場(chǎng)效應(yīng)管放大電路(17)課件

1、(1-1) 5、場(chǎng)效應(yīng)（、場(chǎng)效應(yīng)（FET）管放大電路）管放大電路5.3 5.3 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JFETJFET）5.1 5.1 金屬金屬- -氧化物氧化物- -半導(dǎo)體（半導(dǎo)體（MOSMOS）場(chǎng)效應(yīng)管）場(chǎng)效應(yīng)管5.2 MOSFET5.2 MOSFET放大電路放大電路* *5.4 5.4 砷化鎵金屬砷化鎵金屬- -半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管 * *5.5 5.5 各種放大器件電路性能比較各種放大器件電路性能比較(1-2)1、FET與與BJT的區(qū)別的區(qū)別結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JFET）金屬金屬-氧化物氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管（半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）2、場(chǎng)效應(yīng)管的分類：、場(chǎng)

2、效應(yīng)管的分類：電壓控制元件，電壓控制元件，輸入電阻高，輸入電阻高，溫度穩(wěn)定性好溫度穩(wěn)定性好慨述慨述BJTFET雙極性載流子參與導(dǎo)電，雙極性載流子參與導(dǎo)電，電流控制元件，電流控制元件，輸入電阻低，輸入電阻低，溫度穩(wěn)定性差溫度穩(wěn)定性差單極性載流子參與導(dǎo)電，單極性載流子參與導(dǎo)電，有兩大類有兩大類:不受靜電影響不受靜電影響易受靜電影響易受靜電影響不宜大規(guī)模集成不宜大規(guī)模集成適宜大規(guī)模和超大規(guī)模集成適宜大規(guī)模和超大規(guī)模集成(1-3)5.1 金屬金屬-氧化物氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管（半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET） （或絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管）（或絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管）一、分類及符號(hào)一、分類及符號(hào)MOSFETN 溝道耗盡型

3、溝道耗盡型N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型P 溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型增強(qiáng)型增強(qiáng)型耗盡型耗盡型P 溝道耗盡型溝道耗盡型gsd襯底襯底gd襯底襯底sgds襯底襯底gds襯底襯底(1-4)二、增強(qiáng)型二、增強(qiáng)型MOSFET的結(jié)構(gòu)、工作原理、的結(jié)構(gòu)、工作原理、 特性曲線特性曲線PN+N+gsdP型襯底型襯底兩個(gè)兩個(gè)N區(qū)區(qū)SiO2絕緣層絕緣層金屬鋁金屬鋁gsd1、N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型襯襯 底底（一）、結(jié)構(gòu)（一）、結(jié)構(gòu)柵極柵極源極源極漏極漏極(1-5)NP+P+gsdgsd2、P 溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型襯襯 底底(1-6) AVvDSvGSiGgsdVGSVmAVDSiDR 思考：思考：MOSFET的如何達(dá)到電壓放大的

4、目的？的如何達(dá)到電壓放大的目的？=0VGS變化，變化，iG=0這與這與BJT不一樣，那么不一樣，那么MOSFET的如何達(dá)到電的如何達(dá)到電壓放大的目的？壓放大的目的？(1-7)以以N 溝道增強(qiáng)型為例溝道增強(qiáng)型為例PN+N+GSDDSGSUGS=0時(shí)時(shí)D-S 間相當(dāng)于間相當(dāng)于兩個(gè)反接的兩個(gè)反接的PN結(jié)結(jié)iD=0處于截止區(qū)處于截止區(qū)(二二)、MOSFET的工作原理的工作原理iG=0工作區(qū)：工作區(qū)：當(dāng)當(dāng) VT、 時(shí)，時(shí)，i=0、iD=is=015100gsGri特點(diǎn)：很大，約為(1-8)GS0時(shí)時(shí)GS足夠大時(shí)足夠大時(shí)（GSVT）感應(yīng)）感應(yīng)出足夠多電子，出足夠多電子，這里出現(xiàn)以電子這里出現(xiàn)以電子導(dǎo)電為主

5、的導(dǎo)電為主的N型型導(dǎo)電溝道。導(dǎo)電溝道。VT稱為開啟電壓稱為開啟電壓PN+N+GSDVDSGS外外電電場(chǎng)場(chǎng)形成外電場(chǎng)形成外電場(chǎng)電子電子上移上移iDiG=0工作區(qū)：工作區(qū)：當(dāng)當(dāng)、時(shí)，時(shí)，i=0、iD=is=0，且且iD隨隨、變化而變化變化而變化處于變阻區(qū)處于變阻區(qū)V VGSGSVVT TGDGD=V=VGSGS-V-VDSDSVVT T(1-9)PN+N+GSDDSGSiG=0iDDS增大增大,一方面使一方面使iD增大；增大；導(dǎo)電溝道電阻增大導(dǎo)電溝道電阻增大,又使又使iD變小變小;VDS增加到增加到VGS-VT（ VGD=VGS-VDS=VT）時(shí)，時(shí)，靠近靠近D端的溝道被夾斷，端的溝道被夾斷，稱為

