场效应管放大电路PPT学习教案

1、会计学1场效应管放大电路场效应管放大电路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1页/共54页P沟道沟道耗尽耗尽型型P沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道增强增强型型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

2、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：第2页/共54页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5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET5.1.5 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MOSFET5.1.3 P沟道沟道MOSFET5.1.4 沟道长度调制效应沟道长度调制效应第3页/共54页5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET1. 结构结构（N沟道）沟道）L ：沟道长度：沟道长度W ：沟道宽度：沟道宽度tox ：绝缘层厚度：绝

3、缘层厚度通常通常 W L 第4页/共54页5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET剖面图剖面图1. 结构结构（N沟道）沟道）符号符号第5页/共54页5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET2. 工作原理工作原理（1）vGS对沟道的控制作用对沟道的控制作用当当vGSGS00时时 无导电沟道，无导电沟道， d、s间加电压时，也间加电压时，也无电流产生。无电流产生。当当00vGS GS V VT T 时时 在电场作用下产生导电沟道，在电场作用下产生导电沟道，d、s间加间加电压后，将有电流产生。电压后，将有电流产生。 vGSGS越大，导电沟道越厚越大，导电沟道越厚第6页/共54页2. 工作

4、原理工作原理（2）vDS对沟道的控制作用对沟道的控制作用靠近漏极靠近漏极d d处的电位升高处的电位升高电场强度减小电场强度减小沟道变薄沟道变薄当当vGSGS一定（一定（vGS GS V VT T ）时，）时，vDSDS I ID D 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第7页/共54页当当vGSGS一定（一定（vGS GS V VT T ）时，）时，vDSDS I ID D 沟道电位梯度沟道电位梯度 当当vDSDS增加到使增加到使vGDGD= =V VT T 时，时，在紧靠漏极处出现预夹断。在紧靠漏极处出现预夹断。2. 工作原理工作原理（2）vDS对沟道的控制作用对沟

5、道的控制作用在预夹断处：在预夹断处：vGDGD= =vGSGS- -vDS DS = =V VT T第8页/共54页预夹断后，预夹断后，vDSDS 夹断区延长夹断区延长沟道电阻沟道电阻 I ID D基本不变基本不变2. 工作原理工作原理（2）vDS对沟道的控制作用对沟道的控制作用第9页/共54页2. 工作原理工作原理（3） vDS和和vGS同时作用时同时作用时 vDSDS一定，一定，vGSGS变化时变化时 给定一个给定一个vGS GS ，就有一条不，就有一条不同的同的 iD D vDS DS 曲线。曲线。第10页/共54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

6、特性及大信号特性方程）输出特性及大信号特性方程const.DSDGS)( vvfi 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。，为截止工作状态。第11页/共54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.DSDGS)( vvfi 可变电阻区可变电阻区 vDS（vGSVT） )( DSDSTGSnD22vvv VKi由于由于vDS较小，可近似为较小，可近似为DSTGSnD )(vvVKi 2常数常数 GSDDSdsovvdidr)(TGSnVK v21rds

7、o是一个受是一个受vGS控制的可变电阻控制的可变电阻 第12页/共54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 DSTGSnD )(vvVKi 2)(TGSndsoVKr v21 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oxnnC K LWLWKK22oxnnnC 其中其中Kn为电导常数，单位：为电导常数，单位：mA/VmA/V2 2第13页/共54页3. V-I 特性曲线及大信号特性方

8、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 饱和区饱和区（恒流区又称放大区）（恒流区又称放大区）vGS GS V VT T ，且，且vDSDS（v vGSGSV VT T）2)(TGSnDVKi v221)(TGSTn VVKv21)(TGSDO VIv2TnDOVKI 是是vGSGS2 2V VT T时的时的iD D V V- -I I 特性：特性：第14页/共54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（2）转移特性）转移特性const.GSDDS)( vvfi21)(TGSDOD VIiv第15页/共54页5.1.2 N沟道

9、耗尽型沟道耗尽型MOSFET1. 结构和工作原理结构和工作原理（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，而且基本上无栅流第16页/共54页5.1.2 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET2. 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 21)(PGSDSSDVIiv 21)(TGSDOD VIiv（N N沟道增强型）沟道增强型）第17页/共54页5.1.3 P沟道沟道MOSFET第18页/共54页5.1.4 沟道长度调制效应沟道长度调制效应实际上饱和区的曲线并不是平坦

10、的实际上饱和区的曲线并不是平坦的)()(DSTGSnDvv 12VKi)()(DSTGSDOvv 112VIL的单位为的单位为 m1V 1 . 0 L当不考虑沟道调制效应时，当不考虑沟道调制效应时， 0 0，曲线是平坦的。，曲线是平坦的。 修正后修正后第19页/共54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

11、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 GSDDSdsVir vD12TGSnds1)(iVKr v当不考虑沟道调制效应时，当不考虑沟道调制效应时， 0 0，rdsds 第20页/共54页5.1.5 MOSFET的主要参数的主要参数DS GSDmVigv 2. 2. 低频互导低频互导g gm m 二、交流参数二、交流参数 考虑到考虑到 2TGSnD)(VKi v则则DSDSGS2TGSnGSDm)(VVVKigvvv )(2TGSnVK vnDTGS)(KiV vDn2iK LWK 2Cox

12、nn其中其中第21页/共54页5.1.5 MOSFET的主要参数的主要参数end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22页/共54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第23页/共54页5.2.1 MOSFET放大电路放大

