MOS管放大電路課件

模擬電子技術(shù)AnalogElectronicTechnology模擬電子技術(shù)AnalogElectronicT5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5.3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5.2MOSFET放大電路5場(chǎng)效應(yīng)管放大電路5.1金屬-氧化物-半導(dǎo)體（MOS）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)場(chǎng)效應(yīng)管的分類：(電場(chǎng)效應(yīng)，單極性管，電壓控制電流)增強(qiáng)型：場(chǎng)效應(yīng)管沒(méi)有加偏置電壓時(shí)，沒(méi)有導(dǎo)電溝道耗盡型：場(chǎng)效應(yīng)管沒(méi)有加偏置電壓時(shí)，就有導(dǎo)電溝道存在N溝道P溝道（耗盡型）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）F場(chǎng)效應(yīng)管的符號(hào)N溝道MOSFET耗盡型增強(qiáng)型P溝道MOSFETN溝道JFETP溝道JFET場(chǎng)效應(yīng)管的符號(hào)N溝道MOSFET耗盡型增強(qiáng)型P溝道MOSFEN溝道增強(qiáng)型MOSFET工作原理（1）vGS對(duì)溝道的控制作用當(dāng)vGS≤0時(shí)無(wú)導(dǎo)電溝道，d、s間加電壓時(shí)，也無(wú)電流產(chǎn)生。當(dāng)0<vGS<VT時(shí)產(chǎn)生電場(chǎng)，但未形成導(dǎo)電溝道（感生溝道），d、s間加電壓后，沒(méi)有電流產(chǎn)生。當(dāng)vGS≥VT時(shí)在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生導(dǎo)電溝道，d、s間加電壓后，將有電流產(chǎn)生。（平板電容器）

vGS越大，導(dǎo)電溝道越厚VT稱為開(kāi)啟電壓，典型值0.5-1ＶN溝道增強(qiáng)型MOSFET工作原理（1）vGS對(duì)溝道的控制作用2.工作原理（2）vDS對(duì)溝道的控制作用靠近漏極d處的電位升高電場(chǎng)強(qiáng)度減小溝道變薄當(dāng)vGS一定（vGS>VT）時(shí)，vDSID溝道電位梯度整個(gè)溝道呈楔形分布2.工作原理（2）vDS對(duì)溝道的控制作用靠近漏極d處的電當(dāng)vGS一定（vGS≥VT）時(shí)，vDSID溝道電位梯度當(dāng)vDS增加到使vGD=VT時(shí)，在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷。2.工作原理（2）vDS對(duì)溝道的控制作用在預(yù)夾斷處：vGD=vGS-vDS=VT當(dāng)vGS一定（vGS≥VT）時(shí)，vDSID溝道電預(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（2）vDS對(duì)溝道的控制作用預(yù)夾斷后，vDS夾斷區(qū)延長(zhǎng)溝道電阻ID基本不變2.2.工作原理（3）vDS和vGS同時(shí)作用時(shí)

vDS一定，vGS變化時(shí)給定一個(gè)vGS，就有一條不同的iD–vDS曲線。2.工作原理（3）vDS和vGS同時(shí)作用時(shí)vDS一定，3.

V-I特性曲線及大信號(hào)特性方程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)。②可變電阻區(qū)vDS≤（vGS－VT）③飽和區(qū)（恒流區(qū)又稱放大區(qū)）vGS>VT

，且vDS≥（vGS－VT）3.V-I特性曲線及大信號(hào)特性方程①截止區(qū)②可變電3.

V-I特性曲線及大信號(hào)特性方程（1）輸出特性及大信號(hào)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(gè)受vGS控制的可變電阻3.V-I特性曲線及大信號(hào)特性方程（1）輸出特性及大信3.

V-I特性曲線及大信號(hào)特性方程（1）輸出特性及大信號(hào)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(dǎo)因子其中Kn為電導(dǎo)常數(shù)，單位：mA/V23.V-I特性曲線及大信號(hào)特性方程（1）輸出特性及大信3.