6、預(yù)夾斷。稱為預(yù)夾斷。工作區(qū)：工作區(qū)：當(dāng)當(dāng)、VGS-VT時(shí)，時(shí)，i=0、iD=is=0，且且iD隨隨處于飽和區(qū)或放大區(qū)處于飽和區(qū)或放大區(qū)變化而變化、但不隨變化而變化、但不隨變化而變化。變化而變化。導(dǎo)電導(dǎo)電溝道被夾斷溝道被夾斷;夾斷后夾斷后,即使即使VDS 繼續(xù)增加繼續(xù)增加,iD不再增加。不再增加。GDGD=V=VGSGS-V-VDSDS當(dāng)當(dāng)GD=VGS-VDSVT時(shí)時(shí),VT0VDS(VGS-VT)截止區(qū)截止區(qū)VGS0放大區(qū)放大區(qū)VGSVTVDS(VGS-VT)VDS=VGS-VT溝道預(yù)夾斷溝道預(yù)夾斷()GSDDSif vv常數(shù)(1-12)預(yù)埋了電子預(yù)埋了電子型導(dǎo)電溝道型導(dǎo)電溝道 當(dāng)當(dāng)vGS=0時(shí)

7、，有原始導(dǎo)電溝道，在時(shí)，有原始導(dǎo)電溝道，在vDS作用下，形成電流作用下，形成電流iD；當(dāng)當(dāng)vGS0時(shí)，導(dǎo)電溝道逐漸變寬時(shí)，導(dǎo)電溝道逐漸變寬, 電流電流iD IDSS。當(dāng)當(dāng)vGS VP時(shí)，導(dǎo)電溝道被夾斷，電流時(shí)，導(dǎo)電溝道被夾斷，電流iD 為零；為零；三、耗盡型三、耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu)、工作原理、特性曲線的結(jié)構(gòu)、工作原理、特性曲線PN+N+GSD（一）、結(jié)構(gòu)（一）、結(jié)構(gòu)GSD襯襯底底15100gsGri很大，約為，特點(diǎn)：（二）、工作原理（二）、工作原理1、N 溝道耗盡型溝道耗盡型(1-13)2、P 溝道耗盡型溝道耗盡型GSD預(yù)埋了空穴型導(dǎo)預(yù)埋了空穴型導(dǎo)電溝道電溝道 襯底襯底NP+P+GSD(1

8、-14)（三）、耗盡型（三）、耗盡型N溝道溝道MOS管的特性曲線管的特性曲線VGS AVvDSvGSiGgsdVmAVDSiD0iDvGSVP-1V-2-3IDSS1、轉(zhuǎn)移特性曲線：、轉(zhuǎn)移特性曲線：()DSDGSif vv常數(shù)22()(1)GSnDPGSDSSPviK VvIVPV 夾斷電壓，為負(fù)值， 為給定值；,nK式中:導(dǎo)電常數(shù)為給定值；DSSI零柵壓時(shí)的漏極電流， 也稱為飽和漏極電流， 為給定值。(1-15)2、輸出特性曲線：、輸出特性曲線：()GSDDSif vv常數(shù)變阻區(qū)變阻區(qū)VGSVP0VDS(VGS-VP)截止區(qū)截止區(qū)VGS0放大區(qū)放大區(qū)VGSVPVDS(VGS-VP)VDS=V

9、GS-VP溝道預(yù)夾斷溝道預(yù)夾斷iDv DS0VGS=0VVGS=_2VVGS=_4VVGS=VPVGS=2VVGS=4V(1-16)5.3 5.3 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(JFET)(JFET)一、分類、結(jié)構(gòu)及符號(hào)一、分類、結(jié)構(gòu)及符號(hào)N溝道溝道JFETP 溝道溝道JFETdgsdgsNP+P+g柵極柵極 s源極源極 d漏極漏極PN+N+g柵極柵極 s源極源極 d漏極漏極(1-17)二、二、JFET的工作原理、特性曲線的工作原理、特性曲線（一）、工作原理（一）、工作原理NgsdVDSVGSiDP+P+iG處于無(wú)效區(qū)處于無(wú)效區(qū)工作區(qū)：工作區(qū)：當(dāng)當(dāng) 時(shí)，時(shí)，以以N溝道為例溝道為例1、當(dāng)、當(dāng)vGS0

