模電第04章場效應(yīng)管放大電路(康華光)-1

模電第04章場效應(yīng)管放大電路(康華光)-1第一頁，共74頁。FET分類:

絕緣柵場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管增強型耗盡型N溝道P溝道N溝道P溝道N溝道P溝道場效應(yīng)管簡介——場效應(yīng)管(FieldEffectTransistor，簡稱FET)BJT(三極管)是一種電流控制元件(iB~iC)。工作時，多數(shù)載流子和少數(shù)載流子都參與運行，所以能耗大，溫度特性差。

FET是一種電壓控制器件(vGS~iD)。它的輸出電流決定于輸入電壓的大小，基本上不需要信號源提供電流，所以它能耗小，輸入電阻高，且溫度穩(wěn)定性好。2第二頁，共74頁。P溝道耗盡型P溝道P溝道N溝道增強型N溝道N溝道（耗盡型）FET場效應(yīng)管JFET結(jié)型MOSFET絕緣柵型(IGFET)耗盡型：場效應(yīng)管沒有加偏置電壓時，就有導電溝道存在增強型：場效應(yīng)管沒有加偏置電壓時，沒有導電溝道場效應(yīng)管的分類：3第三頁，共74頁?！?.1金屬-氧化物-半導體場效應(yīng)管——MOS場效應(yīng)管、絕緣柵場效應(yīng)管:MetalOxide

SemiconductorFET,簡稱MOSFET一.增強型N溝道絕緣柵場效應(yīng)管1.結(jié)構(gòu)4第四頁，共74頁。4.1.1N溝道增強型MOSFET1.結(jié)構(gòu)（N溝道）L：溝道長度W：溝道寬度tox

：絕緣層厚度通常W>L5第五頁，共74頁。一.增強型N溝道絕緣柵場效應(yīng)管SiO2絕緣層金屬電極P型硅襯底高摻雜N區(qū)耗盡層(PN結(jié))2、符號gsdb與s、d絕緣6第六頁，共74頁。3.增強型N溝道MOSFET的放大原理

共源極接法的接線：gsd+vGS-igiD+VCC-+vDS-經(jīng)實驗證明:(1)柵極電流ig≈0

由于柵極是絕緣的,GS之間輸入電阻很高,最高可達1014,因此柵極電流ig≈0

。(2)當柵源電壓vGS變化,漏源電壓vDS

=constant>0時若vGS

≤VT(開啟電壓)

:漏極電流iD=0若vGS

>VT:vGS

越大,iD越大——互導放大作用(3)當漏源電壓VDS變化,柵源電壓vGS=constant>VT時若vDS=0:iD=0若0<vDS

<(vGS-VT)

:vDS越大,iD越大若vDS

>(vGS-VT):vDS

越大,iD基本不變,且iD=Kn(vGS-VT)2電導常數(shù)7第七頁，共74頁。gsd+vGS-igiD+VCC-+vDS-4.增強型N溝道MOSFET的內(nèi)部微觀原理(1)當vGS變化,漏源電壓vDS=常數(shù)>0時若柵源電壓vGS≤0：sgd

由圖可見,漏極d和源極s之間是兩個背靠背的PN結(jié),總有一個PN結(jié)反向偏置,d~s之間不通,iD=0

。bvGS+–VCC+–8第八頁，共74頁。vGS+–VCC+–b

柵極g與P區(qū)之間產(chǎn)生電場,但d~s之間仍是兩個背靠背的PN結(jié),總有一個PN結(jié)截止,即使d~s間加正向電壓,仍然沒有電流產(chǎn)生,iD=0。若0≤vGS≤VT(開啟電壓):若vGS>VT:

縱向電場足夠大→將P區(qū)少子電子聚集到P區(qū)表面→形成導電溝道。

vGS愈高，導電溝道愈寬，相同vDS條件下id越大。N型導電溝道

當d~s間加電壓后,將有漏極電流id產(chǎn)生。9第九頁，共74頁。2.工作原理（2）vDS對溝道的控制作用靠近漏極d處的電位升高電場強度減小溝道變薄當vGS一定（vGS>VT）時，vDSID溝道電位梯度整個溝道呈楔形分布10第十頁，共74頁。當vGS一定（vGS>VT）時，vDSID溝道電位梯度

