電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分-部分5

電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分一部分5.txt這世界

上除了我誰都沒資格陪在你身邊。聽著，我允許

你喜歡我。除了白頭偕老，我們沒別的路可選了什么時候想嫁人了就告訴

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；J\結(jié)

仁1BJT是由兩個PN結(jié)組成的三端有源器件，分NPN和PNP兩種

類型，它的三個端子分別稱為發(fā)射極e,基極b和集電極c.由于硅材

料的熱穩(wěn)定性

好,因而硅BJT得到廣泛應(yīng)用.

口表征BJT性能的有輸入和輸出特性，均稱之為V-I特性，其中輸

出特性

用得較多.從輸出特性上可以看此用改變基極電流的方法可以控制

集電極電

流，因而BJT是一種電流控制器件.

口BJT的電流放大系數(shù)是它的主要參數(shù)，按電路組態(tài)的不同有共射

極電流放大系數(shù)B和共基極電流放大系數(shù)a之分.為了保證器件的

安全運行,還有幾

項極限參數(shù),如集電極最大允許功率損耗PCM和若干反向擊穿電壓,

如V(BR)CER等，使用時應(yīng)當(dāng)予以注意.

.BJT在放大電路中有共射，共集和共基三種組態(tài)，根據(jù)相應(yīng)的電路輸

出量與輸入量之間的大小與相位的關(guān)系，分別將它們稱為反相電壓放大

器，電壓跟隨器

和電流跟隨器.三種組態(tài)中的BJT都必須工作在發(fā)射結(jié)正偏,集電結(jié)

反偏的狀態(tài).

口放大電路的分析方法有圖解法和小信號模型分析法,前者是承認(rèn)電

子

器件的非線性，后者則是將非線性特性的局部線性化.通常使用圖解

法求Q點，而用小信號模型分析法求電壓增益,輸入電阻和輸出電阻

口放大電路靜態(tài)工作點不穩(wěn)定的原因主要是由于受溫度的影響.常用

的

穩(wěn)定靜態(tài)工作點的電路有射極偏置電路等，它是利用反饋原理來實現(xiàn)

的.

口頻率響應(yīng)與帶寬是放大電路的重要指標(biāo)之一.用混合H形等效電

路分析高頻響應(yīng),而用含電容的低頻等效電路分析低頻響應(yīng),二者的電路

基礎(chǔ)則是

RC低通電路和RC高通電路.口瞬態(tài)響應(yīng)和頻率響應(yīng)是分析放大電

路的時域和頻域的兩種方法,二者

從各自的側(cè)面反映放大電路的性能,存在內(nèi)在的聯(lián)系,互相補充.工程

上以頻域分析用得較普遍.

4.1

4.1.1

半導(dǎo)體三極管

測得某放大電路中BJT的三個電極A,B,C的對地電位分別為V

A=-9V,

185

習(xí)題

VB=-6V,Vc=-6.2V,試分析A,B,C中哪個是基極b,

發(fā)射極e，集電極c，并說明

此BJT是NPN管還是PNP管.

4.1.2

某放大電路中BJT蘭個電極A,B,C的電流如

A

圖題4.1.2所示，用萬用表直流電流擋測得IA=-

2mA,1.

-0.04mA,lc=+2.04mA,試分析A,B,C中哪個是基

極b，發(fā)射極e，集電極C，并說明此管是NPN還是PNP管，

它的畫=?

4.1.3

V(BR1CEO

=30V，若它的工作電壓

基本共射極放大電路

某BJT的極限參數(shù)ICM=100mA,PCM=150mW,

B

VCE

二10

C

V，則工作電流IC

圖題4.

不得超過多大?若工作電流IC應(yīng)為多少？

=1mA，則工作電壓的極限值

1.2

4.24.2.1

試分析圖題4.2,1所示各電路對正弦交流信號有無放大作用，并簡

述理由（設(shè)

各電容的容抗可忽略）.

Vcc

RC

++

Vj

RC

T

Vo

Rb

Vcc

一斗

+

V:1

1+

Cbl

T

Vo

(a)

Vcc

(b)

HRb

+

Vj

T

Cb2

r,

+

Vo

Cbl

ll+)

KT

Vcc

Vo

Vj

I1J(b

..J...VBB

(c)

圖題4.

(d)

2.1

V

4.2.2

電路如圖題4.2,2所示，設(shè)BJT的80,VBE=0.6

,1CEU'VCES可忽略不計，

試分析當(dāng)開關(guān)s分別接通A,B,C三位置時，BJT各工作在其輸

出特性曲線的哪個區(qū)域.并求出相應(yīng)的集電極電流IC.

4.2.3

測量某硅BJT各電極對地的電壓值如下，試判別管子工作在什么區(qū)

域.

4

186

雙極結(jié)j'!極管及放大電路基礎(chǔ)

UV

40kfl11妹fl

s

C

AT

3=80

12V

圖題4.2.2

(a)Vc=6V

(c)Vc=6V(e)Vc=3.6V

V.=0.7V

VE=0VVE=5.4VVE=3.4V

(b)Vc=6V(d)Vc=6V

V.=2V

V[=1.3V

V=6V

V.=4V

V.=4V

V[=3.6V

4.3

放大電路的分析方法

當(dāng)ic=10mA和ic=

4.3.1BJT的輸出特性如圖題4.3.1所示.求該器件的B值；

20mA時，管子的飽和壓降VCES為多少？4.3.24.3.3

設(shè)輸出特性如圖題4.3.1所示的BJT接人圖題4.3.2所示的電

路，圖中Vcc

15V.R,=1.5k0.i.=20uA.求該器件的Q點.

若將圖題4.3.1所示輸出特性的BJT接成圖題4.3.2的電路，并

設(shè)Vcc=12V,

R,=1k0.在基極電路中用V..=2.2V和Rb=50k0串聯(lián)以代

替電流源iBO求該電路中的

I町，1CQ和Vc凹的值,設(shè)V.EQ=0.7

V

0

4.3.4

設(shè)輸出特性如圖題4.3.1所示的BJT連接成圖題4.3.2所示的電

路,其基極端

上接V..=3.2V與電阻Rb=20k0相串聯(lián)，而Vcc=6V.R,=2000.

