模电MOS电路PPT学习教案

1、会计学1 模电模电MOS电路电路 增强增强 型型 E型型 耗尽耗尽 型型 D型型 N沟道沟道 P沟道沟道 N沟道沟道 P沟道沟道 N沟道沟道 P沟道沟道 （耗尽型（耗尽型 ） 场效应管场效应管 (FET) 结结 型型 (JFET ) 绝缘栅型绝缘栅型 (MOSFET) 特点：特点： 分类：分类： 体积小，重量轻，耗电省，寿命长；输入阻抗高，噪声低，热稳定性好，抗辐射能力强，制造工艺简单。尤其体积小，重量轻，耗电省，寿命长；输入阻抗高，噪声低，热稳定性好，抗辐射能力强，制造工艺简单。尤其MOS管在大规模和超大规模集成电路中占有重要地位。管在大规模和超大规模集成电路中占有重要地位。 第1页/共28

2、页 5.2 MOSFET放大电路放大电路 5.2.1 MOSFET放大电路放大电路 1. 直流偏置及静态工作点的计算直流偏置及静态工作点的计算 2. 图解分析图解分析 3. 小信号模型分析小信号模型分析 *5.2.2 带带PMOS负载的负载的NMOS放大电路放大电路 第2页/共28页 5.2.1 MOSFET放大电路放大电路 1. 直流偏置及静态工作点的计算直流偏置及静态工作点的计算 （1）简单的共源极放大电路）简单的共源极放大电路（N沟道）沟道） 场效应管场效应管 共源极放大电路共源极放大电路 直流通路直流通路 第3页/共28页 5.2.1 MOSFET放大电路放大电路 1. 直流偏置及静态

3、工作点的计算直流偏置及静态工作点的计算 （1）简单的共源极放大电路）简单的共源极放大电路（N沟道）沟道） DD g2g1 g2 GS V RR R V 2 )( TGSnD VVKI dDDDDS RIVV 假设工作在饱和区，即假设工作在饱和区，即 )( TGSDS VVV 验证是否满足验证是否满足 )( TGSDS VVV 如果不满足，则说明假设错误如果不满足，则说明假设错误 须满足须满足VGS VT ，否则工作在截止区，否则工作在截止区图图 第4页/共28页 5.2.1 MOSFET放大电路放大电路 1. 直流偏置及静态工作点的计算直流偏置及静态工作点的计算 （1）简单的共源极放大电路）简

4、单的共源极放大电路（N沟道）沟道） 再假设工作在可变电阻区再假设工作在可变电阻区 )( TGSDS VVV 即即 dDDDDS RIVV DSTGSnD )(vvVKI 2 如果不满足，则说明假设错误如果不满足，则说明假设错误 第5页/共28页 假设工作在饱和区假设工作在饱和区 满足满足 )( TGSDS VVV 假设成立，结果即为所求。假设成立，结果即为所求。 解：解： V2V5 4060 40 DD g2g1 g2 GSQ V RR R V mA2 . 0mA)12()2 . 0()( 22 TGSnDQ VVKI V2V)152 . 05( dDDDDSQ RIVV 例：例： 设设Rg1

5、=60k ，Rg2=40k ，Rd=15k ， 2 20V/mA. n K 试计算电路的静态漏极电流试计算电路的静态漏极电流IDQ和漏源电压和漏源电压VDSQ 。 VDD=5V， VT=1V， 第6页/共28页 5.2.1 MOSFET放大电路放大电路 1. 直流偏置及静态工作点的计算直流偏置及静态工作点的计算 （2）带源极电阻的）带源极电阻的NMOS共源极放大电路共源极放大电路 2 )( TGSnD VVKI 假设在饱和区假设在饱和区 需要验证是否满足需要验证是否满足 )( TGSDS VVV SGGS VVV )()( dDSSDDDS RRIVVV )( SSSSDD g2g1 g2 V

6、VV RR R )( SSD VRI 第7页/共28页 5.2.1 MOSFET放大电路放大电路 1. 直流偏置及静态工作点的计算直流偏置及静态工作点的计算 静态时，静态时，vI0 0，VG 0 0， 电流源偏置电流源偏置 2 TGSnD )(VVKI （饱和区）（饱和区） ID I 例：电流源偏置电路例：电流源偏置电路Q点分析点分析 第8页/共28页 5.2.1 MOSFET放大电路放大电路 2. 图解分析图解分析 由于负载开路，交流负载线与直流负载线相同由于负载开路，交流负载线与直流负载线相同 第9页/共28页 5.2.1 MOSFET放大电路放大电路 3. 小信号模型分析小信号模型分析

7、（1）模型）模型 gsmd vgi 0 0时时 高频小信号模型高频小信号模型 第10页/共28页 3. 小信号模型分析小信号模型分析 解：例解：例5.2.25.2.2的直流分析已求得：的直流分析已求得： mA5 . 0 DQ IV2 GSQ V V75. 4 DSQ V mS1 mS)12(5 . 02 )(2 TGSQnm VVKg （2）放大电路分析）放大电路分析（例（例5.2.5） s 第11页/共28页 3. 小信号模型分析小信号模型分析 （2）放大电路分析）放大电路分析（例（例5.2.5） dgsmo Rg vv )1()( mgsgsmgsi RgRg vvvv Rg Rg A m

8、 dm i o 1 v v v g2g1i | RRR do RR si i s i i o s o s RR R AA vv v v v v v v s 第12页/共28页 3. 小信号模型分析小信号模型分析 （2）放大电路分析）放大电路分析（例（例5.2.6） )|( )|)( dsgsmgs dsgsm i o rRg rRg A vv v v v v 1 )|(1 )|( dsm dsm rRg rRg )( )|(1 )|( si i dsm dsm s i i o s o s RR R rRg rRg A v v v v v v v 共漏共漏 第13页/共28页 3. 小信号模型分

