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1、第五章模拟电路1第1页，共58页，编辑于2022年，星期三5 场效应管放大电路场效应管放大电路N沟道沟道P沟道沟道增强型增强型耗尽型耗尽型N沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道P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绝缘栅型绝缘栅型分类：分类：第2页，共58页，编辑于2022年，星期三5.1 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应管半导体场效应管 结构结构 工作原理工作原理 V-I特性曲线及大信号特征方程特性曲线及大信号特征方程 5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET 5.1.2 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET 5.1.5 MOSFET的主要参数的主要
2、参数 第3页，共58页，编辑于2022年，星期三5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET1.N沟道增强型沟道增强型MOSFET的结构的结构2.(Metal-Oxide Semiconductor Type Field Effect Transistor)第4页，共58页，编辑于2022年，星期三5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET1.N沟道增强型沟道增强型MOSFET的结构的结构2.(Metal-Oxide Semiconductor Type Field Effect Transistor)第5页，共58页，编辑于2022年，星期三5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFE
3、T4个电极：漏极个电极：漏极D，源极源极S，栅极，栅极G和和 衬底衬底P。符号：符号：-gsd衬底衬底1.N沟道增强型沟道增强型MOSFET的结构的结构2.(Metal-Oxide Semiconductor Type Field Effect Transistor)第6页，共58页，编辑于2022年，星期三5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET2.工作原理工作原理 当当vGS0V时时纵向电场纵向电场将靠将靠近栅极下方的空穴向下排斥近栅极下方的空穴向下排斥耗尽层。耗尽层。当当vGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的时，漏源之间相当两个背靠背的 二极管，在二极管，在d、s之间加上电压也不
4、之间加上电压也不会形成电流，即管子截止。会形成电流，即管子截止。再增加再增加vGS VT 纵向电场纵向电场将将P区少子电子聚集到区少子电子聚集到P区表面区表面形成形成导电沟道。导电沟道。-P衬底衬底sgN+bd二氧化硅+N-s二氧化硅P衬底衬底g+Nd+bNVGGid-s二氧化硅二氧化硅P衬底衬底gDDV+Nd+bNVGGid 如果此时加有漏源电压，就可如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流以形成漏极电流id。漏源电压较大，。漏源电压较大，出现夹断时，出现夹断时，id趋于饱和。趋于饱和。第7页，共58页，编辑于2022年，星期三5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET2.工作原理工作原
5、理 定义：定义：开启电压（开启电压（VT）刚刚产生沟道所需的栅源电压刚刚产生沟道所需的栅源电压VGS。N N沟道增强型沟道增强型MOSMOS管的基本特性：管的基本特性：vGS VT，管子截止，管子截止，vGS VT，管子导通。，管子导通。vGS 越大，沟道越宽，在相同的漏源电压越大，沟道越宽，在相同的漏源电压vDS作用下，漏极电流作用下，漏极电流ID越大。越大。第8页，共58页，编辑于2022年，星期三3.V-I特性曲线及大信号特征方程特性曲线及大信号特征方程v=3VDSGSvGS=5VvvvGS(mA)=4VDiGS=6V(V)5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET（1）输出特性及大
