電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分）：ch5 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路

1、5 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路5.1 金屬-氧化物-半導(dǎo)體(MOS)場(chǎng)效應(yīng)管5.2 MOSFET放大電路5.3 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(JFET)5.4 砷化鎵金屬-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管5.5 各種放大器件電路性能比較15 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）是一種電壓控制的單極性半導(dǎo)體器件，它利用電場(chǎng)效應(yīng)改變內(nèi)部導(dǎo)電溝道，實(shí)現(xiàn)控制輸出電流的目的。它具有體積小、重量輕、功耗小、壽命長(zhǎng)、輸入阻抗高、噪聲低和制造工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，因而在電子電路中得到了廣泛地應(yīng)用，特別是在大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路中得到廣泛應(yīng)用。FET是Field Effect Transistor 的縮寫(xiě)JFET是Junction type Fie

2、ld Effect Transistor 的縮寫(xiě)MOSFET是Metal-Oxide-Semiconductor type Field Effect Transistor 的縮寫(xiě)2場(chǎng)效應(yīng)管的分類(lèi)（基本結(jié)構(gòu)）N溝道P溝道增強(qiáng)型耗盡型N溝道P溝道N溝道P溝道（耗盡型）FET場(chǎng)效應(yīng)管JFET 結(jié)型 絕緣柵型MOSFET35.1 金屬-氧化物-半導(dǎo)體(MOS)場(chǎng)效應(yīng)管5.1.1 N溝道增強(qiáng)型MOSFET5.1.2 N溝道耗盡型MOSFET5.1.3 P溝道MOSFET5.1.4 溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)5.1.5 MOSFET的主要參數(shù)45.1 金屬-氧化物-半導(dǎo)體(MOS)場(chǎng)效應(yīng)管金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)

3、管（MOSFET）是利用半導(dǎo)體表面電場(chǎng)效應(yīng)進(jìn)行工作，故又稱(chēng)為表面場(chǎng)效應(yīng)器件。MOSFET的柵極處于絕緣狀態(tài)，所以其輸入電阻可高達(dá)1015。按照MOSFET導(dǎo)電溝道不同，可分為N溝道和P溝道兩類(lèi)，其中每一類(lèi)又可分為增強(qiáng)型(E)型MOSFET和耗盡型(D型) MOSFET。當(dāng)vGS=0時(shí)，沒(méi)有導(dǎo)電溝道的稱(chēng)為E型。E型只有加上一定的vGS才形成導(dǎo)電溝道，因此稱(chēng)為增強(qiáng)型。當(dāng)vGS=0時(shí)，存在著電溝道的稱(chēng)為D型。55.1.1 N溝道增強(qiáng)型MOSFET1. 結(jié)構(gòu)PNNgsdP型基底兩個(gè)N+區(qū)SiO2絕緣層金屬鋁gsd電路符號(hào)箭頭表示由P（襯底）指向N（溝道）65.1.1 N溝道增強(qiáng)型MOSFET2. 工作

4、原理PN+N+gsdvDSvGSvGS=0時(shí)d-s間相當(dāng)于兩個(gè)背靠背的PN結(jié)iD=0對(duì)應(yīng)截止區(qū)75.1.1 N溝道增強(qiáng)型MOSFET2. 工作原理VT稱(chēng)為開(kāi)啟電壓PN+N+gsdvDSvGSvGS0時(shí)vGS足夠大時(shí)（ vGS VT）感應(yīng)出足夠多電子，這里出現(xiàn)以電子導(dǎo)電為主的N型導(dǎo)電溝道。感應(yīng)出電子這種vGS=0時(shí)沒(méi)有導(dǎo)電溝道，而必須依靠柵源電壓的作用，才形成感生溝道的FET稱(chēng)為增強(qiáng)型FET。85.1.1 N溝道增強(qiáng)型MOSFET2. 工作原理vGS較小時(shí)，導(dǎo)電溝道相當(dāng)于電阻將d-s連接起來(lái)， vGS越大此電阻越小。PN+N+gsdvDSvGS95.1.1 N溝道增強(qiáng)型MOSFET2. 工作原理