10、 時(shí)時(shí)，vGS失去對(duì)失去對(duì)導(dǎo)電溝道的控制作用，從導(dǎo)電溝道的控制作用，從而失去對(duì)而失去對(duì)iD的控制，的控制，且輸入電阻且輸入電阻r rgsgs將變小，將變小，形成一定的形成一定的iG 電流。電流。vGS失去對(duì)失去對(duì)iD的控制的控制VGS AVvDSvGSiGVmAiDdgsVDS(1-18)VG 當(dāng)當(dāng)vGS0V0V時(shí)，時(shí)，耗盡層變寬耗盡層變寬導(dǎo)電溝道變窄，溝道電阻增大，導(dǎo)電溝道變窄，溝道電阻增大，gsdVDiDNNNPPi從而從而vGS控制了控制了iD 的變化。的變化。工作區(qū)：工作區(qū)： 當(dāng)當(dāng)v vGSGS V VP P時(shí)，時(shí)， 即即| |v vGS GS | | | | V VP P | | N

11、VGGP+P+2、vGS對(duì)對(duì) iD 的控制作用的控制作用假設(shè)假設(shè) vDS=常數(shù)常數(shù)耗盡層耗盡層vDS 0V， iD=0A。耗盡區(qū)閉合，耗盡區(qū)閉合， D、S間被夾斷間被夾斷處于截止區(qū)處于截止區(qū)所以所以iG 0rgs 在在 107 以上以上同時(shí)因?yàn)橥瑫r(shí)因?yàn)镻NPN結(jié)反偏，結(jié)反偏，(1-19)VGgdVDiDNNNP+P+iiD隨隨、變化而變化變化而變化處于變阻區(qū)處于變阻區(qū)3 3、v vDSDS對(duì)對(duì)i iD D的影響：的影響：假設(shè)假設(shè)v vGSGS= =常數(shù)常數(shù)工作區(qū)：工作區(qū)：VP0且且不是太大時(shí)不是太大時(shí),導(dǎo)電溝道的寬度受導(dǎo)電溝道的寬度受VDS的的影響較小，但影響較小，但iD受受VDS的的影響較大

12、。影響較大。(1-20)NpPPPVGgdVDiDNNNP+P+iDS增大增大,一方面使一方面使iD增大；增大；另一方面使靠近漏極另一方面使靠近漏極端的導(dǎo)電溝道變窄端的導(dǎo)電溝道變窄,導(dǎo)電溝道電阻增大導(dǎo)電溝道電阻增大,又使又使iD變小變小, 夾斷后，即使夾斷后，即使VDS 繼續(xù)繼續(xù)增加，增加，iD不再增加。不再增加。越靠近漏極越靠近漏極端端,電溝道呈電溝道呈楔形。楔形。當(dāng)當(dāng)VDS=VGS-V時(shí)時(shí),漏極端的溝道被夾斷，漏極端的溝道被夾斷，漏極端的溝道漏極端的溝道被夾斷，稱為被夾斷，稱為預(yù)預(yù)夾斷。夾斷。工作區(qū)：工作區(qū)：當(dāng)當(dāng) 、 VDSVGS-V時(shí)時(shí),iD隨隨變化而變化、變化而變化、但不隨但不隨變化而

13、變化變化而變化處于飽和區(qū)或放大區(qū)處于飽和區(qū)或放大區(qū)(1-21)vGS0iDIDSSVP在在 VP vGS 0 范圍內(nèi)范圍內(nèi)（二）、特性曲線（二）、特性曲線1、轉(zhuǎn)移特性曲線：、轉(zhuǎn)移特性曲線：()DSDGSif vv常數(shù)22()(1)GSnDPGSDSSPviK VvIVPV 夾斷電壓，為負(fù)值， 為給定值；,nK式中:導(dǎo)電常數(shù) 為給定值；DSSI零柵壓時(shí)的漏極電流， 也稱為飽和漏極電流， 為給定值。(1-22)2、輸出特性曲線：、輸出特性曲線：()GSDDSif vv常數(shù)變阻區(qū)變阻區(qū)VPVGS0VDS(VGS-VP)截止區(qū)截止區(qū)VGS0放大區(qū)放大區(qū)VPVGS(VGS-VP)VDS=VGS-VP溝道

