第5章场效应管放大电路.ppt

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1、模拟电子电路,机电工程学院,5 场效应管放大电路,5.1 金属-氧化物-半导体（MOS）场效应管,5.3 结型场效应管（JFET）,*5.4 砷化镓金属-半导体场效应管,5.5 各种放大器件电路性能比较,5.2 MOSFET放大电路,5.1 金属-氧化物-半导体（MOS）场效应管,5.1.1 N沟道增强型MOSFET,5.1.5 MOSFET的主要参数,5.1.2 N沟道耗尽型MOSFET,5.1.3 P沟道MOSFET,5.1.4 沟道长度调制效应,场效应管分类,结型场效应管,绝缘栅场效应管,特点,单极型器件(一种载流子导电)；,输入电阻高；,工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低。,场效

2、应管：是利用输入回路的电压产生的电场效应来控制输出回路电流的三极管.一种载流子参与导电，又称单极型三极管。,P沟道,耗尽型,P沟道,P沟道,（耗尽型）,场效应管的分类：,Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,Junction Field Effect Transistor,5.1.1 N沟道增强型MOSFET,剖面图,1.结构（N沟道）,符号,在一块掺杂浓度较低的P型硅衬底上，制作两个高掺杂浓度的N+区，并用金属铝引出两个电极，分别作漏极d和源极s。,然后在半导体表面复盖一层很薄的二氧化硅(SiO2)绝缘层，在漏-源极间的绝缘层上再

3、装上一个铝电极,作为栅极g。栅极与其它电极间是绝缘的。在衬底上也引出一个电极B，这就构成了一个N沟道增强型MOS管。MOS管的源极和衬底通常是接在一起的(大多数管子在出厂前已连接好)。,5.1.1 N沟道增强型MOSFET,1.结构（N沟道）,L：沟道长度,W：沟道宽度,tox：绝缘层厚度,通常 W L,（动画2-3）,5.1.1 N沟道增强型MOSFET,2.工作原理,（1）vGS对沟道的控制作用,当vGS=0时,漏源之间相当于两个背靠背的 PN 结,无导电沟道，d、s间加电压时，也无电流产生。,当0vGS VT 时,产生电场，但未形成导电沟道（感生沟道），d、s间加电压后，没有电流产生。,

4、当vGSVT 时,在电场作用下产生导电沟道，d、s间加电压后，将有电流产生。,vGS越大，导电沟道越厚,VT 称为开启电压,绝缘栅场效应管利用 vGS 来控制“感应电荷”的多少，改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道的状况，以控制漏极电流 ID。,2.工作原理,（2）vDS对沟道的控制作用,靠近漏极d处的电位升高,电场强度减小,沟道变薄,当vGS一定（vGS VT）时，,vDS,iD,沟道电位梯度,整个沟道呈楔形分布,5.1.1 N沟道增强型MOSFET,当vGS一定（vGS VT）时，,vDS,iD,沟道电位梯度,当vDS增加到使vGD=VT 时，在紧靠漏极处出现预夹断。,2.工作原理,（2）

5、vDS对沟道的控制作用,在预夹断处：vGD=vGS-vDS=VT,5.1.1 N沟道增强型MOSFET,预夹断后，vDS,夹断区延长,沟道电阻,iD基本不变,2.工作原理,（2）vDS对沟道的控制作用,5.1.1 N沟道增强型MOSFET,2.工作原理,（3）vDS和vGS同时作用时,vDS一定，vGS变化时,给定一个vGS，就有一条不同的 iD vDS 曲线。,5.1.1 N沟道增强型MOSFET,（4）正常放大时外加偏置电压的要求:,2.工作原理,5.1.1 N沟道增强型MOSFET,3.V-I 特性曲线,（1）输出特性,截止区当vGSVT时，导电沟道尚未形成，iD0，为截止工作状态。,5