V-I特性曲線及大信號(hào)特性方程（1）輸出特性及大信號(hào)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(shí)的iDV-I特性：3.V-I特性曲線及大信號(hào)特性方程（1）輸出特性及大信3.

V-I特性曲線及大信號(hào)特性方程（2）轉(zhuǎn)移特性3.V-I特性曲線及大信號(hào)特性方程（2）轉(zhuǎn)移特性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(fù)的柵源電壓下工作，而且基本上無(wú)柵流5.1.2N溝道耗盡型MOSFET1.結(jié)構(gòu)和工作原理（5.1.2N溝道耗盡型MOSFET1.結(jié)構(gòu)和工作原理（N溝道）當(dāng)vGS>0時(shí)

由于絕緣層的存在，并不會(huì)產(chǎn)生柵極電流，而是在溝道中感應(yīng)出更多的負(fù)電荷，使溝道變寬。在vDS的作用下，iD將有更大的數(shù)值。溝道變窄，從而使漏極電流減小。當(dāng)vGS為負(fù)電壓到達(dá)某個(gè)值時(shí)，耗盡區(qū)擴(kuò)展到整個(gè)溝道，溝道完全被夾斷，即使有vDS，也不會(huì)有漏極電流iD，此時(shí)的柵源電壓稱為夾斷電壓VP。當(dāng)vGS<0

時(shí)VP為負(fù)值。5.1.2N溝道耗盡型MOSFET1.結(jié)構(gòu)和工作原理（5.1.2N溝道耗盡型MOSFET2.V-I特性曲線及大信號(hào)特性方程（N溝道增強(qiáng)型）用夾斷電壓代替開(kāi)啟電壓（N溝道增強(qiáng)型）飽和漏電流5.1.2N溝道耗盡型MOSFET2.V-I特性曲5.1.3P溝道MOSFET除vGS和vDS的極性為負(fù)以及開(kāi)啟電壓VT為負(fù)以外，電流iD流入源極，流出漏極，其他和NMOS相同。因?yàn)镹MOS器件可以做得更小，運(yùn)行更快，并且NMOS比PMOS需要的電源更低，因此NMOS已經(jīng)取代了PMOS技術(shù)。CMOSBiCMOS5.1.3P溝道MOSFET除vGS和vDS的極性為負(fù)以5.1.4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L的單位為m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5.1.4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5.1.5MOSFET的主要參數(shù)一、直流參數(shù)NMOS增強(qiáng)型1.開(kāi)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)一、直流參數(shù)NMOS增強(qiáng)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)2.低頻互導(dǎo)gm二、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

