1、第五章第五章 场效应管放大电路场效应管放大电路 场效应管场效应管是一种利用电场效应来控制电流的一种半导体器件，是仅由一种载流子参与导电的半导体器件。从参与导电的载流子来划分，它有电子作为载流子的N沟道沟道器件和空穴作为载流子的P沟道沟道器件。场效应管：结型N沟道P沟道 MOS型N沟道P沟道增强型耗尽型增强型耗尽型5.1 金属金属-氧化物氧化物-半导体（半导体（MOS）场效应管）场效应管金属氧化物场效应管金属氧化物场效应管MOSFET(Metal OxideMOSFET(Metal Oxide Semiconductor FET)Semiconductor FET)又称绝缘栅型场效应管，绝缘栅型
2、场效应管，它是一种利用半导体表面电场效应，由感应电荷的多少改变导电沟道来控制漏极电流的器件，它的栅极与半导体之间是绝缘的，其电阻大于109。增强型：VGS=0时，漏源之间没有导电沟道，在VDS作用下无iD。耗尽型：VGS=0时，漏源之间有导电沟道，在VDS作用下iD。1.1.结构和符号结构和符号 N沟道增强型沟道增强型MOSFET结构左右对称，是在一块浓度较低的P型硅上生成一层SiO2 薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区，从N型区引出电极作为D和S,在绝缘层上镀一层金属铝并引出一个电极作为GD(Drain):漏极，漏极，相当相当c G(Gate):栅极，栅极，相当相当b S(So
3、urce):源极，相当源极，相当eB(Substrate):衬底衬底5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET2.工作原理工作原理(a)(a)V VGSGS=0=0时时，无导电沟道，无导电沟道 漏源之间相当两个背靠背的 二极管，在D、S之间加上电压，不管VDS极性如何，其中总有一个PN结反向，所以不存在导电沟道。VGS=0，ID=0 VGS必须大于必须大于0 管子才能工作。管子才能工作。（1）栅源电压）栅源电压VGS的控制作用的控制作用 （b）0VGS VT （VT 称为开称为开 启电压启电压)在Sio2介质中产生一个垂直于导体表面的电场，排斥P区多子空穴而吸引少子电子。但由于电场强度有限
4、，吸引到绝缘层的少子电子数量有限，不足以形成沟道，将漏极和源极沟通，所以不可能以形成漏极电流ID。0VGSVT，ID=0(c)VGSVT时时此时的栅极电压已经比较强，栅极下方的P型半导体表层中聚集较多的电子，将漏极和源极沟通，形成N沟道。如果此时VDS0，就可以形成漏极电流ID。在栅极下方导电沟道中的电子，因与P型区的载流子空穴极性相反，故称为反型层。随着VGS的继续增加，反型层变厚，ID增加。这种在VGS=0时没有导电沟道，依靠栅源电压的作用而形成感生沟道的FET称为增强型增强型FETVGS 0g吸引电子吸引电子反型层反型层导电沟道导电沟道VGS 反型层变厚反型层变厚 VDS ID （2 2
5、）漏源电压）漏源电压V VDSDS对漏极电流对漏极电流I ID D的控制作用的控制作用（a a）如果）如果V VGSGSV VT T且固定为某一值，且固定为某一值，V VGDGD=V VGSGSV VDSDS V VDSDS为为0 0或较小时，或较小时，VGD=VGSVDS VT，沟道分布如 图，此时VDS 基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。这时，ID随VDS增大。VDS ID （b）当）当VDS增加到使增加到使VGD=VT时时沟道如图所示，靠近漏极的沟道被夹断，这相当于VDS增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为预夹断。（2）漏源电压）漏源电压VDS对漏极电流对漏极电流ID的控制作用
