1、华中科技大学 张林14 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 MOSFET4.2 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）及其放大电路*4
2、.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2华中科技大学 张林场效应管的分类：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）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
3、效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道华中科技大学 张林34.1 金属金属-氧化物氧化物-半导体（半导体（MOS）场效应场效应三极管三极管4.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET4.1.2 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET4.1.3 P沟道沟道MOSFET4.1.4 沟道长度调制等几种效应沟道长度调制等几种效应4.1.5 MOSFET的主要参数的主要参数4华中科技大学 张林4.1.1 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）
4、源极 s 漏极 d L W N N P 型衬底 tox 5华中科技大学 张林4.1.1 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6华中科技大学 张林4.1.1 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
5、 耗尽层耗尽层 P 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 必须依靠栅极外加电压才能产生反必须依靠栅极外加电压才能产生反型层的型层的MOSFET称为增强型器件称为增强型器件8华中科技大学 张林2.2.工作原理工作原理（2
6、）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 9华中科技大学 张林 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
7、 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 VTNTN（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.工作原理工作原理10华中科技大学 张林 iD O vDS 截止区 vGSVTN 可变 电阻区 vDS VTN时，增强型时
8、，增强型MOSFET的的d、s间才能导通。间才能导通。13华中科技大学 张林3.3.I-VI-V 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.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。14华中科技大学 张林 可变电阻区可变电阻区 vDS V VTNTN ，且，且vDSDS（vGSGSV VTNTN）2TNGSnD)(VKi v2TNGS2TNn)1(VVKv2TNGSDO)1(VIv2TNnDOVKI 是是vGSGS2 2V V
9、TNTN时的时的iD D I I-V V 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 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.I-VI-V 特性曲线及大信号特性方程特性曲线及大信号特性方程17华中科技大学 张林（2）转移特性）转移特性const.GSDDS)(vvfi2TNGSDOD)1(VIiv#为什么不谈输入特性？为什么不谈输入特性？ABCD在饱和区，在饱和区，iD受受vGS控制控制3.3.I-VI-V 特性曲线及大信号特性方程特性曲线及大信号特性方程18华中科技大学 张林4.1.2 N沟道耗尽型沟道耗尽型
10、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19华中科技大学 张林4.1.2 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET2PNGSDSSD)1(VIiv 2TNGSDOD)1(VIiv（N N沟道增强型）沟道增强型）IDSS 2.2.I-VI-V 特性曲线及大信号特性方程特性曲线及大信号特性方
11、程20华中科技大学 张林4.1.3 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）？21华中科技大学 张林4.1.3 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
12、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！22华中科技大学 张林4.1.4 沟道长度调制等几种效应沟道长度调制等几种效应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）)1()(DS2TNGSnDvv VKi)1()1(DS2TNGSDOvv VIL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VA称为厄雷（称为厄雷（Early）电压）电压1.1.沟道长度调制效应沟道长度调制效应23华中科技大学 张林4.1.4 沟道长度调制等几
