第03章場效應(yīng)管及其放大電路

1、電子電路基礎(chǔ)Electronic Circuit Foundation北京郵電大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院 孫文生 http:/ 3643 7175 (500人)分群分群 5611 2577 誤闖地球電子電路基礎(chǔ)Electronic and Circuit Foundation第三章 場效應(yīng)管及其放大電路討論群：3643 7175第三章第三章 場效應(yīng)管及其放大電路場效應(yīng)管及其放大電路n場效應(yīng)晶體管的特點(diǎn)場效應(yīng)晶體管的特點(diǎn)n通過通過改變電場強(qiáng)度改變電場強(qiáng)度控制半導(dǎo)體導(dǎo)電能力的有源器件控制半導(dǎo)體導(dǎo)電能力的有源器件；n柵源電壓柵源電壓vGS 控制漏源電流控制漏源電流iD。n僅有一種載流子參與導(dǎo)電；僅有一

2、種載流子參與導(dǎo)電；n根據(jù)參與導(dǎo)電的載流子不根據(jù)參與導(dǎo)電的載流子不 同，有電子作為載流子的同，有電子作為載流子的 N溝道溝道器件和空穴作為載器件和空穴作為載 流子的流子的P溝道溝道器件。器件。n熱穩(wěn)定性好，抗干擾能力強(qiáng)。熱穩(wěn)定性好，抗干擾能力強(qiáng)。n輸入阻抗高輸入阻抗高, 易集成易集成第三章第三章 場效應(yīng)管及其放大電路場效應(yīng)管及其放大電路n場效應(yīng)管的分類場效應(yīng)管的分類n絕緣柵型場效應(yīng)管絕緣柵型場效應(yīng)管( Insulated Gate Field Effect Transister, IGFET) 也稱也稱金屬氧化物半導(dǎo)體三極管金屬氧化物半導(dǎo)體三極管MOSFET，簡稱簡稱MOS管管 （Metal O

3、xide Semiconductor FET）n結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管 (Junction type Field Effect Transister, JFET)FET場效應(yīng)管場效應(yīng)管N溝道溝道P溝道溝道（耗盡型）（耗盡型）JFET結(jié)型結(jié)型增強(qiáng)型增強(qiáng)型耗盡型耗盡型N溝道溝道P溝道溝道N溝道溝道P溝道溝道MOSFET絕緣柵型絕緣柵型(IGFET)3.1.1 增強(qiáng)型增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管場效應(yīng)管nN溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOS管的結(jié)構(gòu)管的結(jié)構(gòu)D(Drain)為漏極，為漏極， 相當(dāng)相當(dāng)cG(Gate)為柵極，為柵極， 相當(dāng)相當(dāng)bS(Source)為源極，相當(dāng)為源極，相當(dāng)e N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOS

4、FET的結(jié)構(gòu)示意圖和符號的結(jié)構(gòu)示意圖和符號3.1.1 增強(qiáng)型增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管場效應(yīng)管計算步驟：計算步驟：找找Q點(diǎn)：點(diǎn)：VGSQ、IDQ定參量：定參量：gm、rds畫模型：畫模型：注意背柵極注意背柵極B的接法的接法求指標(biāo)：求指標(biāo)：Av、Ri、Ro、fH增強(qiáng)型電阻負(fù)載共源放大電路增強(qiáng)型電阻負(fù)載共源放大電路nN溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOS管的基本工作原理管的基本工作原理3.1.1 增強(qiáng)型增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管場效應(yīng)管n柵源電壓柵源電壓vGS的影響的影響n加入柵源電壓加入柵源電壓vGS 導(dǎo)電溝道的形成導(dǎo)電溝道的形成GS(th)GSVVGS(th)GSVVn開啟電壓開啟電壓 VGS(th): 開始形成導(dǎo)

5、電溝道的開始形成導(dǎo)電溝道的vGSnvGS 對導(dǎo)電溝道有控制作用對導(dǎo)電溝道有控制作用.3.1.1 增強(qiáng)型增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管場效應(yīng)管n漏源電壓漏源電壓vDS對導(dǎo)電溝道的影響對導(dǎo)電溝道的影響楔型溝道楔型溝道 預(yù)夾斷狀態(tài)預(yù)夾斷狀態(tài) 夾斷狀態(tài)夾斷狀態(tài)vGD VGS(th)vDS (vGS -VGS(th)vGD = VGS(th)vDS = (vGS -VGS(th)vGD (vGS -VGS(th)GS(th)GSVV3.1.1 增強(qiáng)型增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管場效應(yīng)管nN溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOS管特性曲線管特性曲線n輸出特性曲線輸出特性曲線 iD= f (vDS) vGS=常數(shù)常數(shù)n轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特

6、性曲線 iD= f (vGS) vDS=常數(shù)常數(shù)3.1.1 增強(qiáng)型增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管場效應(yīng)管n輸出特性曲線輸出特性曲線 iD= f (vDS) vGS=常數(shù)常數(shù)GS(th)VvGS截止區(qū)截止區(qū): 0Di截止區(qū)截止區(qū) 當(dāng)當(dāng)vGS接近接近VGS(th)時，時，iD約約在在 A級，且級，且iD與與vGS成指數(shù)關(guān)成指數(shù)關(guān)系，這種現(xiàn)象稱為系，這種現(xiàn)象稱為亞域區(qū)效應(yīng)亞域區(qū)效應(yīng)。3.1.1 增強(qiáng)型增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管場效應(yīng)管n輸出特性曲線輸出特性曲線 iD= f (vDS) vGS=常數(shù)常數(shù)截止區(qū)截止區(qū)可變電阻區(qū)可變電阻區(qū): )(222)(DSDSthGSGSpDvvVvLWkiGS(th)GS(th)