當vDS增加到使vGD=VT時，在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷。2.工作原理（2）vDS對溝道的控制作用在預(yù)夾斷處：vGD=vGS-vDS=VT11第十一頁，共74頁。預(yù)夾斷后，vDS夾斷區(qū)延長溝道電阻ID基本不變2.工作原理（2）vDS對溝道的控制作用12第十二頁，共74頁。2.工作原理（3）vDS和vGS同時作用時

vDS一定，vGS變化時

給定一個vGS，就有一條不同的iD–

vDS曲線。13第十三頁，共74頁。(2)當vDS變化,柵源電壓vGS=constant>VT時vGS+–VCC+–b若vDS溝道產(chǎn)生電位梯度靠近漏極d處的電位高,

電場強度小,

溝道薄。靠近源極s處的電位低,

電場強度大,

溝道厚。整個溝道呈楔形分布。此時,vDS

iD當vDS增加到使vGS-vDS=VT時，在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷。在預(yù)夾斷處：vDS

=(vGS-VT)預(yù)夾斷后，vDS夾斷區(qū)延長溝道電阻iD基本不變(3)由于柵極G與D、B、S是絕緣的，柵極電流ig≈0輸入電阻：ri＝vGS/ig，很高，最高可達1014。14第十四頁，共74頁。(2)當vDS變化,柵源電壓vGS=constant>VT時vGS+–VCC+–b若vDS溝道產(chǎn)生電位梯度靠近漏極d處的電位高,

電場強度小,

溝道薄?？拷礃Os處的電位低,

電場強度大,

溝道厚。整個溝道呈楔形分布。此時,vDS

iD當vDS增加到使vGS-vDS=VT時，在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷。在預(yù)夾斷處：vDS

=(vGS-VT)預(yù)夾斷后，vDS夾斷區(qū)延長溝道電阻iD基本不變(3)由于柵極G與D、B、S是絕緣的，柵極電流ig≈0輸入電阻：ri＝vGS/ig，很高，最高可達1014。15第十五頁，共74頁。3.

V-I特性曲線及大信號特性方程（1）輸出特性及大信號特性方程②可變電阻區(qū)

vDS≤（vGS－VT）由于vDS較小，可近似為rdso是一個受vGS控制的可變電阻16第十六頁，共74頁。3.

V-I特性曲線及大信號特性方程（1）輸出特性及大信號特性方程②可變電阻區(qū)

n：反型層中電子遷移率Cox：柵極（與襯底間）氧化層單位面積電容本征電導因子其中Kn為電導常數(shù)，單位：mA/V217第十七頁，共74頁。3.

V-I特性曲線及大信號特性方程（1）輸出特性及大信號特性方程③飽和區(qū)（恒流區(qū)又稱放大區(qū)）vGS>VT

，且vDS≥（vGS－VT）是vGS＝2VT時的iDV-I特性：18第十八頁，共74頁。3.

V-I特性曲線及大信號特性方程（2）轉(zhuǎn)移特性19第十九頁，共74頁。5、特性曲線VDSVGS/開啟電壓VTgsd+vGS-+vDS-igiD+VCC-RD有導電溝道無導電溝道(1)轉(zhuǎn)移特性曲線(iDvGS/vDS=constant)——低頻跨導曲線上某點的斜率：類似三極管的,表示在恒流區(qū)工作時vGS對iD的控制能力20第二十頁，共74頁。ID/mAVDS/VVGS=4V可變電阻區(qū)截止區(qū)(2)漏極特性曲線(iDvDS/vGS=constant>VT)(類似BJT輸出特性曲線)

VGS=6VVGS=5VVGS=3VVGS=2VVGS=VT恒流區(qū)飽和區(qū)vDS=vGS-VT預(yù)夾斷軌跡gsd+vGS-+vDS-igiD+VCC-RD開啟電壓VT——增強型MOS管的固定參數(shù)注意：VT>021第二十一頁，共74頁。6.工作區(qū)域的特點及其工作區(qū)域判斷gsd+vGS-+vDS-igiD+VCC-RDID/mAVDS/VVGS=4VVGS=6VVGS=5VVGS=3VVGS=2VVGS=VT(1)截止區(qū)判斷：vGS＜VT特點：iD=0,vDS=VCC這時場效應(yīng)管D、S端相當于:一個斷開的開關(guān)。截止區(qū)22第二十二頁，共74頁?？勺冸娮鑵^(qū)(2)可變電阻區(qū)判斷:vDS≤vGS-VT且vGS

