电子技术基础(第五版)康华光05 场效应管放大电路

1、15.1 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应管半导体场效应管5.2 MOSFET放大电路放大电路5.3 结型场效应管结型场效应管5.4 各种放大器件电路性能比较各种放大器件电路性能比较2N沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道增强型增强型耗尽型耗尽型增强型增强型耗尽型耗尽型（耗尽型）（耗尽型）FETField Effect Transistor场效应管场效应管JFET结型结型MOSFET按结构不同场效应管有两种按结构不同场效应管有两种:35.1 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MOSFET5.1.4 MOSFET的主要参数的主

2、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MOSFET45.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET1. 结构结构P型硅衬底型硅衬底耗尽层耗尽层SiO2铝铝铝铝铝铝剖面图剖面图衬底引线衬底引线 栅极和其它电极及硅栅极和其它电极及硅片之间是绝缘的，栅极片之间是绝缘的，栅极电流几乎为零，输入电电流几乎为零，输入电阻很高，最高可达阻很高，最高可达1015 ，故称，故称绝缘栅型绝缘栅型场效应管场效应管(IGFET)。源极源极栅极栅极漏极漏极 又称又称金属金属-氧化物氧化物-半导半导体场效应管体场效应管(MOSFET) 。高掺杂高掺杂N区区5P型硅衬底型硅衬底 由结构图

3、可见，由结构图可见，N+型漏区和型漏区和N+型源区之间被型源区之间被P型衬底隔开，漏极型衬底隔开，漏极和源极之间是两个背靠背的和源极之间是两个背靠背的PN结。结。当栅源电压当栅源电压vGS = 0 时，不管漏时，不管漏极和源极之间所加电压的极性如极和源极之间所加电压的极性如何，其中总有一个何，其中总有一个PN结是反向结是反向偏置的，偏置的，漏极电流近似为零漏极电流近似为零。2. 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SDVDD6当当vGS 0时时, 产生电场，排斥空穴而吸引电子。产生电场，排斥空穴而吸引电子。当当vGS VT 时，时， 在电场作用下产生导电沟道。在电场作用

4、下产生导电沟道。 vGS越大，导电沟道越厚越大，导电沟道越厚D、S间加电压后，将有电流产生。间加电压后，将有电流产生。P型硅衬底型硅衬底VGGVDDN型沟道型沟道iD（1）vGS对沟道的控制作用对沟道的控制作用7符号符号时时, ,没有导电沟道没有导电沟道P型硅衬底型硅衬底必须依靠栅源电压的作用，才能形成导电沟道的必须依靠栅源电压的作用，才能形成导电沟道的FETFET称为称为增强型增强型FETFET。8（2）vDS对沟道的控制作用对沟道的控制作用当当vGS一定（一定（vGS VT ）时，）时，vDS iD 产生产生沟道电位梯度，靠近沟道电位梯度，靠近漏极漏极d处的电位升高，电场处的电位升高，电场

5、强度减小，沟道变薄。强度减小，沟道变薄。整个沟道呈楔形分布。整个沟道呈楔形分布。P型硅衬底型硅衬底VGGVDDiD迅速增大迅速增大9P型硅衬底型硅衬底VGGVDDiD 当当vDS增加到使增加到使vGD=VT时，时，在紧靠漏极处出现在紧靠漏极处出现预夹断预夹断。在预夹断处：在预夹断处：vGD=vGS-vDS =VT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基本不变基本不变夹断区夹断区饱和饱和（2）vDS对沟道的控制作用对沟道的控制作用10（3） vDS和和vGS同时作用时同时作用时 给定一个给定一个vGS ，就有一条不同的，就有一条不同的 iD vDS 曲线曲线。P型

6、硅衬底型硅衬底VGGVDDiDvGD=vGS-vDS 当当 vGS VT时，时，vGS越小导越小导电沟道越容易夹断。电沟道越容易夹断。 改变改变vGS的值，的值，iD的饱和值的饱和值随之改变。随之改变。漏极电流漏极电流iD的饱和值与栅源电压的饱和值与栅源电压vGS有关。所以，场效有关。所以，场效应管是一种应管是一种电压控制电流的器件。电压控制电流的器件。11综上分析可知：综上分析可知： 沟道中只有一种类型的载流子参与导电，沟道中只有一种类型的载流子参与导电， 所以所以温度稳定温度稳定性好性好，场效应管也称为，场效应管也称为单极型晶体管单极型晶体管。 场效应管是场效应管是电压控制电流器件电压控制