7、VvVvGDGS)(1GS(th)GSonVvLWkRp3.1.1 增強(qiáng)型增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管場效應(yīng)管n輸出特性曲線輸出特性曲線 iD= f (vDS) vGS=常數(shù)常數(shù)飽和區(qū)飽和區(qū): GS(th)GS(th) ,VvVvGDGS2)()(2thGSGSpDVvLWki截止區(qū)截止區(qū) vDS在一定范圍內(nèi)變化，導(dǎo)電在一定范圍內(nèi)變化，導(dǎo)電溝道上的電壓基本不變，溝道上的電壓基本不變，iD也基本也基本不變，輸出特性曲線為直線。不變，輸出特性曲線為直線。 但隨著但隨著vDS的增大，溝道長度的增大，溝道長度減小，溝道電阻也隨之減小，減小，溝道電阻也隨之減小，iD也也會隨會隨vDS增大而增大而略有略有增大，稱

8、這種增大，稱這種現(xiàn)象為現(xiàn)象為溝道長度調(diào)制效應(yīng)溝道長度調(diào)制效應(yīng)。3.1.1 增強(qiáng)型增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管場效應(yīng)管n溝道長度調(diào)制效應(yīng)溝道長度調(diào)制效應(yīng) 漏源電壓漏源電壓vDS對溝道長度的調(diào)制作用對溝道長度的調(diào)制作用)1 ()(22)(DSthGSGSpDvVvLWkiAV1溝道長度調(diào)制因子溝道長度調(diào)制因子典型值：0.0010.03 V-13.1.1 增強(qiáng)型增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管場效應(yīng)管n漏極和源極之間的微變等效電阻漏極和源極之間的微變等效電阻rdsDQDQADSQDDSds1DSQDQIIVVivrVI)1 ()(22)(DSthGSGSpDvVvLWki2)()(2thGSGSpDVvLWkiA1V3

9、.1.1 增強(qiáng)型增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管場效應(yīng)管n輸出特性曲線輸出特性曲線 iD= f (vDS) vGS=常數(shù)常數(shù)擊穿區(qū)擊穿區(qū): 多種擊穿共存多種擊穿共存截止區(qū)截止區(qū) 在飽和區(qū)，在飽和區(qū)，vDS過大會使管內(nèi)過大會使管內(nèi)漏、源區(qū)間的耗盡區(qū)出現(xiàn)擊穿漏、源區(qū)間的耗盡區(qū)出現(xiàn)擊穿。 vDS過大時，會導(dǎo)致漏區(qū)與襯過大時，會導(dǎo)致漏區(qū)與襯底間的底間的PN結(jié)出現(xiàn)反向擊穿。結(jié)出現(xiàn)反向擊穿。 對溝道長度較短的對溝道長度較短的MOS管，管，vDS過大會使漏源區(qū)之間全部轉(zhuǎn)為過大會使漏源區(qū)之間全部轉(zhuǎn)為耗盡區(qū)，發(fā)生貫通擊穿。耗盡區(qū)，發(fā)生貫通擊穿。 柵極下存在柵極下存在SiO2絕緣層，絕緣層，vGS過大會使絕緣層擊穿。過大會使

10、絕緣層擊穿。 3.1.1 增強(qiáng)型增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管場效應(yīng)管GS(th)VvGS截止區(qū)截止區(qū): 0Di)(222)(DSDSthGSGSpDvvVvLWki可變電阻區(qū)可變電阻區(qū): GS(th)GS(th) VvVvGDGS飽和區(qū)飽和區(qū): GS(th)GS(th) ,VvVvGDGS)1 ()(22)(DSthGSGSpDvVvLWki截止區(qū)截止區(qū)應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例例例: 某某MOS管的管的kp=40A/ V2, W/L=20, VGS(th)=1V, VA=50V, vGS=3V. (1) 試問試問vDS為何值時出現(xiàn)預(yù)夾斷，并求此時的漏極電流為何值時出現(xiàn)預(yù)夾斷，并求此時的漏極電流iD. (2)

11、求求vDS=5V時的漏極電流時的漏極電流.解解: (1) 在預(yù)夾斷點(diǎn)，在預(yù)夾斷點(diǎn)， vDS= vGS-VGS(th)=3-1=2VmA6 . 1)(22)(thGSGSpDVvLWki(2) vGS= 3V, vDS= 5V時的漏極電流為時的漏極電流為mA76. 1)1 ()(2DS2)(vVvLWkithGSGSpD3.1.1 增強(qiáng)型增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管場效應(yīng)管nN溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOS管的轉(zhuǎn)移特性曲線管的轉(zhuǎn)移特性曲線 iD= f (vGS)vDS=常數(shù)由輸出特性曲線求轉(zhuǎn)移特性曲線由輸出特性曲線求轉(zhuǎn)移特性曲線3.1.1 增強(qiáng)型增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管場效應(yīng)管n轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線iD=

