场效应管放大电路实用教案

1、5.1 金属金属(jnsh)-氧化物氧化物-半导体（半导体（MOS）场效）场效应管应管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(jnsh)-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页第一页，共55页。P沟道沟道(u do)耗尽耗尽(ho jn)型型P沟道沟道(u do)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

2、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：第2页/共54页第二页，共55页。5.1 金属金属(jnsh)-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沟道沟道(u do)增强型增强型MOSFET5.1.5 MOSFET的主要参数的主要参数5.1.2 N沟道沟道(u do)耗尽型耗尽型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页第三页，共55页。5.1.1 N沟道沟道(u do

3、)增强型增强型MOSFET1. 结构结构(jigu)（N沟道）沟道）L ：沟道：沟道(u do)长度长度W ：沟道宽度：沟道宽度tox ：绝缘层厚度：绝缘层厚度通常通常 W L 第4页/共54页第四页，共55页。5.1.1 N沟道沟道(u do)增强型增强型MOSFET剖面图剖面图1. 结构结构(jigu)（N沟道）沟道）符号符号第5页/共54页第五页，共55页。5.1.1 N沟道沟道(u do)增强型增强型MOSFET2. 工作工作(gngzu)原理原理（1）vGS对沟道的控制对沟道的控制(kngzh)作用作用当当vGSGS00时时 无导电沟道，无导电沟道， d、s间加电压时，也无电间加电压

4、时，也无电流产生。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页第六页，共55页。2. 工作工作(gngzu)原理原理（2）vDS对沟道对沟道(u do)的控制的控制作用作用靠近漏极d处的电位(din wi)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

5、第七页，共55页。当当vGSvGS一定一定(ydng)(ydng)（vGS VT vGS VT ）时，）时，vDSDS I ID D 沟道(u do)电位梯度 当当vDSvDS增加到使增加到使vGD=VT vGD=VT 时，在时，在紧靠漏极处出现紧靠漏极处出现(chxin)(chxin)预夹断。预夹断。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在预夹断处：在预夹断处：vGDGD= =vGSGS- -vDS DS = =V VT T第8页/共54页第八页，共55页。预夹断预夹断(ji dun)(ji dun)后，后，vDSvDS夹断(ji dun)区延长沟道(u do)电

6、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页第九页，共55页。2. 工作工作(gngzu)原理原理（3） vDS和和vGS同时同时(tngsh)作用时作用时 vDS vDS一定一定(ydng)(ydng)，vGSvGS变变化时化时 给定一个给定一个vGS GS ，就有一条不同，就有一条不同的的 iD D vDS DS 曲线。曲线。第10页/共54页第十页，共55页。3. V-I 特性特性(txng)曲线及大信号特性曲线及大信号特性(txng)方程方程（1）输出特性）输出特性(txng)及大信号特性及大信号特性(txng)方程方

7、程const.DSDGS)( vvfi 截止截止(jizh)区区当当vGSVT时，导电沟道尚未形成，时，导电沟道尚未形成，iD0，为截止为截止(jizh)工作状态。工作状态。第11页/共54页第十一页，共55页。3. V-I 特性曲线特性曲线(qxin)及大信号及大信号特性方程特性方程（1）输出特性及大信号）输出特性及大信号(xnho)特性方特性方程程const.DSDGS)( vvfi 可变电阻区可变电阻区 vDS（vGSVT） )( DSDSTGSnD22vvv VKi由于由于(yuy)vDS较小，可近似为较小，可近似为DSTGSnD )(vvVKi 2常数常数 GSDDSdsovvdid

8、r)(TGSnVK v21rdso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页第十二页，共55页。3. V-I 特性曲线及大信号特性曲线及大信号(xnho)特特性方程性方程（1）输出特性）输出特性(txng)及大信号特性及大信号特性(txng)方程方程 可变电阻区可变电阻区 DSTGSnD )(vvVKi 2)(TGSndsoVKr v21 n n ：反型层中电子迁移率：反型层中电子迁移率Cox Cox ：栅极（与衬底间）氧化层单位面积：栅极（与衬底间）氧化层单位面积(min j)(min j)电容电容本征电导因子本征电导因子oxnnC K LWLWKK22oxnnn

9、C 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页第十三页，共55页。3. V-I 特性曲线及大信号特性曲线及大信号(xnho)特特性方程性方程（1）输出特性）输出特性(txng)及大信号特性及大信号特性(txng)方程方程 饱和饱和(boh)(boh)区区（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

10、14页/共54页第十四页，共55页。3. V-I 特性曲线特性曲线(qxin)及大信号特性及大信号特性方程方程（2）转移）转移(zhuny)特性特性const.GSDDS)( vvfi21)(TGSDOD VIiv第15页/共54页第十五页，共55页。5.1.2 N沟道沟道(u do)耗尽型耗尽型MOSFET1. 结构和工作原理结构和工作原理(yunl)（N沟道）沟道）二氧化硅二氧化硅(r yng hu gu)(r yng hu gu)绝缘层中掺有大量的正离子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