5.1.5MOSFET的主要參數(shù)三、極限參數(shù)1.最大在恒流區(qū)時(shí)g-s、d-s間的電壓極性P2495.1.1P2495.1.2在恒流區(qū)時(shí)g-s、d-s間的電壓極性P2495.1.1P25.2MOSFET放大電路5.2.1MOSFET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5.2MOSFET放大電路5.2.1MOSFET放大5.2.1MOSFET放大電路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（N溝道）直流通路共源極放大電路5.2.1MOSFET放大電路1.直流偏置及靜態(tài)工作點(diǎn)5.2.1MOSFET放大電路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（N溝道）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(shuō)明假設(shè)錯(cuò)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5.2.1MOSFET放大電路1.直流偏置及靜態(tài)工作點(diǎn)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(jì)算電路的靜態(tài)漏極電流IDQ和漏源電壓VDSQ。VDD=5V，VT=1V，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)Rg15.2.1MOSFET放大電路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)需要驗(yàn)證是否滿足5.2.1MOSFET放大電路1.直流偏置及靜態(tài)工作點(diǎn)5.2.1MOSFET放大電路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VDS＝VDD－IDRd－VS（飽和區(qū)）VS＝VG－VGS＝－VGS5.2.1MOSFET放大電路1.直流偏置及靜態(tài)工作點(diǎn)5.2.1MOSFET放大電路2.圖解分析由于負(fù)載開(kāi)路，交流負(fù)載線與直流負(fù)載線相同5.2.1MOSFET放大電路2.圖解分析由于負(fù)載開(kāi)路5.2.1MOSFET放大電路3.小信號(hào)模型分析（1）模型=0時(shí)高頻小信號(hào)模型0時(shí)忽略5.2.1MOSFET放大電路3.小信號(hào)模型分析（1）3.小信號(hào)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）s3.小信號(hào)模型分析解：例5.2.2的直流分析已求得：（23.小信號(hào)模型分析（2）放大電路分析（例5.2.5）s增益較低很高3.小信號(hào)模型分析（2）放大電路分析（例5.2.5）s增益3.小信號(hào)模型分析（2）放大電路分析（例5.2.6）共漏3.小信號(hào)模型分析（2）放大電路分析（例5.2.6）共漏3.小信號(hào)模型分析（2）放大電路分析3.小信號(hào)模型分析（2）放大電路分析作業(yè)P249:5.1.15.1.2作業(yè)P249:模擬電子技術(shù)AnalogElectronicTechnology模擬電子技術(shù)AnalogElectronicT5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5.3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5.2MOSFET放大電路5場(chǎng)效應(yīng)管放大電路5.1金屬-氧化物-半導(dǎo)體（MOS）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)場(chǎng)效應(yīng)管的分類：(電場(chǎng)效應(yīng)，單極性管，電壓控制電流)增強(qiáng)型：場(chǎng)效應(yīng)管沒(méi)有加偏置電壓時(shí)，沒(méi)有導(dǎo)電溝道耗盡型：場(chǎng)效應(yīng)管沒(méi)有加偏置電壓時(shí)，就有導(dǎo)電溝道存在N溝道P溝道（耗盡型）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）F場(chǎng)效應(yīng)管的符號(hào)N溝道MOSFET耗盡型增強(qiáng)型P溝道MOSFETN溝道JFETP溝道JFET場(chǎng)效應(yīng)管的符號(hào)N溝道MOSFET耗盡型增強(qiáng)型P溝道MOSFEN溝道增強(qiáng)型MOSFET工作原理（1）vGS對(duì)溝道的控制作用當(dāng)vGS≤0時(shí)無(wú)導(dǎo)電溝道，d、s間加電壓時(shí)，也無(wú)電流產(chǎn)生。當(dāng)0<vGS<VT時(shí)產(chǎn)生電場(chǎng)，但未形成導(dǎo)電溝道（感生溝道），d、s間加電壓后，沒(méi)有電流產(chǎn)生。當(dāng)vGS≥VT時(shí)在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生導(dǎo)電溝道，d、s間加電壓后，將有電流產(chǎn)生。（平板電容器）

vGS越大，導(dǎo)電溝道越厚VT稱為開(kāi)啟電壓，典型值0.5-1ＶN溝道增強(qiáng)型MOSFET工作原理（1）vGS對(duì)溝道的控制作用2.工作原理（2）vDS對(duì)溝道的控制作用靠近漏極d處的電位升高電場(chǎng)強(qiáng)度減小溝道變薄當(dāng)vGS一定（vGS>VT）時(shí)，vDSID溝道電位梯度整個(gè)溝道呈楔形分布2.工作原理（2）vDS對(duì)溝道的控制作用靠近漏極d處的電當(dāng)vGS一定（vGS≥VT）時(shí)，vDSID溝道電位梯度當(dāng)vDS增加到使vGD=VT時(shí)，在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷。2.工作原理（2）vDS對(duì)溝道的控制作用在預(yù)夾斷處：vGD=vGS-vDS=VT當(dāng)vGS一定（vGS≥VT）時(shí)，vDSID溝道電預(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（2）vDS對(duì)溝道的控制作用預(yù)夾斷后，vDS夾斷區(qū)延長(zhǎng)溝道電阻ID基本不變2.2.工作原理（3）vDS和vGS同時(shí)作用時(shí)

vDS一定，vGS變化時(shí)給定一個(gè)vGS，就有一條不同的iD–vDS曲線。2.工作原理（3）vDS和vGS同時(shí)作用時(shí)vDS一定，3.