13、种效应沟道长度调制等几种效应3.3.温度效应温度效应 VTN和电导常数和电导常数Kn随温度升高而下降，且随温度升高而下降，且Kn受温度的受温度的影响大于影响大于VTN受温度的影响受温度的影响。当温度升高时，对于给定的当温度升高时，对于给定的VGS，总的效果是漏极电，总的效果是漏极电流减小。流减小。)(2 2DSDSTNGSnDvvv VKi可变电阻区可变电阻区 2TNGSnD)(VKi v饱和区饱和区24华中科技大学 张林4.1.4 沟道长度调制等几种效应沟道长度调制等几种效应4.4.击穿效应击穿效应（1）漏衬击穿）漏衬击穿 外加的漏源电压过高，将外加的漏源电压过高，将导致漏极到衬底的导致漏极
14、到衬底的PN结击穿。结击穿。若绝缘层厚度若绝缘层厚度tox=50 纳米纳米时，时，只要约只要约30V的栅极电压就的栅极电压就可将可将绝缘层绝缘层击穿，若取安全系击穿，若取安全系数为数为3，则最大栅极安全电压，则最大栅极安全电压只有只有10V。s g d B 衬底引线衬底引线 N N VGG 耗尽层耗尽层 P VDD（2 2）栅极击穿）栅极击穿 通常在通常在MOS管的栅源间接管的栅源间接入双向稳压管入双向稳压管，限制栅极电压限制栅极电压以保护器件。以保护器件。25华中科技大学 张林4.1.5 MOSFET的主要参数的主要参数一、直流参数一、直流参数1.开启电压开启电压VT（增强型参数）（增强型参
15、数）2.夹断电压夹断电压VP（耗尽型参数）（耗尽型参数）26华中科技大学 张林4.1.5 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）27华中科技大学 张林4.1.5 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 vDAD12TNGSnds1)(iViVKr v当不考虑沟道调制效应时，当不考虑沟道调制效应时，0 0，rdsds 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
16、 )1()(DS2TNGSnDvv VKi对于增强型对于增强型NMOS管管 1)(2TNGSnDDS VKivv有有28华中科技大学 张林4.1.5 MOSFET的主要参数的主要参数DS GSDmVigv 2.2.低频互导低频互导gm 二、交流参数二、交流参数 2TNGSnD)(VKi v则则DSDSGS2TNGSnGSDm)(VVVKigvvv )(2TNGSnVK vDn2iK LWK 2Coxnn其中其中又因为又因为 2TNGSnD)(VKi vnDTNGS)(KiV v所以所以 )(2TNGSnmVKg vNMOSNMOS增强型增强型29华中科技大学 张林4.1.5 MOSFET的主要
17、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 华中科技大学 张林304.2 MOSFET基本共源极放大电路基本共源极放大电路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4.2.2 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 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31华中科技大学 张林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1.1.如何让如何让MOS管工作在饱和区？管
18、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为三极管的工作电源，为三极管的工作电源，vi为信号。为信号。32华中科技大学 张林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
19、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2TNGSnD)(VKi v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）33华中科技大学 张林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1.1.放大电路的静态和动态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
20、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。34华中科技大学 张林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35华中科技大学 张林4.2.2 基本共源放
21、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3.直流偏置及静态工作点的计算直流偏置及静态工作点的计算（1）简单的共源极放大电路）简单的共源极放大电路（N沟道）沟道）DDg2g1g2GSVRRRV 2)(TGSnDVVKI dDDDDSRIVV 假设工作在饱和区，即假设工作在饱和区，即)(TGSDSVVV 验证是否满足验证是否满足)(TGSDSVVV 如果不满足，则说明假设错误如果不满足，则说明假设错误须满足须满足VGS
22、 VT，否则工作在截止区，否则工作在截止区再假设工作在可变电阻区再假设工作在可变电阻区)(TGSDSVVV 即即dDDDDSRIVV DSTGSnD)(vvVKI 2假设工作在饱和区假设工作在饱和区满足满足)(TGSDSVVV 假设成立，结果即为所求。假设成立，结果即为所求。解：解：V2V5406040 DDg2g1g2GSQ VRRRVmA2.0mA)12)(2.0()(22TGSnDQ VVKIV2V)15)(2.0(5dDDDDSQ RIVV例：例：设设Rg1=60k，Rg2=40k，Rd=15k，220V/mA.n K试计算电路的静态漏极电流试计算电路的静态漏极电流IDQ和漏源电压和漏
