第四章 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路

模擬電子技術(shù)主講教師：張立權(quán)第四章場(chǎng)效應(yīng)管放大電路123金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET放大電路結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管2引言優(yōu)點(diǎn)：輸入阻抗高、熱穩(wěn)定性好、噪聲低、抗輻射能力強(qiáng)及省電等。BJTFET電流控制電流的器件兩種載流子參與導(dǎo)電屬于雙極型器件利用電場(chǎng)效應(yīng)來(lái)控制電流的器件一種載流子參與導(dǎo)電屬于單極型器件3分類：場(chǎng)效應(yīng)管JFETMOSFETN溝道P溝道N溝道P溝道增強(qiáng)型耗盡型增強(qiáng)型耗盡型4第一節(jié)金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管1.1N溝道增強(qiáng)型MOSFET結(jié)構(gòu)及電路符號(hào)襯底襯底SiO2絕緣層金屬Al箭頭方向表示由P指向NN溝道增強(qiáng)型5襯底襯底SiO2絕緣層金屬Al箭頭方向表示由P指向NP溝道增強(qiáng)型結(jié)構(gòu)及符號(hào)特點(diǎn)：柵極g相當(dāng)基極b，源極s相當(dāng)發(fā)射極e，漏極d相當(dāng)集電極c。6VGS=0時(shí)N溝道增強(qiáng)型MOS管的工作原理柵源電壓VGS的控制作用襯底VGS=0時(shí)D-S間相當(dāng)兩個(gè)背靠背的PN結(jié)7VGS>0時(shí)VGS>0時(shí)襯底SiO2絕緣層的存在，柵極電流為零此電場(chǎng)排斥多子空穴，剩下不能移動(dòng)的負(fù)離子，形成耗盡層。由于電容效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生一垂直向下的電場(chǎng)E。8VGS>VT時(shí)VGS>VT時(shí)，VT稱為開(kāi)啟電壓襯底此電場(chǎng)吸引足夠多的電子，形成N型溝道，也稱反型層。9VGS控制作用小結(jié)：VGS<VT，ID≈0，場(chǎng)效應(yīng)管工作于輸出特性曲線的

截止區(qū)。VGS較小時(shí)

，感應(yīng)的電子較少，導(dǎo)電溝道的電阻較大。在VDS一定時(shí)，隨著VGS增加，導(dǎo)電溝道阻值變小，漏極電流ID增大。VGS<VT，ID≈0，沒(méi)有導(dǎo)電溝道。必須依靠正柵源電壓的作用，才能形成感生溝道的場(chǎng)效應(yīng)管為增強(qiáng)型10漏源電壓VDS的控制作用VDS較小時(shí)襯底當(dāng)VDS較小時(shí)，在兩個(gè)N區(qū)之間的導(dǎo)電溝道是均勻的。隨著VDS增加，ID迅速增大，導(dǎo)電溝道呈現(xiàn)為一可變電阻。11襯底VDS較大時(shí)當(dāng)VDS較大時(shí)，由于溝道存在電位梯度，靠近D極的導(dǎo)電溝道變窄。12襯底VDS繼續(xù)增加，使VGD=VGS-VDS=VT時(shí)，靠近D端的溝道被夾斷，稱為預(yù)夾斷。夾斷后，即使VDS繼續(xù)增加，ID仍呈現(xiàn)恒流特性。即進(jìn)入飽和區(qū)。13VDS控制作用小結(jié)：VDS較小時(shí)

，隨著VDS的增加，漏極電流ID增大，場(chǎng)效應(yīng)管工作于可變電阻區(qū)。即：VGD=VGS-VDS>VT

隨著VDS繼續(xù)增加，會(huì)產(chǎn)生預(yù)夾斷現(xiàn)象，此時(shí)有

VGD=VGS-VDS＝VT

VDS繼續(xù)增加，當(dāng)VGD=VGS-VDS<VT

時(shí)，增加的電壓主要降在夾斷區(qū)，因此ID基本恒定，進(jìn)入飽和區(qū)。

141516N溝道增強(qiáng)型MOS管的特性曲線由于柵極輸入端基本上沒(méi)有電流，所以要研究轉(zhuǎn)移特性：即在漏源電壓vDS一定的條件下，柵源電壓vGS對(duì)漏極電流iD的控制特性。轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線可由輸出特性曲線獲得。

