4場效應(yīng)三極管及其放大電路 康華光 模擬電子技術(shù) 第六版

1、《電子技術(shù)基礎(chǔ)》,模擬部分 （第六版）,華中科技大學(xué) 張林,電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分,1 緒論2 運算放大器3 二極管及其基本電路4 場效應(yīng)三極管及其放大電路5 雙極結(jié)型三極管及其放大電路6 頻率響應(yīng)7 模擬集成電路8 反饋放大電路9 功率放大電路10 信號處理與信號產(chǎn)生電路11 直流穩(wěn)壓電源,4 場效應(yīng)三極管及放大電路,4.1 金屬-氧化物-半導(dǎo)體（MOS）場效應(yīng)三極管4.2 MOSFE

2、T基本共源極放大電路4.3 圖解分析法4.4 小信號模型分析法4.5 共漏極和共柵極放大電路4.6 集成電路單級MOSFET放大電路4.7 多級放大電路4.8 結(jié)型場效應(yīng)管（JFET）及其放大電路*4.9 砷化鎵金屬-半導(dǎo)體場效應(yīng)管4.10 各種FET的特性及使用注意事項,場效應(yīng)管的分類：,P溝道,耗盡型,P溝道,P溝道,（耗盡型）,4.1 金屬-氧化物-半導(dǎo)體（MOS）場效應(yīng)三極管,4.1.1 N溝道增強型MOSF

3、ET4.1.2 N溝道耗盡型MOSFET4.1.3 P溝道MOSFET4.1.4 溝道長度調(diào)制等幾種效應(yīng)4.1.5 MOSFET的主要參數(shù),4.1.1 N溝道增強型MOSFET,1. 結(jié)構(gòu),L ：溝道長度,W ：溝道寬度,tox ：絕緣層厚度,通常 W > L,,,4.1.1 N溝道增強型MOSFET,剖面圖,符號,1. 結(jié)構(gòu),4.1.1 N溝道增強型MOSFET,（1）VGS對溝道的控制作用,當(dāng)VGS≤0時

4、,無導(dǎo)電溝道， d、s間加電壓時，也無電流產(chǎn)生。,當(dāng)0 <VGS <VTN 時,產(chǎn)生電場，但未形成導(dǎo)電溝道（反型層），d、s間加電壓后，沒有電流產(chǎn)生。,2. 工作原理,4.1.1 N溝道增強型MOSFET,當(dāng)VGS >VTN 時,在電場作用下產(chǎn)生導(dǎo)電溝道，d、s間加電壓后，將有電流產(chǎn)生。,VGS越大，導(dǎo)電溝道越厚,VTN 稱為N溝道增強型MOSFET開啟電壓,（1）VGS對溝道的控制作用,2. 工作原理,必須依靠柵極

5、外加電壓才能產(chǎn)生反型層的MOSFET稱為增強型器件,2. 工作原理,（2）VDS對溝道的控制作用,?靠近漏極d處的電位升高,?電場強度減小,?溝道變薄,當(dāng)VGS一定（VGS >VTN ）時，,VDS?,?ID?,?溝道電位梯度?,整個溝道呈楔形分布,當(dāng)VDS增加到使VGD=VTN 時，在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷。,在預(yù)夾斷處：VGD=VGS-VDS =VTN,（2）VDS對溝道的控制作用,當(dāng)VGS一定（VGS >VTN ）時，,

6、VDS?,?ID?,?溝道電位梯度?,2. 工作原理,預(yù)夾斷后，VDS?,?夾斷區(qū)延長,?溝道電阻?,?ID基本不變,（2）VDS對溝道的控制作用,2. 工作原理,,（3）VDS和VGS同時作用時,VDS一定，VGS變化時,給定一個vGS ，就有一條不同的 iD – vDS 曲線。,2. 工作原理,以上分析可知,溝道中只有一種類型的載流子參與導(dǎo)電，所以場效應(yīng)管也稱為單極型三極管。,MOSFET是電壓控制電流器件（VCCS），iD受vGS

7、控制。,預(yù)夾斷前iD與vDS呈近似線性關(guān)系；預(yù)夾斷后，iD趨于飽和。,# 為什么MOSFET的輸入電阻比BJT高得多？,MOSFET的柵極是絕緣的，所以iG?0，輸入電阻很高。,只有當(dāng)vGS>VTN時，增強型MOSFET的d、s間才能導(dǎo)通。,3. I-V 特性曲線及大信號特性方程,（1）輸出特性及大信號特性方程,① 截止區(qū)當(dāng)vGS＜VTN時，導(dǎo)電溝道尚未形成，iD＝0，為截止工作狀態(tài)。,② 可變電阻區(qū) vDS <

