模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)(第五版)：CH05 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路

1、5 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路5.1 金屬-氧化物-半導(dǎo)體（MOS）場(chǎng)效應(yīng)管5.3 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JFET）*5.4 砷化鎵金屬-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管5.5 各種放大器件電路性能比較5.2 MOSFET放大電路P溝道耗盡型P溝道P溝道N溝道增強(qiáng)型N溝道N溝道（耗盡型）FET場(chǎng)效應(yīng)管JFET結(jié)型MOSFET絕緣柵型(IGFET)耗盡型：場(chǎng)效應(yīng)管沒(méi)有加偏置電壓時(shí)，就有導(dǎo)電溝道存在增強(qiáng)型：場(chǎng)效應(yīng)管沒(méi)有加偏置電壓時(shí)，沒(méi)有導(dǎo)電溝道場(chǎng)效應(yīng)管的分類(lèi)：5.1 金屬-氧化物-半導(dǎo)體（MOS）場(chǎng)效應(yīng)管5.1.1 N溝道增強(qiáng)型MOSFET5.1.5 MOSFET的主要參數(shù)5.1.2 N溝道耗盡型MOSFET5.1.3 P溝道MOS

2、FET5.1.4 溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)5.1.1 N溝道增強(qiáng)型MOSFET1. 結(jié)構(gòu)（N溝道）L ：溝道長(zhǎng)度W ：溝道寬度tox ：絕緣層厚度通常 W L 5.1.1 N溝道增強(qiáng)型MOSFET剖面圖1. 結(jié)構(gòu)（N溝道）符號(hào)5.1.1 N溝道增強(qiáng)型MOSFET2. 工作原理（1）vGS對(duì)溝道的控制作用當(dāng)vGS0時(shí) 無(wú)導(dǎo)電溝道， d、s間加電壓時(shí)，也無(wú)電流產(chǎn)生。當(dāng)0vGS VT 時(shí) 在電場(chǎng)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VT 稱為開(kāi)啟電壓2. 工作原理（2）vDS對(duì)溝道的控制作用靠近漏極d處的電位升高電場(chǎng)強(qiáng)度減小溝道變薄當(dāng)vGS一定（vGS VT ）時(shí)，v

3、DSID溝道電位梯度整個(gè)溝道呈楔形分布當(dāng)vGS一定（vGS VT ）時(shí)，vDSID溝道電位梯度 當(dāng)vDS增加到使vGD=VT 時(shí)，在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷。2. 工作原理（2）vDS對(duì)溝道的控制作用在預(yù)夾斷處：vGD=vGS-vDS =VT預(yù)夾斷后，vDS夾斷區(qū)延長(zhǎng)溝道電阻ID基本不變2. 工作原理（2）vDS對(duì)溝道的控制作用2. 工作原理（3） vDS和vGS同時(shí)作用時(shí) vDS一定，vGS變化時(shí) 給定一個(gè)vGS ，就有一條不同的 iD vDS 曲線。3. V-I 特性曲線及大信號(hào)特性方程（1）輸出特性及大信號(hào)特性方程 截止區(qū)當(dāng)vGSVT時(shí)，導(dǎo)電溝道尚未形成，iD0，為截止工作狀態(tài)。3. V-I

4、 特性曲線及大信號(hào)特性方程（1）輸出特性及大信號(hào)特性方程 可變電阻區(qū) vDS（vGSVT）由于vDS較小，可近似為rdso是一個(gè)受vGS控制的可變電阻 3. V-I 特性曲線及大信號(hào)特性方程（1）輸出特性及大信號(hào)特性方程 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/V23. V-I 特性曲線及大信號(hào)特性方程（1）輸出特性及大信號(hào)特性方程 飽和區(qū)（恒流區(qū)又稱放大區(qū)）vGS VT ，且vDS（vGSVT）是vGS2VT時(shí)的iD V-I 特性：3. V-I 特性曲線及大信號(hào)特性方程（2）轉(zhuǎn)移特性5.1.2 N溝道耗盡型M

5、OSFET1. 結(jié)構(gòu)和工作原理（N溝道）二氧化硅絕緣層中摻有大量的正離子 可以在正或負(fù)的柵源電壓下工作，而且基本上無(wú)柵流5.1.2 N溝道耗盡型MOSFET2. V-I 特性曲線及大信號(hào)特性方程 （N溝道增強(qiáng)型）5.1.3 P溝道MOSFET5.1.4 溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)實(shí)際上飽和區(qū)的曲線并不是平坦的L的單位為m當(dāng)不考慮溝道調(diào)制效應(yīng)時(shí)，0，曲線是平坦的。 修正后5.1.5 MOSFET的主要參數(shù)一、直流參數(shù)NMOS增強(qiáng)型1. 開(kāi)啟電壓VT （增強(qiáng)型參數(shù)）2. 夾斷電壓VP （耗盡型參數(shù)）3. 飽和漏電流IDSS （耗盡型參數(shù)）4. 直流輸入電阻RGS （1091015 ）二、交流參數(shù) 1. 輸出

