模电0场效应管及放大.ppt

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1、模拟电子技术基础,电子教案 V1.0,陈大钦 主编,华中科技大学电信系 邹韬平,2,目录,第1章 绪论,第2章 半导体二极管及其应用电路,第3章 半导体三极管及其放大电路基础,第4章 多级放大电路及模拟集成电路基础,第5章 信号运算电路,第6章 负反馈放大电路,第7章 信号处理与产生电路,第8章 场效应管及其放大电路,第9章 功率放大电路,第10章 集成运算放大器,第11章 直流电源,模拟电子技术基础,8 场效应管及其放大电路,8.2 结型场效应管,8.1 金属-氧化物-半导体(MOS)场效应管,8.3 场效应管放大电路及模拟集成电路基础,8 场效应管及其放大电路,8.4 各种放大器件及电路性

2、能比较,类比：与BJT放大电路,自学（归纳、比较）,简单介绍，与JFET对比,掌握场效应管的工作原理注意与BJT的异同点,4,多级放大电路,输入级Ri,中间放大级AV,输出级Ro,共集、共射,共射、共基,共集,第4章 场效应管,第6.2节 差分放大电路,2个信号相减,第5章 功率放大电路,直接耦合零漂,Ri,RL特别小,第6.1节 电流源,第6章 集成运算放大器,性能改善,第7章 反馈技术、方法,第8、9、10章 运算放大器应用 各种功能电路,5,已知图示放大电路中三极管的=60，rbe=3k。(1)若电容C3断开，求Ri(2)接上C3后，求Ri。,分析举例,6,引言,8 场效应管放大电路,1

3、、问题的引出,进一步提高Ri，但BJT的Je正偏，rbe较小,7,引言,8 场效应管放大电路,1、问题的引出,2、分类,进一步提高Ri，但BJT的Je正偏，rbe较小,FET场效应管,JFET结型,MOSFET绝缘栅型,N沟道,P沟道,增强型,耗尽型,N沟道,P沟道,N沟道,P沟道,（耗尽型）,8,8.2 结型场效应管,8.2.1 结型场效应管的结构和工作原理,8.2.2 结型场效应管的特性曲线及参数,2.工作原理,1.结构和符号,9,8.2.1 结型场效应管的结构和工作原理,1.结构和符号,N型导电沟道,漏极D(d),源极S(s),导电沟道电阻 长度、宽度、掺杂,反偏的PN结 反偏电压控制耗

4、尽层,结构特点:,栅极G(g),10,图8.2.1 N沟道结型场效应管,(a)结构剖面图,(b)结构示意图,导电沟道,8.2.1 结型场效应管的结构和工作原理,1.结构和符号,2.工作原理,VGS对沟道的控制作用(VDS=0),VDS对沟道的影响(VGS=0),VGS和VDS同时作用时,11,2.工作原理,8.2.1 结型场效应管的结构和工作原理,VGS=0,VGS0(反偏),VGS=VP,耗尽层加厚,|VGS|增加,沟道变窄,沟道电阻增大,全夹断（夹断电压）,VGS对沟道的控制作用(VDS=0),12,2.工作原理,8.2.1 结型场效应管的结构和工作原理,VDS对沟道的影响(VGS=0),

5、VDS ID,由于GD间PN结的反向电压增加,使靠近漏极处的耗尽层加宽,呈楔形分布。显然VDS，对沟道影响,VGD=VP 时，在紧靠漏极处出现预夹断。,VDS 夹断区延长,但ID基本不变,13,2.工作原理,8.2.1 结型场效应管的结构和工作原理,VDS对沟道的影响(VGS=0),14,2.工作原理,VGS和VDS同时作用时,15,综上分析可知,沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电，所以场效应管也称为单极型三极管。,JFET是电压控制电流器件，iD受vGS控制,预夹断前iD与vDS呈近似线性关系；预夹断后，iD趋于饱和。,#为什么JFET的输入电阻比BJT高得多？,JFET栅极与沟道间的P

