5-模拟电子技术第五章场效应管及其放大电路.ppt

1、,5.1 金属-氧化物-半导体（MOS）场效应管,5.1.1 N沟道增强型MOSFET,5.1.5 MOSFET的主要参数,5.1.2 N沟道耗尽型MOSFET,5.1.3 P沟道MOSFET,5.1.4 沟道长度调制效应,P沟道,耗尽型,P沟道,P沟道,（耗尽型）,场效应管的分类：,5.1.1 N沟道增强型MOSFET,1. 结构（N沟道）,L ：沟道长度,W ：沟道宽度,tox ：绝缘层厚度,通常 W L,（动画2-3）,5.1.1 N沟道增强型MOSFET,剖面图,1. 结构（N沟道）,符号,二、 工作原理,栅源电压VGS的控制作用,把开始形成反型层的VGS值称为该管的开启电压VT。这时

2、，若在漏源间加电压 VDS，就能产生漏极电流 I D，即管子开启。 VGS值越大，沟道内自由电子越多，沟道电阻越小，在同样 VDS 电压作用下， I D 越大。这样，就实现了输入电压 VGS 对输出电流 I D 的控制。,当VGSVT时，衬底中的电子进一步被吸至栅极下方的P型衬底表层，使衬底表层中的自由电子数量大于空穴数量，该薄层转换为N型半导体，称此为反型层。形成N源区到N漏区的N型沟道。,I D,漏源电压VDS对沟道导电能力的影响,当VGSVT且固定为某值的情况下，若给漏源间加正电压VDS则源区的自由电子将沿着沟道漂移到漏区，形成漏极电流ID，当ID从D S流过沟道时，沿途会产生压降，进而

3、导致沿着沟道长度上栅极与沟道间的电压分布不均匀。源极端电压最大，为VGS ，由此感生的沟道最深；离开源极端，越向漏极端靠近，则栅沟间的电压线性下降，由它们感生的沟道越来越浅；直到漏极端，,栅漏间电压最小，其值为： VGD=VGS-VDS , 由此感生的沟道也最浅。可见，在VDS作用下导电沟道的深度是不均匀的，沟道呈锥形分布。若VDS进一步增大，直至VGD=VT，即VGS-VDS=VT或VDS=VGS-VT 时，则漏端沟道消失，出现预夹断。,A,当VDS为0或较小时，VGDVT，此时VDS 基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。,当VDS增加到使VGD=VT时，漏极处沟道将缩减到刚刚开启的情况，

4、称为预夹断。源区的自由电子在VDS电场力的作用下，仍能沿着沟道向漏端漂移，一旦到达预夹断区的边界处，就能被预夹断区内的电场力扫至漏区，形成漏极电流。,当VDS增加到使VGDVT时，预夹断点向源极端延伸成小的夹断区。由于预夹断区呈现高阻，而未夹断沟道部分为低阻，因此，VDS增加的部分基本上降落在该夹断区内，而沟道中的电场力基本不变，漂移电流基本不变，所以，从漏端沟道出现预夹断点开始， ID基本不随VDS增加而变化。,可变电阻区(resistive region) 饱和区 恒流区（constant current region）放大区 夹断区（cutoff rigion） 截止区,1. 输出特性,

5、vGD= vGS-vDS=VT,三、特性曲线及特性方程,可变电阻区：,饱和区：,可变电阻区特性曲线原点附近：,n ：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,Kn为电导常数，单位：mA/V2,是vGS2VT时的iD, vGS VT 时， iD = 0； vGS VT时， iD随vGS增大而增大。,2、转移特性,3、转移特性与漏极特性间的关系,在漏极特性上,对应某一vDS,作一垂直线； 该垂线与各漏极特性相交得到一组交点； 由各交点所对应的vGS 和iD值可画出对应的转移特性。,5.1.2 N沟道耗尽型MOSFET,一、结构与符号,二、工作原理,N沟道耗尽型MOSFET在

