1、电子电路基础Electronic Circuit Foundation北京邮电大学 信息与通信工程学院 孙文生 http:/ 3643 7175 (500人)分群分群 5611 2577 误闯地球电子电路基础Electronic and Circuit Foundation第三章 场效应管及其放大电路讨论群：3643 7175第三章第三章 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路n场效应晶体管的特点场效应晶体管的特点n通过通过改变电场强度改变电场强度控制半导体导电能力的有源器件控制半导体导电能力的有源器件；n栅源电压栅源电压vGS 控制漏源电流控制漏源电流iD。n仅有一种载流子参与导电；仅有一
2、种载流子参与导电；n根据参与导电的载流子不根据参与导电的载流子不 同，有电子作为载流子的同，有电子作为载流子的 N沟道沟道器件和空穴作为载器件和空穴作为载 流子的流子的P沟道沟道器件。器件。n热稳定性好，抗干扰能力强。热稳定性好，抗干扰能力强。n输入阻抗高输入阻抗高,易集成易集成第三章第三章 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路n场效应管的分类场效应管的分类n绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管(Insulated Gate Field Effect Transister,IGFET)也称也称金属氧化物半导体三极管金属氧化物半导体三极管MOSFET，简称简称MOS管管 （Metal Oxide
3、 Semiconductor FET）n结型场效应管结型场效应管(Junction type Field Effect Transister,JFET)FET场效应管场效应管N沟道沟道P沟道沟道（耗尽型）（耗尽型）JFET结型结型增强型增强型耗尽型耗尽型N沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道MOSFET绝缘栅型绝缘栅型(IGFET)3.1.1 增强型增强型MOS场效应场效应管管nN沟道增强型沟道增强型MOS管的结构管的结构D(Drain)为漏极，为漏极，相当相当cG(Gate)为栅极，为栅极，相当相当bS(Source)为源极，相当为源极，相当e N沟道增强型沟道增强型MOSFET的结构示意
4、图和符号的结构示意图和符号3.1.1 增强型增强型MOS场效应管场效应管计算步骤：计算步骤：找找Q点：点：VGSQ、IDQ定参量：定参量：gm、rds画模型：画模型：注意背栅极注意背栅极B的接法的接法求指标：求指标：Av、Ri、Ro、fH增强型电阻负载共源放大电路增强型电阻负载共源放大电路nN沟道增强型沟道增强型MOS管的基本工作原理管的基本工作原理3.1.1 增强型增强型MOS场效应管场效应管n栅源电压栅源电压vGS的影响的影响n加入栅源电压加入栅源电压vGS 导电沟道的形成导电沟道的形成GS(th)GSVVGS(th)GSVVn开启电压开启电压 VGS(th):开始形成导电沟道的开始形成导
5、电沟道的vGSnvGS 对导电沟道有控制作用对导电沟道有控制作用.3.1.1 增强型增强型MOS场效应管场效应管n漏源电压漏源电压vDS对导电沟道的影响对导电沟道的影响楔型沟道楔型沟道 预夹断状态预夹断状态 夹断状态夹断状态vGD VGS(th)vDS (vGS-VGS(th)vGD=VGS(th)vDS=(vGS-VGS(th)vGD(vGS-VGS(th)GS(th)GSVV3.1.1 增强型增强型MOS场效应管场效应管nN沟道增强型沟道增强型MOS管特性曲线管特性曲线n输出特性曲线输出特性曲线 iD=f(vDS)vGS=常数常数n转移特性曲线转移特性曲线 iD=f(vGS)vDS=常数常
6、数3.1.1 增强型增强型MOS场效应管场效应管n输出特性曲线输出特性曲线 iD=f(vDS)vGS=常数常数GS(th)VvGS截止区截止区:0Di截止区截止区 当当vGS接近接近VGS(th)时，时，iD约约在在 A级，且级，且iD与与vGS成指数关成指数关系，这种现象称为系，这种现象称为亚域区效应亚域区效应。3.1.1 增强型增强型MOS场效应管场效应管n输出特性曲线输出特性曲线 iD=f(vDS)vGS=常数常数截止区截止区可变电阻区可变电阻区:)(222)(DSDSthGSGSpDvvVvLWkiGS(th)GS(th)VvVvGDGS)(1GS(th)GSonVvLWkRp3.1.