6、的控制作用（2 2）漏源电压）漏源电压V VDSDS对漏极电流对漏极电流I ID D的控制作用的控制作用VDS ID 不变不变（c）当VDS增加到VGDVT时沟道如图所示。此时预夹断区域加长，向S极延伸。VDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上，ID基本趋于不变3.输出特性曲线输出特性曲线 vDS/V iD(1)(1)截止区（夹断区）截止区（夹断区）VGS|VP|时的漏 极电流。（耗尽）4、极间电容：漏源电容CDS约为 0.11pF，栅源电容CGS和栅 漏极电容CGD约为13pF。一、直流参数一、直流参数场效应管的主要参数场效应管的主要参数GSDSdsDSvdvrdi常数 2、低频互导
7、gm：表示vGS对iD的控制作用。DSGSDmVvdidg =在转移特性曲线上，gm 是曲线在某点上的斜率，也可由iD的表达式求导得出，单位为 S 或 mS。二、交流参数二、交流参数1、输出电阻不考虑沟道调制效应时为0考虑时为1GSDSdsDSDvdvrdii常数1、最大漏极电流 IDM 2、最大漏极耗散功率 PDM 3、最大漏源电压 V(BR)DS 最大栅源电压 V(BR)GS 2()2()DSDSnGSTDmnGSTGSGSvvKvVdigKvVdvvmg2()DnGSTiKvV由V-I特性估算 2DOnTIK V22mn DDO DTgK iIiV因为则三、极限参数三、极限参数场效应三极
8、管的型号场效应三极管的型号 场效应三极管的型号,现行有两种命名方法。其一是与双极型三极管相同，第三位字母J代表结型场效应管，O代表绝缘栅场效应管。第二位字母代表材料，D是P型硅，反型层是N沟道；C是N型硅P沟道。例如,3DJ6D是结型N沟道场效应三极管，3DO6C是绝缘栅型N沟道场效应三极管。第二种命名方法是CS#，CS代表场效应管，以数字代表型号的序号，#用字母代表同一型号中的不同规格。例如CS14A、CS45G等。几种常用的场效应三极管的主要参数见表 参 数 型号 PDM mW IDSS mA VRDS V VRGS V VP V gm mA/V fM MHz 3DJ2D 100 20 2
9、0 -4 2 300 3DJ7E 100 20 20 -4 3 90 3DJ15H 100 611 20 20 -5.5 8 3DO2E 100 0.351.2 12 25 1000 CS11C 100 0.31 -25 -4 2 5.2 MOSFET放大电路放大电路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.图解分析图解分析3.小信号模型分析小信号模型分析5.2.1 简单共源极放大电路的直流分析简单共源极放大电路的直流分析gdsBVDDRdRg1Rg2idCb2v0viCb2步骤步骤直流通路直流通路VGIDVS5.2 MOSFET放大电
10、路放大电路1 假设假设MOS管工作于饱和区，则有管工作于饱和区，则有 VGSQVT，IDQ0，VDSQVGSQ-VT2 利用饱和区的利用饱和区的V-I曲线分析电路：曲线分析电路：2()DnGSTIK VV3 如果出现如果出现VGSVT，则，则MOS管可能截至，如果管可能截至，如果 VDSVGS-VT，则说明，则说明NMOS确工作于饱确工作于饱和区；若和区；若VDS(VGS-VT)=2-1=1V说明管子工作在饱和状态，与最初假设一致。说明管子工作在饱和状态，与最初假设一致。28gdsBVDDRdRg1Rg2idCb2v0viCb2静态值：静态值：VGSQ、IDQ、VDSQ外加信号电压波形：外加信
11、号电压波形：tvi因为：因为：vGS=VGSQ+vi所以所以vGS的波形为的波形为：iD=IDQ+gmvitvGSVGSQVGSQ1VGSQ20tiD IDQ IDQ1 IDQ20负载线方程：负载线方程：iD=-+VDDvDSRdRd是一条过是一条过(VDD,0)和和(0,VDD/RD)的直线的直线5.2.3 NMOS共源极放大电路的图解分析共源极放大电路的图解分析5.2 MOSFET放大电路放大电路29vDS/ViD(mA)vGS/ViD(mA)VGSQVDDVDDRdQQ1Q2viIDQvDSttVDSQ5.2.3 NMOS共源极放大电路的图解分析共源极放大电路的图解分析5.2 MOSFE
