第四章及其放大電路演示文稿

第四章及其放大電路演示文稿LBM1目前一頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)LBM2優(yōu)選第四章及其放大電路目前二頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)四、FET的小信號(hào)模型4.掌握低頻小信號(hào)模型。五、FET的CS和CD組態(tài)放大器熟練掌握放大器電路的指標(biāo)計(jì)算及特點(diǎn)。1.理解gm的含義及計(jì)算式；2.理解rds含義；3.完整小信號(hào)模型；目前三頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)重點(diǎn)、難點(diǎn)知識(shí)點(diǎn)1、基本結(jié)構(gòu)及其導(dǎo)電機(jī)理2、伏安特性及其兩種表達(dá)方式3、基本放大電路的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)參數(shù)4、基本放大電路技術(shù)指標(biāo)定義與分析目前四頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)4.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管

4.1.1.結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)（以N溝為例）：兩個(gè)PN結(jié)夾著一個(gè)N型溝道。三個(gè)電極：

G：柵極

D：漏極

S：源極符號(hào)：第4章

MOSFET放大電路P區(qū)濃度高目前五頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)4.1.2

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理

（1）柵源電壓對(duì)溝道的控制作用

在柵源間加負(fù)電壓VGS

，令VDS=0

①當(dāng)VGS=0時(shí)，為平衡PN結(jié)，導(dǎo)電溝道最寬。②當(dāng)│VGS│↑時(shí)，PN結(jié)反偏，形成耗盡層，導(dǎo)電溝道變窄，溝道電阻增大。③當(dāng)│VGS│到一定值時(shí)，溝道會(huì)完全合攏。定義：夾斷電壓Vp——使導(dǎo)電溝道完全合攏（消失）所需要的柵源電壓VGS。

目前六頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)（2）漏源電壓對(duì)溝道的控制作用

在漏源間加電壓VDS

，令VGS=0

由于VGS=0，所以導(dǎo)電溝道最寬。

①當(dāng)VDS=0時(shí)，ID=0。②VDS↑→ID↑

→靠近漏極處的耗盡層加寬，溝道變窄，呈楔形分布。③當(dāng)VDS↑，使VGD=VGS-

VDS=VP時(shí)，在靠漏極處夾斷——預(yù)夾斷。預(yù)夾斷前，VDS↑→ID↑。預(yù)夾斷后，VDS↑→ID幾乎不變。④VDS再↑，預(yù)夾斷點(diǎn)下移。

（3）柵源電壓VGS和漏源電壓VDS共同作用可用輸入輸出兩組特性曲線來描繪。

ID=f（VGS、VDS）目前七頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)（1）輸出特性曲線：iD=f（VDS）│VGS=常數(shù)

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管的特性曲線

四個(gè)區(qū)：①可變電阻區(qū)：預(yù)夾斷前。②電流飽和區(qū)（恒流區(qū)）：預(yù)夾斷后。特點(diǎn)：△ID

/△VGS≈常數(shù)=gm

即：△ID

=gm△VGS（放大原理）③擊穿區(qū)。④夾斷區(qū)（截止區(qū)）。VGS<VP

目前八頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)(a)漏極輸出特性曲線(b)轉(zhuǎn)移特性曲（2）轉(zhuǎn)移特性曲線：ID=f（VGS）│VDS=常數(shù)(當(dāng)時(shí))目前九頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)目前十頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)4.2MOS型場(chǎng)效應(yīng)管4.2.1N溝道增強(qiáng)型MOS管

1、結(jié)構(gòu)與符號(hào)P溝道增強(qiáng)型N溝道增強(qiáng)型目前十一頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)2、工作原理（1）、vGS對(duì)iD及溝道的控制作用

增強(qiáng)型MOS管的漏極d和源極s之間有兩個(gè)背靠背的PN結(jié)。當(dāng)vGS=0時(shí)，不論vDS的極性如何，總有一個(gè)PN結(jié)處于反偏狀態(tài)，這時(shí)漏極電流iD≈0。目前十二頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)vGS＞0

當(dāng)vGS數(shù)值較小，吸引電子的能力不強(qiáng)時(shí)，漏源極之間生成耗盡區(qū)（帶負(fù)電的受主離子），仍無自由電子，無導(dǎo)電溝道出現(xiàn)。vGS再增加時(shí)，吸引到P襯底表面層的電子就增多，當(dāng)vGS達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，這些電子在柵極附近的P襯底表面便形成一個(gè)N型自由電子薄層，將自由電子層稱為N型溝道，因?qū)щ婎愋团cP襯底相反，故又稱為反型層。

