第四章MOSFET及其放大电路-课件

第4章MOSFET及其放大电路2020/12/121第4章场效应管及其放大电路一、FET原理二、FET的特性曲线（N-MOSFET）1.了解FET分类、电路符号。2.理解N-MOSFET工作原理；沟道状态与工作分区。放大区vGS和vDS对iD的影响。理解iD~vGS转移特性曲线、iD

~vDS输出特性曲线及其参变量

vGS；2.掌握iD~vGS之间的平方律公式；三、FET的偏置电路1.电路结构；2.静态工作点的联立求解方法。2020/12/122精品资料你怎么称呼老师？如果老师最后没有总结一节课的重点的难点，你是否会认为老师的教学方法需要改进？你所经历的课堂，是讲座式还是讨论式？教师的教鞭“不怕太阳晒，也不怕那风雨狂，只怕先生骂我笨，没有学问无颜见爹娘……”“太阳当空照，花儿对我笑，小鸟说早早早……”四、FET的小信号模型4.掌握低频小信号模型。五、FET的CS和CD组态放大器熟练掌握放大器电路的指标计算及特点。1.理解gm的含义及计算式；2.理解rds含义；3.完整小信号模型；2020/12/125重点、难点知识点1、基本结构及其导电机理2、伏安特性及其两种表达方式3、基本放大电路的静态与动态参数4、基本放大电路技术指标定义与分析2020/12/1264.1结型场效应管

4.1.1.结型场效应管的结构（以N沟为例）：两个PN结夹着一个N型沟道。三个电极：G：栅极D：漏极S：源极符号：第4章MOSFET放大电路P区浓度高2020/12/1274.1.2结型场效应管的工作原理

（1）栅源电压对沟道的控制作用

在栅源间加负电压VGS，令VDS=0

①当VGS=0时，为平衡PN结，导电沟道最宽。②当│VGS│↑时，PN结反偏，形成耗尽层，导电沟道变窄，沟道电阻增大。③当│VGS│到一定值时，沟道会完全合拢。定义：夹断电压Vp——使导电沟道完全合拢（消失）所需要的栅源电压VGS。

2020/12/128（2）漏源电压对沟道的控制作用

在漏源间加电压VDS，令VGS=0

由于VGS=0，所以导电沟道最宽。

①当VDS=0时，ID=0。②VDS↑→ID↑

→靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，呈楔形分布。③当VDS↑，使VGD=VGS-

VDS=VP时，在靠漏极处夹断——预夹断。预夹断前，VDS↑→ID↑。预夹断后，VDS↑→ID几乎不变。④VDS再↑，预夹断点下移。

（3）栅源电压VGS和漏源电压VDS共同作用可用输入输出两组特性曲线来描绘。

ID=f（VGS、VDS）2020/12/129（1）输出特性曲线：iD=f（VDS）│VGS=常数

4.1.3结型场效应三极管的特性曲线

四个区：①可变电阻区：预夹断前。②电流饱和区（恒流区）：预夹断后。特点：△ID

/△VGS≈常数=gm

即：△ID

=gm△VGS（放大原理）③击穿区。④夹断区（截止区）。VGS<VP

2020/12/1210(a)漏极输出特性曲线(b)转移特性曲（2）转移特性曲线：ID=f（VGS）│VDS=常数(当时)2020/12/12112020/12/12124.2MOS型场效应管4.2.1N沟道增强型MOS管

1、结构与符号P沟道增强型N沟道增强型2020/12/12132、工作原理（1）、vGS对iD及沟道的控制作用

增强型MOS管的漏极d和源极s之间有两个背靠背的PN结。当vGS=0时，不论vDS的极性如何，总有一个PN结处于反偏状态，这时漏极电流iD≈0。2020/12/1214vGS＞0

当vGS数值较小，吸引电子的能力不强时，漏源极之间生成耗尽区（带负电的受主离子），仍无自由电子，无导电沟道出现。vGS再增加时，吸引到P衬底表面层的电子就增多，当vGS达到某一数值时，这些电子在栅极附近的P衬底表面便形成一个N型自由电子薄层，将自由电子层称为N型沟道，因导电类型与P衬底相反，故又称为反型层。