6、N结是反向偏置的，因此 iG0，输入电阻很高。,16,17,VP,8.2.2 结型场效应管的特性曲线及参数,#JFET有正常放大作用时，沟道处于什么状态？,2.转移特性,1.输出特性,18,8.2.2 结型场效应管的特性曲线及参数,3.主要参数,夹断电压VP(或VGS(off)：,饱和漏极电流IDSS：,漏极电流约为零时的VGS值。,VGS=0时对应的漏极电流。,直流输入电阻RGS：,结型FET，反偏时RGS约大于107。,最大漏极功耗PDM,最大漏源电压V(BR)DS；最大栅源电压V(BR)GS,输出电阻rd：,低频跨导gm：,或,低频跨导反映了vGS对iD的控制作用。gm可以在转移特性曲线

7、上求得，单位是mS(毫西门子)。,19,8.1 金属-氧化物-半导体(MOS)场效应管,8.1.1 N沟道增强型MOS场效应管,8.1.2 N沟道耗尽型MOS场效应管,8.1.3 P沟道MOS场效应管,8.1.4 MOS场效应管的主要参数,20,FET场效应管,JFET结型,MOSFET绝缘栅型,N沟道,P沟道,增强型,耗尽型,N沟道,P沟道,N沟道,P沟道,（耗尽型）,8.1 金属-氧化物-半导体(MOS)场效应管,21,1.结构,8.1.1 N沟道增强型MOS场效应管,22,2.工作原理,8.1.1 N沟道增强型MOS场效应管,23,8.1.2 N沟道耗尽型MOS场效应管,N沟道增强型MO

8、S管,24,vGS=VP,vGS=VT,4.3.3 各种FET的特性比较,25,8.1.1 N沟道增强型MOS场效应管,8.1 金属-氧化物-半导体(MOS)场效应管,BJT三极管,场效应管,电流控制电流型器件,电压控制电流型器件,双极型器件,单极型器件,场效应管按基本结构分类:,金属一氧化物-半导体场效应管（MOSFET）,结型场效应管（JFET）,N沟道（电子型）,P沟道（空穴型）,增强型,耗尽型,重点讨论N沟道增强型MOS管,1.结构,2.工作原理,3.特性曲线与特性方程,4.沟道长度调制效应,26,1.结构,8.1.1 N沟道增强型MOS场效应管,(a)结构图,(b)结构剖面图,(c)

9、电路符号,图8.1.1 N沟道增强型MOSFET结构及符号,27,2.工作原理,8.1.1 N沟道增强型MOS场效应管,（1）vGS对iD的控制作用,vGS0，没有导电沟道,vGSVT时，出现N型沟道,（2）vDS对iD的影响,vDS较小时，iD迅速增大,vDS较大出现夹断时，iD趋于饱和,28,8.1.1 N沟道增强型MOS场效应管,2.工作原理,（1）vGS对iD的控制作用,（a）,（b）,图,vGS0，没有导电沟道,vGSVT时，出现N型沟道,在vGS作用下，产生了一个电场，排斥空穴而吸引电子。P型衬底中的电子被吸引到栅极下的衬底表面。,源区、衬底和漏区之间就形成两个背靠背的PN结，无论

10、vDS的极性如何，总有一个PN结反偏，因此，iD0。,当正vGS到达一定数值(开启电压)时，这些电子在栅极附近的P型硅表面便形成了一个N型薄层，称之为反型层(导电沟道)。(增强型),vGS愈大，导电沟道愈厚，沟道电阻的阻值将愈小(场效应电压控制)。,29,2.工作原理,8.1.1 N沟道增强型MOS场效应管,（d）,（c）,图,vDS较小时，iD迅速增大,vDS较大出现夹断时，iD趋于饱和,（2）vDS对iD的影响,导电沟道形成后加上vDS，将产生iD。在vGS和vDS共同作用下的综合电位梯度，使得沟道厚度不均匀，靠近漏极一端的沟道最薄。,当vDS较小时，沟道厚度不均匀现象对沟道影响较小。,当

