模拟电子技术第5章 场效应管放大电路

1、5.1 金属金属- -氧化物氧化物- -半导体（半导体（MOS）场效应管）场效应管 5.3 结型场效应管（结型场效应管（JFET） *5.4 砷化镓金属砷化镓金属- -半导体场效应管半导体场效应管 5.5 各种放大器件电路性能比较各种放大器件电路性能比较 5.2 MOSFET放大电路放大电路 第第5章章 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路 5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET 5.1.5 MOSFET的主要参数的主要参数 5.1.2 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET 5.1.3 P沟道沟道MOSFET 5.1.4 沟道长度调制效应（不讲）沟道长度调制效应（不讲） 5.1 金属

2、金属-氧化物氧化物-半导体（半导体（MOS）场效应管）场效应管 P沟道沟道 耗尽型耗尽型 P沟道沟道 P沟道沟道 N沟道沟道 增强型增强型 N沟道沟道 N沟道沟道 （耗尽型）（耗尽型） FET 场效应管场效应管 JFET 结型结型 MOSFET 绝缘栅型绝缘栅型 (IGFET) 耗尽型耗尽型：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在 增强型增强型：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道 场效应管的分类：场效应管的分类： 剖面图剖面图 符号符号 1. 结构结构（N沟道）沟道） 5.1.1 N沟道增强型沟道增强型

3、MOSFET 为了帮助记为了帮助记 忆忆,可以和可以和 BJT对照。对照。 （1）vGS（对应（对应vBE）对沟道的作用对沟道的作用 当当vGS00时时 无导电沟道，无导电沟道， d d、s s间加电压时，间加电压时， 也无电流产生。也无电流产生。 当当00vGS VT ）时，）时， vDS iD 沟道电位梯度沟道电位梯度 整个沟道呈整个沟道呈楔形分布楔形分布 沟道存在的条件是：栅极的沟道存在的条件是：栅极的 电位比沟道处的电位高于电位比沟道处的电位高于VT。 当当vGS一定（一定（vGS VT ）时）时 vDS iD 沟道沟道电位梯度电位梯度 当当vDS增加到使增加到使vGD= =VT 时，

4、时， 在紧靠漏极处出现在紧靠漏极处出现预夹断预夹断。 2. 工作原理工作原理 vGD 预夹断后，预夹断后，vDS 夹断区延长夹断区延长 沟道电阻沟道电阻 iD基本不变基本不变 2. 工作原理工作原理 沟道沟道损耗的损耗的 电压越大电压越大 看特性图看特性图 场效应管场效应管 输出特性输出特性 与与BJT相似相似 vDS一定，一定，vGS变化时变化时 给定一个给定一个vGS ，就有一条不，就有一条不 同的同的 iD vDS 曲线。曲线。 （3） vDS和和vGS同时作用时同时作用时 （1）输出特性）输出特性 const.DSD GS )( v vfi 截止区截止区 3. V-I 特性曲线特性曲线

5、 输出特性及其三个区域输出特性及其三个区域 导电沟道尚未形成；导电沟道尚未形成； iD0，为，为截止工作状态截止工作状态 BJT的输出特性：的输出特性： iC=f(vCE) iB=const 外部条件：当外部条件：当vGSVT时，时， 3. V-I 特性曲线特性曲线 可变电阻区可变电阻区 rds是一个受是一个受vGS控制的可变电控制的可变电 阻阻 外部条件：外部条件：vDS（vGSVT） （1）输出特性）输出特性 说明：说明：教材中教材中Kn，Kn ，n 和和 rdso等参数属于半导体物理的内等参数属于半导体物理的内 容，不于介绍容，不于介绍。 3. V-I 特性曲线特性曲线 （1）输出特性）

6、输出特性 饱和区（恒流区或放大区）饱和区（恒流区或放大区） 条件：条件：vGS GS V T ， 且且vDS DS （vGS SVT） 特点：特点：iD与与vGS成正比成正比, 不随不随vDS变化。变化。 对比对比BJT输出特性放大区：输出特性放大区： iC与与iB成正比成正比,不随不随vCE变化。变化。 3. V-I 特性曲线特性曲线 const.GSD DS )( v vfi 由以上特性曲线可见，由以上特性曲线可见， VGS VT0，VDS 0。 对比对比BJTBJT的输入特性：的输入特性： iB= =f( (vBE BE) ) ；iC= = iB B 而而MOS管的管的iG=0=0，iD

7、受受vGS 控制控制, ,故称为故称为电压控制器件电压控制器件。 （2）转移特性）转移特性 1. 结构和工作原理简述结构和工作原理简述（N沟道）沟道） 二氧化硅绝缘层中掺有大量的正离子二氧化硅绝缘层中掺有大量的正离子 可以在正或负的栅源电压下工作，而且基本上无栅流可以在正或负的栅源电压下工作，而且基本上无栅流 5.1.2 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET 符号符号 5.1.2 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET 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） 由特性曲线可知耗尽型由特性曲线可知耗尽型MOS管，管， V