5、PN+N+gsdvDSvGS當(dāng)vDS不太大時(shí)，導(dǎo)電溝道在兩個(gè)N+區(qū)間是均勻的。當(dāng)vDS較大時(shí)，靠近d區(qū)的導(dǎo)電溝道變窄。105.1.1 N溝道增強(qiáng)型MOSFET2. 工作原理夾斷后，即使vDS 繼續(xù)增加，iD仍呈恒流特性。iDPN+N+gsdvdsvgsvDS增加，vGD=VT 時(shí)，靠近d端的溝道被夾斷，稱(chēng)為預(yù)夾斷。115.1.1 N溝道增強(qiáng)型MOSFET3. V-I特性曲線及大信號(hào)特性方程（1）輸出特性截止區(qū)： vGS0時(shí)， 溝道中感應(yīng)出更多的負(fù)電荷，使溝道變寬，在vDS作用下，iD具有更大的數(shù)值。(2) vGS0時(shí)，溝道中的感應(yīng)的負(fù)電荷減少，溝道變窄，從而使得漏極電流減少。當(dāng)為負(fù)電壓到達(dá)某值

6、，耗盡區(qū)擴(kuò)展到這個(gè)溝道，溝道被完全夾斷，這時(shí)即使存在vDS,也不會(huì)存在iD，這時(shí)的柵源電壓被稱(chēng)為夾斷電壓（截止電壓）VP185.1.2 N溝道耗盡型MOSFET2.V-I特性曲線及大信號(hào)特性方程預(yù)夾斷后：飽和漏極電流：195.1.3 P溝道MOSFET增強(qiáng)型MOS管溝道產(chǎn)生的條件：P溝道MOSFET電路符號(hào)可變電阻區(qū)和飽和區(qū)的界線：可變電阻區(qū)：飽和區(qū)：溝道的電導(dǎo)參數(shù)：205.1.4 溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)實(shí)際MOS管在飽和區(qū)的輸出特性曲線考慮vDS對(duì)溝道長(zhǎng)度L的調(diào)制作用： vDS增加，iD也相應(yīng)地增加。溝道長(zhǎng)度調(diào)制參數(shù)對(duì)輸出特性公式的修正：典型器件：以NMOS增強(qiáng)型為例：215.1.5 MOSFET

7、的主要參數(shù)一、直流參數(shù)開(kāi)啟電壓VT: 增強(qiáng)型MOS管的參數(shù)，夾斷電壓VP : 耗盡型FET管的參數(shù)飽和漏極電流IDSS : 耗盡型FET管的參數(shù)，二、極限參數(shù)最大漏極電流IDM最大耗散功率PDM最大漏源電壓V（BR）DS最大柵源電壓V（BR）GS225.1.5 MOSFET的主要參數(shù)三、交流參數(shù)輸出電阻：低頻互導(dǎo)：低頻互導(dǎo)反映了vGS對(duì)iD的控制作用。gm可以在轉(zhuǎn)移特性曲線上求得，單位是mS(毫西門(mén)子)。N溝道增強(qiáng)型MOSFET為例：235.2 MOSFET放大電路5.2.1 MOSFET放大電路5.2.2 *NMOS放大電路245.2.1 MOSFET放大電路1. 直流偏置及靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算

8、(1)簡(jiǎn)單的共源極放大電路NMOS的共源極放大電路直流通路假設(shè)NMOS處于飽和區(qū)NMOS處于飽和區(qū)，假設(shè)成立；NMOS處于可變電阻區(qū)；驗(yàn)證假設(shè)是否成立：255.2.1 MOSFET放大電路1. 直流偏置及靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算(1)帶源極電阻的NOMOS共源極放大電路帶源極電阻的NMOS共源極放大電路假設(shè)NMOS處于飽和區(qū)驗(yàn)證假設(shè)是否成立265.2.1 MOSFET放大電路2. 圖解分析NMOS共源極放大電路本例中直流負(fù)載線和交流負(fù)載線相同負(fù)載線：275.2.1 MOSFET放大電路3. 小信號(hào)模型分析（1）直流：（2）漏極信號(hào)電流：（3）線性放大器的小信號(hào)條件285.2.1 MOSFET放大電路3