7、1 增强型增强型MOS场效应管场效应管n输出特性曲线输出特性曲线 iD=f(vDS)vGS=常数常数饱和区饱和区:GS(th)GS(th),VvVvGDGS2)()(2thGSGSpDVvLWki截止区截止区 vDS在一定范围内变化，导电在一定范围内变化，导电沟道上的电压基本不变，沟道上的电压基本不变，iD也基本也基本不变，输出特性曲线为直线。不变，输出特性曲线为直线。但随着但随着vDS的增大，沟道长度的增大，沟道长度减小，沟道电阻也随之减小，减小，沟道电阻也随之减小，iD也也会随会随vDS增大而增大而略有略有增大，称这种增大，称这种现象为现象为沟道长度调制效应沟道长度调制效应。3.1.1 增
8、强型增强型MOS场效应管场效应管n沟道长度调制效应沟道长度调制效应 漏源电压漏源电压vDS对沟道长度的调制作用对沟道长度的调制作用)1()(22)(DSthGSGSpDvVvLWkiAV1沟道长度调制因子沟道长度调制因子典型值：0.0010.03 V-13.1.1 增强型增强型MOS场效应管场效应管n漏极和源极之间的微变等效电阻漏极和源极之间的微变等效电阻rdsDQDQADSQDDSds1DSQDQIIVVivrVI)1()(22)(DSthGSGSpDvVvLWki2)()(2thGSGSpDVvLWkiA1V3.1.1 增强型增强型MOS场效应管场效应管n输出特性曲线输出特性曲线 iD=f
9、(vDS)vGS=常数常数击穿区击穿区:多种击穿共存多种击穿共存截止区截止区 在饱和区，在饱和区，vDS过大会使管内过大会使管内漏、源区间的耗尽区出现击穿漏、源区间的耗尽区出现击穿。vDS过大时，会导致漏区与衬过大时，会导致漏区与衬底间的底间的PN结出现反向击穿。结出现反向击穿。对沟道长度较短的对沟道长度较短的MOS管，管，vDS过大会使漏源区之间全部转为过大会使漏源区之间全部转为耗尽区，发生贯通击穿。耗尽区，发生贯通击穿。栅极下存在栅极下存在SiO2绝缘层，绝缘层，vGS过大会使绝缘层击穿。过大会使绝缘层击穿。3.1.1 增强型增强型MOS场效应管场效应管GS(th)VvGS截止区截止区:0
10、Di)(222)(DSDSthGSGSpDvvVvLWki可变电阻区可变电阻区:GS(th)GS(th)VvVvGDGS饱和区饱和区:GS(th)GS(th),VvVvGDGS)1()(22)(DSthGSGSpDvVvLWki截止区截止区应用举例应用举例例例:某某MOS管的管的kp=40A/V2,W/L=20,VGS(th)=1V,VA=50V,vGS=3V.(1)试问试问vDS为何值时出现预夹断，并求此时的漏极电流为何值时出现预夹断，并求此时的漏极电流iD.(2)求求vDS=5V时的漏极电流时的漏极电流.解解:(1)在预夹断点，在预夹断点，vDS=vGS-VGS(th)=3-1=2VmA6
11、.1)(22)(thGSGSpDVvLWki(2)vGS=3V,vDS=5V时的漏极电流为时的漏极电流为mA76.1)1()(2DS2)(vVvLWkithGSGSpD3.1.1 增强型增强型MOS场效应管场效应管nN沟道增强型沟道增强型MOS管的转移特性曲线管的转移特性曲线 iD=f(vGS)vDS=常数由输出特性曲线求转移特性曲线由输出特性曲线求转移特性曲线3.1.1 增强型增强型MOS场效应管场效应管n转移特性曲线转移特性曲线iD=f(vGS)vDS=常数常数跨导跨导gm:衡量栅源电压对漏极电流衡量栅源电压对漏极电流 的控制作用。的控制作用。GS(th)GSDQDSQDQDSQGS(th
12、)GS2 )1(2 )1)(DSQDSDQDGSQGSVVIVILWkVVVLWkvigppVvIiVvGSDmVGS(th)1()(22)(DSthGSGSpDvVvLWki3.1.1 增强型增强型MOS场效应管场效应管n转移特性曲线转移特性曲线iD=f(vGS)vDS=常数常数VGS(th)1()(22)(DSthGSGSpDvVvLWki 场效应管在饱和区输出电流场效应管在饱和区输出电流与输入电压呈与输入电压呈二次函数关系二次函数关系(均均指瞬时值、全值指瞬时值、全值)。双极型晶体双极型晶体管在放大区输出电流与输入电压管在放大区输出电流与输入电压呈呈指数关系指数关系。对对交流交流而言，在