求電路中的1BQ,1CQ

和VCEQ的值,設(shè)VBEQ=0.7V.

ic/mA20

~VCC

LI

..L

Rc

1011

iB:10uA/級

[

EB

T

iB=10uA

5

圖題4.

10

vcEN

圖題4.3.2

3.1

187

習(xí)題

4.3.5

求:

電路如圖題4.3.5a所示，該電路的交，直流負(fù)載線繪于圖題4.3.5b

中，試

(1)電源電壓Vcc靜態(tài)電流IBQ,ICQ和管壓降VCEQ的值；

(2)電阻磯，Rc的值；

(3)輸出電壓的最大不失真幅度；(4)要使該電路能不失真地放大,

基極正弦電流的最大幅

o

(a)

圖題4.3.5

1

2

3.4

(b)

5

6

4.3.64.3.74.3.8

設(shè)PNP型硅BJT的電路如圖題4.3.6所示.問％在什么變化范圍

內(nèi)，使T工

作在放大區(qū)?令100.

在圖題4.3.6中，試重新選取R.和Rc的

+VEE+10V

值，以便當(dāng)vB

=1V時,集電極對地電壓Vc=0.

R.

畫出圖題4.3.8所示電路的小信號等效電

10kQ

路,設(shè)電路中各電容容抗均可忽略,并注意標(biāo)出電

壓，電流的正方向.

T

VB

4.3.9

單管放大電路如圖題4.3.9所示，已知

BJT的電流放大系數(shù)8=500(1)估算Q點；(2)畫出

簡化H參數(shù)小信號等效電路；

阻rb.;

(3)估算BJT的輸入電

Rc5kQ

喇-V

(4)如輸出端接入4kn的電阻負(fù)載，計算AE=

幾/Uz及Al”=vol叭.

-10V

CC

4.3.10

放大電路如圖題4.3.5a所示，已知VCC

；1!：

圖題4.3.6

=12V.BJT的8=20.若要求人，

100.ICQ=1mA.

=-0.7V0(1)試估算該

試確定凡，Re的值,并計算VCEQ0設(shè)RL=8.

4.3.11

電路如圖題4.3.11所示，已知BJT的8=100.

VBEQ

電路的?點；⑵畫出簡化的H參數(shù)小信號等效電路；

電阻R,，輸出電阻R.;

(3)求該電路的電壓增益A,,輸入

(4)若鈔.中的交流成分出現(xiàn)圖題4.3.11b所示的失真現(xiàn)象,間是截

止失真還是飽和失真？為消除此失真，應(yīng)調(diào)整電路中的哪個元件？如何

調(diào)整？

4.3.12

在圖題4.3.12所示電路中，設(shè)電容C1,C2，烏對交流信號可視

為短路.

〃

(1)寫出靜態(tài)電流ICQ及電壓VCEQ的表達(dá)式；(2)寫出電壓增

益A,，輸入電阻R,和輸出電阻

R.的表達(dá)式；（3）若將電容C，開路，對電路將會產(chǎn)生什么影響？

4

188

雙極結(jié)ifjj三極普及放大唱路基礎(chǔ)

Vcc

<?Vcc

Rbl

llcbl

tFE

V

Rc

Cb2++

UI

Rb2

H+4Cbl

Rbl

4,c

Cb2卡一

T

Vo

1

1

a

KT

(a)

RL

U.

飛

IIRb2

nRe

(b)

Vcc

a

Cbl一斗+Rb31

UZ

Rbl

E

Vcc

Rc

T

Cb2

31+1C

Rbl

T

o+

Vo

+

R.1

T

T

Rb2

(c)

HR'2

F-ure

J叫

ZYi

T

HR.

h

(d)

牛Rb2TC2

Vo

圖題4.3.8

4k0

300

Rc

coM

12V

育

Vcc

E

23

u

+

I

sooo

Vi

V.

Rs

+sduF

U0

+r—

圖題4.3.9

4.44.4.1

放大電路靜態(tài)工作點的穩(wěn)定問題

電路如圖題4.4.1所示，如Rb=750k!l,

R,=6.8

k!1,采用3DG6型BJT:

(1)當(dāng)T=25'c時，B=60,VBE=0.7V,求Q點；(2)如8隨

溫度的變化為0.5%/吃，而

VBE隨溫度的變化為

2rnV/'C，當(dāng)溫度升高至75'C時，估算Q點的變化情況；(3)如

溫度

189

習(xí)題

Us

0

t

(a)

圖題4.

(b)

3.11

維持在25'c不變，只是換一個8=115的管子,Q點如何變化,

此時放大電路的工作狀態(tài)

是否正常？

12V

Rc

Rb

50uF

+

++

UI

T

Uo

vs

圖題4.3.

12

圖題4.4.1

4.4.24.4.3

如圖題4.4.2所示的偏置電路中，熱敏電阻R,具有負(fù)溫度系數(shù)，問

能否起到

穩(wěn)定工作點的作用？

射極偏置電路如圖題4.4.3所示，已知3=600(1)用估算法求?點;

(2)求輸

入電阻Tb,;(3)用小信號模型分析法求電壓增益A,;(4)電路

其他參數(shù)不變，如果要使

VCEQ=4V,問上偏流電阻為多大？

4.4.4

在圖題4.4.4所示的放大電路中，設(shè)信號源內(nèi)阻R,=600Q,BJT的

0=50.

(1)畫出該電路的小信號等效電路；

(2)求該電路的輸入電阻RE和輸出電阻Ro;(3)當(dāng)飛二

15mV時，求輸出電壓Vo.