7、电流器件，iD受受vGS控制。控制。 场效应管的场效应管的输入电阻高输入电阻高，基本上不需要信号源提供电流。，基本上不需要信号源提供电流。123. 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vGSVT导电沟道尚未形成导电沟道尚未形成iD = 0，为，为截止状态截止状态。13 可变电阻区可变电阻区vGD = vGS vDS VT即即vDSvGSVT时时沟道预夹断前沟道预夹断前iD与与vDS呈近似线性关系呈近似线性关系FET可看作受可看作受vGS控制的控制的可变电阻可变电阻14 可变电阻区可变电阻区vGSVT ，且，且vDSvGSVT )(2 2DSD

8、STGSnDvvvVKiKn为电导常数，单位：为电导常数，单位：mA/V2DSTGSnD )(2vvVKi15 饱和区饱和区（恒流区（恒流区/放大区）放大区）vGS VT ，且且vDS vGS - VT2TGSnD)(VKiv2TGS2Tn) 1(VVKv2TGSDO) 1(VIv2TnDOVKI 是是vGS2VT时时iD的饱和值的饱和值沟道预夹断后沟道预夹断后iD达到饱和，只与达到饱和，只与vGS有关有关16（2）转移特性）转移特性const.GSDDS)(vvfi21)(TGSDOD VIiv当当vGS VT ，且且vDSvGSVT时，时，17符号符号5.1.2 N沟道耗尽型沟道耗尽型MO

9、SFET1. 结构和工作原理结构和工作原理SiO2绝缘层中绝缘层中掺有正离子掺有正离子预埋了预埋了N型型 导电沟道导电沟道18 由于耗尽型场效应管预埋了导电沟由于耗尽型场效应管预埋了导电沟道，所以在道，所以在vGS= 0时，时，若漏若漏源之间加源之间加上一定的电压上一定的电压vDS，也会有漏极电流，也会有漏极电流 iD 产生。产生。 当当vGS达到一定达到一定负值时，负值时，N型导电沟道消失，型导电沟道消失，iD= 0，称为称为场效应管处于夹断状态（即截止）。这时的场效应管处于夹断状态（即截止）。这时的vGS称为夹断电称为夹断电压，用压，用VP表示。表示。192. 特性曲线特性曲线 2PGSD

10、SS2PGS2PnD)1 ()1 (VIVVKivv205.1.3 P沟道沟道MOSFETN型衬底型衬底P+P+结构结构加电压才形成加电压才形成 P型导电沟道型导电沟道215.1.3 P沟道沟道MOSFET预埋了预埋了P型型 导电沟道导电沟道SiO2绝缘层中绝缘层中掺有负离子掺有负离子225.1.3 P沟道沟道MOSFET235.1.4 MOSFET的主要参数的主要参数1. 开启电压开启电压VT (或或VGS(th)一、直流参数一、直流参数2. 夹断电压夹断电压VP (或或VGS(off)4. 直流输入电阻直流输入电阻RGS：在漏源极短路的情况下，栅源间加一定电压时的栅源直在漏源极短路的情况下

11、，栅源间加一定电压时的栅源直流电阻。对于流电阻。对于MOS场效应管场效应管RGS可达可达109 1015。3. 饱和漏极电流饱和漏极电流IDSS增强型增强型MOS管的参数管的参数24二、交流参数二、交流参数 1. 低频互导（跨导）低频互导（跨导）gm：DSGSDmVvig（饱和区）)(2TGSnmVKgv 低频跨导反映了低频跨导反映了vGS对对iD的控制作用。的控制作用。gm可以在转移特可以在转移特性曲线上求得，单位是性曲线上求得，单位是mS(毫西门子毫西门子)。2. 输出电阻输出电阻rds：GSDDSdsVivr25三、极限参数三、极限参数 2. 最大耗散功耗最大耗散功耗PDM3. 最大漏源