>VT

特點:rds是一個受vGS控制的可變電阻VCCRD恒定時,vGS越大,rds越小。當VGS足夠大(如:vGS=VCC)時場效應(yīng)管D~S端相當于:一個接通的開關(guān)。gsd+vGS-+vDS-igiD+VCC-RDID/mAVDS/VVGS=4VVGS=6VVGS=5VVGS=3VVGS=2VVGS=VT23第二十三頁，共74頁。(3)恒流區(qū)(飽和區(qū),相當于BJT放大區(qū))判斷:VDS≥vGS-VT

且VGS＞VT特點:vDS＝vCC-iDRD

iD=Kn(vGS-VT)2

可見:若vGS恒定,則iD恒定——恒流源特點這時場效應(yīng)管D~S端相當于:一個受vGS控制的恒流源

ID/mAVDS/VVGS=4VVGS=6VVGS=5VVGS=3VVGS=2VVGS=VT恒流區(qū)飽和區(qū)gsd+vGS-+vDS-igiD+VCC-RD24第二十四頁，共74頁。N型襯底P+P+GSD2、符號二.增強型P溝道絕緣柵場效應(yīng)管1.結(jié)構(gòu)3.增強型P溝道MOSFET的放大原理分析方法與增強型N溝道相同，只不過須將所有的電壓電流方向、大于小于號方向反過來。其特性曲線如P97所示。25第二十五頁，共74頁。GSD2.符號三.耗盡型N溝道絕緣柵場效應(yīng)管如果MOS管在制造時導電溝道就已形成，稱為耗盡型場效應(yīng)管。1.結(jié)構(gòu)SiO2絕緣層中摻有正離子感應(yīng)出N型導電溝道26第二十六頁，共74頁。5.1.2N溝道耗盡型MOSFET1.結(jié)構(gòu)和工作原理（N溝道）二氧化硅絕緣層中摻有大量的正離子可以在正或負的柵源電壓下工作，而且基本上無柵流27第二十七頁，共74頁。經(jīng)實驗證明:(1)柵極電流ig≈0由于柵極G與D、B、S是絕緣的,所以ig≈0(2)當柵源電壓vGS變化,漏源電壓vDS

=constant>0時:vGS

≤VP(夾斷電壓,VP＜0)

:漏極電流iD=0vGS

>VP:vGS

越大,iD越大——互導放大作用(3)當漏源電壓VDS變化,柵源電壓vGS=constant>VP時:0<vDS

<(vGS-VP)

:vDS越大,iD越大vDS>(vGS-VP):vDS越大,iD恒定,且iD=IDSS(1-vGS/VP)23.耗盡型N溝道MOSFET的放大原理共源極接法的接線：gsd+vGS-+vDS-igiD+VCC-RD飽和漏極電流28第二十八頁，共74頁。4.耗盡型N溝道MOSFET的內(nèi)部微觀原理(1)當vGS變化,vDS

=constant>0時由于制造時已經(jīng)形成了溝道，所以在vGS=0時,若漏–源之間加上一定的電壓vDS,也會有漏極電流iD產(chǎn)生。

當vGS>0時,導電溝道變寬,iD增大;當vGS<0時,使導電溝道變窄,iD減小;vGS負值愈高,溝道愈窄,iD就愈小。當vGS(=夾斷電壓VP)

達到一定負值時,N型導電溝道消失,iD=0,稱為場效應(yīng)管截止。(2)當vDS變化,vGS

=constant>VP時若vDS整個溝道呈楔形分布。此時若vDSiD當vDS增加到使vDS

=(vGS-VP)時,在緊靠D處出現(xiàn)預(yù)夾斷。預(yù)夾斷后,vDS夾斷區(qū)延長溝道電阻iD基本不變。29第二十九頁，共74頁。(1)轉(zhuǎn)移特性曲線(iDvGS/vDS=constant)