190

4

雙極結(jié)ZEZ極管及放大電路基礎(chǔ)

Vcc

RblRbl

Vcc

Rc

T

T

Rb2

Rb2

(a)

⑹

圖題4.4.2

....L

nl2V11++

Vcc16V

60knll

3kn

A

30nF

33knII+

Rs

T

葉1

+

+

T

30nF

3DG46kmIv+1

1200nlOkn

n

+

OUS.Ikn

tyi

20knll

2kn內(nèi)

Vs

圖題4.4.3

圖題4.4.4

4.4.5100

0

在圖題4.4.5所示的電路中，飛為正弦波小信號-，其平劃值為0,

BJT的6=

（1）為使發(fā)射極電流IEQ約為1mA,求R.的值；（2）如需建立

集電極電位VCQ為+5V,

求R,?的值；（3）Rj=5kn,求A"s.電路中的Cbl和Cb2的

容抗可忽略,取R,=500n.

4.4.64.54.5.1

請改正0

電路如圖題4.4.6所示，設(shè)8=100,

共集電極放大電路和共基極放大電路

VBEQ=0.7V0（1）估算Q點；（2）求電壓

增益A,，輸入電阻R;和輸出電阻R00

圖題4.5,1所示電路屬于何種組態(tài)?其輸出電壓飛的波形是否正確?

若有錯，

4.5.2

在圖題4.5.2所示的電路中，已知Rb=260kn,R,.=RL=5.1

kn,R,=500n,

VEE=12V,8=50，試求：（1）電路的Q點；（2）電壓增益A,,

輸入電阻R;及輸出電阻Ro;（3）若2飛=200mV,求V。04.5.3

電路如圖題4.5.3所示，設(shè)8=100，試求：（1）Q點；（2）電壓增

益4時=川/

飛和A,.~2=1.1021飛；（3）輸入電阻R;;（4）輸出電阻R”和

Ro20

191

習(xí)題

15V

Rc

Cbj

+

T

R,

Cb2

Us

Uo

RL

Re

一15V

圖題4.4.5

15V

lOkQU

Rc

Cb2

nRLlOkQ

R

Cbj

Vi|J

v.'s

+1

I

lOOkQ

Rb日

BRel160Q

lOkQ-15V

圖題4.4.6

Re2

工e

C

Rjn

UI

Re

甲

Vo

U.

Vi

+1

1/飛OE

IR3

-1

IR

2

0

t

Vcc

圖題4.5.1

4

192

雙極結(jié)~三極管及放大電路基礎(chǔ)

圖題4.5.2

圖題4.5.3

4.5.4

共基極電路如圖4.5.4所示.射極電路里接入一恒流源，設(shè)0=100,

RS=0,

RL=8.試確定電路的電壓增益，輸入電阻和輸出電阻.

+v.CC

飛iaLEA

+15V

T,

,二

bQ

丁

干

+

Us

1.01mA

RL

RE

VEE

—15V圖題4.5.4

RO

4.5.5

電路如圖題4.5.5a所示。BJT的電流放大系數(shù)為8，輸入電阻為

rbe,略去了偏

置電路.試求下列三種情況下的電壓增益A,，輸入電阻RE和輸出

電阻Ro:①ue220,從集電極輸出：②飛120，從集電極輸出；③Vs2=

0,從發(fā)射極輸出.并指出上述①,②兩種情

況的相位關(guān)系能否用圖b來表示?符號”+〃表示同相輸入端，即飛和

V.同相,而符號

'-"表示反相輸入端，即飛和Vb反相.

4.5.6

電路如圖題4.5.6所示，設(shè)BJT的8=1000(1)求各電極的靜態(tài)電

壓值VBQ,

(3)若Z端接地，X端接信號源且R,=10k0,Y端接一10k0

(4)若X端接地，z端接-Rs=200Q的信號電壓

VEQ及VCQ;(2)求rb的值；

的負(fù)載電阻，求A),(

飛Iv,);

V〃

Y端接

一10k0的負(fù)載電阻，求A,,(v,1V.);(5)若Y端接地，X端

接一內(nèi)阻R,為1000的信號電

壓叭，Z端接一負(fù)載電阻1k0,求A,,(v,1v,).電路中容抗

可忽略.

4.6

組合放大電路

193

習(xí)題

Rc

T

E

b

+1

V'1

e

E

c

e

〃

,,

V2

(a)

圖題4.

(b)

5.5

4.6.1

電路如圖題4.6.1所示.設(shè)兩管的8=100,VBEQ=0.7V，試

求:(1)ICQ1,

0

VCEQ1,1CQ2,VCEQ2;(2)A,1,A'2,A,,R,和Ro

n8kn

Rc

x.

I

+V+1V

Rc2

470n

y

Vo

TH+

R10'kn

2J

0VBB=6V

11

ET

+11

IEIiHIE=lmA

.Z

v.4J

E

jOlg方工Ce

E

VEE-10V

圖題4.5.6

-15V

圖題4.6.1

4.6.2

電路如圖題4.6.2所示.設(shè)兩管的8=100,VBEQ=0.7V0(1)

估算兩管的Q點

(設(shè)1BQ2?1CQI);(2)求A,R,和R..

4.6.3

電路如圖題4.6.3所示.設(shè)兩管的特性一致，B1=82=50,

VBEQI

=VBEQ2=0.7V.

(1)試畫出該電路的交流通路，說明T,,T2各為什么組態(tài)；(2)估

算1CQI,Vc町；1CQ2,

VCEQ2(提示：因VBEQ1=VBE侶，故有1BQI=1BQ2);(3)求A,.,

Ri和R..

4.7

4.7.1

放大電路的頻率響應(yīng)

某放大電路中A.的對數(shù)幅頻特性如圖題4.7.1所示.(1)試求該

電路的中頻電

壓增益I

AVM

I,上限頻率fH,下限頻率兒；（2）當(dāng)輸入信號的頻率f=fL或J入

I時,該電路

實際的電壓增益是多少分貝？

4

194

雙極結(jié)ZE三極管及放大電路基礎(chǔ)

15V

33kn

30nF

uI

E

k..

E

〃

V

T2

+

U

,7.5kQII

Y

+

3.3kQH4.7kQllvo

n

50nF

圖題4.6.2

6V

VI

T

1

2.2kQ

Vo

Rc

2kQ

Re

圖題4.6.3

201glAv1/dB

40卜，飛20dB/十倍頻程

1

“0

-20dB/十倍頻程

20r

:10

2

.1

4.7.2

10

4

10

6

108

10101111z

圖題4.

