模擬電路基礎(chǔ)：第三四章 場(chǎng)效應(yīng)晶體管和場(chǎng)效應(yīng)晶體管放大器

第三章場(chǎng)效應(yīng)管及其放大電路場(chǎng)效應(yīng)管，簡(jiǎn)稱FET(FieldEffectTransistor)。(a)

輸入電阻高，可達(dá)107~1015W。(b)

起導(dǎo)電作用的是多數(shù)（一種）載流子，又稱為單極型晶體管。(c)

體積小、重量輕、耗電省、壽命長(zhǎng)。(d)

噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)和制造工藝簡(jiǎn)單。(e)

在大規(guī)模集成電路制造中得到了廣泛的應(yīng)用。場(chǎng)效應(yīng)管的主要特點(diǎn)3.1MOS場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JFET）N-溝道P-溝道MOS管增強(qiáng)型耗盡型N-溝道P-溝道N-溝道P-溝道場(chǎng)效應(yīng)管3.1.1場(chǎng)效應(yīng)管的分類3.1增強(qiáng)型MOSFET(Metal

OxideSemiconductorFET)DBSG傳統(tǒng)符號(hào)1.

N溝道增強(qiáng)型MOSFET結(jié)構(gòu)和電路符號(hào)DSG氧化物（Oxide）P型硅襯底源極S柵極G漏極D襯底引線BN+N+金屬（Metal）半導(dǎo)體（Semiconductior）襯底3.1.2MOS電容結(jié)構(gòu)（b）負(fù)柵壓偏置的MOS電容器（P型襯底）（a）平板電容器（c）有空穴累積層的MOS電容器（P型襯底）空穴積累層（a）正柵壓偏置的MOS電容器（P型襯底）（b）中等程度的正柵壓偏置的MOS電容器（P型襯底）空間電荷區(qū)（c）較大正柵壓偏置的MOS電容器（P型襯底）空間電荷區(qū)電子反型層正柵壓形成反型層金屬電極源極襯底漏源柵3.1.3N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理SiO2結(jié)構(gòu)示意圖P型硅襯底耗盡層襯底引線BN+N+SGDUDSID

=0

D與S之間是兩個(gè)PN結(jié)反向串聯(lián)，無(wú)論D與S之間加什么極性的電壓，總有一個(gè)PN結(jié)是反向偏置，漏極電流均接近于零。(1)

UGS=0,UDS>0P型硅襯底N++BSGD。耗盡層ID=0(2)

0<UGS

<VTN

由柵極指向襯底方向的電場(chǎng)使空穴向下移動(dòng)，在P型硅襯底的上表面形成耗盡層。仍然沒有漏極電流。UGSN+N+UDSVTN：使

NMOS管產(chǎn)生溝道的開啟電壓。柵極和P型硅片相當(dāng)于以二氧化硅為介質(zhì)的平板電容器P型硅襯底N++BSGD。UDS耗盡層ID

柵極下P型半導(dǎo)體表面形成N型導(dǎo)電溝道，當(dāng)D、S加上正向電壓后可產(chǎn)生漏極電流ID。

(3)

UGS>VTNN型導(dǎo)電溝道N+N+UGS

通過(guò)控制UGS來(lái)控制導(dǎo)電溝道的寬度，從而控制電流ID。(a)當(dāng)

uDS>0但接近于0

uDSIDDBuGSuDSP襯底N+N+SG(b)0<uDS<uGS-VTNIDDBuGSuDSP襯底N+N+SG

uDS

uDS固定UGSGBuDSP襯底N+N+SD(c)

uDS=uDS(sat)=uGS-VTNIDuDS(sat)

uDSuGSIDDBP襯底N+N+SG(d)

uDS>uGS-VTNuDS(sat)

uDS恒流區(qū)uDSuGS4321051015UGS

=5V6V4V3V2V增強(qiáng)型

NMOS

管的特性曲線

飽和區(qū)擊穿區(qū)非飽和區(qū)3.1.4E型場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線輸出特性iD/mA0123246uGS

