模擬電子術(shù)基礎(chǔ)第05章 場效應(yīng)管放大電路

1、1湖南科技大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院湖南科技大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院第五章第五章 25.1 金屬金屬-氧化物氧化物-半導(dǎo)體（半導(dǎo)體（mos）場效應(yīng)管）場效應(yīng)管5.3 結(jié)型場效應(yīng)管（結(jié)型場效應(yīng)管（jfet）*5.4 砷化鎵金屬砷化鎵金屬-半導(dǎo)體場效應(yīng)管半導(dǎo)體場效應(yīng)管5.5 各種放大器件電路性能比較各種放大器件電路性能比較5.2 mosfet放大電路放大電路3p溝道溝道耗盡型耗盡型p溝道溝道p溝道溝道n溝道溝道增強型增強型n溝道溝道n溝道溝道（耗盡型）（耗盡型）fet場效應(yīng)管場效應(yīng)管jfet結(jié)型結(jié)型mosfet絕緣柵型絕緣柵型(igfet)耗盡型耗盡型：場效應(yīng)管沒有加偏置電壓時，就有導(dǎo)電溝道存在：場效應(yīng)

2、管沒有加偏置電壓時，就有導(dǎo)電溝道存在增強型增強型：場效應(yīng)管沒有加偏置電壓時，沒有導(dǎo)電溝道：場效應(yīng)管沒有加偏置電壓時，沒有導(dǎo)電溝道場效應(yīng)管的分類：場效應(yīng)管的分類：45.1 金屬金屬-氧化物氧化物-半導(dǎo)體半導(dǎo)體（mos）場效應(yīng)管）場效應(yīng)管5.1.1 n溝道增強型溝道增強型mosfet5.1.5 mosfet的主要參數(shù)的主要參數(shù)5.1.2 n溝道耗盡型溝道耗盡型mosfet5.1.3 p溝道溝道m(xù)osfet5.1.4 溝道長度調(diào)制效應(yīng)溝道長度調(diào)制效應(yīng)55.1.1 n溝道增強型溝道增強型mosfet1. 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)（n溝道）溝道）l ：溝道長度：溝道長度w ：溝道寬度：溝道寬度tox ：絕緣層厚度：絕緣

3、層厚度通常通常 w l 65.1.1 n溝道增強型溝道增強型mosfet剖面圖剖面圖1. 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)（n溝道）溝道）符號符號75.1.1 n溝道增強型溝道增強型mosfet2. 工作原理工作原理（1）vgs對溝道的控制作用對溝道的控制作用當當vgsgs00時時 無導(dǎo)電溝道，無導(dǎo)電溝道， d、s間加電壓時，也間加電壓時，也無電流產(chǎn)生。無電流產(chǎn)生。當當00vgs gs v vt t 時時 在電場作用下產(chǎn)生導(dǎo)電溝道，在電場作用下產(chǎn)生導(dǎo)電溝道，d、s間間加電壓后，將有電流產(chǎn)生。加電壓后，將有電流產(chǎn)生。 vgsgs越大，導(dǎo)電溝道越厚越大，導(dǎo)電溝道越厚82. 工作原理工作原理（2）vds對溝道的控制作用對溝

4、道的控制作用靠近漏極靠近漏極d d處的電位升高處的電位升高電場強度減小電場強度減小 溝道變薄溝道變薄當當vgsgs一定（一定（vgs gs v vt t ）時，）時，vdsds i id d 溝道電位梯度溝道電位梯度 整個溝道呈整個溝道呈楔形分布楔形分布9當當vgsgs一定（一定（vgs gs v vt t ）時，）時，vdsds i id d 溝道電位梯度溝道電位梯度 當當vdsds增加到使增加到使vgdgd= =v vt t 時，時，在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷。在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷。2. 工作原理工作原理（2）vds對溝道的控制作用對溝道的控制作用在預(yù)夾斷處：在預(yù)夾斷處：vgdgd= =vg

