第五章模擬電路

第五章模擬電路1第一頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四5場(chǎng)效應(yīng)管放大電路N溝道P溝道增強(qiáng)型耗盡型N溝道P溝道N溝道P溝道（耗盡型）FET場(chǎng)效應(yīng)管JFET結(jié)型MOSFET絕緣柵型分類：第二頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四5.1金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管

結(jié)構(gòu)工作原理

V-I特性曲線及大信號(hào)特征方程

5.1.1

N溝道增強(qiáng)型MOSFET

5.1.2

N溝道耗盡型MOSFET

5.1.5

MOSFET的主要參數(shù)

第三頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四5.1.1

N溝道增強(qiáng)型MOSFETN溝道增強(qiáng)型MOSFET的結(jié)構(gòu)(Metal-OxideSemiconductorTypeFieldEffectTransistor)第四頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四5.1.1

N溝道增強(qiáng)型MOSFETN溝道增強(qiáng)型MOSFET的結(jié)構(gòu)(Metal-OxideSemiconductorTypeFieldEffectTransistor)第五頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四5.1.1

N溝道增強(qiáng)型MOSFET4個(gè)電極：漏極D，源極S，柵極G和襯底P。符號(hào)：----gsd襯底N溝道增強(qiáng)型MOSFET的結(jié)構(gòu)(Metal-OxideSemiconductorTypeFieldEffectTransistor)第六頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四5.1.1

N溝道增強(qiáng)型MOSFET2.工作原理

當(dāng)vGS>0V時(shí)→縱向電場(chǎng)→將靠近柵極下方的空穴向下排斥→耗盡層。

當(dāng)vGS=0V時(shí)，漏源之間相當(dāng)兩個(gè)背靠背的二極管，在d、s之間加上電壓也不會(huì)形成電流，即管子截止。

再增加vGS＞

VT

→縱向電場(chǎng)↑→將P區(qū)少子電子聚集到P區(qū)表面→形成導(dǎo)電溝道。---P襯底sgN+bd二氧化硅+N---s二氧化硅P襯底g+Nd+bNVGGid---s二氧化硅P襯底gDDV+Nd+bNVGGid如果此時(shí)加有漏源電壓，就可以形成漏極電流id。漏源電壓較大，出現(xiàn)夾斷時(shí)，id趨于飽和。第七頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四5.1.1

N溝道增強(qiáng)型MOSFET2.工作原理

定義：開啟電壓（VT）——?jiǎng)倓偖a(chǎn)生溝道所需的柵源電壓VGS。

N溝道增強(qiáng)型MOS管的基本特性：

vGS＜VT，管子截止，

vGS＞VT，管子導(dǎo)通。

vGS越大，溝道越寬，在相同的漏源電壓vDS作用下，漏極電流ID越大。第八頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四3.V-I特性曲線及大信號(hào)特征方程v=3VDSGSvGS=5VvvvGS(mA)=4VDiGS=6V(V)5.1.1

N溝道增強(qiáng)型MOSFET（1）輸出特性及大信號(hào)特性方程iD=f(vDS)|vGS=constant預(yù)夾斷臨界點(diǎn)軌跡vGD=vGS

–vDS=VTvDSVGS-VT飽和區(qū)截止區(qū)vGS<VTID0是vGS=2VT的iDvDSVGS-VT可變電阻區(qū)第九頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四5.1.1

N溝道增強(qiáng)型MOSFET

可根據(jù)輸出特性曲線作出轉(zhuǎn)移特性曲線。例：作vDS=10V的一條轉(zhuǎn)移特性曲線：VTi(mA)DGS=6Vvv=5VGS=4VvGSv=3VGSvDS(V)Di(mA)10V12341432(V)vGS246（2）轉(zhuǎn)移特性iD=f(vGS)|vDS=constant第十頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四5.1.2

N溝道耗盡型MOSFET特點(diǎn)：當(dāng)vGS=0時(shí)，就有溝道，加入vDS，就有iD。當(dāng)vGS＞0時(shí)，溝道增寬，iD進(jìn)一步增加。

當(dāng)vGS＜0時(shí)，溝道變窄，iD減小。

在柵極下方的SiO2層中摻入了大量的金屬正離子。所以當(dāng)vGS=0時(shí)，這些正離子已經(jīng)感應(yīng)出反型層，形成了溝道。

夾斷電壓（VP）——溝道剛剛消失所需的柵源電壓vGS。襯底----sgd1.結(jié)構(gòu)和工作原理簡(jiǎn)述第十一頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四5.1.2