12、f (vGS) vDS=常數(shù)常數(shù)跨導(dǎo)跨導(dǎo)gm: 衡量柵源電壓對漏極電流衡量柵源電壓對漏極電流 的控制作用。的控制作用。GS(th)GSDQDSQDQDSQGS(th)GS2 )1 (2 )1)( DSQDSDQDGSQGSVVIVILWkVVVLWkvigppVvIiVvGSDmVGS(th)1 ()(22)(DSthGSGSpDvVvLWki3.1.1 增強(qiáng)型增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管場效應(yīng)管n轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線iD= f (vGS) vDS=常數(shù)常數(shù)VGS(th)1 ()(22)(DSthGSGSpDvVvLWki 場效應(yīng)管在飽和區(qū)輸出電流場效應(yīng)管在飽和區(qū)輸出電流與輸入電壓呈與輸入電壓呈二

13、次函數(shù)關(guān)系二次函數(shù)關(guān)系 ( 均均指瞬時值、全值指瞬時值、全值 )。 雙極型晶體雙極型晶體管在放大區(qū)輸出電流與輸入電壓管在放大區(qū)輸出電流與輸入電壓呈呈指數(shù)關(guān)系指數(shù)關(guān)系。 對對交流交流而言，在而言，在Q點(diǎn)附近均點(diǎn)附近均是是線性關(guān)系線性關(guān)系，用，用Q點(diǎn)的切線代替點(diǎn)的切線代替曲線，近似為線性。曲線，近似為線性。3.1.1 增強(qiáng)型增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管場效應(yīng)管nMOS場效應(yīng)管襯底調(diào)制效應(yīng)場效應(yīng)管襯底調(diào)制效應(yīng)背柵跨導(dǎo)背柵跨導(dǎo)gmb: 衡量背柵源電壓對漏極衡量背柵源電壓對漏極 電流的控制作用。電流的控制作用。00GSDSvvBSDmbvig跨導(dǎo)比跨導(dǎo)比: 衡量衡量gmb的大小。的大小。mmbgg應(yīng)用舉例應(yīng)用舉

14、例例例: N溝道溝道MOS管放大電路如圖管放大電路如圖, 其中其中RD=1.5K ,VDD=5V，開啟電壓，開啟電壓 Vth=1.5V，本征導(dǎo)電因子本征導(dǎo)電因子kp=50A/V2,溝道寬長比溝道寬長比W/L=10，溝道，溝道 長度調(diào)制因子長度調(diào)制因子 =0.001/V。試求：。試求： (1) 若微變跨導(dǎo)若微變跨導(dǎo)gm=1mS，直流徧置電壓源，直流徧置電壓源VGSQ應(yīng)為多少？應(yīng)為多少？ (2) 為使管工作在飽和區(qū)，求電壓源為使管工作在飽和區(qū)，求電壓源vi的動態(tài)范圍。的動態(tài)范圍。 解解: (1) 由于由于 數(shù)值較小，在數(shù)值較小，在vDS的變化范圍內(nèi)均有的變化范圍內(nèi)均有 ( vDS)Vth，故，故，

15、vimin=Vth- VGSQ= -2V 所以，所以，vimax = vGSmax -VGSQ=4.05-3.5=0.55V 3thmaxDDSmin105 . 1)(5VVRVVGSDD3.1.1 增強(qiáng)型增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管場效應(yīng)管nP溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOS管管 P 溝道溝道MOS場效應(yīng)管場效應(yīng)管的工作原理與的工作原理與 N 溝道溝道MOS管管完全相完全相同，但導(dǎo)電的載流子不同，電壓極性不同，如同雙極型三極管同，但導(dǎo)電的載流子不同，電壓極性不同，如同雙極型三極管有有NPN 型和型和 PNP 型一樣。型一樣。增強(qiáng)型增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管場效應(yīng)管絕緣柵場效應(yīng)管N溝道增強(qiáng)型P溝道增強(qiáng)型3.1.2

16、 耗盡型耗盡型MOS場效應(yīng)管場效應(yīng)管 N 溝道耗盡型溝道耗盡型MOS管，是在柵極下的管，是在柵極下的SiO2絕緣層中摻入了大量絕緣層中摻入了大量的金屬正離子。的金屬正離子。當(dāng)當(dāng)VGS=0 時時，這些正離子已經(jīng)感應(yīng)出反型層，這些正離子已經(jīng)感應(yīng)出反型層，在漏在漏源之間形成導(dǎo)電溝道源之間形成導(dǎo)電溝道，只要有漏源電壓，就有漏極電流存在。，只要有漏源電壓，就有漏極電流存在。 若在柵源之間加正電壓，導(dǎo)電溝道將變厚，溝道電阻減小。若在柵源之間加正電壓，導(dǎo)電溝道將變厚，溝道電阻減小。 若在柵源之間加若在柵源之間加負(fù)負(fù)電壓，導(dǎo)電溝道將變窄，溝道電阻增大。電壓，導(dǎo)電溝道將變窄，溝道電阻增大。 3.1.2 耗盡型耗