6、信号特性方程）输出特性及大信号特性方程iD=f(vDS)|vGS=constant预预夹断夹断临界点轨迹临界点轨迹vGD=vGS vDS=VTvDS VGS-VT饱和区饱和区截止区截止区vGS|VP|时时的漏极电流的漏极电流4.直流输入电阻直流输入电阻RGS：在漏源之间短路的条件下，栅源之间加一定电压时的在漏源之间短路的条件下，栅源之间加一定电压时的栅源直流电阻栅源直流电阻第13页，共58页，编辑于2022年，星期三5.1.5 MOSFET的主要参数的主要参数2.低频互导低频互导gm互导反映了互导反映了vGS对对iD的控制能力，相当的控制能力，相当于转移特性曲线上工作点的斜率。于转移特性曲线上
7、工作点的斜率。单位是单位是mS或或 S1.输出电阻输出电阻rd十分之几至几十分之几至几mS，互导随管子工作点不同而变，互导随管子工作点不同而变几十千欧到几百千欧几十千欧到几百千欧二、交流参数二、交流参数N沟道沟道EMOSFET第14页，共58页，编辑于2022年，星期三5.1.5 MOSFET的主要参数的主要参数2.最大耗散功率最大耗散功率PDM3.最大漏源电压最大漏源电压V(BR)DS4.最大栅源电压最大栅源电压V(BR)GS发生雪崩击穿、发生雪崩击穿、iD 开始急剧上升时的开始急剧上升时的vDS值值栅源间反向电流开始急剧增加时的栅源间反向电流开始急剧增加时的vGS值值PDM=vDS iD受
8、管子最高工作温度的限制受管子最高工作温度的限制三、极限参数三、极限参数1.最大漏极电流最大漏极电流IDM：管子正常工作时漏极电流允许的上限值：管子正常工作时漏极电流允许的上限值第15页，共58页，编辑于2022年，星期三5.2 MOSFET放大电路放大电路 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 图解分析图解分析 5.2.1 MOSFET放大电路放大电路 5.2.2 带带PMOS负载的负载的NMOS放大电路放大电路 小信号模型分析小信号模型分析第16页，共58页，编辑于2022年，星期三5.2.1 MOS放大电路放大电路 根据求得的根据求得的VDS判断判断FET工作在饱和区或可变
9、电阻区工作在饱和区或可变电阻区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VDDvoviBCb2Cb1Rg1RdRg2gdsTid（1）简单的共源极放大电路）简单的共源极放大电路N沟道增强型沟道增强型MOS管电路的直流计算步骤见管电路的直流计算步骤见P.212第17页，共58页，编辑于2022年，星期三5.2.1 MOS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+VDDvoviBCb2Cb1Rg1RdRg2gdsTid-VSSRsR当当NMOS管工作在饱和区管工作在饱和区第18页，共
10、58页，编辑于2022年，星期三5.2.1 MOS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+VDDvoviBCb2Cb1Rg1RdRg2gdsTid-VSSRsR在在MOS管中接入源极电管中接入源极电阻，也具有稳定静态工阻，也具有稳定静态工作点的作用作点的作用很多很多MOS管电路的源极管电路的源极电阻被电流源代替（电阻被电流源代替（例例5.2.3）第19页，共58页，编辑于2022年，星期三2.图解分析图解分析VDDvOBRdgdsTidviVGG+-+-iDvDSoVDD预预夹断夹断临界点轨
11、迹临界点轨迹vGD=vGS vDS=VTVDD/RdoottiDIDQVDSQidvdsviVGS=VGGQvDSVGG VTVDD 足够足够大，场效大，场效应管工作应管工作于饱和区于饱和区第20页，共58页，编辑于2022年，星期三5.2.1 MOS放大电路放大电路 3.小信号模型分析小信号模型分析输入信号很小，输入信号很小，FET工作在饱和区，看成双口网络，工作在饱和区，看成双口网络，N沟道沟道EMOS第21页，共58页，编辑于2022年，星期三5.2.1 MOS放大电路放大电路 3.小信号模型分析小信号模型分析第三项与输入信号平方成正比，当第三项与输入信号平方成正比，当vi=vgs为正弦
12、时，平方项使输出电压为正弦时，平方项使输出电压产生谐波或非线性失真产生谐波或非线性失真小信号条件：小信号条件：vgs2(VGSQ-VT)第22页，共58页，编辑于2022年，星期三5.2.1 MOS放大电路放大电路 3.小信号模型分析小信号模型分析sgdvgsgmvgsvdssgdrdsvgsgmvgsvdsiD低频小信号模型低频小信号模型gsdvGSiDvDSsgdrdsvgsgmvgsvdsiDCgs+CgbCgdCdsFET的高频模型的高频模型第23页，共58页，编辑于2022年，星期三例题例题 例例5.2.5 电路如图所示。试求中频电压增电路如图所示。试求中频电压增益、输入电阻和输出电