11、vDS到使vGD=vGSvDS=VT时，漏极一端的沟道厚度为零，这种情况称为预夹断。,当vDS继续，使vGSvDS VT时，形成一夹断区。vDS部分主要降落在夹断区，形成较强的电场，电子仍能克服夹断区阻力到达漏极。但导电沟道的电场基本上不随vDS而，iD趋于饱和，仅取决于vGS。,30,2.工作原理,8.1.1 N沟道增强型MOS场效应管,图8.1.2 N沟道增强型MOSFET的基本工作原理示意图,当vGSVT 时，没有导电沟道，iD0。当vGSVT，导电沟道形成，iD 0。vDS较小，导电沟道预夹断前，iD与vDS成线性关系。当vDS到预夹断出现后，iD趋于饱和。漏极电流iD受栅源电压vGS

12、控制，因此场效应管是电压控制电流器件。,由上述分析可知：,31,3.特性曲线与特性方程,8.1.1 N沟道增强型MOS场效应管,(1)输出特性及特性方程,(2)转移特性,(1)输入特性曲线,(2)输出特性曲线,32,(1)输出特性及特性方程,3.特性曲线与特性方程,8.1.1 N沟道增强型MOS场效应管,图8.1.3 N沟道增强型MOS管输出特性,截止区,可变电阻区,饱和区（恒流区、放大区）,vGS VT，没有导电沟道，iD0。,vGSVT，有沟道；但vDS(vGS VT)，导电沟道未预夹断。,漏源之间可以看成受vGS控制的可变电阻,vDS(vGS VT)，导电沟道预夹断后。,33,(2)转移

13、特性,3.特性曲线与特性方程,8.1.1 N沟道增强型MOS场效应管,图8.1.4 N沟道增强型MOS管转移特性,图8.1.3 N沟道增强型MOS管输出特性,转移特性可以直接从输出特性上用作图法求出。在饱和区内，不同vDS下的转移特性基本重合。,34,4.沟道长度调制效应,8.1.1 N沟道增强型MOS场效应管,在理想情况下，当MOS场效应管工作在饱和区时，vDS对iD的影响可以忽略，输出特性曲线与横坐标轴平行。,对于典型器件，的值可近似表示为:,而实际的输出特性曲线在饱和区会略向上倾斜，即vDS增加时，iD会略有增加。这是因为vDS对沟道长度L的调制作用，常用沟道长度调制参数对描述输出特性的

14、公式进行修正。,电导常数Kn(单位:mA/V2),式中:Kn称为本征导电因子（通常为常量），n是反型层中电子迁移率，Cox为氧化层单位面积电容。沟道长度L（一般为0.510m）和宽度W（一般为0.550m），,35,图8.1.5 N沟道耗尽型MOSFET,(b)电路符号,(a)结构剖面图,1.结构和工作原理简述,耗尽型与增强型的区别:生产耗尽型MOS管时，在SiO2绝缘层中掺入大量正离子。在正离子的作用下，即使vGS=0，也会在P型衬底上感应出电子，形成N型沟道，此时只要加上正的vDS，就会产生电流iD。,当vGS0时，则沟道变窄，从而使iD减小。,当vGS0时，栅极与沟道间的电场将在沟道中感

15、应出更多的电子，使沟道变宽，沟道电阻减小，iD增加。,当vGS0并达到某值时，使感应的电子消失，沟道完全被夹断。这时即使加正向vDS，也不会有电流iD。此时的栅源电压称为夹断电压Vp。,36,8.1.2 N沟道耗尽型MOS场效应管,8.1 金属-氧化物-半导体(MOS)场效应管,2.特性曲线与特性方程,图8.1.6 N沟道耗尽型MOS管特性曲线,(a)输出特性曲线,(b)转移特性,截止区,可变电阻区,饱和区（恒流区、放大区）,vGSVP，iD=0,vGSVP，0vDSvGSVP,vGSVP，vDSvGSVP,考虑沟道长度调制效应，则,37,8.1.3 P沟道MOS场效应管,8.1 金属-氧化物