17、盡型MOS場效應(yīng)管場效應(yīng)管n工作原理工作原理n初始導(dǎo)電溝道已經(jīng)存在初始導(dǎo)電溝道已經(jīng)存在nVGS 對導(dǎo)電溝道有控制作用對導(dǎo)電溝道有控制作用.n當(dāng)當(dāng)VGS= VGS(off)時時, 導(dǎo)電溝道完全被夾斷，稱為導(dǎo)電溝道完全被夾斷，稱為截止電壓截止電壓。通常通常VGSvGS VGS(off)vGS = VGS(off)3.2.1 結(jié)型場效應(yīng)管的基本工作原理結(jié)型場效應(yīng)管的基本工作原理n漏源電壓漏源電壓vDS對溝道的影響對溝道的影響N溝道結(jié)型場效應(yīng)管中溝道結(jié)型場效應(yīng)管中vDS的影響的影響楔型溝道楔型溝道 預(yù)夾斷狀態(tài)預(yù)夾斷狀態(tài) 夾斷狀態(tài)夾斷狀態(tài)vGD VGS(off)vDS vGS -VGS(off)vGD

18、= VGS(off)vDS = vGS -VGS(off)vGD vGS -VGS(off)3.2.2 結(jié)型場效應(yīng)管的特性曲線結(jié)型場效應(yīng)管的特性曲線 JFET的輸出特性曲線、轉(zhuǎn)移特性曲線與耗盡型的輸出特性曲線、轉(zhuǎn)移特性曲線與耗盡型MOSFET的的特性曲線基本相同，但特性曲線基本相同，但MOS管的柵壓可正、可負(fù)，而結(jié)型場效管的柵壓可正、可負(fù)，而結(jié)型場效應(yīng)管的柵壓只能是正值應(yīng)管的柵壓只能是正值(P溝道溝道)或負(fù)值或負(fù)值(N溝道溝道)。3.2.2 結(jié)型場效應(yīng)管的特性曲線結(jié)型場效應(yīng)管的特性曲線可變電阻區(qū)可變電阻區(qū): 飽和區(qū)飽和區(qū): )(222)off(DSDSGSGSpDvvVvLWki)1 ()1

19、( )1 ()(2DS2)off(DS2)off(vVvIvVvLWkiGSGSDSSGSGSpD2)off(2GSpDSSVLWkI結(jié)型場效應(yīng)管的特性曲線結(jié)型場效應(yīng)管的特性曲線結(jié)型場效應(yīng)管 N溝道耗盡型P溝道耗盡型耗盡型場效應(yīng)管耗盡型場效應(yīng)管GS(off)VvGS截止區(qū)截止區(qū): 0Di)(222)off(DSDSGSGSpDvvVvLWki可變電阻區(qū)可變電阻區(qū): GS(off)GS(off) VvVvGDGS飽和區(qū)飽和區(qū): GS(off)GS(off) VvVvGDGS)1 ()1 ( )1 ()(22)off(2)off(DSGSGSDSSDSGSGSpDvVvIvVvLWki3.3 VD

20、MOS和和IGBTnVDMOS型場效應(yīng)管型場效應(yīng)管VMOS管中的原胞單元管中的原胞單元 VDMOS場效應(yīng)管場效應(yīng)管(Vertical Double-diffused MOSFET)由多個由多個原胞單元并聯(lián)構(gòu)成。原胞單元并聯(lián)構(gòu)成。3.3 VDMOS和和IGBTnIGBT管管IGBT管中的原胞單元管中的原胞單元 IGBT場效應(yīng)管與場效應(yīng)管與VDMOS管類似，也是管類似，也是(由多個原胞單元并由多個原胞單元并聯(lián)構(gòu)成。聯(lián)構(gòu)成。3.4 場效應(yīng)管放大電路場效應(yīng)管放大電路3.4.1 場效應(yīng)管的模型場效應(yīng)管的模型nMOS場效應(yīng)管瞬態(tài)模型場效應(yīng)管瞬態(tài)模型N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOS管管 模型是用標(biāo)準(zhǔn)元件構(gòu)建的一

21、種電路結(jié)構(gòu)，其端口電壓、電流模型是用標(biāo)準(zhǔn)元件構(gòu)建的一種電路結(jié)構(gòu)，其端口電壓、電流關(guān)系與器件的外特性等效。關(guān)系與器件的外特性等效。MOS管的管的瞬態(tài)瞬態(tài)模型模型(未考慮電容未考慮電容)3.4.1 場效應(yīng)管的模型場效應(yīng)管的模型nMOS場效應(yīng)管瞬態(tài)模型場效應(yīng)管瞬態(tài)模型N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOS管管MOS管的管的瞬態(tài)瞬態(tài)模型模型3.4.1 場效應(yīng)管的模型場效應(yīng)管的模型nMOS場效應(yīng)管的微變信號模型場效應(yīng)管的微變信號模型MOS管的管的瞬態(tài)瞬態(tài)模型模型MOS管的管的微變微變信號模型信號模型3.4.1 場效應(yīng)管的模型場效應(yīng)管的模型nMOS場效應(yīng)管的微變信號模型場效應(yīng)管的微變信號模型MOS管低頻管低頻微變微

22、變信號模型信號模型3.4.1 場效應(yīng)管的模型場效應(yīng)管的模型n模型參數(shù)模型參數(shù)GS(th)GSQDQ2VVIgmDQDQADQDSQAds1IIVIVVrP192 3.1.14)1 (2)1)(1 (2DQDSQDSSoffDSQoffGSQoffDSSVIIVVVVVI3.4.1 場效應(yīng)管的模型場效應(yīng)管的模型nMOS場效應(yīng)管的簡化直流模型場效應(yīng)管的簡化直流模型 MOS場效應(yīng)管的柵極輸入電阻極高，幾乎不取電流，柵場效應(yīng)管的柵極輸入電阻極高，幾乎不取電流，柵源之間對直流視為開路，只需討論輸出特性即可。源之間對直流視為開路，只需討論輸出特性即可。GSmVgMOS管的簡化直流模型管的簡化直流模型3.4