13、而言，在Q点附近均点附近均是是线性关系线性关系，用，用Q点的切线代替点的切线代替曲线，近似为线性。曲线，近似为线性。3.1.1 增强型增强型MOS场效应管场效应管nMOS场效应管衬底调制效应场效应管衬底调制效应背栅跨导背栅跨导gmb:衡量背栅源电压对漏极衡量背栅源电压对漏极 电流的控制作用。电流的控制作用。00GSDSvvBSDmbvig跨导比跨导比:衡量衡量gmb的大小。的大小。mmbgg应用举例应用举例例例:N沟道沟道MOS管放大电路如图管放大电路如图,其中其中RD=1.5K,VDD=5V，开启电压，开启电压 Vth=1.5V，本征导电因子本征导电因子kp=50A/V2,沟道宽长比沟道宽长
14、比W/L=10，沟道，沟道 长度调制因子长度调制因子 =0.001/V。试求：。试求：(1)若微变跨导若微变跨导gm=1mS，直流徧置电压源，直流徧置电压源VGSQ应为多少？应为多少？(2)为使管工作在饱和区，求电压源为使管工作在饱和区，求电压源vi的动态范围。的动态范围。解解:(1)由于由于 数值较小，在数值较小，在vDS的变化范围内均有的变化范围内均有 (vDS)Vth，故，故，vimin=Vth-VGSQ=-2V 所以，所以，vimax=vGSmax-VGSQ=4.05-3.5=0.55V 3thmaxDDSmin105.1)(5VVRVVGSDD3.1.1 增强型增强型MOS场效应管场
15、效应管nP沟道增强型沟道增强型MOS管管 P 沟道沟道MOS场效应管场效应管的工作原理与的工作原理与 N 沟道沟道MOS管管完全相完全相同，但导电的载流子不同，电压极性不同，如同双极型三极管同，但导电的载流子不同，电压极性不同，如同双极型三极管有有NPN 型和型和 PNP 型一样。型一样。增强型增强型MOS场效应管场效应管绝缘栅场效应管N沟道增强型P沟道增强型3.1.2 耗尽型耗尽型MOS场效应管场效应管 N 沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管，是在栅极下的管，是在栅极下的SiO2绝缘层中掺入了大量绝缘层中掺入了大量的金属正离子。的金属正离子。当当VGS=0 时时，这些正离子已经感应出反型层，这些正
16、离子已经感应出反型层，在漏在漏源之间形成导电沟道源之间形成导电沟道，只要有漏源电压，就有漏极电流存在。，只要有漏源电压，就有漏极电流存在。若在栅源之间加正电压，导电沟道将变厚，沟道电阻减小。若在栅源之间加正电压，导电沟道将变厚，沟道电阻减小。若在栅源之间加若在栅源之间加负负电压，导电沟道将变窄，沟道电阻增大。电压，导电沟道将变窄，沟道电阻增大。3.1.2 耗尽型耗尽型MOS场效应管场效应管n工作原理工作原理n初始导电沟道已经存在初始导电沟道已经存在nVGS 对导电沟道有控制作用对导电沟道有控制作用.n当当VGS=VGS(off)时时,导电沟道完全被夹断，称为导电沟道完全被夹断，称为截止电压截止
17、电压。通常通常VGSvGS VGS(off)vGS=VGS(off)3.2.1 结型场效应管的基本工作原理结型场效应管的基本工作原理n漏源电压漏源电压vDS对沟道的影响对沟道的影响N沟道结型场效应管中沟道结型场效应管中vDS的影响的影响楔型沟道楔型沟道 预夹断状态预夹断状态 夹断状态夹断状态vGD VGS(off)vDS vGS-VGS(off)vGD=VGS(off)vDS=vGS-VGS(off)vGD vGS-VGS(off)3.2.2 结型场效应管的特性曲线结型场效应管的特性曲线 JFET的输出特性曲线、转移特性曲线与耗尽型的输出特性曲线、转移特性曲线与耗尽型MOSFET的的特性曲线基
18、本相同，但特性曲线基本相同，但MOS管的栅压可正、可负，而结型场效管的栅压可正、可负，而结型场效应管的栅压只能是正值应管的栅压只能是正值(P沟道沟道)或负值或负值(N沟道沟道)。3.2.2 结型场效应管的特性曲线结型场效应管的特性曲线可变电阻区可变电阻区:饱和区饱和区:)(222)off(DSDSGSGSpDvvVvLWki)1()1()1()(2DS2)off(DS2)off(vVvIvVvLWkiGSGSDSSGSGSpD2)off(2GSpDSSVLWkI结型场效应管的特性曲线结型场效应管的特性曲线结型场效应管 N沟道耗尽型P沟道耗尽型耗尽型场效应管耗尽型场效应管GS(off)VvGS截
