1、(模拟电子技术基础教学课件)4.场效应管及其放大电路场效应管的分类：场效应管的分类：P P沟道沟道耗尽型耗尽型P P沟道沟道P P沟道沟道N N沟道沟道增强型增强型N N沟道沟道N N沟道沟道（耗尽型）（耗尽型）F Fieldield E EffectffectT Transistor ransistor FETFET场效应管场效应管JFETJFET结型结型MOSFETMOSFET绝缘栅型绝缘栅型(IGFET)(IGFET)耗尽型耗尽型：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在增强型增强型：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道：场效应管没有加偏置
2、电压时，没有导电沟道4 4 场效应三极管及放大场效应三极管及放大电路电路4.1 4.1 金属金属-氧化物氧化物-半导体（半导体（MOSMOS）场效应三极管）场效应三极管4.2 4.2 MOSFET MOSFET基本共源极放大电路基本共源极放大电路4.3 4.3 图解分析法图解分析法4.4 4.4 小信号模型分析法小信号模型分析法4.5 4.5 共漏极和共栅极放大电路共漏极和共栅极放大电路4.6 4.6 集成电路单级集成电路单级MOSFETMOSFET放大电路放大电路(*)4.7 4.7 多级放大电路多级放大电路4.8 4.8 结型场效应管（结型场效应管（JFETJFET）及其放大电路）及其放大
3、电路4.9 4.9 砷化镓金属砷化镓金属-半导体场效应管半导体场效应管(*)4.10 4.10 各种各种FETFET的特性及使用注意事项的特性及使用注意事项1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET1.1.结构结构L：沟道长度：沟道长度W：沟道宽度：沟道宽度tox：绝缘层厚度：绝缘层厚度通常通常 W L 绝缘体 沟道 栅极 g 铝电极（Al）二氧化硅绝缘层（SiO2）源极 s 漏极 d L W N N P 型衬底 tox 1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET剖面图剖面图 d g s B 衬底 符号符号 铝铝 源极源极 s SiO2绝缘层绝缘层 栅极栅极 g 漏极漏极 d 铝铝 铝铝 耗尽
4、层耗尽层 P 型硅衬底型硅衬底 B 衬底引线衬底引线 N N 1.1.结构结构其中其中:D(Drain)为漏极为漏极,相当于相当于c；G(Gate)为栅极，相当于为栅极，相当于b；S(Source)为源极为源极,相当于相当于e。1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET（1）VGS对沟道的控制作用对沟道的控制作用当当V VGSGS00时时 无导电沟道，无导电沟道，d、s间加间加电压时，也无电流产生。电压时，也无电流产生。s g d B 衬底引线衬底引线 N N VGG 耗尽层耗尽层 P 2.2.工作原理工作原理1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET（1）VGS对沟道的控制作用对沟道的控制作
5、用当当0 0 V VGS GS V VTN TN 时时 在电场作用下产生导电沟在电场作用下产生导电沟道，道，d、s间加电压后，将有间加电压后，将有电流产生。电流产生。s g d B 衬底引线衬底引线 N N VGG 耗尽层耗尽层 P V VGSGS越大，导电沟道越厚越大，导电沟道越厚 s g d B 衬底引线衬底引线 N N VGG 耗尽层耗尽层 P（1）VGS对沟道的控制作用对沟道的控制作用2.2.工作原理工作原理在在V VGSGS=0V=0V时时I ID D=0=0，只有当，只有当V VGSGSV VTNTN后后才才会出现漏极电流，会出现漏极电流，必须依靠栅极外必须依靠栅极外加电压才能产生
6、反型层的加电压才能产生反型层的MOSFET称为称为增强型增强型器件器件2.2.工作原理工作原理（2）VDS对沟道的控制作用对沟道的控制作用靠近漏极靠近漏极d d处的电位升高处的电位升高 s g d B 衬底引线衬底引线 N N VGG 耗尽层耗尽层 P VDD s g d B 衬底引线衬底引线 N N VGG 耗尽层耗尽层 P 电场强度减小电场强度减小 沟道变薄沟道变薄当当V VGSGS一定（一定（V VGS GS V VTN TN）时，）时，V VDSDS I ID D 沟道电位梯度沟道电位梯度 iD O vDS 整个沟道呈整个沟道呈楔形分布楔形分布 VDD 1.1 N沟道增强型沟道增强型M
7、OSFET s g d B 衬底引线衬底引线 N N VGG 耗尽层耗尽层 P VDD s g d B 衬底引线衬底引线 N N VGG 耗尽层耗尽层 P VDD 当当V VDSDS增加到使增加到使V VGDGD=V VTN TN 时，时，在紧靠漏极处出现预夹断。在紧靠漏极处出现预夹断。iD O vDS 预夹断点预夹断点 A 在预夹断处：在预夹断处：V VGDGD=V VGSGS-V VDS DS=V VT T（2）VDS对沟道的控制作用对沟道的控制作用当当V VGSGS一定（一定（V VGS GS V VTN TN）时，）时，V VDSDS I ID D 沟道电位梯度沟道电位梯度 2.2.工
8、作原理工作原理1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET iD O vDS 截止区 vGSVT 可变 电阻区 vDS VTN时，增强型时，增强型MOSFET的的d、s间才能导通。间才能导通。iD/mA 2 1.5 1 0.5 0 2.5 5 7.5 10 vDS/V 可变电阻可变电阻区区(非饱和区非饱和区)预夹断临界点轨迹预夹断临界点轨迹 vDSvGSVTN(或或 vGDvGSvDSVTN)3V 2.5V 2V vGS1.5V 饱和饱和区区 截止截止区区 3.3.V V-I-I 特性曲线及大信号特性方程特性曲线及大信号特性方程（1）输出特性及大信号特性方程）输出特性及大信号特性方程const.
