第五章模擬電路

第五章模擬電路1第1頁，共58頁，2023年，2月20日，星期三5場效應(yīng)管放大電路N溝道P溝道增強(qiáng)型耗盡型N溝道P溝道N溝道P溝道（耗盡型）FET場效應(yīng)管JFET結(jié)型MOSFET絕緣柵型分類：第2頁，共58頁，2023年，2月20日，星期三5.1金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管

結(jié)構(gòu)工作原理

V-I特性曲線及大信號特征方程

5.1.1

N溝道增強(qiáng)型MOSFET

5.1.2

N溝道耗盡型MOSFET

5.1.5

MOSFET的主要參數(shù)

第3頁，共58頁，2023年，2月20日，星期三5.1.1

N溝道增強(qiáng)型MOSFETN溝道增強(qiáng)型MOSFET的結(jié)構(gòu)(Metal-OxideSemiconductorTypeFieldEffectTransistor)第4頁，共58頁，2023年，2月20日，星期三5.1.1

N溝道增強(qiáng)型MOSFETN溝道增強(qiáng)型MOSFET的結(jié)構(gòu)(Metal-OxideSemiconductorTypeFieldEffectTransistor)第5頁，共58頁，2023年，2月20日，星期三5.1.1

N溝道增強(qiáng)型MOSFET4個電極：漏極D，源極S，柵極G和襯底P。符號：----gsd襯底N溝道增強(qiáng)型MOSFET的結(jié)構(gòu)(Metal-OxideSemiconductorTypeFieldEffectTransistor)第6頁，共58頁，2023年，2月20日，星期三5.1.1

N溝道增強(qiáng)型MOSFET2.工作原理

當(dāng)vGS>0V時→縱向電場→將靠近柵極下方的空穴向下排斥→耗盡層。

當(dāng)vGS=0V時，漏源之間相當(dāng)兩個背靠背的二極管，在d、s之間加上電壓也不會形成電流，即管子截止。

再增加vGS＞

VT

→縱向電場↑→將P區(qū)少子電子聚集到P區(qū)表面→形成導(dǎo)電溝道。---P襯底sgN+bd二氧化硅+N---s二氧化硅P襯底g+Nd+bNVGGid---s二氧化硅P襯底gDDV+Nd+bNVGGid如果此時加有漏源電壓，就可以形成漏極電流id。漏源電壓較大，出現(xiàn)夾斷時，id趨于飽和。第7頁，共58頁，2023年，2月20日，星期三5.1.1

N溝道增強(qiáng)型MOSFET2.工作原理

定義：開啟電壓（VT）——剛剛產(chǎn)生溝道所需的柵源電壓VGS。

N溝道增強(qiáng)型MOS管的基本特性：

vGS＜VT，管子截止，

vGS＞VT，管子導(dǎo)通。

vGS越大，溝道越寬，在相同的漏源電壓vDS作用下，漏極電流ID越大。第8頁，共58頁，2023年，2月20日，星期三3.V-I特性曲線及大信號特征方程v=3VDSGSvGS=5VvvvGS(mA)=4VDiGS=6V(V)5.1.1

N溝道增強(qiáng)型MOSFET（1）輸出特性及大信號特性方程iD=f(vDS)|vGS=constant預(yù)夾斷臨界點軌跡vGD=vGS

–vDS=VTvDSVGS-VT飽和區(qū)截止區(qū)vGS<VTID0是vGS=2VT的iDvDSVGS-VT可變電阻區(qū)第9頁，共58頁，2023年，2月20日，星期三5.1.1

N溝道增強(qiáng)型MOSFET

可根據(jù)輸出特性曲線作出轉(zhuǎn)移特性曲線。例：作vDS=10V的一條轉(zhuǎn)移特性曲線：VTi(mA)DGS=6Vvv=5VGS=4VvGSv=3VGSvDS(V)Di(mA)10V12341432(V)vGS246（2）轉(zhuǎn)移特性iD=f(vGS)|vDS=constant第10頁，共58頁，2023年，2月20日，星期三5.1.2

N溝道耗盡型MOSFET特點：當(dāng)vGS=0時，就有溝道，加入vDS，就有iD。當(dāng)vGS＞0時，溝道增寬，iD進(jìn)一步增加。

當(dāng)vGS＜0時，溝道變窄，iD減小。

在柵極下方的SiO2層中摻入了大量的金屬正離子。所以當(dāng)vGS=0時，這些正離子已經(jīng)感應(yīng)出反型層，形成了溝道。

夾斷電壓（VP）——溝道剛剛消失所需的柵源電壓vGS。襯底----sgd1.結(jié)構(gòu)和工作原理簡述第11頁，共58頁，2023年，2月20日，星期三5.1.2