把開始形成溝道時(shí)的柵源極電壓稱為門限電壓，用VTN表示。目前十三頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)（2）vDS對(duì)iD的影響

當(dāng)vGS>VTN且為一確定值時(shí)，正向電壓VDS對(duì)導(dǎo)電溝道及電流iD的影響與結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管相似（進(jìn)入夾斷才能恒流）。當(dāng)vDS較小（vDS<vGS-VTN）時(shí)iD隨vDS近似呈線性變化，溝道沒有夾斷，F(xiàn)ET沒有進(jìn)入壓控恒流狀態(tài)。目前十四頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)當(dāng)vDS增加到vDS=VTN時(shí)溝道在漏極一端出現(xiàn)預(yù)夾斷繼續(xù)增大vDS，vGD<VTN

，夾斷點(diǎn)將向源極方向移動(dòng)iD不隨vDS增大而增加，ID僅由vGS決定。(或vDS=vGS-VTN)時(shí)目前十五頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)（3）N溝道增強(qiáng)型MOS管的特性方程特性曲線和電流方程目前十六頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)目前十七頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)4.2.2N溝道增強(qiáng)型MOSFET管伏安關(guān)系式電阻區(qū)：

放大區(qū)：

為N溝道元件的傳導(dǎo)參數(shù)，單位是A/V2。令則是氧化物單位面積的電容，可表示為是氧化物的厚度，

是氧化物的介電常數(shù)，對(duì)硅而言，

是反型層中電子的遷移率。(vGS＞VTN)IDO是vGS=2VTN時(shí)的漏極電流iD。目前十八頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)[例4.1]目的：計(jì)算N溝道增強(qiáng)型MOSFET的電流已知VTN＝0.75V，W＝4μm，L=4μm，μn=650cm2/(V.s)，tox=450?，εox=3.5×10-13F/cm。VGS=2VTN，場(chǎng)效應(yīng)管處于放大狀態(tài)。試計(jì)算電流iD。

解：＝0.249mA/v2

當(dāng)

時(shí)

注：可以通過增大電導(dǎo)參數(shù)Kn來增大晶體管的電流容量。當(dāng)制造工藝一定時(shí)，可通過調(diào)節(jié)場(chǎng)效應(yīng)管的溝道寬度W來改變Kn

。目前十九頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)4.3直流和交流參數(shù)和小信號(hào)等效模型目前二十頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)目前二十一頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)目前二十二頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)目前二十三頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)目前二十四頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)目前二十五頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)目前二十六頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)目前二十七頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)目前二十八頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)目前二十九頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)目前三十頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)目前三十一頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)例4-1FET、BJT的組態(tài)及其電路結(jié)構(gòu)和分析方法類似。但是，對(duì)穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)電流ID的求解方式不同（僅能用轉(zhuǎn)移特性方程式和柵源間電壓方程式聯(lián)立求解方程的方法求解ID。）已知：目前三十二頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)4.3MOSFET的偏置電路

分離MOSFET放大電路的直流偏置集成MOSFET放大電路的直流偏置目前三十三頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)4.3.1分離MOSFET電路的直流偏置直流通路無自給偏壓式CS放大電路目前三十四頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)

放大區(qū)：

電阻區(qū)：

∵M(jìn)OSFET的柵極直流電流IGS=0目前三十五頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)[例4.2]目的：計(jì)算N溝道增強(qiáng)型MOSFET共源極電路的漏極電流和漏源電壓。

電路如4.8所示。設(shè)R1=30kΩ，R2=20kΩ，RD=20kΩ，VDD=5V，VTN=1V，Kn=0.1mA/V2。求ID和VDS。，

目前三十六頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)解：=假設(shè)場(chǎng)效應(yīng)管處于放大狀態(tài)，則：因?yàn)樗约僭O(shè)成立，即場(chǎng)效應(yīng)管確實(shí)處于放大狀態(tài)，上述分析是正確的。說明：如果不滿足漏極電流的計(jì)算要采用公式：，則場(chǎng)效應(yīng)管處于電阻區(qū)，目前三十七頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)[例4.3]目的：計(jì)算N溝道增強(qiáng)型MOSFET的柵源電壓、漏源電流和漏源電壓。電路如圖4.9所示。場(chǎng)效應(yīng)管的參數(shù)為VTN=1V，Kn=0.5mA/V2。求VGS、ID和VDS。

