湖南科技大學(xué)模擬電路 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路

湖南科技大學(xué)模擬電路場(chǎng)效應(yīng)管放大電路第1頁(yè)/共67頁(yè)2P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)：第2頁(yè)/共67頁(yè)35.1金屬-氧化物-半導(dǎo)體（MOS）場(chǎng)效應(yīng)管5.1.1N溝道增強(qiáng)型MOSFET5.1.5MOSFET的主要參數(shù)5.1.2N溝道耗盡型MOSFET5.1.3P溝道MOSFET5.1.4溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)第3頁(yè)/共67頁(yè)45.1.1N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第4頁(yè)/共67頁(yè)55.1.1N溝道增強(qiáng)型MOSFET剖面圖1.結(jié)構(gòu)（N溝道）符號(hào)第5頁(yè)/共67頁(yè)65.1.1N溝道增強(qiáng)型MOSFET2.工作原理（1）vGS對(duì)溝道的控制作用當(dāng)vGS≤0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)0<vGS<VT時(shí)

產(chǎn)生電場(chǎng)，但未形成導(dǎo)電溝道（感生溝道），d、s間加電壓后，沒(méi)有電流產(chǎn)生。當(dāng)vGS>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(chēng)為開(kāi)啟電壓第6頁(yè)/共67頁(yè)72.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)，vDSID溝道電位梯度整個(gè)溝道呈楔形分布第7頁(yè)/共67頁(yè)8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第8頁(yè)/共67頁(yè)9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)溝道的控制作用第9頁(yè)/共67頁(yè)102.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(xiàn)。第10頁(yè)/共67頁(yè)第11頁(yè)/共67頁(yè)123.

V-I特性曲線(xiàn)及大信號(hào)特性方程（1）輸出特性及大信號(hào)特性方程①截止區(qū)當(dāng)vGS＜VT時(shí)，導(dǎo)電溝道尚未形成，iD＝0，為截止工作狀態(tài)。第12頁(yè)/共67頁(yè)133.

V-I特性曲線(xiàn)及大信號(hào)特性方程（1）輸出特性及大信號(hào)特性方程②可變電阻區(qū)

vDS≤（vGS－VT）由于vDS較小，可近似為rdso是一個(gè)受vGS控制的可變電阻第13頁(yè)/共67頁(yè)143.

V-I特性曲線(xiàn)及大信號(hào)特性方程（1）輸出特性及大信號(hào)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第14頁(yè)/共67頁(yè)153.

V-I特性曲線(xiàn)及大信號(hào)特性方程（1）輸出特性及大信號(hào)特性方程③飽和區(qū)（恒流區(qū)又稱(chēng)放大區(qū)）vGS>VT

，且vDS≥（vGS－VT）是vGS＝2VT時(shí)的iDV-I特性：第15頁(yè)/共67頁(yè)163.

V-I特性曲線(xiàn)及大信號(hào)特性方程（2）轉(zhuǎn)移特性第16頁(yè)/共67頁(yè)17（二）工作原理（1）增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效管上一頁(yè)下一頁(yè)返回下一節(jié)上一節(jié)

導(dǎo)電溝道的形成17第17頁(yè)/共67頁(yè)185.1.2N溝道耗盡型MOSFET1.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)柵流第18頁(yè)/共67頁(yè)第19頁(yè)/共67頁(yè)205.1.2N溝道耗盡型MOSFET2.V-I特性曲線(xiàn)及大信號(hào)特性方程

（N溝道增強(qiáng)型）第20頁(yè)/共67頁(yè)215.1.3P溝道MOSFET第21頁(yè)/共67頁(yè)22（2）耗盡型MOS場(chǎng)效管上一頁(yè)下一頁(yè)返回下一節(jié)上一節(jié)22第22頁(yè)/共67頁(yè)23（三）特性曲線(xiàn)上一頁(yè)下一頁(yè)返回下一節(jié)上一節(jié)23第23頁(yè)/共67頁(yè)24（四）四種MOS場(chǎng)效管的簡(jiǎn)介上一頁(yè)下一頁(yè)返回下一節(jié)上一節(jié)24第24頁(yè)/共67頁(yè)255.1.4溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)實(shí)際上飽和區(qū)的曲線(xiàn)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(xiàn)是平坦的。

修正后第25頁(yè)/共67頁(yè)265.1.5MOSFET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