8、GS可可, 可可0, 可可+；VDS 0。 2. V-I 特性曲线特性曲线 5.1.3 P沟道沟道MOSFET 区别：区别：VDS 0，VGS VT 0， VDS 0,id流向流向d端。端。 VGS VT0， VDS 0,id流向流向d端。端。 VGS: 可可, 可可0, 可可+ VDS VT ， 对应对应 (VBE0V) VDS(VGSVT), 对对应应（vCE 1V） 共源极放大电路共源极放大电路 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）模型）模型 gsmd vgi 2.场效应管小信号模型分析法场效应管小信号模型分析法 DDQgsmDQD iIgIi v 简化的小

9、信号模型简化的小信号模型 特别说明：特别说明： 六种场效应管的小六种场效应管的小 信号模型是一样的信号模型是一样的 解：画解：画小信号模型电路小信号模型电路。 例例5.2.5 求共源放大电路求共源放大电路 的交流参数。的交流参数。 （2 2）放大电路分析）放大电路分析 s g 输入端：栅极输入端：栅极 输出端：漏极输出端：漏极 公共端：源极公共端：源极 放大原理：放大原理：vivGS 沟道电阻变小沟道电阻变小 iD |-vo| 电压放大电压放大 注意负电源注意负电源 在交流电路在交流电路 中的画法中的画法 （2 2）放大电路分析）放大电路分析 dgsmo RgRi dD vv )( mgsgs

10、i RgRiD 1vvv Rg Rg A m dm i o 1 v v v g2g1i | RRR do RR s i i o s o s v v v v v v v A s si i v RR R A )|( )|)( dsgsmgs dsgsm i o rRg rRg A vv v v v v 1 )|(1 )|( dsm dsm rRg rRg )( is i o RR R A A v s i i o s vs v v v v v v 共漏共漏 例例5.2.6 共漏放大电路共漏放大电路 与共集放大与共集放大 电路类似！电路类似！ （1）求电压增益）求电压增益 3. 3. 小信号模型分析小

11、信号模型分析 （2 2）求输入输出电阻求输入输出电阻 g2g1i | | RRR m ds m ds 1 | | 11 1 g rR g rR Ro t t o i V R 5.3.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理 5.3.2 JFET的特性曲线及参数的特性曲线及参数 5.3.3 JFET放大电路的小信号模型分析法放大电路的小信号模型分析法 5.3 结型场效应管结型场效应管 1. N沟道结构沟道结构 5.3.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理 2. 工作原理工作原理 vGS对沟道的控制作用对沟道的控制作用 当当vGS0时时 （以（以N沟道沟道JFET为例）为例） 当沟道夹

12、断时，对应的栅当沟道夹断时，对应的栅 源电压源电压vGS称为称为夹断电压夹断电压VP （ 或或VGS(off) ）。）。 对于对于N沟道的沟道的JFET，VP 0。 PN结反偏结反偏耗尽层加厚耗尽层加厚 沟道变窄。沟道变窄。 vGS继续减小，沟道继续继续减小，沟道继续 变窄。变窄。 注意：加的注意：加的 是反偏电压是反偏电压 2. 工作原理工作原理（以 （以N沟道沟道JFET为例）为例） vDS对沟道的控制作用对沟道的控制作用 当当vGS=0时，时，vDS iD g、d间间PN结的反向电结的反向电 压增加，使靠近漏极处的压增加，使靠近漏极处的 耗尽层加宽，沟道变窄，耗尽层加宽，沟道变窄， 从上

13、至下呈楔形分布。从上至下呈楔形分布。 当当vDS增加到使增加到使vGD=VP 时，在紧靠漏极处出现预时，在紧靠漏极处出现预 夹断。夹断。 此时此时vDS 夹断区延长夹断区延长 沟道电阻沟道电阻 iD基本不变基本不变 MOSFET和和 JFET的沟道的沟道 途异同归途异同归 2. 工作原理工作原理 （以（以N沟道沟道JFET为例）为例） vGS和和vDS同时作用时同时作用时 当当VP vGS0 时，导电沟道更容易夹断，时，导电沟道更容易夹断， 对于同样的对于同样的vDS ， iD的值比的值比vGS=0时的值要小。时的值要小。 在预夹断处在预夹断处 vGD=vGS- -vDS =VP 综上分析可知

14、综上分析可知 沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电，沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电， 所以场效应管也称为单极型三极管所以场效应管也称为单极型三极管。 JFET是电压控制电流器件，是电压控制电流器件，iD受受vGS控制。控制。 预夹断前预夹断前iD与与vDS呈近似线性关系；预夹断后，呈近似线性关系；预夹断后， iD趋于饱和。趋于饱和。 JFET栅极与沟道间的栅极与沟道间的PN结是反向偏置的，因结是反向偏置的，因 此此iG 0，输入电阻很高。，输入电阻很高。 const.DSD GS )( v vfi 2. 转移特性转移特性 const.GSD DS )( v vfi 1. 输出特性输出