N溝道耗盡型MOSFET

2.V-I特性曲線及大信號特征方程vvGS=2Vv2v(mA)1v=-4VD-40310VDS2(mA)GS(V)21-64iv=0VD-2GSGSGS4i(V)3=-2VVP對于耗盡型MOS：IDSS：零柵壓的漏極電流，飽和漏極電流第12頁，共58頁，2023年，2月20日，星期三5.1.5

MOSFET的主要參數(shù)一、直流參數(shù)2.夾斷電壓VP（或vGS(off)）：耗盡型MOS參數(shù)vDS為某一固定值，使iD等于一個微小的電流時，柵源之間所加的電壓1.開啟電壓VP（或vGS(th)）：增強(qiáng)型MOS參數(shù)vDS為某一固定值，使iD等于一個微小的電流時，柵源之間所加的電壓3.飽和漏極電流IDSS：vGS=0，當(dāng)vDS>|VP|時的漏極電流4.直流輸入電阻RGS：在漏源之間短路的條件下，柵源之間加一定電壓時的柵源直流電阻第13頁，共58頁，2023年，2月20日，星期三5.1.5

MOSFET的主要參數(shù)2.低頻互導(dǎo)gm互導(dǎo)反映了vGS對iD的控制能力，相當(dāng)于轉(zhuǎn)移特性曲線上工作點的斜率。單位是mS或S1.輸出電阻rd十分之幾至幾mS，互導(dǎo)隨管子工作點不同而變幾十千歐到幾百千歐二、交流參數(shù)N溝道EMOSFET第14頁，共58頁，2023年，2月20日，星期三5.1.5

MOSFET的主要參數(shù)2.最大耗散功率PDM3.最大漏源電壓V(BR)DS4.最大柵源電壓V(BR)GS發(fā)生雪崩擊穿、iD開始急劇上升時的vDS值柵源間反向電流開始急劇增加時的vGS值PDM=vDS

iD受管子最高工作溫度的限制三、極限參數(shù)1.最大漏極電流IDM：管子正常工作時漏極電流允許的上限值第15頁，共58頁，2023年，2月20日，星期三5.2

MOSFET放大電路

直流偏置及靜態(tài)工作點的計算圖解分析

5.2.1

MOSFET放大電路

5.2.2帶PMOS負(fù)載的NMOS放大電路

小信號模型分析第16頁，共58頁，2023年，2月20日，星期三5.2.1MOS放大電路

根據(jù)求得的VDS判斷FET工作在飽和區(qū)或可變電阻區(qū)1.直流偏置及靜態(tài)工作點的計算VDDvoviBCb2Cb1Rg1RdRg2gdsTid（1）簡單的共源極放大電路N溝道增強(qiáng)型MOS管電路的直流計算步驟見P.212第17頁，共58頁，2023年，2月20日，星期三5.2.1MOS放大電路

1.直流偏置及靜態(tài)工作點的計算（2）帶源極電阻的NMOS共源極放大電路+VDDvoviBCb2Cb1Rg1RdRg2gdsTid-VSSRsR當(dāng)NMOS管工作在飽和區(qū)第18頁，共58頁，2023年，2月20日，星期三5.2.1MOS放大電路

1.直流偏置及靜態(tài)工作點的計算（2）帶源極電阻的NMOS共源極放大電路+VDDvoviBCb2Cb1Rg1RdRg2gdsTid-VSSRsR在MOS管中接入源極電阻，也具有穩(wěn)定靜態(tài)工作點的作用很多MOS管電路的源極電阻被電流源代替（例5.2.3）第19頁，共58頁，2023年，2月20日，星期三2.圖解分析VDDvOBRdgdsTidviVGG+-+-iDvDSoVDD預(yù)夾斷臨界點軌跡vGD=vGS

–vDS=VTVDD/RdoottiDIDQVDSQidvdsviVGS=VGGQvDSVGG

>VTVDD

足夠大，場效應(yīng)管工作于飽和區(qū)第20頁，共58頁，2023年，2月20日，星期三5.2.1MOS放大電路

3.小信號模型分析輸入信號很小，F(xiàn)ET工作在飽和區(qū)，看成雙口網(wǎng)絡(luò)，N溝道EMOS第21頁，共58頁，2023年，2月20日，星期三5.2.1MOS放大電路

3.小信號模型分析第三項與輸入信號平方成正比，當(dāng)vi=vgs為正弦時，平方項使輸出電壓產(chǎn)生諧波或非線性失真小信號條件：vgs<<2(VGSQ-VT)第22頁，共58頁，2023年，2月20日，星期三5.2.1MOS放大電路

3.小信號模型分析sgdvgsgmvgsvdssgdrdsvgsgmvgsvdsiD低頻小信號模型gsdvGSiDvDSsgdrdsvgsgmvgsvdsiDCgs+CgbCgdCdsFET的高頻模型第23頁，共58頁，2023年，2月20日，星期三例題

