模擬電路課件模電

5場(chǎng)效應(yīng)管及放大電路5.1金屬-氧化物-半導(dǎo)體（MOS）場(chǎng)效應(yīng)管5.3結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JFET）5.5各種放大器件電路性能比較5.2場(chǎng)效應(yīng)管放大電路主要內(nèi)容：P溝道耗盡型P溝道P溝道N溝道增強(qiáng)型N溝道N溝道（耗盡型）FET場(chǎng)效應(yīng)管JFET結(jié)型MOSFET絕緣柵型(IGFET)耗盡型：場(chǎng)效應(yīng)管沒有加偏置電壓時(shí)，就有導(dǎo)電溝道存在增強(qiáng)型：場(chǎng)效應(yīng)管沒有加偏置電壓時(shí)，沒有導(dǎo)電溝道場(chǎng)效應(yīng)管的分類：場(chǎng)效應(yīng)管是另一種具有正向受控作用的半導(dǎo)體器件,其外形與普通晶體管相似,但二者的控制特性不同。三極管：可以認(rèn)為是電流控制元件，即IB控制IC，它的輸入電阻rbe很低。場(chǎng)效應(yīng)管：是電壓控制元件，它的輸出電流取決于輸入電壓的大小，它的輸入電阻很高，另外便于集成、壽命長(zhǎng)和熱穩(wěn)定性好。5.1金屬-氧化物-半導(dǎo)體（MOS）場(chǎng)效應(yīng)管5.1.1N溝道增強(qiáng)型MOSFET5.1.5MOSFET的主要參數(shù)5.1.2N溝道耗盡型MOSFET5.1.3P溝道MOSFET5.1.4溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)5.1.1N溝道增強(qiáng)型MOSFET1.結(jié)構(gòu)（N溝道）L：溝道長(zhǎng)度W：溝道寬度tox

：絕緣層厚度通常W>L5.1.1N溝道增強(qiáng)型MOSFET剖面圖1.結(jié)構(gòu)（N溝道）符號(hào)

N溝道EMOS管外部工作條件VDS>0產(chǎn)生輸出ID電流U接電路最低電位(常與S極相連）VGS>0(形成導(dǎo)電溝道)PP+N+N+SGDUVDS-+-+

VGS柵-襯之間相當(dāng)于以SiO2

為介質(zhì)的平板電容器。保證PN結(jié)反偏2.工作原理N溝道EMOSFET溝道形成原理

假設(shè)VDS=0，討論VGS

作用PP+N+N+SGDUVDS=0-+VGS形成反型層并與兩個(gè)N區(qū)相連VGS

襯底表面形成自由電子和負(fù)離子區(qū)VGS

開啟電壓VT形成N型導(dǎo)電溝道VGS

越大，反型層中電子數(shù)越多，導(dǎo)電能力越強(qiáng)。˙˙˙˙ΘΘΘΘ

反型層絕緣中層產(chǎn)生指向襯底的電場(chǎng)

耗盡層MOS管柵源電壓的控制作用（動(dòng)畫1）VDS

對(duì)溝道的影響(假設(shè)VGS>VGS(th)

且保持不變)VDS

很小時(shí)→VGD

VGS。由圖

VGD=VGS-VDS因此VDS

→ID

線性。

隨著VDS→則VGD→近漏端耗盡層變寬，溝道電阻

ID

變慢。PP+N+N+SGDUVDS-+VGS-+PP+N+N+SGDUVDS-+VGS-+2.工作原理

當(dāng)VDS

增加到使VGD=VT時(shí)→A點(diǎn)出現(xiàn)預(yù)夾斷

若VDS

繼續(xù)

→A點(diǎn)左移→出現(xiàn)夾斷區(qū)因此預(yù)夾斷后：PP+N+N+SGDUVDS-+VGS-+APP+N+N+SGDUVDS-+VGS-+AVDS

→ID

基本維持不變。

這時(shí)VDS增大部分全部加在夾斷區(qū)，溝道基本不再變化。2.工作原理MOS管僅依靠一種載流子(多子)導(dǎo)電，故也稱為單極型器件。

三極管中多子、少子同時(shí)參與導(dǎo)電，故也稱雙極型器件。利用半導(dǎo)體表面的電場(chǎng)效應(yīng)，通過柵源電壓VGS

的變化，改變感應(yīng)電荷的多少，從而改變感應(yīng)溝道的寬窄，控制漏極電流ID。而VDS對(duì)ID的影響很小。EMOSFET工作原理總結(jié)：預(yù)夾斷后，vDS

夾斷區(qū)延長(zhǎng)

溝道電阻

ID基本不變2.工作原理

給定一個(gè)vGS，就有一條不同的iD–vDS曲線。加較小的vDS時(shí)，漏極電流ID將隨著vDS上升迅速增大。2.工作原理可分為三個(gè)工作區(qū)：3.