6、電阻rds 當(dāng)不考慮溝道調(diào)制效應(yīng)時(shí)，0，rds 5.1.5 MOSFET的主要參數(shù)2. 低頻互導(dǎo)gm 二、交流參數(shù) 考慮到 則其中5.1.5 MOSFET的主要參數(shù)end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 5.2 MOSFET放大電路5.2.1 MOSFET放大電路1. 直流偏置及靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算2. 圖解分析3. 小信號(hào)模型分析5.2.1 MOSFET放大電路1. 直流偏置及靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算（1）簡(jiǎn)單的共源極放大電路（N溝道）直流通路共源極放大電路5.2.1 MOSFET放大電路1. 直流偏置及

7、靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算（1）簡(jiǎn)單的共源極放大電路（N溝道）假設(shè)工作在飽和區(qū)，即驗(yàn)證是否滿足如果不滿足，則說(shuō)明假設(shè)錯(cuò)誤須滿足VGS VT ，否則工作在截止區(qū)再假設(shè)工作在可變電阻區(qū)即假設(shè)工作在飽和區(qū)滿足假設(shè)成立，結(jié)果即為所求。解：例：設(shè)Rg1=60k，Rg2=40k，Rd=15k，試計(jì)算電路的靜態(tài)漏極電流IDQ和漏源電壓VDSQ 。VDD=5V， VT=1V，5.2.1 MOSFET放大電路1. 直流偏置及靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算（2）帶源極電阻的NMOS共源極放大電路飽和區(qū)需要驗(yàn)證是否滿足5.2.1 MOSFET放大電路1. 直流偏置及靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算靜態(tài)時(shí)，vI0，VG 0，ID I電流源偏置 VS VG

8、VGS （飽和區(qū)） 5.2.1 MOSFET放大電路2. 圖解分析由于負(fù)載開(kāi)路，交流負(fù)載線與直流負(fù)載線相同 5.2.1 MOSFET放大電路3. 小信號(hào)模型分析（1）模型靜態(tài)值（直流）動(dòng)態(tài)值（交流）非線性失真項(xiàng) 當(dāng)，vgs 2(VGSQ- VT )時(shí)，5.2.1 MOSFET放大電路3. 小信號(hào)模型分析（1）模型=0時(shí)高頻小信號(hào)模型3. 小信號(hào)模型分析解：例5.2.2的直流分析已求得： （2）放大電路分析（例5.2.5）s3. 小信號(hào)模型分析（2）放大電路分析（例5.2.5）s3. 小信號(hào)模型分析（2）放大電路分析（例5.2.6）共漏3. 小信號(hào)模型分析（2）放大電路分析end5.3 結(jié)型場(chǎng)效

9、應(yīng)管 5.3.1 JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理 5.3.2 JFET的特性曲線及參數(shù) 5.3.3 JFET放大電路的小信號(hào)模型分析法 5.3.1 JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理1. 結(jié)構(gòu) # 符號(hào)中的箭頭方向表示什么？2. 工作原理 vGS對(duì)溝道的控制作用當(dāng)vGS0時(shí)（以N溝道JFET為例） 當(dāng)溝道夾斷時(shí)，對(duì)應(yīng)的柵源電壓vGS稱為夾斷電壓VP （ 或VGS(off) ）。對(duì)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。2. 工作原理（以N溝道JFET為例） vDS對(duì)溝道的控制作用當(dāng)vGS=0時(shí)，vDSID G、D間PN結(jié)的反向電壓增加，使靠近漏極處的耗盡層加

10、寬，溝道變窄，從上至下呈楔形分布。 當(dāng)vDS增加到使vGD=VP 時(shí)，在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷。此時(shí)vDS 夾斷區(qū)延長(zhǎng)溝道電阻ID基本不變2. 工作原理（以N溝道JFET為例） vGS和vDS同時(shí)作用時(shí)當(dāng)VP vGS0 時(shí)，導(dǎo)電溝道更容易夾斷，對(duì)于同樣的vDS ， ID的值比vGS=0時(shí)的值要小。在預(yù)夾斷處vGD=vGS-vDS =VP 綜上分析可知 溝道中只有一種類(lèi)型的多數(shù)載流子參與導(dǎo)電， 所以場(chǎng)效應(yīng)管也稱為單極型三極管。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iG0，輸入電阻很高。5.3.2 JFET的特性曲線及參數(shù)2. 轉(zhuǎn)移特性 1. 輸出特性 與MOSFET類(lèi)似3. 主要參數(shù)5.3.2 JFET的特性曲線及參數(shù)5.3.2 FET放大電路的小信號(hào)模型分析法1. FET小信號(hào)模型（1）低頻模型（2）高頻模型2. 動(dòng)態(tài)指標(biāo)分析（1）中頻小信號(hào)模型2. 動(dòng)態(tài)指標(biāo)分析（2）中頻電壓增益（3）輸入電阻（4）輸出電阻忽略 rds，由輸入輸出回路得則通常則end*5.4 砷化鎵金屬-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管本節(jié)不做教學(xué)要求，有興趣者自學(xué)5.5 各種放大器件電路性能比較5.5 各種放大器件電路性能比較組態(tài)對(duì)應(yīng)關(guān)系：CEBJTFE