例5.2.5電路如圖所示。試求中頻電壓增益、輸入電阻和輸出電阻。voRvigRdRg1||Rg2sd

Rsvs+-+VDDvoviBCb2Cb1Rg1RdRg2gdsTid-VSSRsR第24頁，共58頁，2023年，2月20日，星期三例題voRvigRdRg1||Rg2sd

Rsvs+-第25頁，共58頁，2023年，2月20日，星期三例題

例5.2.6電路如圖所示。試求中頻電壓增益、輸入電阻和輸出電阻。voRvigrdsRg1||Rg2sdRs+VDDvoviBCbRg1Rg2gdsTRsRvs+-第26頁，共58頁，2023年，2月20日，星期三例題同相放大電壓跟隨voRvigrdsRg1||Rg2sdRs第27頁，共58頁，2023年，2月20日，星期三例題RiRsdRsgvTiTRo計算輸出電阻時，信號源置零，除去負(fù)載，在輸出端加測試源vTrdsRg1||Rg2第28頁，共58頁，2023年，2月20日，星期三5.3結(jié)型場效應(yīng)管

結(jié)構(gòu)工作原理

輸出特性轉(zhuǎn)移特性

主要參數(shù)

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的小信號模型分析法

第29頁，共58頁，2023年，2月20日，星期三

1.

結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)（以N溝為例）：

(JunctionTypeFieldEffectTransistor)5.3.1

JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理第30頁，共58頁，2023年，2月20日，星期三

1.

結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)（以N溝為例）：

(JunctionTypeFieldEffectTransistor)兩個PN結(jié)夾著一個N型溝道。三個電極：g：柵極d：漏極s：源極符號：5.3.1

JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理N溝道---gsdP溝道---gds動畫演示第31頁，共58頁，2023年，2月20日，星期三5.3.1

JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理

（1）柵源電壓對溝道的控制作用

在柵源間加負(fù)電壓vGS，令vDS

=0

①當(dāng)vGS=0時，為平衡PN結(jié)，導(dǎo)電溝道最寬。②當(dāng)│vGS│↑時，PN結(jié)反偏，耗盡層變寬，導(dǎo)電溝道變窄，溝道電阻增大。③當(dāng)│vGS│↑到一定值時，溝道會完全合攏。定義：夾斷電壓VP——使導(dǎo)電溝道完全合攏（消失）所需要的柵源電壓vGS。

2.

結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理：第32頁，共58頁，2023年，2月20日，星期三5.3.1

JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理

（2）漏源電壓對溝道的控制作用

2.

結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理：

在漏源間加電壓uDS，令vGS=0由于vGS=0，所以導(dǎo)電溝道最寬。①當(dāng)vDS=0時，iD=0。②vDS↑→iD↑

→靠近漏極處的耗盡層加寬，溝道變窄，呈楔形分布。③當(dāng)vDS↑，使vGD=vGS-

vDS=VP時，在靠漏極處夾斷——預(yù)夾斷。預(yù)夾斷前，vDS↑→iD↑。預(yù)夾斷后，iDS↑→iD幾乎不變。④vDS再↑，預(yù)夾斷點下移。第33頁，共58頁，2023年，2月20日，星期三5.3.1

JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理

2.

結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理：

（3）柵源電壓vGS和漏源電壓vDS共同作用

iD=f（vGS、vDS）,可用兩組特性曲線來描繪。

動畫演示第34頁，共58頁，2023年，2月20日，星期三5.3.2

JFET的特性曲線及參數(shù)1.輸出特性曲線：iD=f（vDS）│vGS=常數(shù)vGS=0VvGS=-1Vv=-3VDSGSvvGS(mA)=-2VDi(V)第35頁，共58頁，2023年，2月20日，星期三5.3.2

JFET的特性曲線及參數(shù)1.輸出特性曲線：iD=f（vDS）│vGS=常數(shù)四個區(qū)：恒流區(qū)的特點：在vDS為常數(shù)時△iD/△vGS=gm≈常數(shù)

即：△iD=gm△vGS

（放大原理）（a）可變電阻區(qū)（預(yù)夾斷前）。

（b）恒流區(qū)也稱飽和區(qū)（預(yù)夾斷后）。

（c）夾斷區(qū)（截止區(qū)）。

（d）擊穿區(qū)?？勺冸娮鑵^(qū)恒流區(qū)截止區(qū)擊穿區(qū)v=-3VDSGSvGS=-1VvvvGS(mA)=-2VDiGS=0V(V)vGS<VP時，iD=0稱為截止區(qū)第36頁，共58頁，2023年，2月20日，星期三5.3.2

JFET的特性曲線及參數(shù)2.轉(zhuǎn)移特性曲線：iD=f（vGS）│vDS=常數(shù)