6、正、负栅源电压下均能工作。,(1. 输出特性 2. 转移特性),三、特性曲线,5.1.3 P沟道MOSFET,一、符号,二、特性曲线,vGSVT,1、可变电阻区,2、饱和区,5.1.4 沟道长度调制效应,绝 缘 栅 场 效 应 管,N 沟 道 增 强 型,P 沟 道 增 强 型,绝缘栅场效应管,N 沟 道 耗 尽 型,P 沟 道 耗 尽 型,5.1.5 MOSFET的主要参数,一、直流参数,4.直流输入电阻RGS 在漏源短路的情况下，栅源间加一定电压时的栅极直流电阻， 约为1091015。,3. 饱和漏极电流IDSS （耗尽型） vGS=0，|vDS| |VP|时对应的漏极电流。,2. 夹断电

7、压VP（耗尽型） vDS一定时，使漏极电流iD下降至微小电流的vGS。,1. 开启电压VT（增强型） vDS一定时，使漏极电流iD等于微小电流的vGS。,二、交流参数,2. 低频互导（跨导） gm 用以描述栅源电压vGS 对漏极电流iD的控制作用，相当于转移特性上工作点的斜率，表征FET的放大能力，相当于双极型三极管的。,单位:mS或S,1. 输出电阻rds 用以描述漏源电压vDS 对漏极电流iD的影响，相当于漏极特性上某点切线斜率的倒数。饱和区输出电阻很大，一般为几十到几百千欧。,三、极限参数,3. 最大漏源电压V(BR)DS 指发生雪崩击穿时，漏极电流iD急剧上升时的vDS。与vGS有关。

8、,4. 最大栅源电压 V(BR)GS 指PN结电流开始急剧增大时的vGS。,1. 最大漏极电流IDM 指管子正常工作时漏极电流允许的上限值。,2. 最大耗散功率PDM 由PDM= VDS ID决定，在管子内部将变成热能，使管子的温度升高，为了使管子温度不致升的太高，限制其耗散功率不能超过PDM。,5.2 MOSFET放大电路,5.2.1 MOSFET放大电路,1. 直流偏置及静态工作点的计算,2. 小信号模型分析,*5.2.2 带PMOS负载的NMOS放大电路,3. MOSFET 三种基本放大电路比较,1 简单的共源极放大电路,一、静态工作点的计算,注意：通过判断VDS是否大于VGS-VT，来

9、确定管子工作在饱和区还是可变电阻区。 当VGSVT，管子截止。,例题: 电路如图所示，设Rg1=60k，Rg2=40k，Rd=15k，VDD=5V，VT=1V，Kn=0.2mA/V2。试计算电路的静态漏极电流IDQ和漏源电压VDSQ。,假设工作在饱和区(放大区）,满足,解：,2 带源极电阻的NMOS共源极放大电路,静态工作点的计算,射极电阻也具有稳定静态工作点,例题: 电路如图所示，设VT=1V，Kn=500A/V2，VDD=5V，-VSS=-5V， Rd=10k， R=0.5k， ID=0.5mA。若流过Rg1 和Rg2的电流是ID的1/10，试确定Rg1和Rg2的值。,例题: 电路如图所示

10、，由电流源提供偏置（可由其它MOS管构成）。设NMOS管的参数为Kn=160A/V2， VT=1V， VDD=VSS=5V，IDQ=0.25mA， VDQ=2.5V。试求电路参数。,静态时，vI0，VG 0，ID I,VS VG VGS,（饱和区）,VDS VD VS =VDDIDRD VS,二、小信号模型,产生谐波或非线性失真,漏极信号电流,= 0, 0,例题5.2.4: 电路如图所示，设VDD=5V， Rd=3.9k， VGS=2V， VT=1V，Kn=0.8mA/V2，=0.02V-1。试当管工作在饱和区时，试确定电路的小信号电压增益。,共源极放大电路,例题5.2.5: 电路如图所示，设

11、Rg1=150k，Rg2=47k，VT=1V，Kn=500A/V2，=0，VDD=5V，-VSS=-5V， Rd=10k， R=0.5k， Rs=4k。求电路的电压增益和源电压增益、输入电阻和输出电阻。,例题: 电路如图所示，耦合电容对信号频率可视为交流短路，场效应管工作在饱和区，rds很大，可忽略。试画出小信号等效电路，求出输入电阻、小信号电压增益、源电压小信号增益和输出电阻。,共漏极放大电路（源极跟随器）,3. MOSFET 三种基本放大电路比较(p.221),共源极放大电路,共漏极放大电路(源极输出器）,共栅极放大电路,5.3 结型场效应管,5.3.1 JFET的结构和工作原理,5.3.