11、第十六页，共55页。5.1.2 N沟道沟道(u do)耗尽型耗尽型MOSFET2. V-I 特性特性(txng)曲线及大信号特性曲线及大信号特性(txng)方程方程 21)(PGSDSSDVIiv 21)(TGSDOD VIiv（N N沟道增强型）沟道增强型）第17页/共54页第十七页，共55页。5.1.3 P沟道沟道(u do)MOSFET第18页/共54页第十八页，共55页。5.1.4 沟道长度沟道长度(chngd)调制效应调制效应实际上饱和区的曲线实际上饱和区的曲线(qxin)(qxin)并不是平坦的并不是平坦的)()(DSTGSnDvv 12VKi)()(DSTGSDOvv 112VI

12、L的单位的单位(dnwi)为为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页第十九页，共55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(cnsh)(cnsh)NMOSNMOS增强型增强型1. 1. 开启电压开启电压(diny)VT (diny)VT （增强型参数）（增强型参数）2. 2. 夹断电压夹断电压VP VP （耗尽（耗尽(ho jn)(ho jn)型参数）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

13、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页第二十页，共55页。5.1.5 MOSFET的主要参数的主要参数DS GSDmVigv 2. 2. 低频低频(dpn)(dpn)互导互导gm gm 二、交流二、交流(jioli)(jioli)参数参数 考虑到考虑到 2TGSnD)(VKi v则则DSDSGS2TGSnGSDm)(VVVKigvvv )(2TGSn

14、VK vnDTGS)(KiV vDn2iK LWK 2Coxnn其中其中第21页/共54页第二十一页，共55页。5.1.5 MOSFET的主要参数的主要参数end三、极限三、极限(jxin)(jxin)参数参数 1. 1. 最大漏极电流最大漏极电流(dinli)IDM (dinli)IDM 2. 2. 最大耗散最大耗散(ho sn)(ho sn)功率功率PDM PDM 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页第二十二页，共55页。5.2 MOSFET放大放大(fngd)电路电路5.2.1

15、MOSFET放大放大(fngd)电路电路1. 直流偏置直流偏置(pin zh)及静态工作点的计算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页第二十三页，共55页。5.2.1 MOSFET放大放大(fngd)电路电路1. 直流偏置直流偏置(pin zh)及静态工作点的计及静态工作点的计算算（1）简单）简单(jindn)的共源极放大电路（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页第二十四页，共55页。5.2.1 MOSFET放大放大(fngd)电路电路1. 直流偏置直流偏置(pin zh)及静态工作

16、点的计及静态工作点的计算算（1）简单的共源极放大电路）简单的共源极放大电路(dinl)（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页第二十五页，共55页。假设工作假设工作(gngzu)

17、在饱和区在饱和区满足满足)(TGSDSVVV 假设假设(jish)成立，结果即为所求。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试计算试计算(j sun)(j sun)电路的静态漏极电流电路的静态漏极电流IDQIDQ和漏源电压和漏源电压VDSQ VDSQ 。VDD=5V， VT=1V，第26页/共54页第二十六页，共55页。5.2.1 MOSFE

18、T放大放大(fngd)电路电路1. 直流偏置及静态直流偏置及静态(jngti)工作点的计算工作点的计算（2）带源极电阻的）带源极电阻的NMOS共源极放大共源极放大(fngd)电路电路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页第二十七页，共55页。5.2.1 MOSFET放大放大(fngd)电路电路1. 直流偏置及静态直流偏置及静态(jngti)工作点的工作点的计算计算静态静态(jngti)时，时，vI0，VG 0，ID I

19、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页第二十八页，共55页。5.2.1 MOSFET放大放大(fngd)电路电路2. 图解图解(tji)分析分析由于负载开路由于负载开路(kil)(kil)，交流负载线与直，交流负载线与直流负载线相同流负载线相同 第29页/共54页第二十九页，共55页。5.2.1 MOSFET放大放大(fngd)电路电路3. 小信号模型小信号模型(mxng)分析分析2TGSnD)(VKi v2TgsGSQn)(VVK v2gsTGSQn)(v VVK2gsngsTGSQn2TGSQn)(2)(vvKVVKVV

20、K （1）模型）模型(mxng)DQI gsmvg 2gsnvK 静态值静态值（直流）（直流）动态值动态值（交流）（交流）非线性失非线性失真项真项 当当，vgs 2( 2(VGSQ- - VT ) )时，时，DQDIi gsmvg dDQiI 第30页/共54页第三十页，共55页。5.2.1 MOSFET放大放大(fngd)电路电路3. 小信号小信号(xnho)模型分析模型分析（1）模型）模型(mxng)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页第三十一页，共55页。3. 小信号模型小信号模型(mxng)分析分析解：例的直流分析

