模擬電子技術第五章場效應管及其放大電路

2025/1/2模擬電子技術第五章場效應管及其放大(fàngdà)電路第一頁，共54頁。P溝道(ɡōudào)耗盡(hàojìn)型P溝道(ɡōudào)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(jié)型MOSFET絕緣柵型(IGFET)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：第二頁，共54頁。5.1.1N溝道(ɡōudào)增強型MOSFET1.結(jié)構(gòu)(jiégòu)（N溝道）L：溝道(ɡōudào)長度W：溝道寬度tox

：絕緣層厚度通常W>L（動畫2-3）第三頁，共54頁。5.1.1N溝道(ɡōudào)增強型MOSFET剖面圖1.結(jié)構(gòu)(jiégòu)（N溝道）符號第四頁，共54頁。二、工作(gōngzuò)原理①柵源電壓VGS的控制(kòngzhì)作用

當VGS=0V時，

因為漏源之間被兩個背靠背的PN結(jié)隔離，因此，即使在D、S之間加上電壓,在D、S間也不可能形成電流。

當0＜VGS＜VT(開啟電壓)時，

通過柵極和襯底間的電容作用，將柵極下方P型襯底表層的空穴向下排斥，同時，使兩個N區(qū)和襯底中的自由電子吸向襯底表層，并與空穴復合而消失，結(jié)果在襯底表面形成一薄層負離子的耗盡層。漏源間仍無載流子的通道。管子仍不能導通，處于截止狀態(tài)。第五頁，共54頁。把開始形成反型層的VGS值稱為該管的開啟電壓VT。這時，若在漏源間加電壓VDS，就能產(chǎn)生漏極電流ID，即管子開啟。VGS值越大，溝道內(nèi)自由電子越多，溝道電阻越小，在同樣VDS電壓作用下，ID越大。這樣，就實現(xiàn)了輸入(shūrù)電壓VGS對輸出電流ID的控制。當VGS＞VT時，襯底中的電子進一步被吸至柵極下方的P型襯底表層，使襯底表層中的自由電子數(shù)量大于空穴數(shù)量，該薄層(báocénɡ)轉(zhuǎn)換為N型半導體，稱此為反型層。形成N源區(qū)到N漏區(qū)的N型溝道。ID第六頁，共54頁。②漏源電壓(diànyā)VDS對溝道導電能力的影響當VGS＞VT且固定為某值的情況下，若給漏源間加正電壓VDS則源區(qū)的自由電子將沿著溝道漂移到漏區(qū)，形成漏極電流ID，當ID從DS流過溝道時，沿途會產(chǎn)生壓降，進而導致沿著溝道長度上柵極與溝道間的電壓分布不均勻。源極端電壓最大，為VGS，由此感生的溝道最深；離開源極端，越向漏極端靠近(kàojìn)，則柵—溝間的電壓線性下降，由它們感生的溝道越來越淺；直到漏極端，柵漏間電壓最小，其值為：VGD=VGS-VDS,由此感生的溝道也最淺?？梢?，在VDS作用下導電溝道的深度是不均勻(jūnyún)的，溝道呈錐形分布。若VDS進一步增大，直至VGD=VT，即VGS-VDS=VT或VDS=VGS-VT時，則漏端溝道消失，出現(xiàn)預夾斷。A第七頁，共54頁。當VDS為0或較小時，VGD＞VT，此時VDS基本均勻降落在溝道(ɡōudào)中，溝道(ɡōudào)呈斜線分布。當VDS增加到使VGD=VT時，漏極處溝道將縮減到剛剛開啟的情況，稱為預夾斷。源區(qū)的自由電子在VDS電場力的作用下，仍能沿著溝道向漏端漂移，一旦到達預夾斷區(qū)的邊界(biānjiè)處，就能被預夾斷區(qū)內(nèi)的電場力掃至漏區(qū)，形成漏極電流。當VDS增加到使VGDVT時，預夾斷(jiāduàn)點向源極端延伸成小的夾斷(jiāduàn)區(qū)。由于預夾斷(jiāduàn)區(qū)呈現(xiàn)高阻，而未夾斷(jiāduàn)溝道部分為低阻，因此，VDS增加的部分基本上降落在該夾斷(jiāduàn)區(qū)內(nèi)，而溝道中的電場力基本不變，漂移電流基本不變，所以，從漏端溝道出現(xiàn)預夾斷(jiāduàn)點開始，ID基本不隨VDS增加而變化。第八頁，共54頁?？勺冸娮鑵^(qū)(resistiveregion)——飽和區(qū)恒流區(qū)（constantcurrentregion）——放大區(qū)夾斷(jiāduàn)區(qū)（cutoffrigion）——截止區(qū)1.輸出特性vGD=vGS-vDS=VT三、特性曲線(qūxiàn)及特性方程第九頁，共54頁。①可變電阻區(qū)：③飽和(bǎohé)區(qū)：②可變電阻區(qū)特性曲線(qūxiàn)原點附近：n：反型層中電子遷移率Cox：柵極(shānjí)（與襯底間）氧化層單位面積電容Kn為電導常數(shù)，單位：mA/V2是vGS＝2VT時的iD第十頁，共54頁。①vGS<VT時，iD=0；②vGS≥VT時，iD隨vGS增大(zēnɡdà)而增大(zēnɡdà)。2、轉(zhuǎn)移特性3、轉(zhuǎn)移特性(tèxìng)與漏極特性(tèxìng)間的關系①在漏極特性(tèxìng)上,對應某一vDS,作一垂直線；②該垂線與各漏極特性(tèxìng)相交得到一組交點；③由各交點所對應的vGS和iD值可畫出對應的轉(zhuǎn)移特性(tèxìng)。第十一頁，共54頁。第十二頁，共54頁。5.1.2N溝道(ɡōudào)耗盡型MOSFETP溝道N溝道PNPNPN一、結(jié)構(gòu)(jiégòu)與符號第十三頁，共54頁。二、工作(gōngzuò)原理4.vGS<0，且vGS=VP感應電荷耗盡導電溝道消失漏極電流iD≈0N溝道耗盡型MOSFET在正、負柵源電壓(diànyā)下均能工作。1.vGS=0