RS的作用－穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)目前三十八頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)假設(shè)場(chǎng)效應(yīng)管處于放大區(qū)，則：

即假設(shè)成立，場(chǎng)效應(yīng)管處于放大區(qū)。另兩種假設(shè)（電阻區(qū)或截止區(qū)）導(dǎo)致無解。解：由上兩式可得：VGS=2.65V或VGS=-2.65V(舍去）

ID=1.35mA目前三十九頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)[分析指南]MOSFET電路的直流分析求VGS，VGS>VTN?假設(shè)工作在放大區(qū)ID=Kn(VGS-VTN)2假設(shè)工作在電阻區(qū)ID=Kn[2(VGS-VTN)VDS-VDS2]工作在截止區(qū)VDS>VDS(sat)=VGS-VTN?成功失敗VDS>VDS(sat)=VGS-VTN?成功失敗是否是是否否目前四十頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)

直流電路如圖4.10所示。設(shè)MOSFET的參數(shù)為VTN=2V，Kn=0.16mA/V2。試確定R1和R2使流過它們的電流為0.1ID。要求ID=0.5mA，采用標(biāo)準(zhǔn)電阻。[例4.4]目的：設(shè)計(jì)MOSFET電路的直流偏置，滿足漏極電流的特定要求。目前四十一頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)解：假設(shè)場(chǎng)效應(yīng)管工作于放大區(qū)，則有

取

R1=100kΩ，R2=100kΩ。目前四十二頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)驗(yàn)證場(chǎng)效應(yīng)管是否處于放大區(qū)確實(shí)處于放大區(qū)，假設(shè)正確。目前四十三頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)4.3.2集成MOSFET電路的直流偏置[例4.5]目的：設(shè)計(jì)一個(gè)由恒流源提供偏置的MOSFET電路。電路如圖4.11(a)所示。場(chǎng)效應(yīng)管的參數(shù)為

設(shè)計(jì)電路參數(shù)使目前四十四頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)解：假設(shè)場(chǎng)效應(yīng)管處于放大區(qū)，則有確實(shí)工作在放大區(qū)。驗(yàn)證是否工作在放大區(qū)：目前四十五頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)

將N溝道增強(qiáng)型MOSFET像圖4.12所示那樣連接的電路應(yīng)用較為廣泛。圖中，永遠(yuǎn)成立，另外只要保證即可保證場(chǎng)效應(yīng)管工作在放大區(qū)。常稱這種連接電路為增強(qiáng)型負(fù)載電路（這種稱法在下一章作詳細(xì)解釋）。目前四十六頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)[例4.6]目的：計(jì)算含增強(qiáng)型負(fù)載電路的工作點(diǎn)。電路如圖4.13所示。已知VTN=0.8V，Kn=0.05mA/V2。解：由于場(chǎng)效應(yīng)管工作于放大區(qū)，所以

由上兩式可得解得目前四十七頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)4.4MOSFET放大電路的交流電路單級(jí)或單管MOSFET放大器的三種基本組態(tài)：共源極放大電路共漏極放大電路共柵極放大電路增強(qiáng)型負(fù)載目前四十八頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)4.3.1MOSFET放大電路的線性化分析原理

目前四十九頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)圖4.17共源極電路

圖4.18輸入輸出電壓信號(hào)波形

目前五十頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)1．跨導(dǎo)

gm設(shè)MOSFET工作于放大區(qū)4.3.2MOSFET放大電路線性化模型的交流參數(shù)若則目前五十一頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)令則即gm是場(chǎng)效應(yīng)管的跨導(dǎo)。跨導(dǎo)也可以通過求微分得到:注：跨導(dǎo)gm與靜態(tài)工作點(diǎn)有關(guān)。目前五十二頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)2.交流輸出電阻rDSMOSFET工作于放大區(qū)時(shí)，漏極電流iD與漏源電壓vDS無關(guān)?