8、;（vGS－VTN）,由于vDS較小，可近似為,rdso是一個受vGS控制的可變電阻,（1）輸出特性及大信號特性方程,3. I-V 特性曲線及大信號特性方程,② 可變電阻區(qū),?n ：反型層中電子遷移率Cox ：柵極（與襯底間）氧化層單位面積電容,本征電導(dǎo)因子,其中,Kn為電導(dǎo)常數(shù)，單位：mA/V2,（1）輸出特性及大信號特性方程,3. I-V 特性曲線及大信號特性方程,③ 飽和區(qū)（恒流區(qū)又稱放大區(qū)）,vGS >VTN ，且vD

9、S≥（vGS－VTN）,是vGS＝2VTN時的iD,I-V 特性：,（1）輸出特性及大信號特性方程,必須讓FET工作在飽和區(qū)（放大區(qū)）才有放大作用。,3. I-V 特性曲線及大信號特性方程,（2）轉(zhuǎn)移特性,# 為什么不談輸入特性？,在飽和區(qū)，iD受vGS控制,3. I-V 特性曲線及大信號特性方程,4.1.2 N溝道耗盡型MOSFET,1. 結(jié)構(gòu)和工作原理,二氧化硅絕緣層中摻有大量的正離子，已存在導(dǎo)電溝道,可以在正或負的柵源電壓下工作

10、，而且基本上無柵流,4.1.2 N溝道耗盡型MOSFET,（N溝道增強型）,2. I-V 特性曲線及大信號特性方程,4.1.3 P溝道MOSFET,# 襯底是什么類型的半導(dǎo)體材料？,# 哪個符號是增強型的？,# 在增強型的P溝道MOSFET 中，vGS應(yīng)加什么極性的電壓才能工作在飽和區(qū)（線性放大區(qū)）？,4.1.3 P溝道MOSFET,# 是增強型還是耗盡型特性曲線？,# 耗盡型特性曲線是怎樣的？vGS加什么極性的電壓能使管子工作在

11、飽和區(qū)（線性放大區(qū)）？,電流均以流入漏極的方向為正！,4.1.4 溝道長度調(diào)制等幾種效應(yīng),實際上飽和區(qū)的曲線并不是平坦的（N溝道為例）,L的單位為?m,當(dāng)不考慮溝道調(diào)制效應(yīng)時，?＝0，曲線是平坦的。,修正后,VA稱為厄雷（Early）電壓,1. 溝道長度調(diào)制效應(yīng),4.1.4 溝道長度調(diào)制等幾種效應(yīng),襯底未與源極并接時，襯底與源極間的偏壓vBS將影響實際的開啟（夾斷）電壓和轉(zhuǎn)移特性。,VTNO表示vBS = 0時的開啟電壓,2. 襯底

12、調(diào)制效應(yīng)（體效應(yīng)）,N溝道增強型,對耗盡型器件的夾斷電壓有類似的影響,4.1.4 溝道長度調(diào)制等幾種效應(yīng),2. 襯底調(diào)制效應(yīng)（體效應(yīng)）,通常，N溝道器件的襯底接電路的最低電位，P溝道器件的襯底接電路的最高電位。,為保證導(dǎo)電溝道與襯底之間的PN結(jié)反偏，要求： N溝道: vBS ? 0 P溝道: vBS ? 0,4.1.4 溝道長度調(diào)制等幾種效應(yīng),3. 溫度效應(yīng),VTN和電導(dǎo)常數(shù)Kn隨溫度升高而下降，且K

13、n受溫度的影響大于VTN受溫度的影響。,當(dāng)溫度升高時，對于給定的VGS，總的效果是漏極電流減小。,可變電阻區(qū),飽和區(qū),4.1.4 溝道長度調(diào)制等幾種效應(yīng),4. 擊穿效應(yīng),（1）漏襯擊穿 外加的漏源電壓過高，將導(dǎo)致漏極到襯底的PN結(jié)擊穿。,若絕緣層厚度tox= 50 納米時，只要約30V的柵極電壓就可將絕緣層擊穿，若取安全系數(shù)為3，則最大柵極安全電壓只有10V。,（2）柵極擊穿,通常在MOS管的柵源間接入雙向穩(wěn)壓管，限制

14、柵極電壓以保護器件。,4.1.5 MOSFET的主要參數(shù),一、直流參數(shù),1. 開啟電壓VT （增強型參數(shù)）,2. 夾斷電壓VP （耗盡型參數(shù)）,4.1.5 MOSFET的主要參數(shù),一、直流參數(shù),3. 飽和漏電流IDSS （耗盡型參數(shù)）,4. 直流輸入電阻RGS （109Ω～1015Ω ）,4.1.5 MOSFET的主要參數(shù),所以,1. 輸出電阻rds,當(dāng)不考慮溝道調(diào)制效應(yīng)時，?＝0，rds→∞,實際中，rds一般在幾十千歐到幾百千