5、sgs- -vds ds = =v vt t10預(yù)夾斷后，預(yù)夾斷后，vdsds 夾斷區(qū)延長夾斷區(qū)延長溝道電阻溝道電阻 i id d基本不變基本不變2. 工作原理工作原理（2）vds對溝道的控制作用對溝道的控制作用112. 工作原理工作原理（3） vds和和vgs同時作用時同時作用時 vdsds一定，一定，vgsgs變化時變化時 給定一個給定一個vgs gs ，就有一條不，就有一條不同的同的 id d vds ds 曲線。曲線。123. v-i 特性曲線及大信號特性方程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）輸出特性及大信號特性方程const.dsdgs)( vvfi 截止區(qū)截止

6、區(qū)當當vgsvt時，導(dǎo)電溝道尚時，導(dǎo)電溝道尚未形成，未形成，id0，為截止工，為截止工作狀態(tài)。作狀態(tài)。133. v-i 特性曲線及大信號特性方程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）輸出特性及大信號特性方程const.dsdgs)( vvfi 可變電阻區(qū)可變電阻區(qū) vds（vgsvt） )( dsdstgsnd22vvv vki由于由于vds較小，可近似為較小，可近似為dstgsnd )(vvvki 2常數(shù)常數(shù) gsddsdsovvdidr)(tgsnvk v21rdso是一個受是一個受vgs控制的可變電阻控制的可變電阻 143. v-i 特性曲線及大信號特性方程特性曲線及大

7、信號特性方程（1）輸出特性及大信號特性方程）輸出特性及大信號特性方程 可變電阻區(qū)可變電阻區(qū) dstgsnd )(vvvki 2)(tgsndsovkr v21 n ：反型層中電子遷移率：反型層中電子遷移率cox ：柵極（與襯底間）氧：柵極（與襯底間）氧化層單位面積電容化層單位面積電容本征電導(dǎo)因子本征電導(dǎo)因子oxnnc k lwlwkk22oxnnnc 其中其中kn為電導(dǎo)常數(shù)，單位：為電導(dǎo)常數(shù)，單位：ma/vma/v2 2153. v-i 特性曲線及大信號特性方程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）輸出特性及大信號特性方程 飽和區(qū)飽和區(qū)（恒流區(qū)又稱放大區(qū)）（恒流區(qū)又稱放大區(qū)）

8、vgs gs v vt t ，且，且vdsds（v vgsgsv vt t）2)(tgsndvki v221)(tgstn vvkv21)(tgsdo viv2tndovki 是是vgsgs2 2v vt t時的時的id d v v- -i i 特性：特性：163. v-i 特性曲線及大信號特性方程特性曲線及大信號特性方程（2）轉(zhuǎn)移特性）轉(zhuǎn)移特性const.gsdds)( vvfi21)(tgsdod viiv17（二）工作原理（二）工作原理（1）增強型）增強型 mos 場效管場效管上一頁上一頁下一頁下一頁返返 回回下一節(jié)下一節(jié)上一節(jié)上一節(jié) 導(dǎo)電溝道的形成導(dǎo)電溝道的形成17185.1.2 n溝

9、道耗盡型溝道耗盡型mosfet1. 結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)和工作原理（n溝道）溝道）二氧化硅絕緣層中摻有大量的正離子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，而且基本上無柵流可以在正或負的柵源電壓下工作，而且基本上無柵流195.1.2 n溝道耗盡型溝道耗盡型mosfet2. v-i 特性曲線及大信號特性方程特性曲線及大信號特性方程 21)(pgsdssdviiv 21)(tgsdod viiv（n n溝道增強型）溝道增強型）205.1.3 p溝道溝道m(xù)osfet21（2）耗盡型）耗盡型 mos 場效管場效管上一頁上一頁下一頁下一頁返返 回回下一節(jié)下一節(jié)上一節(jié)上一節(jié)2122（三

10、）特性曲線（三）特性曲線上一頁上一頁下一頁下一頁返返 回回下一節(jié)下一節(jié)上一節(jié)上一節(jié)2223（四）四（四）四 種種 mos 場效管的簡介場效管的簡介上一頁上一頁下一頁下一頁返返 回回下一節(jié)下一節(jié)上一節(jié)上一節(jié)23245.1.4 溝道長度調(diào)制效應(yīng)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實際上飽和區(qū)的曲線并不是平坦的)()(dstgsndvv 12vki)()(dstgsdovv 112vil的單位為的單位為 m1v 1 . 0 l當不考慮溝道調(diào)制效應(yīng)時，當不考慮溝道調(diào)制效應(yīng)時， 0 0，曲線是平坦的。，曲線是平坦的。 修正后修正后255.1.5 mosfet的主要參數(shù)的主要參數(shù)一、直流參數(shù)一、