實(shí)際MOSFET的iD-vDS特性曲線在放大區(qū)的斜率不為零。當(dāng)vDS>vds(sat)時(shí)，出現(xiàn)溝道長(zhǎng)度調(diào)制。類似于BJT的基區(qū)寬調(diào)效應(yīng)。

對(duì)N溝道增強(qiáng)型MOSFET，這種傾斜現(xiàn)象可以用下式校正：如何確定λ－溝道長(zhǎng)度調(diào)制參數(shù)？目前五十三頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)

所有曲線的反向延長(zhǎng)線都與電壓軸相交于vDS=-VA處，電壓VA為正，它與雙極型晶體管的Early電壓相似。令iD=0可得λ＝1/VA。目前五十四頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)4.3.3MOSFET放大電路的交流小信號(hào)線性模型目前五十五頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)[例4.9]目的：確定MOSFET的小信號(hào)電壓增益。電路如圖4.17所示。設(shè)VGSQ=2.12V，VDD=5V，RD=2.5kΩ。場(chǎng)效應(yīng)管參數(shù)為VTN=1V，Kn=0.80mA/V，λ=0.02V-1。該場(chǎng)效應(yīng)管工作于放大區(qū)。求AV=vo/vi。解題思路：求IDQ求交流參數(shù)gm和rDS畫交流小信號(hào)等效電路求AV、Ri、Ro等目前五十六頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)解：=0.8×(2.12-1)=1.0mA

=5-1×2.5=2.5V

因此2.5V=2.12-1=1.12V

場(chǎng)效應(yīng)管確實(shí)工作于放大區(qū)。

跨導(dǎo)＝2×0.8×(2.12-1)=1.79mA/V

輸出電阻

K

目前五十七頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)由圖4.21可求得輸出電壓為

∥由于，所以小信號(hào)電壓增益為

=∥=-1.79×(50∥2.5)=-4.26

目前五十八頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)說明：由于MOSFET的跨導(dǎo)較小，因此與雙極型晶體管放大電路相比，MOSFET放大電路的小信號(hào)電壓增益也較小。小信號(hào)電壓增益為負(fù)，表明輸出電壓與輸入電壓的相位相差180°，即反相。目前五十九頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)第四章

MOSFET及其放大電路目前六十頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)4.4MOSFET放大電路的三種基本組態(tài)共源極放大電路-CS共漏極放大電路-CD共柵極放大電路-CG目前六十一頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)4.4.1共源極放大器-CS1.共源極電路的基本結(jié)構(gòu)目前六十二頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)圖4.24直流負(fù)載線、臨界點(diǎn)和靜態(tài)工作點(diǎn)目前六十三頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)小信號(hào)等效電路目前六十四頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)輸出電壓

又因此小信號(hào)電壓增益為輸入電阻輸出電阻目前六十五頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)[例4.10]目的：確定共源極放大器的小信號(hào)電壓增益和輸入、輸出電阻。電路如圖4.22所示。已知VDD=10V，R1=70.9kΩ，R2=29.1kΩ

，RD=5kΩ

。場(chǎng)效應(yīng)管參數(shù)VTN=1.5V，Kn=0.5mA/V2，λ=0.01V-1。設(shè)Rg=4kΩ

。求

Av=vo/vi，Ri和Ro目前六十六頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)解：①直流計(jì)算②小信號(hào)電壓增益、輸入電阻和輸出電阻的計(jì)算因?yàn)樗詧?chǎng)效應(yīng)管工作在放大區(qū)。目前六十七頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)說明：該例的結(jié)果表明，工作點(diǎn)位于直流負(fù)載線的中心（VDSQ=VDD/2=10/2=5V），但不是放大區(qū)的中心（VDS=VDS(sat)+(VDD-VDS(sat))/2=1.41+(10-1.41)/2=6.61V）。所以該電路在此情況下不能獲得最大不失真電壓。目前六十八頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)討論：由于不為零，所以放大器輸入信號(hào)只占信號(hào)源電壓的83.7％,這也被稱為負(fù)載效應(yīng)。盡管從柵極看入的場(chǎng)效應(yīng)管輸入電阻幾乎為無窮大，但偏置電阻仍極大地影響了放大器的輸入電阻和負(fù)載效應(yīng)。