把开始形成沟道时的栅源极电压称为门限电压，用VTN表示。2020/12/1215（2）vDS对iD的影响当vGS>VTN且为一确定值时，正向电压VDS对导电沟道及电流iD的影响与结型场效应管相似（进入夹断才能恒流）。当vDS较小（vDS<vGS-VTN）时iD随vDS近似呈线性变化，沟道没有夹断，FET没有进入压控恒流状态。2020/12/1216当vDS增加到vDS=VTN时沟道在漏极一端出现预夹断继续增大vDS，vGD<VTN

，夹断点将向源极方向移动iD不随vDS增大而增加，ID仅由vGS决定。(或vDS=vGS-VTN)时2020/12/1217（3）N沟道增强型MOS管的特性方程特性曲线和电流方程2020/12/12182020/12/12194.2.2N沟道增强型MOSFET管伏安关系式电阻区：

放大区：

为N沟道元件的传导参数，单位是A/V2。令则是氧化物单位面积的电容，可表示为是氧化物的厚度，是氧化物的介电常数，对硅而言，

是反型层中电子的迁移率。(vGS＞VTN)IDO是vGS=2VTN时的漏极电流iD。2020/12/1220[例4.1]目的：计算N沟道增强型MOSFET的电流已知VTN＝0.75V，W＝4μm，L=4μm，μn=650cm2/(V.s)，tox=450Å，εox=3.5×10-13F/cm。VGS=2VTN，场效应管处于放大状态。试计算电流iD。

解：＝0.249mA/v2当时

注：可以通过增大电导参数Kn来增大晶体管的电流容量。当制造工艺一定时，可通过调节场效应管的沟道宽度W来改变Kn。2020/12/12214.3直流和交流参数和小信号等效模型2020/12/12222020/12/12232020/12/12242020/12/12252020/12/12262020/12/12272020/12/12282020/12/12292020/12/12302020/12/12312020/12/12322020/12/1233例4-1FET、BJT的组态及其电路结构和分析方法类似。但是，对稳态工作点电流ID的求解方式不同（仅能用转移特性方程式和栅源间电压方程式联立求解方程的方法求解ID。）已知：2020/12/12344.3MOSFET的偏置电路

分离MOSFET放大电路的直流偏置集成MOSFET放大电路的直流偏置2020/12/12354.3.1分离MOSFET电路的直流偏置直流通路无自给偏压式CS放大电路2020/12/1236

放大区：

电阻区：

∵MOSFET的栅极直流电流IGS=02020/12/1237[例4.2]目的：计算N沟道增强型MOSFET共源极电路的漏极电流和漏源电压。电路如4.8所示。设R1=30kΩ，R2=20kΩ，RD=20kΩ，VDD=5V，VTN=1V，Kn=0.1mA/V2。求ID和VDS。，

2020/12/1238解：=假设场效应管处于放大状态，则：因为所以假设成立，即场效应管确实处于放大状态，上述分析是正确的。说明：如果不满足漏极电流的计算要采用公式：，则场效应管处于电阻区，2020/12/1239[例4.3]目的：计算N沟道增强型MOSFET的栅源电压、漏源电流和漏源电压。电路如图4.9所示。场效应管的参数为VTN=1V，Kn=0.5mA/V2。求VGS、ID和VDS。

RS的作用－稳定静态工作点2020/12/1240假设场效应管处于放大区，则：

即假设成立，场效应管处于放大区。另两种假设（电阻区或截止区）导致无解。解：由上两式可得：VGS=2.65V或VGS=-2.65V(舍去）

ID=1.35mA2020/12/1241[分析指南]MOSFET电路的直流分析求VGS，VGS>VTN?假设工作在放大区ID=Kn(VGS-VTN)2假设工作在电阻区ID=Kn[2(VGS-VTN)VDS-VDS2]工作在截止区VDS>VDS(sat)=VGS-VTN?成功失败VDS>VDS(sat)=VGS-VTN?成功失败是否是是否否2020/12/1242直流电路如图4.10所示。设MOSFET的参数为VTN=2V，Kn=0.16mA/V2。试确定R1和R2使流过它们的电流为0.1ID。要求ID=0.5mA，采用标准电阻。[例4.4]目的：设计MOSFET电路的直流偏置，满足漏极电流的特定要求。2020/12/1243解：假设场效应管工作于放大区，则有