19、止区截止区:0Di)(222)off(DSDSGSGSpDvvVvLWki可变电阻区可变电阻区:GS(off)GS(off)VvVvGDGS饱和区饱和区:GS(off)GS(off)VvVvGDGS)1()1()1()(22)off(2)off(DSGSGSDSSDSGSGSpDvVvIvVvLWki3.3 VDMOS和和IGBTnVDMOS型场效应管型场效应管VMOS管中的原胞单元管中的原胞单元 VDMOS场效应管场效应管(Vertical Double-diffused MOSFET)由多个由多个原胞单元并联构成。原胞单元并联构成。3.3 VDMOS和和IGBTnIGBT管管IGBT管中的
20、原胞单元管中的原胞单元 IGBT场效应管与场效应管与VDMOS管类似，也是管类似，也是(由多个原胞单元并由多个原胞单元并联构成。联构成。3.4 场效应管放大电路场效应管放大电路3.4.1 场效应管的模型场效应管的模型nMOS场效应管瞬态模型场效应管瞬态模型N沟道增强型沟道增强型MOS管管 模型是用标准元件构建的一种电路结构，其端口电压、电流模型是用标准元件构建的一种电路结构，其端口电压、电流关系与器件的外特性等效。关系与器件的外特性等效。MOS管的管的瞬态瞬态模型模型(未考虑电容未考虑电容)3.4.1 场效应管的模型场效应管的模型nMOS场效应管瞬态模型场效应管瞬态模型N沟道增强型沟道增强型M
21、OS管管MOS管的管的瞬态瞬态模型模型3.4.1 场效应管的模型场效应管的模型nMOS场效应管的微变信号模型场效应管的微变信号模型MOS管的管的瞬态瞬态模型模型MOS管的管的微变微变信号模型信号模型3.4.1 场效应管的模型场效应管的模型nMOS场效应管的微变信号模型场效应管的微变信号模型MOS管低频管低频微变微变信号模型信号模型3.4.1 场效应管的模型场效应管的模型n模型参数模型参数GS(th)GSQDQ2VVIgmDQDQADQDSQAds1IIVIVVrP192 3.1.14)1(2)1)(1(2DQDSQDSSoffDSQoffGSQoffDSSVIIVVVVVI3.4.1 场效应管
22、的模型场效应管的模型nMOS场效应管的简化直流模型场效应管的简化直流模型 MOS场效应管的栅极输入电阻极高，几乎不取电流，栅场效应管的栅极输入电阻极高，几乎不取电流，栅源之间对直流视为开路，只需讨论输出特性即可。源之间对直流视为开路，只需讨论输出特性即可。GSmVgMOS管的简化直流模型管的简化直流模型3.4.1 场效应管的模型场效应管的模型n结型场效应管的瞬态模型结型场效应管的瞬态模型N沟道增强型沟道增强型MOS管管MOS管的瞬态模型管的瞬态模型3.4.1 场效应管的模型场效应管的模型n结型场效应管的微变信号模型结型场效应管的微变信号模型结型场效应管的低频结型场效应管的低频微变微变信号模型信
23、号模型3.4.2 场效应管的直流偏置电路场效应管的直流偏置电路 与双极型电路相似，场效应管放大电路也必须设置合适的与双极型电路相似，场效应管放大电路也必须设置合适的静态工作点静态工作点Q，电路的分析也用，电路的分析也用图解法图解法和和等效电路法等效电路法。n增强型增强型MOS管的偏置电路管的偏置电路 对于增强型对于增强型MOS管，为管，为保证衬底与沟道间的保证衬底与沟道间的PN结反结反偏，要求栅极偏，要求栅极G和漏极和漏极D必须必须同极性偏置同极性偏置.分压式偏置电路分压式偏置电路3.4.2 场效应管的直流偏置电路场效应管的直流偏置电路一一 采用图解法求采用图解法求Q点点(1)作增强型作增强型
24、MOS管的转移特性曲线管的转移特性曲线.(2)作源极负载线作源极负载线.SD212DDSGGSRIRRRVVVV3.4.2 场效应管的直流偏置电路场效应管的直流偏置电路二二 采用解析法求采用解析法求Q点点列如下方程组列如下方程组：2GS(th)GSQDQSDQDD212GSQ)(2VvLWkIRIVRRRVp源极负载线方程源极负载线方程转移特性方程转移特性方程联立求解联立求解 定定Q点点DQGSQIV应用举例应用举例解解:(1)2thGSQDQSDQDD212GSQ)(2.0VVIRIVRRRV10K10K0.5K例例:N沟道增强型场沟道增强型场MOS管的分压偏置电路如下管的分压偏置电路如下,
25、其中其中VDD=10V,Vth=2V,忽略沟道长度调制效应，忽略沟道长度调制效应，iD=0.2(vGS-Vth)2mA,试求：试求：(1)静态工作点的电压静态工作点的电压VGSQ、电流、电流IDQ。(2)为保证管在饱和区，电阻为保证管在饱和区，电阻RD的上限数值是多少？的上限数值是多少？(2)SDQDSQDDDDSDQDDDSQ)()(RIVVRRRIVVthDSQGSQGDVVVVthGSQDSQVVV又又 3.4.2 场效应管的直流偏置电路场效应管的直流偏置电路n耗尽型场效应管的偏置电路耗尽型场效应管的偏置电路自生偏压式偏置电路自生偏压式偏置电路自生偏压电路自生偏压电路：源极电流源极电流
