模型2.

場(chǎng)效應(yīng)管放大電路的微變等效電路首先將電容、電源短路得到交流通路：小信號(hào)模型：gsdgmvgs+--+v0idvi+-vgs

RgrdsRd16(1)電壓放大倍數(shù)vivA

0

gm

Rd(2)輸入電阻Ri=Rg1//Rg2(3)輸出電阻

R0=Rd小信號(hào)模型：gsdgmvgsv+gs-+-v0id+-RviRgRd5.2.4

NMOS共源極放大電路的小信號(hào)模型2.

場(chǎng)效應(yīng)管放大電路的微變等效電路首先將電容、電源短路得到交流通路：(1)電壓放大倍數(shù)v17ig

Rgmvgs

RdA

v0

v vgs

gmvgs

R

m

d

1

gm

R輸入電阻Ri=Rg1//Rg2輸出電阻R0=RdgdsBRg1Rg2＋—viv0＋R小信號(hào)模型：dg

vgs+idgmvgsvi+-srds

R

v0Rg5.2.5NMOS共漏極放大電路的小信號(hào)模型首先將電容、電源短路得到交流通路：(1)電壓放大倍數(shù)vivA

v0

取rds為無窮時(shí)：gm

(rds

//

R)m

ds1

g

(r

//

R)gm

Rm1

g

R0dsR

=R//r

//gm(2)輸入電阻Ri=Rg1//Rg2(3)輸出電阻

1推導(dǎo)18dg

vgsidgmvgsvi+-srds

RRgRsvTiT0輸出電阻R0的計(jì)算：vR

=

T

iTiRirvgs=-vTiT=iR

+ir

-gmvgs

vT

vTTm

Tdsi

g

vR

rvT

119dsTm

mdsig

R

//

r

//

1R

r1

1

g5.2.5

NMOS共漏極放大電路的小信號(hào)模型+-vi4020g1

g

2Rg

2VDD

5

2VR

R

60

40GSQ解.

V若管子工作在飽和區(qū)，則I

K

(V

V

)2DQ

n

GS

T=0.2×(2-1)2=0.2mA

ID

Rd

(5

0.215)

2VVDSQ

VDD可見:VT

2

1

1VVDSQ

VGSQ說明管子工作在飽和區(qū).例.Rg1=60K,

Rg2=40K,

Rd=15K,

VDD=5V,VT=1V，Kn=0.2mA/V2，RL=15K計(jì)算IDQ、VDSQ；Av、Ri、R0。(1)電壓放大倍數(shù)gm=2Kn(VGS-VT)=2×0.2×

(2-1)=0.4mS2v

m LA

g

R`

0.4

15

3輸入電阻Ri=Rg1//Rg2=60//40=24K輸出電阻R0=Rd=15K例.Rg1=60K,

Rg2=40K,

Rd=15K,

VDD=5V,VT=1V，Kn=0.2mA/V2，RL=15K計(jì)算IDQ、VDSQ；Av、Ri、R0。解.+-vi215.3.1

JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理1.N溝道JFET的結(jié)構(gòu)NP+漏極d源極sg柵極N溝道JFET的結(jié)構(gòu)動(dòng)畫g22ds箭頭的方向表示柵結(jié)正偏置時(shí)，柵極電流的方向是由P指向N，故從符號(hào)上能識(shí)別出d、s之間是N溝道。5.3

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管JFETPN+漏極d源極sg柵極gds5.3

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管JFET235.3.1

JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理1.N溝道JFET的結(jié)構(gòu)按類似方法可得P溝道JFET的結(jié)構(gòu)242.N溝道JFET的工作原理外電路必須保證結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的兩個(gè)PN結(jié)工作在反偏的條件下:N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管只能工作在負(fù)柵壓區(qū)；P溝道的只能工作在正柵壓區(qū)；否則將會(huì)出現(xiàn)柵流。5.3

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管JFET5.3.1

JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理dP+sgP+V25P改變vGS的大小,可以有效地控制溝道電阻的大小,若在漏源極間外加一固定的正向電壓vDS,則有漏極電流iD產(chǎn)生且受vGS的控制.5.3.1

JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理2.N溝道JFET的工作原理(1)

柵源電壓對(duì)溝道的控制作用在柵源間加負(fù)電壓vGS,可見:5.3

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管JFETdsg5.3.1

JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理2.N溝道JFET的工作原理(2)

漏源電壓對(duì)溝道的控制作用令vGS

=0,在漏源間加電壓vDS①當(dāng)vDS=0時(shí)，iD=0。VDDID②VDS

↑→ID→↑溝道發(fā)生如下變化:③當(dāng)VDS↑,使VGD=VGS-VDS=VP時(shí)，在漏

出現(xiàn)預(yù)夾斷。④VDS再↑，預(yù)夾斷點(diǎn)下移，導(dǎo)電溝道進(jìn)一步變窄。5.3

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管JFET26dsgVDDID5.3.1

JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理2.N溝道JFET的工作原理(2)