23、源电压VDSQ。VDD=5V，VT=1V，5.2.1 MOSFET放大电路放大电路1.直流偏置及静态工作点的计算直流偏置及静态工作点的计算（2）带源极电阻的）带源极电阻的NMOS共源极放大电路共源极放大电路2)(TGSnDVVKI 饱和区饱和区需要验证是否满足需要验证是否满足)(TGSDSVVV SGGSVVV )(2dDDDDSRRIVV )(SSSSDDg2g1g2VVVRRR )(SSDVRI 5.2.1 MOSFET放大电路放大电路1.直流偏置及静态工作点的计算直流偏置及静态工作点的计算静态时，静态时，vI0 0，VG 0 0，ID I电流源偏置电流源偏置 VS VG VGS 2TGS
24、nD)(VVKI （饱和区）（饱和区）40华中科技大学 张林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管管假设假设NMOS管工作于饱和区，利用管工作于饱和区，利用2TNGSQnDQ)(VVKI 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
25、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41华中科技大学 张林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4.4.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2TNGSnD)(VKi vvDS=VDD-iDRd 华中科技大学 张林424.3 图解分析法图解分析法4.3.1 用图解方法确
26、定静态工作点用图解方法确定静态工作点Q4.3.2 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 图解分析法的适用范围图解分析法的适用范围43华中科技大学 张林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 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vCE=VCCiCRc （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44华中科技大学 张林
27、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：vCE=VCCiCRc 共源放大电路共源放大电路45华中科技大学 张林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 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46华中科技大学 张林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
28、周时)2.vds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47华中科技大学 张林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）48华中科技大学 张林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49华中科技大学 张林4.3.3 图解分析法的适用范围图解分析
29、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
30、态性能指标。华中科技大学 张林504.4 小信号模型分析法小信号模型分析法4.4.1 MOSFET的小信号模型的小信号模型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 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 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51华中科技大学 张林4.4 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，就可以把三极当放大电路的输入信号幅值较小时，就可以把三极管小范围内的特性曲线近似地用直线来代替，从
31、而可以管小范围内的特性曲线近似地用直线来代替，从而可以把三极管这个非线性器件所组成的电路当作线性电路来把三极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。52华中科技大学 张林4.4.1 MOSFET的小信号模型的小信号模型1.1.=0=0时时在饱和区内有在饱和区内有（以增强型（以增强型NM
32、OS管为例）管为例）FET双口网络双口网络2TGSnD)(VKi v2TgsGSQn)(VVK v2gsTGSQn)(v VVK2gsngsTGSQn2TGSQn)(2)(vvKVVKVVK DQI gsmvg 2gsnvK 静态值静态值（直流）（直流）动态值动态值（交流）（交流）非线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)(2TNGSQnmVVKg 53华中科技大学 张林4.4.1 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
33、.1.=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。54华中科技大学 张林4.4.1 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电路模型电路模型2.2.0 0时时GSQDDSdsVir vDQADQ2TNGSQn1)(1IVIVVK 55华中科技大学 张林4.4.1 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)(2TNGS