9、DSDGS)(vvfi 截止区截止区当当vGSVTN时，导电沟道时，导电沟道尚未形成，尚未形成，iD0，为截，为截止工作状态。止工作状态。1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET 可变电阻区可变电阻区 vDS V VT T ，且，且vDSDS（vGSGSV VTNTN）2DnGSTN()iKVv22GSnTTN(1)K VVv2GSDOTN(1)IVv2DOnTNIK V是是vGSGS2 2V VTNTN时时的的iD D V V-I I 特性：特性：（1）输出特性及大信号特性方程）输出特性及大信号特性方程 iD/mA 2 1.5 1 0.5 0 2.5 5 7.5 10 vDS/V 可变电阻
10、可变电阻区区(非饱和区非饱和区)预夹断临界点轨迹预夹断临界点轨迹 vDSvGSVTN(或或 vGDvGSvDSVTN)3V 2.5V 2V vGS1.5V 饱和饱和区区 截止截止区区 必须让必须让FET工作在饱和区工作在饱和区（放大区）才有放大作用。（放大区）才有放大作用。3.3.V V-I-I 特性曲线及大信号特性方程特性曲线及大信号特性方程1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET iD/mA 2 1.5 1 0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 vGS/V A B C D VTN vDS5V（2）转移特性）转移特性const.GSDDS)(vvfi#为什么不谈输入特性？为什么不
11、谈输入特性？iD/mA 2 1.5 1 0.5 0 2.5 5 7.5 10 vDS/V 可变电阻可变电阻区区(非饱和区非饱和区)预夹断临界点轨迹预夹断临界点轨迹 vDSvGSVTN(或或 vGDvGSvDSVTN)3V 2.5V 2V vGS1.5V 饱和饱和区区 截止截止区区 ABCD在饱和区，在饱和区，iD受受vGS控制控制3.3.V V-I-I 特性曲线及大信号特性方程特性曲线及大信号特性方程1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET2TNGSDOD)1(VIiv1.2 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET1.1.结构和工作原理结构和工作原理 s g d 二氧化硅 掺杂后具有正 离子的绝
12、缘层 N N 耗尽层 N 型沟道 P B 衬底引线 d g s B 衬底 二氧化硅绝缘层中掺有大量的正离子，已存在导电沟道二氧化硅绝缘层中掺有大量的正离子，已存在导电沟道 可以在正或负的栅源电压下工作，而且基本上无栅流可以在正或负的栅源电压下工作，而且基本上无栅流1.2 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET6 iD/mA 8 6 4 2 0 4 2 2 4 vGS/V IDSS VPN iD/mA 8 6 4 2 0 3 6 9 12 vDS/V 截止区截止区 vDSvGSVPN 4V 2V vGS0V 2V 4V 15 可变可变 电阻区电阻区 饱和区饱和区(非饱和区非饱和区)2GSDDSSPN
13、(1)iIVv2GSDDOTN(1)iIVv（N N沟道增强型）沟道增强型）IDSS 2.2.V-IV-I 特性曲线及大信号特性方程特性曲线及大信号特性方程1.3 P沟道沟道MOSFET d g s B d g s B#衬底是什么类型的半导体材料？衬底是什么类型的半导体材料？#哪个符号是增强型的？哪个符号是增强型的？#在增强型的在增强型的P沟道沟道MOSFET 中，中，vGS应加什么极性的电压才应加什么极性的电压才能工作在饱和区（线性放大区）？能工作在饱和区（线性放大区）？1.3 P沟道沟道MOSFET#是增强型还是耗尽型特性曲线？是增强型还是耗尽型特性曲线？#耗尽型特性曲线是怎样的？耗尽型特