/

VVTN轉(zhuǎn)移特性

uDS/ViD/mA截止區(qū)UDS=10V工作在飽和區(qū)（恒流區(qū)）的伏安關(guān)系工作在非飽和區(qū)（可變電阻區(qū)）的伏安關(guān)系uDS>uGS-VTN使增強(qiáng)型NMOS工作在飽和區(qū)的偏置條件ChannelLengthModulationParameterDraincharacteristicofanN-channelMOSFETChannelLengthModulation3.1.5N溝道EMOS用于放大的原理斜率gm時(shí)間t時(shí)間tUGSQuGSMOS管放大電路原理Vthui共源放大電路UDSuGSuouiVGGuGSuDSuiuoSiO2結(jié)構(gòu)示意圖N型硅襯底源極S柵極G漏極D襯底引線BP+P+DBSG符號(hào)3.1.6

P溝道增強(qiáng)型MOSDSG（a）正柵壓偏置的MOS電容器（N型襯底）（b）中等負(fù)柵壓偏置的MOS電容器（N型襯底）（c）較大負(fù)柵壓偏置的MOS電容器（N型襯底）工作在恒流區(qū)（飽和區(qū)）的伏安關(guān)系工作在非飽和區(qū)（可變電阻區(qū)）的伏安關(guān)系使得增強(qiáng)型PMOS工作在飽和區(qū)的偏置條件E型PMOS管和NMOS管

的UGS和UDS電壓極性相

反，iD方向也相反。輸出

特性曲線的形狀相似輸出特性曲線處于第三象限E型PMOSFET工作原理VTN是增強(qiáng)型NMOS開始形成反型層所需的uGS值，稱為開啟電壓。對(duì)E型NMOS管，VTN為正值，對(duì)E型PMOS管，VTP為負(fù)值。反型層出現(xiàn)后，SD極間出現(xiàn)導(dǎo)電溝道，UGS越大，導(dǎo)電溝越厚，載流子濃度越大，導(dǎo)電能力越強(qiáng)，溝道電阻越小。結(jié)構(gòu)示意圖P型硅襯底源極S漏極D柵極G襯底引線B耗盡層3.1.7N溝道耗盡型MOSFETN+N+正離子N型溝道SiO2DBSG傳統(tǒng)符號(hào)

在二氧化硅絕緣層中摻入大量的正離子，形成原始導(dǎo)電溝道簡(jiǎn)化符號(hào)D型NMOSFET工作原理D型NMOS管

和E型NMOS

管結(jié)構(gòu)基本相

同，區(qū)別僅在

于導(dǎo)電溝道事

先存在，在

UGS=0的時(shí)候，

iD也不等于0。

當(dāng)UGS=VP

時(shí)，導(dǎo)電溝道

消失，iD=0。vGS=0時(shí)iD>0恒流區(qū)D型MOSFET的伏安方程，VTN為負(fù)值工作在非飽和區(qū)（可變電阻區(qū)）的伏安關(guān)系uDS>uGS-VTN耗盡型p-溝道MOSFETCMOS（ComplementaryMOSFET）多晶硅：由大量結(jié)晶方向不相同的硅單晶體組成的硅晶體幾乎不導(dǎo)電使用MOSFET的注意事項(xiàng)因?yàn)镸OS管的柵極與襯底表面的絕緣層很薄，當(dāng)帶電體或人體接觸柵極時(shí)，由于會(huì)在柵極與襯底上產(chǎn)生感生電荷，而柵極與襯底間的平板電容器容量又小，感生電荷累積會(huì)產(chǎn)生很高的電壓，極易導(dǎo)致絕緣層的擊穿而損壞管子，保存時(shí)應(yīng)將各電極短接。N溝道EMOS直流分析（1）.假設(shè)MOS管工作在恒流區(qū)，則有UGS>VTN

，UDS>UDS（sat）（2）.用工作在恒流區(qū)的伏安關(guān)系分析電路（3）.估計(jì)管子的偏置情況，如果與（1）中假設(shè)相符，則初始的假設(shè)正確。如果UGS<VTN