7.1

已知某放大電路電壓增益的頻率特性表達(dá)式為

1叫圣

v

(1+jL)(1+JL)10J\10'

J

(式中/的單位為Hz)

J

試求該電路的上，下限頻率，中頻電壓增益的分貝數(shù),輸出電壓與輸入

電壓在中頻區(qū)的相

位差.

4.7.3

一放大電路的增益函數(shù)為

195

習(xí)題

A(s)=10---s-----

s+2TX—

1+s/2節(jié)X10

6

試?yán)L出它的幅頻響應(yīng)波特圖，并求出中頻增益，下限頻率fl和上限

頻率fH及增益下降到1

時的頻率.

4.7.4

一單級阻容精合共射放大電路的通頻帶是50Hz-50kHz,中頻電

斥增益

IA川I=40dB.最大不失真交流輸出電壓范圍是-3V-+3Vo(1)

若輸入一個10sin(4TX

10t)(mV)的正弦波信號，輸出波形是否會產(chǎn)生頻率失真和非線性失

真?若不失真,則輸出

3

電壓的峰值是多大？#.與-L;間的相位差是多少？(2)若V,=

40sin(4Tx25

復(fù)回答(1)中的問題；(3)若t';=JOsin(4Tx50

4.7.5

X3

X

10t)(mV),重

3

10t)(mV),輸出波形是否會失真？

電路如圖4.7.5所示，已知BJT的8=50,'".=0.72kno(1)估

算電路的F限

頻率；(2)IV'mI=10mV,且f=fL'貝ijIV"mI=?飛與V,間

的相位差是多少？

一12

V

91KQUC1

Rbl

<

112.5kn

C

Rc

21L工

1uF

+

才1

lOOnRb2

4

r

Ikn

T

Vo

URL5,1kn

Vs(1)

.,LC.

寸+50uF

圖題4.7.5

4.7.64.7.7

，b'

一高頻BJT,在ICQ=1.5mA時，測出其低頻H參數(shù)為:

,be

=1.1kn,B.=50,

特征頻率fT=100MHz,Cbv=3pF,試求混合H形模型參數(shù)gm,

氣‘e"Tbb,,Cb

電路如圖題4.7.5所示，BJT的8=40，磯，=3pF，孔,=100pF,

'w=100n,

,=1k!lo(a)畫出高頻小信號等效電路，求上限頻率fH;(b)如R

L提高10倍，問中頻區(qū)

4.7.8

電路如圖4.4.1所示(射極偏重電路)，設(shè)信號源內(nèi)阻Rsz5KQ，電路

參數(shù)為：

電壓增益,上限頻率及增益-帶寬積各變化多少倍？

Rbl=33kn,Rb2=22kn,R儼=3.9kn,R,=4.7n,RL

=5.1kn,在R,兩端并接一電容

ce=50nF,VCc=5V,1問臼0.33mA,B.=120,'回=300kn,

‘''1>'=50n,fT=700MHz及

C'〉'c=lpF.求：⑴輸入電阻R,;(2)中頻區(qū)電壓增益IA〃"I;(3)

上限頻率fH

4.7.9

限頻率.

0

在題4.7.8所述放大電路中，Cb,=Cb2=1RF,射極旁路電容Ce

=10uF,求下

4.8

4.8.1

單級放大電路的瞬態(tài)晌應(yīng)

若將一寬度為1仰的理想脈沖信號加到一單級共射放大電路(假設(shè)

只有一個時

4

196

雙極結(jié)型三極管及放大電路基礎(chǔ)

間常數(shù)）的輸入端，畫出下列主種情況下的輸出波形.設(shè)vm為輸入電

壓最大值：（1）頻帶

為80

MHz;（2）頻帶為10MHz;（3）頻帶為1MHzo（假設(shè)入=0）

電路如圖題4.8.2所示.（1）當(dāng)輸入方波電流的頻率的200Hz時，計

算輸出電

4.8.2

壓的平頂降落；（2）當(dāng)平頂降落小于2%時，輸入方波的最低頻率為

多少？

Vcc

4kn

+

RC

Cb

lOuF

U0

t

s

RL2kn

圖題4.8.2

4.9

SPICE習(xí)題

SP4.9.1

電路和參數(shù)與例SPE4.9.1中圖4.4.1相同，設(shè)信號源內(nèi)阻R,

=0.試運用

SPICE作如下分析：（1）當(dāng)正弦電壓信號源c的頻率為1kHz，振幅

為10mV時,求輸入，

輸出電ff波形；（2）求電壓增益的幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)；（3）求電

路的輸入電阻RE和輸出

電阻R..

0

SP4.9.2

電路如圖4.3.7所示.設(shè)BJT的型號為2N2222,

Vcc=5V,Cbl=

1NF,

RJ,=1Mil.R,=3.3k!l,R唁=0及B=2100去攤Cb2和

RL,負(fù)載電容CL=4pF,直接接到j(luò)

BJT的集電極和地之間.當(dāng)輸入電壓信號飛為-5mVT5mV的正負(fù)方

波,其周期分別為

100ms和0.1ms時，求凡的波形0SP4.9.3

試用SPICE程序求解題4:7.2的答案0

197

習(xí)題

國

上一章分析了雙極型三極管（BJT）及其放大電路.本章將介紹第二

種主要類型的三端放大器件:場效應(yīng)

管①（FET）0FET有兩種主要類型：金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管

（MOSFET②）和結(jié)型場效應(yīng)管（JFET③）.由于MOSFET制造工藝

的成熟使它的體積可以做得很小,從而可以制造高密度的超大規(guī)

模集成（VLSI）電路和大容量的可編程器件或存儲器.結(jié)型FET中

的結(jié)可以是一個普通的PN結(jié)，構(gòu)成通常所說的

JFET;也可是一個肖特基（Schottky）勢壘柵結(jié)，構(gòu)成一個金屬-半

導(dǎo)體場效應(yīng)管，即MESFET@oMESFET可用在高速或高頻電路

中,例如微波放大電路.

