模電第五章,場效應管放大電路

5場效應管放大電路5.1金屬-氧化物-半導體（MOS）場效應管5.3結型場效應管（JFET）*5.4砷化鎵金屬-半導體場效應管5.5各種放大器件電路性能比較5.2MOSFET放大電路5.1金屬-氧化物-半導體（MOS）場效應管5.1.1N溝道增強型MOSFET5.1.5MOSFET的主要參數5.1.2N溝道耗盡型MOSFET5.1.3P溝道MOSFET5.1.4溝道長度調制效應P溝道耗盡型P溝道P溝道N溝道增強型N溝道N溝道（耗盡型）FET場效應管JFET結型MOSFET(IGFET)絕緣柵型耗盡型：場效應管沒有加偏置電壓時，就有導電溝道存在增強型：場效應管沒有加偏置電壓時，沒有導電溝道場效應管的分類：5.1.1N溝道增強型MOSFET1.結構（N溝道）L：溝道長度W：溝道寬度tox

：絕緣層厚度通常W>L5.1.1N溝道增強型MOSFET剖面圖1.結構（N溝道）符號5.1.1N溝道增強型MOSFET2.工作原理（1）vGS對的控制作用①vGS≤0時d、s間PN結相背，無導電溝道②vGS>0時感應出負電荷，形成反型層（N型）——把d、s間連接起來，形成導電溝道。形成反型層的最小柵壓——稱為開啟電壓。③

vGS>VT時溝道加寬，電阻變小，。外加柵壓后才形成導電溝道的——稱為增強型2.工作原理（2）vDS對溝道的控制作用整個溝道呈楔形分布當

一定（

）時，

溝道電位梯度靠近漏極d處的電位升高電場強度減小溝道變薄在預夾斷處：當

增加到使

時，在緊靠漏極處出現(xiàn)預夾斷。（2）vDS對溝道的控制作用預夾斷后，夾斷區(qū)延長溝道電阻基本不變。（3）vDS和vGS同時作用時給定一個vGS

，就有一條不同的iD

–vDS

曲線。一定，

變化時，隨而變3.

V-I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①截止區(qū)當vGS＜VT（2V）時，導電溝道尚未形成，iD＝0，為截止工作狀態(tài)。分為三個區(qū)（1）輸出特性及大信號特性方程②可變電阻區(qū)

vDS≤（vGS－VT）近似為較小時隨迅速增大由于

較小，可近似為是一個受

控制的可變電阻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其中本征電導因子Kn為電導常數，單位：mA/V2③飽和區(qū)（又稱恒流區(qū)、放大區(qū)）vGS

>VT

，且vDS≥（vGS－VT）預夾斷臨界點是vGS＝2VT時的iD

V-I特性：不隨變化，將預夾斷臨界條件代入得：（2）轉移特性s5.1.2N溝道耗盡型MOSFET1.結構和工作原理簡述（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的柵源電壓下工作，而且基本上無柵流2.V-I特性曲線及大信號特性方程

（N溝道增強型）飽和漏極電流()時的夾斷電壓（）時溝道夾斷。5.1.3P溝道MOSFET各種類型MOS管的特性曲線絕緣柵場效應管N溝道增強型P溝道增強型各種類型MOS管的特性曲線絕緣柵場效應管

N溝道耗盡型P

溝道耗盡型5.1.4溝道長度調制效應實際上飽和區(qū)的曲線并不是平坦的當不考慮溝道調制效應時，＝0，曲線是平坦的。

L的單位為m修正后溝道長度調制參數V-I特性曲線輸出特性(1)可變電阻區(qū)

vDS≤（vGS－VT）近似為:(2)飽和區(qū)(放大區(qū)）vGS

>VT

，vDS≥（vGS－VT）預夾斷臨界點修正轉移特性5.1.5MOSFET的主要參數一、直流參數1.開啟電壓VT

（增強型參數）4.直流輸入電阻RGS

(柵源間電阻)（109Ω～1015Ω）漏源極短路時，柵源極在一定條件下的等效電阻，RGS可達幾千兆歐。在飽和區(qū)增強型MOS管的漏極電流

（通常規(guī)定

）時，所對應的柵源間的電壓值。3.飽和漏極電流IDSS

（耗盡型參數）在情況下（通常），時的漏極電流。2.夾斷電壓VP

（耗盡型參數）在

為某一固定數值時（例如10V），使等于一微小電流（如）時的

值。二、交流參數1.輸出電阻rds

NMOS增強型當不考慮溝道調制效應時，＝0，rds→∞

二、交流參數考慮到則其中2.低頻互導gm——表示

對

的控制作用在轉移特性曲線上，是曲線在某點上的斜率，也可由

的表達式求導得出，單位為S或mS。三、極限參數1.最大漏極電流IDM

管子正常工作時漏極電流允許的上限值。2.最大耗散功率PDM

3.最大漏源電壓V（BR）DS

發(fā)生雪崩擊穿時的4.最大柵源電壓V（BR）GS

是柵源間反向電流開始急劇增加時的。幾種常用的場效應三極管的主要參數見表5.2MOSFET放大電路5.2.1MOSFET放大電路1.直流偏置及靜態(tài)工作點的計算2.圖解分析3.小信號模型分析*5.2.2帶PMOS負載的NMOS放大電路5.2.1MOSFET放大電路1.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（N溝道）共源極放大電路直流通路1.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（N溝道）假設工作在飽和區(qū)，即驗證是否滿足如果不滿足，則說明假設錯誤(須滿足VGS>VT