V-I特性曲線及特性方程（1）輸出特性①截止區(qū)當(dāng)vGS＜VT時(shí)，導(dǎo)電溝道尚未形成，iD＝0，為截止工作狀態(tài)。3.

V-I特性曲線及特性方程（1）輸出特性②可變電阻區(qū)

vDS≤（vGS－VT）由于vDS較小，可近似為

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其中3.

V-I特性曲線及特性方程（1）輸出特性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(shí)的iD3.

V-I特性曲線及特性方程（2）轉(zhuǎn)移特性開啟電壓由于iD受vDS影響很小，在飽和區(qū)內(nèi)不同vDS下的轉(zhuǎn)移特性基本重合。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.耗盡型MOS管

耗盡型MOS管在

vGS＞0、vGS

＜0、vGS

＝0時(shí)均可導(dǎo)通，由于SiO2絕緣層的存在，既是在vGS＞0時(shí)仍保持g-s間電阻非常大的特點(diǎn)，所以柵極電流為零。加正離子小到一定值才夾斷uGS=0時(shí)就存在導(dǎo)電溝道vGS＝VP

溝道夾斷。N溝道：vGS

任意,vDS>0溝道變寬溝道變窄5.1.2N溝道耗盡型MOSFET輸出特性曲線及轉(zhuǎn)移特性方曲線

（N溝道增強(qiáng)型）夾斷電壓耗盡型飽和區(qū)的數(shù)學(xué)模型：IDSS叫原始溝道漏極電流。5.1.3P溝道MOSFET與N溝道不同之處：外加電壓極性及電流方向與N溝道相反。其它原理均相似。場(chǎng)效應(yīng)管工作在恒流區(qū)時(shí)g-s、d-s間的電壓極性?????íì?íì?íì)0(P)0(N)00(P)00(NDSGSDSGSDSGSDSGS＜極性任意，溝道＞極性任意，溝道耗盡型＜，＜溝道＞，＞溝道增強(qiáng)型絕緣柵型vvvvvvvv5.1.4溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)實(shí)際上飽和區(qū)的曲線并不是平坦的,而是略有上翹。當(dāng)不考慮溝道調(diào)制效應(yīng)時(shí)，

＝0，曲線是平坦的。

修正后其中：溝道長(zhǎng)度調(diào)制系數(shù)L的單位為

m5.1.5MOSFET的主要參數(shù)一、直流參數(shù)NMOS增強(qiáng)型1.開啟電壓VT

（增強(qiáng)型參數(shù)）2.夾斷電壓VP

（耗盡型參數(shù)）3.飽和漏電流IDSS

（耗盡型參數(shù)）4.直流輸入電阻RGS

（109Ω～1015Ω

）二、交流參數(shù)1.輸出電阻rds

當(dāng)不考慮溝道調(diào)制效應(yīng)時(shí)，

＝0，rds→∞

5.1.5MOSFET的主要參數(shù)2.低頻互導(dǎo)gm

二、交流參數(shù)考慮到則其中5.1.5MOSFET的主要參數(shù)三、極限參數(shù)1.最大漏極電流IDM

2.最大耗散功率PDM

3.最大漏源電壓V（BR）DS

4.最大柵源電壓V（BR）GS

四種MOS場(chǎng)效應(yīng)管比較

電路符號(hào)及電流流向SGUDIDSGUDIDUSGDIDSGUDIDNEMOSNDMOSPDMOSPEMOS

轉(zhuǎn)移特性IDVGSOVGS(th)IDVGSOVGS(off)IDVGSOVGS(th)IDVGSOVGS(offNEMOSNDMOSPEMOSPDMOS