14、性曲线是怎样的？vGS加什么极性的电压能使管子加什么极性的电压能使管子工作在饱和区（线性放大区）？工作在饱和区（线性放大区）？电流均以流入漏极的方向为正！电流均以流入漏极的方向为正！1.4 沟道长度调制效应沟道长度调制效应不做教学要求不做教学要求沟道长度调制参数沟道长度调制参数实际上饱和区的曲线并不是平坦的（实际上饱和区的曲线并不是平坦的（N N沟道为例）沟道为例）2DnGSTNDS()(1)iKVvvL的单位为的单位为 m110 VL .当不考虑沟道调制效应时，当不考虑沟道调制效应时，0 0，曲线是平坦的。，曲线是平坦的。修正后修正后1.5 MOSFET的主要参数的主要参数一、直流参数一、直
15、流参数1.开启电压开启电压VTN（增强型参数）（增强型参数）2.夹断电压夹断电压VPN（耗尽型参数）（耗尽型参数）VDD iD T B d s VGG A g V VTN VDD iD T B d s VGG A g V VPN 1.5 MOSFET的主要参数的主要参数一、直流参数一、直流参数3.饱和漏电流饱和漏电流IDSS（耗尽型参数）（耗尽型参数）4.直流输入电阻直流输入电阻RGS（1091015）1.5 MOSFET的主要参数的主要参数所以所以1.输出电阻输出电阻rds GSDDSdsVir v21dsnGSTND1()rKViv当不考虑沟道调制效应时，当不考虑沟道调制效应时，0 0，r
16、dsds 实际中实际中，rds一般在几十千欧到几百千欧之间一般在几十千欧到几百千欧之间。二、交流参数二、交流参数 2DnGSTNDS()(1)iKVvv对于增强型对于增强型NMOS管管DDS2nGSTN1()iKVvv有有1.5 MOSFET的主要参数的主要参数DS GSDmVigv 2.2.低频互导低频互导gm 反映了栅源电压对漏极电流的控制能力反映了栅源电压对漏极电流的控制能力二、交流参数二、交流参数 2DnGSTN()iKVv则则DSDS2nGSTNDmGSGS()VVKVigvvvnGSTN2()KVvDn2iK LWK 2Coxnn其中其中又因为又因为 2DnGSTN()iKVvDG
17、STNn()iVKv所以所以 mnGSTN2()gKVvNMOSNMOS增强型增强型1.5 MOSFET的主要参数的主要参数三、极限参数三、极限参数 1.最大漏极电流最大漏极电流IDM 2.最大耗散功率最大耗散功率PDM 3.最大漏源电压最大漏源电压V（BR）DS 4.最大栅源电压最大栅源电压V（BR）GS 4 4 场效应三极管及放大场效应三极管及放大电路电路4.1 4.1 金属金属-氧化物氧化物-半导体（半导体（MOSMOS）场效应三极管）场效应三极管4.2 4.2 MOSFET MOSFET基本共源极放大电路基本共源极放大电路4.3 4.3 图解分析法图解分析法4.4 4.4 小信号模型分
18、析法小信号模型分析法4.5 4.5 共漏极和共栅极放大电路共漏极和共栅极放大电路4.6 4.6 集成电路单级集成电路单级MOSFETMOSFET放大电路放大电路(*)4.7 4.7 多级放大电路多级放大电路4.8 4.8 结型场效应管（结型场效应管（JFETJFET）及其放大电路）及其放大电路4.9 4.9 砷化镓金属砷化镓金属-半导体场效应管半导体场效应管(*)4.10 4.10 各种各种FETFET的特性及使用注意事项的特性及使用注意事项4.2 MOSFET4.2 MOSFET基本共源极放大电路基本共源极放大电路4.2.1 4.2.1 基本共源极放大电路的组成基本共源极放大电路的组成4.2
19、.2 4.2.2 基本共源放大电路的工作原理基本共源放大电路的工作原理4.2.3 4.2.3 放大电路的习惯画法和主要分析法放大电路的习惯画法和主要分析法2.1 基本共源极放大电路的组成基本共源极放大电路的组成1.1.如何让如何让MOS管工作在饱和区？管工作在饱和区？元件作用元件作用VGG：提供栅源电压使提供栅源电压使 vGS VTNVDD和和Rd：提供合适的漏源电压，使提供合适的漏源电压，使 vDS vGS-VTNRd 还兼有将电流转换成电压的作用还兼有将电流转换成电压的作用（VGG vi）通常称通常称VGG和和VDD为为MOSMOS管的工作电源，管的工作电源，vi为信号。为信号。2.1 基
20、本共源极放大电路的组成基本共源极放大电路的组成2.2.信号如何通过信号如何通过MOS管传递？管传递？vi 信号由栅源回路输入、漏信号由栅源回路输入、漏源回路输出，即源极是公共端，源回路输出，即源极是公共端，所以称此电路为所以称此电路为共源电路共源电路。也可看作信号由栅极输入、也可看作信号由栅极输入、漏极输出。漏极输出。vGS iD vDS (=vo)饱和区饱和区2DnGSTN()iKVv由由MOS管的控管的控制关系决定制关系决定由由 iDSiovvvv 可获得信号电压增益可获得信号电压增益 （VGG vi）2.2 基本共源放大电路的工作原理基本共源放大电路的工作原理1.1.放大电路的静态和动态