N溝道耗盡型MOSFET

2.V-I特性曲線及大信號(hào)特征方程vvGS=2Vv2v(mA)1v=-4VD-40310VDS2(mA)GS(V)21-64iv=0VD-2GSGSGS4i(V)3=-2VVP對(duì)于耗盡型MOS：IDSS：零柵壓的漏極電流，飽和漏極電流第十二頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四5.1.5

MOSFET的主要參數(shù)一、直流參數(shù)2.夾斷電壓VP（或vGS(off)）：耗盡型MOS參數(shù)vDS為某一固定值，使iD等于一個(gè)微小的電流時(shí)，柵源之間所加的電壓1.開啟電壓VP（或vGS(th)）：增強(qiáng)型MOS參數(shù)vDS為某一固定值，使iD等于一個(gè)微小的電流時(shí)，柵源之間所加的電壓3.飽和漏極電流IDSS：vGS=0，當(dāng)vDS>|VP|時(shí)的漏極電流4.直流輸入電阻RGS：在漏源之間短路的條件下，柵源之間加一定電壓時(shí)的柵源直流電阻第十三頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四5.1.5

MOSFET的主要參數(shù)2.低頻互導(dǎo)gm互導(dǎo)反映了vGS對(duì)iD的控制能力，相當(dāng)于轉(zhuǎn)移特性曲線上工作點(diǎn)的斜率。單位是mS或S1.輸出電阻rd十分之幾至幾mS，互導(dǎo)隨管子工作點(diǎn)不同而變幾十千歐到幾百千歐二、交流參數(shù)N溝道EMOSFET第十四頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四5.1.5

MOSFET的主要參數(shù)2.最大耗散功率PDM3.最大漏源電壓V(BR)DS4.最大柵源電壓V(BR)GS發(fā)生雪崩擊穿、iD開始急劇上升時(shí)的vDS值柵源間反向電流開始急劇增加時(shí)的vGS值PDM=vDS

iD受管子最高工作溫度的限制三、極限參數(shù)1.最大漏極電流IDM：管子正常工作時(shí)漏極電流允許的上限值第十五頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四5.2

MOSFET放大電路

直流偏置及靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算圖解分析

5.2.1

MOSFET放大電路

5.2.2帶PMOS負(fù)載的NMOS放大電路

小信號(hào)模型分析第十六頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四5.2.1MOS放大電路

根據(jù)求得的VDS判斷FET工作在飽和區(qū)或可變電阻區(qū)1.直流偏置及靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算VDDvoviBCb2Cb1Rg1RdRg2gdsTid（1）簡(jiǎn)單的共源極放大電路N溝道增強(qiáng)型MOS管電路的直流計(jì)算步驟見(jiàn)P.212第十七頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四5.2.1MOS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+VDDvoviBCb2Cb1Rg1RdRg2gdsTid-VSSRsR當(dāng)NMOS管工作在飽和區(qū)第十八頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四5.2.1MOS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+VDDvoviBCb2Cb1Rg1RdRg2gdsTid-VSSRsR在MOS管中接入源極電阻，也具有穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)的作用很多MOS管電路的源極電阻被電流源代替（例5.2.3）第十九頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四2.圖解分析VDDvOBRdgdsTidviVGG+-+-iDvDSoVDD預(yù)夾斷臨界點(diǎn)軌跡vGD=vGS

–vDS=VTVDD/RdoottiDIDQVDSQidvdsviVGS=VGGQvDSVGG

>VTVDD

足夠大，場(chǎng)效應(yīng)管工作于飽和區(qū)第二十頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四5.2.1MOS放大電路

3.小信號(hào)模型分析輸入信號(hào)很小，F(xiàn)ET工作在飽和區(qū)，看成雙口網(wǎng)絡(luò)，N溝道EMOS第二十一頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四5.2.1MOS放大電路

3.小信號(hào)模型分析第三項(xiàng)與輸入信號(hào)平方成正比，當(dāng)vi=vgs為正弦時(shí)，平方項(xiàng)使輸出電壓產(chǎn)生諧波或非線性失真小信號(hào)條件：vgs<<2(VGSQ-VT)第二十二頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四5.2.1MOS放大電路

3.小信號(hào)模型分析sgdvgsgmvgsvdssgdrdsvgsgmvgsvdsiD低頻小信號(hào)模型gsdvGSiDvDSsgdrdsvgsgmvgsvdsiDCgs+CgbCgdCdsFET的高頻模型第二十三頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四例題

例5.2.5電路如圖所示。試求中頻電壓增益、輸入電阻和輸出電阻。voRvigRdRg1||Rg2sd

Rsvs+-+VDDvoviBCb2Cb1Rg1RdRg2gdsTid-VSSRsR第二十四頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四例題voRvigRdRg1||Rg2sd

