模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)_場效應(yīng)管及其放大電路

1、第第3章章 場效應(yīng)管及其放大電路場效應(yīng)管及其放大電路場效應(yīng)管場效應(yīng)管3.1場效應(yīng)管放大電路場效應(yīng)管放大電路3.23.1 3.1 場效應(yīng)管場效應(yīng)管場效應(yīng)管也稱單極型晶體管場效應(yīng)管也稱單極型晶體管 具有噪聲小、抗輻射能力強、具有噪聲小、抗輻射能力強、輸入阻抗高等優(yōu)點。輸入阻抗高等優(yōu)點。場效應(yīng)管有三個極：場效應(yīng)管有三個極：源極（源極（s s）、柵極（、柵極（g g）、漏極（）、漏極（d d），），對應(yīng)于晶體管的對應(yīng)于晶體管的e e、b b、c c；有有三個工作區(qū)域：三個工作區(qū)域：截止區(qū)、恒流區(qū)、可變電阻區(qū)，對應(yīng)于截止區(qū)、恒流區(qū)、可變電阻區(qū)，對應(yīng)于晶體晶體管的截止區(qū)、放大區(qū)、飽和區(qū)。管的截止區(qū)、放大區(qū)

2、、飽和區(qū)。管溝道耗盡型管溝道耗盡型管耗盡型管溝道增強型管溝道增強型管增強型管）絕緣柵場效應(yīng)管（溝道結(jié)型場效應(yīng)管溝道結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管場效應(yīng)管分類：MOSPMOSNMOSMOSPMOSNMOSMOSPN符號符號結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖柵極柵極漏極漏極源極源極導(dǎo)電導(dǎo)電溝道溝道3.1.1 結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管P溝溝道道結(jié)結(jié)型型場場效效應(yīng)應(yīng)管管N溝溝道道結(jié)結(jié)型型場場效效應(yīng)應(yīng)管管 （1） 對導(dǎo)電溝道寬度及漏極電流對導(dǎo)電溝道寬度及漏極電流 的控制作用的控制作用GSv溝道最寬溝道最寬溝道變窄溝道變窄溝道消失溝道消失稱為夾斷稱為夾斷VGS（off）1. 1. 工作原理工作原理Di0GSv0GSPvVPG

3、SVv)(offGSVPV夾斷電壓常用夾斷電壓常用 或或 表示。表示。 （2） 對導(dǎo)電溝道寬度及漏極電流對導(dǎo)電溝道寬度及漏極電流 的影響的影響DSvDiGSv0GSPvV設(shè)設(shè) 為固定值，且為固定值，且 。vGDVPvGSVP且不變，且不變，VDD增大，增大，iD增大增大。PDSGSVvvDSGSGDvvvPGSDSVvvvGDVPPGSDSVvv預(yù)夾斷預(yù)夾斷vGDVPPGSDSVvv預(yù)夾斷預(yù)夾斷vGDVPPGSDSVvv VDD的增大，幾乎全部用來克服溝道的的增大，幾乎全部用來克服溝道的電阻，電阻，iD幾乎不變，進(jìn)入恒流區(qū)，幾乎不變，進(jìn)入恒流區(qū)，iD幾乎幾乎僅僅決定于僅僅決定于vGS。VGSv

4、DS2. 結(jié)型場效應(yīng)管的特性曲線及電流方程結(jié)型場效應(yīng)管的特性曲線及電流方程（1）輸出特性）輸出特性常數(shù)GSvvfi)(DSDg-s電壓電壓控制控制d-s的的等效電阻等效電阻常量DSGSDmVvig預(yù)夾斷軌跡，預(yù)夾斷軌跡，vGDVP可可變變電電阻阻區(qū)區(qū)恒恒流流區(qū)區(qū)iD幾乎僅決幾乎僅決定于定于vGS擊擊穿穿區(qū)區(qū)夾斷區(qū)（截止區(qū)）夾斷區(qū)（截止區(qū)）夾斷電壓夾斷電壓IDSSiD 不同型號的管子不同型號的管子VP、IDSS將不同。將不同。低頻跨導(dǎo)：低頻跨導(dǎo)：（2）轉(zhuǎn)移特性）轉(zhuǎn)移特性常數(shù)DSvvfi)(GSD場效應(yīng)管工作在恒流區(qū)，因而場效應(yīng)管工作在恒流區(qū)，因而vGSVP且且vGDVP。PGSDSVvv夾斷夾斷