15、歐之間。,二、交流參數(shù),對于增強型NMOS管,有,4.1.5 MOSFET的主要參數(shù),,2. 低頻互導(dǎo)gm,二、交流參數(shù),則,其中,又因為,,所以,NMOS增強型,4.1.5 MOSFET的主要參數(shù),三、極限參數(shù),1. 最大漏極電流IDM,2. 最大耗散功率PDM,3. 最大漏源電壓V（BR）DS,4. 最大柵源電壓V（BR）GS,4.2 MOSFET基本共源極放大電路,4.2.1 基本共源極放大電路的組成4.2.2 基

16、本共源放大電路的工作原理4.2.3 放大電路的習(xí)慣畫法和主要分析法,4.2.1 基本共源極放大電路的組成,1. 如何讓MOS管工作在飽和區(qū)？,元件作用,VGG：提供柵源電壓使 vGS > VTN,VDD和Rd ： 提供合適的漏源電壓，使 vDS > vGS - VTN,Rd 還兼有將電流轉(zhuǎn)換成電壓的作用,（VGG >> vi）,通常稱VGG和VDD為三極管的工作電源，vi為信號。,4

17、.2.1 基本共源極放大電路的組成,2. 信號如何通過MOS管傳遞？,vi,信號由柵源回路輸入、漏源回路輸出，即源極是公共端，所以稱此電路為共源電路。 也可看作信號由柵極輸入、漏極輸出。,飽和區(qū),由MOS管的控制關(guān)系決定,由,可獲得信號電壓增益,（VGG >> vi）,4.2.2 基本共源放大電路的工作原理,1. 放大電路的靜態(tài)和動態(tài),靜態(tài)：輸入信號為零（vi= 0 或 ii= 0）時，放大電路的工作狀態(tài)，也稱直

18、流工作狀態(tài)。,動態(tài)：輸入信號不為零時，放大電路的工作狀態(tài)，也稱交流工作狀態(tài)。,此時，F(xiàn)ET的直流量ID、VGS、VDS，在輸出特性曲線上表示為一個確定的點，習(xí)慣上稱該點為靜態(tài)工作點Q。常將上述三個電量寫成IDQ、VGSQ和VDSQ。,4.2.2 基本共源放大電路的工作原理,2. 放大電路的直流通路和交流通路,僅有直流電流流經(jīng)的通路為直流通路,4.2.2 基本共源放大電路的工作原理,2. 放大電路的直流通路和交流通路,直流電壓源內(nèi)阻為

19、零，交流電流流經(jīng)直流電壓源時不產(chǎn)生任何交流壓降，故,直流電壓源對交流相當(dāng)于短路,僅有直流電流流經(jīng)的通路為直流通路,4.2.2 基本共源放大電路的工作原理,2. 放大電路的直流通路和交流通路,僅有交流電流流經(jīng)的通路為交流通路,直流電壓源對交流相當(dāng)于短路,4.2.2 基本共源放大電路的工作原理,3. 放大電路的靜態(tài)工作點估算,直流通路,假設(shè)NMOS管工作于飽和區(qū)，則,VGSQ = VGG,VDSQ = VDD - IDQ Rd,,當(dāng)已

20、知VGG、VDD、VTN、Kn、和Rd 時，便可求得Q點（VGSQ、IDQ、VDSQ）。必須檢驗是否滿足飽和區(qū)工作條件：VDSQ > VGSQ - VTN > 0。,若不滿足，則說明工作在可變電阻區(qū)，此時漏極電流為,注意：電路結(jié)構(gòu)不同，除FET特性方程外，其它電路方程將有差別,例4.2.1,假設(shè)NMOS管工作于飽和區(qū)，根據(jù),已知VGG=2V，VDD=5V，VTN=1V，Kn=0.2mA/V2，Rd =12k?，求Q點。,求得

21、： VGSQ=2V，IDQ=0.2mA，VDSQ=2.6V滿足飽和區(qū)工作條件： VDSQ > VGSQ - VTN > 0 ，結(jié)果即為所求。,解：,4.2.2 基本共源放大電路的工作原理,3. 放大電路的靜態(tài)工作點估算,飽和區(qū)的條件：VGSQ > VTN , IDQ > 0 ， VDSQ > VGSQ - VTN,增強型NMOS管,若：VGSQ < VTN