，否則工作在截止區(qū))再假設工作在可變電阻區(qū)即工作于飽和區(qū)工作于可變電阻區(qū)假設工作在飽和區(qū)滿足假設成立，結果即為所求。解：例：設Rg1=60k，Rg2=40k，Rd=15k，試計算電路的靜態(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)工作點的計算（2）帶源極電阻的NMOS共源極放大電路需要驗證是否滿足飽和區(qū)1.直流偏置及靜態(tài)工作點的計算靜態(tài)時，vI＝0，VG＝0，ID＝I電流源偏置VS＝VG－VGS（飽和區(qū)）（3）電流源偏置（例5.2.3）設管子工作于飽和區(qū)管子工作于飽和區(qū)假設正確2.圖解分析由于負載開路，交流負載線與直流負載線相同負載線與的交點就是Q點已知場效應管輸出特性表達式：求全微分:漏極與源極間等效電導變化量其中：低頻跨導,可從輸出曲線上求出（1）場效應管微變等效電路3.小信號模型分析0時高頻小信號模型場效應管微變等效電路解：例5.2.2的直流分析已求得：（2）放大電路分析s①共源極放大電路（例5.2.5）s①共源極放大電路（例5.2.5）（2）放大電路分析②共漏極放大電路(源極輸出器、源極跟隨器)例5.2.6共漏共漏（2）放大電路分析*5.2.2帶PMOS負載的NMOS放大電路本小節(jié)不作教學要求，有興趣者自學5.3結型場效應管

5.3.1JFET的結構和工作原理

5.3.2JFET的特性曲線及參數

5.3.3JFET放大電路的小信號模型分析法5.3.1JFET的結構和工作原理1.結構2.工作原理（1）柵源電壓vGS對溝道的控制作用柵源間加反向偏電壓（以N溝道JFET為例）對于N溝道的JFET，VP<0。PN結反偏耗盡層加寬溝道變窄。當溝道夾斷時，對應的柵源電壓vGS稱為夾斷電壓VP

（或VGS(off)）。①②結型場效應管就是通過改變加在PN結上的反向偏壓(柵源電壓)的大小來改變耗盡層的寬度,進而改變溝道的寬度和溝道電阻的大小以達到控制溝道電流(漏極電流)的目的。即時，溝道夾斷2.工作原理(2)vDS對溝道的控制作用一定(|

|<||)時,

①隨著

靠近漏極處的耗盡層加寬，溝道變窄，呈楔形分布②當vDS增加到使

時，導電溝道在A點相遇，溝道被夾斷——稱為預夾斷③繼續(xù)加大夾斷延長溝道電阻

的增量降落在溝道夾斷處iD基本不變綜上分析可知溝道中只有一種類型的多數載流子參與導電，

所以場效應管也稱為單極型三極管。

JFET柵極與溝道間的PN結是反向偏置的，因此，

輸入電阻很高。預夾斷前

與呈近似線性關系；預夾斷后，趨于飽和。JFET是電壓控制電流器件，

受

控制。5.3.2JFET的特性曲線及參數2.轉移特性1.輸出特性(VP≤vGS≤0)3.主要參數(與MOSFET類似)④輸出電阻rd：或③

低頻跨導gm：低頻跨導反映了

對

的控制作用。gm可以在轉移特性曲線上求得，單位是mS(毫西門子)。①夾斷電壓VP(或VGS(off))：漏極電流約為零時的

值。②飽和漏極電流IDSS：

時的漏極電流稱為飽和漏極電流IDSS。3.主要參數⑤直流輸入電阻RGS：對于結型場效應管，反偏時RGS約大于107Ω。⑧最大漏極功耗PDM⑥

最大漏源電壓V(BR)DS⑦最大柵源電壓V(BR)GS5.3.3JFET放大電路的小信號模型分析法(場效應管放大電路)直流偏置電路靜態(tài)工作點

FET小信號模型動態(tài)指標分析三種基本放大電路的性能比較

4.4.2FET放大電路的小信號模型分析法

4.4.1

FET的直流偏置及靜態(tài)分析vGSvGS（1）自偏壓電路5.3.3JFET放大電路的小信號模型分析法(場效應管放大電路)1.直流偏置及靜態(tài)分析vGSvGS靜態(tài)工作點：

、

、已知VP，由可解出Q點的

、

、（2）分壓式自偏壓電路5.3.3JFET放大電路的小信號模型分析法2.JFET小信號模型（1）低頻模型（2）高頻模型3.動態(tài)指標分析中頻小信號模型(共源極放大電路)3.動態(tài)指標分析（1）中頻電壓增益忽略rds

，由輸入輸出回路得則（2）輸入電阻（3）輸出電阻例5.3.15.5