9、. 小信號(hào)模型分析NMOS增強(qiáng)型低頻小信號(hào)模型低頻小信號(hào)模型295.2.1 MOSFET放大電路3. 小信號(hào)模型分析高頻小信號(hào)模型NMOS增強(qiáng)型30例5.2.4 電路如圖5.2.4所示，設(shè)VDD5V，Rd3.9k，VGS2V。場(chǎng)效應(yīng)管的參數(shù)為VT=1V, Kn=0.8mA/V2, =0.02V-1。當(dāng)MOS管工作于飽和區(qū)，確定電路的小信號(hào)電壓增益。 解：(1) 求靜態(tài)值：MOS管處于飽和區(qū)；(2) 求FET的互導(dǎo)和輸出電阻：(3) 求電壓增益：315.3 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(JFET)5.3.1 JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理5.3.2 JFET的特性曲線及參數(shù)5.3.3 JFET放大電路的小信號(hào)模型分析

10、法325.3.1 JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理1. 結(jié)構(gòu)和符號(hào)柵極源極s漏極dN溝道JFET符號(hào)中箭頭的方向表示由P型柵極指向N型溝道。335.3.1 JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理分vGS=0和vGS0兩種情況討論vDS對(duì)iD的控制作用(1) vGS=0如vGS=0，且漏極d與源極s間無(wú)電壓，即vDS=0時(shí)，漏極d與源極s之間無(wú)電流。345.3.1 JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理當(dāng)vDS逐漸增加，耗盡層將主要向溝道(N區(qū))擴(kuò)展，在越靠近d極處，柵極與溝道的電位差越大、兩耗盡層越靠近，使得靠近d端的導(dǎo)電溝道比s端窄。vDS進(jìn)一步增加，使得溝道變得更窄，這將阻礙iD的增加，但在vDS較小(如vDS200mV)時(shí)

11、，導(dǎo)電溝道變化不大，iD與vDS是線性關(guān)系，如圖曲線的起始段。355.3.1 JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理當(dāng)vDS繼續(xù)增加，柵極與溝道的電位差進(jìn)一步增大，兩耗盡層進(jìn)一步加寬，并逐步靠近。當(dāng)vDS上升致使兩耗盡層在A點(diǎn)相遇時(shí)，稱(chēng)為預(yù)夾斷，此時(shí)A點(diǎn)耗盡層兩邊的電位差用夾斷電壓VP表示。由于vGS =0，故vGD =- vDS = VP。當(dāng)vGS 0，在A點(diǎn)處VP與vGS、vDS的關(guān)系為vGD= vGS-vDS =Vp。注意: N溝道JFET的VP為負(fù)值365.3.1 JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理在預(yù)夾斷后，如果vDS還繼續(xù)增加，iD略有上升，表現(xiàn)為圖中特性曲線的平坦段略有上翹。原因有二：盡管vDS增加，夾

12、斷區(qū)長(zhǎng)度確只是略有增加、溝道僅略為變短；漏極與A點(diǎn)之間形成一很強(qiáng)的電場(chǎng)，該電場(chǎng)仍能將電子拉過(guò)夾斷區(qū)，形成漏極電流iD。375.3.1 JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理（2）vGS Rs，可看成開(kāi)路。50+-RSCgsCgdrbeR2RCCbcCbe+-VS.Vo.-+Vbe.gm2Vbe.Ic.gdsecbgm1Vgs.Ie.+-RSCgsCgdreR2RCCbcCbe+-VS.Vo.-+Vbe.gm2Vbe.Ic.gdsecbgm1Vgs.Ie.51+-RSCgsCgdreR2RCCbcCbe+-VS.Vo.-+Vbe.gm2Vbe.Ic.Ie.gdsecbgm1Vgs.+-RSC1=Cgd+CgsreR2R