目前六十九頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)[設(shè)計(jì)例題4.11]目的：設(shè)計(jì)MOSFET放大電路的偏置電阻，使工作點(diǎn)位于放大區(qū)的中心。電路如圖4.25所示。場(chǎng)效應(yīng)管的參數(shù)為VTN=1V，Kn=1mA/V2，λ=0.015V-1。設(shè)Ri=R1//R2=100kΩ,設(shè)計(jì)電路參數(shù)使IDQ=2mA，且工作點(diǎn)位于放大區(qū)的中心。

目前七十頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)解：負(fù)載線和所期望的工作點(diǎn)如圖4.26所示。若工作點(diǎn)位于放大區(qū)的中心，則臨界點(diǎn)處的電流必須為4mA。即4mA（下標(biāo)t表示臨界處的值）又∴由此可得3V或

-1V（舍去）所以將工作點(diǎn)設(shè)置在放大區(qū)的中心，則

目前七十一頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)

由此可知，最大輸出電壓的峰—峰值為

下面求電阻和的值。

由

目前七十二頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)可得2.41V或-0.41V（舍去）又

由此可得

498kΩ,

125kΩ

下面計(jì)算放大器的小信號(hào)增益.

目前七十三頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)k

////說明:本例中沒有考慮負(fù)載電容。如果考慮負(fù)載電容，則工作點(diǎn)應(yīng)為交流負(fù)載線在放大區(qū)的中心，才能獲得對(duì)稱的最大不失真電壓。目前七十四頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)[例4.12]目的：計(jì)算含源極電阻的共源極電路的小信號(hào)電壓增益。電路如圖4.26所示。場(chǎng)效應(yīng)管參數(shù)為

VTN=0.8V，Kn=1mA/V2，λ=0。求Av=vo/vi。

2.含源極電阻的共源極放大器目前七十五頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)解：由直流分析可得小信號(hào)跨導(dǎo)為

小信號(hào)輸出電阻為目前七十六頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)柵—源輸入回路的KVL方程為即小信號(hào)電壓增益為下面計(jì)算小信號(hào)電壓增益：目前七十七頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)說明：源極電阻的影響

無源極電阻：通過計(jì)算可得VGS=1.75V，gm=1.9mA/V，AV=-gmRD=-13.3。由此可見，源極電阻減小了小信號(hào)電壓增益（絕對(duì)值）。

有源極電阻：工作點(diǎn)更加穩(wěn)定。有源極電阻時(shí)，若Kn=0.8mA/V2，則gm=1.17mA/V，AV=-5.17；若Kn=1.2mA/V2，則gm=1.62mA/V，AV=-6.27

。這表明，當(dāng)傳導(dǎo)參數(shù)Kn在±20％內(nèi)變化時(shí)，電壓增益的變化為±9.5％。而如果沒有源極電阻，可通過相應(yīng)計(jì)算知，參數(shù)Kn在±20％變化時(shí)，電壓增益的變化仍為±20％。由此可見，工作點(diǎn)在有源極電阻時(shí)更加穩(wěn)定。目前七十八頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)3.含源極旁路電容的共源極電路源極電阻上并聯(lián)一個(gè)旁路電容：

減小源極電阻降低小信號(hào)增益的程度目前七十九頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)[例4.13]目的：求電路的小信號(hào)電壓增益，電路由恒流源提供偏置，源極旁路電容與恒流源并聯(lián)。電路如圖4.28所示。場(chǎng)效應(yīng)管參數(shù)為VTN=0.8V，Kn=1mA/V2，λ=0，求Av=vo/vi。目前八十頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)因?yàn)閂DS(sat)=VGSQ-VTN=1.51-0.8=0.71VVDSQ>VDS(sat)，由此可見場(chǎng)效應(yīng)管工作于放大區(qū)。解：由于柵極直流電壓為零，所以源極的直流電壓為VS=-VGSQ，柵—源電壓VGSQ由下式求得：

即由此可得或（舍去）目前八十一頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)

圖4.29圖4.28交流小信號(hào)等效電路目前八十二頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)輸出電壓由于vgs=vi，因此小信號(hào)電壓增益為（由例4.12可知，gm=1.4mA/V）

說明：與例4.12的小信號(hào)電壓增益-5.76相比，增加源極旁路電容后，小信號(hào)電壓增益升高為-9.8（只考慮絕對(duì)值）。目前八十三頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)4.4.2源極跟隨器-CD圖4.30MOSFET共漏極電路目前八十四頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)交流性能分析圖4.31圖4.30交流小信號(hào)等效電路目前八十五頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)輸出電壓