6、.1.1 N沟道增强型MOSFET,3.V-I 特性曲线,（1）输出特性,可变电阻区 vDS（vGSVT）,由于vDS较小，可近似为:,rdso是一个受vGS控制的可变电阻,5.1.1 N沟道增强型MOSFET,3.V-I 特性曲线,（1）输出特性,可变电阻区,n：反型层中电子迁移率Cox：栅极（与衬底间）氧化层单位面积电容,本征电导因子,其中,Kn为电导常数，单位：mA/V2,5.1.1 N沟道增强型MOSFET,3.V-I 特性曲线,（1）输出特性,饱和区（恒流区又称放大区）,vGS VT，且vDS（vGSVT）,是vGS2VT时的iD,V-I 特性：,5.1.1 N沟道增强型MOSFET

7、,3.V-I 特性曲线,（2）转移特性,5.1.1 N沟道增强型MOSFET,5.1.2 N沟道耗尽型MOSFET,1.结构和工作原理简述（N沟道）,二氧化硅绝缘层中掺有大量的正离子,可以在正或负的栅源电压下工作，而且基本上无栅流,5.1.2 N沟道耗尽型MOSFET,2.V-I 特性曲线,（N沟道增强型）,5.1.3 P沟道MOSFET,*5.1.4 沟道长度调制效应,实际上饱和区的曲线并不是平坦的,L的单位为m,当不考虑沟道调制效应时，0，曲线是平坦的。,修正后,5.1.5 MOSFET的主要参数,一、直流参数,1.开启电压VT（增强型参数）,2.夹断电压VP（耗尽型参数）,3.饱和漏电流

8、IDSS（耗尽型参数）,4.直流输入电阻RGS（1091015）,二、交流参数,1.输出电阻rds,5.1.5 MOSFET的主要参数,2.低频互导gm,二、交流参数,考虑到,则,其中,对于N沟道增强型MOSFET：,5.1.5 MOSFET的主要参数,end,三、极限参数,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,5.2 MOSFET放大电路,5.2.1 MOSFET放大电路,1.直流偏置及静态工作点的计算,2.小信号模型分析,*5.2.2 带PMOS负载的NMOS放大电路,3.MOSFET 三种基本放大电路比较,5.2.

9、1 MOSFET放大电路,1.直流偏置及静态工作点的计算,（1）简单的共源极放大电路（N沟道）,共源极放大电路,b G,e S,c D,为了使场效应管工作在恒流区实现放大作用，应满足：,与双极型三极管对应关系,5.2.1 MOSFET放大电路,1.直流偏置及静态工作点(VGSQ、IDQ VDSQ)的计算,（1）简单的共源极放大电路（N沟道）,假设工作在饱和区，即,验证是否满足,如果不满足，则说明假设错误,须满足VGS VT，否则工作在截止区,再假设工作在可变电阻区,即,两种方法,近似估算法,图解法,假设工作在饱和区(放大区）,满足,假设成立，结果即为所求。,解：,例5.2.1,设Rg1=60k

10、，Rg2=40k，Rd=15k，,试计算电路的静态漏极电流IDQ和漏源电压VDSQ。,VDD=5V，VT=1V，,5.2.1 MOSFET放大电路,1.直流偏置及静态工作点的计算,（2）带源极电阻的NMOS共源极放大电路(例5.2.2）,假设工作在饱和区(放大区）：,需要验证是否满足,5.2.1 MOSFET放大电路,1.直流偏置及静态工作点的计算,静态时，vI0，VG 0，ID I,电流源偏置,VS VG VGS,（饱和区）,VDS VD VS=VDDIDRD VS,电流源作偏置的NMOS共源极放大电路(例5.2.3）,5.2.1 MOSFET放大电路,2.图解分析,由于负载开路，交流负载线

11、与直流负载线相同,在漏极特性曲线上做直流负载线，与 uGS=UGSQ 的交点确定 Q，由 Q 确定 UDSQ 和 IDQ值。,uDS=VDD iDRd,5.2.1 MOSFET放大电路,3.小信号模型分析,（1）模型,静态值（直流）,动态值（交流）,非线性失真项,当，vgs 2(VGSQ-VT)时，,5.2.1 MOSFET放大电路,3.小信号模型分析,（1）模型,0时,高频小信号模型,其他类型的MOSFET小信号模型，在电路形式上一样，参数计算式有所不同，如gm。,2.小信号模型分析,解：例5.2.2的直流分析已求得：,（2）放大电路分析（例5.2.5）,s,2.小信号模型分析,（2）放大电