22、 , NMOS管截止。,若： VDSQ < VGSQ - VTN ，NMOS管可能工作在可變電阻區(qū)。,如果初始假設(shè)是錯誤的，則必須作出新的假設(shè)，同時重新分析電路。,# 請歸納其它管型靜態(tài)工作點的計算方法,4.2.2 基本共源放大電路的工作原理,4. 放大電路的動態(tài)工作情況,在靜態(tài)基礎(chǔ)上加入小信號vi,此時電路中的總電壓和電流為,vGS = VGSQ + vi iD = IDQ + idvDS = vDSQ + vds,其中

23、id和vds為交流量,vDS = VDD - iDRd,,,4.2.3 放大電路的習(xí)慣畫法和主要分析法,省略工作電源的直流電壓符號，僅保留電壓源非接“地”端子，并標注電壓源名稱。,習(xí)慣畫法,1. 習(xí)慣畫法,4.2.3 放大電路的習(xí)慣畫法和主要分析法,1. 習(xí)慣畫法,4.2.3 放大電路的習(xí)慣畫法和主要分析法,2. 主要分析法,圖解法小信號模型分析法,4.3 圖解分析法,4.3.1 用圖解方法確定靜態(tài)工作點Q4.3.2

24、 動態(tài)工作情況的圖解分析4.3.3 圖解分析法的適用范圍,4.3.1 用圖解方法確定靜態(tài)工作點Q,采用圖解法分析靜態(tài)工作點，必須已知FET的輸出特性曲線。,靜態(tài)：vi = 0,? 輸入回路,vGS = VGG = VGSQ,? 輸出回路,vCE = VCC－iCRc （直流負載線）,輸出回路左側(cè)的FET端口可用輸出特性曲線描述,,共源放大電路,4.3.1 用圖解方法確定靜態(tài)工作點Q,vGS = VGG = VGSQ,直

25、流負載線： vCE = VCC－iCRc,共源放大電路,,4.3.2 動態(tài)工作情況的圖解分析,共源放大電路,vGS = VGSQ + vi,工作點沿負載線移動,1. 正常工作情況,,4.3.2 動態(tài)工作情況的圖解分析,圖解分析可得如下結(jié)論： 1. vi?? vGS?? iD?? vDS? ? |vds (vo)| ? (vi正半周時) 2. vds與vi相位相反； 3. 可以測量出

26、放大電路的電壓放大倍數(shù)； 4. 可以確定最大不失真輸出幅度。,# 動態(tài)工作時， iD的實際電流方向是否改變， vGS、 vDS的實際電壓極性是否改變？,1. 正常工作情況,4.3.2 動態(tài)工作情況的圖解分析,2. 靜態(tài)工作點對波形失真的影響,截止失真（NMOS）,4.3.2 動態(tài)工作情況的圖解分析,飽和失真（NMOS）,2. 靜態(tài)工作點對波形失真的影響,4.3.3 圖解分析法的適用范圍,幅度較大而工作頻率不太高的

27、情況,優(yōu)點： 直觀、形象。有助于建立和理解交、直流共存，靜態(tài)和動態(tài)等重要概念；有助于理解正確選擇電路參數(shù)、合理設(shè)置靜態(tài)工作點的重要性。能全面地分析放大電路的靜態(tài)、動態(tài)工作情況。,缺點： 不能分析工作頻率較高時的電路工作狀態(tài)，也不能用來分析放大電路的輸入電阻、輸出電阻等動態(tài)性能指標。,4.4 小信號模型分析法,4.4.1 MOSFET的小信號模型4.4.2 用小信號模型分析共源放大電路4.4.3 帶源極電

28、阻的共源極放大電路分析4.4.4 小信號模型分析法的適用范圍,4.4 小信號模型分析法,建立小信號模型的意義,建立小信號模型的思路,當(dāng)放大電路的輸入信號幅值較小時，就可以把三極管小范圍內(nèi)的特性曲線近似地用直線來代替，從而可以把三極管這個非線性器件所組成的電路當(dāng)作線性電路來處理。,由于場效應(yīng)管是非線性器件，所以分析起來非常復(fù)雜。建立小信號模型，就是在特定條件下將非線性器件做線性化近似處理，從而簡化由其構(gòu)成的放大電路的分析和設(shè)計。,

29、4.4.1 MOSFET的小信號模型,1. ? =0時,在飽和區(qū)內(nèi)有,（以增強型NMOS管為例）,,FET雙口網(wǎng)絡(luò),靜態(tài)值（直流）,動態(tài)值（交流）,非線性失真項,當(dāng)，vgs << 2(VGSQ-VTN)時，,其中,4.4.1 MOSFET的小信號模型,,FET雙口網(wǎng)絡(luò),純交流,電路模型,1. ? =0時,? gmvgs 是受控源 ，且為電壓控制電流源(VCCS)。? 電流方向與vgs的極性是關(guān)聯(lián)的。,4.4.1