本章先介紹MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理,然后再討論FET放

大電路的三種組態(tài)形式:共源極，共漏極和共柵極結(jié)構(gòu).MOSFET體積

很小,在集成電路放大器中，常用增強型或耗盡型MOSFET

做成電流源作為偏置電路或有源負(fù)載.因此,帶有源負(fù)載的放大電路

也是本章討論的內(nèi)容之一，讀者應(yīng)予以足夠的重視.JFET放大電路相對應(yīng)

用較少，因此本章將它放到較次的位置.應(yīng)當(dāng)i主意到，與BJT的導(dǎo)電機

制不同，F(xiàn)ET只有一種載流子一一電子或空穴導(dǎo)電，故稱FET為單極型

器件.此外，BJT屬電流控制電流型器件,對應(yīng)的FET是電壓控制電流

型器件，而20世紀(jì)初發(fā)展起來的電真空器件同屬電壓控制電流型器件,

人們不禁要問，F(xiàn)ET為何不跨越BJT而直接從電真空器件過渡?這是由

微電子電路的制造工藝所決定的.

①②③

④

也稱"場效晶體管"飛.MOSFET系Metal-Oxide-Semiconductor

FieldEffectTransistor的縮寫.JFET系JunctionFieldEffect

Transistor的縮寫.

MESFET系Metal

-SemiconductorFieldEffectTransistor的縮寫.

5

198

場效應(yīng)管放大電路

MOS

場效應(yīng)管是一種利用電場效應(yīng)來控制其電流大小的半導(dǎo)體器件.這

種器件

不僅兼有體積小，重量輕,耗電省，壽命長等特點，而且還有輸入阻抗

高，噪

聲低，熱穩(wěn)定性好,抗輻射能力強和制造工藝簡單等優(yōu)點，因而獲得了

廣泛的應(yīng)用，特別是MOSFET在大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路中占有重要

的地位.

結(jié)型場效應(yīng)管

金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管

場效應(yīng)管的種類很多,按基本結(jié)構(gòu)來分,主要有兩大類：

MOSFET和

JFET.在MOSFET中，從導(dǎo)電載流子的帶電極性來看，有N（電子型）

溝道

MOSFET和P（空穴型）溝道MOSFET;按照導(dǎo)電溝道形成機理不同，

NMOS管

和PMOS管又各有增強型（簡稱E型）和耗盡型（簡稱D型）兩種.

因此，MOSFET有四種：E型NMOS管，D型NMOS管，E型PMOS管，D

型PMOS管.

5.1.1

1.

N溝道增強型MOSFET

結(jié)構(gòu)

N溝道增強型MOSFET的結(jié)構(gòu)，簡圖和代表符號分別如圖5.1.la,

b和

c所示.它以一塊摻雜濃度較低，電阻率較高的P型硅半導(dǎo)體薄

片作為襯底，利用擴散的方法在P型硅中形成兩個高摻雜的N+區(qū).

然后在P型硅表

面生長一層很薄的二氧化硅絕緣層，并在二氧化硅的表面及N+型

區(qū)的表面

上分別安置三個鋁電極一-＞一柵極g,源極s和漏極d①，就成了

N溝道增強型

MOS管?場效應(yīng)管的三個電極g,s和d,分別類似于BJT的

基極b,射極e

和集電極c.

由于柵極與源極，漏極均無電接觸,故稱絕緣柵極.圖5.1.1c是

N溝道

增強型MOSFET的符號.箭頭方向表示由P（襯底）指向N（溝道），

圖中垂直短畫線代表溝道，短畫線表明在未加適當(dāng)柵壓之前漏極與游，極

之間無導(dǎo)電

溝道.

圖5.1.la中還標(biāo)出了溝道長度L（一般為o.5-lOum）和寬

度W（一般為

0.5-50um）,L的典型值小于lum，這說明MOSFET是一個很

小的器件.而

氧化物的厚度兒的典型值在4001（0.4

①

X

lo-7m）數(shù)量級以內(nèi).

柵極，源極和漏極的英文全稱分別為Gate,Source和Drain二

5.1

199

金屬一氧化物-半導(dǎo)體（MOS）場效應(yīng)營

絕緣體

溝道

柵極g

二氧化硅絕緣層

(SiO2)

鋁電極

(A1)

P型襯底

源極s漏極d

(a)

鋁

源極s

柵極g

漏極d

d

鋁

棚

g

.B

s

層

p型硅襯底

B襯底引線

⑹

(c)

N溝道增強型MOSFET結(jié)構(gòu)及符號

圖5.1.1

(a)結(jié)構(gòu)

(b)簡圖(縱剖面圖)

(c)

電路符號

2.

工作原理

(1)VCS

=0，沒有導(dǎo)電溝道

在圖5.1.2a中，當(dāng)柵源短接(即柵源電壓Vcs=0)時，源區(qū)(W

型)，襯底(P

型)和漏區(qū)(W型)就形成兩個背靠背的PN結(jié)，無論VDS的極性如

何，其中總有一

個PN結(jié)是反偏的.如果驚極s與襯底B相連且接電源VDD的

負(fù)極,漏極接電源正

極時，漏極和襯底間的PN結(jié)是反偏的，此時漏源之間的電阻的阻值

很大,可高達(dá)

10

12

fl數(shù)量級，也就是說，d,S之間沒有形成導(dǎo)電溝道，因此，in=O.