由KVL，有

因此

(4.15)1.電壓增益又其中目前八十六頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)小信號(hào)電壓增益為即由上式可見，電壓增益Av小于1但接近于1，正的增益意味著輸出電壓與輸入電壓同相。因?yàn)檩敵鲂盘?hào)基本上與輸入信號(hào)相等，所以稱該電路為源極跟隨器。這一結(jié)果與BJT射極跟隨器的情況相似。

目前八十七頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)[例4.14]目的：計(jì)算源極跟隨器的小信號(hào)電壓增益。電路如圖4.30所示。已知VDD=12V，R1=162kΩ，R2=463kΩ

，RS=0.75kΩ

。場(chǎng)效應(yīng)管參數(shù)為VTN=1.5V，Kn=4mA/V2，λ=0.01V。設(shè)Rg=4kΩ

。求Av=vo/vi。目前八十八頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)解：直流分析結(jié)果為7.97mA，2.91V

小信號(hào)跨導(dǎo)為2×4×(2.91-1.5)=11.3mA/V

小信號(hào)輸出電阻為

k放大器輸入電阻為=162∥463=120k小信號(hào)電壓增益為目前八十九頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)說明：小信號(hào)電壓增益為0.860,大于零且小于1。源極跟隨器的電壓增益表達(dá)式與BJT的射極跟隨器的增益表達(dá)式類似。由于BJT的跨導(dǎo)一般比MOSFET的跨導(dǎo)大得多，所以射極跟隨器的電壓增益比MOSFET源極跟隨器的增益更趨近于1。目前九十頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)[設(shè)計(jì)例題4.15]目的：設(shè)計(jì)一個(gè)特定的N溝道增強(qiáng)型MOSFET源極跟隨器。電路如圖4.32所示。場(chǎng)效應(yīng)管參數(shù)為VTN=1V，Kn=1mA/V2，λ=0。電路參數(shù)為VDD=5V，Ri=300kΩ

（1）設(shè)計(jì)電路參數(shù)，使IDQ=1.7mA，VDSQ=3V;（2）求小信號(hào)電壓增益Av=vo/vi。目前九十一頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)解：（1）k

代入數(shù)據(jù)得

1.7=1×(-1)2

由此可得

=2.30V或=-0.3V（舍去）

又

目前九十二頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)代入數(shù)據(jù)得

2.30=5-1.7×1.18

由此可得

348.8k,2144k（2）2×1×(2.30-1)

=2.6mA/V

目前九十三頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)參照?qǐng)D4.30(b)，令其中的，去掉，即為圖4.31的交流等效電路，這里不再重畫。

代入數(shù)據(jù)得目前九十四頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)根據(jù)圖4.31(b)求交流輸入電阻和輸出電阻。輸入電阻為了計(jì)算輸出電阻，將圖中小信號(hào)電壓源置零，在電路的輸出端施加一個(gè)測(cè)試電壓vx，如圖4.33所示。然后求出相應(yīng)的電流ix，則輸出電阻Ro=vx/ix。2.交流輸入、輸出電阻

圖4.33求交流輸出電阻的等效電路目前九十五頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)在源極輸出端列寫KCL方程得由于輸入回路中無電流，因此所以即

由圖4.33可見，vgs是受控電流源gmvgs兩端的電壓。這意味著受控電流源的等效電阻為1/gm。這一結(jié)果說明從源極（忽略rds）看入的等效電阻為1/gm。目前九十六頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)[例4.16]目的：計(jì)算源極-CS跟隨器的輸出電阻。電路如圖4.30所示，電路參數(shù)和場(chǎng)效應(yīng)管參數(shù)與例4.14相同。求輸出電阻Ro。