耗盡型的MOS管VGS=0時就有導電溝道，加反向電壓到一定值時才能夾斷。gsd+vGS-+vDS-igiD+VCC-RD夾斷電壓VPIDSSID/mAVGS/V481216-3–2–1012飽和漏極電流5、特性曲線——低頻跨導曲線上某點的斜率：30第三十頁，共74頁。VGS=4VVGS=2VVGS=-2VVGS=-4VVGS=VP0VDS/VID/mA16128448121620(2)漏極特性曲線(iDvDS/vGS=constant>VP)(輸出特性曲線)VGS=0可變電阻區(qū)截止區(qū)恒流區(qū)飽和區(qū)預(yù)夾斷軌跡:vDS=vGS-VPgsd+vGS-+vDS-igiD+VCC-RD夾斷電壓VP——結(jié)型和耗盡型MOS管的固定參數(shù)注意：VP＜031第三十一頁，共74頁。(1)截止區(qū)判斷：VGS＜VP特點：iD＝0,

vDS=VCC這時場效應(yīng)管D、S端相當于:一個斷開的開關(guān)。VGS=4VVGS=2VVGS=-2VVGS=-4VVGS=VP0VDS/VID/mA16128448121620VGS=0截止區(qū)gsd+vGS-+vDS-igiD+VCC-RD6.工作區(qū)域的特點及其工作區(qū)域判斷

32第三十二頁，共74頁。(2)可變電阻區(qū)判斷：VGS≥VP,

VDS≤vGS-VP特點:rds是一個受vGS控制的可變電阻VCCRD恒定時,vGS越大,rds越小。當VGS足夠大(如:vGS≥0)時場效應(yīng)管D~S端相當于:一個接通的開關(guān)。VGS=4VVGS=2VVGS=-2VVGS=-4VVGS=VP0VDS/VID/mA16128448121620VGS=0可變電阻區(qū)gsd+vGS-+vDS-igiD+VCC-RD33第三十三頁，共74頁。(3)恒流區(qū)(飽和區(qū)、放大區(qū))判斷:VGS≥VP,VDS≥vGS-VP特點:vDS＝vCC-iDRDiD=IDSS(1-vGS/VP)2可見：若vGS恒定,則iD恒定——恒流源特點這時場效應(yīng)管D~S端相當于:一個受vGS控制的恒流源VGS=4VVGS=2VVGS=-2VVGS=-4VVGS=VP0VDS/VID/mA16128448121620VGS=0恒流區(qū)飽和區(qū)gsd+vGS-+vDS-igiD+VCC-RD34第三十四頁，共74頁。四.耗盡型P溝道絕緣柵場效應(yīng)管GSD感應(yīng)出P型導電溝道SiO2絕緣層中摻有負離子

分析方法與N溝道耗盡型相同，只不過須將所有的電壓電流方向、大于小于號方向反過來。其特性曲線如P237所示。2、符號1、結(jié)構(gòu)35第三十五頁，共74頁。耗盡型GSDGSD增強型N溝道P溝道GSDGSDN溝道P溝道G、S之間加一定電壓才形成導電溝道在制造時就具有原始導電溝道絕緣柵場效應(yīng)管總結(jié)36第三十六頁，共74頁。4.1.4溝道長度調(diào)制效應(yīng)實際上飽和區(qū)的曲線并不是平坦的L的單位為m當不考慮溝道調(diào)制效應(yīng)時，＝0，曲線是平坦的。

修正后37第三十七頁，共74頁。五、絕緣柵場效應(yīng)管、結(jié)型場效應(yīng)管的主要參數(shù)1、直流參數(shù)(1)直流輸入電阻RGS——柵源間的等效電阻。由于MOS管柵源間有sio2絕緣層，輸入電阻可達109～1015。(2)開啟電壓VT

：——增強型MOS管的參數(shù)(3)夾斷電壓VP

：(4)飽和漏極電流IDSS:2、交流參數(shù)(1)輸出電阻rds

iD——靜態(tài)時的漏極電流——溝道長度調(diào)制參數(shù)當不考慮溝道調(diào)制效應(yīng)時:＝0，rds→∞定義：——結(jié)型和耗盡型MOS管的參數(shù)38第三十八頁，共74頁。(2)低頻跨導gm:3、極限參數(shù)(1)最大漏極電流IDM