14、預(yù)夾斷溝道預(yù)夾斷iDv DS0VGS=-0.4VVGS=_0.6VVGS=_0.8VVGS=VPVGS=-0.2VVGS=0V(1-23)1. 柵源極間的電阻雖然可達(dá)柵源極間的電阻雖然可達(dá)107以上，但在以上，但在某些場(chǎng)合仍嫌不夠高。某些場(chǎng)合仍嫌不夠高。3. 柵源極間的柵源極間的PN結(jié)加正向電壓時(shí)，將出現(xiàn)結(jié)加正向電壓時(shí)，將出現(xiàn)較大的柵極電流。較大的柵極電流。絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管可以很好地解決這些問(wèn)題。絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管可以很好地解決這些問(wèn)題。2. 在高溫下，在高溫下，PN結(jié)的反向電流增大，柵源結(jié)的反向電流增大，柵源極間的電阻會(huì)顯著下降。極間的電阻會(huì)顯著下降。三、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的缺點(diǎn)：三、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的缺點(diǎn)

15、：(1-24)分析方法：分析方法： 估算法、圖解法（略）。估算法、圖解法（略）。微變等效電路法、圖解法（略）。微變等效電路法、圖解法（略）。分析方法：分析方法：5.25.2 、5.3.3 5.3.3 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路的分析場(chǎng)效應(yīng)管放大電路的分析靜態(tài)分析：靜態(tài)分析：計(jì)算靜態(tài)值計(jì)算靜態(tài)值V VGSQGSQ、I IDQDQ、V VDSQDSQ判斷場(chǎng)效應(yīng)管是否工作在放大區(qū)。判斷場(chǎng)效應(yīng)管是否工作在放大區(qū)。 動(dòng)態(tài)分析：動(dòng)態(tài)分析： 計(jì)算動(dòng)態(tài)值計(jì)算動(dòng)態(tài)值A(chǔ) Av 、A Avs s 、R Ri i、R R0 0(1-25)步驟：原電路步驟：原電路直流通道直流通道計(jì)算計(jì)算I IDQDQ、V VDSQDSQ一、靜態(tài)

16、一、靜態(tài)( (估算法估算法) ) 分析的步驟分析的步驟計(jì)算計(jì)算V VGSGS由轉(zhuǎn)移特性曲線方程：由轉(zhuǎn)移特性曲線方程：22()(1)GSnDPGSDSSPviK VvIV （對(duì)JFET、耗盡型MOSFET）或220()(1)GSnDTGSDTviK vVIV（對(duì)增強(qiáng)型MOSFET）判斷場(chǎng)效應(yīng)管是否工作在放大區(qū)判斷場(chǎng)效應(yīng)管是否工作在放大區(qū) 分析方法之一的步驟：分析方法之一的步驟：(1-26) I IGQGQ 0 0Q Q2122GDDgRgVVVRRg 例題例題1:1:V VDDDDv vo ov vi iC C2 2C C1 1RgRg1 1R RD DRgRg2 260k60k40k40k15

17、k15kG GD DS S+5V+5VD D+5V+5VV VDDDDRgRg1 1R RD DRgRg2 260k60k40k40k15k15kG GS S由直流通道：由直流通道：V VGSQGSQ = =V VGQGQ= = 2V2VQ QQ Q20.2()nTDGSmAIK VV Q QQ Q2DDDDDSIRVVV 由于由于V VDSQDSQ(V(VGSQGSQ-V-VT T)=(2-1)V=1V)=(2-1)V=1V所以該所以該NMOSFETNMOSFET工作在放大區(qū)。工作在放大區(qū)。 下圖為共源極分壓式偏置電路，已知下圖為共源極分壓式偏置電路，已知V VT T=1V=1V，K Kn

18、n=0.2mA/V=0.2mA/V2 2 ，試靜態(tài)分析。，試靜態(tài)分析。 直流通道直流通道V VGQGQI IDQDQV VDSQDSQI IGQGQV VGSQGSQ(1-27)分析方法之二的提出：分析方法之二的提出：電路如下圖所示，已知電路如下圖所示，已知JFETJFET的的V VP P=-1V,=-1V, I IDSSDSS=0.5mA,=0.5mA,試靜態(tài)分析。試靜態(tài)分析。V VDDDDv vo ov vi iC C2 2C C1 1RgRg1 1R RD DRgRg2 2300k300k100k100k10k10kG GD DS S+20V+20VR R1 112k12kV VDDDD