30、 MOSFET的小信號模型,,FET雙口網(wǎng)絡(luò),d、s端口看入有一電阻rds,電路模型,2. ? ? 0時,4.4.1 MOSFET的小信號模型,gm —— 低頻互導(dǎo),轉(zhuǎn)移特性曲線Q點上切線的斜率,3. 參數(shù)的物理意義,,4.4.1 MOSFET的小信號模型,3. 參數(shù)的物理意義,rds —— 輸出電阻,輸出特性曲線Q點上切線斜率的倒數(shù),4.4.1 MOSFET的小信號模型,4. 模型應(yīng)用的前提條件,? =0,? ?0,? 參數(shù)都是

31、小信號參數(shù)，即微變參數(shù)或交流參數(shù)。? 與靜態(tài)工作點有關(guān)，在放大區(qū)基本不變。 只適合對交流信號（變化量）的分析。 未包含結(jié)電容的影響，不能用于分析高頻情況。,vgs << 2(VGSQ-VTN ),? 小信號,4.4.1 MOSFET的小信號模型,5. 其它管型,? ?0,模型相同，參數(shù)類似,耗盡型NMOS管,4.4.1 MOSFET的小信號模型,華中科技大學(xué)電信系 張林,5. 其它管型,模型相同，參

32、數(shù)類似,增強型PMOS管,耗盡型PMOS管,gm始終為正數(shù),4.4.2 用小信號模型分析共源放大電路,共源放大電路,由于小信號模型的參數(shù)是建立在靜態(tài)工作點基礎(chǔ)上的，所以分析時必須先求出電路的靜態(tài)工作點,例4.4.1 VTN=1V,試確定電路的靜態(tài)值，求MOS管工作于飽和區(qū)的小信號電壓增益 Av 、輸入電阻Ri和輸出電阻 Ro 。,例4.4.1,VTN=1V,解：（1）靜態(tài)工作點,增強型？耗盡型？,柵源加什么極性偏置電壓？,Q點包含

33、哪幾個電量？,d和s可否互換？,直流通路,解：（1）靜態(tài)工作點,直流通路,假設(shè)工作在飽和區(qū),滿足,假設(shè)成立，結(jié)果即為所求。,例4.4.1,VTN=1V,解：（2）動態(tài)指標,小信號等效電路,電容和直流電壓源對交流相當(dāng)于短路,例4.4.1,VTN=1V,,解：（2）動態(tài)指標,模型參數(shù),電壓增益,經(jīng)常當(dāng)作公式使用,例4.4.1,VTN=1V,解：（2）動態(tài)指標,輸入電阻,輸出電阻,=24 k?,=3.9 k?,受靜態(tài)偏置電路的影響，柵極絕緣的

34、特性并未充分表現(xiàn)出來,例4.4.1,VTN=1V,,4.4.3 帶源極電阻的共源極放大電路分析,假設(shè)在飽和區(qū)，根據(jù),例4.4.2 VTN=1V，Kn=0.5mA/V2，?=0，VDD=VSS=5V， Rd=10k?， Rs=0.5k?， Rsi=4k?，Rg1=150k?， Rg2=47k?，確定靜態(tài)工作點，求動態(tài)指標。,解：（1）靜態(tài)工作點,4.4.3 帶源極電阻的共源極放大電路分析,例4.4.2 VTN=1V，Kn=

35、0.5mA/V2，?=0，VDD=VSS=5V， Rd=10k?， Rs=0.5k?， Rsi=4k?，Rg1=150k?， Rg2=47k?，確定靜態(tài)工作點，求動態(tài)指標。,解：（1）靜態(tài)工作點,求得,驗證,滿足,工作在飽和區(qū),,小信號等效電路,例4.4.2 VTN=1V，Kn=0.5mA/V2，?=0，VDD=VSS=5V， Rd=10k?， Rs=0.5k?， Rsi=4k?，Rg1=150k?， Rg2=47k?，確定靜態(tài)工

36、作點，求動態(tài)指標。,解：（2）動態(tài)指標,,例4.4.2 VTN=1V，Kn=0.5mA/V2，?=0，VDD=VSS=5V， Rd=10k?， Rs=0.5k?， Rsi=4k?，Rg1=150k?， Rg2=47k?，確定靜態(tài)工作點，求動態(tài)指標。,解：（2）動態(tài)指標,電壓增益,輸入電阻,?35.79 k?,源電壓增益,放大電路的輸入電阻不包含信號源的內(nèi)阻,,例4.4.2 VTN=1V，Kn=0.5mA/V2，?=0，VDD