13、阻。益、输入电阻和输出电阻。voRvigRdRg1|Rg2sd Rsvs+-+VDDvoviBCb2Cb1Rg1RdRg2gdsTid-VSSRsR第24页，共58页，编辑于2022年，星期三例题例题voRvigRdRg1|Rg2sd Rsvs+-第25页，共58页，编辑于2022年，星期三例题例题 例例5.2.6 电路如图所示。试求中频电电路如图所示。试求中频电压增益、输入电阻和输出电阻。压增益、输入电阻和输出电阻。voRvigrdsRg1|Rg2sdRs+VDDvoviBCbRg1Rg2gdsTRsRvs+-第26页，共58页，编辑于2022年，星期三例题例题同相放大同相放大电压跟随电压跟
14、随voRvigrdsRg1|Rg2sdRs第27页，共58页，编辑于2022年，星期三例题例题RiRsdRsgvTi iTRo计算输出电阻时，信号源置计算输出电阻时，信号源置零，除去负载，在输出端加零，除去负载，在输出端加测试源测试源vTrdsRg1|Rg2第28页，共58页，编辑于2022年，星期三5.3 结型场效应管结型场效应管 结构结构 工作原理工作原理 输出特性输出特性 转移特性转移特性 主要参数主要参数 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的的小信号模型分析法小信号模型分析法 第29页，共58
15、页，编辑于2022年，星期三 1.结型场效应管的结构（以结型场效应管的结构（以N N沟为例）：沟为例）：(Junction Type Field Effect Transistor)5.3.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理第30页，共58页，编辑于2022年，星期三 1.结型场效应管的结构（以结型场效应管的结构（以N N沟为例）：沟为例）：(Junction Type Field Effect Transistor)两个两个PN结夹着一个结夹着一个N型沟道。三个型沟道。三个电极：电极：g：栅极：栅极 d：漏极：漏极 s：源极：源极符号：符号：5.3.1 JFET的结构和工作原理的结
16、构和工作原理N沟道沟道-gsdP沟道沟道-gds动画演示动画演示动画演示动画演示第31页，共58页，编辑于2022年，星期三5.3.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理（1）栅源电压对沟道的控制作用栅源电压对沟道的控制作用 在栅源间加负电压在栅源间加负电压vGS，令，令vDS=0 当当vGS=0时，为平衡时，为平衡PN结，导电沟道最宽。结，导电沟道最宽。当当vGS时，时，PN结反偏，耗尽层变结反偏，耗尽层变宽，导电沟道变窄，沟道电阻增大。宽，导电沟道变窄，沟道电阻增大。当当vGS到一定值时到一定值时，沟道会完全，沟道会完全合拢。合拢。定义：定义：夹断电压夹断电压VP使导电沟道完全合拢使
17、导电沟道完全合拢（消失）所需要的栅源电压（消失）所需要的栅源电压vGS。2.结型场效应管的工作原理：结型场效应管的工作原理：第32页，共58页，编辑于2022年，星期三5.3.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理（2）漏源电压对沟道的控制作用漏源电压对沟道的控制作用 2.结型场效应管的工作原理：结型场效应管的工作原理：在漏源间加电压在漏源间加电压uDS，令，令vGS=0 由于由于vGS=0，所以导电沟道最宽。，所以导电沟道最宽。当当vDS=0时，时，iD=0。vDSiD 靠近漏极处的耗尽层加宽，沟靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，呈楔形分布。道变窄，呈楔形分布。当当vDS，使，使vGD
18、=vG S-vDS=VP时，在靠时，在靠漏极处夹断漏极处夹断预夹断。预夹断。预夹断前，预夹断前，vDSiD。预夹断后，预夹断后，iDSiD 几乎不变。几乎不变。vDS再再，预夹断点下移。，预夹断点下移。第33页，共58页，编辑于2022年，星期三5.3.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理 2.结型场效应管的工作原理：结型场效应管的工作原理：（3）栅源电压栅源电压vGS和漏源电压和漏源电压vDS共同共同作用作用 iD=f（vGS、vDS）,可用两组特性曲线来描绘。可用两组特性曲线来描绘。动画演示动画演示动画演示动画演示第34页，共58页，编辑于2022年，星期三5.3.2 JFET的特
19、性曲线及参数的特性曲线及参数1.输出特性曲线：输出特性曲线：iD=f（vDS）vGS=常数常数vGS=0VvGS=-1Vv=-3VDSGSvvGS(mA)=-2VDi(V)第35页，共58页，编辑于2022年，星期三5.3.2 JFET的特性曲线及参数的特性曲线及参数1.输出特性曲线：输出特性曲线：iD=f（vDS）vGS=常数常数四个区：四个区：恒流区的特点：在恒流区的特点：在vDS为常数时为常数时 iD/vGS=gm 常数常数 即：即：iD=gm vGS （放大原理）（放大原理）（a）可变电阻区（预夹断前）。可变电阻区（预夹断前）。（b）恒流区也称饱和区（预恒流区也称饱和区（预 夹断后）。