17輸出特性曲線在柵源電壓vGS一定的情況下，漏極電流iD與漏源電壓vDS之間的關(guān)系。181.2N溝道耗盡型MOSFET結(jié)構(gòu)及電路符號(hào)即使VGS=0，只要外加VDS就會(huì)有漏極電流ID。N溝道耗盡型襯底襯底+++++++SiO2絕緣層中摻有大量正離子。即使VGS=0，也會(huì)形成導(dǎo)電溝道。19P溝道耗盡型結(jié)構(gòu)及符號(hào)P溝道耗盡型襯底襯底-------SiO2絕緣層中摻有大量負(fù)離子。20N溝道耗盡型MOS管的工作原理襯底+++++++VGS=0時(shí)VGS=0時(shí)由于絕緣層中存在正離子，感應(yīng)出反型層，形成導(dǎo)電溝道。因此即使VGS=0，只要加漏源電壓，就有漏極電流。21VGS>0時(shí)襯底+++++++VGS>0時(shí)隨著VGS的增加，導(dǎo)電溝道變寬，漏極電流ID增大。22VGS<0時(shí)襯底+++++++隨著VGS的反向增加，導(dǎo)電溝道變窄，漏極電流ID減小。當(dāng)VGS增至某一數(shù)值時(shí)，溝道完全被夾斷。漏極電流ID＝0。ID=0時(shí)的柵源電壓稱為夾斷電壓VP。N溝道耗盡型MOS管可在正或負(fù)的柵源電壓下工作。23N溝道耗盡型MOS管的特性曲線耗盡型MOS管在vGS＝0時(shí)就有導(dǎo)電溝道，加反向電壓才能夾斷。轉(zhuǎn)移特性和輸出特性曲線241.3MOSFET和BJT的比較BJTMOS結(jié)構(gòu)C、E極一般不可互換使用D、S極一般可互換使用導(dǎo)電機(jī)理多子擴(kuò)散少子漂移多子漂移放大原理電流控制電流電壓控制電流外界影響受溫度影響較大受溫度影響較小輸入電阻幾十到幾千歐姆幾兆歐姆以上電流基極電流不為0柵極電流近似于0251.4MOSFET的主要參數(shù)開(kāi)啟電壓VT：當(dāng)vDS為一固定值使iD等于微小電流時(shí)，柵源間的電壓。夾斷電壓VP：當(dāng)vDS為一固定值使iD等于微小電流時(shí)，柵源間的電壓。飽和漏極電流IDSS：耗盡型MOS管vGS=0時(shí)的漏極電流直流輸入電阻RGS(DC)：柵源電壓除柵流。低頻跨導(dǎo)gm：在漏源電壓為常數(shù)時(shí)，漏極電流的微變量除柵源電壓的微變量。26輸出電阻rds：最大漏極電流IDM：漏極電流允許的上限值。最大耗散功率PDM：最大漏源電壓V(BR)DS：發(fā)生雪崩擊穿iD急劇上升的vDS最大柵源電壓V(BR)GS：柵源間反向電流急劇上升的vGS27作業(yè)：5.1.1、5.1.228第二節(jié)MOSFET放大電路電路組成原則及分析方法組成原則：

靜態(tài)：設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，使MOS工作在恒流區(qū)(飽和區(qū))。

動(dòng)態(tài)：能為交流信號(hào)提供通路。

分析方法：

靜態(tài)：估算法、圖解法。

動(dòng)態(tài)：小信號(hào)等效電路法。

292.1靜態(tài)工作點(diǎn)計(jì)算基本共源極放大電路：源極s與襯底一般是相連的。30直流通道：注意：柵極電流Ig≈0其中，Kn為電導(dǎo)常數(shù)。靜態(tài)參數(shù)有柵源電壓、漏極電流以及漏源電壓。31MOS管工作區(qū)域判別：若計(jì)算出的VGS<VT，說(shuō)明工作在截止區(qū)。