23、.1 場效應(yīng)管的模型場效應(yīng)管的模型n結(jié)型場效應(yīng)管的瞬態(tài)模型結(jié)型場效應(yīng)管的瞬態(tài)模型N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOS管管MOS管的瞬態(tài)模型管的瞬態(tài)模型3.4.1 場效應(yīng)管的模型場效應(yīng)管的模型n結(jié)型場效應(yīng)管的微變信號模型結(jié)型場效應(yīng)管的微變信號模型結(jié)型場效應(yīng)管的低頻結(jié)型場效應(yīng)管的低頻微變微變信號模型信號模型3.4.2 場效應(yīng)管的直流偏置電路場效應(yīng)管的直流偏置電路 與雙極型電路相似，場效應(yīng)管放大電路也必須設(shè)置合適的與雙極型電路相似，場效應(yīng)管放大電路也必須設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)靜態(tài)工作點(diǎn)Q，電路的分析也用，電路的分析也用圖解法圖解法和和等效電路法等效電路法。n增強(qiáng)型增強(qiáng)型MOS管的偏置電路管的偏置電路 對于增強(qiáng)

24、型對于增強(qiáng)型MOS管，為管，為保證襯底與溝道間的保證襯底與溝道間的PN結(jié)反結(jié)反偏，要求柵極偏，要求柵極G和漏極和漏極D必須必須同極性偏置同極性偏置.分壓式偏置電路分壓式偏置電路3.4.2 場效應(yīng)管的直流偏置電路場效應(yīng)管的直流偏置電路一一 采用圖解法求采用圖解法求Q點(diǎn)點(diǎn)作增強(qiáng)型作增強(qiáng)型MOS管的轉(zhuǎn)移特性曲線管的轉(zhuǎn)移特性曲線.作源極負(fù)載線作源極負(fù)載線.SD212DDSGGSRIRRRVVVV3.4.2 場效應(yīng)管的直流偏置電路場效應(yīng)管的直流偏置電路二二 采用解析法求采用解析法求Q點(diǎn)點(diǎn)列如下方程組：列如下方程組：2GS(th)GSQDQSDQDD212GSQ)(2VvLWkIRIVRRRVp源極負(fù)載線

25、方程源極負(fù)載線方程轉(zhuǎn)移特性方程轉(zhuǎn)移特性方程聯(lián)立求解聯(lián)立求解 定定Q點(diǎn)點(diǎn)DQGSQIV應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例解解: (1) 2thGSQDQSDQDD212GSQ)(2 . 0VVIRIVRRRV10K10K0.5K例例: N溝道增強(qiáng)型場溝道增強(qiáng)型場MOS管的分壓偏置電路如下管的分壓偏置電路如下, 其中其中VDD=10V, Vth=2V, 忽略溝道長度調(diào)制效應(yīng)，忽略溝道長度調(diào)制效應(yīng)，iD=0.2(vGS-Vth)2mA, 試求：試求： (1) 靜態(tài)工作點(diǎn)的電壓靜態(tài)工作點(diǎn)的電壓VGSQ、電流、電流IDQ。 (2) 為保證管在飽和區(qū)，電阻為保證管在飽和區(qū)，電阻RD的上限數(shù)值是多少？的上限數(shù)值是多少？(2)

26、 SDQDSQDDDDSDQDDDSQ)( )(RIVVRRRIVVthDSQGSQGDVVVVthGSQDSQVVV又又 3.4.2 場效應(yīng)管的直流偏置電路場效應(yīng)管的直流偏置電路n耗盡型場效應(yīng)管的偏置電路耗盡型場效應(yīng)管的偏置電路自生偏壓式偏置電路自生偏壓式偏置電路自生偏壓電路自生偏壓電路： 源極電流源極電流 ID 流過電阻流過電阻 RS 產(chǎn)生壓降，做為柵源間的偏產(chǎn)生壓降，做為柵源間的偏壓，使管子工作在飽和區(qū)。壓，使管子工作在飽和區(qū)。 結(jié)型管：柵極結(jié)型管：柵極G和漏極和漏極D必須反極性偏置必須反極性偏置. 耗盡型耗盡型 MOS 管：柵極管：柵極G和漏極和漏極D即可同極性偏置，即可同極性偏置，也

27、可反極性偏置也可反極性偏置.3.4.2 場效應(yīng)管的直流偏置電路場效應(yīng)管的直流偏置電路一一 采用圖解法求采用圖解法求Q點(diǎn)點(diǎn)作耗盡型作耗盡型MOS管的轉(zhuǎn)移特性曲線管的轉(zhuǎn)移特性曲線作源極負(fù)載線作源極負(fù)載線SDGSRIVN溝道耗盡型管電路溝道耗盡型管電路GS(off)VDQIGSVDIDSSIGSQVS1RQ3.4.2 場效應(yīng)管的直流偏置電路場效應(yīng)管的直流偏置電路二二 采用解析法求采用解析法求Q點(diǎn)點(diǎn)列如下方程組：列如下方程組：聯(lián)立求解聯(lián)立求解 定定Q點(diǎn)點(diǎn)DQGSQIVN溝道耗盡型管電路溝道耗盡型管電路源極負(fù)載線方程源極負(fù)載線方程轉(zhuǎn)移特性方程轉(zhuǎn)移特性方程2GS(off)GSQDSSDQSDQGSQ)1