21、放大电路的静态和动态 静态：静态：输入信号为零（输入信号为零（vi=0 或或 ii=0）时，放大电路的）时，放大电路的工作状态，也称工作状态，也称直流工作状态直流工作状态。动态：动态：输入信号不为零时，放大电路的工作状态，也输入信号不为零时，放大电路的工作状态，也称称交流工作状态交流工作状态。此时，此时，FET的直流量的直流量ID、VGS、VDS，在输出特性曲线，在输出特性曲线上表示为一个确定的点，习惯上称该点为静态工作点上表示为一个确定的点，习惯上称该点为静态工作点Q。常将上述三个电量写成常将上述三个电量写成IDQ、VGSQ和和VDSQ。2.2 基本共源放大电路的工作原理基本共源放大电路的工
22、作原理2.2.放大电路的直流通路和交流通路放大电路的直流通路和交流通路仅有直流电流流经的通路为直流通路仅有直流电流流经的通路为直流通路2.2 基本共源放大电路的工作原理基本共源放大电路的工作原理2.2.放大电路的直流通路和交流通路放大电路的直流通路和交流通路直流电压源内阻为零，交直流电压源内阻为零，交流电流流经直流电压源时流电流流经直流电压源时不产生任何交流压降，不产生任何交流压降，故故直流电压源对交流相当于短路直流电压源对交流相当于短路仅有直流电流流经的通路为直流通路仅有直流电流流经的通路为直流通路2.2 基本共源放大电路的工作原理基本共源放大电路的工作原理2.2.放大电路的直流通路和交流通
23、路放大电路的直流通路和交流通路仅有交流电流流经的通路为交流通路仅有交流电流流经的通路为交流通路直流电压源对交流相当于短路直流电压源对交流相当于短路2.2 基本共源放大电路的工作原理基本共源放大电路的工作原理3.3.放大电路的静态工作点估算放大电路的静态工作点估算直流通路直流通路假设假设NMOS管工作于饱和区，则管工作于饱和区，则2DQnGSQTN()IK VVVGSQ=VGGVDSQ=VDD-IDQ Rd 当已知当已知VGG、VDD、VTN、Kn、和、和Rd 时，便可求得时，便可求得Q点（点（VGSQ、IDQ、VDSQ）。必须检验是否满足饱和区工作条件：）。必须检验是否满足饱和区工作条件：VD
24、SQ VGSQ-VTN 0。若不满足，则说明工作在可变电阻区，此时漏极电流为若不满足，则说明工作在可变电阻区，此时漏极电流为DnGSTNDS2()iKVvv注意：电路结构不同，除注意：电路结构不同，除FET特性方程外，其它电路方程将有差别特性方程外，其它电路方程将有差别例题例题假设假设NMOS管工作于饱和区，根据管工作于饱和区，根据2DQnGSQTN()IK VVVGSQ=VGGVDSQ=VDD-IDQ Rd已知已知VGG=2V，VDD=5V，VTN=1V，Kn=0.2mA/V2，Rd=12k，求，求Q点。点。求得：求得：VGSQ=2V，IDQ=0.2mA，VDSQ=2.6V满足饱和区工作条件
25、：满足饱和区工作条件：VDSQ VGSQ-VT 0，结果即为所求。，结果即为所求。解：解：2.2 基本共源放大电路的工作原理基本共源放大电路的工作原理3.3.放大电路的静态工作点估算放大电路的静态工作点估算饱和区的条件：饱和区的条件：VGSQ VTN,IDQ 0，VDSQ VGSQ-VTN增强型增强型NMOS管管 iD/mA 2 1.5 1 0.5 0 2.5 5 7.5 10 vDS/V 可变电阻可变电阻区区(非饱和区非饱和区)预夹断临界点轨迹预夹断临界点轨迹 vDSvGSVTN(或或 vGDvGSvDSVTN)3V 2.5V 2V vGS1.5V 饱和饱和区区 截止截止区区 假设假设NMO
26、S管工作于饱和区，利用管工作于饱和区，利用2DQnGSQTN()IK VV计算计算Q点。点。若：若：VGSQ VTN,NMOS管截止。管截止。若：若：VDSQ VGSQ-VTN，NMOS管可能工作在可变电阻区。管可能工作在可变电阻区。如果初始假设是错误的，则必须作出新的假设，同时重新分析电路。如果初始假设是错误的，则必须作出新的假设，同时重新分析电路。#请归纳其它管型静态工作点的计算方法请归纳其它管型静态工作点的计算方法2.2 基本共源放大电路的工作原理基本共源放大电路的工作原理4.4.放大电路的动态工作情况放大电路的动态工作情况在静态基础上加入小信号在静态基础上加入小信号vi此时电路中的总电
