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
14:29:07
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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25
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
38
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：
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。 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。
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。
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

6受加强。 ——德 谟克利 特 67、今天应做的事没有做，明天再早也 是耽误 了。——裴斯 泰洛齐 68、决定一个人的一生，以及整个命运 的，只 是一瞬 之间。 ——歌 德 69、懒人无法享受休息之乐。——拉布 克 70、浪费时间是一桩大罪过。——卢梭
模电--场效应管放大电路康华光
56、极端的法规，就是极端的不公。 ——西 塞罗 57、法律一旦成为人们的需要，人们 就不再 配享受 自由了 。—— 毕达哥 拉斯 58、法律规定的惩罚不是为了私人的 利益， 而是为 了公共 的利益 ；一部 分靠有 害的强 制，一 部分靠 榜样的 效力。 ——格 老秀斯 59、假如没有法律他们会更快乐的话 ，那么 法律作 为一件 无用之 物自己 就会消 灭。— —洛克

Ro

Rs
∥
1 gm

3* 0.5 3 0.5

429
例4
已知N沟道增强型MOS管组成的共源放大电路，管 子的转移特性曲线如下图，已知 VDD=15V,VGG=3V,Rd=10KΩ,Rg=10MΩ,求 Q,Au 。
ID/mA 4
3 2
1
解: 利用图解法：
0
2
4 uGS/V
UGSQ VGG 3V I DQ 1mA U DSQ VDD I DQ Rd 5V
图1
由于UDSQ＞(UGSQUGS(th)) = (21)V = 1V，说明该场 效应管确实工作在恒流区，上面的分析是正确的。
例2
耗尽型N沟道MOS管，RG=1M，RS=2k，RD= 12 k ，VDD = 20 V。IDSS = 4 mA，UGS(off) = – 4 V， 求 iD 和 uO 。
第十讲 场效应管放大电路
一、场效应管放大电路的三种接法 二、场效应管放大电路静态工作点 的设置方法 三、场效应管放大电路的动态分析
一、场效应管放大电路的三种接法
基本共源放大电路： 输入端 输出端 共用端 基本接法 栅极g 漏极d 源极s 共源放大电路
基本共源放大电路的交流通路
基本共漏放大电路： 输入端 输出端 共用端 基本接法 栅极g 源极s 漏极d 共漏放大电路
VGG>UGS(th)开启电压
输出回路：
VDD保证漏源电压使管子工作在 恒流区，并且为负载提供能量；
共源放大电路
Rd把电流iD的变化转变为 电压uDS的变化;
2. 共源放大电路静态工作点
当输入信号ui=0时，得到直流通路，如下图。 电路的静态工作点包括：UGSQ, IDQ, UDSQ