飽和區(qū)(放大區(qū))外加電壓極性及數(shù)學(xué)模型VDS

極性取決于溝道類型N溝道：VDS>0，P溝道：VDS<0VGS

極性取決于工作方式及溝道類型增強(qiáng)型MOS管：VGS

與VDS

極性相同。耗盡型MOS管：VGS

取值任意。

飽和區(qū)數(shù)學(xué)模型與管子類型無關(guān)MOS管總結(jié)其中

非飽和區(qū)(可變電阻區(qū))工作條件預(yù)夾斷條件：VDS=VGS–

VT溝道開啟條件：VGS

>VT，VDS

>VGS–VTVGS>VT

，

飽和區(qū)(放大區(qū))工作條件VDS

<VGS–VTVGS

>VT，N溝道MOS管：P溝道MOS管與上述條件一致嗎？5.3結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管5.3.1JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理5.3.2JFET的特性曲線及參數(shù)5.3.1JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理1.結(jié)構(gòu)和符號(hào)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)

N溝道JFET管外部工作條件VDS>0VGS<0外加電壓對(duì)溝道的影響分析:(保證N型硅片任意位置上的PN結(jié)均反偏)P+P+NGSDVDS+-VGS-+

2.工作原理柵-源電壓對(duì)導(dǎo)電溝道寬度的控制作用溝道最寬溝道變窄溝道消失稱為夾斷

vGS可以控制導(dǎo)電溝道的寬度。對(duì)于N溝道的JFET，夾斷電壓VP<0。漏-源電壓對(duì)漏極電流的影響vGS＞VP且不變，VDD增大，iD增大。預(yù)夾斷vGD＝VP

夾斷區(qū)變長(zhǎng)，VDD的增大，幾乎全部用來克服溝道的電阻，iD幾乎不變，進(jìn)入恒流區(qū)，iD幾乎僅僅決定于vGS。vGD>VP溝道未夾斷vGD<VP

隨著vds增加，G、D間PN結(jié)的反向電壓增加，使靠近漏極處的耗盡層加寬，從上至下呈楔形分布。漏-源電壓對(duì)漏極電流的影響綜上分析可知JFET是電壓控制電流器件，iD受vGS控制。預(yù)夾斷前iD與vDS呈近似線性關(guān)系；預(yù)夾斷后，iD趨于飽和，幾乎不隨vDS而變。JFET柵極與溝道間的PN結(jié)是反向偏置的，因此iG0，輸入電阻很高。夾斷電壓漏極飽和電流1.轉(zhuǎn)移特性場(chǎng)效應(yīng)管工作在恒流區(qū)，即vGS＞VP且vGD＜VP。5.3.2JFET的特性曲線及參數(shù)改變g-s電壓可改變d-s等效電阻預(yù)夾斷軌跡，vGD＝Vp可變電阻區(qū)恒流區(qū)iD幾乎僅決定于vGS擊穿區(qū)夾斷區(qū)（截止區(qū)）夾斷電壓IDSS2.輸出特性與MOSFET類似3.主要參數(shù)場(chǎng)效應(yīng)管工作在恒流區(qū)時(shí)g-s、d-s間的電壓極性各類場(chǎng)效應(yīng)管外加電壓極性及數(shù)學(xué)模型總結(jié)vDS

極性取決于溝道類型N溝道：vDS>0，P溝道：vDS<0vGS

極性取決于工作方式及溝道類型增強(qiáng)型MOS管：vGS

與vDS

極性相同。耗盡型MOS管：vGS

取值任意。

飽和區(qū)數(shù)學(xué)模型：結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管：vGS

與vDS

極性相反MOS管JFET和耗盡型管先假定MOS管工作在飽和模式：放大區(qū)(則計(jì)算成立）可變電阻區(qū)(需重新計(jì)算Q

點(diǎn))

可變電阻區(qū)與放大區(qū)判斷方法：a)由直流通路寫出外電路vGS與ID

之間關(guān)系式。c)聯(lián)立解上述方程，選出合理的一組解。d)判斷電路工作模式：若

vDS>vGS–VT若

vDS<vGS–VPb)利用飽和區(qū)數(shù)學(xué)模型：例：已知IDO=1mA，VT=2V，求ID。解：假設(shè)T工作在放大模式VDD(+20V)1.2M

4k

TSRG1RG2RDRS0.8M

10k

GID代入已知條件解上述方程組得：ID=1mAvGS=4V及ID=2.25mAvGS=-1V(舍去)vDS=VDD

-

ID(RD+RS)=6V因此驗(yàn)證得知：vDS>vGS–VT，vGS>VT，假設(shè)成立。ID=1mA5.2場(chǎng)效應(yīng)管放大電路1.直流偏置及靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算2.圖解分析3.小信號(hào)模型分析1.直流偏置及靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算（1）簡(jiǎn)單的共源極放大電路直流通路共源極放大電路1.直流偏置及靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算（1）分壓式偏置共源極放大電路假設(shè)工作在飽和區(qū)，即驗(yàn)證是否滿足如果不滿足，則說明假設(shè)錯(cuò)誤，須滿足VGS>VT