27、压和电流为此时电路中的总电压和电流为vGS=VGSQ+vi iD=IDQ+idvDS=vDSQ+vds 其中其中id和和vds为为交流量交流量2DnGSTN()iKVvvDS=VDD-iDRd 2.3 放大电路的习惯画法和主要分析法放大电路的习惯画法和主要分析法 省略工作电源的直流电压符号，仅保留电压源非接省略工作电源的直流电压符号，仅保留电压源非接“地地”端子，并标注电压源名称。端子，并标注电压源名称。习惯画法习惯画法1.1.习惯画法习惯画法2.3 放大电路的习惯画法和主要分析法放大电路的习惯画法和主要分析法1.1.习惯画法习惯画法2.3 放大电路的习惯画法和主要分析法放大电路的习惯画法和主
28、要分析法2.2.主要分析法主要分析法图解法图解法小信号模型分析法小信号模型分析法4 4 场效应三极管及放大场效应三极管及放大电路电路4.1 4.1 金属金属-氧化物氧化物-半导体（半导体（MOSMOS）场效应三极管）场效应三极管4.2 4.2 MOSFET MOSFET基本共源极放大电路基本共源极放大电路4.3 4.3 图解分析法图解分析法4.4 4.4 小信号模型分析法小信号模型分析法4.5 4.5 共漏极和共栅极放大电路共漏极和共栅极放大电路4.6 4.6 集成电路单级集成电路单级MOSFETMOSFET放大电路放大电路(*)4.7 4.7 多级放大电路多级放大电路4.8 4.8 结型场效
29、应管（结型场效应管（JFETJFET）及其放大电路）及其放大电路4.9 4.9 砷化镓金属砷化镓金属-半导体场效应管半导体场效应管(*)4.10 4.10 各种各种FETFET的特性及使用注意事项的特性及使用注意事项4.3 4.3 图解分析法图解分析法4.3.1 4.3.1 用图解方法确定静态工作点用图解方法确定静态工作点Q Q4.3.2 4.3.2 动态工作情况的图解分析动态工作情况的图解分析4.3.3 4.3.3 图解分析法的适用范围图解分析法的适用范围3.1 用图解方法确定静态工作点用图解方法确定静态工作点Q 采用图解法分析静态工作点，必须已知采用图解法分析静态工作点，必须已知FET的输
30、出特性的输出特性曲线。曲线。静态：静态：vi=0 输入回路输入回路vGS=VGG=VGSQ 输出回路输出回路vDS=VDDiDRd （直流负载线）（直流负载线）输出回路左侧的输出回路左侧的FET端口可用输出特性曲线描述端口可用输出特性曲线描述 共源放大电路共源放大电路 IDQ Q iD VDD vDSvGSVTN 0 vGSVGSQ VDSQ VDD vDS 可变电阻区(非饱和区)临界点 截止点 饱和区 Rd N M 3.1 用图解方法确定静态工作点用图解方法确定静态工作点Q得到静态工作点：得到静态工作点：VGSQ、IDQ、VDSQvGS=VGG=VGSQ直流负载线：直流负载线：vDS=VDD
31、iDRd 共源放大电路共源放大电路 iD IDQ 0 id IDQ t Q iD VDD/Rd vDSvGSVTN vi 0 vGSVGSQ VDSQ VDD vDS vDS vds 0 t 可变电阻区(非饱和区)临界点 截止区 VDSS Q Q 饱和区 3.2 动态工作情况的图解分析动态工作情况的图解分析 共源放大电路共源放大电路vGS=VGSQ+vi 工作点沿负载线移动工作点沿负载线移动1.1.正常工作情况正常工作情况3.2 动态工作情况的图解分析动态工作情况的图解分析图解分析可得如下结论：图解分析可得如下结论：1.vi vGS iD vDS|vds(vo)|(vi正半周时正半周时)2.v
32、ds与与vi相位相反；相位相反；3.可以测量出放大电路的可以测量出放大电路的电压放大倍数；电压放大倍数；4.可以确定最大不失真输可以确定最大不失真输出幅度出幅度。1.1.正常工作情况正常工作情况 iD IDQ 0 id IDQ t Q iD VDD/Rd vDSvGSVTN vi 0 vGSVGSQ VDSQ VDD vDS vDS vds 0 t 可变电阻区(非饱和区)临界点 截止区 VDSS Q Q 饱和区 3.2 动态工作情况的图解分析动态工作情况的图解分析2.2.静态工作点对波形失真的影响静态工作点对波形失真的影响截止失真截止失真（NMOS）3.2 动态工作情况的图解分析动态工作情况的