取R1=100kΩ，R2=100kΩ。2020/12/1244验证场效应管是否处于放大区确实处于放大区，假设正确。2020/12/12454.3.2集成MOSFET电路的直流偏置[例4.5]目的：设计一个由恒流源提供偏置的MOSFET电路。电路如图4.11(a)所示。场效应管的参数为

设计电路参数使2020/12/1246解：假设场效应管处于放大区，则有确实工作在放大区。验证是否工作在放大区：2020/12/1247将N沟道增强型MOSFET像图4.12所示那样连接的电路应用较为广泛。图中，永远成立，另外只要保证即可保证场效应管工作在放大区。常称这种连接电路为增强型负载电路（这种称法在下一章作详细解释）。2020/12/1248[例4.6]目的：计算含增强型负载电路的工作点。电路如图4.13所示。已知VTN=0.8V，Kn=0.05mA/V2。解：由于场效应管工作于放大区，所以

由上两式可得解得2020/12/12494.4MOSFET放大电路的交流电路单级或单管MOSFET放大器的三种基本组态：共源极放大电路共漏极放大电路共栅极放大电路增强型负载2020/12/12504.3.1MOSFET放大电路的线性化分析原理

2020/12/1251图4.17共源极电路

图4.18输入输出电压信号波形

2020/12/12521．跨导

gm设MOSFET工作于放大区4.3.2MOSFET放大电路线性化模型的交流参数若则2020/12/1253令则即gm是场效应管的跨导。跨导也可以通过求微分得到:注：跨导gm与静态工作点有关。2020/12/12542.交流输出电阻rDSMOSFET工作于放大区时，漏极电流iD与漏源电压vDS无关?实际MOSFET的iD-vDS特性曲线在放大区的斜率不为零。当vDS>vds(sat)时，出现沟道长度调制。类似于BJT的基区宽调效应。对N沟道增强型MOSFET，这种倾斜现象可以用下式校正：如何确定λ－沟道长度调制参数？2020/12/1255所有曲线的反向延长线都与电压轴相交于vDS=-VA处，电压VA为正，它与双极型晶体管的Early电压相似。令iD=0可得λ＝1/VA。2020/12/12564.3.3MOSFET放大电路的交流小信号线性模型2020/12/1257[例4.9]目的：确定MOSFET的小信号电压增益。电路如图4.17所示。设VGSQ=2.12V，VDD=5V，RD=2.5kΩ。场效应管参数为VTN=1V，Kn=0.80mA/V，λ=0.02V-1。该场效应管工作于放大区。求AV=vo/vi。解题思路：求IDQ求交流参数gm和rDS画交流小信号等效电路求AV、Ri、Ro等2020/12/1258解：=0.8×(2.12-1)=1.0mA

=5-1×2.5=2.5V

因此2.5V=2.12-1=1.12V

场效应管确实工作于放大区。

跨导＝2×0.8×(2.12-1)=1.79mA/V

输出电阻

K

2020/12/1259由图4.21可求得输出电压为

∥由于，所以小信号电压增益为

=∥=-1.79×(50∥2.5)=-4.26

2020/12/1260说明：由于MOSFET的跨导较小，因此与双极型晶体管放大电路相比，MOSFET放大电路的小信号电压增益也较小。小信号电压增益为负，表明输出电压与输入电压的相位相差180°，即反相。2020/12/1261第四章

MOSFET及其放大电路2020/12/12624.4MOSFET放大电路的三种基本组态共源极放大电路-CS共漏极放大电路-CD共栅极放大电路-CG2020/12/12634.4.1共源极放大器-CS1.共源极电路的基本结构2020/12/1264图4.24直流负载线、临界点和静态工作点2020/12/1265小信号等效电路2020/12/1266输出电压