26、ID 流过电阻流过电阻 RS 产生压降，做为栅源间的偏产生压降，做为栅源间的偏压，使管子工作在饱和区。压，使管子工作在饱和区。结型管：栅极结型管：栅极G和漏极和漏极D必须反极性偏置必须反极性偏置.耗尽型耗尽型 MOS 管：栅极管：栅极G和漏极和漏极D即可同极性偏置，即可同极性偏置，也可反极性偏置也可反极性偏置.3.4.2 场效应管的直流偏置电路场效应管的直流偏置电路一一 采用图解法求采用图解法求Q点点(1)作耗尽型作耗尽型MOS管的转移特性曲线管的转移特性曲线(2)作源极负载线作源极负载线SDGSRIVN沟道耗尽型管电路沟道耗尽型管电路GS(off)VDQIGSVDIDSSIGSQVS1RQ3
27、.4.2 场效应管的直流偏置电路场效应管的直流偏置电路二二 采用解析法求采用解析法求Q点点列如下方程组列如下方程组：联立求解联立求解 定定Q点点DQGSQIVN沟道耗尽型管电路沟道耗尽型管电路源极负载线方程源极负载线方程转移特性方程转移特性方程2GS(off)GSQDSSDQSDQGSQ)1(VVIIRIV自生偏压定自生偏压定Q点点应用举例应用举例2GS(off)GSQDSSDQSDQGSQ)1(VVIIRIVmA34.1V34.1DQGSQIV1M1k2k例例:N沟道结型场效应管的自生偏压电路和特性曲线如下，其中沟道结型场效应管的自生偏压电路和特性曲线如下，其中 VDD=8V，试求静态工作点
28、的电压，试求静态工作点的电压VGSQ、电流、电流IDQ。应用举例应用举例例例:N沟道结型场效应管的自生偏压电路和特性曲线如下，其中沟道结型场效应管的自生偏压电路和特性曲线如下，其中 RG=1M，RS=1K，RD=2K，VDD=8V。试求：输入电。试求：输入电 压压vi、输出电压、输出电压vo、输出电流、输出电流iD的动态范围。的动态范围。iDoffGSmDS2offGSmDSSDD)()1(VvRRVvIV解得解得:mA178.2V03.1DmGSmivV47.1offGSmDSminVvvvGS:(-2.5,-1.03)VvDS:(1.47,8)ViD :(0,2.178)V3.4.2 场效
29、应管的直流偏置电路场效应管的直流偏置电路耗尽型耗尽型MOS场效应管放大电路场效应管放大电路混合偏置电路：混合偏置电路：采用解析法求采用解析法求Q点点2GS(off)DSS212)1(VVIIR-IRRRVVGSDDDGGGDDGSn耗尽型耗尽型MOS管的偏置电路管的偏置电路3.4.3 场效应管基本放大电路场效应管基本放大电路n共源共源(CS)放大电路放大电路n电压增益高电压增益高,输入输出反相。输入输出反相。n共漏共漏(CD)放大电路放大电路 电压增益接近于电压增益接近于1,输入输出同相输入输出同相;输入电阻高输入电阻高,输出电阻低输出电阻低n共栅共栅(CC)放大电路放大电路n电压增益高电压增
30、益高,输入输出同相。输入输出同相。http:/ 基本共源放大电路基本共源放大电路n分压式偏置共源放大电路分压式偏置共源放大电路增强型电阻负载共源放大电路增强型电阻负载共源放大电路1.找找Q点点2.定参量定参量GS(th)GSQDQ2VVIgmDQADQDSQAdsIVIVVr2GS(th)GSQDQDD212GSQ)(2VvLWkIVRRRVp一一 基本共源放大电路基本共源放大电路共源放大电路的交流等效电路共源放大电路的交流等效电路中频增益：中频增益：LmsovsLmiovRgRRRVVARgVVAGSGDdsLRrR/输入电阻：输入电阻：G2G1G/RRRRi输出电阻：输出电阻：dsorRR
31、/D3.画模型画模型4.求指标求指标G2G1G/RRR iV+-二二 基本共栅放大电路基本共栅放大电路结型电阻负载共栅放大电路结型电阻负载共栅放大电路1.找找Q点点2.定参量定参量n结型共栅放大电路结型共栅放大电路2GS(off)GSQDSSDQSSDQGSQ)1(VVIIRIVGS(th)GSQDQ2VVIgmDQADQDSQAdsIVIVVr二二 基本共栅放大电路基本共栅放大电路3.画模型画模型结型电阻负载共栅放大电路结型电阻负载共栅放大电路交流等效电路交流等效电路二二 基本共栅放大电路基本共栅放大电路共栅放大电路的交流等效电路共栅放大电路的交流等效电路LDL/RRR iV+-4.求指标求