16、-半导体(MOS)场效应管,P沟道MOS管是在N型衬底表面生成P型反型层作为沟道。P沟道MOS管与N沟道MOS管的结构和工作原理类似，并且也有增强型和耗尽型两种。,使用时，vGS、vDS的极性与N沟道MOS管相反。P沟道增强型MOS管的开启电压VT是负值，而P沟道耗尽型MOS管的夹断电压VP为正值。,P沟道增强型MOSFET,N沟道增强型MOSFET,P沟道耗尽型MOSFET,N沟道耗尽型MOSFET,38,三、极限参数,1.开启电压VT,2.夹断电压VP,一、直流参数,二、交流参数,3.饱和漏电流IDSS,4.直流输入电阻RGS,1.低频跨导gm,2.输出电阻rds,3.极间电容Cgs、Cg

17、d,1.最大漏极电流IDM,2.最大耗散功率PDM,3.最大漏源电压V(BR)DS,4.最大栅源电压V(BR)GS,39,一、直流参数,8.1.4 MOS场效应管的主要参数,8.1 金属-氧化物-半导体(MOS)场效应管,1.开启电压VT,2.夹断电压VP,3.饱和漏电流IDSS,4.直流输入电阻RGS,VT是增强型MOS管的参数。当vDS为某一固定值（例如10V），使iD等于一个微小的电流（例如50A）时，栅源之间所加的电压。,VP是耗尽型MOS管的参数。令vDS为某一固定值（例如10V），使iD等于一个微小的电流（例如20A）时，栅源之间所加的电压。,IDSS是耗尽型FET的参数。在vGS

18、=0的条件下，产生预夹断时的漏极电流。,在漏源之间短路的条件下，栅源之间加一定电压时的栅源直流电阻就是直流输入电阻RGS。MOS管的RGS可达1091015。,40,二、交流参数,8.1.4 MOS场效应管的主要参数,8.1 金属-氧化物-半导体(MOS)场效应管,1.低频跨导gm,3.极间电容Cgs、Cgd,2.输出电阻rds,Cgs是栅源极间电容，约为13pF，Cgd是栅漏极间电容，约为0.11pF。在低频情况下，它们的影响可以忽略，但在高频工作时，必须予以考虑。,是输出特性某一点上切线斜率的倒数，说明vDS对iD的影响。在饱和区内，iD几乎不随vDS而变化，故rds。考虑沟道调制效应(增

19、强型MOS)，有,它是转移特性上工作点的切线的斜率，反映了栅源电压对漏极电流的控制能力。gm随工作点的不同而变，一般在十分之几至几mS的范围内，特殊的可达100mS，甚至更高。,41,三、极限参数,8.1.4 MOS场效应管的主要参数,8.1 金属-氧化物-半导体(MOS)场效应管,1.最大漏极电流IDM,2.最大耗散功率PDM,3.最大漏源电压V(BR)DS,4.最大栅源电压V(BR)GS,是指栅源间的PN结发生反向击穿，反向电流开始急剧增加时的vGS值。,是指发生雪崩击穿、iD开始急剧上升时的vDS值。,PDvDSiD，这些耗散功率将变为热能，使管子的温度升高。为了限制它的温度不要升得太高

20、，就要限制它的耗散功率不能超过最大数值PDM。显然，PDM受管子最高工作温度的限制。,IDM是管子正常工作时允许的最大漏极电流。,42,vGS=VP,vGS=VT,各种FET的特性比较,43,8.3 场效应管放大电路及模拟集成电路基础,8.3.1 场效应管放大电路的静态分析,8.3.2 场效应管的微变等效电路,8.3.3 场效应管电流源,8.3.4 场效应管差分放大电路,44,分析思路,8.3 场效应管放大电路及模拟集成电路基础,VP,两个要点：,1、合适的静态工作点,2、叠加原理的应用,45,8.3.1 场效应管放大电路的静态分析,8.3 场效应管放大电路及模拟集成电路基础,1.直流偏置电路