又因此小信号电压增益为输入电阻输出电阻2020/12/1267[例4.10]目的：确定共源极放大器的小信号电压增益和输入、输出电阻。电路如图4.22所示。已知VDD=10V，R1=70.9kΩ，R2=29.1kΩ，RD=5kΩ。场效应管参数VTN=1.5V，Kn=0.5mA/V²，λ=0.01V-1。设Rg=4kΩ。求Av=vo/vi，Ri和Ro2020/12/1268解：①直流计算②小信号电压增益、输入电阻和输出电阻的计算因为所以场效应管工作在放大区。2020/12/1269说明：该例的结果表明，工作点位于直流负载线的中心（VDSQ=VDD/2=10/2=5V），但不是放大区的中心（VDS=VDS(sat)+(VDD-VDS(sat))/2=1.41+(10-1.41)/2=6.61V）。所以该电路在此情况下不能获得最大不失真电压。2020/12/1270讨论：由于不为零，所以放大器输入信号只占信号源电压的83.7％,这也被称为负载效应。尽管从栅极看入的场效应管输入电阻几乎为无穷大，但偏置电阻仍极大地影响了放大器的输入电阻和负载效应。

2020/12/1271[设计例题4.11]目的：设计MOSFET放大电路的偏置电阻，使工作点位于放大区的中心。电路如图4.25所示。场效应管的参数为VTN=1V，Kn=1mA/V²，λ=0.015V-1。设Ri=R1//R2=100kΩ,设计电路参数使IDQ=2mA，且工作点位于放大区的中心。

2020/12/1272解：负载线和所期望的工作点如图4.26所示。若工作点位于放大区的中心，则临界点处的电流必须为4mA。即4mA（下标t表示临界处的值）又∴由此可得3V或

-1V（舍去）所以将工作点设置在放大区的中心，则

2020/12/1273

由此可知，最大输出电压的峰—峰值为

下面求电阻和的值。

由

2020/12/1274可得2.41V或-0.41V（舍去）又

由此可得

498kΩ,

125kΩ下面计算放大器的小信号增益.

2020/12/1275k

////说明:本例中没有考虑负载电容。如果考虑负载电容，则工作点应为交流负载线在放大区的中心，才能获得对称的最大不失真电压。2020/12/1276[例4.12]目的：计算含源极电阻的共源极电路的小信号电压增益。电路如图4.26所示。场效应管参数为VTN=0.8V，Kn=1mA/V²，λ=0。求Av=vo/vi。

2.含源极电阻的共源极放大器2020/12/1277解：由直流分析可得小信号跨导为

小信号输出电阻为2020/12/1278栅—源输入回路的KVL方程为即小信号电压增益为下面计算小信号电压增益：2020/12/1279说明：源极电阻的影响

无源极电阻：通过计算可得VGS=1.75V，gm=1.9mA/V，AV=-gmRD=-13.3。由此可见，源极电阻减小了小信号电压增益（绝对值）。

有源极电阻：工作点更加稳定。有源极电阻时，若Kn=0.8mA/V²，则gm=1.17mA/V，AV=-5.17；若Kn=1.2mA/V²，则gm=1.62mA/V，AV=-6.27。这表明，当传导参数Kn在±20％内变化时，电压增益的变化为±9.5％。而如果没有源极电阻，可通过相应计算知，参数Kn在±20％变化时，电压增益的变化仍为±20％。由此可见，工作点在有源极电阻时更加稳定。2020/12/12803.含源极旁路电容的共源极电路源极电阻上并联一个旁路电容：

减小源极电阻降低小信号增益的程度2020/12/1281[例4.13]目的：求电路的小信号电压增益，电路由恒流源提供偏置，源极旁路电容与恒流源并联。电路如图4.28所示。场效应管参数为VTN=0.8V，Kn=1mA/V²，λ=0，求Av=vo/vi。2020/12/1282因为VDS(sat)=VGSQ-VTN=1.51-0.8=0.71VVDSQ>VDS(sat)，由此可见场效应管工作于放大区。解：由于栅极直流电压为零，所以源极的直流电压为VS=-VGSQ，栅—源电压VGSQ由下式求得：

即由此可得或（舍去）2020/12/1283图4.29图4.28交流小信号等效电路2020/12/1284输出电压由于vgs=vi，因此小信号电压增益为（由例4.12可知，gm=1.4mA/V）

说明：与例4.12的小信号电压增益-5.76相比，增加源极旁路电容后，小信号电压增益升高为-9.8（只考虑绝对值）。2020/12/12854.4.2源极跟随器-CD图4.30MOSFET共漏极电路2020/12/1286交流性能分析图4.31图4.30交流小信号等效电路2020/12/1287输出电压

