第5章场效应管放大电路ppt课件

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场效应管分类场效应管分类结型场效应管结型场效应管绝缘栅场效应

2、管绝缘栅场效应管特点特点单极型器件单极型器件(一种载流子导电一种载流子导电)； 输入电阻高；输入电阻高；工艺简单、易集成、功耗小、体积小、工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低。成本低。场效应管：是利用输入回路的电压产生的电场效应来控场效应管：是利用输入回路的电压产生的电场效应来控制输出回路电流的三极管制输出回路电流的三极管. 一种载流子参与导电，又称一种载流子参与导电，又称单极型三极管。单极型三极管。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：

3、场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在耗尽型：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在增强型：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道增强型：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道场效应管的分类：场效应管的分类：Metal-Oxide Semiconductor Field Effect TransistorJunction Field Effect Transistor5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET剖面图剖面图1. 构造构造N沟道）沟道）符号符号在一块掺杂浓度较低的P型硅衬底上，制作两个高掺杂浓度的N+区，并用金属铝引出两个电极，分别作漏极d和源极s。 然后在半导体表面复

4、盖一层很薄的二氧化硅(SiO2)绝缘层，在漏-源极间的绝缘层上再装上一个铝电极,作为栅极g。栅极与其它电极间是绝缘的。 在衬底上也引出一个电极B，这就构成了一个N沟道增强型MOS管。MOS管的源极和衬底通常是接在一起的(大多数管子在出厂前已连接好)。5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET1. 构造构造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：绝缘层厚度通常通常 W L （动画（动画2-3）5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET2. 工作原理工作原理（1vGS对沟道的控制作用对沟道的控制作用当当vGS=0vGS=0时时 漏源之间相当于两个

5、背靠背的漏源之间相当于两个背靠背的 PN 结结,无导无导电沟道，电沟道， d、s间加电压时，也无电流产生。间加电压时，也无电流产生。当当0vGS VT 0vGS VT vGS VT ）时，）时，vDS iD沟道电位梯度整个沟道呈楔形分布整个沟道呈楔形分布5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET当当vGSvGS一定一定vGS VT vGS VT ）时，）时，vDS iD沟道电位梯度 当当vDSvDS增加到使增加到使vGD=VT vGD=VT 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（2vDS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：vGD

6、=vGS-vDS =VTvGD=vGS-vDS =VT5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET预夹断后，预夹断后，vDSvDS 夹断区延长沟道电阻 iD基本不变2. 工作原理工作原理（2vDS对沟道的控制作用对沟道的控制作用5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET2. 工作原理工作原理（3） vDS和和vGS同时作用时同时作用时 vDS vDS一定，一定，vGSvGS变化时变化时 给定一个给定一个vGS vGS ，就有一条不，就有一条不同的同的 iD iD vDS vDS 曲线。曲线。5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET（4正常放大时外加偏置电压的要求正常放大时外加偏置电

7、压的要求:2. 工作原理工作原理0DSVTVv GSTVvv DSDS5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET3. V-I 特性曲线特性曲线（1输出特性输出特性const.DSDGS)( vvfi 截止区截止区当当vGSVT时，导电沟道时，导电沟道尚未形成，尚未形成，iD0，为截止，为截止工作状态。工作状态。5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET3. V-I 特性曲线特性曲线（1输出特性输出特性const.DSDGS)( vvfi 可变电阻区可变电阻区 vDS（vGSVT） )(22DSDSTGSnDvvv VKi由于由于vDS较小，可近似为较小，可近似为:DSTGSnD )(v

8、vVKi 2常数常数 GSDDSdsoddvvir)(21TGSnVK vrdso是一个受是一个受vGS控制的可变电控制的可变电阻阻 5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET3. V-I 特性曲线特性曲线（1输出特性输出特性 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：栅极与衬底间氧化层单位面积电容化层单位面积电容本征电导因子本征电导因子oxnnCK LWCLWKK22oxnnn其中其中Kn为电导常数，单位：为电导常数，单位：mA/V25.1.1 N沟道增强型沟

9、道增强型MOSFET3. V-I 特性曲线特性曲线（1输出特性输出特性 饱和区饱和区（恒流区又称放大区）（恒流区又称放大区）vGS VT ，且，且vDS（vGSVT）2)(TGSnDVKi v221)(TGSTn VVKv21)(TGSDO VIv2TnDOVKI 是是vGSvGS2VT2VT时的时的iD iD V-I V-I 特性：特性：5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET3. V-I 特性曲线特性曲线（2转移特性转移特性const.GSDDS)( vvfi21)(TGSDOD VIiv5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET5.1.2 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET1.