21、,（b）分压式自偏压电路,分压式射极偏置电路,耗尽MOS管,结型场效应管,增强MOS管,46,8.3.1 场效应管放大电路的静态分析,8.3 场效应管放大电路及模拟集成电路基础,1.直流偏置电路,（b）分压式自偏压电路,（a）自偏压电路,耗尽MOS管,结型场效应管,图8.3.1 场效应管的两种偏置电路,47,8.3.1 场效应管放大电路的静态分析,8.3 场效应管放大电路及模拟集成电路基础,2.静态工作点的确定,公式估算法,公式估算法确定静态工作点(VGSQ、IDQ和VDSQ)：,图解法,与半导体三极管放大电路类似,饱和区转移特性方程,G、S偏置方程,沟道所在回路KVL方程,耗尽MOS管,结型

22、场效应管,增强MOS管,分压式自偏压电路,自偏压电路,对于N沟道增强型场效应管，如果计算出的VDSQVGSQVT，说明该场效应管工作在饱和区。,48,例,共漏极电路如图所示，其中场效应管为N沟道结型 场效应管。已知Rg1=2M，Rg2=47k，Rg3=10M，Rd=30k，R=2k，VDD=18V，场效应管的VP=1V，Kn=0.5mA/V2，且=0。试确定Q点，并计算电压增益、输入电阻和输出电阻。,图8.3.8 例电路,解：,首先计算Q点,VGSQ=0.4 2IDQ,设场效应管工作在饱和区,因 IDSS=0.5mA，所以IDQ=0.31mA。VGSQ=0.22V，VDSQ=VDDIDQ(Rd

23、+R)=8.1V。,KnIDSS/Vp2,49,例,解:,电路如图所示，已知Rg1=300k，Rg2=200k，Rd=5k，R=0，VDD=5V，VT=1V，Kn=0.5mA/V2，试计算电路的静态工作点的值。,图（b）,由于VDSQ(VGSQVT)=(21)V=1V，说明该场效应管确实工作在饱和区，上面的分析是正确的。如果初始假设被证明是错误的，则必须重新假设，并重新分析电路。,设N沟道增强型MOS管工作在饱和区,增强MOS管,50,51,8.1.2 N沟道耗尽型MOS场效应管,8.1 金属-氧化物-半导体(MOS)场效应管,2.特性曲线与特性方程,图8.1.6 N沟道耗尽型MOS管特性曲线

24、,(a)输出特性曲线,(b)转移特性,截止区,可变电阻区,饱和区（恒流区、放大区）,vGSVP，iD=0,vGSVP，0vDSvGSVP,vGSVP，vDSvGSVP,考虑沟道长度调制效应，则,52,(1)输出特性及特性方程,3.特性曲线与特性方程,8.1.1 N沟道增强型MOS场效应管,图8.1.3 N沟道增强型MOS管输出特性,截止区,可变电阻区,饱和区（恒流区、放大区）,vGS VT，没有导电沟道，iD0。,vGSVT，有沟道；但vDS(vGS VT)，导电沟道未预夹断。,漏源之间可以看成受vGS控制的可变电阻,vDS(vGS VT)，导电沟道预夹断后。,53,8.3.2 场效应管的微变

25、等效电路,8.3 场效应管放大电路及模拟集成电路基础,(a)N沟道增强型MOS管(b)交流等效模型图8.3.2 MOS管的低频小信号等效模型,(a)共射极连接时的二端口网络(b)H参数等效模型图3.3.9 三极管H参数及等效模型,54,1.场效应管的低频小信号等效模型,8.3.2 场效应管的微变等效电路,(a)N沟道增强型MOS管(b)交流等效模型图8.3.2 MOS管的低频小信号等效模型,为低频跨导,rds为场效应管的输出电阻,输入端口,输出端口,由于iG=0，可视为开路,55,2.场效应管的高频小信号等效模型,8.3.2 场效应管的微变等效电路,图8.3.3 场效应管的高频小信号模型,(a