Rsvs+-第二十五頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四例題

例5.2.6電路如圖所示。試求中頻電壓增益、輸入電阻和輸出電阻。voRvigrdsRg1||Rg2sdRs+VDDvoviBCbRg1Rg2gdsTRsRvs+-第二十六頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四例題同相放大電壓跟隨voRvigrdsRg1||Rg2sdRs第二十七頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四例題RiRsdRsgvTiTRo計(jì)算輸出電阻時(shí)，信號(hào)源置零，除去負(fù)載，在輸出端加測(cè)試源vTrdsRg1||Rg2第二十八頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四5.3結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管

結(jié)構(gòu)工作原理

輸出特性轉(zhuǎn)移特性

主要參數(shù)

5.3.1

JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理

5.3.2

JFET的特性曲線及參數(shù)

5.3.3

JFET的小信號(hào)模型分析法

第二十九頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四

1.

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)（以N溝為例）：

(JunctionTypeFieldEffectTransistor)5.3.1

JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理第三十頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四

1.

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)（以N溝為例）：

(JunctionTypeFieldEffectTransistor)兩個(gè)PN結(jié)夾著一個(gè)N型溝道。三個(gè)電極：g：柵極d：漏極s：源極符號(hào)：5.3.1

JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理N溝道---gsdP溝道---gds動(dòng)畫演示第三十一頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四5.3.1

JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理

（1）柵源電壓對(duì)溝道的控制作用

在柵源間加負(fù)電壓vGS，令vDS

=0

①當(dāng)vGS=0時(shí)，為平衡PN結(jié)，導(dǎo)電溝道最寬。②當(dāng)│vGS│↑時(shí)，PN結(jié)反偏，耗盡層變寬，導(dǎo)電溝道變窄，溝道電阻增大。③當(dāng)│vGS│↑到一定值時(shí)，溝道會(huì)完全合攏。定義：夾斷電壓VP——使導(dǎo)電溝道完全合攏（消失）所需要的柵源電壓vGS。

2.

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理：第三十二頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四5.3.1

JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理

（2）漏源電壓對(duì)溝道的控制作用

2.

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理：

在漏源間加電壓uDS，令vGS=0由于vGS=0，所以導(dǎo)電溝道最寬。①當(dāng)vDS=0時(shí)，iD=0。②vDS↑→iD↑

→靠近漏極處的耗盡層加寬，溝道變窄，呈楔形分布。③當(dāng)vDS↑，使vGD=vGS-

vDS=VP時(shí)，在靠漏極處夾斷——預(yù)夾斷。預(yù)夾斷前，vDS↑→iD↑。預(yù)夾斷后，iDS↑→iD幾乎不變。④vDS再↑，預(yù)夾斷點(diǎn)下移。第三十三頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四5.3.1

JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理

2.

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理：

（3）柵源電壓vGS和漏源電壓vDS共同作用

iD=f（vGS、vDS）,可用兩組特性曲線來(lái)描繪。

動(dòng)畫演示第三十四頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四5.3.2

JFET的特性曲線及參數(shù)1.輸出特性曲線：iD=f（vDS）│vGS=常數(shù)vGS=0VvGS=-1Vv=-3VDSGSvvGS(mA)=-2VDi(V)第三十五頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四5.3.2

JFET的特性曲線及參數(shù)1.輸出特性曲線：iD=f（vDS）│vGS=常數(shù)四個(gè)區(qū)：恒流區(qū)的特點(diǎn)：在vDS為常數(shù)時(shí)△iD/△vGS=gm≈常數(shù)

即：△iD=gm△vGS

（放大原理）（a）可變電阻區(qū)（預(yù)夾斷前）。

（b）恒流區(qū)也稱飽和區(qū)（預(yù)夾斷后）。

（c）夾斷區(qū)（截止區(qū)）。

（d）擊穿區(qū)?？勺冸娮鑵^(qū)恒流區(qū)截止區(qū)擊穿區(qū)v=-3VDSGSvGS=-1VvvvGS(mA)=-2VDiGS=0V(V)vGS<VP時(shí)，iD=0稱為截止區(qū)第三十六頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四5.3.2

JFET的特性曲線及參數(shù)2.轉(zhuǎn)移特性曲線：iD=f（vGS）│vDS=常數(shù)

可根據(jù)輸出特性曲線作出轉(zhuǎn)移特性曲線（transfer

characteristic）

。例：作vDS=10V的一條轉(zhuǎn)移特性曲線：ABCDABCDvvGS=0Vv0v(mA)1v=-3VD-3-1310VDS2(mA)GS(V)21-44iv=-1VD-2GSGSGS4i(V)3=-2V第三十七頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四5.3.2