，則管子工作在截止區(qū)；如果UDS<UDS（sat）,則管子工作在可變電阻區(qū)。（4）.如果假設(shè)錯(cuò)誤，應(yīng)重新假設(shè)管子的工作區(qū)，然后重復(fù)（3）

[例]電路如圖所示，T的輸出特性如圖(a)(b)所示，分析當(dāng)uI＝4V、8V、12V三種情況下場(chǎng)效應(yīng)管分別工作在什么區(qū)域。解：根據(jù)輸出特性可知，其開啟電壓為5V，根據(jù)電路可知所以u(píng)GS＝uI。當(dāng)uI＝4V時(shí)，uGS小于開啟電壓，故T截止當(dāng)uI＝12V時(shí)，由于VDD

＝12V，必然使T工作在可變電阻區(qū)當(dāng)uI＝8V時(shí)，設(shè)T工作在恒流區(qū)，根據(jù)輸出特性可知iD≈0.6mA，管壓降

uDS≈VDD－iDRd≈10V因此，uGD＝uGS－uDS≈－2V，小于開啟電壓，說(shuō)明假設(shè)成立，即T工作在恒流區(qū)。+VDDR3C2TR1R2R4UGS

=

R1VDDR2R2+–ID

R4C1+-DCUDS

=

VDD–ID(R3+R4)OiDuGSUGS

=

R1VDDR2R2+–ID

R4IDQUGSQGraphicalAnalysis3ViD

/

mA02450.4Q0.2612N1M0.30.139uDS/VDCLoadLineUGS=3VUDS

=

VDD–ID(R3+R4)+VR3C2TR1R2R4C1+-3.2結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JFET）

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管有三個(gè)極：源極（s）、柵極（g）、漏極（d），有三個(gè)工作區(qū)域：截止區(qū)、恒流區(qū)、可變電阻區(qū)。N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管符號(hào)結(jié)構(gòu)示意圖柵極漏極源極導(dǎo)電溝道柵-源電壓對(duì)導(dǎo)電溝道寬度的控制作用溝道最寬溝道變窄溝道消失稱為夾斷

uGS可以控制導(dǎo)電溝道的寬度。為什么g-s必須加負(fù)電壓？VP漏-源電壓對(duì)漏極電流的影響uGS＞VP且不變，VDD增大，iD增大。預(yù)夾斷uGD＝VP

VDD的增大，幾乎全部用來(lái)克服溝道的電阻，iD幾乎不變，進(jìn)入恒流區(qū)，iD幾乎僅僅決定于uGS。場(chǎng)效應(yīng)管工作在恒流區(qū)的條件是什么？uGD>VpuGD<VP轉(zhuǎn)移特性場(chǎng)效應(yīng)管工作在恒流區(qū)，因而uGS＞VP且uGD＜VP。uDS>uGS-VPVP漏極飽和電流夾斷電壓g-s電壓控制d-s的等效電阻輸出特性預(yù)夾斷軌跡，uGD＝VP可變電阻區(qū)恒流區(qū)iD幾乎僅決定于uGS擊穿區(qū)夾斷區(qū)（截止區(qū)）夾斷電壓IDSSΔiD不同型號(hào)的管子VP、IDSS將不同。低頻跨導(dǎo)：工作在恒流區(qū)時(shí)g-s、d-s間的電壓極性u(píng)GS=0可工作在恒流區(qū)的場(chǎng)效應(yīng)管有哪幾種？uGS＞0才可能工作在恒流區(qū)的場(chǎng)效應(yīng)管有哪幾種？uGS＜0才可能工作在恒流區(qū)的場(chǎng)效應(yīng)管有哪幾種？MOS基本共源放大電路的工作原理一、電路的組成及各元件的作用二、設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)的必要性三、波形分析四、放大電路的組成原則一、電路的組成及各元件的作用VG：使UGS＞Vth。VDD：使UDS>UGS-Vth，同時(shí)作為負(fù)載的能源。RD：將ΔiD轉(zhuǎn)換成ΔuDS(uo)。動(dòng)態(tài)信號(hào)作用時(shí)：