（2）VCS~VT時，出現(xiàn)N型溝道

如圖5.1.2b所示，當(dāng)UDS=0，若在柵源之間加上正向電壓（柵極

接正，源

極接負(fù)），則柵極（鋁層）和P型硅片相當(dāng)于以二氧化硅為介質(zhì)的平板

電容器，

在正的柵源電壓作用下，介質(zhì)中便產(chǎn)生了一個垂直于半導(dǎo)體表面的由

柵極指向

P型襯底的電場（由于絕緣層很薄，即使只有幾伏的柵源電壓VCS'

也可產(chǎn)生高達(dá)

10_10V/cm數(shù)量級的強電場），但不會產(chǎn)生氣.這個電場是排斥

空穴而吸

200

5

6

5

場效應(yīng)管放大電路

引電子的，因此，使柵極附近的P型襯底中的空穴被排斥，留下不能

移動的

受主離子（負(fù)離子），形成耗盡層，同時P型襯底中的少子（電子）被吸

引到柵

極下的襯底表面.當(dāng)正的柵摞電壓到達(dá)一定數(shù)值時，這些電子在柵極

附近的p

型硅表面便形成了一個N型薄層，稱之為反型層，這個反型層實際上

就組成

了源，漏兩極間的N型導(dǎo)電溝道.由于它是柵源正電壓感應(yīng)產(chǎn)生的,

所以也

稱感生溝道（見圖5,1.2b）.顯然，柵源，電壓VGS的值愈大，則作

用于半導(dǎo)體表面的電場就愈強，吸引到P型硅表面的電子就愈多，感生

溝道將愈厚,溝道

電阻的阻值將愈小.這種在VGS=0時沒有導(dǎo)電溝道,而必須依靠柵

源電壓的

作用，才形成感生溝道的FET稱為增強型FET.圖5.1.

了增強型FET在VGS=0時溝道是斷開的特點.

1c

中的短畫線即反映

一旦出現(xiàn)了感生溝道，原來被P型襯底隔開的兩個N+型區(qū)就被感

生溝道連

通了.因此，此時若有漏灑，電壓V肘,將有漏極電流iD產(chǎn)生.二應(yīng)

盟主最累蟲莊

S

二氧化

ltD

AU

E

g

耗盡層

P

B襯底引線

耗盡層N?生)溝道

B襯底引線

(a)

(b)

s

dl

1主

禾

ID

s

li

N

+

(感生)溝道

P

B襯底引線

P

B襯底引線

(c)

(d)

圖5.1.2

N溝道增強型MOSFET的基本工作原理示意圖

(a)vGS=u時,沒有導(dǎo)電溝道

(b)VGS主VT時，出現(xiàn)N型溝道

(c)VGS>町，VDS較小時.'n迅速增大

(d)

VGS

>VT

Wns較大出現(xiàn)夾斷時.‘n趨于飽和

5.1

201

金屬-氫化物-半導(dǎo)體(MOS);場效應(yīng)營

作用下開始導(dǎo)電時的柵驚電壓Vcs叫做開啟電壓VT①.因此，當(dāng)

17r;s〈磯，iD坦0,

場效應(yīng)管t作于輸tfi特性IM1線的截止區(qū)(靠近橫坐標(biāo)處)，如

圖5.1.3a所示.

(3)可變電阻區(qū)和飽和區(qū)的形成機制

當(dāng)1;4,,=V*〔＞Vr,如圖5.1.2c所示，外加較小的17DS時,

漏極電流in將隨

川同1：升迅速增大，與此相對應(yīng)，反映在輸出特性上就如圖5.1.

3a所示的0A段，

輸出特性曲線的斜率較大.但隨著VD：-.上升，由于溝道存在電位梯

度，因此溝道厚度是不均勻的:靠近i原端厚，靠近漏端薄，即溝道呈模形.

當(dāng)17OS增大到一定數(shù)值（例如V（;n=1JGS

Vn~

11T）,這時靠近漏端反型層消失,

VDS繼續(xù)增加,將形

成夾斷區(qū)（反型層消失后的耗盡區(qū)），夾斷點向源極方向移動，如圖5.

1.2d所

示〉值得注意的是,雖然溝道夾斷，但耗盡區(qū)中仍可有電流通過，只有

將溝道全部夾斷，才能使iN=OQ只是當(dāng)U陰繼續(xù)增加時，Vos增加的

部分主要降落在夾斷區(qū)，而降稽在導(dǎo)1氈溝道上的電壓基本不變，因而li

DSt升，iD趨于飽和,這時

輸出特性曲線的斜率變?yōu)?，即由可變電阻區(qū)進(jìn)入飽和民（見圖5.1.

3a中的AB

段）c我們常將這種夾斷稱為預(yù)夾斷.預(yù)夾斷的臨界條件為17Gn

UD-=th

=li

GS-!!DS

=VT

或

預(yù)夾斷臨界點軌跡

ZD

飽和區(qū)

Vas-VTI

1

VDS=Vas-VT(或vaD=vas-VDS=VT)

8，可變電阻dA

B

飽和區(qū)

7V

6V

Ds?ovas-vT

m夾斷點VGS=VGS>VT

B

5V

C

2

vGs=3V

VGS,co<

(a)

i￥15.1.3

(a)

V.f'

5

10

(b)

15

20

VDs/V

N溝道增強型MOS管輸出特性

(b)輸出特性

1!G~:;::VGS>VT和VGS<JiT

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

MOSFET的輸出特性是指在柵源，電壓17C;S一定的情況下，漏極電流

iD與漏

⑦

汗啟電!五叭的下標(biāo)T為Threshold-i司的字頭.對F圖5.

J.

2所示襯底B與源極s連在一起，即

/JR噸=0時的開啟電!王稱為零襯偏開啟電!五.也常用1氣.表示.

以示區(qū)別.此外,有的教材也用JiCS（劇表

示開啟電!長

5

202

場效應(yīng)管放大電路

游，電壓Vns之間的關(guān)系，即

iD=!（川s）

UGN=常數(shù)

圖5.1.3b所示為-N溝道增強型M0S管完整的輸出特性.因為V

GOVGS-

v[J,

VT是預(yù)夾斷的臨界條件，據(jù)此可在輸出特性I二i國1H頂夾斷軌

跡，如

圖5.

1.3b中左邊的虛線所示0顯然,該虛線也是叮變電阻識和飽和區(qū)的

分界

①截止區(qū)

線.現(xiàn)分別對王個區(qū)域進(jìn)行討論0

當(dāng)Vcs<VI時,導(dǎo)電溝道尚未形成，ill=0，為截止工作狀態(tài).