20、夹断后）。（c）夹断区（截止区）。夹断区（截止区）。（d）击穿区。击穿区。可变电阻区可变电阻区恒流区恒流区截止区截止区击穿区击穿区v=-3VDSGSvGS=-1VvvvGS(mA)=-2VDiGS=0V(V)vGSVP时，时，iD=0称为截止区称为截止区第36页，共58页，编辑于2022年，星期三5.3.2 JFET的特性曲线及参数的特性曲线及参数2.转移特性曲线：转移特性曲线：iD=f（vGS）vDS=常数常数 可根据输出特性曲线作出可根据输出特性曲线作出转移特性曲线转移特性曲线（transfer characteristic）。例：作例：作vDS=10V的一条的一条转移特性曲线：转移特性曲
21、线：ABCDABCDvvGS=0Vv0v(mA)1v=-3VD-3-1310VDS2(mA)GS(V)21-44iv=-1VD-2GSGSGS4i(V)3=-2V第37页，共58页，编辑于2022年，星期三5.3.2 JFET的特性曲线及参数的特性曲线及参数2.转移特性曲线：转移特性曲线：iD=f（vGS）vDS=常数常数vGS/V0iD/mAIDSSVP饱和饱和漏极漏极电流电流夹断电夹断电压压vDS=10V第38页，共58页，编辑于2022年，星期三5.3.2 JFET的特性曲线及参数的特性曲线及参数3.主要参数主要参数 夹断电压夹断电压VP(或或VGS(off)：饱和漏极电流饱和漏极电流I
22、DSS：低频跨导低频跨导gm：或或漏极电流约为零时的漏极电流约为零时的VGS值值。VGS=0时对应的漏极电流。时对应的漏极电流。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可以在可以在转移特性曲线上求得，单位是转移特性曲线上求得，单位是mS(毫西门子毫西门子)。第39页，共58页，编辑于2022年，星期三5.3.2 JFET的的特性曲线及参数特性曲线及参数3.主要参数主要参数 输出电阻输出电阻rd：直流输入电阻直流输入电阻RGS：对于结型场效应三极管，反偏时对于结型场效应三极管，反偏时RGS约大于约大于107。最大漏极功耗最大漏极功耗PDM 最大漏源电压最大漏源电压V
23、(BR)DS 最大栅源电压最大栅源电压V(BR)GS第40页，共58页，编辑于2022年，星期三 0.直流偏置电路直流偏置电路a.自自偏压电路偏压电路VGS=IDR 注意：该电路产生负的栅源电压，所以只能用于需要负栅源电压的电路。注意：该电路产生负的栅源电压，所以只能用于需要负栅源电压的电路。计算计算Q点：点：VGS、ID、VDS已知已知VP，由，由可解出可解出Q点的点的VGS、IDVDS=VDD ID(Rd+R)再求：再求：+VID+gTRdRRgCb1Cb2voviDDCds-+VGS=IDR 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第41页，共58页，编辑
24、于2022年，星期三 0.直流偏置电路直流偏置电路b.分压器式自分压器式自偏压电路偏压电路可解出可解出Q点的点的VGS、ID 计算计算Q点：点：已知已知VP，由，由该电路产生的栅源电压可正可负，所以适该电路产生的栅源电压可正可负，所以适用于所有的场效应管电路。用于所有的场效应管电路。VDS=VDD-ID(Rd+R)再求：再求：+gTRdRCb1b2CvoviVDDCdsg1Rg2Rg3R+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第42页，共58页，编辑于2022年，星期三1.JFET的的小信号模型小信号模型-+dgsGSvvDSiD-+-SrdsgdS动画演示动
25、画演示动画演示动画演示 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第43页，共58页，编辑于2022年，星期三1.JFET的的小信号模型小信号模型-+dgsGSvvDSiD-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sgdrdsvgsgmvgsvdsrgsiDCgsCgdCds第44页，共58页，编辑于2022年，星期三 2.动态指标分析动态指标分析+b2RvTg3DDb1Rg1CCVRRgdsig2dRvo+_+动画演示动画演示动画演示动画演示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第45页，共58页