33、图解分析饱和失真饱和失真（NMOS）2.2.静态工作点对波形失真的影响静态工作点对波形失真的影响3.3 图解分析法的适用范围图解分析法的适用范围幅度较大而工作频率不太高的情况幅度较大而工作频率不太高的情况优点：优点：直观、形象。有助于建立和理解交、直流共存，静态和直观、形象。有助于建立和理解交、直流共存，静态和动态等重要概念；有助于理解正确选择电路参数、合理设置动态等重要概念；有助于理解正确选择电路参数、合理设置静态工作点的重要性。能全面地分析放大电路的静态、动态静态工作点的重要性。能全面地分析放大电路的静态、动态工作情况。工作情况。缺点：缺点：不能分析工作频率较高时的电路工作状态，也不能用来
34、不能分析工作频率较高时的电路工作状态，也不能用来分析放大电路的输入电阻、输出电阻等动态性能指标。分析放大电路的输入电阻、输出电阻等动态性能指标。4 4 场效应三极管及放大场效应三极管及放大电路电路4.1 4.1 金属金属-氧化物氧化物-半导体（半导体（MOSMOS）场效应三极管）场效应三极管4.2 4.2 MOSFET MOSFET基本共源极放大电路基本共源极放大电路4.3 4.3 图解分析法图解分析法4.4 4.4 小信号模型分析法小信号模型分析法4.5 4.5 共漏极和共栅极放大电路共漏极和共栅极放大电路4.6 4.6 集成电路单级集成电路单级MOSFETMOSFET放大电路放大电路(*)
35、4.7 4.7 多级放大电路多级放大电路4.8 4.8 结型场效应管（结型场效应管（JFETJFET）及其放大电路）及其放大电路4.9 4.9 砷化镓金属砷化镓金属-半导体场效应管半导体场效应管(*)4.10 4.10 各种各种FETFET的特性及使用注意事项的特性及使用注意事项4.4 4.4 小信号模型分析法小信号模型分析法4.4.1 MOSFET4.4.1 MOSFET的小信号模型的小信号模型4.4.2 4.4.2 用小信号模型分析共源放大电路用小信号模型分析共源放大电路4.4.3 4.4.3 带源极电阻的共源极放大电路分析带源极电阻的共源极放大电路分析4.4.4 4.4.4 小信号模型分
36、析法的适用范围小信号模型分析法的适用范围4 小信号模型分析法小信号模型分析法建立小信号模型的意义建立小信号模型的意义建立小信号模型的思路建立小信号模型的思路 当放大电路的输入信号幅值较小时，就可以把当放大电路的输入信号幅值较小时，就可以把MOSMOS管小范围内的特性曲线近似地用直线来代替，从而可以管小范围内的特性曲线近似地用直线来代替，从而可以把把MOSMOS管这个非线性器件所组成的电路当作线性电路来管这个非线性器件所组成的电路当作线性电路来处理。处理。由于场效应管是非线性器件，所以分析起来非常复由于场效应管是非线性器件，所以分析起来非常复杂。建立小信号模型，就是在特定条件下将非线性器件杂。建
37、立小信号模型，就是在特定条件下将非线性器件做线性化近似处理，从而简化由其构成的放大电路的分做线性化近似处理，从而简化由其构成的放大电路的分析和设计。析和设计。4.1 MOSFET的小信号模型的小信号模型1.1.沟道长度调制参数沟道长度调制参数 =0=0时时在饱和区内有在饱和区内有（以增强型（以增强型NMOS管为例）管为例）FET双口网络双口网络2DnGSTN()iKVv2nGSQgsTN()K VVv2nGSQTNgs()KVV v22nGSQTNnGSQTNgsngs()2()K VVK VVKvvDQI gsmvg 2gsnvK 静态值静态值（直流）（直流）动态值动态值（交流）（交流）非线
38、性失非线性失真项真项 当当vgs 2(VGSQ-VTN)时，时，DQDIi gsmvg dDQiI 其中其中mnGSQTN2()gK VV4.1 MOSFET的小信号模型的小信号模型FET双口网络双口网络DQDIi gsmvg dDQiI gsmdvgi 纯交流纯交流电路模型电路模型1.1.沟道长度调制参数沟道长度调制参数 =0=0时时 gmvgs 是受控源是受控源，且为电，且为电压控制电流源压控制电流源(VCCS)。电流方向与电流方向与vgs的极性是关的极性是关联的。联的。4.1 MOSFET的小信号模型的小信号模型FET双口网络双口网络d、s端口看入有一电阻端口看入有一电阻rds电路模型电