26、)N沟道增强型MOS管(b)交流等效模型图8.3.2 MOS管的低频小信号等效模型,图中:Cgd 栅漏电容Cgs 栅源电容Cgb 栅极-衬底间电容Cds 漏源电容 如果源极与衬底没有相连，则还需考虑Cbs和Cbd。,56,2.场效应管的高频小信号等效模型,8.3.2 场效应管的微变等效电路,图中:Cgd 栅漏电容Cgs 栅源电容Cgb 栅极-衬底间电容Cds 漏源电容 如果源极与衬底没有相连，则还需考虑Cbs和Cbd。,57,3.场效应管放大电路的微变等效电路分析,8.3.2 场效应管的微变等效电路,(1)画放大电路的微变等效电路,(2)确定H参数,(3)计算电压增益,(4)计算输入电阻Ri,

27、(5)计算输出电阻Ro,用微变等效电路法分析共源极和共漏极电路的步骤与半导体三极管电路相同。对于共栅极电路，由于未能有效利用栅极与沟道间的高阻，所以很少应用。,分析步骤:,58,(1)共源极放大电路的动态分析,8.3.2 场效应管的微变等效电路,图8.3.4 图共源极电路的微变等效电路,图8.3.1(b),3.场效应管放大电路的微变等效电路分析,输入电阻,输出电阻,电压增益,共源极电路的特点是：电路具有电压放大作用，并且输出电压与输入电压相位相反；输入电阻高。,59,60,61,电路如图所示，已知VDD=5V，Rd=5k，R=0，Rg1=300k，Rg2=200k，RL=5k，场效应管的参数为

28、VT=1V，Kn=0.5mA/V2，rds可以视为无穷大，试确定电路的电压增益、输入电阻和输出电阻。,Ro=Rd=5k,电压增益,输入电阻,输出电阻,例,解：为计算gm，首先要求静态值。该题与例电路及参数相同，已求得VGSQ=2V，所以有,图8.3.4 图共源极电路的微变等效电路,图8.3.1(b),62,图8.3.5 例电路,共源极电路如图所示，已知VDD=5V，Rd=2.5k，VGSQ=2V，场效应管的参数为VT=1V，Kn=0.8mA/V2，。,当MOS管工作于饱和区，试确定电路的电压增益、输入电阻和输出电阻。,求静态值,例,解：,求跨导和输出电阻,求电压增益、输入电阻和输出电阻,电压增

29、益为,输入电阻,Ro=rds/Rd 2.4 k,输出电阻,63,(2)共漏极放大电路的动态分析,8.3.2 场效应管的微变等效电路,3.场效应管放大电路的微变等效电路分析,输入电阻,输出电阻,电压增益,共源极电路的特点是：又称为源极跟随器，与射极跟随器一样，其电压增益小于1，但接近于1，输出电压与输入电压同相位。输入电阻大，输出电阻小。,(b)微变等效电路图8.3.6 共漏极电路,(a)电路,64,图8.3.7 求共漏极放大电路Ro的电路,输出电阻的证明,(b)微变等效电路图8.3.6 共漏极电路,(2)共漏极放大电路的动态分析,8.3.2 场效应管的微变等效电路,3.场效应管放大电路的微变等

30、效电路分析,由S点KCL有,65,例,共漏极电路如图所示，其中场效应管为N沟道结型 场效应管。已知Rg1=2M，Rg2=47k，Rg3=10M，Rd=30k，R=2k，VDD=18V，场效应管的VP=1V，Kn=0.5mA/V2，且=0。试确定Q点，并计算电压增益、输入电阻和输出电阻。,图8.3.8 例电路,解：,首先计算Q点,VGSQ=0.4 2IDQ,设场效应管工作在饱和区,求跨导gm和场效应管输出电阻rds,因 IDSS=0.5mA，所以IDQ=0.31mA。VGSQ=0.22V，VDSQ=VDDIDQ(Rd+R)=8.1V。,由于=0，所以rds可视为无穷大,66,例,共漏极电路如图所