，否則工作在截止區(qū)則工作在可變電阻區(qū)。假設(shè)工作在飽和區(qū)，則滿足假設(shè)成立，結(jié)果即為所求IDQ和VDSQ。解：例：設(shè)Rg1=60k

，Rg2=40k

，Rd=15k

，試計(jì)算電路的靜態(tài)漏極電流IDQ和漏源電壓VDSQ。VDD=5V，VT=1V，1.直流偏置及靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算（2）帶源極電阻的NMOS共源極放大電路飽和區(qū)時(shí)驗(yàn)證是否滿足1.直流偏置及靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算靜態(tài)時(shí)，vI＝0，VG＝0，ID＝I電流源偏置VS＝VG－VGS=-VGS（飽和區(qū)）（3）電流源偏置的共源放大電路可以解出VGSQVDSQ＝VD－VS=VDD-IDRd+VGS驗(yàn)證是否滿足如果成立，結(jié)果即為所求IDQ和VDSQ。4.自給偏壓電路由正電源獲得負(fù)偏壓稱為自給偏壓哪種場(chǎng)效應(yīng)管能夠采用這種電路形式設(shè)置Q點(diǎn)？1.直流偏置及靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算2.圖解分析由于負(fù)載開路，交流負(fù)載線與直流負(fù)載線相同工作在飽和區(qū)時(shí)：共源放大電路輸入輸出電壓反相。3.小信號(hào)模型分析（1）模型=0時(shí)低頻電路柵源間的電阻很大，可看成開路。與晶體管的h參數(shù)等效模型類比：根據(jù)iD的表達(dá)式或轉(zhuǎn)移特性可求得gm。飽和區(qū)工作時(shí)：3.小信號(hào)模型分析（2）放大電路分析s小信號(hào)等效電路：共源放大電路的動(dòng)態(tài)分析3.小信號(hào)模型分析（2）放大電路分析s3.小信號(hào)模型分析（2）放大電路分析共漏放大電路的動(dòng)態(tài)分析小信號(hào)等效電路3.小信號(hào)模型分析（2）放大電路分析-vt+gmvt外加電壓法：例題：求如圖電路的動(dòng)態(tài)指標(biāo)：小信號(hào)等效電路電壓增益：忽略rds，由輸入輸出回路得則輸入電阻輸出電阻R

oRoMOS管高頻小信號(hào)電路模型當(dāng)高頻應(yīng)用、需考慮管子極間電容影響時(shí)，應(yīng)采用如下高頻等效電路模型。gmvgsrdsgdsidvgs-vds++-CdsCgdCgs柵源極間平板電容漏源極間電容柵漏極間平板電容5.5各種放大器件電路性能比較組態(tài)對(duì)應(yīng)關(guān)系：CEBJTFETCSCCCDCBCG電壓增益：BJTFETCE：CC：CB：CS：CD：CG：輸出電阻：BJTFET輸入電阻：CE：CC：CB：CS：CD：CG：CE：CC：CB：CS：CD：CG：5.5各種放大器件電路性能比較例題：如圖已知求？Rg3作用？RL+1.各場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)及工作原理2.場(chǎng)效應(yīng)管放大電路的直流、交流分析作業(yè)：5.1.1，5.1.2，5.1.3，5.2.1，5.2.2，5.2.4，5.2.9，5.3.2，5.3.5，5.3.6，5.3.8，5.5.1，5.5.4本章重點(diǎn)小測(cè)驗(yàn)41.P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的夾斷電壓VGS(off)為_________。(a)正值(b)負(fù)值(c)零2．當(dāng)場(chǎng)效應(yīng)管的漏極直流電流ID從1mA變?yōu)?mA時(shí)，它的低頻跨導(dǎo)_________。增大(b)減小(c)不變3．當(dāng)ugs=0時(shí)，不能夠工作在恒流區(qū)的場(chǎng)效應(yīng)管是_________。(a)結(jié)型(b)增強(qiáng)型MOS管(c)耗盡型MOS管4．場(chǎng)效應(yīng)管自給偏壓電路適合于__