JFET的特性曲線及參數(shù)2.轉(zhuǎn)移特性曲線：iD=f（vGS）│vDS=常數(shù)vGS/V0iD/mAIDSSVP飽和漏極電流夾斷電壓vDS=10V第三十八頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四5.3.2

JFET的特性曲線及參數(shù)3.主要參數(shù)①夾斷電壓VP(或VGS(off))：②飽和漏極電流IDSS：

③

低頻跨導(dǎo)gm：或漏極電流約為零時(shí)的VGS值。VGS=0時(shí)對(duì)應(yīng)的漏極電流。

低頻跨導(dǎo)反映了vGS對(duì)iD的控制作用。gm可以在轉(zhuǎn)移特性曲線上求得，單位是mS(毫西門子)。第三十九頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四5.3.2

JFET的特性曲線及參數(shù)3.主要參數(shù)④輸出電阻rd：⑤直流輸入電阻RGS：對(duì)于結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管，反偏時(shí)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)GS第四十頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四

0.直流偏置電路a.自偏壓電路VGS=－

IDR

注意：該電路產(chǎn)生負(fù)的柵源電壓，所以只能用于需要負(fù)柵源電壓的電路。計(jì)算Q點(diǎn)：VGS、ID、VDS已知VP，由可解出Q點(diǎn)的VGS、IDVDS=VDD－

ID(Rd+R)再求：+VID

++gTRdRRgCb1Cb2voviDDCds--++VGS=－

IDR

5.3.3JFET放大電路的小信號(hào)模型分析法第四十一頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四

0.直流偏置電路b.分壓器式自偏壓電路可解出Q點(diǎn)的VGS、ID

計(jì)算Q點(diǎn)：已知VP，由該電路產(chǎn)生的柵源電壓可正可負(fù)，所以適用于所有的場(chǎng)效應(yīng)管電路。VDS=VDD-ID(Rd+R)再求：++－+gTRdRCb1b2CvoviVDDCdsg1Rg2Rg3R++－5.3.3JFET放大電路的小信號(hào)模型分析法第四十二頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四1.JFET的小信號(hào)模型

-++dgsGSvvDSiD-+—++－-SrdsgdS動(dòng)畫演示§5.3.3JFET放大電路的小信號(hào)模型分析法第四十三頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四1.JFET的小信號(hào)模型

-++dgsGSvvDSiD-5.3.3JFET放大電路的小信號(hào)模型分析法sgdrdsvgsgmvgsvdsrgsiDCgsCgdCds第四十四頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四

2.動(dòng)態(tài)指標(biāo)分析

++b2RvTg3DDb1Rg1CCVRRgdsig2dRvo+_+動(dòng)畫演示5.3.3JFET放大電路的小信號(hào)模型分析法第四十五頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四

2.動(dòng)態(tài)指標(biāo)分析

（1）求電壓放大倍數(shù)（2）求輸入電阻（3）求輸出電阻iR+—+-++-gdsRg3g1Rg2RRdR5.3.3JFET放大電路的小信號(hào)模型分析法第四十六頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四（2）電壓放大倍數(shù)（3）輸入電阻（1）畫交流小信號(hào)等效電路。

共漏極放大電路如圖示。試求中頻電壓增益、輸入電阻和輸出電阻。例題+Cg3VsTRb1DDoRvRdg1g2Cb2RR+-L+v-SRS++—+-+S+-R+-gdsRg3g1Rg2RiRRLR動(dòng)畫演示第四十七頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四（4）輸出電阻例題共漏極放大電路如圖示。試求中頻電壓增益、輸入電阻和輸出電阻。+—+SgdsRg3g1Rg2RRR+-動(dòng)畫演示第四十八頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四5.5各種放大器件電路性能比較

各種FET的特性比較使用注意事項(xiàng)

5.5.1各種FET的特性及使用注意事項(xiàng)

5.5.2各種放大器件電路性能比較

第四十九頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四1.各種FET的特性比較

5.5.1各種FET的特性及使用注意事項(xiàng)MOS器件主要應(yīng)用在數(shù)字集成電路方面JFET在低噪聲放大電路方面有廣泛應(yīng)用P.236，表5.5.12.使用注意事項(xiàng)

第五十頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期四5.5.2各種放大器件電路性能比較組態(tài)對(duì)應(yīng)關(guān)系：CEBJTFETCSCCCDCBCGBJTFET電壓增益CE：CC：CB