26、，编辑于2022年，星期三 2.动态指标分析动态指标分析（1）求电压放大倍数）求电压放大倍数（2）求输入电阻）求输入电阻（3）求输出电阻）求输出电阻iR+-+-gdsRg3g1Rg2RRdR5.3.3 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第46页，共58页，编辑于2022年，星期三（2）电压放大倍数）电压放大倍数（3）输入电阻）输入电阻（1 1）画）画交流小信号等效电路。交流小信号等效电路。共漏极放大电路如图示。试求中频电压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。增益、输入电阻和输出电阻。例题例题+Cg3VsTRb1DDoRvRdg1g2Cb2RR+
27、-L+v-SRS+-+S+-R+-gdsRg3g1Rg2RiRRLR动画演示动画演示动画演示动画演示第47页，共58页，编辑于2022年，星期三（4 4）输出电阻）输出电阻例题例题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。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。+SgdsRg3g1Rg2RRR+-动画演示动画演示动画演示动画演示第48页，共58页，编辑于2022年，星期三5.5 各种放大器件电路性能比较各种放大器件电路性能比较 各种各种FET的特性比较的特性比较 使用注意事项使用注意事项 5.5.1 各种各种FET的特性及使用注意事项的特性及使用注意事项
28、5.5.2 各种各种放大器件电路性能比较放大器件电路性能比较 第49页，共58页，编辑于2022年，星期三1.各种各种FET的特性比较的特性比较 5.5.1 各种各种FET的特性及使用注意事项的特性及使用注意事项MOS器件主要应用在数字集成电路方面器件主要应用在数字集成电路方面JFET在低噪声放大电路方面有广泛应用在低噪声放大电路方面有广泛应用P.236，表，表5.5.12.使用注意事项使用注意事项 第50页，共58页，编辑于2022年，星期三5.5.2 各种各种放大器件电路性能比较放大器件电路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
29、CE：CC：CB：CS：CD：CG：第51页，共58页，编辑于2022年，星期三5.5.2 各种各种放大器件电路性能比较放大器件电路性能比较输出电阻输出电阻BJTFET输入电阻输入电阻CE：CC：CB：CS：CD：CG：CE：CC：CB：CS：CD：CG：第52页，共58页，编辑于2022年，星期三双极型和场效应型三极管的比较双极型和场效应型三极管的比较双极型三极管双极型三极管 单极型场效应管单极型场效应管载流子载流子多子扩散少子漂移多子扩散少子漂移 少子漂移少子漂移输入量输入量电流输入电流输入电压输入电压输入控制控制电流控制电流源电流控制电流源电压控制电流源电压控制电流源输入电阻输入电阻几十
30、到几千欧几十到几千欧几兆欧以上几兆欧以上噪声噪声较大较大较小较小静电影响静电影响不受静电影响不受静电影响易受静电影响易受静电影响制造工艺制造工艺不宜大规模集成不宜大规模集成适宜大规模和超大规适宜大规模和超大规模集成模集成第53页，共58页，编辑于2022年，星期三例题例题例例5.5.1：BJT和和FET组合电路组合电路 电子电路设计中，首先根据技术要求选组态，然后确定器件，电子电路设计中，首先根据技术要求选组态，然后确定器件，最后设计电路最后设计电路 第54页，共58页，编辑于2022年，星期三例题例题vsRcvorbbicvigsdRgrbeCbeCgdbebcRsCgsCbcR2高频小信号
31、高频小信号等效电路等效电路RcvoicgsdrbeCbeCgdbecRsCgsCbcR2R2很小，视很小，视Cgs与与Rg为并联为并联rbb很小，视为短路很小，视为短路Rg很大，视为很大，视为开路开路vsvi第55页，共58页，编辑于2022年，星期三例题例题RcvoicgsdrbeCbeCgdbecRsCgsCbcR2vsviieFET的负载为的负载为re，由此计，由此计算出算出FET的中频增益的中频增益Cgd跨跨FET的输入输出间，利用的输入输出间，利用密勒定理将其折算到输入端密勒定理将其折算到输入端第56页，共58页，编辑于2022年，星期三例题例题RcicgsdreCbebecRsCCM+CgsCbcR2ie由此看出，高频的模型为三阶低通电路，三个上限频率由此看出，高频的模型为三阶低通电路，三个上限频率vsvivo第57页，共58页，编辑于2022年，星期三小结小结:1.各种类型的各种类型的JFET、MOSFET的输入输出特性。的输入输出特性。2.共源共源、共漏极放大电路的分析计算。、共漏极放大电路的分析计算。第58页，共58页，编辑于2022年，星期三