34、QnVVK DSQGSDmVigv 56华中科技大学 张林4.4.1 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 v2TNGSQn)(1VVK rds 输出电阻输出电阻DQADQ1IVI 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57华中科技大学 张林4.4.1 MOSFET的小信号模型的小信号模型4.4.模型应用的前提条件模型应用的前提条件)(2TNGSQnmVVKg =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
35、，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 Rd 和和 rds Rsi时时Ro Rd77华中科技大学 张林4.5.3 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
36、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78华中科技大学 张林4.5.3 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益输入电阻输入电阻输出电阻输出电阻)|(ddsmRrg
37、A v1)|(1)|(dssmdssm rRgrRgAv)|(LdmRRgA vmi1gR 很高很高很高很高Ro RdRo Rdmdsso1|grRR 华中科技大学 张林794.6 集成电路单级集成电路单级MOSFET放大电路放大电路4.6.1 带增强型负载的带增强型负载的NMOS放大电路放大电路4.6.2 带耗尽型负载的带耗尽型负载的NMOS放大电路放大电路4.6.3 带带PMOS负载的负载的NMOS放大电路放大电路 （CMOS共源放大电路）共源放大电路）80华中科技大学 张林4.6.1 带增强型负载的带增强型负载的NMOS放大电路放大电路1.负载线复习负载线复习 两横轴两横轴的映射关系的映
38、射关系导致负载线导致负载线水平翻转水平翻转DSDDRvv VDDRV v0DS vRDDDSvv V81华中科技大学 张林4.6.1 带增强型负载的带增强型负载的NMOS放大电路放大电路2.带增强型负载的带增强型负载的NMOS放大电路放大电路TNGSGSDSV vvv2TNDSn2TNGSnD)()(VKVKi vvN沟道增强型负载器件的沟道增强型负载器件的I-V 特性特性始终成立，所以管子一定工作在饱和区。有始终成立，所以管子一定工作在饱和区。有82华中科技大学 张林4.6.1 带增强型负载的带增强型负载的NMOS放大电路放大电路2.带增强型负载的带增强型负载的NMOS放大电路放大电路带负载
39、时的图解分析带负载时的图解分析DS2DDDS1vv V83华中科技大学 张林4.6.1 带增强型负载的带增强型负载的NMOS放大电路放大电路2.带增强型负载的带增强型负载的NMOS放大电路放大电路带负载时的图解分析带负载时的图解分析电压传输特性曲线电压传输特性曲线84华中科技大学 张林4.6.1 带增强型负载的带增强型负载的NMOS放大电路放大电路2.带增强型负载的带增强型负载的NMOS放大电路放大电路电压增益电压增益由由T2源极看进去的电阻为源极看进去的电阻为m2ds21|gr小信号等效电路小信号等效电路)1|(m2ds2ds1m1iogrrgA vvv若若ds2m2ds1m11 ,1rgr
40、g21)/()/(LWLWA v则则（参考共漏（参考共漏极放大电路极放大电路的输出电阻）的输出电阻）85华中科技大学 张林4.6.2 带耗尽型负载的带耗尽型负载的NMOS放大电路放大电路1.N沟道耗尽型负载器件的沟道耗尽型负载器件的I-V特性特性对应于对应于 vGS=0 的那根输出特性曲线的那根输出特性曲线始终有始终有0GS v饱和区线段的等效电阻就是饱和区线段的等效电阻就是rds86华中科技大学 张林4.6.2 带耗尽型负载的带耗尽型负载的NMOS放大电路放大电路2.用小信号模型分析法求电压增益用小信号模型分析法求电压增益 当当vGS为恒定值时，源极看进去的为恒定值时，源极看进去的电阻与电阻
41、与 gm无关，所以由无关，所以由T2源极看进去源极看进去的电阻为的电阻为rds小信号等效电路小信号等效电路)|(ds2ds1m1iorrgA vvv87华中科技大学 张林4.6.3 带带PMOS负载的负载的NMOS放大电路放大电路(CMOS共源放大电路共源放大电路)1.增强型增强型PMOS负载管的负载管的I-V特性特性vGS为定值，输出特性曲线中的一根为定值，输出特性曲线中的一根88华中科技大学 张林4.6.3 带带PMOS负载的负载的NMOS放大电路放大电路(CMOS共源放大电路共源放大电路)2.用小信号模型分析法求电压增益用小信号模型分析法求电压增益 类似地，当类似地，当vGS为恒定值时，
42、为恒定值时，漏极看进去的电阻也是漏极看进去的电阻也是rds小信号等效电路小信号等效电路)|(ds2ds1m1iorrgA vvv华中科技大学 张林894.7 多级放大电路多级放大电路4.7.1 共源共源共漏放大电路共漏放大电路4.7.2 共源共源共栅放大电路共栅放大电路90华中科技大学 张林4.7.1 共源共源共漏放大电路共漏放大电路1.静态分析静态分析直流通路直流通路例例4.7.191华中科技大学 张林 例例4.7.11.静态分析静态分析两管栅极均无电流，假设工作在饱和区两管栅极均无电流，假设工作在饱和区2TN1GSQ1n1DQ1)(VVKI s1DQ1SSDDg2g1g2GSQ1)(RIV