15、特性 2 P GS DSSD )1( V Ii v (VPvGS0) 5.3.2 JFET的特性曲线及参数的特性曲线及参数 N沟道沟道JFET工作条件：工作条件：Vp vGSVP 0 与与MOSFET类似类似 3. 主要参数主要参数 5.3.2 JFET的特性曲线及参数的特性曲线及参数 结型场效应管结型场效应管的的特性小结特性小结 结 型 场 效 应 管 N N 沟沟 道道 耗耗 尽尽 型型 P P 沟沟 道道 耗耗 尽尽 型型 vpvgs 0 iD流入流入d端端 0 vgs vp iD流出流出d端端 1. JFET小信号模型小信号模型 （1） JFET低频小信号模型低频小信号模型 5.3.3

16、 JFET放大电路的小信号模型分析法放大电路的小信号模型分析法 2.放大电路放大电路 动态指标分析动态指标分析 （1 1）放大电路中频小信号模型）放大电路中频小信号模型 查直流条件是否满足：查直流条件是否满足： 0 21 2 RIV RR R VVV DDD gg g SGGS 小信号模型等效电路小信号模型等效电路 rds可看作可看作 ，不画出也可，不画出也可 输入端：栅极输入端：栅极 放大原理：放大原理：vivGS 沟道电阻变小沟道电阻变小 iD |vo| 电压放大电压放大Av 输出端：漏极输出端：漏极 ?VV RR R V DD gg g G 0 21 2 解：画解：画小信号模型电路小信号

17、模型电路。 例例5.2.5 求共源放大电路求共源放大电路 的交流参数。的交流参数。 （2 2）放大电路分析）放大电路分析 s g 公共端：源极公共端：源极 2. 动态指标分析动态指标分析 （2）中频电压增益）中频电压增益 （3）输入电阻）输入电阻（4）输出电阻）输出电阻 忽略忽略 rds ， ， i v gs vRg gsmv )1( mgs Rg v o v dgsm Rg v Rg Rg A m dm 1 mv 由输入输出回路得由输入输出回路得 则则 )|( g2g1g3i RRRR do RR 课堂练习题课堂练习题 1.六种类型的场效应管的转移特性如图所示（六种类型的场效应管的转移特性如

18、图所示（iD以流入漏极为正方向），以流入漏极为正方向）， 试指出其对应的场效应管类型试指出其对应的场效应管类型。 N沟道绝缘栅增强型沟道绝缘栅增强型P沟道绝缘栅增强型沟道绝缘栅增强型 N沟道绝缘栅耗尽型沟道绝缘栅耗尽型 N沟道结型沟道结型P沟道结型沟道结型 P沟道绝缘栅耗尽型沟道绝缘栅耗尽型 解：解： 画中频小信号等效电路画中频小信号等效电路 放大电路如图所示。已知放大电路如图所示。已知 ，mS 18 m g ，100 试求电路的中频增益、输入电阻试求电路的中频增益、输入电阻 和输出电阻。和输出电阻。 ， k 1 be r 例题例题 5.5.1 (3) 这是一个场效应管和双极性这是一个场效应管

19、和双极性 三极管混合的两级放大电路。场效三极管混合的两级放大电路。场效 应管作为输入级，利用其输入电阻应管作为输入级，利用其输入电阻 高的优点，可克服高的优点，可克服RS大的影响。大的影响。 T1组成共源极放大电路组成共源极放大电路 T2组成共基极放大电路组成共基极放大电路 多级放大电路求总的增益可以按多级放大电路求总的增益可以按 分级求，也可以直接列方程求解。分级求，也可以直接列方程求解。 gsm1V g i V gs V 2gsm1 RVg b I b I b I be V cgsm1cb RVgRI VM A 2m1 cm1 1Rg Rg 6 .128 gi RR co RR M 5 则

20、电压增益为则电压增益为 sgi RRR i o V V 由于由于 则则 k 20 s o SMV V V A i o s i V V V V MV is i A RR R 6128.A VM 根据电路有根据电路有 由本题可以看出，场效应管由本题可以看出，场效应管rgs大，使放大电大，使放大电 路的路的Ri提高，因此对提高，因此对VS几乎没有衰减几乎没有衰减。 例题例题 1. MOSFET镜像电流源镜像电流源 R VVV III GSSSDD REFD2O ro= rds2 MOSFET基本镜像电路流基本镜像电路流 6.1.2 FET电流源电流源 当当VDD、VSS R确定后确定后,Io为为 恒定的。恒定的。 特别说明：特别说明：BJT能构成的所有电路，能构成的所有电路，FET都可以构成。都可以构成。 5.5 各种放大器件电路性能比较各种放大器件电路性能比较 p-240 5.5 各种放大器件电路性能比较各种放大器件电路性能比较 组态对应关系：组态对应关系： CE BJTFET CS CCCD CBCG 电压增益：电压增益： BJTFET be Lc )|( r RR )|)(1( )|()1( Lebe Le RRr RR be Lc )|( r RR CE： CC： CB： )|( Lddsm RRrg )|(1 )|( Ldsm Ldsm RRrg RRrg d