若計(jì)算出的VDS>(VGS-VT)，說(shuō)明工作在飽和區(qū)。

若計(jì)算出的VDS<(VGS-VT)，說(shuō)明工作在可變電阻區(qū)

32例1：電路如圖，各參數(shù)為：

，計(jì)算靜態(tài)工作點(diǎn)，并說(shuō)明管子工作狀態(tài)。解：因VGD=0V<VT，所以處于飽和狀態(tài)。332.2動(dòng)態(tài)分析(低頻小信號(hào)模型)場(chǎng)效應(yīng)管輸出特性表達(dá)式：輸出電阻rds很大34場(chǎng)效應(yīng)管的小信號(hào)等效電路35例2：電路如圖，計(jì)算靜態(tài)工作點(diǎn)和動(dòng)態(tài)參數(shù)。參數(shù)如下36解：(1)估算靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)VG>>VGS，則VGVS，而IG=0V則有：注意：漏極和源極電流相等。37(2)動(dòng)態(tài)參數(shù)計(jì)算38電壓放大倍數(shù)輸入電壓輸出電壓電壓放大倍數(shù)為39輸入、輸出電阻輸入電阻輸出電阻信號(hào)源置零，則電壓控制電流源也為零。共射電路為倒相電路。402.3源極跟隨器共漏極電路例2：電路如圖，計(jì)算靜態(tài)工作點(diǎn)和動(dòng)態(tài)參數(shù)。參數(shù)如下41解：(1)估算靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)VG>>VGS，則VGVS，而IG=0V則有：42(2)動(dòng)態(tài)參數(shù)計(jì)算43電壓放大倍數(shù)輸入電壓輸出電壓電壓放大倍數(shù)為44輸入電阻輸入電阻45輸出電阻輸出電阻46第三節(jié)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管3.1N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)及電路符號(hào)箭頭方向表示柵結(jié)正偏時(shí)，柵極電流的方向由P指向N47P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)和符號(hào)箭頭方向表示柵結(jié)正偏時(shí)，柵極電流的方向由P指向N48N溝道JFET工作原理柵源電壓VGS的控制作用VDS=0，柵源間加負(fù)電壓PN結(jié)反偏，|VGS|越大則耗盡區(qū)越寬，導(dǎo)電溝道越窄，電阻增大。49|VGS|>|VP|時(shí)|VGS|增至一定值(夾斷電壓VP)，兩耗盡層合攏，導(dǎo)電溝道夾斷。此時(shí)即使VDS

0V，漏極電流ID=0A50VGS控制作用小結(jié)：改變VGS的大小

，可控制導(dǎo)電溝道電阻的大小，對(duì)于固定的VDS，VGS的增加使漏極電流ID減小。結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管由于沒(méi)有絕緣層，只能工作在反偏的條件下，否則會(huì)出現(xiàn)柵流。即輸入電阻較大。51漏源電壓VDS的控制作用VGS=0，漏源間加正電壓由于存在電位梯度，越靠近漏端，PN結(jié)反偏電壓越大，耗盡層越寬。52VDS控制作用小結(jié)：增加VDS的大小

，一方面可增加漏極電流ID，另一方面由于導(dǎo)電溝道變窄，電阻增大，又使漏極電流

ID減小。但是在預(yù)夾斷前，可近似認(rèn)為溝道電阻基本上決定于VGS，即ID隨VDS線性增加。

VDS對(duì)溝道的影響是不均勻的，使溝道呈楔形。53VGS<0，漏源間加正電壓|VGS|<|VP|時(shí)隨著VDS增加，ID線性增大。當(dāng)VDS增加至使VGD=VGS-VDS=VP時(shí)，靠近漏端的溝道被預(yù)夾斷。54|VGS|<|VP|時(shí)隨著VDS繼續(xù)增加，夾斷區(qū)向下延伸。增加的VDS主要降落在夾斷區(qū)上，因此，ID基本恒定。5556N溝道JFET特性曲線在漏源電壓vDS一定的條件下，柵源電壓vGS對(duì)漏極電流iD的控制特性。轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線可由輸出特性曲線獲得。

其中，

IDSS為飽和漏極電流。

57輸出特性曲線在柵源電壓vGS一定的情況下，漏極電流iD與漏源電壓vDS之間的關(guān)系。5