模電第五章,場效應(yīng)管放大電路

5場效應(yīng)管放大電路5.1金屬-氧化物-半導(dǎo)體（MOS）場效應(yīng)管5.3結(jié)型場效應(yīng)管（JFET）*5.4砷化鎵金屬-半導(dǎo)體場效應(yīng)管5.5各種放大器件電路性能比較5.2MOSFET放大電路5.1金屬-氧化物-半導(dǎo)體（MOS）場效應(yīng)管5.1.1N溝道增強(qiáng)型MOSFET5.1.5MOSFET的主要參數(shù)5.1.2N溝道耗盡型MOSFET5.1.3P溝道MOSFET5.1.4溝道長度調(diào)制效應(yīng)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場效應(yīng)管JFET結(jié)型MOSFET(IGFET)絕緣柵型耗盡型：場效應(yīng)管沒有加偏置電壓時(shí)，就有導(dǎo)電溝道存在增強(qiáng)型：場效應(yīng)管沒有加偏置電壓時(shí)，沒有導(dǎo)電溝道場效應(yīng)管的分類：5.1.1N溝道增強(qiáng)型MOSFET1.結(jié)構(gòu)（N溝道）L：溝道長度W：溝道寬度tox

：絕緣層厚度通常W>L5.1.1N溝道增強(qiáng)型MOSFET剖面圖1.結(jié)構(gòu)（N溝道）符號5.1.1N溝道增強(qiáng)型MOSFET2.工作原理（1）vGS對的控制作用①vGS≤0時(shí)d、s間PN結(jié)相背，無導(dǎo)電溝道②vGS>0時(shí)感應(yīng)出負(fù)電荷，形成反型層（N型）——把d、s間連接起來，形成導(dǎo)電溝道。形成反型層的最小柵壓——稱為開啟電壓。③

vGS>VT時(shí)溝道加寬，電阻變小，。外加?xùn)艍汉蟛判纬蓪?dǎo)電溝道的——稱為增強(qiáng)型2.工作原理（2）vDS對溝道的控制作用整個(gè)溝道呈楔形分布當(dāng)

一定（

）時(shí)，

溝道電位梯度靠近漏極d處的電位升高電場強(qiáng)度減小溝道變薄在預(yù)夾斷處：當(dāng)

增加到使

時(shí)，在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷。（2）vDS對溝道的控制作用預(yù)夾斷后，夾斷區(qū)延長溝道電阻基本不變。（3）vDS和vGS同時(shí)作用時(shí)給定一個(gè)vGS

，就有一條不同的iD

–vDS

曲線。一定，

變化時(shí)，隨而變3.

V-I特性曲線及大信號特性方程（1）輸出特性及大信號特性方程①截止區(qū)當(dāng)vGS＜VT（2V）時(shí)，導(dǎo)電溝道尚未形成，iD＝0，為截止工作狀態(tài)。分為三個(gè)區(qū)（1）輸出特性及大信號特性方程②可變電阻區(qū)

vDS≤（vGS－VT）近似為較小時(shí)隨迅速增大由于

較小，可近似為是一個(gè)受

控制的可變電阻②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其中本征電導(dǎo)因子Kn為電導(dǎo)常數(shù)，單位：mA/V2③飽和區(qū)（又稱恒流區(qū)、放大區(qū)）vGS

>VT

，且vDS≥（vGS－VT）預(yù)夾斷臨界點(diǎn)是vGS＝2VT時(shí)的iD

V-I特性：不隨變化，將預(yù)夾斷臨界條件代入得：（2）轉(zhuǎn)移特性s5.1.2N溝道耗盡型MOSFET1.結(jié)構(gòu)和工作原理簡述（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，而且基本上無柵流2.V-I特性曲線及大信號特性方程

（N溝道增強(qiáng)型）飽和漏極電流()時(shí)的夾斷電壓（）時(shí)溝道夾斷。5.1.3P溝道MOSFET各種類型MOS管的特性曲線絕緣柵場效應(yīng)管N溝道增強(qiáng)型P溝道增強(qiáng)型各種類型MOS管的特性曲線絕緣柵場效應(yīng)管