32、指标电压增益电压增益:LLL)1(RgRrRrgVVVVAmdsdsmgsoiovLSiiRgRrrVVAmsovs0)(LgsdsgsmooVrVgRVV0)(gsdsgsmdoVrVgIV二二 基本共栅放大电路基本共栅放大电路共栅放大电路的交流等效电路共栅放大电路的交流等效电路LDL/RRR 4.求指标求指标输入电阻输入电阻:migRrRR1/SSisSSsImmgsgsigRRgRVVIVIVr11 /LLLodsis二二 基本共栅放大电路基本共栅放大电路4.求指标求指标输出电阻输出电阻:DDod/RRrRo共栅放大电路的交流等效电路共栅放大电路的交流等效电路LDL/RRR dsSSdd
33、oddsdSddSd1 rRgRIVrrIRgIIRVmmSSSS/RRR DdsodRrrgsmddsVgIIdSgsIRV三三 基本共漏放大电路基本共漏放大电路分压式电阻负载共漏放大电路及其交流等效电路分压式电阻负载共漏放大电路及其交流等效电路n分压式偏置共漏放大电路分压式偏置共漏放大电路三三 基本共漏放大电路基本共漏放大电路LmLmgsLmLgsmiovRgRgVRgRVgVVA1 )1(电压增益电压增益:分压式共漏放大电路的交流等效电路分压式共漏放大电路的交流等效电路)1(LgsogsiLgsoRgVVVVRVgVmm-iVSSdsL/1RrgRmb共漏放大电路称为源级跟随器共漏放大电
34、路称为源级跟随器.LmLmsovsRgRgrRrVVA1iSi三三 基本共漏放大电路基本共漏放大电路分压式共漏放大电路的交流等效电路分压式共漏放大电路的交流等效电路输入电阻输入电阻:G2G1Gi/RRRR输出电阻输出电阻:SSo/1/1RrggRdsmbm3.4.3 场效应管基本放大电路场效应管基本放大电路n共源放大电路共源放大电路n共栅放大电路共栅放大电路中频增益：中频增益：LRgAmv输入电阻：输入电阻：输出电阻：输出电阻：dsDorRR/中频增益：中频增益：输入电阻：输入电阻：输出电阻：输出电阻：n共漏放大电路共漏放大电路LmLmvRgRgA1中频增益：中频增益：输入电阻：输入电阻：输出
35、电阻：输出电阻：LLL )1(RgRrRrgAmdsdsmvG2G1/RRRimigRR1/SSDod/RrRoG2G1Gi/RRRRSSo/1/1RrggRdsmbm3.4.4 场效应管电流源电路场效应管电流源电路n单管电流源单管电流源n镜像电流源镜像电流源n比例电流源比例电流源n串联电流源串联电流源n威尔逊电流源威尔逊电流源http:/ MOS单管电流源单管电流源自生偏压和漏极电流的关系自生偏压和漏极电流的关系:源极电流源极电流 ID 流过电阻流过电阻 R 产生产生压降，做为栅源压降，做为栅源间的偏压，使管间的偏压，使管子工作在饱和区。子工作在饱和区。MOS单管电流源单管电流源解此方程组即
36、可求出解此方程组即可求出电流电流 ID的值。的值。输出电阻输出电阻:dsgsmgsrVgIIRVIRV)(dsmdsmorRgrRgRIVR)1()1(2GS(th)GSDSSDDGS)1(VVIIRIV二二 基本电流源基本电流源)1()(2)1()(2222GS(th)22220112GS(th)1111DSGSpDSGSpRVVVLWkIVVVLWkI)1)(/()1)(/(1112220DSDSRVLWVLWII022211IIVrRDDSdsoMOS管基本电流源管基本电流源1.镜像支路和参考支路的关系镜像支路和参考支路的关系2.输出电阻输出电阻镜像电流源镜像电流源比例电流源比例电流源工
37、作在工作在饱和区饱和区令：令：VGS(th)1=VGS(th)2，1=2=rGS1DDRVVIR三三 串联电流源串联电流源MOS管串联电流源管串联电流源 T1T4管的参数管的参数(kp、Vth、)尽量一致，尽量一致，以减小因以减小因vDS差异引起的沟道长度调制效差异引起的沟道长度调制效应对应对I0、IR比例精度的影响。比例精度的影响。T2的输出电阻的输出电阻rds2对对T4呈电流负反馈，呈电流负反馈，进一步提高进一步提高T4管的输出电阻管的输出电阻rds4。ds4ds2mb44o)(rrggrm电路特点：电路特点：四四 威尔逊电流源威尔逊电流源为提高电流源的输出电阻和镜像精度，可采用威尔逊电流