5、電壓電壓漏極飽漏極飽和電流和電流2D)1 (PGSDSSVvIi 3.1.2 絕緣柵場效應(yīng)管絕緣柵場效應(yīng)管絕緣柵型場效應(yīng)管的絕緣柵型場效應(yīng)管的柵極柵極與與源極源極、柵極柵極與與漏極漏極之間均采用之間均采用SiO2絕緣層隔離絕緣層隔離，因此而得名。，因此而得名。 又因為絕緣柵型場效應(yīng)管中各電極為又因為絕緣柵型場效應(yīng)管中各電極為金屬鋁金屬鋁，絕緣層為，絕緣層為氧化氧化物物，導(dǎo)電溝道為，導(dǎo)電溝道為半導(dǎo)體半導(dǎo)體，故又稱為，故又稱為金屬金屬氧化物氧化物半導(dǎo)體半導(dǎo)體場場效應(yīng)管，簡稱為效應(yīng)管，簡稱為MOS管管Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）

6、。）。 管溝道耗盡型管溝道耗盡型管耗盡型管溝道增強型管溝道增強型管增強型管）絕緣柵場效應(yīng)管（MOSPMOSNMOSMOSPMOSNMOSMOS1N溝道增強型溝道增強型MOS管管襯底襯底SiO2絕緣層絕緣層高摻雜高摻雜漏極漏極柵極柵極源極源極結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)示示意意圖圖電路符號電路符號（1）工作原理）工作原理 （a）耗盡層的形成）耗盡層的形成（b）導(dǎo)電溝道的形成）導(dǎo)電溝道的形成 對導(dǎo)電溝道寬度及漏極電流對導(dǎo)電溝道寬度及漏極電流 的控制作用的控制作用GSvDi耗盡層耗盡層空穴空穴大到一定大到一定值才開啟值才開啟反型層反型層 vGS增大，反型層（導(dǎo)電溝道）將變厚變長。當(dāng)反型增大，反型層（導(dǎo)電溝道）將變厚變長

7、。當(dāng)反型層將兩個層將兩個N區(qū)相接時，形成導(dǎo)電溝道。區(qū)相接時，形成導(dǎo)電溝道。使導(dǎo)電溝道剛剛形成的柵源電壓使導(dǎo)電溝道剛剛形成的柵源電壓 稱為開啟電壓稱為開啟電壓，GSv用用VT表示，有時也用表示，有時也用VGS(th)表示。表示。 對導(dǎo)電溝道寬度及漏極電流對導(dǎo)電溝道寬度及漏極電流 的控制作用的控制作用DSvDiTGSVv設(shè)設(shè) 且為定值。且為定值。0,0DDSiv時變化隨時，DSDTGSDSviVvv時，產(chǎn)生預(yù)夾斷TGSDSVvvTGDVv飽和時，DTGSDSiVvv剛出現(xiàn)夾斷剛出現(xiàn)夾斷iD幾乎僅僅受控于幾乎僅僅受控于vGSvGS的增大幾乎全部用的增大幾乎全部用來克服夾斷區(qū)的電阻來克服夾斷區(qū)的電阻（

8、2）特性曲線和電流方程）特性曲線和電流方程（a）輸出特性）輸出特性 （b）轉(zhuǎn)移特性）轉(zhuǎn)移特性 開啟開啟電壓電壓2D) 1(TGSDOVvIi電流方程：電流方程： 耗盡型耗盡型MOS管在管在 vGS0、 vGS 0、 vGS 0時均可導(dǎo)時均可導(dǎo)通，且與結(jié)型場效應(yīng)管不同，由于通，且與結(jié)型場效應(yīng)管不同，由于SiO2絕緣層的存在，在絕緣層的存在，在vGS0時仍保持時仍保持g-s間電阻非常大的特點。間電阻非常大的特點。加正離子加正離子小到一定小到一定值才夾斷值才夾斷vGS=0時就存在時就存在導(dǎo)電溝道導(dǎo)電溝道2N溝道耗盡型溝道耗盡型MOS管管3P溝道溝道MOS管管P溝道溝道MOS管是在管是在N型襯底表面生

9、成型襯底表面生成P型反型層型反型層作為導(dǎo)電溝道。作為導(dǎo)電溝道。P溝道溝道MOS管與管與N溝道溝道MOS管的管的結(jié)構(gòu)和工作原理類似，并且也有增強型和耗盡型結(jié)構(gòu)和工作原理類似，并且也有增強型和耗盡型兩種。使用時，柵源電壓兩種。使用時，柵源電壓 和漏源電壓和漏源電壓 的極的極性與性與N溝道溝道MOS管相反。管相反。 GSvDSv)0(P)0(N)00(P)00(N)00(P)00(NDSGSDSGSDSGSDSGSDSGSDSGS極性任意，溝道極性任意，溝道耗盡型，溝道，溝道增強型絕緣柵型，溝道，溝道結(jié)型場效應(yīng)管vvvvvvvvvvvv3.1.3 場效應(yīng)管的主要參數(shù)場效應(yīng)管的主要參數(shù)1直流參數(shù)直流參