輸入電壓ui為零時(shí)，晶體管各極的電流、G-S間的電壓、管壓降稱為靜態(tài)工作點(diǎn)Q，記作IDQ、UGSQ、UDSQ。RDT+VDDuoVGui二、設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)的必要性

輸出電壓必然失真！

設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，首先要解決失真問(wèn)題，但Q點(diǎn)幾乎影響著所有的動(dòng)態(tài)參數(shù)！

為什么放大的對(duì)象是動(dòng)態(tài)信號(hào)，卻要晶體管在信號(hào)為零時(shí)有合適的直流電流和極間電壓？RDT+VDDuoVGuiRDT+VDDuouiuGSiDVth三、基本共源放大電路的波形分析輸出和輸入反相！動(dòng)態(tài)信號(hào)馱載在靜態(tài)之上與iD變化方向相反

要想不失真，就要在信號(hào)的整個(gè)周期內(nèi)保證晶體管始終工作在放大區(qū)！飽和失真底部失真tuDSUDSQVDDO截止失真頂部失真tuDSUDSQVDDORDT+VDDuoVGui0tui0（a）ui的波形0uGStUGSQugs(t)（b）uGS的波形0iDtIDQid(t)（c）iD的波形0uo（e）uo的波形tUDSQuds(t)uDS（d）uDS的波形組成放大電路的規(guī)則：1.場(chǎng)效應(yīng)管工作在恒流區(qū)2.

對(duì)于FET管，輸入信號(hào)能加在柵源上3.放大后的信號(hào)電流能傳輸?shù)截?fù)載上3.4場(chǎng)效應(yīng)管放大電路3.4.1場(chǎng)效應(yīng)管放大電路的組成原理VGGRDVDDUGS>VthUGD<VthSGD+VDDRDRG2RG1SDGRG1VG

=VDDRG2RG2+1.場(chǎng)效應(yīng)管工作在恒流區(qū)+VDDRDC1C2RLRG2++uiRG1SDG+耦合電容：

電解電容，有極性。數(shù)值一般為1F~100F作用：能使交流信號(hào)順利輸入輸出，同時(shí)隔離輸入輸出與電路的直流聯(lián)系。3.放大后的信號(hào)電流能傳輸?shù)截?fù)載上2.

對(duì)于FET管，輸入信號(hào)能加在柵源上

組成放大電路的基本點(diǎn)：

1.

設(shè)置合適的直流通路（靜態(tài)工作點(diǎn)、偏置電路）

2.設(shè)置合適的交流通路

組成放大電路的核心：具有線性（或準(zhǔn)線性）控制作用的FET交流通路：只考慮交流信號(hào)的分電路直流通路：只考慮直流信號(hào)的分電路RDC1C2RLRG2++uiRG1SDG+uit+VDDuGStuDtiDtuot+ui直流通路：只考慮直流信號(hào)的分電路RDC1C2RLRG2++uiRG1SDG++uo+VDD+VDDRDRG2RG1SDG3.4.2直流和交流通路輸入信號(hào)置零，電容開路+-RL//RDRG1//RG2uiuo交流通路：只考慮交流信號(hào)的分電路共源放大電路，交流通路中源極為公共參考端電容短路，直流電源置零RDC1C2RLRG2++uiRG1SDG++uo+VDD共漏放大電路uoui3.4.3直流偏置電路與靜態(tài)工作點(diǎn)的估計(jì)靜態(tài)：當(dāng)信號(hào)源ui=0，管子工作在直流狀態(tài)，稱為靜態(tài)靜態(tài)時(shí)晶體管各極的電壓、電流值對(duì)應(yīng)伏安特性曲線上的一點(diǎn)，稱為靜態(tài)工作點(diǎn)(QuiescentPoint,QPoint/Operationpoint，直流通路中求解Q點(diǎn)）偏置電路：可以使放大電路獲得靜態(tài)工作點(diǎn)RDRG2RG1SDG+VDDQ點(diǎn)IDQiDugs(t)uGSidRDRG2RG1SDG+VDD1.估算法求靜態(tài)工作點(diǎn)RG1UGS