12、2 JFET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,5.3.1 JFET的结构和工作原理,1. 结构,# 符号中的箭头方向表示什么？,栅源电压VGS对iD的控制作用,当VGS0时，PN结反偏，耗尽层变厚，沟道变窄，沟道电阻变大；,VGS更负，沟道更窄，直至沟道被耗尽层全部覆盖，沟道被夹断。这时所对应的栅源电压VGS称为夹断电压VP。,2.工作原理 (以N沟道结型场效应管为例）,漏源电压VDS对iD的影响,在栅源间加电压VGSVP，漏源间加电压VDS。则因漏端耗尽层所受的反偏电压为VGD=VGS-VDS，比源端耗尽层所受的反偏电压VGS大,(如:VGS=-2V, VDS

13、 =3V, VP=-9V,则漏端耗尽层受反偏电压为-5V，源端耗尽层受反偏电压为-2V),使靠近漏端的耗尽层比源端厚，沟道比源端窄，故VDS对沟道的影响是不均匀的，使沟道呈楔形。,当VDS增加到使VGD=VGS-VDS =VP 时，在紧靠漏极处出现预夹断点，,随VDS增大，这种不均匀性越明显。,当VDS继续增加时，预夹断点向源极方向伸长为预夹断区。由于预夹断区电阻很大，使主要VDS降落在该区，由此产生的强电场力能把未夹断区漂移到其边界上的载流子都扫至漏极，形成漏极饱和电流。,综上分析可知,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。,JFET是电压控制电流器件，i

14、D受vGS控制,预夹断前iD与vDS呈近似线性关系；预夹断后， iD趋于饱和。,# 为什么JFET的输入电阻比BJT高得多？,JFET栅极与沟道间的PN结是反向偏置的，因 此iG0，输入电阻很高。,5.3.2 JFET的特性曲线及参数,2. 转移特性,VP,1. 输出特性,漏极输出特性,1、可变电阻区,2、饱和区,3、截止区,当大于某值时，不同的转移特性很接近,转移特性,5.3.3 JFET放大电路的小信号模型分析法,一. JFET的小信号模型,二、分压器式自偏压电路（共源极电路）,1. 静态分析,输出电阻,输入电阻,电压放大倍数,2. 小信号模型,倒相电压放大电路,例题：在图示电路中,已知R

15、g1= 2M，Rg2=47k，Rg3=10M ，Rd=30k， R=2k， VDD=18V， VP=-1V， IDSS=0.5mA，且=0，试确定Q。,共漏极放大电路如图示。试求中频电压增益、输入电阻和输出电阻。,（2）中频电压增益,（3）输入电阻,得,解：,（1）中频小信号模型,由,例题,（4）输出电阻,所以,由图有,例题,解：,画中频小信号等效电路,则电压增益为,例题,根据电路有,由于,则,5.5 各种放大器件性能比较,1.耗尽型场效应管包含了JFET和耗尽型MOSFET； 2.增强型场效应管仅包含增强型MOSFET。,BJT放大电路的三种组态： 共发射极（CE）、共集电极（CC）、共基极

16、（CB）。 JFET和MOSFET放大电路的三种组态： 共源极（CS）、共漏极（CD）、共栅极（CG）。 两类放大元件的三种通用组态： 1反相电压放大器： 共发射极（CE）、共源极（CS） 2电压跟随器： 共集电极（CC）、共漏极（CD） 3电流跟随器： 共基极（CB）、共栅极（CG）,5.5.2 各种放大器件电路性能比较,5.5.1 各种FET的特性比较,双极型和场效应型三极管的比较,双极型三极管 场效应管(单极型三极管) 结构 NPN型 结型耗尽型 N沟道 P沟道 PNP型 绝缘栅增强型 N沟道 P沟道 绝缘栅耗尽型 N沟道 P沟道 C与E一般不可倒置使用 D与S有的型号可倒置使用 载流子 多子扩散少子漂移 多子漂移 输入量 电流输入 电压