10、數(shù)（1）開啟電壓開啟電壓 TV是增強型是增強型MOS管的參數(shù)。是使漏極電流大于零管的參數(shù)。是使漏極電流大于零所需要的最小柵源電壓。所需要的最小柵源電壓。（2）夾斷電壓夾斷電壓 )()(offGSPVV是結(jié)型場效應(yīng)管和耗盡型是結(jié)型場效應(yīng)管和耗盡型MOS管的參數(shù)。管的參數(shù)。 （3）飽和漏電流飽和漏電流 DSSI是結(jié)型場效應(yīng)管和耗盡型是結(jié)型場效應(yīng)管和耗盡型MOS管的參數(shù)。管的參數(shù)。當(dāng)柵源電壓等于零，而漏源電壓大于夾斷電壓時當(dāng)柵源電壓等于零，而漏源電壓大于夾斷電壓時的漏極電流，稱為飽和漏極電流。的漏極電流，稱為飽和漏極電流。（4）直流輸入電阻直流輸入電阻 )(DCGSR結(jié)型管的結(jié)型管的 大于大于 ，M

11、OS管的管的 大于大于 。)(DCGSR)(DCGSR7109102交流參數(shù)交流參數(shù)（1）低頻跨導(dǎo)低頻跨導(dǎo) mg常量DSvGSDmvig（2）輸出電阻輸出電阻 dsr常量GSvDDSdsivr一般約為幾十千歐到幾百千歐。一般約為幾十千歐到幾百千歐。 （3）極間電容極間電容 場效應(yīng)管的三個電極之間均存在極間電容。在低頻情場效應(yīng)管的三個電極之間均存在極間電容。在低頻情 況況下，它們的影響可以忽略不計，在高頻情況下，必須予下，它們的影響可以忽略不計，在高頻情況下，必須予以考慮。以考慮。3極限參數(shù)極限參數(shù)（1）最大漏極電流最大漏極電流 DMI是管子正常工作時允許的最大漏極電流。是管子正常工作時允許的最

12、大漏極電流。 （2）最大耗散功率最大耗散功率 DMP是管子正常工作時允許損耗的最大功率。是管子正常工作時允許損耗的最大功率。 （3）最大漏源電壓最大漏源電壓 DSBRV)(是指漏源間所能承受的最大電壓。是指漏源間所能承受的最大電壓。 （4）最大柵源電壓最大柵源電壓 GSBRV)(是指柵源間所能承受的最大電壓。是指柵源間所能承受的最大電壓。 3.1.4 場效應(yīng)管與晶體三極管的比較場效應(yīng)管與晶體三極管的比較（1）場效應(yīng)管是電壓控制器件，用柵源電壓控制漏極電）場效應(yīng)管是電壓控制器件，用柵源電壓控制漏極電流。柵極基本不取電流，輸入電阻很高。而晶體管工作時需流。柵極基本不取電流，輸入電阻很高。而晶體管工

13、作時需要信號源為基極提供一定的電流，輸入電阻較小。因此，要要信號源為基極提供一定的電流，輸入電阻較小。因此，要求輸入電阻高的電路應(yīng)選用場效應(yīng)管，如果信號源可以提供求輸入電阻高的電路應(yīng)選用場效應(yīng)管，如果信號源可以提供一定的電流，可選用晶體管。一定的電流，可選用晶體管。（2）場效應(yīng)管只有多子參與導(dǎo)電，晶體管內(nèi)既有多子又）場效應(yīng)管只有多子參與導(dǎo)電，晶體管內(nèi)既有多子又有少子參與導(dǎo)電，而少子受溫度、輻射等因素影響較大，因有少子參與導(dǎo)電，而少子受溫度、輻射等因素影響較大，因而場效應(yīng)管比晶體管的溫度穩(wěn)定性好、抗輻射能力強。所以而場效應(yīng)管比晶體管的溫度穩(wěn)定性好、抗輻射能力強。所以在環(huán)境條件變化很大的情況下應(yīng)選