=VDDRG2RG2+得到兩組解，去掉一組不合理的解UDS

=VDD-IDRD分壓式自偏壓共源極放大電路+VDDRDC1C2RLuo

RG2RS+CS++uiRG1RGSGDRG1UG

=VDDRG2RG2+UGS=UG–

US

=RG1VDDRG2RG2+–ID

RSID=VG–UGSRSUDS

=VDD

–ID

(

RD

+RS)ID=–UGS()VthKn2圖解法適用于大信號(hào)、純電阻的場(chǎng)合，主要用來(lái)討論放大電路的非線性失真與靜態(tài)工作點(diǎn)位置的關(guān)系2.圖解法求靜態(tài)工作點(diǎn)uGSiDIDQRG1UGS

=VDDRG2RG2+UGS3.4.4放大電路的動(dòng)態(tài)分析放大電路有輸入信號(hào)(ui

0)時(shí)的工作狀態(tài)稱為動(dòng)態(tài)。1.用圖解法進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析步驟：（1）.畫出放大電路的交流通路；（2）.在輸入特性上作圖，確定uGS和iD

的變化范圍；（3）.在輸出特性上作直流負(fù)載線(放大器輸出端開路時(shí))

或交流負(fù)載線(放大器輸出端接負(fù)載時(shí))，根據(jù)uGS的

變化范圍，確定iD

和uDS的的變化范圍；（4）求電壓放大倍數(shù) 。tUGS

/V03=uGS

=

UGSQ+ui=UGSQUim

sin

t+=3

+

0.02sin

t(V)ugs

+tui

/V00.02–

0.02(ugs/V)直流分量交流分量瞬時(shí)值tuGS/V023.022.98ugs

UGSQ

RDT+VDDuoUGSQuiuo

=

UDSQ+udsUGSQRDT+VDDUDSQIDQudsuiRDTiduds

=–

idRD0uGS/VQ0.30.20.1000.30.20.12.9833.02IDQUGSQttiD

/mAiDidui

=

ugsuGS/ViD

/mAiD

/mAiD

/

mA02450.4Q0.2612N1Mt000.30.10.30.20.1iDuds

(uo)39uDS/VuDS/Vt369

交流負(fù)載線uds=

–idRL根據(jù)畫出交流負(fù)載線UGS=3VABiD

/mAiD

/

mA02450.4Q0.2612N1Mt000.30.10.30.20.1iduds

(uo)39uDS/VuDS/Vt369交流負(fù)載線無(wú)負(fù)載RLUGS=3VRDT+VDDuoUGSQuiRLuds=

–id(RD//RL)有負(fù)載RL（1）Q-點(diǎn)位置高非線性失真飽和失真iD

/mAiD

/mA03V4V6V0.20.40.6t00uds

(uo)

UGS=5VuDS/VuDS

/VQuo61239N2VMiduDS=uGS-VthtABuGS/V0Qidui0tt0iD/mAiD/mAuGS/V（2）Q-點(diǎn)位置低t1t2t1t20UGS=2.13560.60.26t000.40.150.15uds(uo)39400.050.05t截止失真QiD

/mAiD

/mAuDS/VuDS/Viduo（2）Q點(diǎn)位置低（3）輸入信號(hào)幅度過(guò)大tiD

/mAiD

/mA0346123t00uds

(uo)5uDS/VuDS

/VQ61239N2MuoiduDS=uGS-VTN輸出信號(hào)最大不失真的擺幅tiD

/mA0346123t05uDS/VuDS

/VQ61239N2M為保證無(wú)截止失真uDS=uGS-VTNuDS(sat)=uGS-Vth為保證無(wú)飽和失真min{IDQR’L,UDSQ-uDS(sat)}UDSQIDQ輸出信號(hào)最大不失真的擺幅

結(jié)論（1）共源組態(tài)的輸出電壓和輸入反相（2）交流信號(hào)是迭加在直流上的（3）有合適的工作點(diǎn)Q（否則產(chǎn)生非線性失真：飽和或截止失真）。（4）在分析時(shí)可單獨(dú)求交流量圖解法的