;(2)耗散功率PDM;(3)最大漏源電壓V（BR）DS

;(4)最大柵源電壓V（BR）GS

。增強型：iD=Kn(或Kp)

(vGS-VT)2求出:=2Kn(或Kp)

(vGS-VT)耗盡型、結(jié)型：iD=IDSS(1-vGS/VP)2求出:=-2IDSS(1-vGS/VP)/VP39第三十九頁，共74頁。

場效應(yīng)管與晶體管的比較

電流控制電壓控制控制方式電子和空穴兩種載流子同時參與導電載流子電子或空穴中一種載流子參與導電類型

NPN和PNPN溝道和P溝道放大參數(shù)

rce很高

rds很高

輸出電阻輸入電阻較低較高

雙極型三極管單極型場效應(yīng)管熱穩(wěn)定性

差

好制造工藝

較復雜

簡單，成本低對應(yīng)電極

B—E—CG—S—D40第四十頁，共74頁。4.2MOSFET放大電路4.2.1MOSFET放大電路1.直流偏置及靜態(tài)工作點的計算2.圖解分析3.小信號模型分析41第四十一頁，共74頁。4.2.1MOSFET放大電路1.直流偏置及靜態(tài)工作點的計算（1）簡單的共源極放大電路（N溝道）直流通路共源極放大電路42第四十二頁，共74頁。4.2.1MOSFET放大電路1.直流偏置及靜態(tài)工作點的計算（1）簡單的共源極放大電路（N溝道）假設(shè)工作在飽和區(qū)，即驗證是否滿足如果不滿足，則說明假設(shè)錯誤須滿足VGS>VT

，否則工作在截止區(qū)再假設(shè)工作在可變電阻區(qū)即43第四十三頁，共74頁。假設(shè)工作在飽和區(qū)滿足假設(shè)成立，結(jié)果即為所求。解：例：設(shè)Rg1=60k，Rg2=40k，Rd=15k，試計算電路的靜態(tài)漏極電流IDQ和漏源電壓VDSQ。VDD=5V，VT=1V，44第四十四頁，共74頁。5.2.1MOSFET放大電路1.直流偏置及靜態(tài)工作點的計算（2）帶源極電阻的NMOS共源極放大電路飽和區(qū)需要驗證是否滿足45第四十五頁，共74頁。5.2.1MOSFET放大電路1.直流偏置及靜態(tài)工作點的計算靜態(tài)時，vI＝0，VG＝0，ID＝I電流源偏置VS＝VG－VGS（飽和區(qū)）46第四十六頁，共74頁。5.2.1MOSFET放大電路2.圖解分析由于負載開路，交流負載線與直流負載線相同47第四十七頁，共74頁。5.2.1MOSFET放大電路3.小信號模型分析（1）模型靜態(tài)值（直流）動態(tài)值（交流）非線性失真項當，vgs<<2(VGSQ-VT)時，48第四十八頁，共74頁。5.2.1MOSFET放大電路3.小信號模型分析（1）模型=0時高頻小信號模型49第四十九頁，共74頁。3.小信號模型分析解：例5.2.2的直流分析已求得：（2）放大電路分析（例5.2.5）s50第五十頁，共74頁。3.小信號模型分析（2）放大電路分析（例5.2.5）s51第五十一頁，共74頁。3.小信號模型分析（2）放大電路分析（例5.2.6）共漏52第五十二頁，共74頁。3.小信號模型分析（2）放大電路分析end53第五十三頁，共74頁。Rg1Rg2RdRVDD-VSS§5.2MOSFET放大電路

MOSFET放大電路也有3種接法:共源極,共漏極,共柵極。一.共源極放大電路(帶源極電阻的)1.電路2.靜態(tài)分析——求vi=0時(直流電源單獨作用時)VGS,ID

,VDS直流通道：+VGS–ID+VDS–54第五十四頁，共74頁。Rg1Rg2RdRVDD-VSS+VGS–ID+VDS–ID=Kn(VGS-VT)2——根據(jù)上兩式解出VGS、IDVDS=VDD+VSS-ID(Rd+R