10、 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MOSFET2. V-I 特性曲线特性曲线 21)(PGSDSSDVIiv 21)(TGSDOD VIiv（N N沟道增强型）沟道增强型）5.1.3 P沟道沟道MOSFET* 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的实际上饱和区的曲线并不是平坦的)()(DSTGSnDvv 12VKi)()(DSTGSDOvv 112VI

11、L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5.1.5 MOSFET的主要参数的主要参数一、直流参数一、直流参数1. 1. 开启电压开启电压VT VT （增强型参数）（增强型参数）2. 2. 夹断电压夹断电压VP VP （耗尽型参数）（耗尽型参数）3. 3. 饱和漏电流饱和漏电流IDSS IDSS （耗尽型参数）（耗尽型参数）4. 4. 直流输入电阻直流输入电阻RGS RGS （1091091015 1015 ）二、交流参数二、交流参数 1. 1. 输出电阻输出电阻rds rds GSDDSdsVi

12、r v5.1.5 MOSFET的主要参数的主要参数DS GSDmVigv 2. 2. 低频互导低频互导gm gm 二、交流参数二、交流参数 考虑到考虑到 2TGSnD)(VKi v那么那么DSDSGS2TGSnGSDm)(VVVKigvvv )(2TGSnVK vnDTGS)(KiV vDn2iK LWCK 2oxnn其中其中对于对于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IDM IDM 2. 2. 最大耗散功率最大耗散功率PDM PDM 3. 3. 最大漏源电压最大漏源电压V VBR

13、BRDS DS 4. 4. 最大栅源电压最大栅源电压V VBRBRGS GS 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. 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3. MOSFET 三种基本放大电路比较三种基本放大电路比较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）共源极放大电路共源极放大电路b G , e S , c D 为了使场效应管工

14、作为了使场效应管工作在恒流区实现放大作在恒流区实现放大作用，应满足：用，应满足：GSTDSGST uVuuV与双极型三极管对应关系与双极型三极管对应关系5.2.1 MOSFET放大电路放大电路1. 直流偏置及静态工作点直流偏置及静态工作点(VGSQ 、 IDQ VDSQ)的计算的计算（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足VGS

15、 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 2两种方法两种方法近似估算法近似估算法图解法图解法 假设工作在饱和区假设工作在饱和区(放大区）放大区）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)152 . 05(dDDDDSQ RIVV例例5.2.1设设Rg1=60k，Rg2=40k，Rd=15k，22

16、0V/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IDQIDQ和漏源和漏源电压电压VDSQ VDSQ 。VDD=5V， VT=1V，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(例例5.2.2）2)(TGSnDVVKI 假设工作在饱和区假设工作在饱和区(放大区）：放大区）：需要验证是否满足需要验证是否满足)(TGSDSVVV SGGSVVV )()(dDSSDDDSRRIVVV )(SSSSDDg2g1g2VVVRRR )(SSDVRI 5.2.1 MOSFET

17、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，VG 0，ID I电流源偏置电流源偏置 VS VG VGS 2TGSnD)(VVKI （饱和区）（饱和区） VDS VD VS =VDDIDRD VS 电流源作偏置的电流源作偏置的NMOS共源极共源极放大电路放大电路(例例5.2.3）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，交流负由于负载开路，交流负载线与直流负载线相同载线与直流负载线相同 在漏极特性曲线上做直流负载线，在漏极特性曲线上做直流负载线， 与与 uGS = UGSQ 的交点确定的交点确定 Q，由由 Q

18、 确定确定 UDSQ 和和 IDQ值。值。uDS = VDD iDRd5.2.1 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（直流）（直流）动态值动态值（交流）（交流）非线性非线性失真项失真项 当，当，vgs 2(VGSQ- VT )vgs 2(VGSQ- VT )时，时，DQDIi gsmvg dDQiI 5.2.1 MOSFET放大电路放大电路3. 小信号模型分析小

19、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其他类型的其他类型的MOSFET小信号模型，小信号模型，在电路形式上一样，参数计算式有在电路形式上一样，参数计算式有所不同，如所不同，如gm。2. 小信号模型分析小信号模型分析解：例解：例5.2.25.2.2的直流分析已的直流分析已求得：求得： mA5 . 0DQ IV2GSQ VV75. 4DSQ VmS1 mS)12(5 . 02 )(2TGSQnm VVKg（2放大电路分析例放大电路分析例5.2.5）s2. 小信号模型分析小信号模型分析（2放大电路分析例放大电路分析例5.2.