可根據(jù)輸出特性曲線作出轉(zhuǎn)移特性曲線（transfer

characteristic）

。例：作vDS=10V的一條轉(zhuǎn)移特性曲線：ABCDABCDvvGS=0Vv0v(mA)1v=-3VD-3-1310VDS2(mA)GS(V)21-44iv=-1VD-2GSGSGS4i(V)3=-2V第37頁，共58頁，2023年，2月20日，星期三5.3.2

JFET的特性曲線及參數(shù)2.轉(zhuǎn)移特性曲線：iD=f（vGS）│vDS=常數(shù)vGS/V0iD/mAIDSSVP飽和漏極電流夾斷電壓vDS=10V第38頁，共58頁，2023年，2月20日，星期三5.3.2

JFET的特性曲線及參數(shù)3.主要參數(shù)①夾斷電壓VP(或VGS(off))：②飽和漏極電流IDSS：

③

低頻跨導(dǎo)gm：或漏極電流約為零時的VGS值。VGS=0時對應(yīng)的漏極電流。

低頻跨導(dǎo)反映了vGS對iD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)。第39頁，共58頁，2023年，2月20日，星期三5.3.2

JFET的特性曲線及參數(shù)3.主要參數(shù)④輸出電阻rd：⑤直流輸入電阻RGS：對于結(jié)型場效應(yīng)三極管，反偏時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)GS第40頁，共58頁，2023年，2月20日，星期三

0.直流偏置電路a.自偏壓電路VGS=－

IDR

注意：該電路產(chǎn)生負(fù)的柵源電壓，所以只能用于需要負(fù)柵源電壓的電路。計算Q點：VGS、ID、VDS已知VP，由可解出Q點的VGS、IDVDS=VDD－

ID(Rd+R)再求：+VID

++gTRdRRgCb1Cb2voviDDCds--++VGS=－

IDR

5.3.3JFET放大電路的小信號模型分析法第41頁，共58頁，2023年，2月20日，星期三

0.直流偏置電路b.分壓器式自偏壓電路可解出Q點的VGS、ID

計算Q點：已知VP，由該電路產(chǎn)生的柵源電壓可正可負(fù)，所以適用于所有的場效應(yīng)管電路。VDS=VDD-ID(Rd+R)再求：++－+gTRdRCb1b2CvoviVDDCdsg1Rg2Rg3R++－5.3.3JFET放大電路的小信號模型分析法第42頁，共58頁，2023年，2月20日，星期三1.JFET的小信號模型

-++dgsGSvvDSiD-+—++－-SrdsgdS動畫演示§5.3.3JFET放大電路的小信號模型分析法第43頁，共58頁，2023年，2月20日，星期三1.JFET的小信號模型

-++dgsGSvvDSiD-5.3.3JFET放大電路的小信號模型分析法sgdrdsvgsgmvgsvdsrgsiDCgsCgdCds第44頁，共58頁，2023年，2月20日，星期三

2.動態(tài)指標(biāo)分析

++b2RvTg3DDb1Rg1CCVRRgdsig2dRvo+_+動畫演示5.3.3JFET放大電路的小信號模型分析法第45頁，共58頁，2023年，2月20日，星期三

2.動態(tài)指標(biāo)分析

（1）求電壓放大倍數(shù)（2）求輸入電阻（3）求輸出電阻iR+—+-++-gdsRg3g1Rg2RRdR5.3.3JFET放大電路的小信號模型分析法第46頁，共58頁，2023年，2月20日，星期三（2）電壓放大倍數(shù)（3）輸入電阻（1）畫交流小信號等效電路。

共漏極放大電路如圖示。試求中頻電壓增益、輸入電阻和輸出電阻。例題+Cg3VsTRb1DDoRvRdg1g2Cb2RR+-L+v-SRS++—+-+S+-R+-gdsRg3g1Rg2RiRRLR動畫演示第47頁，共58頁，2023年，2月20日，星期三（4）輸出電阻例題共漏極放大電路如圖示。試求中頻電壓增益、輸入電阻和輸出電阻。+—+SgdsRg3g1Rg2RRR+-動畫演示第48頁，共58頁，2023年，2月20日，星期三5.5各種放大器件電路性能比較

各種FET的特性比較使用注意事項

5.5.1各種FET的特性及使用注意事項

5.5.2各種放大器件電路性能比較

第49頁，共58頁，2023年，2月20日，星期三1.各種FET的特性比較

5.5.1各種FET的特性及使用注意事項MOS器件主要應(yīng)用在數(shù)字集成電路方面JFET在低噪聲放大電路方面有廣泛應(yīng)用P.236，表5.5.12.使用注意事項

第50頁，共58頁，2023年，2月20日，星期三5.5.2各種放大器件電路性能比較組態(tài)對應(yīng)關(guān)系：CEBJTFETCSCCCDCBCGBJTFET電壓增益CE：CC：CB