39、路模型2.2.沟道长度调制参数沟道长度调制参数 0 0时时GSQDDSdsVir vDQADQ2TNGSQn1)(1IVIVVK 4.1 MOSFET的小信号模型的小信号模型gm 低频互导低频互导 转移特性曲线转移特性曲线Q点上点上切线的斜率切线的斜率3.3.参数的物理意义参数的物理意义DSQGSDmVigv )(2TNGSQnVVK 4.1 MOSFET的小信号模型的小信号模型3.3.参数的物理意义参数的物理意义GSQDDSdsVir vrds 输出电阻输出电阻DQ1I 输出特性曲线输出特性曲线Q点上切线斜率的倒数点上切线斜率的倒数2TNGSQn)(1VVK 4.1 MOSFET的小信号模型
40、的小信号模型4.4.模型应用的前提条件模型应用的前提条件mnGSQTN2()gK VV =0=0 0 0 参数都是小信号参数，即微变参数或交参数都是小信号参数，即微变参数或交流参数。流参数。与静态工作点有关，在放大区基本不变。与静态工作点有关，在放大区基本不变。只适合对交流信号（变化量）的分析。只适合对交流信号（变化量）的分析。未包含结电容的影响，不能用于分析高未包含结电容的影响，不能用于分析高频情况。频情况。vgs rds 为便于分析，先考虑为便于分析，先考虑 0时的情况时的情况oR dsmsdsdto11rgRriRv所以当所以当=0时，时，oRddoo|RRRR 当当 0时，若时，若rd
41、s Rd，则，则4.3 带源极电阻的共源极放大电路分析带源极电阻的共源极放大电路分析smdmio1RgRgA vvv电压增益电压增益1.7 例题例题4.4.3 带源极电阻的共源极放大电路分析带源极电阻的共源极放大电路分析例题例题 双电源供电，电流源偏置双电源供电，电流源偏置静态时，静态时，vI0 0，VG 0，IDQ I又又 VSVGVGSQ dDQDDDRIVV SDDSQVVV 根据根据可求得可求得 VGSQ则则2DQnGSQTN()IK VV（饱和区）（饱和区）动态时动态时4.4 小信号模型分析法的适用范围小信号模型分析法的适用范围 放大电路的输入信号幅度较小，放大电路的输入信号幅度较小
42、，FET工作在其工作在其V-I 特性特性曲线的饱和区（即近似线性范围）内。模型参数的值是在静曲线的饱和区（即近似线性范围）内。模型参数的值是在静态工作点上求得的。所以，放大电路的动态性能与静态工作态工作点上求得的。所以，放大电路的动态性能与静态工作点位置及稳定性密切相关。点位置及稳定性密切相关。优点优点：分析放大电路的动态性能指标分析放大电路的动态性能指标(Av、Ri和和Ro等等)非常方便，非常方便，且适用于频率较高时（用高频模型）的分析。且适用于频率较高时（用高频模型）的分析。缺点缺点：在放大电路的小信号等效电路中，电压、电流等电量及在放大电路的小信号等效电路中，电压、电流等电量及模型参数均
43、是针对变化量模型参数均是针对变化量(交流量交流量)而言的，不能用来分析计而言的，不能用来分析计算静态工作点。算静态工作点。4 4 场效应三极管及放大场效应三极管及放大电路电路4.1 4.1 金属金属-氧化物氧化物-半导体（半导体（MOSMOS）场效应三极管）场效应三极管4.2 4.2 MOSFET MOSFET基本共源极放大电路基本共源极放大电路4.3 4.3 图解分析法图解分析法4.4 4.4 小信号模型分析法小信号模型分析法4.5 4.5 共漏极和共栅极放大电路共漏极和共栅极放大电路4.6 4.6 集成电路单级集成电路单级MOSFETMOSFET放大电路放大电路(*)4.7 4.7 多级放
44、大电路多级放大电路4.8 4.8 结型场效应管（结型场效应管（JFETJFET）及其放大电路）及其放大电路4.9 4.9 砷化镓金属砷化镓金属-半导体场效应管半导体场效应管(*)4.10 4.10 各种各种FETFET的特性及使用注意事项的特性及使用注意事项4.5 4.5 共漏极和共栅极放大电路共漏极和共栅极放大电路4.5.1 4.5.1 共共漏极（源极跟随器）放大电路漏极（源极跟随器）放大电路4.5.2 4.5.2 共共栅极放大电路栅极放大电路4.5.3 4.5.3 MOSFETMOSFET放大电路三种组态的总结和比放大电路三种组态的总结和比较较5.1 共漏极（源极跟随器）放大电路共漏极（源