漏源電壓對(duì)溝道的控制作用令vGS

=0,在漏源間加電壓vDS預(yù)夾斷前,VDS↑→ID↑.預(yù)夾斷后,VDS↑→iD

幾乎不變27原因：隨著VDS↑，溝道電阻RDS↑，且兩者基本成正比。5.3

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管JFETVGG如：vGS=-2V，vDS=5VvDG=vDS-vGS=7V

,

vSG=2V隨VDS增大，這種不均勻性越明顯在同樣VDS下，VGG越負(fù)，對(duì)溝道得影響越大，不均勻性越明顯dsgVDD(2)

漏源電壓對(duì)溝道的控制作用令VGS

<0,在漏源間加電壓VDS28ID5.3

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管JFET5.3.1

JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理2.N溝道JFET的工作原理iD(mA)0uGS=0GD預(yù)夾斷點(diǎn)：v

=vPuGS=

-

0.5V動(dòng)

畫IDSSuGS=

-

1VvDS/VVGGdsgVDDID295.3

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管JFET(2)

漏源電壓對(duì)溝道的控制作用5.3.1

JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理2.N溝道JFET的工作原理5.3.2

JFET的特性曲線及參數(shù)1.輸出特性曲線在VGS一定時(shí)，漏源電壓VDS對(duì)漏極電流ID的控制作用，即GS30ID

f

(VDS

)

VC5.3

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管JFETVGGdNP+sgP+VDDIDmVVmA①VGS=0②VGS=-0.5③VGS=-1④VGS=-1.5VGS

C31ID

f

(VDS

)5.3

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管JFET5.3.2

JFET的特性曲線及參數(shù)1.輸出特性曲線vGS=0VvGS=-0.5VvDS/VvGS=-1VGSiD(mA)可變電阻區(qū)飽和區(qū)擊穿v

=-1.5V

區(qū)預(yù)夾斷點(diǎn)：vDS=vGS-VP截止區(qū)(a)可變電阻區(qū)(預(yù)夾斷前)當(dāng)VP<vGS≤0，vDS

≤vGS-VPV-I特性：i

K

2(v

V

)v

v2D

n

GS

P

DS

DS當(dāng)vGS為定值時(shí),iD

是vDS的線性函數(shù)，管子的漏源間呈現(xiàn)為線性電阻，且其阻值受

vGS

控制。管壓降vDS

很小做壓控線性電阻和無觸點(diǎn)的閉合狀態(tài)的電子開關(guān)。325.3

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管JFET5.3.2

JFET的特性曲線及參數(shù)1.輸出特性曲線恒流區(qū)(預(yù)夾斷后)(又稱飽和區(qū)或放大區(qū)）受控性：輸出電流iD受輸入電壓vGS的控制恒流性：輸出電流iD

基本上不受輸出DS電壓v

的影響。用途:可做放大器和恒流源。5.3

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管JFET5.3.2

JFET的特性曲線及參數(shù)1.輸出特性曲線GSv

=0VvGS=-0.5VvDS/ViD(mA)GSv

=-1VvGS=-1.5V可變電阻區(qū)飽和區(qū)擊穿區(qū)GD預(yù)夾斷點(diǎn)：v

=vPvDS=vGS-VP截止區(qū)33(c)夾斷區(qū)(截止區(qū))特點(diǎn)：iD用途：

0做無觸點(diǎn)的、斷開狀態(tài)的電子開關(guān)。條件：整個(gè)溝道都夾斷5.3

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管JFETvGS=0VGSv

=-0.5VvDS/VGSv

=-1ViD(mA)可變電阻區(qū)飽和區(qū)擊穿區(qū)vGS=-1.5V預(yù)夾斷點(diǎn)：vGD=vPvDS=vGS-VP截止區(qū)5.3.2

JFET的特性曲線及參數(shù)1.輸出特性曲線34(d)

擊穿區(qū)當(dāng)漏源電壓增大到V(BR)DS時(shí)，漏端PN結(jié)發(fā)生雪崩擊穿，使iD

劇增的區(qū)域。其值一般為(20~50)V之間。管子不能在擊穿區(qū)工作。動(dòng)

畫5.3

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管JFET5.3.2

JFET的特性曲線及參數(shù)1.輸出特性曲線vGS=0VvGS=-0.5VvDS/VGSv

=-1VGSiD(mA)可變電阻區(qū)飽和區(qū)擊穿v

=-1.5V

區(qū)預(yù)夾斷點(diǎn)：vGD=vPvDS=vGS-VP截止區(qū)35VGGdNP+sgP+VDDIDmVVmA-2

-1.5

-1

-0.50.40.30.20.10vGS/VDSv

=6VvDS=3VIDSSVP365.3

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管JFET5.3.2

JFET的特性曲線及參數(shù)2.轉(zhuǎn)移特性曲線iD/mAvDS=10V

0.5iD

/

mA665544332211uDS

/

V48

UDS

12iD

/

mA4

UGS＝

03

－

1

V2

－

2

V1

－

3

V—4

VUDS＝UDS4′3′UDS＝UDS2′1′UP0

uGS

/

V 0

UDS—

1—

3

－

2—

41212動(dòng)

畫375.3

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管JF