37、=VSS=5V， Rd=10k?， Rs=0.5k?， Rsi=4k?，Rg1=150k?， Rg2=47k?，確定靜態(tài)工作點，求動態(tài)指標。,解：（2）動態(tài)指標,輸出電阻,為便于分析，先考慮??0時的情況,,例4.4.2 VTN=1V，Kn=0.5mA/V2，?=0，VDD=VSS=5V， Rd=10k?， Rs=0.5k?， Rsi=4k?，Rg1=150k?， Rg2=47k?，確定靜態(tài)工作點，求動態(tài)指標。,解：（2）動態(tài)指標

38、,輸出電阻,> rds,為便于分析，先考慮??0時的情況,所以當(dāng)?=0時，,當(dāng)??0時，若rds >> Rd ，則,4.4.3 帶源極電阻的共源極放大電路分析,電壓增益,例4.4.2,4.4.3 帶源極電阻的共源極放大電路分析,例4.4.3 雙電源供電，電流源偏置,靜態(tài)時，vI＝0，VG ＝0，IDQ ＝I,又 VS＝VG－VGSQ,根據(jù),可求得 VGSQ,則,（飽和區(qū)）,動態(tài)時,4.4.4 小信號模

39、型分析法的適用范圍,放大電路的輸入信號幅度較小，F(xiàn)ET工作在其I-V 特性曲線的飽和區(qū)（即近似線性范圍）內(nèi)。模型參數(shù)的值是在靜態(tài)工作點上求得的。所以，放大電路的動態(tài)性能與靜態(tài)工作點位置及穩(wěn)定性密切相關(guān)。,優(yōu)點： 分析放大電路的動態(tài)性能指標(Av 、Ri和Ro等)非常方便，且適用于頻率較高時（用高頻模型）的分析。,缺點： 在放大電路的小信號等效電路中，電壓、電流等電量及模型參數(shù)均是針對變化量(交流量)而言的

40、，不能用來分析計算靜態(tài)工作點。,4.5 共漏極和共柵極放大電路,4.5.1 共漏極（源極跟隨器）放大電路4.5.2 共柵極放大電路4.5.3 MOSFET放大電路三種組態(tài)的總結(jié)和比較,4.5.1 共漏極（源極跟隨器）放大電路,1. 靜態(tài)分析,設(shè)MOS管工作于飽和區(qū),,需驗證是否工作在飽和區(qū),4.5.1 共漏極（源極跟隨器）放大電路,2. 動態(tài)分析,根據(jù)靜態(tài)工作點可求得 gm,小信號等效電路,電壓增益,輸出與輸入

41、同相，且增益小于等于1,4.5.1 共漏極（源極跟隨器）放大電路,2. 動態(tài)分析,源電壓增益,輸入電阻,受靜態(tài)偏置電路的影響，柵極絕緣的特性并未充分表現(xiàn)出來,4.5.1 共漏極（源極跟隨器）放大電路,2. 動態(tài)分析,輸出電阻,,輸出電阻較小,4.5.2 共柵極放大電路,1. 靜態(tài)分析,根據(jù)直流通路有,由,可得 VGSQ,又 VS = -VGSQ,所以,VDSQ = VD - VS = VDD

42、 -IDQ Rd + VGSQ,需驗證是否工作在飽和區(qū),4.5.2 共柵極放大電路,2. 動態(tài)分析,電壓增益,輸出與輸入同相,設(shè)?=0,源電壓增益,4.5.2 共柵極放大電路,2. 動態(tài)分析,輸入電阻,與共源電路同相,輸出電阻,輸入電阻遠小于其它兩種組態(tài),當(dāng)rds >> Rd 和 rds >> Rsi時,Ro ? Rd,4.5.3 MOSFET放大電路三種組態(tài)的總結(jié)和比較,1. 三種組態(tài)的判斷,較好的

43、方法并不是試圖尋找接地的電極，而是尋找信號的輸入電極和輸出電極。 即觀察輸入信號加在哪個電極，輸出信號從哪個電極取出，剩下的那個電極便是共同電極。如 共源極放大電路，信號由柵極輸入，漏極輸出； 共漏極放大電路，信號由柵極輸入，源極輸出； 共柵極放大電路，信號由源極輸入，漏極輸出。,柵極始終不能做輸出電極,4.5.3 MOSFET放大電路三種組態(tài)的總結(jié)和比較,2. 三種組