12、电压最大漏源电压V(BR)DS4. 最大栅源电压最大栅源电压V(BR)GS1. 最大漏最大漏极极电电流流IDM26 FET与与BJT的比较的比较10020mA/V51mg4210101571010对应电极对应电极 BEC GSD27 场效应管放大电路与三极管放大电路结构上相类似，有场效应管放大电路与三极管放大电路结构上相类似，有三种组态三种组态：共源极放大电路：共源极放大电路(CS)、共漏极放大电路、共漏极放大电路(CD)和和共栅极放大电路共栅极放大电路(CG)。 场效应管放大电路的分析与三极管放大电路一样，包括场效应管放大电路的分析与三极管放大电路一样，包括静态分析静态分析和和动态分析动态分

13、析。 5.2 MOSFET放大电路放大电路28一、直流偏置及静态工作点的计算一、直流偏置及静态工作点的计算直流通路直流通路1、简单的共源极放大电路、简单的共源极放大电路 场效应管放大电路需要设置合适的静态工作点，否则将造成场效应管放大电路需要设置合适的静态工作点，否则将造成输出信号的失真。输出信号的失真。 29DDg2g1g2GSQVRRRV2TGSQnDQ)(VVKIdDQDDDSQRIVV假设工作在饱和区，即假设工作在饱和区，即)(TGSQDSQVVV验证是否满足验证是否满足)(TGSQDSQVVV若满足，说明假设成立，场效应管工作在饱和区；若满足，说明假设成立，场效应管工作在饱和区；若不

14、满足，说明假设错误，场效应管工作在可变电阻区。若不满足，说明假设错误，场效应管工作在可变电阻区。须满足须满足VGSQ VT ，否则工作在截止区，否则工作在截止区Q点：点：VGSQ 、 IDQ 、 VDSQ 30假设工作在饱和区假设工作在饱和区满足满足)(TGSQDSQVVV假设成立，结果即为所求。假设成立，结果即为所求。解：解：mA2 . 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电流试计算电路的静态漏极电流IDQ和漏源

15、和漏源电压电压VDSQ 。VDD=5V， VT=1V，V2V5406040 DDg2g1g2GSQVRRRV31N沟道增强型沟道增强型MOS管电路的静态分析管电路的静态分析:1、画出直流通路；、画出直流通路；2、求、求VGSQ，若，若VGSQ VT ，设，设MOS管工作在饱和区，利用饱和区管工作在饱和区，利用饱和区电流电流-电压关系分析电路，求电压关系分析电路，求IDQ、 VDSQ ；4、若、若VDSQVGSQ-VT，说明假设错误，说明假设错误， MOS管工作在可管工作在可变电阻区，需利用可变电阻区电流变电阻区，需利用可变电阻区电流-电压关系重新分析电电压关系重新分析电路。路。322、带源极电

16、阻的、带源极电阻的NMOS共源极放大电路共源极放大电路2TGSQnDQ)(VVKI假设工作在饱和区假设工作在饱和区需要验证是否满足需要验证是否满足)(TGSQDSQVVVSGGSQVVV)(dDQSSDDDSQRRIVVV)(SSSSDDg2g1g2VVVRRR)(SSDQVRI33VG 0 0，IDQ IVS VG VGSQ 2TGSQnDQ)(VVKI（饱和区）（饱和区） 3、电流源偏置的、电流源偏置的NMOS共源极放大电路共源极放大电路VD VDD IDQ Rd VDSQ VD VS34二、二、 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

17、相同 VGSQ =VGGIDQVDSQvDS/VtOtiD/mAOidvoVDDVDD/RdOiD/mAvDS/VQQQdDDDDSRiVv35三、三、 小信号模型分析小信号模型分析1、MOSFET的小信号模型的小信号模型输入端口：输入端口：栅极电流为零，输入端口栅极电流为零，输入端口视为开路，栅视为开路，栅-源极间只有电压存在。源极间只有电压存在。输出端口：输出端口：),(DSGSDvvfi在小信号情况下，对上式取全微分得在小信号情况下，对上式取全微分得DSDSDGSGSDDGSQDSQdvvidvvidiVV其中，其中，mGSDDSQgviVdsDDSGSQrivVdsdsgsmd1vrg

18、iv故36高频小信号模型高频小信号模型dsdsgsmd1vrgiv372、MOSFET放大电路分析举例放大电路分析举例例例1：设设Rs=4k ， Rg1=150k ，Rg2=47k ，Rd=10k ，R=0.5k VDD=5V， -VSS=-5V， VT=1V， 。试计算电。试计算电路的电压增益，输入电阻和输出电阻路的电压增益，输入电阻和输出电阻 。2nV/A500K2TGSQnDQ)(VVKI)()(SSDQSSSSDDg2g1g2GSQVRIVVVRRRV解：解：假设工作在饱和区，求假设工作在饱和区，求Q点点)(dDQSSDDDSQRRIVVV得得V2mA5 . 0GSQDQVI，V75.