38、源。为提高电流源的输出电阻和镜像精度，可采用威尔逊电流源。威尔逊电流源威尔逊电流源威尔逊电流源等效电路威尔逊电流源等效电路311odsdsmrrgR 3.3.3 MOS管威尔逊电流源威尔逊电流源等效电路为求输出电阻，列如下方程组为求输出电阻，列如下方程组：3.3.3 MOS管威尔逊电流源由由：得得：3.4.5 场效应管有源负载放大电路场效应管有源负载放大电路nMOS管有源电阻管有源电阻n共源共源E/E型放大电路型放大电路nNMOS E/D型放大电路型放大电路nCMOS 放大电路放大电路http:/ MOS管有源电阻管有源电阻为提高增益，减小芯片面积，为提高增益，减小芯片面积，MOS集成电路大多
39、采用集成电路大多采用有源电阻有源电阻。n增强型增强型MOS管有源电阻管有源电阻thGSVv直流电阻：直流电阻：DQDSQIVR 交流电阻：交流电阻：mmds11/ggrrthGD0VvMOS二极管一一 MOS管有源电阻管有源电阻n耗尽型耗尽型MOS管有源电阻管有源电阻直流电阻：直流电阻：DQDSQIVR 交流电阻：交流电阻：dsrr 下图为采用下图为采用 P 沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管组成有源电阻，也称单管电流源。管组成有源电阻，也称单管电流源。二二 NMOS管共源管共源 E/E 型放大电路型放大电路NMOS E/E放大电路及其交流等效电路放大电路及其交流等效电路vig2d2s2b2二二 N
40、MOS管共源管共源 E/E 型放大电路型放大电路NMOS E/E放大电路的交流等效电路放大电路的交流等效电路ds2mb2m2ds1m1ds2mb2m2ds1m1Lm1 )/1/1/(gggggrggrgRgAvsds2mb2m2ds1o/1/1/rggrr 输出电阻输出电阻:电压增益电压增益:ds2mb2m2ds1L/1/1/rggrR 三三 NMOS管共源管共源 E/D 型放大电路型放大电路NMOS E/D放大电路及其交流等效电路放大电路及其交流等效电路g2d2s2b2三三 NMOS管共源管共源 E/D 型放大电路型放大电路NMOS E/D放大电路的交流等效电路放大电路的交流等效电路ds2m
41、b2ds1m1ds2mb2ds1m1Lm1 )/1/(ggggrgrgRgAvsds2mb2ds1o/1/rgrr 输出电阻输出电阻:电压增益电压增益:ds2mb2ds1L/1/rgrR 四四 CMOS共源共源 放大电路放大电路 CMOS电路以电路以 NMOS管做放大管，管做放大管，PMOS管作负载管，构成管作负载管，构成互补放大电路，可以很好地互补放大电路，可以很好地消除衬底调制现象消除衬底调制现象。四四 CMOS共源共源 放大电路放大电路共源共源CMOS放大电路放大电路ds2ds1m1ds2ds1m1Lm1 )/(gggrrgRgAvsds2ds1o/rrr 输出电阻输出电阻:电压增益电压
42、增益:ds2ds1L/rrR 四四 CMOS共源共源 放大电路放大电路CMOS反相器反相器四四 CMOS共源共源 放大电路放大电路ds2ds1m2m1ds2ds1m2m1gsds2ds1gsm2m1so )/)()/()(ggggrrggVrrVggVVAvsds2ds1o/rrr 输出电阻输出电阻:电压增益电压增益:CMOS反相器反相器三种放大电路传输特性的比较三种放大电路传输特性的比较常用单级常用单级MOS放大电路放大电路:E/E NMOS E/D NMOS CMOS三种放大电路传输特性的比较三种放大电路传输特性的比较注意观察：注意观察：1 动态范围动态范围2 增益增益3.4.6 场效应管
43、差分放大电路场效应管差分放大电路MOS管差分放大电路管差分放大电路n放大差模抑制共模放大差模抑制共模n输入电阻高输入电阻高n线性范围宽线性范围宽n微变增益低，偏差失调大微变增益低，偏差失调大MOS管差放的传输特性曲线管差放的传输特性曲线nMOS管基本差分电路管基本差分电路3.4.6 场效应管差分放大电路场效应管差分放大电路差模传输特性差模传输特性(1)静态时，静态时，vID=0，差动输出差动输出 iOD=0,电路工作于曲线原点。电路工作于曲线原点。(2)加入差模信号加入差模信号 vID 后，两管的差动后，两管的差动输出电流一增一减，增减量相同。输出电流一增一减，增减量相同。(3)当当vID 很