11、直流參數(shù)nmosnmos增強型增強型1. 1. 開啟電壓開啟電壓v vt t （增強型參數(shù)）（增強型參數(shù)）2. 2. 夾斷電壓夾斷電壓v vp p （耗盡型參數(shù)）（耗盡型參數(shù)）3. 3. 飽和漏電流飽和漏電流i idssdss （耗盡型參數(shù)）（耗盡型參數(shù)）4. 4. 直流輸入電阻直流輸入電阻r rgsgs （10109 910101515 ）二、交流參數(shù)二、交流參數(shù) 1. 1. 輸出電阻輸出電阻r rdsds gsddsdsvir vd12tgsnds1)(ivkr v當不考慮溝道調(diào)制效應(yīng)時，當不考慮溝道調(diào)制效應(yīng)時， 0 0，rdsds 265.1.5 mosfet的主要參數(shù)的主要參數(shù)ds g

12、sdmvigv 2. 2. 低頻互導(dǎo)低頻互導(dǎo)g gm m 二、交流參數(shù)二、交流參數(shù) 考慮到考慮到 2tgsnd)(vki v則則dsdsgs2tgsngsdm)(vvvkigvvv )(2tgsnvk vndtgs)(kiv vdn2ik lwk 2coxnn其中其中275.1.5 mosfet的主要參數(shù)的主要參數(shù)三、極限參數(shù)三、極限參數(shù) 1. 1. 最大漏極電流最大漏極電流i idmdm 2. 2. 最大耗散功率最大耗散功率p pdmdm 3. 3. 最大漏源電壓最大漏源電壓v v（brbr）dsds 4. 4. 最大柵源電壓最大柵源電壓v v（brbr）gsgs p pdmdm : :管子

13、正常工作時漏極電流允許的最大值管子正常工作時漏極電流允許的最大值p pdmdm ：管子的耗散功率不能大于該值：管子的耗散功率不能大于該值v v（brbr）dsds ：指發(fā)生雪崩擊穿，：指發(fā)生雪崩擊穿，i id d開始急劇上升的開始急劇上升的vds v v（brbr）gsgs ：柵源間反向電流急劇增加時的：柵源間反向電流急劇增加時的vgs 285.2 mosfet放大電路放大電路5.2.1 mosfet放大電路放大電路1. 直流偏置及靜態(tài)工作點的計算直流偏置及靜態(tài)工作點的計算2. 圖解分析圖解分析3. 小信號模型分析小信號模型分析295.2.1 mosfet放大電路放大電路1. 直流偏置及靜態(tài)工

14、作點的計算直流偏置及靜態(tài)工作點的計算（1）簡單的共源極放大電路）簡單的共源極放大電路（n溝道）溝道）直流通路直流通路共源極放大電路共源極放大電路305.2.1 mosfet放大電路放大電路1. 直流偏置及靜態(tài)工作點的計算直流偏置及靜態(tài)工作點的計算（1）簡單的共源極放大電路）簡單的共源極放大電路（n溝道）溝道）ddg2g1g2gsvrrrv 2)(tgsndvvki dddddsrivv 假設(shè)工作在飽和區(qū)，即假設(shè)工作在飽和區(qū)，即)(tgsdsvvv 驗證是否滿足驗證是否滿足)(tgsdsvvv 如果不滿足，則說明假設(shè)錯誤如果不滿足，則說明假設(shè)錯誤須滿足須滿足vgs vt ，否則工作在截止區(qū)，否則

15、工作在截止區(qū)再假設(shè)工作在可變電阻區(qū)再假設(shè)工作在可變電阻區(qū))(tgsdsvvv 即即dddddsrivv dstgsnd )(vvvki 231假設(shè)工作在飽和區(qū)假設(shè)工作在飽和區(qū)滿足滿足)(tgsdsvvv 假設(shè)成立，結(jié)果即為所求。假設(shè)成立，結(jié)果即為所求。解：解：v2v5406040 ddg2g1g2gsq vrrrvma2 . 0ma)12)(2 . 0()(22tgsndq vvkiv2v)15)(2 . 0(5dddddsq rivv例：例：設(shè)設(shè)rg1=60k ，rg2=40k ，rd=15k ，220v/ma.n k試計算電路的靜態(tài)漏極電流試計算電路的靜態(tài)漏極電流idq和漏源和漏源電壓電壓