19、 4DSQV，38V/mA1 V/mA) 12(5 . 02 )(2TGSQnmVVKgs39)1 ()(mgsgsmgsiRgRgvvvv67. 61mdmioRgRgAvvvk79.35/g2g1iRRRk10doRRs 场效应管放大电路具有高输入阻抗的特点，所以特别场效应管放大电路具有高输入阻抗的特点，所以特别适用于作为多极放大电路的输入级。适用于作为多极放大电路的输入级。 dgsmoRg vv40例例2：画出如图所示共漏极放大电路的小信号等效电路，并计算画出如图所示共漏极放大电路的小信号等效电路，并计算电路的电压增益、输入电阻和输出电阻电路的电压增益、输入电阻和输出电阻 。41RgRg

20、Agsmgsgsmiovvvvvv11mmRgRgg2g1i/RRR mdsmdstto1/ 111grRgrRiRv425.3 结型场效应管结型场效应管 结构结构 工作原理工作原理 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放大电路放大电路435.3.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理1. 结构结构 (N沟道沟道) 源极源极(Source)N型导电沟道型导电沟道栅极栅极(Gate)漏极漏极(Drain)P型区型区 P型区型区耗尽层耗尽层44代表符号代表符号452. 工作原理工作原理 vGS对沟道的

21、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，沟道继续减小，沟道继续变窄。继续变窄。+-vGSVGG沟道电阻变大沟道电阻变大46 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 同时，同时，PN结反偏，耗尽结反偏，耗尽层变厚，沟道变窄。层变厚，沟道变窄。 当当vDS增加到使增加到使vGD=VP 时，

22、在紧靠漏极处出现时，在紧靠漏极处出现预夹断预夹断。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基本不变基本不变迅速增大迅速增大VDD+-vDSA饱和饱和iD并且，越靠近漏极并且，越靠近漏极d处的电处的电位越高，位越高， PN结所加反向电压结所加反向电压越大，耗尽层越厚。整个沟道越大，耗尽层越厚。整个沟道呈楔形分布。呈楔形分布。47 vGS和和vDS同时作用时同时作用时 当当VP vGS0 时，时，vGS越小越小导电沟道越容易夹断。导电沟道越容易夹断。 对于同样的对于同样的vDS ， 改变改变vGS的值，的值，iD随之改变。随之改变。在预夹断处在预夹断处 vGD=vGS-v

23、DS =VP vGD=vGS-vDS+-vDS+-vGSVDDVGG JFET栅极与沟道间的栅极与沟道间的PN结是反向偏置结是反向偏置的，的，因此因此iG 0，输入电阻很高。，输入电阻很高。485.3.2 JFET的特性曲线及参数的特性曲线及参数VPconst.DSDGS)( vvfi输出特性输出特性 const.GSDDS)(vvfi转移特性转移特性 ), 0()1 (GSDSGSP2PGSDSSDPVvvvVVvIi49与耗尽型与耗尽型MOSFET类似类似3. JFET的参数的参数50一、直流偏置及静态工作点的计算一、直流偏置及静态工作点的计算5.3.3 JFET放大电路放大电路1、自偏压

24、电路自偏压电路vGSvGSvGSvGSVGS2PGSQDSSDQ)1 (VVIIRIVDQGSQ假设工作在饱和区假设工作在饱和区)(dDQDDDSQRRIVVVGS+-VDS若若VP VGSQ VP，则假设成立。则假设成立。512、分压式自、分压式自偏压电路偏压电路SV GSQVGVDDg2g1g2VRRR RIDQ2PGSQDSSDQ)1 (VVIIR)(RdQDSQDDDIVV需要判断静态工作点是否在饱和区需要判断静态工作点是否在饱和区521. 小信号模型小信号模型 （1）低频模型）低频模型 gm：低频跨导：低频跨导rd：输出电阻：输出电阻rgs ：输入电阻：输入电阻二、动态分析二、动态分析53（2）高频模型）高频模型542. 动态指标分析动态指标分析 （1 1）中