由KVL，有

因此

(4.15)1.电压增益又其中2020/12/1288小信号电压增益为即由上式可见，电压增益Av小于1但接近于1，正的增益意味着输出电压与输入电压同相。因为输出信号基本上与输入信号相等，所以称该电路为源极跟随器。这一结果与BJT射极跟随器的情况相似。

2020/12/1289[例4.14]目的：计算源极跟随器的小信号电压增益。电路如图4.30所示。已知VDD=12V，R1=162kΩ，R2=463kΩ，RS=0.75kΩ。场效应管参数为VTN=1.5V，Kn=4mA/V²，λ=0.01V。设Rg=4kΩ。求Av=vo/vi。2020/12/1290解：直流分析结果为7.97mA，2.91V

小信号跨导为2×4×(2.91-1.5)=11.3mA/V

小信号输出电阻为k放大器输入电阻为=162∥463=120k小信号电压增益为2020/12/1291说明：小信号电压增益为0.860,大于零且小于1。源极跟随器的电压增益表达式与BJT的射极跟随器的增益表达式类似。由于BJT的跨导一般比MOSFET的跨导大得多，所以射极跟随器的电压增益比MOSFET源极跟随器的增益更趋近于1。2020/12/1292[设计例题4.15]目的：设计一个特定的N沟道增强型MOSFET源极跟随器。电路如图4.32所示。场效应管参数为VTN=1V，Kn=1mA/V²，λ=0。电路参数为VDD=5V，Ri=300kΩ（1）设计电路参数，使IDQ=1.7mA，VDSQ=3V;（2）求小信号电压增益Av=vo/vi。2020/12/1293解：（1）k

代入数据得1.7=1×(-1)²

由此可得

=2.30V或=-0.3V（舍去）

又

2020/12/1294代入数据得

2.30=5-1.7×1.18

由此可得348.8k,2144k（2）2×1×(2.30-1)

=2.6mA/V

2020/12/1295参照图4.30(b)，令其中的，去掉，即为图4.31的交流等效电路，这里不再重画。

代入数据得2020/12/1296根据图4.31(b)求交流输入电阻和输出电阻。输入电阻为了计算输出电阻，将图中小信号电压源置零，在电路的输出端施加一个测试电压vx，如图4.33所示。然后求出相应的电流ix，则输出电阻Ro=vx/ix。2.交流输入、输出电阻

图4.33求交流输出电阻的等效电路2020/12/1297在源极输出端列写KCL方程得由于输入回路中无电流，因此所以即

由图4.33可见，vgs是受控电流源gmvgs两端的电压。这意味着受控电流源的等效电阻为1/gm。这一结果说明从源极（忽略rds）看入的等效电阻为1/gm。2020/12/1298[例4.16]目的：计算源极-CS跟随器的输出电阻。电路如图4.30所示，电路参数和场效应管参数与例4.14相同。求输出电阻Ro。

解：由例4.14知，gm=11.3mA/V，RS=0.75kΩ，rds=12.5kΩ

，所以

说明：在源极跟随器输出电阻中，跨导占主要地位。由于输出电阻很小，源极跟随器近似为一个理想的电压源，也就是说，它的输出驱动能力较强。2020/12/12994.4.3共栅-CG极放大器2020/12/12100图4.35图4.34所示电路的小信号等效电路2020/12/12101设场效应管小信号输出电阻rds为无穷大。输出电压为由输入回路的KVL方程得 其中1.小信号电压增益和电流增益因此小信号电压增益为电压增益为正，说明输出电压与输入电压相位相同。（1）小信号电压增益2020/12/12102（2）小信号电流增益在许多应用场合，共栅极电路的输入信号是电流。图4.36电流信号源的共栅极电路的小信号等效电路2020/12/12103在输入端由KCL可得当及时，电流增益约为1，但总小于1，且输出电流与输入电流同相。与BJT共基极电路的电流增益相似。即小信号电流增益为(4.18)2020/12/121042.交流输入、输出电阻输入电阻：因为所以与共源放大器和源极跟随器不同，共栅极电路由于场效应管的原因输入电阻很低。然而，如果输入信号是电流，输入电阻低就成为优点。2020/12/12105下面求输出电阻。由图4.36，将电流源置零（开路），可得