N溝道耗盡型P

溝道耗盡型5.1.4溝道長度調(diào)制效應(yīng)實(shí)際上飽和區(qū)的曲線并不是平坦的當(dāng)不考慮溝道調(diào)制效應(yīng)時(shí)，＝0，曲線是平坦的。

L的單位為m修正后溝道長度調(diào)制參數(shù)V-I特性曲線輸出特性(1)可變電阻區(qū)

vDS≤（vGS－VT）近似為:(2)飽和區(qū)(放大區(qū)）vGS

>VT

，vDS≥（vGS－VT）預(yù)夾斷臨界點(diǎn)修正轉(zhuǎn)移特性5.1.5MOSFET的主要參數(shù)一、直流參數(shù)1.開啟電壓VT

（增強(qiáng)型參數(shù)）4.直流輸入電阻RGS

(柵源間電阻)（109Ω～1015Ω）漏源極短路時(shí)，柵源極在一定條件下的等效電阻，RGS可達(dá)幾千兆歐。在飽和區(qū)增強(qiáng)型MOS管的漏極電流

（通常規(guī)定

）時(shí)，所對應(yīng)的柵源間的電壓值。3.飽和漏極電流IDSS

（耗盡型參數(shù)）在情況下（通常），時(shí)的漏極電流。2.夾斷電壓VP

（耗盡型參數(shù)）在

為某一固定數(shù)值時(shí)（例如10V），使等于一微小電流（如）時(shí)的

值。二、交流參數(shù)1.輸出電阻rds

NMOS增強(qiáng)型當(dāng)不考慮溝道調(diào)制效應(yīng)時(shí)，＝0，rds→∞

二、交流參數(shù)考慮到則其中2.低頻互導(dǎo)gm——表示

對

的控制作用在轉(zhuǎn)移特性曲線上，是曲線在某點(diǎn)上的斜率，也可由

的表達(dá)式求導(dǎo)得出，單位為S或mS。三、極限參數(shù)1.最大漏極電流IDM

管子正常工作時(shí)漏極電流允許的上限值。2.最大耗散功率PDM

3.最大漏源電壓V（BR）DS

發(fā)生雪崩擊穿時(shí)的4.最大柵源電壓V（BR）GS

是柵源間反向電流開始急劇增加時(shí)的。幾種常用的場效應(yīng)三極管的主要參數(shù)見表5.2MOSFET放大電路5.2.1MOSFET放大電路1.直流偏置及靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算2.圖解分析3.小信號模型分析*5.2.2帶PMOS負(fù)載的NMOS放大電路5.2.1MOSFET放大電路1.直流偏置及靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算（1）簡單的共源極放大電路（N溝道）共源極放大電路直流通路1.直流偏置及靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算（1）簡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)即工作于飽和區(qū)工作于可變電阻區(qū)假設(shè)工作在飽和區(qū)滿足假設(shè)成立，結(jié)果即為所求。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，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共源極放大電路需要驗(yàn)證是否滿足飽和區(qū)1.直流偏置及靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算靜態(tài)時(shí)，vI＝0，VG＝0，ID＝I電流源偏置VS＝VG－VGS（飽和區(qū)）（3）電流源偏置（例5.2.3）設(shè)管子工作于飽和區(qū)管子工作于飽和區(qū)假設(shè)正確2.圖解分析由于負(fù)載開路，交流負(fù)載線與直流負(fù)載線相同負(fù)載線與的交點(diǎn)就是Q點(diǎn)已知場效應(yīng)管輸出特性表達(dá)式：求全微分:漏極與源極間等效電導(dǎo)變化量其中：低頻跨導(dǎo),可從輸出曲線上求出（1）場效應(yīng)管微變等效電路3.小信號模型分析0時(shí)高頻小信號模型場效應(yīng)管微變等效電路解：例5.2.2的直流分析已求得：（2）放大電路分析s①共源極放大電路（例5.2.5）s①共源極放大電路（例5.2.5）（2）放大電路分析②共漏極放大電路(源極輸出器、源極跟隨器)例5.2.6共漏共漏（2）放大電路分析*5.2.2帶PMOS負(fù)載的NMOS放大電路本小節(jié)不作教學(xué)要求，有興趣者自學(xué)5.3結(jié)型場效應(yīng)管