28、(VVIIRIV自生偏壓定自生偏壓定Q點(diǎn)點(diǎn)應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例2GS(off)GSQDSSDQSDQGSQ)1 (VVIIRIVmA34. 1V34. 1DQGSQIV1M1k2k例例: N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的自生偏壓電路和特性曲線如下，其中溝道結(jié)型場效應(yīng)管的自生偏壓電路和特性曲線如下，其中 VDD=8V，試求靜態(tài)工作點(diǎn)的電壓，試求靜態(tài)工作點(diǎn)的電壓VGSQ、電流、電流IDQ。應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例例例: N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的自生偏壓電路和特性曲線如下，其中溝道結(jié)型場效應(yīng)管的自生偏壓電路和特性曲線如下，其中 RG=1M，RS=1K，RD=2K，VDD=8V。試求：輸入電。試求：輸入電 壓壓vi、輸出電壓、輸

29、出電壓vo、輸出電流、輸出電流iD的動態(tài)范圍。的動態(tài)范圍。iDoffGSmDS2offGSmDSSDD)()1 (VvRRVvIV解得解得:mA178. 2V03. 1DmGSmivV47. 1offGSmDSminVvvvGS: (-2.5, -1.03)VvDS: (1.47, 8)ViD : (0, 2.178)V3.4.2 場效應(yīng)管的直流偏置電路場效應(yīng)管的直流偏置電路耗盡型耗盡型MOS場效應(yīng)管放大電路場效應(yīng)管放大電路混合偏置電路：混合偏置電路：采用解析法求采用解析法求Q點(diǎn)點(diǎn)2GS(off)DSS212)1 (VVIIR-IRRRVVGSDDDGGGDDGSn耗盡型耗盡型MOS管的偏置電

30、路管的偏置電路3.4.3 場效應(yīng)管基本放大電路場效應(yīng)管基本放大電路n共源共源(CS)放大電路放大電路n電壓增益高電壓增益高, 輸入輸出反相。輸入輸出反相。n共漏共漏(CD)放大電路放大電路 電壓增益接近于電壓增益接近于1,輸入輸出同相輸入輸出同相; 輸入電阻高輸入電阻高,輸出電阻低輸出電阻低n共柵共柵(CC)放大電路放大電路n電壓增益高電壓增益高,輸入輸出同相。輸入輸出同相。http:/ 基本共源放大電路基本共源放大電路n分壓式偏置共源放大電路分壓式偏置共源放大電路增強(qiáng)型電阻負(fù)載共源放大電路增強(qiáng)型電阻負(fù)載共源放大電路1. 找找Q點(diǎn)點(diǎn)2. 定參量定參量GS(th)GSQDQ2VVIgmDQADQ

31、DSQAdsIVIVVr2GS(th)GSQDQDD212GSQ)(2VvLWkIVRRRVp一一 基本共源放大電路基本共源放大電路共源放大電路的交流等效電路共源放大電路的交流等效電路中頻增益：中頻增益：LmsovsLmiovRgRRRVVARgVVAGSGDdsLRrR/輸入電阻：輸入電阻：G2G1G/ RRRRi輸出電阻：輸出電阻：dsorRR/D3. 畫模型畫模型4. 求指標(biāo)求指標(biāo)G2G1G/ RRR iV+-二二 基本共柵放大電路基本共柵放大電路結(jié)型電阻負(fù)載共柵放大電路結(jié)型電阻負(fù)載共柵放大電路1. 找找Q點(diǎn)點(diǎn)2. 定參量定參量n結(jié)型共柵放大電路結(jié)型共柵放大電路2GS(off)GSQDS

32、SDQSSDQGSQ)1 (VVIIRIVGS(th)GSQDQ2VVIgmDQADQDSQAdsIVIVVr二二 基本共柵放大電路基本共柵放大電路3. 畫模型畫模型結(jié)型電阻負(fù)載共柵放大電路結(jié)型電阻負(fù)載共柵放大電路交流等效電路交流等效電路二二 基本共柵放大電路基本共柵放大電路共柵放大電路的交流等效電路共柵放大電路的交流等效電路LDL/ RRR iV+-4. 求指標(biāo)求指標(biāo)電壓增益電壓增益:LLL)1 ( RgRrRrgVVVVAmdsdsmgsoiovLSiiRgRrrVVAmsovs0)(LgsdsgsmooVrVgRVV0)(gsdsgsmdoVrVgIV二二 基本共柵放大電路基本共柵放大電

33、路共柵放大電路的交流等效電路共柵放大電路的交流等效電路LDL/ RRR 4. 求指標(biāo)求指標(biāo)輸入電阻輸入電阻:migRrRR1/SSisSSsImmgsgsigRRgRVVIVIVr11 /LLLodsis二二 基本共柵放大電路基本共柵放大電路4. 求指標(biāo)求指標(biāo)輸出電阻輸出電阻:DDod/RRrRo共柵放大電路的交流等效電路共柵放大電路的交流等效電路LDL/ RRR dsSSddoddsdSddSd1 rRgRIVrrIRgIIRVmmSSSS/ RRR DdsodRrrgsmddsVgIIdSgsIRV三三 基本共漏放大電路基本共漏放大電路分壓式電阻負(fù)載共漏放大電路及其交流等效電路分壓式電阻負(fù)