21、解：例的直流分析(fnx)(fnx)已求得：已求得： mA5 . 0DQ IV2GSQ VV75. 4DSQ VV/mA1 V/mA)12(5 . 02 )(2TGSQnm VVKg（2）放大）放大(fngd)电路分析（例）电路分析（例）s第32页/共54页第三十二页，共55页。3. 小信号小信号(xnho)模型分析模型分析（2）放大）放大(fngd)电路分析（例）电路分析（例）dgsmoRg vv )1()(mgsgsmgsiRgRg vvvvRgRgAmdmio1 vvvg2g1i/ RRR doRR SiiSiioSosRRRAA vvvvvvvvs第33页/共54页第三十三页，共55页

22、。3. 小信号模型小信号模型(mxng)分析分析（2）放大）放大(fngd)电路分析（例）电路分析（例）)/()/)(dsgsmgsdsgsmiorRgrRgAvvvvvv 1)/(1)/(dsmdsm rRgrRg)()/(1)/( SiidsmdsmSiioSosRRRrRgrRgA vvvvvvv共漏共漏第34页/共54页第三十四页，共55页。3. 小信号模型小信号模型(mxng)分析分析（2）放大电路）放大电路(dinl)分析分析g2g1i/RRR mdsmdstto1/ 111grRgrRiR vend第35页/共54页第三十五页，共55页。5.3 结型场效应管结型场效应管 5.3.

23、1 JFET的结构的结构(jigu)和工作原理和工作原理 5.3.2 JFET的特性曲线的特性曲线(qxin)及参数及参数 5.3.3 JFET放大电路的小信号放大电路的小信号(xnho)模型模型分析法分析法 第36页/共54页第三十六页，共55页。5.3.1 JFET的结构和工作的结构和工作(gngzu)原理原理1. 结构结构(jigu) 第37页/共54页第三十七页，共55页。2. 工作工作(gngzu)原理原理 vGS对沟道对沟道(u do)的控的控制作用制作用当当vGS0时时（以（以N沟道沟道(u do)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vG

24、S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页第三十八页，共55页。2. 工作工作(gngzu)原理原理（以（以N沟道沟道(u do)JFET为例）为例） vDS对沟道的控制对沟道的控制(kngzh)作用作用当当vGS=0时，时，vDS ID G、D间间PN结的反向电压增加，结的反向电压增加，使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道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。变窄，从上至下呈楔形分布。

25、当当vDS增加到使增加到使vGD=VP 时，在紧靠漏极时，在紧靠漏极处出现预夹断。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页第三十九页，共55页。2. 工作工作(gngzu)原理原理（以（以N沟道沟道(u do)JFET为例）为例） vGS和和vDS同时同时(tngsh)作用作用时时当当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页第四十页，共55页。综上分析

26、综上分析(fnx)(fnx)可知可知 沟道沟道(u do)(u do)中只有一种类型的多数载流子参与导中只有一种类型的多数载流子参与导电，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是电压控制电流是电压控制电流(dinli)(dinli)器件，器件，iDiD受受vGSvGS控控制。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

27、电阻很高。第41页/共54页第四十一页，共55页。5.3.2 JFET的特性的特性(txng)曲线及参曲线及参数数const.DSDGS)( vvfi2. 转移转移(zhuny)特性特性 const.GSDDS)( vvfi)0()1(GSP2PGSDSSD vvVVIi1. 输出特性输出特性 第42页/共54页第四十二页，共55页。与与MOSFET类似类似(li s)3. 主要参数主要参数5.3.2 JFET的特性的特性(txng)曲线及参曲线及参数数第43页/共54页第四十三页，共55页。5.3.2 FET放大电路放大电路(dinl)的小信号模型分的小信号模型分析法析法1. FET小信号小

28、信号(xnho)模型模型（1）低频）低频(dpn)模型模型第44页/共54页第四十四页，共55页。（2）高频）高频(o pn)模型模型第45页/共54页第四十五页，共55页。2. 动态动态(dngti)指指标分析标分析（1 1）中频小信号）中频小信号(xnho)(xnho)模型模型第46页/共54页第四十六页，共55页。2. 动态动态(dngti)指指标分析标分析（2）中频）中频(zhngpn)电压增益电压增益（3）输入电阻）输入电阻（4）输出电阻）输出电阻忽略忽略(hl) rds， ivgsvRggsmv )1(mgsRg v ovdgsmRg v mvARgRgmdm1 /iiRR 由输入

29、输出回路得由输入输出回路得则则giiiRv )/(g2g1g3RRR )/()1(g2g1g3mgsgsRRRRgrr 通常通常则则)/(g2g1g3iRRRR doRR Rgrr)1(mgsgs gsgsgsmgsgsgs)(rRgrvvvv end第47页/共54页第四十七页，共55页。*5.4 砷化镓金属砷化镓金属(jnsh)-半导体场效应管半导体场效应管本节不做教学要求，有兴趣本节不做教学要求，有兴趣(xngq)者者自学自学第48页/共54页第四十八页，共55页。5.5 各种放大器件电路性能各种放大器件电路性能(xngnng)比比较较第49页/共54页第四十九页，共55页。5.5 各种放大器件电路性能各种放大器件电路性能(xngnng)比较比较组态对应组态对应(duyng)(duyng)关系：关系：CEBJTFETCSCCCDCBCG电压增益：电压增