44、態(tài)的動態(tài)指標比較,共源,共漏,共柵,電壓增益,輸入電阻,輸出電阻,很高,很高,Ro ? Rd,Ro ? Rd,,,4.6 集成電路單級MOSFET放大電路,4.6.1 帶增強型負載的NMOS放大電路4.6.2 帶耗盡型負載的NMOS放大電路4.6.3 帶PMOS負載的NMOS放大電路 （CMOS共源放大電路）,4.6.1 帶增強型負載的NMOS放大電路,1. 負載線復(fù)習(xí),兩橫軸的映射關(guān)系導(dǎo)致負載線水平翻

45、轉(zhuǎn),,,4.6.1 帶增強型負載的NMOS放大電路,2. 帶增強型負載的NMOS放大電路,N溝道增強型負載器件的I-V 特性,始終成立，所以管子一定工作在飽和區(qū)。有,4.6.1 帶增強型負載的NMOS放大電路,2. 帶增強型負載的NMOS放大電路,帶負載時的圖解分析,,4.6.1 帶增強型負載的NMOS放大電路,2. 帶增強型負載的NMOS放大電路,帶負載時的圖解分析,電壓傳輸特性曲線,4.6.1 帶增強型負載的NMOS放

46、大電路,2. 帶增強型負載的NMOS放大電路,電壓增益,由T2源極看進去的電阻為,小信號等效電路,若,則,（參考共漏極放大電路的輸出電阻）,4.6.2 帶耗盡型負載的NMOS放大電路,1. N溝道耗盡型負載器件的I-V特性,對應(yīng)于 vGS= 0 的那根輸出特性曲線,始終有,飽和區(qū)線段的等效電阻就是rds,4.6.2 帶耗盡型負載的NMOS放大電路,2. 用小信號模型分析法求電壓增益,當(dāng)vGS為恒定值時，源極看進去的電阻與 gm無

47、關(guān)，所以由T2源極看進去的電阻為rds,小信號等效電路,4.6.3 帶PMOS負載的NMOS放大電路(CMOS共源放大電路),1. 增強型PMOS負載管的I-V特性,vGS為定值，輸出特性曲線中的一根,4.6.3 帶PMOS負載的NMOS放大電路(CMOS共源放大電路),2. 用小信號模型分析法求電壓增益,類似地，當(dāng)vGS為恒定值時，漏極看進去的電阻也是rds,小信號等效電路,4.7 多級放大電路,4.7.1 共源?共漏放大

48、電路4.7.2 共源?共柵放大電路,4.7.1 共源?共漏放大電路,1. 靜態(tài)分析,直流通路,例4.7.1,例4.7.1,1. 靜態(tài)分析,兩管柵極均無電流，假設(shè)工作在飽和區(qū),,需驗證是否工作在飽和區(qū),,已知管子參數(shù)和電路參數(shù)，便可解出兩管靜態(tài)工作點,1. 靜態(tài)分析,將具體參數(shù)值代入，計算得,可驗證兩管均工作在飽和區(qū),VGSQ1 = 1.84 V,IDQ1 = 0.2 mA,VDSQ1 = 6.02 V,IDQ2 ? 0.4

49、9 mA,VGSQ2 = 2.78 V,VDSQ2 = 5.98 V,由于VTN1 = VTN2 = 1.2 V,例4.7.1,例4.7.1,2. 動態(tài)分析,根據(jù),小信號等效電路,電壓增益,,可求得 gm,2. 動態(tài)分析,源電壓增益,輸入電阻,輸出電阻就是后一級共漏電路的輸出電阻,(?2 = 0),例4.7.1,4.7.2 共源?共柵放大電路,華中科技大學(xué)電信系 張林,例4.7.2,1. 靜態(tài)分析,直流通路,需驗證

50、是否工作在飽和區(qū),1. 靜態(tài)分析,假設(shè)工作在飽和區(qū),,例4.7.2,例4.7.2,2. 動態(tài)分析,小信號等效電路,電壓增益,2. 動態(tài)分析,輸入電阻,輸出電阻,Ro ? Rd2,(?2 = 0),例4.7.2,4.8 結(jié)型場效應(yīng)管（JFET）及其放大電路,4.8.1 JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理4.8.2 JFET的特性曲線及參數(shù) 4.8.3 JFET放大電路的小信號模型分析法,4.8.1 JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理

51、,1. 結(jié)構(gòu),# 符號中的箭頭方向表示什么？,4.8.1 JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理,2. 工作原理,① vGS對溝道的控制作用,當(dāng)vGS＜0時,（以N溝道JFET為例）,當(dāng)溝道夾斷時，對應(yīng)的柵源電壓vGS稱為夾斷電壓VP （ 或VGS(off) ）。,對于N溝道的JFET，VP < 0。,PN結(jié)反偏,耗盡層加厚,溝道變窄。,?,?,vGS繼續(xù)減小，溝道繼續(xù)變窄。,4.8.1 JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理,② vDS對溝道的