vDS

>0預埋在絕緣層中的正離子能感應出負電荷感應出的負電荷在漏源間形成導電溝道，形成漏極電流3.vGS<0

vDS

>0感應出的負電荷減少漏源間形成導電溝道變窄漏極電流iD減小2.vGS>0

vDS

>0感應電荷增多漏源間形成導電溝道變寬漏極電流iD增大第十四頁，共54頁。(1.輸出特性2.轉(zhuǎn)移(zhuǎnyí)特性)三、特性(tèxìng)曲線第十五頁，共54頁。5.1.3P溝道(ɡōudào)MOSFET一、符號(fúhào)二、特性(tèxìng)曲線vGS<VT1、可變電阻區(qū)2、飽和區(qū)第十六頁，共54頁。5.1.4溝道長度調(diào)制(tiáozhì)效應第十七頁，共54頁。絕緣柵場效應管N溝道增強型P溝道增強型第十八頁，共54頁。絕緣(juéyuán)柵場效應管

N溝道耗盡型P溝道耗盡型第十九頁，共54頁。5.1.5MOSFET的主要參數(shù)一、直流參數(shù)(cānshù)4.直流輸入電阻RGS在漏源短路的情況下，柵源間加一定電壓(diànyā)時的柵極直流電阻，約為109～1015Ω。3.飽和漏極電流IDSS（耗盡(hàojìn)型）vGS=0，|vDS|>|VP|時對應的漏極電流。2.夾斷電壓VP（耗盡型）

vDS一定時，使漏極電流iD下降至微小電流的vGS。1.開啟電壓VT（增強型）

vDS一定時，使漏極電流iD等于微小電流的vGS。第二十頁，共54頁。二、交流(jiāoliú)參數(shù)2.低頻互導（跨導）gm用以描述柵源電壓vGS對漏極電流iD的控制作用，相當于轉(zhuǎn)移特性上工作(gōngzuò)點的斜率，表征FET的放大能力，相當于雙極型三極管的β。單位(dānwèi):mS或μS1.輸出電阻rds

用以描述漏源電壓vDS對漏極電流iD的影響，相當于漏極特性上某點切線斜率的倒數(shù)。飽和區(qū)輸出電阻很大，一般為幾十到幾百千歐。第二十一頁，共54頁。三、極限(jíxiàn)參數(shù)3.最大漏源電壓V(BR)DS指發(fā)生(fāshēng)雪崩擊穿時，漏極電流iD急劇上升時的vDS。與vGS有關。4.最大柵源電壓V(BR)GS指PN結(jié)電流開始(kāishǐ)急劇增大時的vGS。1.最大漏極電流IDM指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由PDM=VDS

