模电场效应管放大电路共54页文档

金属 Metal
氧化物 Oxide
半导体 Semiconducto
r
表示符号 G
G S
D
S D
N+
N+
P
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P沟道增强型MOSFET的结构
表示符号
D
G
S
G
D
S
P+
P+
N
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N沟道增强型MOSFET的工作原理
与JFET相似， MOSFET的工作 原理同样表现在：
–
vDS +
(2) 动态：能为交流信号提供通路。
场效应管（FET）放大电路的分析方法：
静态分析：估算法、图解法。 动态分析：微变等效电路法。
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4.5.1 静态工作点与偏置电路 但由于两种放大器件各自的特点，故不能将双极 性三极管放大电路的三极管简单地用场效应管取代， 组成场效应管放大电路。
双极性三极管是电流控制器件，组成放大电路时， 应给双极性三极管设置偏置偏流。
绝缘栅场效应管（MOSFET）
特点
单极型器件(一种载流子导电)；
输入电阻高；（≥107～1015） 工艺简单、易集成、功耗小、体积小、 噪声低、成本低等。
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FET分类：
FET 场效应管
JFET 结型
MOSFET 绝缘栅型
N沟道（相当于NPN）
（耗尽型） P沟道（相当于PNP）
增强型
N沟道（NPN） P 沟道 （PNP）
6．场效应管制造工艺简单，且具有功耗低等优点；因而场 效应管易于集成，被广泛用于大规模和超大规模集成电路 中。
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结型场效应管

场效应管放大电路静态分析的思路，是首 先确定管子的工作状态，再计算此工作状 态下的静态工作点（IDQ，UGSQ，UDSQ）。
应记住场效应管是一种电压控制器件，栅 极只需要偏压，不需要偏流（IG＝0），所 以漏极电流恒等于源极电流（iD＝iS）。
利用这个特性，再结合基尔霍夫定律和场 效应管伏安特性关系方程即可求解。
利用场效应管工作在恒流区时，漏极电流iD 受栅源电压uGS控制的特性，也可以构成场 效应管放大电路。
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2
7.3 场效应管放大电路
7.3.1 场效应管放大电路的工作原理 7.3.2 场效应管放大电路的组成 7.3.3 场效应管放大电路的近似估算
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3
7.3.1 场效应管放大电路的工作原理
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24
场效应管电路静态分析思路（续）
假设其工作于某个特定区域，并求解 此状态下的G-S回路和D-S回路方程，
如果所得到的结果符合假设区域的偏 置条件，说明我们的假设正确；
否则说明我们的假设不正确，应作出 新的假设。
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场效应管静态分析步骤
首先确定场效应管工作状态，步骤如下：
(1)假设FET工作于截止区，则
ID＝0，IG＝0 在此前提下计算UGS，验证
UGS＜UP 是否成立。如果成立，则说明FET处于截
止区。否则进行第二步。
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场效应管静态分析步骤（续）
(2)假设FET工作于恒流区，则
IG＝0
2
ID
I
DSS
1
U GS UP
在此前提下计算UGS，验证
UGS＝－IDRs＝0(V) 不满足UGS＜UP的条件，说明FET不能工 作于截止区。

+ uI VGG
+ g
uGS
-
共源极放大电路的原理电路
IDQ=IDO(
4
UGSQ
UGS(th)
-1)
2
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第六节
场效应管放大电路
2. 图解法
iD
uDS = VDD - iD Rd 直流负载线
uGS = 4.5V 4V UGSQ
VDD Rd
UGSQ = VGG
IDQ
O
Q
3.5V 3V 2V
UDSQ
VDD uDS
图解法分析共源放大电路的Q点
与直流负载线的交点即是静态工作点Q 。
5
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第六节
场效应管放大电路
（三）动态分析
1 场效应管的微变等效电路
iD = f （uGS
，
id + Ugs s 场效应管的微变等效电路 gmUgs + rds U ds d
uDS ）
g
求 iD 的全微分 Id = gmUgs + r1 Uds ds
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RD
+VDD ID +
uGS = 4.5V
4V 3.5V
UD
ID
RS
IDQ
IDQ
3V
O
UGSQ VGQ uGS
O
UDSQ
2V
VDD uDS
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第六节
场效应管放大电路
（二) 动态分析
R2 C1G + uI R1 RS R g
仿真
+VDD
RD d