52、控制作用,當(dāng)vGS=0時，,vDS?,?,iD ?,g、d間PN結(jié)的反向電壓增加，使靠近漏極處的耗盡層加寬，溝道變窄，從上至下呈楔形分布。,當(dāng)vDS增加到使vGD=VP 時，在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷。,此時vDS ?,夾斷區(qū)延長,?,溝道電阻?,?,iD基本不變,?,2. 工作原理,（以N溝道JFET為例）,4.8.1 JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理,③ vGS和vDS同時作用時,當(dāng)VP <vGS<0 時，導(dǎo)電溝道更容易夾斷，

53、,對于同樣的vDS ， iD的值比vGS=0時的值要小。,在預(yù)夾斷處,vGD=vGS-vDS =VP,2. 工作原理,（以N溝道JFET為例）,綜上分析可知,JFET是電壓控制電流器件，iD受vGS控制。,預(yù)夾斷前iD與vDS呈近似線性關(guān)系；預(yù)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iG?0，輸入電阻很高。,4.8.2 JFET的特性曲線及參數(shù),2. 轉(zhuǎn)移

54、特性,1. 輸出特性,(VP≤vGS≤0),4.8.2 JFET的特性曲線及參數(shù),與MOSFET類似,3. 主要參數(shù),4.8.3 JFET放大電路的小信號模型分析法,1. JFET小信號模型,4.8.3 JFET放大電路的小信號模型分析法,2. 應(yīng)用小信號模型法分析JFET放大電路,（1）靜態(tài)工作點,與MOSFET類似,,4.8.3 JFET放大電路的小信號模型分析法,2. 應(yīng)用小信號模型法分析JFET放大電路,（2）動

55、態(tài)指標,4.8.3 JFET放大電路的小信號模型分析法,電壓增益,忽略 rds,由輸入輸出回路得,則,2. 應(yīng)用小信號模型法分析JFET放大電路,（2）動態(tài)指標,4.8.3 JFET放大電路的小信號模型分析法,輸入電阻,2. 應(yīng)用小信號模型法分析JFET放大電路,（2）動態(tài)指標,輸出電阻,*4.9 砷化鎵金屬-半導(dǎo)體場效應(yīng)管,砷化鎵（GaAs）是由Ⅲ族元素鎵和Ⅴ族元素砷二者組成的單晶化合物，是一種新型半導(dǎo)體材料。

56、 GaAs的電子遷移率比硅約大5～10倍，比硅器件轉(zhuǎn)換速度快很多。 高速砷化鎵三極管廣泛用于微波電路、高頻放大和高速數(shù)字邏輯器件中。,*4.9 砷化鎵金屬-半導(dǎo)體場效應(yīng)管,1. 結(jié)構(gòu),N溝道金屬-半導(dǎo)體場效應(yīng)管（MESFET）,*4.9 砷化鎵金屬-半導(dǎo)體場效應(yīng)管,2. 特性,MESFET特性與JFET類似，屬耗盡型FET,截止區(qū)（vGS＜VPN）： iD＝0,可變電阻區(qū)（ vDS

57、 ≤ vGS －VPN）：,飽和區(qū)（vDS ＞ vGS －VPN）：,溝道長度調(diào)制參數(shù)?通常為（0.05～0.2）V-1N溝道MESFET夾斷電壓VPN的典型值為（－0.5～－2.5）V,4.10 各種FET的特性及使用注意事項,1. 各種FET的特性比較2. 使用注意事項,1. 各種FET的特性比較,見表4.10.1,2. 使用注意事項,（1）在MOS管中，有的產(chǎn)品將襯底引出（這種管子有四個管腳），使用者可視需要進行連接

58、。一般P襯底接低電位，N襯底接高電位。也可將源極與襯底連在一起。（2）FET（包括結(jié)型和MOS型）的漏極和源極通?？梢曰Q。但有些產(chǎn)品出廠時已將源極與襯底連在一起，這時源極與漏極就不能互換了。（3）JFET的柵源電壓不能接反，但可以在開路狀態(tài)下保存。早期的MOSFET柵極無電荷釋放通路，很容易累積感應(yīng)電荷而產(chǎn)生高壓，導(dǎo)致極薄的絕緣層擊穿損壞管子?，F(xiàn)在的MOSFET產(chǎn)品已采取了措施（柵-源間連有兩只背靠背的穩(wěn)壓二極管），不再出現(xiàn)早期的