31、示，其中场效应管为N沟道结型 场效应管。已知Rg1=2M，Rg2=47k，Rg3=10M，Rd=30k，R=2k，VDD=18V，场效应管的VP=1V，Kn=0.5mA/V2，且=0。试确定Q点，并计算电压增益、输入电阻和输出电阻。,图8.3.8 例电路,解：,计算电压增益、输入电阻 和输出电阻,67,4.场效应管三种放大电路的性能比较,共源极电路,共漏极电阻,共栅极电路,电压增益高输出电压与输入电压反相输入电阻大,电压增益小于1但接近1输出、输入电压同相输入电阻高,输出电阻低,电压增益高输出、输入电压同相输入电阻小,68,图8.3.9 MOS管基本电流源,与半导体三极管镜像电流源结构相同。T

32、1、T2是N 沟道增强型MOS对管，由于T1管的漏极与栅极相连，只要VDDVT，则T1工作在饱和区，并使T2管的VDS2VGS2VT，保证T2工作在饱和区。如果不考虑沟道调制效应，则：,若两管的参数完全相同，,若两管的宽长比不同时，,由于,所以动态输出电阻,Ro=rds2,求电路的动态输出电阻：,1.场效应管镜像电流源,69,1.场效应管镜像电流源,8.3.3 场效应管电流源,8.3 场效应管放大电路及模拟集成电路基础,图8.3.9 MOS管基本电流源,图8.3.10 用有源电阻构成MOS管电流源,在集成电路中，通常电阻R是用有源电阻代替的，如图所示，则,合理设计T1、T3管的宽长比，就可以得

33、到符合要求的参考电流IREF。,70,2.场效应管多路电流源,8.3.3 场效应管电流源,8.3 场效应管放大电路及模拟集成电路基础,将图所示的镜像电流源进行扩展，可以得到图所示的多路电流源。T0 T4的开启电压均相等的情况下，则有,图8.3.10 用有源电阻构成MOS管电流源,图8.3.11 MOS管多路电流源,71,3.电流源为有源负载的场效应管放大电路,8.3.3 场效应管电流源,8.3 场效应管放大电路及模拟集成电路基础,图8.3.9 MOS管基本电流源,图8.3.12 有源负载共源极放大电路,T1为放大管，由N沟道增强型MOS管构成，T2、T3为P沟道增强型MOS管组成的镜像电流源，

34、作T1的有源负载，恒流源符号所代表的可以是图中的电阻R，也可以是图中的MOS管T3等。,当宽长比相同时，有ID2=IREF,空载时T1管的静态漏极电流 ID1=ID2=IREF,与漏极接电阻的放大电路相比，有源负载共源极电压增益将大大提高。,72,图8.3.13 结型场效应管差分放大电路,图4.3.12 具有电流源的差分放大电路,从前面介绍的差分放大电路已知，由半导体三极管构成的差分放大电路对共模信号有很好的抑制能力，但差模输入电阻较低。因此，在高输入阻抗模拟集成电路中，常利用场效应管的输入电阻大、输入电流小等优点，组成差分放大电路。,73,1.结型场效应管差分放大电路,8.3 场效应管放大电

35、路及模拟集成电路基础,8.3.4 场效应管差分放大电路,图8.3.13 结型场效应管差分放大电路,场效应管差分放大电路的电路结构、工作原理和分析方法与三极管差分放大电路基本相同。,双端输入、双端输出时,双端输入、单端输出时,74,2.MOS管差分放大电路,8.3.4 场效应管差分放大电路,图8.3.14 MOS管差分放大电路,图中:T1、T2为N沟道增强型MOS管作为差分放大管;T3、T4管为P沟道增强型MOS管构成有源电阻;因此该电路又称为互补MOS，即CMOS差分放大电路。,Io是电流源(交流内阻为ro)。为T1、T2管提供偏置电流。为简便起见，设T1T4管特性相同，并且它们均工作在饱和区

36、。,静态时:vi1=vi2=0，因电路完全对称，所以各个场效应管的漏极电流相等，ID1=ID2=ID3=ID4=Io/2，输出电流io2=0。,为双端输入、单端输出的差分放大电路,75,差模分析 双端输入(vi1=vi2=vid/2)、单端输出:如果差模信号使T1管漏极电流产生一个增量id1=gmvid/2。由于T3、T4管组成电流镜，根据电流镜原理，T3、T4管漏极电流的增加与id1相同，方向如图b所示。差模信号同时使T2管电流等量减小，所以方向与id1相反。,图8.3.14 MOS管差分放大电路,(a)电路,(b)差模输入时的交流通路,2.MOS管差分放大电路,8.3.4 场效应管差分放大