V-I特性曲線及大信號(hào)特性方程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)。②可變電阻區(qū)vDS≤（vGS－VT）③飽和區(qū)（恒流區(qū)又稱放大區(qū)）vGS>VT

，且vDS≥（vGS－VT）3.V-I特性曲線及大信號(hào)特性方程①截止區(qū)②可變電3.

V-I特性曲線及大信號(hào)特性方程（1）輸出特性及大信號(hào)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(gè)受vGS控制的可變電阻3.V-I特性曲線及大信號(hào)特性方程（1）輸出特性及大信3.

V-I特性曲線及大信號(hào)特性方程（1）輸出特性及大信號(hào)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(dǎo)因子其中Kn為電導(dǎo)常數(shù)，單位：mA/V23.V-I特性曲線及大信號(hào)特性方程（1）輸出特性及大信3.

V-I特性曲線及大信號(hào)特性方程（1）輸出特性及大信號(hào)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(shí)的iDV-I特性：3.V-I特性曲線及大信號(hào)特性方程（1）輸出特性及大信3.

V-I特性曲線及大信號(hào)特性方程（2）轉(zhuǎn)移特性3.V-I特性曲線及大信號(hào)特性方程（2）轉(zhuǎn)移特性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(fù)的柵源電壓下工作，而且基本上無(wú)柵流5.1.2N溝道耗盡型MOSFET1.結(jié)構(gòu)和工作原理（5.1.2N溝道耗盡型MOSFET1.結(jié)構(gòu)和工作原理（N溝道）當(dāng)vGS>0時(shí)

由于絕緣層的存在，并不會(huì)產(chǎn)生柵極電流，而是在溝道中感應(yīng)出更多的負(fù)電荷，使溝道變寬。在vDS的作用下，iD將有更大的數(shù)值。溝道變窄，從而使漏極電流減小。當(dāng)vGS為負(fù)電壓到達(dá)某個(gè)值時(shí)，耗盡區(qū)擴(kuò)展到整個(gè)溝道，溝道完全被夾斷，即使有vDS，也不會(huì)有漏極電流iD，此時(shí)的柵源電壓稱為夾斷電壓VP。當(dāng)vGS<0

時(shí)VP為負(fù)值。5.1.2N溝道耗盡型MOSFET1.結(jié)構(gòu)和工作原理（5.1.2N溝道耗盡型MOSFET2.V-I特性曲線及大信號(hào)特性方程（N溝道增強(qiáng)型）用夾斷電壓代替開(kāi)啟電壓（N溝道增強(qiáng)型）飽和漏電流5.1.2N溝道耗盡型MOSFET2.V-I特性曲5.1.3P溝道MOSFET除vGS和vDS的極性為負(fù)以及開(kāi)啟電壓VT為負(fù)以外，電流iD流入源極，流出漏極，其他和NMOS相同。因?yàn)镹MOS器件可以做得更小，運(yùn)行更快，并且NMOS比PMOS需要的電源更低，因此NMOS已經(jīng)取代了PMOS技術(shù)。CMOSBiCMOS5.1.3P溝道MOSFET除vGS和vDS的極性為負(fù)以5.1.4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L的單位為m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5.1.4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5.1.5MOSFET的主要參數(shù)一、直流參數(shù)NMOS增強(qiáng)型1.開(kāi)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)一、直流參數(shù)NMOS增強(qiáng)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)2.低頻互導(dǎo)gm二、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

5.1.5MOSFET的主要參數(shù)三、極限參數(shù)1.最大在恒流區(qū)時(shí)g-s、d-s間的電壓極性P2495.1.1P2495.1.2在恒流區(qū)時(shí)g-s、d-s間的電壓極性P2495.1.1P25.2MOSFET放大電路5.2.1MOSFET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5.2MOSFET放大電路5.2.1MOSFET放大5.2.1MOSFET放大電路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（N溝道）直流通路共源極放大電路5.2.1MOSFET放大電路1.直流偏置及靜態(tài)工作點(diǎn)5.2.1MOSFET放大電路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（N溝道）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(shuō)明假設(shè)錯(cuò)誤須滿足VGS>VT，否則工作在截止區(qū)再假設(shè)