44、大时进入限幅区。很大时进入限幅区。CMOS差差 放非限幅区的范围通常比双极型晶放非限幅区的范围通常比双极型晶 体管差放大很多。体管差放大很多。WkLIpSS2WkLIpSS23.4.6 场效应管差分放大电路场效应管差分放大电路MOS管差分放大电路的交流通路管差分放大电路的交流通路差模电压增益差模电压增益:)/(22112121DdsmioiioovDRrgVVVVVVA非限幅区范围非限幅区范围:WkLIvvpSSIDID23.4.6 场效应管差分放大电路场效应管差分放大电路MOS管差分放大电路管差分放大电路共模输入电压范围共模输入电压范围:vIC下降时下降时vS跟随下降，跟随下降，vDS3减小
45、：减小：GSQ1min DS3SSmin icth3GSQ3min DS3VvVvVVvth3DS3GSQ3GD3VvVv由由得得vIC上升时上升时vS跟随上升，跟随上升，iD基本不变基本不变DDQDDDQDRIVVvth1DQmax icVVvth1DS1GS1GD1VvVv基本不变基本不变而而3.4.6 场效应管差分放大电路场效应管差分放大电路MOS管差分放大电路管差分放大电路共模电压增益共模电压增益:ssmDmgsmssgsDgsmDssgsDDicocvCrgRgVgrVRVgIrVRIVVA21 2 2共模抑制比共模抑制比:vcvdCMRAAK13.4.6 场效应管差分放大电路场效应
46、管差分放大电路nMOS管有源差分放大电路管有源差分放大电路E/E型有源负载型有源负载CMOS差放差放差模电压增益差模电压增益:PMOS管管T3和和T4为有源电阻，且为有源电阻，且43/1/1mmgg313131121)/()/()1/(LWLWgggrgVVVApnmmmdsmiiovD3.4.6 场效应管差分放大电路场效应管差分放大电路nMOS管有源差分放大电路管有源差分放大电路电流源有源负载电流源有源负载CMOS差放差放差模电压增益差模电压增益:)/(31121dsdsmiiovDrrgVVVA3.4.6 场效应管差分放大电路场效应管差分放大电路漏极信号电流：漏极信号电流：2211imdi
47、mdvgivgi输出信号电流：输出信号电流：)(2121iimddodvvgiii输出电压：输出电压：)(/()/(214242iidsdsmdsdsodovvrrgrriv)/(4221dsdsmiiovDrrgvvvA)/(42dsdsorrR 电压增益：电压增益：输出电阻：输出电阻：镜像电流源负载镜像电流源负载CMOS差放差放nMOS管有源差分放大电路管有源差分放大电路1di1di2diodi3.4.6 场效应管差分放大电路场效应管差分放大电路差放中的衬底调制效应差放中的衬底调制效应 T1、T2管存在衬源管存在衬源电压，使开启电压增大；电压，使开启电压增大；差模电压和共模电压输差模电压和
48、共模电压输入范围有所改变；但对入范围有所改变；但对微变信号而言，不存在微变信号而言，不存在衬底调制效应，微变差衬底调制效应，微变差模电压增益不受影响。模电压增益不受影响。3.5 场效应管模拟开关场效应管模拟开关接通状态接通状态：电阻尽可能小：电阻尽可能小关断状态关断状态：电阻尽可能大：电阻尽可能大开关速度尽可能快开关速度尽可能快模拟开关是一种控制模拟开关是一种控制模拟信号传输模拟信号传输的器件。的器件。3.5.1 单管单管MOS模拟开关模拟开关n单管单管NMOS模拟开关模拟开关n单管单管PMOS模拟开关模拟开关可变电阻区DDIthGLVvVV)(1IthGHonNvVVLWkRp可变电阻区几百
49、几十千欧thGHI0VVvthGLthGHVVVVCMOS传输门传输门 CMOS传输门由传输门由N沟道增强型沟道增强型MOS管和管和P沟道增强型沟道增强型MOS管并管并接构成，两管栅极施加反向控制信号。接构成，两管栅极施加反向控制信号。当控制信号为高电平时，输入信号当控制信号为高电平时，输入信号vI可以几乎无衰减地传输到可以几乎无衰减地传输到输出端，输出端，vO vI。当控制信号为低电平时，输入当控制信号为低电平时，输入输出之间呈高阻状态，输出之间呈高阻状态，vO 0。3.5.2 CMOS模拟开关模拟开关 CMOS模拟开关由模拟开关由CMOS传输门传输门和和CMOS反相器反相器构成。构成。CMOS模拟开关扩大了输入信号的幅度范围模拟开关扩大了输入信号的幅度范围(0VDD)，同时又保持较小的导，同时又保持较小的导通电阻。通电阻。CMOS模拟开关应用实例模拟开关应用实例数控增益放大器数控增益放大器