②可變電阻區(qū)

在可變電阻區(qū)內(nèi)

其V-1特性可近似表示為

Vos~(v3-VT)

(5.1.1)

io=KJ2(Vcs

其中

一飛)VOS

V~J

(5.1.2)

K-K'nW-unC10(W).二—.飛LJL22

(5.1.3)

式中本征導(dǎo)電因子K-unCox(通常情況下為常量)，Rn是反型層

中電子遷移率，

2Cox為柵極(與襯底間)氧化層單位面積電容①，電導(dǎo)常數(shù)凡的單位

是mA/V.

在特性曲線原點附近，因為Vos很小，可以忽略瓜，式(5.1.2)可

近似為(5.1.4)io=2Kn(vcS-VT)vDS

由此可以求出當(dāng)VGS一定時，在可變電阻區(qū)內(nèi)，原點附近的輸出電阻

rdso為

v'd

o

d——zdUT

m咀7

cs

常

數(shù)

2Kn（vCS-VT）

（5.1.5）

式（5.1.5）表明，rdso是一個受VGS控制的可變電阻.

③飽和區(qū)（恒流區(qū)又稱放大區(qū)）

當(dāng)VCS主VT,且VOS;;;Vcs-VT時，MOSFET已進(jìn)入飽和

區(qū)0

VOSVGS-V,!,代入式（5.1.2）,便得到飽和區(qū)的Vio=Kn（1J

GS

”由于在飽和區(qū)內(nèi)，可近似看成iu不隨Vos變化.因此，將預(yù)夾斷

臨界條件

VT）

2

=KnV~

2

v,1S

I

飛VT

式中100

(2)

KnV~,它是1JGS=2VT時的iDO

轉(zhuǎn)移特性

.II~~SI1Jr,11=100/飛Vr\

一I特性表達(dá)式

11

/

.\

(5.1.6)

電流控制器件BJT的T.作性能，是通過它的輸入特性和輸出特性及

一些參

①

c()'(工氧化物介電常數(shù)8，//氧化物的厚度兒.對于硅器件，凡=

(3.9)(8.85x10-14)

第201頁.

F/em"

有關(guān)這方面的內(nèi)容，可參閱：計北京：電FL>lf.出版社，2003

［美JDonaldA.Neamen著-趙桂欽，卡卡色萍譯.電子電路分析與

設(shè)

t'

203

51

金/霄-室主化幼-二手飛雪在世(MOS

).場效應(yīng)營

數(shù)來反映的.FET是電壓控制器件，它除了用輸出特性及一些參數(shù)來

描述其性能外，由于柵極輸入端基本上沒有電流，故討論它的輸入特性是

沒有意義的0

所謂轉(zhuǎn)移特性是在漏摞電壓VOS一定的條件下，柵源電壓VGS對

漏極電流iD的

控制特性,即

io=f(vGs)

VDS

由于輸出特性與轉(zhuǎn)移特性都是反映FET工作的同一物理過程，所以

轉(zhuǎn)移

特性可以直接從輸出特性上用作圖

常數(shù)

法求出.例如，在圖5.1.弛的輸出

in/mA

u

特性中，作VOS=10V的一條垂直

線,此垂直線與各條輸出特性曲線

的交點分別為A,B,C,D和E,將

8

B

A

6

4

V

上述各點相應(yīng)的iD及VGS值畫在iD

VGS的直角坐標(biāo)系中，就可得到轉(zhuǎn)移

Ds=10V

特性

io

f(vGs)VDS=IO

，如圖

V

2

YT

J\111

5.1.4

所示.

由于飽和區(qū)內(nèi)，iD受VOS的影響

很小，因此，在飽和區(qū)內(nèi)不同Vos下

圖5.

1234567

1.4

由圖5.

VGS/V

1.3作出的轉(zhuǎn)移特性

的轉(zhuǎn)移特性基本重合.

次曲線，而BJT的輸入特性，例5.1.1

此外，轉(zhuǎn)移特性也可由式（5.1.6）畫出.由式（5.1.6）可知，這

是一條二ic與VBE的關(guān)系是指數(shù)關(guān)系.故M0S管的轉(zhuǎn)移特

性比BJT輸入特性的線性要好些.

2L=3口m,凡=650cm/V'S,Cox=76.7

設(shè)N溝道增強型M0S管的參數(shù)為VT=0.75V,W=30um,

X

10-9F/cm2,且VGS=2VT,MOSFET

工作在飽和區(qū).試計算此時場效應(yīng)管的工作電流iD.

解：由式（5.1.3）可確定電導(dǎo)參數(shù)值為

K

=wiunCox-30X104cmx650cmZ/V-sx76.7xl0,9F/CII12--2L2

X3x10-4cm=249275X10-9F/Vs=0.249X10-3F/Vs

=0.249X10-4坐2.s

=0.249x10-3A=0.249mA/V2,V.

當(dāng)tJcs=2VT時，由式(5.1.6)得

io=Kn(VGS-VT)2=0.249x(1.5-0.75)2mA=0.14

mA

5

204

場效應(yīng)管放大電路

5.1.2

N溝道挺盡型MOSFET

1.結(jié)構(gòu)和工作原理簡述

前面討論N溝道MOSFET時，都是以增強型為例，N溝道耗盡型

MOSFET

(D型NMOS管)的結(jié)構(gòu)與增強型基本相同0由前面討論知道，對于

N溝道增

強型FET,必須在Vcs>VT的情況下從游,極到漏極才有導(dǎo)電溝道,

但N溝道耗盡型

MOSFET則不同.是盟主主主旦是恩」且工豆至叢吏魚線是蟲麥克玉皇

的正離子，即使在Vcs=0時，由于正離子的作用，也和增強型接入正柵

源電壓并使vcs>VT時相似，能在源區(qū)（N+層）和漏區(qū)（N+層）的中

間P型襯底上感

應(yīng)出較多的負(fù)電荷（電子），形成N型溝道，將源，區(qū)和漏區(qū)連通起來,

如圖

5.1.5a所示，圖b是其電路符號（注意與增強型符號的差別）.因

此在柵源電

壓為零時,在正的Vos作用下，也有較大的漏極電流iD由漏極流向

源，極0

89

glj>

摻離雜子后的具絕有緣層正

J

9d

I二氧化硅

LL

??-

++++++++

d

g

N型溝道

襯底

11

s

B

P

B襯底引線

(a)

圖5.1.