37、电路,76,图8.3.14 MOS管差分放大电路,(b)差模输入时的交流通路,2.MOS管差分放大电路,8.3.4 场效应管差分放大电路,差模分析 双端输入(vi1=vi2=vid/2)、单端输出:,vo2=(id2+id4)(rds2/rds4)=gmvid(rds2/rds4),图8.3.15 MOS管差分电路的部分微变等效电路,(a)T2、T4管的微变等效电路,(b)重画后的微变等效电路,77,8.4 各种放大器件及电路性能比较,8.4.1 各种场效应管的特性及使用注意事项,8.4.2 各种放大器件电路性能比较,78,8.4.1 各种场效应管的特性及使用注意事项,8.4 各种放大器件及电

38、路性能比较,1.各种场效应管的特性比较(自行阅读),2.使用注意事项,（1）根据场效应管的结构来看，通常漏极与源极可以互换。但有些产品出厂时已将源极与衬底连在一起，这时源极与漏极不能互换，使用时必须注意。（2）在使用场效应管时，各极间电压的极性要正确接入。结型场效应管的栅源电压不能接反，但可以在开路状态下保存。而MOS管无论在存放还是在工作电路中，都不应使栅极悬空，并且应在栅极和源极之间提供直流通路或加双向稳压对管起保护作用。这是因为MOS管的栅极是绝缘的，感应的电荷不易释放，并且绝缘层很薄，很容易被击穿而将器件损坏。（3）如果MOS管的衬底引线是单独引出时，连接时应注意，P衬底接低电位，N衬

39、底接高电位。以保证沟道于衬底间的PN结处于反向偏置，使衬底与沟道及各电极隔离。（4）焊接时，电烙铁必须有外接地线，以屏蔽交流电场，防止损坏场效应管。特别是焊接MOSFET时，最好断电后利用烙铁余热焊接。,79,与之对应的场效应管也有三种组态，即共源极、共漏极和共栅极。,反相电压放大器（共射极或共源极）电压跟随器（共集电极或共漏极）电流跟随器（共基极或共栅极）。,8.4 各种放大器件及电路性能比较,半导体三极管放大电路有三种组态:共射极、共集电极和共基极。,但根据电路的特点，可归纳为三种通用的组态:,现将它们的一般电路示意图、主要特征及用途列于表中，便于在分析和设计电路时查阅。,80,表8.4.

40、2 各种放大器件电路性能比较,电流跟随器,电压跟随器,反相电压放大器,共基极电路共栅极电路,共集电极电路共漏极电路,共射极电路共源极电路,输入电阻小，输入电容小，适用于高频、宽带电路,输入电阻高、输出电阻低，可作阻抗变换，用于输入级、输出级或缓冲级,电压增益高，输入电阻和输入电容均较大，适用于多级放大电路中间级,81,例,解：,图8.4.1 例电路,电路如图所示，已知VDD=18V，Rg=1M，Re=50，Rc=RL=5k，场效应管的互导gm=2mA/V，rds很大可以忽略；三极管的=100，rbe=1k。试说明T1、T2各属什么组态，画出微变等效电路，求电路的电压增益,电路由两级组成，T1为源极输出的电压跟随器，T2为具有反向电压放大功能的共射极电路。,输出电压,输入电压,忽略rds后，有,代入上式可得,输入电阻 Ri=Rg=1M输出电阻 Ro=Rc=5k,82,教学基本要求,掌握结型场效应管的工作原理和特性曲线，了解其主要参数 了解MOS场效应管的工作原理、特性曲线及主要参数 了解FET放大电路的静态偏置特点及求解思路掌握用小信号模型分析法分析动态性能了解双极型三极管和场效应管放大电路的特点,8 场效应管及其放大电路,83,