，这说明

，因此受控电流源。从负载电阻的输入端方向看的输出电阻为2020/12/12106[例4.17]目的：对共栅极电路，在给定输入电流的情况下，求输出电压。电路如图4.34所示，其交流等效电路如图4.36所示。已知电路参数为IQ=1mA，V+=5V，V-=-5V，RG=100kΩ，RD=4kΩ，RL=10kΩ。场效应管参数为VTN=1V，Kn=1mA/V²，λ=0。输入电流ii=100sin(ωt)µA，Rg=50kΩ。求vo。2020/12/12107解代入数据得1=1×(-1)²

解得=2V或=0（舍去）小信号跨导为2×1×(2-1)=2mA/V

由式(4.18)可得输出电流的表达式为输出电压为即2020/12/121084.4.4三种基本放大器组态的总结与比较

表4.1三种MOSFET放大器的特性2020/12/12109

电压增益：共源极|(-gm(RD//rds)|或|-gm(RD//rds)/(1+gmRS))|>>1共栅极gm(RD//rds)/(1+gmRg)>>1源极跟随器gmRS/(1+gmRS)≈1

输入电阻：共源极电路和源极跟随器R1//R2共栅极电路1/gm

输出电阻：源极跟随器1/gm//RS//rds共源极和共栅极电路RD。2020/12/121102020/12/12111二、N沟道耗尽型MOS管

N沟道耗尽型MOS管与N沟道增强型MOS管相似，区别仅在于栅源极电压vGS=0时，耗尽型MOS管中的漏源极间已有导电沟道产生。在SiO2绝缘层中掺入了大量的金属正离子Na+或K+N沟道P沟道2020/12/12112vGS=0时，漏源极间的P型衬底表面也能感应生成N沟道(称为初始沟道)，加上正向电压vDS，就有电流iD。加上正的vGS，沟道加宽，沟道电阻变小，iD增大。vGS为负时，沟道变窄，沟道电阻变大，iD减小。当vGS负向增加到某一数值时，导电沟道消失，iD趋于零，管子截止，故称为耗尽型。沟道消失时的栅源电压称为夹断电压，仍用VP表示。结型场效应管只能在vGS<0的情况下工作。N沟道耗尽型MOS管在vGS=0，vGS>0，VP<vGS<0。2020/12/12113三、场效应管的主要参数(1)开启电压VT（又称门限电压）

VT是MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值,场效应管不能导通。

（2）夹断电压VP

VP是MOS耗尽型和结型FET的参数，当VGS=VP时,漏极电流为零。

（3）饱和漏极电流IDSS

MOS耗尽型和结型FET,当VGS=0时所对应的漏极电流。

（4）输入电阻RGS结型场效应管，RGS大于107Ω，MOS场效应管,RGS可达109～1015Ω。2020/12/12114（5）低频跨导gm

gm反映了栅压对漏极电流的控制作用，单位是mS(毫西门子)。（6）最大漏极功耗PDM

PDM=VDSID，与双极型三极管的PCM相当。2020/12/12115四、场效应管使用注意事项1、

MOS管栅、源极之间的电阻很高，使得栅极的感应电荷不易泄放，因极间电容很小，会造成电压过高使绝缘层击穿。因此，保存MOS管应使三个电极短接，避免栅极悬空。焊接时，电烙铁的外壳应良好地接地，或烧热电烙铁后切断电源再焊。2、

有些场效应晶体管将衬底引出，故有4个管脚，这种管子漏极与源极可互换使用。但有些场效应晶体管在内部已将衬底与源极接在一起，只引出3个电极，这种管子的漏极与源极不能互换。3、

使用场效应管时各极必须加正确的工作电压。4、

在使用场效应管时，要注意漏、源电压、漏源电流及耗散功率等，不要超过规定的最大允许值。2020/12/12116五、双极型和场效应型三极管的比较各类型场效应管的特性比较见P：1732020/12/121171.直流偏置电路：保证管子工作在饱和区，输出信号不失真

二.场效应管放大