(b)

5

N溝道耗盡型MOSFET

(b)電路符號

(a)結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)Vcs>0時，由于絕緣層的存在，并不會產(chǎn)生柵極電流iG，而是在

溝道中

感應(yīng)出更多的負(fù)電荷，使溝道變寬.在VDS作用下，iD將具有更大

的數(shù)值.如果所加的柵源電壓VCS為負(fù)，則使溝道中感應(yīng)的負(fù)電荷(電子)

減少,溝道變

窄，從而使漏極電流減小.當(dāng)h為負(fù)電壓到達(dá)某值時，以至感應(yīng)的負(fù)

電荷(電子)

消失,耗盡區(qū)擴展到整個溝道,溝道完全被夾斷.這時即使有漏源電壓

VOS

會有漏極電流iDO此時的柵源，電壓稱為夾斷電壓(截止電壓)Vp

①.

上無柵流,這是耗盡型MOSFET的重要特點之一.

①在有些教材中也用VGS(off)表示夾斷電壓(截止電壓).

也不

這種N溝道耗盡型MOSFET可以在正或負(fù)的柵源電壓下工作，而且

基本

5.1

205

金屬-章主化物-半導(dǎo)體(MOS);場效應(yīng)管

2.V-I特性曲線及大信號特性方程

N溝道耗盡型MOS管的輸出特性和轉(zhuǎn)移特性曲線如圖5.1.6(a),

所示c

io/mAio/mAj

可變

(b)

Vos=Vas-Vp

8

4V

2

86

4

2

Vas=OV

-2V

-4V

止區(qū)

3

6

9

(a)

12

圖5.1.6

15vos/V

-6

-4

-2

0

⑹

2

4vasIV

N溝道耗盡型MOS管特性曲線

(a)輸出特性曲線

(b)

VS

>(Vcs

盧

Vp)時的轉(zhuǎn)移特性

耗盡型MOS管的工作區(qū)域同樣可以分為截止區(qū)，可變電阻區(qū)和飽和

區(qū)0

所不同的是N溝道耗盡型MOS管的夾斷電壓Vp為負(fù)值，而N溝

道增強型

MOS管的開啟電壓VT為正值.耗盡型MOSFET的電流方程可以用

增強型MOSFET的電流方程(5.

1.2),

(5.1.4)和(5.1.6)表示,但這時必須用幾取代VT.在飽和區(qū)

內(nèi)，當(dāng)VCS

(5.1.6)可得

=0,VDS

(vcs-Vp)時(即進(jìn)入預(yù)夾斷后)，則由式

iu=KnV;=IDSS

示柵源極間短路的意思.因此式(5.1.6)可改寫成

(5.1.7)

式中1DS5為零柵壓的漏極電流，稱為飽和漏極電流.IDSS下標(biāo)中

的第二個S表

ioz叫1-節(jié)

(5.1.8)

5.1.3

p溝道MOSFET

與N型MOS管相似，P型MOS管也有增強型和耗盡型兩種.它們的

電路符號

如圖5.1.7a,b所示，除了代表襯底的B的箭頭方向向外，其他

部分均與NMOS相同，此處不再贅述.但為了能正常工作，PMOS管外加的

VDS必須是負(fù)值,開啟電

壓也是負(fù)值.而實際的電流方向為流出漏極，與通常的假定正好

相反.

5

206

~元效應(yīng)管放大串，路

d

d

g

.B

g

B

s

s

(a)

圖5.1.

(b)

7

P溝道MOSFET電路符號

(b)耗盡型電路符號

(a)增強型電路符號

P溝道增強型MOS管溝道產(chǎn)生的條件為

tYGSZZVT

(5.1.9)

可變電阻區(qū)與飽和區(qū)的界線為

OS-

VGSVGS-

VT

(5.1.10)

在可變電阻區(qū)內(nèi)：

VGS:0::;VT

,Vvs~

VT,電流的假定正向為流入漏極時,

則iD為

io

在飽和區(qū)內(nèi)：

V

=-K[2(

P

VGS

VT)VOS

v~)sj

(5.1.11)

cs:0::;

VT,VDS主EUGS-VT,電流iD為

io=-Kp(vGS

VT)

2

=叫苦2L

1)

(5.1.12)

式中IDo=kpv;,kp是P溝道器件的電導(dǎo)參數(shù)，可表示為

Kp

些正主

(5.1.13)

W,L,Co，分別是溝道寬度，溝道長度，柵極氧化物單位面積上電

容.凡

是空穴反型層中空穴的遷移率.在通常情況下，空穴反型層中空穴的

遷移率比

電子反型層中電子遷移率要小，up約為un/20

5.1.4

溝道長度調(diào)制效應(yīng)

在理想情況下，當(dāng)MOSFET工作于飽和區(qū)時，漏極電流iD與漏游，電

壓Vvs無關(guān).而實際MOS管在飽和區(qū)的輸出特性曲線還應(yīng)考慮Vos對

溝道民度L的調(diào)制作

用，當(dāng)VGS固定，VDS增加時，iD會有所增加.也就是說,輸出特

性的每根曲線會向

上傾斜，因此，常用溝道長度調(diào)制參數(shù)人對描述輸出特性的公式進(jìn)

行修正.以N溝道增強型MOS管為例,考慮到溝道調(diào)制效應(yīng)后,式(5.1.

6)應(yīng)修正為

5.1

207

金屬一氧化物-半導(dǎo)體(MOS);場效應(yīng)管

io

=Kn

(vcs

VT)2(1

+入Vos)

0.1

(號-ly(l+川)

100

(5.1.14)

對于典型器件，入的值可近似表示為

入=z-YA

(5.1.15)

式中溝道長度L的單位為uffio

5.1.5

MOSFET一，直流參數(shù)

1.開啟電壓

的主要參數(shù)

VT

VT是增強型MOS管的參數(shù).當(dāng)Vos為某