13、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）直流通路直流通路共源极放大电路共源极放大电路第24页/共54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）DDg2g1g2GSVRRRV 2)(TGSnDVVKI dDDDDSRIVV 假设工作在饱和区，即假设工作在饱和区，即)(TGSDSVVV 验证是否满足验证是否满足)(TGSDSVVV 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

14、足VGS VT ，否则工作在截止区，否则工作在截止区再假设工作在可变电阻区再假设工作在可变电阻区)(TGSDSVVV 即即dDDDDSRIVV DSTGSnD )(vvVKI 2第25页/共54页假设工作在饱和区假设工作在饱和区满足满足)(TGSDSVVV 假设成立，结果即为所求。假设成立，结果即为所求。解：解：V2V5406040 DDg2g1g2GSQ VRRRVmA2 . 0mA)12)(2 . 0()(22TGSnDQ VVKIV2V)15)(2 . 0(5dDDDDSQ RIVV例：例：设设Rg1=60k ，Rg2=40k ，Rd=15k ，220V/mA.n K试计算电路的静态漏极

15、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26页/共54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)(TGSnDVVKI 饱和区饱和区需要验证是否满足需要验证是否满足)(TGSDSVVV SGGSVVV )(2dDDDDSRRIVV )(SSSSDDg2g1g2VVVRRR )(SSDVRI 第27页/共54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，

16、静态时，vI0 0，VG 0 0，ID I电流源偏置电流源偏置 VS VG VGS 2TGSnD)(VVKI （饱和区）（饱和区） 第28页/共54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29页/共54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2TGSnD)(VKi v2TgsGSQn)(VVK v2gsTGSQn)(v VVK2gsngsTGSQn2TGSQn)(2)(vvKVVKVVK （1）模型）模型DQI gsmvg 2gsnvK 静态值静态值（

17、直流）（直流）动态值动态值（交流）（交流）非线性失真项非线性失真项 当当，vgs 2( 2(VGSQ- - VT ) )时，时，DQDIi gsmvg dDQiI 第30页/共54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（1）模型）模型DQDIi gsmvg dDQiI gsmdvgi 0 0时时高频小信号模型高频小信号模型第31页/共54页3. 小信号模型分析小信号模型分析解：例的直流分析已求得：解：例的直流分析已求得： mA5 . 0DQ IV2GSQ VV75. 4DSQ VV/mA1 V/mA)12(5 . 02 )(2TGSQnm VVKg（2）放

18、大电路分析）放大电路分析（例）（例）s第32页/共54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）dgsmoRg vv )1()(mgsgsmgsiRgRg vvvvRgRgAmdmio1 vvvg2g1i/ RRR doRR SiiSiioSosRRRAA vvvvvvvvs第33页/共54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）)/()/)(dsgsmgsdsgsmiorRgrRgAvvvvvv 1)/(1)/(dsmdsm rRgrRg)()/(1)/( SiidsmdsmSiioSosRRRrRgrRgA vv

19、vvvvv共漏共漏第34页/共54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g2g1i/RRR mdsmdstto1/ 111grRgrRiR vend第35页/共54页5.3 结型场效应管结型场效应管 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 第36页/共54页5.3.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理1. 结构结构 第37页/共54页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（

20、以N沟道沟道JFET为例）为例） 当沟道夹断时，对应当沟道夹断时，对应的栅源电压的栅源电压vGS称为称为夹断夹断电压电压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，沟道继续减小，沟道继续变窄。继续变窄。第38页/共54页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结的反向电压增加，使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，从上至下呈楔形分布。结的反向电压增加，使靠近漏极处的耗尽层加宽，

21、沟道变窄，从上至下呈楔形分布。 当当vDS增加到使增加到使vGD=VP 时，在紧靠漏时，在紧靠漏极处出现预夹断。极处出现预夹断。此时此时vDS 夹断区延长夹断区延长沟道电阻沟道电阻 ID基本不变基本不变第39页/共54页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 第40页/共54页综上分析可知综上分析可知 沟道中只有一种类型的多数载流子参

22、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。 JFETJFET是电压控制电流器件，是电压控制电流器件，i iD D受受vGSGS控制。控制。 预夹断前预夹断前i iD D与与vDSDS呈近似线性关系；预夹断后，呈近似线性关系；预夹断后， i iD D趋于饱和。趋于饱和。 JFET JFET栅极与沟道间的栅极与沟道间的PNPN结是反向偏置的，因结是反向偏置的，因 此此i iG G 0 0，输入电阻很高。，输入电阻很高。第41页/共54页5.3.2 JFET的特性曲线及参数的特性曲线及参数const.DSDGS)( vvfi2.

23、转移特性转移特性 const.GSDDS)( vvfi)0()1(GSP2PGSDSSD vvVVIi1. 输出特性输出特性 第42页/共54页与与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第43页/共54页5.3.2 FET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1. FET小信号模型小信号模型（1）低频模型）低频模型第44页/共54页（2）高频模型）高频模型第45页/共54页2. 动态指标分析动态指标分析（1 1）中频小信号模型）中频小信号模型第46页/共54页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， ivgsvRggsmv )1(mgsRg v ovdgsmRg v mvARgRgmdm1 /iiRR 由输入输出回路由输入输出回路得得则则giiiRv )/(g2g1g3RRR )/()1(g2g1g3mgsgsRRRRgrr 通常通常则则)/(g2g1g3iRRRR doRR Rgrr)1(mgsgs gsgsgsmgsgsgs)(rRgrvvvv end第47页/共54页*5.4 砷