14、用場效應(yīng)管。在環(huán)境條件變化很大的情況下應(yīng)選用場效應(yīng)管。（3）場效應(yīng)管的噪聲系數(shù)很小，所以低噪聲放大器的輸）場效應(yīng)管的噪聲系數(shù)很小，所以低噪聲放大器的輸入級及要求信噪比較高的電路應(yīng)選用場效應(yīng)管。當(dāng)然也可選入級及要求信噪比較高的電路應(yīng)選用場效應(yīng)管。當(dāng)然也可選用特制的低噪聲晶體管。用特制的低噪聲晶體管。（4）場效應(yīng)管的漏極與源極可以互換使用，互換后特）場效應(yīng)管的漏極與源極可以互換使用，互換后特性變化不大。而晶體管的發(fā)射極與集電極互換后特性差異性變化不大。而晶體管的發(fā)射極與集電極互換后特性差異很大，因此只在特殊需要時才互換。很大，因此只在特殊需要時才互換。（5）場效應(yīng)管比晶體管的種類多，特別是耗盡型）

15、場效應(yīng)管比晶體管的種類多，特別是耗盡型MOS管，柵源電壓可正、可負(fù)、可為零，均能控制漏極電流。管，柵源電壓可正、可負(fù)、可為零，均能控制漏極電流。因而在組成放大電路時比晶體管有更大的靈活性。因而在組成放大電路時比晶體管有更大的靈活性。（6）場效應(yīng)管和晶體管均可用于放大電路和開關(guān)電路，）場效應(yīng)管和晶體管均可用于放大電路和開關(guān)電路，它們均可構(gòu)成品種繁多的集成電路。但由于場效應(yīng)管集成它們均可構(gòu)成品種繁多的集成電路。但由于場效應(yīng)管集成工藝更簡單，且具有功耗小、工作電源電壓范圍寬等優(yōu)點，工藝更簡單，且具有功耗小、工作電源電壓范圍寬等優(yōu)點，因此因此更加廣泛地應(yīng)用于大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路之中。更加廣泛地應(yīng)用

16、于大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路之中。3.2 場效應(yīng)管放大電路場效應(yīng)管放大電路3.2.1 場效應(yīng)管放大電路的直流偏置和靜態(tài)分析場效應(yīng)管放大電路的直流偏置和靜態(tài)分析1自給偏壓電路自給偏壓電路SQGQGSQVVVSDQRI2DQ)1 (PGSQDSSVVII（2） （1） )(dsDQDDDSQRRIVV（3） 2分壓式偏置電路分壓式偏置電路DDgggAGQVRRRVV211SDQDDgggSQGQGSQRIVRRRVVV211（1） 2) 1(TGSQDODQVVII（2） )(dsDQDDDSQRRIVV（3） 3.2.2 場效應(yīng)管放大電路的動態(tài)分析場效應(yīng)管放大電路的動態(tài)分析1場效應(yīng)管的交流等效模型

17、場效應(yīng)管的交流等效模型近似分析時可認(rèn)近似分析時可認(rèn)為其為無窮大！為其為無窮大！DSGSDmUuig根據(jù)根據(jù)iD的表達(dá)式或轉(zhuǎn)移特性可求得的表達(dá)式或轉(zhuǎn)移特性可求得gm。2) 1(TGSDODVvIiDODTGSIiVv2) 1(DODTGSIiVv ) 1(DSVGSDmvigGSTGSDOvVvI) 1(2) 1(2TGSDOTVvIVDODDOTIiIV2DDOTiIV2DQDOTIIV2DQDOTmIIVg2DQDSSPmIIVg2對結(jié)型管：對結(jié)型管：2共源極放大電路的動態(tài)分析共源極放大電路的動態(tài)分析交流等效電路交流等效電路iovVVAGSLdGSmVRRVg)/(LmRgiRdoRR 例例

18、3.2.1 在如圖所示電路中，已知在如圖所示電路中，已知VDD=15V，Rg1=150k，Rg2=300k， Rg3=1M， Rd= RL=5k，Rs=0.5k，MOS管管的的VT=2V， IDO=2mA 。 試求解：試求解：（1 1）電路的靜態(tài)工作點；）電路的靜態(tài)工作點； （2 2）電路的電壓放大倍數(shù)電路的電壓放大倍數(shù)、輸入、輸入 電阻和輸出電阻電阻和輸出電阻; 解：（解：（1 1）SDQDDgggSQGQGSQRIVRRRVVV211（1） 22) 12(2) 1(GSQTGSQDODQVVVII（2） DQdsDQDDDSQIRRIVV5 . 515)(（3） DQDQII5 . 055 . 015300150150VVGSQ4mAIDQ2VVDSQ4聯(lián)立以上三式求解可得：聯(lián)立以上三式求解可得：（2 2）mSVmAIIVgDQDOTm2/)2222(2GSiVV)/(LdGSmoRRVg