43、VRRRV )(s1d1DQ1SSDDDSQ1RRIVVV 需验证是否工作在饱和区需验证是否工作在饱和区s2DQ2d1DQ1SSDDGSQ2RIRIVVV 2TN2GSQ2n2DQ2)(VVKI s2DQ2SSDDDSQ2RIVVV 已知管子参数和电路参数，已知管子参数和电路参数，便可解出两管静态工作点便可解出两管静态工作点92华中科技大学 张林1.静态分析静态分析将具体参数值代入，计算得将具体参数值代入，计算得可验证两管均工作在饱和区可验证两管均工作在饱和区VGSQ1=1.84 VIDQ1=0.2 mAVDSQ1=6.02 VIDQ2 0.49 mAVGSQ2=2.78 VVDSQ2=5.9
44、8 V由于由于VTN1=VTN2=1.2 V 例例4.7.193华中科技大学 张林 例例4.7.12.动态分析动态分析根据根据小信号等效电路小信号等效电路)(2TNGSQnmVVKg )|(Ls2gs2m2oRRgvv gs1ivv 电压增益电压增益)|(1)|(Ls2m2Ls2d1m2m1ioRRgRRRggA vvvgs2od1gs1m1vvv Rg可求得可求得 gm94华中科技大学 张林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)|(siiiLs2m2Ls2d1m2m1siiososRRRRRgRRRggA vvvvvvvg2g1i|RRR 输出电阻就是后一级共
45、输出电阻就是后一级共漏电路的输出电阻漏电路的输出电阻m2ds2s2o1|grRR m2s21|gR(2=0)例例4.7.195华中科技大学 张林4.7.2 共源共源共栅放大电路共栅放大电路华中科技大学电信系 张林例例4.7.21.静态分析静态分析直流通路直流通路96华中科技大学 张林需验证是否工作在饱和区需验证是否工作在饱和区1.静态分析静态分析假设工作在饱和区假设工作在饱和区2TN1GSQ1n1DQ1)(VVKI SSs1DQ1DDg3g2g1g3GSQ1VRIVRRRRV DQ2DQ1II 2TN2GSQ2n2DQ2)(VVKI s1DQ1DSQ1DSQ2d2DQ2SSDDRIVVRIVV
46、 例例4.7.2SSs1DQ1DSQ1DDg3g2g1g3g2GSQ2)(VRIVVRRRRRV 97华中科技大学 张林 例例4.7.22.动态分析动态分析小信号等效电路小信号等效电路d2gs1m1d2gs2m2oRgRgvvv gs1ivv 电压增益电压增益d2m1ioRgA vvv98华中科技大学 张林2.动态分析动态分析输入电阻输入电阻输出电阻输出电阻Ro Rd2g3g2i|RRR (2=0)例例4.7.2华中科技大学 张林994.8 结型场效应管（结型场效应管（JFET）及其放大电路及其放大电路4.8.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理4.8.2 JFET的特性曲线及参数的特
47、性曲线及参数 4.8.3 JFET放大电路的小信号模型分放大电路的小信号模型分析法析法 100华中科技大学 张林4.8.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理1.结构结构 101华中科技大学 张林4.8.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理2.工作原理工作原理 vGS对沟道的控制作用对沟道的控制作用当当vGS0时时（以（以N N沟道沟道JFETJFET为例）为例）当沟道夹断时，对应的栅源当沟道夹断时，对应的栅源电压电压vGS称为称为夹断电压夹断电压VP（或或VGS(off)）。）。对于对于N沟道的沟道的JFET，VP 0。PN结反偏结反偏耗尽层加厚耗尽层加厚沟道变窄。沟道变窄。v
48、GS继续减小，沟道继续继续减小，沟道继续变窄。变窄。102华中科技大学 张林4.8.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理 vDS对沟道的控制作用对沟道的控制作用当当vGSGS=0=0时，时，vDS iD g g、d d间间PNPN结的反向电结的反向电压增加，使靠近漏极处的压增加，使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，耗尽层加宽，沟道变窄，从上至下呈楔形分布。从上至下呈楔形分布。当当vDSDS增加到使增加到使vGDGD=V VP P 时，在紧靠漏极处出现时，在紧靠漏极处出现预夹断。预夹断。此时此时vDS 夹断区延长夹断区延长沟道电阻沟道电阻 iD基本不变基本不变2.工作原理工作原理（以（以
49、N N沟道沟道JFETJFET为例）为例）103华中科技大学 张林4.8.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理 vGS和和vDS同时作用时同时作用时当当VP vGS0 时，导电沟道更容易夹断，时，导电沟道更容易夹断，对于同样的对于同样的vDS，iD的值比的值比vGS=0时的值要小。时的值要小。在预夹断处在预夹断处vGD=vGS-vDS=VP 2.工作原理工作原理（以（以N N沟道沟道JFETJFET为例）为例）104华中科技大学 张林综上分析可知综上分析可知 JFET是电压控制电流器件，是电压控制电流器件，iD受受vGS控制。控制。预夹断前预夹断前iD与与vDS呈近似线性关系；预夹断后
50、，呈近似线性关系；预夹断后，iD趋于饱趋于饱和。和。JFET栅极与沟道间的栅极与沟道间的PN结是反向偏置的，因此结是反向偏置的，因此iG 0，输，输入电阻很高。入电阻很高。105华中科技大学 张林4.8.2 JFET的特性曲线及参数的特性曲线及参数const.DSDGS)(vvfi2.转移特性转移特性 const.GSDDS)(vvfi1.输出特性输出特性 2PGSDSSD)1(VIiv (VPvGS0)106华中科技大学 张林4.8.2 JFET的特性曲线及参数的特性曲线及参数与与MOSFET类似类似3.主要参数主要参数107华中科技大学 张林4.8.3 JFET放大电路的小信号模型分析法放