)由上面計算結(jié)果可判斷出：當VGS>VT,VDS

>(VGS-VT)時，MOSFET處在飽和區(qū)(放大區(qū))。這時：=2Kn(VGS-VT)-IDR55第五十五頁，共74頁。3.動態(tài)分析————求vS

單獨作用時Av

,Ri

,Ro(1)MOSFET的小信號模型(N溝道、P溝道相同)①分析動態(tài)②信號很?、僦械皖l①分析動態(tài)②信號很?、俑哳l+vgs-+vds-gmvgsrdsiddgs其中:rds＝1/ID(幾十k~幾百k)+vgs-+vds-gsdid+vgs-+vds-gsdid+vgs-+vds-gmvgsrdsiddgsCgs+CgbCgdCds56第五十六頁，共74頁。(2)帶源極電阻共源極放大電路的小信號模型+vgs-rdsidgmvgsRRg2Rg1RS+

vS-ii+vi-RdRL+

vo-57第五十七頁，共74頁。+vgs-rdsidgmvgsRRg2Rg1RS+

vS-ii+vi-RdRL+

vo-(3)電壓增益Avvi=vgs+vsordsid-gmvgs·rds+ds58第五十八頁，共74頁。當rds≈時：(4)輸入電阻Ri=Rg1//Rg2(5)純電壓增益Avs+vgs-rdsidgmvgsRRg2Rg1RS+

vS-ii+vi-RdRL+

vo-59第五十九頁，共74頁。(6)輸出電阻求輸出電阻的圖:vso=-vgs當rds≈時：Ro≈Rd+vgs-Rg1rdsRSgmvgsRRg2Rdi+

v

-vgs+vso=0+vgs-rdsidgmvgsRRg2Rg1RS+

vS-ii+vi-RdRL+

vo-60第六十頁，共74頁。二.共漏極放大電路1.電路Rg1Rg2RVDD2.靜態(tài)分析直流通道：+VGS–ID+VDS–VGS=VDD·Rg2/(Rg1+Rg2)-IDRID=Kn(VGS-VT)2VDS=VDD-IDR

=2Kn(VGS-VT)61第六十一頁，共74頁。3.動態(tài)分析(1)共漏極放大電路的小信號模型RLRg1+

vo-+vgs-rdsidgmvgsR+

vS-RS+vi-iiRg262第六十二頁，共74頁。(2)電壓增益Avvo=gmvgs·(rds//R//RL)vi=vgs+

gmvgs·(rds//R//RL)](3)輸入電阻Ri=Rg1//Rg2RLRg1+

vo-+vgs-rdsidgmvgsR+

vS-RS+vi-iiRg263第六十三頁，共74頁。(4)輸出電阻求輸出電阻的圖:+vgs-Rg1rdsRLRS+

vS-+vi-iiid+

vo-gmvgsRRg2+vgs-Rg1rdsRSgmvgsRRg2+

v-ivgs+v=0vgs=-v求Ro圖64第六十四頁，共74頁。三.耗盡型N溝道場效應(yīng)管放大電路

1.自給偏壓式偏置電路(1)電路組成+VDD

RSCSC2C1RdRGT+vi_+vo_(2)靜態(tài)分析VGS

=–RSIS

=–RSIDID=IDSS(1-VGS/VP)2根據(jù)上兩式解出VGS、ID。VDS=

VDD–ID(Rd+RS)直流通路+VDS-+VDD

RSRdRGIS

+VGS-由于靜態(tài)時柵源電壓VGS是由場效應(yīng)管自身的電流提供的:VGS

=–RSIS=–RSID——故稱自給偏壓。注意:增強型MOS管因VGS=0時,ID0,故不能采用自給偏壓式電路。65第六十五頁，共74頁。+vgs-idgmvgsrds(3)動態(tài)分析+VDD

RSCSC2C1RdRGT+vi_+vo_小信號電路電壓增益Avvo=-gmvgs·(rds//Rd//RL)vi=vgsAv=vo/vi=-

gm·(rds//Rd//RL)輸入電阻Ri=RG輸出電阻Ro=rds//RdRL+vi-ii+

vS-RSRGRd+

vo-66第六十六頁，共74頁。已知VDD=20V、RD=3k、RS=1k、