ID決定，在管子內(nèi)部將變成熱能，使管子的溫度升高，為了使管子溫度不致升的太高，限制其耗散功率不能超過PDM。第二十二頁，共54頁。5.2MOSFET放大(fàngdà)電路5.2.1MOSFET放大(fàngdà)電路1.直流偏置及靜態(tài)工作(gōngzuò)點的計算2.小信號模型分析*5.2.2帶PMOS負載的NMOS放大電路3.MOSFET三種基本放大電路比較第二十三頁，共54頁。1簡單的共源極放大(fàngdà)電路一、靜態(tài)(jìngtài)工作點的計算注意：通過判斷VDS是否大于VGS-VT，來確定(quèdìng)管子工作在飽和區(qū)還是可變電阻區(qū)。當VGS<VT，管子截止。第二十四頁，共54頁。例題:

電路如圖所示，設Rg1=60kΩ，Rg2=40kΩ，Rd=15kΩ，VDD=5V，VT=1V，Kn=0.2mA/V2。試計算電路的靜態(tài)漏極電流(diànliú)IDQ和漏源電壓VDSQ。假設(jiǎshè)工作在飽和區(qū)(放大區(qū)）滿足解：第二十五頁，共54頁。2帶源極電阻的NMOS共源極放大(fàngdà)電路靜態(tài)(jìngtài)工作點的計算射極電阻(diànzǔ)也具有穩(wěn)定靜態(tài)工作點第二十六頁，共54頁。例題:

電路如圖所示，設VT=1V，Kn=500μA/V2，VDD=5V，-VSS=-5V，Rd=10kΩ，R=0.5kΩ，ID=0.5mA。若流過Rg1和Rg2的電流(diànliú)是ID的1/10，試確定Rg1和Rg2的值。第二十七頁，共54頁。例題:

電路如圖所示，由電流(diànliú)源提供偏置（可由其它MOS管構(gòu)成）。設NMOS管的參數(shù)為Kn=160μA/V2，VT=1V，VDD=VSS=5V，IDQ=0.25mA，VDQ=2.5V。試求電路參數(shù)。靜態(tài)(jìngtài)時，vI＝0，VG＝0，ID＝IVS＝VG－VGS（飽和區(qū)）VDS＝VD－VS

=VDD－IDRD－VS

第二十八頁，共54頁。二、小信號(xìnhào)模型產(chǎn)生(chǎnshēng)諧波或非線性失真漏極信號(xìnhào)電流λ=0λ≠0第二十九頁，共54頁。例題(lìtí)5.2.4:

電路如圖所示，設VDD=5V，Rd=3.9kΩ，VGS=2V，VT=1V，Kn=0.8mA/V2，λ=0.02V-1。試當管工作在飽和區(qū)時，試確定電路的小信號電壓增益。共源極放大(fàngdà)電路第三十頁，共54頁。例題5.2.5:

電路(diànlù)如圖所示，設Rg1=150kΩ，Rg2=47kΩ，VT=1V，Kn=500μA/V2，λ=0，VDD=5V，-VSS=-5V，Rd=10kΩ，R=0.5kΩ，Rs=4kΩ。求電路(diànlù)的電壓增益和源電壓增益、輸入電阻和輸出電阻。第三十一頁，共54頁。例題:

電路(diànlù)如圖所示，耦合電容對信號頻率可視為交流短路，場效應管工作在飽和區(qū)，rds很大，可忽略。試畫出小信號等效電路(diànlù)，求出輸入電阻、小信號電壓增益、源電壓小信號增益和輸出電阻。共漏極放大(fàngdà)電路（源極跟隨器）第三十二頁，共54頁。第三十三頁，共54頁。3.MOSFET三種基本放大(fàngdà)電路比較(p.221)共源極放大(fàngdà)電路共漏極放大電路(diànlù)(源極輸出器）共柵極放大電路第三十四頁，共54頁。5.3結(jié)型場效應管5.3.1JFET的結(jié)構(gòu)和工作(gōngzuò)原理5.3.2JFET的特性(tèxìng)曲線及參數(shù)5.3.3JFET放大電路的小信號(xìnhào)模型分析法第三十五頁，共54頁。5.3.1JFET的結(jié)構(gòu)(jiégòu)和工作原理1.結(jié)構(gòu)(jiégòu)#符號中的箭頭方向(fāngxiàng)表示什么？第三十六頁，共54頁。①柵源電壓VGS對iD的控制(kòngzhì)作用當VGS＜0時，PN結(jié)反偏，耗盡層變厚，溝道(ɡōudào)變窄，溝道(ɡōudào)電阻變大；VGS更負，溝道更窄，直至(zhízhì)溝道被耗盡層全部覆蓋，溝道被夾斷。這時所對應的柵源電壓VGS稱為夾斷電壓VP。2.工作原理(以N溝道結(jié)型場效應管為例）第三十七頁，共54頁。②漏源電壓(diànyā)VDS對iD的影響在柵源間加電壓VGS＞VP，漏源間加電壓VDS。則因漏端耗盡層所受的反偏電壓為VGD=VGS-VDS，比源端耗盡層所受的反偏電壓VGS大,(如:VGS=-2V,VDS=3V,VP=-9V,則漏端耗盡層受反偏電壓為-5V，源端耗盡層受反偏電壓為-2V),使靠近(kàojìn)漏端的耗盡層比源端厚，溝道比源端窄，故VDS對溝道的影響是不均勻的，使溝道呈楔形。當VDS增加到使VGD=VGS-VDS=VP時，在緊靠(jǐnkào)漏極處出現(xiàn)預夾斷點，隨VDS增大，這種不均勻性越明顯。當VDS繼續(xù)增加時，預夾斷點向源極方向伸長為預夾斷區(qū)。由于預夾斷區(qū)電阻很大，使主要VDS降落在該區(qū)，由此產(chǎn)生的強電場力能把未夾斷區(qū)漂移到其邊界上的載流子都掃至漏極，形成漏極飽和電流。第三十八頁，共54頁。綜上分析(fēnxī)可知溝道中只有一種類型的多數(shù)載流子參與導電(dǎodiàn)，