12、路分析（例5.2.5）,s,2.小信号模型分析,（2）放大电路分析（例5.2.6）,共漏,2.小信号模型分析,（2）放大电路分析,共漏,3.MOSFET 三种基本放大电路比较(p.221),共源极放大电路,共漏极放大电路(源极输出器）,共栅极放大电路,三种基本放大电路的性能比较,组态对应关系：,CE,BJT,FET,CS,CC,CD,CB,CG,BJT,FET,CE：,CC：,CB：,CS：,CD：,CG：,三种基本放大电路的性能比较,CE：,CC：,CB：,CS：,CD：,CG：,CE：,CC：,CB：,CS：,CD：,CG：,*5.2.2 带PMOS负载的NMOS放大电路,本小节不作教学要

13、求，有兴趣者自学,end,5.3 结型场效应管,5.3.1 JFET的结构和工作原理,5.3.2 JFET的特性曲线及参数,5.3.3 JFET放大电路的小信号模型分析法,5.3.1 JFET的结构和工作原理,1.结构,#符号中的箭头方向表示什么？,(动画2-8）,2.工作原理,vGS对沟道的控制作用,当vGS0时,（以N沟道JFET为例）,当沟道夹断时，对应的栅源电压vGS称为夹断电压VP（或VGS(off)）。,对于N沟道的JFET，VP 0。,PN结反偏,耗尽层加厚,沟道变窄。,vGS继续减小，沟道继续变窄。,（动画2-9）,5.3.1 JFET的结构和工作原理,vDS对沟道的控制作用,

14、当vGS=0时，,vDS,iD,g、d间PN结的反向电压增加，使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，从上至下呈楔形分布。,当vDS增加到使vGD=VP 时，在紧靠漏极处出现预夹断。,此时vDS,夹断区延长,沟道电阻,iD基本不变,5.3.1 JFET的结构和工作原理,vGS和vDS同时作用时,当VP vGS0 时，导电沟道更容易夹断，,对于同样的vDS，iD的值比vGS=0时的值要小。,在预夹断处,vGD=vGS-vDS=VP,5.3.1 JFET的结构和工作原理,综上分析可知,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

15、JFET的输入电阻比BJT高得多？,JFET栅极与沟道间的PN结是反向偏置的，因 此iG0，输入电阻很高。,5.3.2 JFET的特性曲线及参数,2.转移特性,1.输出特性,(VPvGS0),与耗尽型MOSFET类似,3.主要参数,5.3.2 JFET的特性曲线及参数,5.3.3 JFET放大电路的小信号模型分析法,1.JFET小信号模型,（1）低频（及中频）模型,2.动态指标分析,（1）中频小信号等效电路,2.动态指标分析,（2）中频电压增益,（3）输入电阻,（4）输出电阻,忽略 rds，,由输入输出回路得,则,end,*5.4 砷化镓金属-半导体场效应管,不作教学要求，有兴趣者自学,5.5

16、 各种放大电路性能比较,5.5.1 各种FET特性比较5.5.2 各种放大器件电路性能比较,N沟道增强型,绝缘栅场效应管,P沟道增强型,1.各类场效应管的特性曲线比较,5.5.1 各种FET特性比较,绝缘栅场效应管,1.各类场效应管的特性曲线比较,N沟道耗尽型,P沟道耗尽型,结型场效应管,1.各类场效应管的特性曲线比较,N沟道,P沟道,2.BJT与FET的比较,5.5.2 各种放大器件电路性能比较,组态对应关系：,CE,BJT,FET,CS,CC,CD,CB,CG,BJT,FET,CE：,CC：,CB：,CS：,CD：,CG：,5.5.2 各种放大器件电路性能比较,CE：,CC：,CB：,CS：,CD：,CG：,CE：,CC：,CB：,CS：,CD：,CG：,5.5.2 各种放大器件电路性能比较,解：,画中频小信号等效电路,例题,例题,则电压增益为,由于,则,end,