16、vdsq 。vdd=5v， vt=1v，325.2.1 mosfet放大電路放大電路1. 直流偏置及靜態(tài)工作點的計算直流偏置及靜態(tài)工作點的計算（2）帶源極電阻的）帶源極電阻的nmos共源極放大電路共源極放大電路2)(tgsndvvki 飽和區(qū)飽和區(qū)需要驗證是否滿足需要驗證是否滿足)(tgsdsvvv sggsvvv )()(ddssdddsrrivvv)(ssssddg2g1g2vvvrrr)(ssdvri 335.2.1 mosfet放大電路放大電路1. 直流偏置及靜態(tài)工作點的計算直流偏置及靜態(tài)工作點的計算靜態(tài)時，靜態(tài)時，vi0 0，vg 0 0，id i電流源偏置電流源偏置 vs vg v

17、gs 2tgsnd)(vvki （飽和區(qū)）（飽和區(qū)） 345.2.1 mosfet放大電路放大電路2. 圖解分析圖解分析由于負載開路，交流負由于負載開路，交流負載線與直流負載線相同載線與直流負載線相同 355.2.1 mosfet放大電路放大電路3. 小信號模型分析小信號模型分析2tgsnd)(vki v2tgsgsqn)(vvk v2gstgsqn)(v vvk2gsngstgsqn2tgsqn)(2)(vvkvvkvvk （1）模型）模型dqi gsmvg 2gsnvk 靜態(tài)值靜態(tài)值（直流）（直流）動態(tài)值動態(tài)值（交流）（交流）非線性非線性失真項失真項 當當，vgs 2( 2(vgsq- -

18、 vt ) )時，時，dqdii gsmvg ddqii 365.2.1 mosfet放大電路放大電路3. 小信號模型分析小信號模型分析（1）模型）模型dqdii gsmvg ddqii gsmdvgi 0 0時時高頻小信號模型高頻小信號模型373. 小信號模型分析小信號模型分析v/ma1 v/ma)12(5 . 02 )(2tgsqnm vvkg（2）放大電路分析）放大電路分析（例（例5.2.5）假設(shè)工作在飽和區(qū)假設(shè)工作在飽和區(qū)滿足滿足vvvv112)(tgsds解：解：v2v5406040 ddg2g1g2gsq vrrrvma5 . 0ma) 12)(5 . 0()(22tgsndqvv

19、kiv75. 4)()(dddddsqrrivvvss383. 小信號模型分析小信號模型分析（2）放大電路分析）放大電路分析（例（例5.2.5）dgsmorg vv )1()(mgsgsmgsirgrg vvvvrgrgamdmio1 vvvg2g1i/ rrr dorr siisiiososrrraa vvvvvvvvs393. 小信號模型分析小信號模型分析（2）放大電路分析）放大電路分析（例（例5.2.6）)/()/)(dsgsmgsdsgsmiorrgrrgavvvvvv 1)/(1)/(dsmdsm rrgrrg)()/(1)/( siidsmdsmsiiososrrrrrgrrga

20、vvvvvvv共漏共漏403. 小信號模型分析小信號模型分析（2）放大電路分析）放大電路分析g2g1i/rrr mdsmdstto1/ 111grrgrrir vend415.3 結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管 5.3.1 jfet的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理 5.3.2 jfet的特性曲線及參數(shù)的特性曲線及參數(shù) 5.3.3 jfet放大電路的小信號模型分析法放大電路的小信號模型分析法 425.3.1 jfet的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理1. 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 432. 工作原理工作原理 vgs對溝道的控制作用對溝道的控制作用當當vgs0時時（以（以n溝道溝道jfet為例）為例） 當溝道夾斷時，對應(yīng)