45、极跟随器）放大电路1.静态分析静态分析设设MOSMOS管工作于饱和区管工作于饱和区2DQnGSQTN()IK VVsDQDDg2g1g2GSQRIVRRRV sDQDDDSQRIVV 需验证是否工作在饱和区需验证是否工作在饱和区5.1 共漏极（源极跟随器）放大电路共漏极（源极跟随器）放大电路2.动态分析动态分析根据静态工作点可求得根据静态工作点可求得 gm小信号等效电路小信号等效电路mnGSQTN2()gK VV)|(dssgsmorRg vv )|(1)|(dssmgsdssgsmgsogsirRgrRg vvvvvv电压增益电压增益)|(1)|(dssmgsdssgsmiorRgrRgA
46、vvvvv1)|(1)|(dssmdssm rRgrRg输出与输入同相，且增益小于等于输出与输入同相，且增益小于等于1 15.1 共漏极（源极跟随器）放大电路共漏极（源极跟随器）放大电路2.动态分析动态分析源电压增益源电压增益输入电阻输入电阻)()|(1)|(siiidsdmdsdmsiiososRRRrRgrRgA vvvvvvvg2g1i|RRR 受静态偏置电路的影响，受静态偏置电路的影响，栅极绝缘的特性并未充分表现栅极绝缘的特性并未充分表现出来出来5.1 共漏极（源极跟随器）放大电路共漏极（源极跟随器）放大电路2.动态分析动态分析输出电阻输出电阻gsmdsTsTTvvvgrRi mdss
47、mdssTTo1|111grRgrRiR vTgsvv 输出电阻较小输出电阻较小5.2 共栅极放大电路共栅极放大电路1.静态分析静态分析根据直流通路有根据直流通路有II DQdDQDDDRIVV 2DQnGSQT()IK VV由由可得可得 VGSQ又又 VS=-VGSQ所以所以VDSQ=VD-VS =VDD-IDQ Rd+VGSQ需验证是否工作在饱和区需验证是否工作在饱和区5.2 共栅极放大电路共栅极放大电路2.动态分析动态分析)|(LdgsmoRRg vv gsivv 电压增益电压增益)|(LdmioRRgA vvv输出与输入同相输出与输入同相设设=0=0sigsmgssiiisRgRivv
48、vv 源电压增益源电压增益simLdmso1)|(RgRRgA vvv5.2 共栅极放大电路共栅极放大电路2.动态分析动态分析输入电阻输入电阻mgsmgsiii1ggR vviv与共源电路同相与共源电路同相输出电阻输出电阻输入电阻远小于其它两种组态输入电阻远小于其它两种组态当当rds Rd 和和 rds Rsi时时Ro Rd5.3 MOSFET放大电路三种组态的总结和比较放大电路三种组态的总结和比较1.三种组态的判断三种组态的判断 较好的方法并不是试图寻找接地的电极，而是寻找信号较好的方法并不是试图寻找接地的电极，而是寻找信号的输入电极和输出电极。的输入电极和输出电极。即观察输入信号加在哪个电
49、极，输出信号从哪个电极取即观察输入信号加在哪个电极，输出信号从哪个电极取出，剩下的那个电极便是共同电极。如出，剩下的那个电极便是共同电极。如 共源极放大电路，信号由栅极输入，漏极输出；共源极放大电路，信号由栅极输入，漏极输出；共漏极放大电路，信号由栅极输入，源极输出；共漏极放大电路，信号由栅极输入，源极输出；共栅极放大电路，信号由源极输入，漏极输出。共栅极放大电路，信号由源极输入，漏极输出。栅极始终不能做输出电极栅极始终不能做输出电极5.3 MOSFET放大电路三种组态的总结和比较放大电路三种组态的总结和比较2.三种组态的动态指标比较三种组态的动态指标比较共源共源共漏共漏共栅共栅电压增益电压增
50、益输入电阻输入电阻输出电阻输出电阻)|(ddsmRrgA v1)|(1)|(dssmdssm rRgrRgAv)|(LdmRRgA vmi1gR 很高很高很高很高Ro RdRo Rdmdsso1|grRR 4 4 场效应三极管及放大场效应三极管及放大电路电路4.1 4.1 金属金属-氧化物氧化物-半导体（半导体（MOSMOS）场效应三极管）场效应三极管4.2 4.2 MOSFET MOSFET基本共源极放大电路基本共源极放大电路4.3 4.3 图解分析法图解分析法4.4 4.4 小信号模型分析法小信号模型分析法4.5 4.5 共漏极和共栅极放大电路共漏极和共栅极放大电路4.6 4.6 集成电路