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2、共源放大电路的分析
• ⑵交流分析 • 再画出交流等效电路:
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2、共源放大电路的分析
• 再根据等效电路计算交流性能: • ① 电压放大倍数
•
•
UO gmUgs(RD //RL)
•
•
Au
gmUgs(RD
•
// RL)
•gmRL
Ugs
• 电压放大倍数为负值,说明输出电压与输入电压反相。
30
•
研究动态信号时用全微分表示：
13
场效应管的低频小信号等效模型
• 定义:
• 当信号较小时,管子的电压、电流仅在Q点附近变化，可以认 为是线形的，gm与rds近似为常数，用有效值表示：
Id gmUgsr1dsUds
14
场效应管的低频小信号等效模型
• 由此式可画出场效应管的低频小信号等效模型:
• 可见场效应管的低频小信号等效模型比晶体管还要 简单。
0.258//1000
1gmRS//RL 10.258//1000
0.67
55
注意事项
(1) 在 使 用 场 效 应 管 时 , 要 注 意 漏 源 电 压 UDS、漏源电流ID、栅源电压UGS及耗散功率等 值不能超过最大允许值。
(2)场效应管从结构上看漏源两极是对称 的，可以互相调用，但有些产品制作时已将衬 底和源极在内部连在一起，这时漏源两极不能 对换用。
RS
//1 gm
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4、共栅放大电路的分析
• ⑴电路结构 一个共栅放大器的电路图如下:
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4、共栅放大电路的分析
• ⑵交流性能分析 • 先画出交流通路:
40
4、共栅放大电路的分析
• ⑵交流性能分析 • 再画出交流等效电路:

由 于i D K n (vGS VT )2 和I DO K nVT 2
gm 2 K n i D
三、极限参数
2 VT
I DOi D
单位：西门子S
1) 最大漏极电流IDM：正常工作时漏极电流的上限。 2）最大耗散功率PDM： PDM=vDS iD , 受管子最高工作温度限制。 3)最大漏源电压V（BR）DS: 雪崩击穿，iD急剧上升时的VDS
2） 夹断电压VP：VGS=0，－VDS=VGD=VP
实测 时让VDS=C（10V），iD 微小电流，VGS所加电压 3） 饱和漏电流IDSS：VGS=0，VDS﹥∣VP∣时漏极电流 （最大
电流）
通常 VDS=10V，VGS=0时的iD，转移特性上VGS=0时的iD
rds
4） 直流输入电阻RGS ：漏源短路，栅源加电压时栅源直流电阻 二、交流参数 1）输出电阻rds: 某一vGS时输出特性上某点切线斜率的倒数 v DS r [Kn ( v V )2 ]1 反映vDS对 iD的影响，
工作在饱和区 静态工作点的计算 ① 设工作在饱和区有VGSQ>VT, IDQ>0, VDSQ ( VGSQ VT ) ② 利用饱和区的电流-电压关系曲线分析电路 ③若VGSQ<VT,管子可能截止，若 VDSQ ( VGSQ VT ) 管子可能工作在可变电阻区。 ④若假设错误，作新假设，重新分析
5．1 金属－氧化物－半导体场效应管 （MOSFET） JFET问题：直流输入电阻为PN结反向电阻，反偏时有反向 电流，难以进一步提高。 MOSFET：工艺简单，集成度高，栅极绝缘。rgs更高，1015 分为N沟道和P沟道，每种又分为增强型、耗尽型。 增强型(E)：外施栅压才感生沟道，VT开启电压（即VGS=0， iD=0，VGS﹥0。才有iD） 耗尽型(D)：绝缘层中的离子自己感应沟道。VP夹断电压，类 似JFET但VGS可正、可负。（VGS=0，iD≠0）

况，称为预夹断。源区 而未夹断沟道部分为低阻，因
的自由电子在VDS电场力 的作用下，仍能沿着沟
此，VDS增加的部分基本上降落 在该夹断区内，而沟道中的电
道向漏端漂移，一旦到 场力基本不变，漂移电流基本
达预夹断区的边界处， 不变，所以，从漏端沟道出现
就能被预夹断区内的电 场力扫至漏区，形成漏
预夹断点开始， ID基本不随VDS
VDS ＝ VD － VS =VDD－IDRD－ VS
二、小信号模型
iD Kn vGS VT 2
Kn VGSQ vgs VT 2
漏极信号 电流
Kn VGSQ VT 2 2Kn VGSQ VT vgs Knvg2s
Kn
VGSQ
VT
2 gmvgs
K
nv
2 gs
IDQ id
3. 最大漏源电压V(BR)DS
指发生雪崩击穿时，漏极电流iD急剧上升时的vDS。与vGS有关。
4. 最大栅源电压 V(BR)GS
指PN结电流开始急剧增大时的vGS。
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 3. MOSFET 三种基本放大电路比较
产生谐波或 非线性失真
λ= 0
λ≠ 0
共源极放大电路
例题5.2.4:
电路如图所示，设VDD=5V， Rd=3.9kΩ， VGS=2V， VT=1V， Kn=0.8mA/V2，λ=0.02V-1。试当管工作在饱和区时，试确定电路 的小信号电压增益。
例题5.2.5:
电路如图所示，设Rg1=150kΩ，Rg2=47kΩ，VT=1V，Kn=500μA/V2，λ=0， VDD=5V，-VSS=-5V， Rd=10kΩ， R=0.5kΩ， Rs=4kΩ。求电路的电压增益和 源电压增益、输入电阻和输出电阻。