5.3.1JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理

5.3.2JFET的特性曲線及參數(shù)

5.3.3JFET放大電路的小信號模型分析法5.3.1JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理1.結(jié)構(gòu)2.工作原理（1）柵源電壓vGS對溝道的控制作用柵源間加反向偏電壓（以N溝道JFET為例）對于N溝道的JFET，VP<0。PN結(jié)反偏耗盡層加寬溝道變窄。當(dāng)溝道夾斷時(shí)，對應(yīng)的柵源電壓vGS稱為夾斷電壓VP

（或VGS(off)）。①②結(jié)型場效應(yīng)管就是通過改變加在PN結(jié)上的反向偏壓(柵源電壓)的大小來改變耗盡層的寬度,進(jìn)而改變溝道的寬度和溝道電阻的大小以達(dá)到控制溝道電流(漏極電流)的目的。即時(shí)，溝道夾斷2.工作原理(2)vDS對溝道的控制作用一定(|

|<||)時(shí),

①隨著

靠近漏極處的耗盡層加寬，溝道變窄，呈楔形分布②當(dāng)vDS增加到使

時(shí)，導(dǎo)電溝道在A點(diǎn)相遇，溝道被夾斷——稱為預(yù)夾斷③繼續(xù)加大夾斷延長溝道電阻

的增量降落在溝道夾斷處iD基本不變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，

所以場效應(yīng)管也稱為單極型三極管。

JFET柵極與溝道間的PN結(jié)是反向偏置的，因此，

輸入電阻很高。預(yù)夾斷前

與呈近似線性關(guān)系；預(yù)夾斷后，趨于飽和。JFET是電壓控制電流器件，

受

控制。5.3.2JFET的特性曲線及參數(shù)2.轉(zhuǎn)移特性1.輸出特性(VP≤vGS≤0)3.主要參數(shù)(與MOSFET類似)④輸出電阻rd：或③

低頻跨導(dǎo)gm：低頻跨導(dǎo)反映了

對

的控制作用。gm可以在轉(zhuǎn)移特性曲線上求得，單位是mS(毫西門子)。①夾斷電壓VP(或VGS(off))：漏極電流約為零時(shí)的

值。②飽和漏極電流IDSS：

時(shí)的漏極電流稱為飽和漏極電流IDSS。3.主要參數(shù)⑤直流輸入電阻RGS：對于結(jié)型場效應(yīng)管，反偏時(shí)RGS約大于107Ω。⑧最大漏極功耗PDM⑥

最大漏源電壓V(BR)DS⑦最大柵源電壓V(BR)GS5.3.3JFET放大電路的小信號模型分析法(場效應(yīng)管放大電路)直流偏置電路靜態(tài)工作點(diǎn)

FET小信號模型動態(tài)指標(biāo)分析三種基本放大電路的性能比較

4.4.2FET放大電路的小信號模型分析法

4.4.1

FET的直流偏置及靜態(tài)分析vGSvGS（1）自偏壓電路5.3.3JFET放大電路的小信號模型分析法(場效應(yīng)管放大電路)1.直流偏置及靜態(tài)分析vGSvGS靜態(tài)工作點(diǎn)：

、

、已知VP，由可解出Q點(diǎn)的

、

、（2）分壓式自偏壓電路5.3.3JFET放大電路的小信號模型分析法2.JFET小信號模型（1）低頻模型（2）高頻模型3.動態(tài)指標(biāo)分析中頻小信號模型(共源極放大電路)3.動態(tài)指標(biāo)分析（1）中頻電壓增益忽略rds

，由輸入輸出回路得則（2）輸入電阻（3）輸出電阻例5.3.15.5