所以場效應管也稱為單極型三極管。JFET是電壓控制(kòngzhì)電流器件，iD受vGS控制(kòngzhì)預夾斷前iD與vDS呈近似線性關系；預夾斷后，iD趨于飽和。#

為什么JFET的輸入電阻比BJT高得多？JFET柵極與溝道間的PN結(jié)是反向偏置的，因

此iG0，輸入電阻很高。第三十九頁，共54頁。5.3.2JFET的特性(tèxìng)曲線及參數(shù)2.轉(zhuǎn)移(zhuǎnyí)特性VP1.輸出特性第四十頁，共54頁。漏極輸出特性1、可變電阻區(qū)2、飽和(bǎohé)區(qū)3、截止(jiézhǐ)區(qū)當大于某值時，不同的轉(zhuǎn)移特性(tèxìng)很接近轉(zhuǎn)移特性第四十一頁，共54頁。5.3.3JFET放大電路(diànlù)的小信號模型分析法一.JFET的小信號(xìnhào)模型第四十二頁，共54頁。二、分壓器式自偏壓(piānyā)電路（共源極電路）1.靜態(tài)(jìngtài)分析第四十三頁，共54頁。輸出電阻輸入電阻電壓放大倍數(shù)2.小信號(xìnhào)模型倒相電壓放大(fàngdà)電路第四十四頁，共54頁。例題(lìtí)：在圖示電路中,已知Rg1=2MΩ，Rg2=47kΩ，Rg3=10MΩ，Rd=30kΩ，R=2kΩ，VDD=18V，VP=-1V，IDSS=0.5mA，且λ=0，試確定Q。第四十五頁，共54頁。共漏極放大(fàngdà)電路如圖示。試求中頻電壓增益、輸入電阻和輸出電阻。（2）中頻電壓(diànyā)增益（3）輸入電阻得解：（1）中頻(zhōngpín)小信號模型由例題第四十六頁，共54頁。（4）輸出電阻所以(suǒyǐ)由圖有例題(lìtí)第四十七頁，共54頁。解：畫中頻(zhōngpín)小信號等效電路則電壓(diànyā)增益為例題(lìtí)放大電路如圖所示。已知試求電路的中頻增益、輸入電阻和輸出電阻。根據(jù)電路有由于則第四十八頁，共54頁。5.5各種(ɡèzhǒnɡ)放大器件性能比較1.耗盡(hàojìn)型場效應管包含了JFET和耗盡(hàojìn)型MOSFET；2.增強型場效應管僅包含增強型MOSFET。BJT放大電路(diànlù)的三種組態(tài)：共發(fā)射極（CE）、共集電極（CC）、共基極（CB）。JFET和MOSFET放大電路(diànlù)的三種組態(tài)：共源極（CS）、共漏極（CD）、共柵極（CG）。兩類放大元件的三種通用組態(tài)：1．反相電壓放大器：共發(fā)射極（CE）、共源極（CS）2．電壓跟隨器：共集電極（CC）、共漏極（CD）3．電流跟隨器：共基極（CB）、共柵極（CG）5.5.2各種放大器件電路性能比較5.5.1各種FET的特性比較第四十九頁，共54頁。雙極型和場效應型三極管的比較(bǐjiào)雙極型三極管場效應管(單極型三極管)結(jié)構(gòu)NPN型結(jié)型耗盡型N溝道P溝道