UGS(off)
信息技术学院
3. 特性
（1）转移特性
在恒流区
uGS 2 iD I DSS (1 ) U GS(off)
漏极饱 和电流
(U GS (off ) uGS 0)
夹断 电压
信息技术学院
（2）输出特性
iD f (uDS ) U GS 常量
IDSS g-s电压 控制d-s的 等效电阻
信息技术学院
P 沟道场效应管 D
P 沟道场效应管是在 P 型 硅棒的两侧做成高掺杂的 N 型区(N+)，导电沟道为 P 型， 多数载流子为空穴。 d
P G
N+ 型 沟 道 N+
g
S
s 符号
信息技术学院
2. 工作原理
（1）栅-源电压对导电沟道宽度的控制作用
uDS=0
UGS（off）
沟道最宽 (a)uGS = 0
2)耗尽型MOS管
夹断 电压
信息技术学院
各类场效应管的符号和特性曲线
种类 结型 N 沟 道 符号 D 转移特性 ID /mA IDSS 漏极特性 UGS= 0V
ID
-
G
S D
UGS(off) O
UGS
O + + + ID O
o
UDS
ID
结型
P 沟 道
O UGS(off) UGS
G
IDSS
S D B
iD f (uGS ) U DS 常量
当场效应管工作在恒流区时，由于输出特性曲线可近似为横轴的一组平行 线，所以可用一条转移特性曲线代替恒流区的所有曲线。输出特性曲线的 恒流区中做横轴的垂线，读出垂线与各曲线交点的坐标值，建立uGS，iD坐 标系，连接各点所得的曲线就是转移特性曲线。

5.2.1 MOSFET放大电路
1. 直流偏置及静态工作点的计算 电流源作偏置的NMOS共源极 放大电路(例5.2.3）
静态时，vI＝0，VG ＝0，ID ＝I IDK n(VG SVT)2 （饱和区） VS ＝ VG － VGS
VDS ＝ VD － VS =VDD－IDRD－ VS
电流源偏置
rdso

dvDS diD
1 vGS常 数2Kn(vGSVT)
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
② 可变电阻区
iD 2 K n(v G S V T )v DS rdso2Kn(vG 1SVT)
其中
KnK2n

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IDSS （耗尽型参数） 4. 直流输入电阻RGS （109Ω～1015Ω ）
二、交流参数
1. 输出电阻rds
rds

vDS iD
VG S
5.1.5 MOSFET的主要参数
2. 小信号模型分析
（2）放大电路分析（例5.2.6）
Avv voi
(gmvgs)(R||rds) vgsgmvg(sR||rds)
IDQ
gmvgs

Kn
v
2 gs
静态值 （直流）
动态值 （交流）
非线性 失真项
当，vgs<< 2(VGSQ- VT )时，iD IDQ gmvgs IDQid
5.2.1 MOSFET放大电路
3. 小信号模型分析 （1）模型 iD IDQ gmvgs IDQid

场效应管放大电路
② 可变电阻区 vDS≤（vGS－VT） （
无法显示图像。计算机可能没有足够的内存以打开该图像，也可能是该图像已损坏。请重新启动计算机，然后重新打开该文件。如果仍然显示红色 “x”，则可能需要删除该图像，然后重新将其插入。
由于v 较小， 由于 DS较小，可近似为
无法显示图像。计算机可能没有足够的内存以打开该图像，也可能是该图像已损坏。请重新启动计算机，然后重新打开该文件。如果仍然显示红色 “x” ，则可能需要删除该图像，然后重新将其插入。
V-I 特性： 特性：
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无法显示图像。计算机可能没有足够的内存以打开该图像，也可能是该图像已损坏。请重新启动计算机，然后重新打开该文件。如果仍然显示红色 “x”，则可能需要删除该图像，然后重新将其插入。
FET 场效应管
耗尽型D 耗尽型 N沟道 沟道 P沟道 沟道
（耗尽型） 耗尽型）
增强型：场效应管没有加偏置电压时， 增强型：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道 耗尽型：场效应管没有加偏置电压时， 耗尽型：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在
场效应管放大电路

FET因其制造工艺简单，功耗小，温度特性好，输入
电阻极高等优点，得到了广泛应用。
绝缘栅场效应管
增强型
N沟道 P沟道
FET分类：
结型场效应管
耗尽型
N沟道 P沟道
N沟道 P沟道
4
一. 绝缘栅场效应管
绝缘栅型场效应管 ( Metal Oxide Semiconductor FET)，
简称MOSFET。分为： 增强型 N沟道、P沟道 耗尽型 N沟道、P沟道
由 ui ugs gmugs ( R // RL ) uo gmugs ( R // RL )
得
Au

uo ui

gm ( R // RL ) 1 gm ( R // RL )
1
（3）输入电阻
Ri Rg3 ( Rg1 // Rg2 )
C1
RS
+
uS -
d + VDD Rg1
i D (mA)
4
3
2
△ iD
1
uGS=6V
=5V
△ uGS
=3V
10V
i D (mA)
4
3
2
1
u
DS
(V)
△ iD △ uGS
2 46
u
GS
(V)
9
2.N沟道耗尽型MOSFET
在栅极下方的SiO2层中掺入了大量的金属正离子。所以当 uGS=0时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。
特点：
当uGS=0时，就有沟道， 加入uDS，就有iD。 当uGS＞0时，沟道增宽， iD进一步增加。 当uGS＜0时，沟道变窄， iD减小。
*4.4 集成功率放大器