（109Ω～1015Ω

）二、交流參數(shù)1.輸出電阻rds

當(dāng)不考慮溝道調(diào)制效應(yīng)時(shí)，＝0，rds→∞

第26頁(yè)/共67頁(yè)275.1.5MOSFET的主要參數(shù)2.低頻互導(dǎo)gm

二、交流參數(shù)考慮到則其中第27頁(yè)/共67頁(yè)285.1.5MOSFET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

PDM:管子正常工作時(shí)漏極電流允許的最大值PDM

：管子的耗散功率不能大于該值V（BR）DS

：指發(fā)生雪崩擊穿，iD開(kāi)始急劇上升的VDS

V（BR）GS

：柵源間反向電流急劇增加時(shí)的VGS

第28頁(yè)/共67頁(yè)第29頁(yè)/共67頁(yè)305.2MOSFET放大電路5.2.1MOSFET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)模型分析第30頁(yè)/共67頁(yè)第31頁(yè)/共67頁(yè)325.2.1MOSFET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第32頁(yè)/共67頁(yè)335.2.1MOSFET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）假設(shè)工作在飽和區(qū)，即驗(yàn)證是否滿(mǎn)足如果不滿(mǎn)足，則說(shuō)明假設(shè)錯(cuò)誤須滿(mǎn)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)即第33頁(yè)/共67頁(yè)34假設(shè)工作在飽和區(qū)滿(mǎn)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，第34頁(yè)/共67頁(yè)355.2.1MOSFET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(mǎn)足第35頁(yè)/共67頁(yè)365.2.1MOSFET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)，vI＝0，VG＝0，ID＝I電流源偏置VS＝VG－VGS（飽和區(qū)）第36頁(yè)/共67頁(yè)375.2.1MOSFET放大電路2.圖解分析由于負(fù)載開(kāi)路，交流負(fù)載線(xiàn)與直流負(fù)載線(xiàn)相同第37頁(yè)/共67頁(yè)385.2.1MOSFET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(xiàn)性失真項(xiàng)當(dāng)，vgs<<2(VGSQ-VT)時(shí)，第38頁(yè)/共67頁(yè)395.2.1MOSFET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)模型第39頁(yè)/共67頁(yè)第40頁(yè)/共67頁(yè)413.小信號(hào)模型分析（2）放大電路分析（例5.2.5）假設(shè)工作在飽和區(qū)滿(mǎn)足解：第41頁(yè)/共67頁(yè)423.小信號(hào)模型分析（2）放大電路分析（例5.2.5）s第42頁(yè)/共67頁(yè)433.小信號(hào)模型分析（2）放大電路分析（例5.2.6）共漏第43頁(yè)/共67頁(yè)443.小信號(hào)模型分析（2）放大電路分析end第44頁(yè)/共67頁(yè)第45頁(yè)/共67頁(yè)465.3結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管5.3.1JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理5.3.2JFET的特性曲線(xiàn)及參數(shù)5.3.3JFET放大電路的小信號(hào)模型分析法第46頁(yè)/共67頁(yè)475.3.1JFET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？第47頁(yè)/共67頁(yè)482.工作原理①vGS對(duì)溝道的控制作用當(dāng)vGS＜0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(chēng)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。第48頁(yè)/共67頁(yè)492.工作原理（以N溝道JFET為例）②vDS對(duì)溝道的控制作用當(dāng)vGS=0時(shí)，vDSIDG、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(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基本不變第49頁(yè)/共67頁(yè)502.工作原理（以N溝道JFET為例）③

vGS和vDS同時(shí)作用時(shí)當(dāng)VP<vGS<0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第50頁(yè)/共67頁(yè)51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(chēng)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(xiàn)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。第51頁(yè)/共67頁(yè)525.3.2JFET的特性曲線(xiàn)及參數(shù)2.轉(zhuǎn)移特性1.輸出特性第52頁(yè)/共67頁(yè)53與MOSFET類(lèi)似3.主要參數(shù)5.3.2JFET的特性曲線(xiàn)及參數(shù)第53頁(yè)/共67頁(yè)545.3.2FET放大電路的小信號(hào)模型分析法1.FET小信號(hào)模型（1）低頻模型第54頁(yè)/共67頁(yè)55（2）高頻模型第55頁(yè)/共67頁(yè)562.動(dòng)態(tài)指標(biāo)分析（1）中頻小信號(hào)模型第56頁(yè)/共67頁(yè)572.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第57頁(yè)/共67頁(yè)58場(chǎng)效應(yīng)管放大電路分析（1）偏置電路及靜態(tài)分析第58頁(yè)/共67頁(yè)59分壓式自偏壓電路直流通道VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2)VGS=VG－VS=VG－IDRI