34、載共漏放大電路及其交流等效電路n分壓式偏置共漏放大電路分壓式偏置共漏放大電路三三 基本共漏放大電路基本共漏放大電路LmLmgsLmLgsmiovRgRgVRgRVgVVA1 )1 (電壓增益電壓增益:分壓式共漏放大電路的交流等效電路分壓式共漏放大電路的交流等效電路)1 (LgsogsiLgsoRgVVVVRVgVmm-iVSSdsL/1RrgRmb共漏放大電路稱為源級跟隨器共漏放大電路稱為源級跟隨器.LmLmsovsRgRgrRrVVA1iSi三三 基本共漏放大電路基本共漏放大電路分壓式共漏放大電路的交流等效電路分壓式共漏放大電路的交流等效電路輸入電阻輸入電阻:G2G1Gi/ RRRR輸出電阻

35、輸出電阻:SSo/1/1RrggRdsmbm3.4.3 場效應(yīng)管基本放大電路場效應(yīng)管基本放大電路n共源放大電路共源放大電路n共柵放大電路共柵放大電路中頻增益：中頻增益：LRgAmv輸入電阻：輸入電阻：輸出電阻：輸出電阻：dsDorRR/中頻增益：中頻增益：輸入電阻：輸入電阻：輸出電阻：輸出電阻：n共漏放大電路共漏放大電路LmLmvRgRgA1中頻增益：中頻增益：輸入電阻：輸入電阻：輸出電阻：輸出電阻：LLL )1 (RgRrRrgAmdsdsmvG2G1/ RRRimigRR1/SSDod/ RrRoG2G1Gi/ RRRRSSo/1/1RrggRdsmbm3.4.4 場效應(yīng)管電流源電路場效應(yīng)

36、管電流源電路n單管電流源單管電流源n鏡像電流源鏡像電流源n比例電流源比例電流源n串聯(lián)電流源串聯(lián)電流源n威爾遜電流源威爾遜電流源http:/ MOS單管電流源單管電流源自生偏壓和漏極電流的關(guān)系自生偏壓和漏極電流的關(guān)系: 源極電流源極電流 ID 流過電阻流過電阻 R 產(chǎn)生產(chǎn)生壓降，做為柵源壓降，做為柵源間的偏壓，使管間的偏壓，使管子工作在飽和區(qū)。子工作在飽和區(qū)。MOS單管電流源單管電流源解此方程組即可求出解此方程組即可求出電流電流 ID的值。的值。輸出電阻輸出電阻:dsgsmgsrVgIIRVIRV)(dsmdsmorRgrRgRIVR)1 ( )1 (2GS(th)GSDSSDDGS)1 (VV

37、IIRIV二二 基本電流源基本電流源)1 ()(2)1 ()(2222GS(th)22220112GS(th)1111DSGSpDSGSpRVVVLWkIVVVLWkI)1)(/()1)(/(1112220DSDSRVLWVLWII022211IIVrRDDSdsoMOS管基本電流源管基本電流源1. 鏡像支路和參考支路的關(guān)系鏡像支路和參考支路的關(guān)系2. 輸出電阻輸出電阻鏡像電流源鏡像電流源比例電流源比例電流源工作在工作在飽和區(qū)飽和區(qū)令：令：VGS(th)1=VGS(th)2， 1 = 2 = rGS1DDRVVIR三三 串聯(lián)電流源串聯(lián)電流源MOS管串聯(lián)電流源管串聯(lián)電流源 T1T4管的參數(shù)管的參

38、數(shù)(kp、Vth、 )盡量一致，盡量一致，以減小因以減小因vDS差異引起的溝道長度調(diào)制效差異引起的溝道長度調(diào)制效應(yīng)對應(yīng)對I0、IR比例精度的影響。比例精度的影響。 T2的輸出電阻的輸出電阻rds2對對T4呈電流負(fù)反饋，呈電流負(fù)反饋，進(jìn)一步提高進(jìn)一步提高T4管的輸出電阻管的輸出電阻rds4。ds4ds2mb44o)(rrggrm電路特點(diǎn)：電路特點(diǎn)：四四 威爾遜電流源威爾遜電流源為提高電流源的輸出電阻和鏡像精度，可采用威爾遜電流源。為提高電流源的輸出電阻和鏡像精度，可采用威爾遜電流源。威爾遜電流源威爾遜電流源威爾遜電流源等效電路威爾遜電流源等效電路311odsdsmrrgR 3.3.3 MOS管威

39、爾遜電流源威爾遜電流源等效電路為求輸出電阻，列如下方程組為求輸出電阻，列如下方程組：3.3.3 MOS管威爾遜電流源由由：得得：3.4.5 場效應(yīng)管有源負(fù)載放大電路場效應(yīng)管有源負(fù)載放大電路nMOS管有源電阻管有源電阻n共源共源E/E型放大電路型放大電路nNMOS E/D型放大電路型放大電路nCMOS 放大電路放大電路http:/ MOS管有源電阻管有源電阻為提高增益，減小芯片面積，為提高增益，減小芯片面積，MOS集成電路大多采用集成電路大多采用有源電阻有源電阻。n增強(qiáng)型增強(qiáng)型MOS管有源電阻管有源電阻thGSVv直流電阻：直流電阻：DQDSQIVR 交流電阻：交流電阻：mmds11/ggrrt