21、當溝道夾斷時，對應(yīng)的柵源電壓的柵源電壓vgs稱為稱為夾斷夾斷電壓電壓vp （ 或或vgs(off) ）。）。對于對于n溝道的溝道的jfet，vp 0。pn結(jié)反偏結(jié)反偏耗盡層加厚耗盡層加厚溝道變窄。溝道變窄。 vgs繼續(xù)減小，溝道繼續(xù)減小，溝道繼續(xù)變窄。繼續(xù)變窄。442. 工作原理工作原理（以（以n溝道溝道jfet為例）為例） vds對溝道的控制作用對溝道的控制作用當當vgs=0時，時， vds id g、d間間pn結(jié)的反向結(jié)的反向電壓增加，使靠近漏極電壓增加，使靠近漏極處的耗盡層加寬，溝道處的耗盡層加寬，溝道變窄，從上至下呈楔形變窄，從上至下呈楔形分布。分布。 當當vds增加到使增加到使vgd

22、=vp 時，在緊靠漏時，在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷。極處出現(xiàn)預(yù)夾斷。此時此時vds 夾斷區(qū)延長夾斷區(qū)延長溝道電阻溝道電阻 id基本不變基本不變452. 工作原理工作原理（以（以n溝道溝道jfet為例）為例） vgs和和vds同時作用時同時作用時當當vp vgs0 時，導(dǎo)電溝道更容易夾斷，時，導(dǎo)電溝道更容易夾斷，對于同樣的對于同樣的vds ， id的值比的值比vgs=0時的值要小。時的值要小。在預(yù)夾斷處在預(yù)夾斷處vgd=vgs- -vds =vp 46綜上分析可知綜上分析可知 溝道中只有一種類型的多數(shù)載流子參與導(dǎo)電，溝道中只有一種類型的多數(shù)載流子參與導(dǎo)電， 所以場效應(yīng)管也稱為單極型三極管所以場效應(yīng)管

23、也稱為單極型三極管。 jfetjfet是電壓控制電流器件，是電壓控制電流器件，i id d受受vgsgs控制?？刂?。 預(yù)夾斷前預(yù)夾斷前i id d與與vdsds呈近似線性關(guān)系；預(yù)夾斷后，呈近似線性關(guān)系；預(yù)夾斷后， i id d趨于飽和。趨于飽和。 jfet jfet柵極與溝道間的柵極與溝道間的pnpn結(jié)是反向偏置的，因結(jié)是反向偏置的，因 此此i ig g 0 0，輸入電阻很高。，輸入電阻很高。475.3.2 jfet的特性曲線及參數(shù)的特性曲線及參數(shù)const.dsdgs)( vvfi2. 轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性 const.gsdds)( vvfi)0()1(gsp2pgsdssd vvvvii1.

24、 輸出特性輸出特性 48與與mosfet類似類似3. 主要參數(shù)主要參數(shù)5.3.2 jfet的特性曲線及參數(shù)的特性曲線及參數(shù)495.3.2 fet放大電路的小信號模型分析法放大電路的小信號模型分析法1. fet小信號模型小信號模型（1）低頻模型）低頻模型50（2）高頻模型）高頻模型512. 動態(tài)指標分析動態(tài)指標分析（1 1）中頻小信號模型）中頻小信號模型522. 動態(tài)指標分析動態(tài)指標分析（2）中頻電壓增益）中頻電壓增益（3）輸入電阻）輸入電阻（4）輸出電阻）輸出電阻忽略忽略 rds， ivgsvrggsmv )1(mgsrg v ovdgsmrg v mvargrgmdm1 /iirr 由輸入輸

25、出回路得由輸入輸出回路得則則giiirv )/(g2g1g3rrr )/()1(g2g1g3mgsgsrrrrgrr 通常通常則則)/(g2g1g3irrrr dorr rgrr)1(mgsgs gsgsgsmgsgsgs)(rrgrvvvv end53場效應(yīng)管場效應(yīng)管放大電路放大電路分析分析（1）偏置電路及靜態(tài)分析54分壓式自偏壓電路分壓式自偏壓電路直流通道vg=vddrg2/(rg1+rg2)vgs= vgvs= vgidrid= idss1(vgs /vp)2vds= vddid(r+rd ) 由此可以解出由此可以解出vgs、id和和vds。(1)(1)直流分析直流分析55(2)交流分析小信號等效電路電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù)rgrgvv