9、析小信号模型分析 （2）放大电路分析）放大电路分析 g2g1i | | RRR m ds m ds t t o 1 | | 11 1 g rR g rR i R v 第14页/共28页 5.1.2 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET 2. V-I 特性曲线及大信号特性方程特性曲线及大信号特性方程 2 1)( P GS DSSD V Ii v 2 1)( T GS DOD V Ii v （N N沟道增强型）沟道增强型） 第15页/共28页 5.1.3 P沟道沟道MOSFET Vgs为负值，为负值，VT为负值，为负值，Vds取负值。取负值。 iD的实际方向为流出漏极。的实际方向为流出漏极。 第16

10、页/共28页 5.1.5 MOSFET的主要参数的主要参数 一、直流参数一、直流参数 NMOSNMOS增强型增强型 1. 1. 开启电压开启电压V VT T （增强型参数）（增强型参数） 2. 2. 夹断电压夹断电压V VP P （耗尽型参数）（耗尽型参数） 3. 3. 饱和漏电流饱和漏电流I IDSSDSS （耗尽型参数）（耗尽型参数） 4. 4. 直流输入电阻直流输入电阻R RGSGS （10109 910101515 ） 二、交流参数二、交流参数 1. 1. 输出电阻输出电阻r rdsds GSD DS ds V i r v D 12 TGSnds 1 )( i VKr v 当不考虑沟道

11、调制效应时，当不考虑沟道调制效应时， 0 0，rdsds 第17页/共28页 5.1.5 MOSFET的主要参数的主要参数 三、极限参数三、极限参数 1. 1. 最大漏极电流最大漏极电流I IDMDM 2. 2. 最大耗散功率最大耗散功率P PDMDM 3. 3. 最大漏源电压最大漏源电压V V（BRBR）DSDS 4. 4. 最大栅源电压最大栅源电压V V（BRBR）GSGS 第18页/共28页 *5.2.2 带带PMOS负载的负载的NMOS放大电路放大电路 本小节不作教学要求，有兴趣者自学本小节不作教学要求，有兴趣者自学 第19页/共28页 5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET

12、1. 结构结构（N沟道）沟道） 符号符号 箭头方向：由箭头方向：由P指向指向N 第20页/共28页 5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET 1. 结构结构（N沟道）沟道） 符号符号 注：衬底注：衬底B与与S之间零偏或反偏。之间零偏或反偏。 BS可连在一起，可连在一起， 或或 NMOS可将可将B接电路的最接电路的最低低电位；电位； PMOS可将可将B接电路的最接电路的最高高电位。电位。 第21页/共28页 栅源电压栅源电压VGS的控制作用的控制作用 v0vGSVT (开启电压开启电压) d与与s之间相当于之间相当于大电阻大电阻，近似开路。，近似开路。 2. N沟道增强型沟道增强型MOSF

13、ET工作原理工作原理 符号符号 vvGSVT vDS小（小（ vDS vGS-VT ），）， d与与s之间相当于之间相当于可变电阻可变电阻，阻值与，阻值与vGS负相关。负相关。 vDS大（大（ vDS vGS-VT ），）， d与与s之间相当于之间相当于受控电流源受控电流源，电流值与，电流值与vGS正相关。正相关。 第22页/共28页 3. V-I 特性曲线及大信号特性方程特性曲线及大信号特性方程 （1）输出特性及大信号特性方程）输出特性及大信号特性方程 const.DSD GS )( v vfi 截止区截止区 当当vGSVT时，导电沟道尚未形成，时，导电沟道尚未形成，iD0，为截止工作状态。

14、，为截止工作状态。 第23页/共28页 3. V-I 特性曲线及大信号特性方程特性曲线及大信号特性方程 （1）输出特性及大信号特性方程）输出特性及大信号特性方程 可变电阻区可变电阻区 vGSVT vDS（vGSVT） )(2 2 DSDSTGSnD vvv VKi 由于由于vDS较小，可近似为较小，可近似为 DSTGSnD )V(Kivv 2 const.DSD GS )( v vfi 第24页/共28页 3. V-I 特性曲线及大信号特性方程特性曲线及大信号特性方程 （1）输出特性及大信号特性方程）输出特性及大信号特性方程 const.DSD GS )( v vfi 可变电阻区可变电阻区 v

15、GSVT vDS（vGSVT） DSTGSnD )V(Kivv 2 n ：反型层中电子迁移率：反型层中电子迁移率 Cox ：栅极（与衬底间）氧化层单位面积电容：栅极（与衬底间）氧化层单位面积电容 本征电导因子本征电导因子 oxnn CK L WC L WK K 22 oxnn n Kn为电导常数，单位：为电导常数，单位：mA/VmA/V2 2 第25页/共28页 3. V-I 特性曲线及大信号特性方程特性曲线及大信号特性方程 （1）输出特性及大信号特性方程）输出特性及大信号特性方程 const.DSD GS )( v vfi 可变电阻区可变电阻区 vGSVT vDS（vGSVT） DSTGSnD )V(Kivv 2 常数常数 GS D DS dso d d v v i r )( TGSn VK v2 1 rdso是一个受是一个受vGS控制的可变电阻控制的可变电阻 第26页/共28页 3. V-I 特性曲线及大信号特性方程特性曲线及大信号特性方程 （1）输出特性及大信号特性方程）输