解：由例4.14知，gm=11.3mA/V，RS=0.75kΩ，rds=12.5kΩ

，所以

說明：在源極跟隨器輸出電阻中，跨導(dǎo)占主要地位。由于輸出電阻很小，源極跟隨器近似為一個(gè)理想的電壓源，也就是說，它的輸出驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng)。目前九十七頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)4.4.3共柵-CG極放大器目前九十八頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)圖4.35圖4.34所示電路的小信號(hào)等效電路目前九十九頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)設(shè)場(chǎng)效應(yīng)管小信號(hào)輸出電阻rds為無窮大。輸出電壓為由輸入回路的KVL方程得 其中1.小信號(hào)電壓增益和電流增益因此小信號(hào)電壓增益為電壓增益為正，說明輸出電壓與輸入電壓相位相同。（1）小信號(hào)電壓增益目前一百頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)（2）小信號(hào)電流增益在許多應(yīng)用場(chǎng)合，共柵極電路的輸入信號(hào)是電流。圖4.36電流信號(hào)源的共柵極電路的小信號(hào)等效電路目前一百零一頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)在輸入端由KCL可得當(dāng)及時(shí)，電流增益約為1，但總小于1，且輸出電流與輸入電流同相。與BJT共基極電路的電流增益相似。即小信號(hào)電流增益為(4.18)目前一百零二頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)2.交流輸入、輸出電阻輸入電阻：因?yàn)樗耘c共源放大器和源極跟隨器不同，共柵極電路由于場(chǎng)效應(yīng)管的原因輸入電阻很低。然而，如果輸入信號(hào)是電流，輸入電阻低就成為優(yōu)點(diǎn)。目前一百零三頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)下面求輸出電阻。由圖4.36，將電流源置零（開路），可得

，這說明

，因此受控電流源。從負(fù)載電阻的輸入端方向看的輸出電阻為目前一百零四頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)[例4.17]目的：對(duì)共柵極電路，在給定輸入電流的情況下，求輸出電壓。電路如圖4.34所示，其交流等效電路如圖4.36所示。已知電路參數(shù)為IQ=1mA，V+=5V，V-=-5V，RG=100kΩ，RD=4kΩ，RL=10kΩ。場(chǎng)效應(yīng)管參數(shù)為VTN=1V，Kn=1mA/V2，λ=0。輸入電流ii=100sin(ωt)μA，Rg=50kΩ。求vo。目前一百零五頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)解代入數(shù)據(jù)得1=1×(-1)2

解得=2V或=0（舍去）小信號(hào)跨導(dǎo)為2×1×(2-1)=2mA/V

由式(4.18)可得輸出電流的表達(dá)式為輸出電壓為即目前一百零六頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)三種基本放大器組態(tài)的總結(jié)與比較

表4.1三種MOSFET放大器的特性目前一百零七頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)

電壓增益：共源極|(-gm(RD//rds)|或|-gm(RD//rds)/(1+gmRS))|>>1共柵極gm(RD//rds)/(1+gmRg)>>1源極跟隨器gmRS/(1+gmRS)≈1

輸入電阻：共源極電路和源極跟隨器R1//R2共柵極電路1/gm

輸出電阻：源極跟隨器1/gm//RS//rds共源極和共柵極電路

RD。目前一百零八頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)目前一百零九頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)二、N溝道耗盡型MOS管

N溝道耗盡型MOS管與N溝道增強(qiáng)型MOS管相似，區(qū)別僅在于柵源極電壓vGS=0時(shí)，耗盡型MOS管中的漏源極間已有導(dǎo)電溝道產(chǎn)生。

在SiO2絕緣層中摻入了大量的金屬正離子Na+或K+N溝道P溝道目前一百一十頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)vGS=0時(shí)，漏源極間的P型襯底表面也能感應(yīng)生成N溝道(稱為初始溝道)，加上正向電壓vDS，就有電流iD。加上正的vGS，溝道加寬，溝道電阻變小，iD增大。vGS為負(fù)時(shí)，溝道變窄，溝道電阻變大，iD減小。當(dāng)vGS負(fù)向增加到某一數(shù)值時(shí)，導(dǎo)電溝道消失，iD趨于零，管子截止，故稱為耗盡型。溝道消失時(shí)的柵源電壓稱為夾斷電壓，仍用VP表示。結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管只能在vGS<0的情況下工作。N溝道耗盡型MOS管在vGS=0，vGS>0，VP<vGS<0。目前一百一十一頁(yè)\總數(shù)一百二十一頁(yè)\編于十點(diǎn)三、場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)(1)開啟電壓VT（又稱門限電壓）

VT

是MOS增強(qiáng)型管的參數(shù)，柵源電壓小于開啟電壓的絕對(duì)值,場(chǎng)效應(yīng)管不能導(dǎo)通。

（2）夾斷電壓VP

VP

是MOS耗盡型和結(jié)型FET的參數(shù)，當(dāng)V