40、hGD0VvMOS二極管一一 MOS管有源電阻管有源電阻n耗盡型耗盡型MOS管有源電阻管有源電阻直流電阻：直流電阻：DQDSQIVR 交流電阻：交流電阻：dsrr 下圖為采用下圖為采用 P 溝道耗盡型溝道耗盡型MOS管組成有源電阻，也稱單管電流源。管組成有源電阻，也稱單管電流源。二二 NMOS管共源管共源 E/E 型放大電路型放大電路NMOS E/E放大電路及其交流等效電路放大電路及其交流等效電路vig2d2s2b2二二 NMOS管共源管共源 E/E 型放大電路型放大電路NMOS E/E放大電路的交流等效電路放大電路的交流等效電路ds2mb2m2ds1m1ds2mb2m2ds1m1Lm1 )/

41、1/1/( gggggrggrgRgAvsds2mb2m2ds1o/1/1/rggrr 輸出電阻輸出電阻:電壓增益電壓增益:ds2mb2m2ds1L/1/1/rggrR 三三 NMOS管共源管共源 E/D 型放大電路型放大電路NMOS E/D放大電路及其交流等效電路放大電路及其交流等效電路g2d2s2b2三三 NMOS管共源管共源 E/D 型放大電路型放大電路NMOS E/D放大電路的交流等效電路放大電路的交流等效電路ds2mb2ds1m1ds2mb2ds1m1Lm1 )/1/( ggggrgrgRgAvsds2mb2ds1o/1/rgrr 輸出電阻輸出電阻:電壓增益電壓增益:ds2mb2ds

42、1L/1/rgrR 四四 CMOS共源共源 放大電路放大電路 CMOS電路以電路以 NMOS管做放大管，管做放大管，PMOS管作負(fù)載管，構(gòu)成管作負(fù)載管，構(gòu)成互補(bǔ)放大電路，可以很好地互補(bǔ)放大電路，可以很好地消除襯底調(diào)制現(xiàn)象消除襯底調(diào)制現(xiàn)象。四四 CMOS共源共源 放大電路放大電路共源共源CMOS放大電路放大電路ds2ds1m1ds2ds1m1Lm1 )/( gggrrgRgAvsds2ds1o/rrr 輸出電阻輸出電阻:電壓增益電壓增益:ds2ds1L/rrR 四四 CMOS共源共源 放大電路放大電路CMOS反相器反相器四四 CMOS共源共源 放大電路放大電路ds2ds1m2m1ds2ds1m2

43、m1gsds2ds1gsm2m1so )/)( )/()( ggggrrggVrrVggVVAvsds2ds1o/rrr 輸出電阻輸出電阻:電壓增益電壓增益:CMOS反相器反相器三種放大電路傳輸特性的比較三種放大電路傳輸特性的比較常用單級常用單級MOS放大電路放大電路: E/E NMOS E/D NMOS CMOS三種放大電路傳輸特性的比較三種放大電路傳輸特性的比較注意觀察：注意觀察：1 動態(tài)范圍動態(tài)范圍2 增益增益3.4.6 場效應(yīng)管差分放大電路場效應(yīng)管差分放大電路MOS管差分放大電路管差分放大電路n放大差模抑制共模放大差模抑制共模n輸入電阻高輸入電阻高n線性范圍寬線性范圍寬n微變增益低，偏

44、差失調(diào)大微變增益低，偏差失調(diào)大MOS管差放的傳輸特性曲線管差放的傳輸特性曲線nMOS管基本差分電路管基本差分電路3.4.6 場效應(yīng)管差分放大電路場效應(yīng)管差分放大電路差模傳輸特性差模傳輸特性(1) 靜態(tài)時，靜態(tài)時，vID = 0， 差動輸出差動輸出 iOD = 0, 電路工作于曲線原點(diǎn)。電路工作于曲線原點(diǎn)。(2) 加入差模信號加入差模信號 vID 后，兩管的差動后，兩管的差動輸出電流一增一減，增減量相同。輸出電流一增一減，增減量相同。(3) 當(dāng)當(dāng)vID 很大時進(jìn)入限幅區(qū)。很大時進(jìn)入限幅區(qū)。CMOS差差 放非限幅區(qū)的范圍通常比雙極型晶放非限幅區(qū)的范圍通常比雙極型晶 體管差放大很多。體管差放大很多。

45、WkLIpSS2WkLIpSS23.4.6 場效應(yīng)管差分放大電路場效應(yīng)管差分放大電路MOS管差分放大電路的交流通路管差分放大電路的交流通路差模電壓增益差模電壓增益:)/( 22112121DdsmioiioovDRrgVVVVVVA非限幅區(qū)范圍非限幅區(qū)范圍:WkLIvvpSSIDID23.4.6 場效應(yīng)管差分放大電路場效應(yīng)管差分放大電路MOS管差分放大電路管差分放大電路共模輸入電壓范圍共模輸入電壓范圍:vIC下降時下降時vS跟隨下降，跟隨下降，vDS3減?。簻p?。篏SQ1min DS3SSmin icth3GSQ3min DS3VvVvVVvth3DS3GSQ3GD3VvVv由由得得vIC上升時上升時vS跟隨上升，跟隨上升，iD基本不變基本不變DDQDDDQDRI