20、5）dgsmoRg vv )1()(mgsgsmgsiRgRg vvvvRgRgAmdmio1 vvvg2g1i| RRR doRR siisiiososRRRAA vvvvvvvvs2. 小信号模型分析小信号模型分析（2放大电路分析例放大电路分析例5.2.6）)|()|)(dsgsmgsdsgsmiorRgrRgAvvvvvv 1)|(1)|(dsmdsm rRgrRg)()|(1)|( siidsmdsmsiiososRRRrRgrRgA vvvvvvv共漏共漏2. 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| | 111grRg

21、rRiR v共漏共漏3. MOSFET 三种基本放大电路比较三种基本放大电路比较(p.221)共源极放大电路共源极放大电路共漏极放大电路共漏极放大电路(源极输出器）源极输出器）共栅极放大电路共栅极放大电路 三种基本放大电路的性能比较三种基本放大电路的性能比较组态对应关系：组态对应关系：CEBJTFETCSCCCDCBCGBJTFET电压增益：电压增益：beLc)/(rRR )/)(1()/()1(LebeLeRRrRR beLc)/(rRR CE：CC：CB：)/(LdmRRg )/(1)/(LmLmRRgRRg )/(LdmRRgCS：CD：CG：beb/rR输出电阻：输出电阻：cR )/)

22、(1(/LebebRRrR 1)/(/bebserRRR 1/beerRcR三种基本放大电路的性能比较三种基本放大电路的性能比较BJTFET输入电阻：输入电阻：CE：CC：CB：CS：CD：CG：)/(g2g1g3RRR m1/gR)/(g2g1g3RRR CE：CC：CB：CS：CD：CG：dRm1/gRdR*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end5.3 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 J

23、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 5.3.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理1. 构造构造 (动画2-8）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） 当沟道夹断时，对应的栅源电压当沟道夹断时，对应的栅源电压vGS称称为夹断电压为夹断电压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，沟道继续变窄。继续减小，沟道继续变窄。（动画2-9）5.3.1 JFET的结构和工作原理的结构和工

24、作原理 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结的反向结的反向电压增加，使靠近漏极电压增加，使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道处的耗尽层加宽，沟道变窄，从上至下呈楔形变窄，从上至下呈楔形分布。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5.3.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理 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

25、， 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 5.3.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理综上分析可知综上分析可知 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iG0，输入电阻很高。，输入电阻很高。5.3.2 JFET的特性曲线及参数的特性曲线及参数const.DSDGS)( vvfi2. 转移特性转移特性

26、 const.GSDDS)( vvfi1. 输出特性输出特性 2PGSDSSD)1(VIiv (VPvGS0)与耗尽型与耗尽型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1. JFET小信号模型小信号模型（1低频及中频模型低频及中频模型2. 动态指标分析动态指标分析（1 1中频小信号等效电路中频小信号等效电路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 o

27、vdgsmRg v mvARgRgmdm1 由输入输出回路得由输入输出回路得那么那么)|(g2g1g3iRRRR doRR end*5.4 砷化镓金属砷化镓金属-半导体半导体场效应管场效应管不作教学要求，有兴趣者自学不作教学要求，有兴趣者自学5.5 各种放大电路性能比较各种放大电路性能比较5.5.1 各种各种FET特性比较特性比较5.5.2 各种放大器件电路性能比较各种放大器件电路性能比较N沟沟道道增增强强型型绝缘栅场效应管P沟沟道道增增强强型型 1.各类场效应管的特性曲线比较5.5.1 各种各种FET特性比较特性比较绝缘栅场效应管1.各类场效应管的特性曲线比较N沟沟道道耗耗尽尽型型P沟沟道道耗耗尽尽型型结型场效应管1.各类场效应管的特性曲线比较N沟沟道道P沟沟