19、RgRg1 1R RD DRgRg2 2300k300k100k100k10k10kG GD DS S+20V+20VR R1 112k12k直流通道直流通道2125GQDDgRgVVVRRg V VGQGQI IDQDQV VDSQDSQI IGQGQV VGSQGSQ例題：例題：但因?yàn)榈驗(yàn)閂 VGSQGSQ=V=VGQGQQ QQ QQ Q2()PnDQGSDDSIKVVIV 計(jì)計(jì)算算和和故故不不能能通通過(guò)過(guò)Q Q(1-28)靜態(tài)分析的步驟靜態(tài)分析的步驟步驟：原電路步驟：原電路直流通道直流通道計(jì)算出計(jì)算出V VGSQGSQ、I IDQDQ、V VDSQDSQ寫出寫出V VGSGS與與I

20、ID D的方程，的方程，并與由轉(zhuǎn)移特性曲線方程組成方程組并與由轉(zhuǎn)移特性曲線方程組成方程組22()(1)GSnDPGSDSSPviK VvIV （對(duì)JFET、耗盡型MOSFET）或220()(1)GSnDTGSDTviK vVIV（對(duì)增強(qiáng)型MOSFET）分析方法之二的步驟：分析方法之二的步驟：解方程組解方程組判斷場(chǎng)效應(yīng)管是否工作在放大區(qū)判斷場(chǎng)效應(yīng)管是否工作在放大區(qū) (1-29)電路如下圖所示，已知電路如下圖所示，已知JFETJFET的的V VP P=-1V,=-1V, I IDSSDSS=0.5mA,=0.5mA,試靜態(tài)分析。試靜態(tài)分析。V VDDDDv vo ov vi iC C2 2C C1

21、 1RgRg1 1R RD DRgRg2 2300k300k100k100k10k10kG GD DS S+20V+20VR R1 112k12kV VDDDDRgRg1 1R RD DRgRg2 2300k300k100k100k10k10kG GD DS S+20V+20VR R1 112k12k直流通道直流通道2125GQDDgRgVVVRRg V VGQGQI IDQDQV VDSQDSQI IGQGQV VGSQGSQ例題：例題：12(1)Q QQ QQ QQ QGSGSQGDDSSDPVVIRVIIV Q QQ QQ QQ Q或或舍舍去去）10.160.110.43(0.57,()

22、 10.5GSQGSQDDDSDDDDVVVVImAImAVVIRRV 由于由于V VDSQDSQ(V(VGSQGSQ-V-VP P）所以所以JFETJFET工作在放大區(qū)。工作在放大區(qū)。 解得：解得：(1-30) I IGQGQ 0 0Q Q0GV Q QQ Q2(1)GSDDSSPVIIV Q QQ Q()DSDDDSDVVIRR Q QQ Q0GSDSVIR V VDDDDv vo oR RS Sv vi iC CS SC C2 2C C1 1R RD DR Rg gG GD DS SQ QQ QGSDSVIR 0GSDSVI R自偏置電壓電路自偏置電壓電路不能用于增強(qiáng)不能用于增強(qiáng)型型MO

23、SFETMOSFET。注：注：例題例題3 3： 下圖自偏置電壓電路，試分析其靜態(tài)值。下圖自偏置電壓電路，試分析其靜態(tài)值。直流通道直流通道V VDDDDR RS SR RD DR Rg gG GD DS SI IDQDQV VDSQDSQI IGQGQV VGSQGSQV VGQGQ解方程組可計(jì)算出解方程組可計(jì)算出V VGSQGSQ、I IDQDQ(1-31)( (一）、場(chǎng)效應(yīng)管的微變等效電路一）、場(chǎng)效應(yīng)管的微變等效電路二、動(dòng)態(tài)二、動(dòng)態(tài)( (微變等效法微變等效法) ) 分析分析JFETJFET或或MOSFETMOSFETd dg gs sv vgsgsv vdsdsi ig gi id dsgv

24、gsi ig=0g=0rdsgmvgsvdsi id ddgvgsgmvgsvdsi ig=0g=0i id dd簡(jiǎn)易等效簡(jiǎn)易等效rds很大，很大，可忽略?？珊雎?。完全等效完全等效(1-32)022()(1)DmGSTDGSnTGSTdigdvVIVK VVVJFETJFET或或MOSFETMOSFETd dg gs sv vgsgsv vdsdsi ig gi id dgvgsgmvgsvdsi ig=0g=0i id dd圖中：圖中：gm-跨導(dǎo)跨導(dǎo),為給定值，或由下式計(jì)算：為給定值，或由下式計(jì)算：（對(duì)增強(qiáng)型M O SFET）22()(1)DgsPDSSGSmnPGSPVdidvVIgK VVV 或?qū)?duì)JFET或耗盡型或耗盡型MOSFET(1-33)(二二)、動(dòng)態(tài)分析的步驟、動(dòng)態(tài)分析的步驟步驟步驟:原電路原電路交流通道交流通道微變等效電