12、T放大电路放大电路301.NMOS管的管的小小信号模型信号模型双端口双端口 网络网络gsdsvgsvdsid工作在饱和区的工作在饱和区的漏极电流漏极电流iD:2DnGSTiKvV22nGSQgsTnGSQTgsKVvVKVVv222gsnGSQTnGSQTgsnKVVKVVvK vIDQidgmvgs谐波分量越小越谐波分量越小越好，一般取为好，一般取为0。ig0,输入端相当于开路；输入端相当于开路；idgmvgs，输出回路等效成一个电压控制电流源。，输出回路等效成一个电压控制电流源。gm=2Kn(VGSQ-VT)5.2.4 NMOS共源极放大电路的小信号模型共源极放大电路的小信号模型5.2 M
13、OSFET放大电路放大电路31场效应管输出特性表达式：场效应管输出特性表达式：),(=DSGSDvvfiDSVDSDGSVGSDDdvvidvvidiGSDS求全微分求全微分:dsVDSDrviGS1漏极与源极间等效电导，相当于输出特漏极与源极间等效电导，相当于输出特性曲线斜率的倒数，为无穷大性曲线斜率的倒数，为无穷大mVGSDgviDS其中：其中：为低频跨导为低频跨导,是转移特性曲线是转移特性曲线Q点的斜率点的斜率5.2.4 NMOS共源极放大电路的小信号模型共源极放大电路的小信号模型5.2 MOSFET放大电路放大电路双端口双端口 网络网络gsdsvgsvdsidDSdsGSmDdvrdv
14、gdi11dmgsdsdsig vvr变化量变化量由该式可得到场效应管的微变等效电路由该式可得到场效应管的微变等效电路1.NMOS管的管的小小信号模型信号模型32漏极与源极间等效电导，相当于输出特漏极与源极间等效电导，相当于输出特性曲线斜率的倒数，为无穷大性曲线斜率的倒数，为无穷大为低频跨导为低频跨导,是转移特性曲线是转移特性曲线Q点的斜率点的斜率5.2.4 NMOS共源极放大电路的小信号模型共源极放大电路的小信号模型5.2 MOSFET放大电路放大电路双端口双端口 网络网络gsdsvgsvdsidgsgmvgsvgs+-rds+-vdsidd因因rds很大，可忽略，很大，可忽略，得简化小信号
15、模型得简化小信号模型:可得到场效应管放大电路的微变等效电路可得到场效应管放大电路的微变等效电路1dmgsdsdsig vvr1.NMOS管的管的小小信号模型信号模型335.2.4 NMOS共源极放大电路的小信号模型共源极放大电路的小信号模型5.2 MOSFET放大电路放大电路2.场效应管放大电路的微变等效电路场效应管放大电路的微变等效电路gdsBVDDRdRg1Rg2idCb2v0viCb2 首先将电容、电源短路得首先将电容、电源短路得到交流通路：到交流通路：小信号模型：小信号模型：rdsgsdgmvgsvgs+-+-v0idvi+-RgRd345.2.4 NMOS共源极放大电路的小信号模型共
16、源极放大电路的小信号模型5.2 MOSFET放大电路放大电路2.场效应管放大电路的微变等效电路场效应管放大电路的微变等效电路 首先将电容、电源短路得首先将电容、电源短路得到交流通路：到交流通路：小信号模型：小信号模型：rdsgsdgmvgsvgs+-+-v0idvi+-RgRd(1)电压放大倍数电压放大倍数0(/)mgsdsdvigsmdg vrRvAvvg R(2)输入电阻输入电阻 Ri=Rg1/Rg2(3)输出电阻输出电阻 R0=Rd35gdsBVDDRdRg1Rg2idCb2v0viCb2R 首先将电容、电源短路得首先将电容、电源短路得到交流通路：到交流通路：小信号模型：小信号模型：rd
17、sgsdgmvgsvgs+-+-v0idvi+-RRgRd5.2.4 NMOS共源极放大电路的小信号模型共源极放大电路的小信号模型5.2 MOSFET放大电路放大电路2.场效应管放大电路的微变等效电路场效应管放大电路的微变等效电路(1)电压放大倍数电压放大倍数01mgsdvigsmgsmdmg v RvAvvg v Rg Rg R(2)输入电阻输入电阻 Ri=Rg1/Rg2(3)输出电阻输出电阻R0=Rd36gdsBVDDRdRg1Rg2idviCb2Cb2v0Cb2v0R 首先将电容、电源短路得首先将电容、电源短路得到交流通路：到交流通路：小信号模型：小信号模型：v0+rdsgsdgmvgs
18、vgs+-idvi+-RRgdgvgs+idgmvgsvi+-srdsRv0Rg(1)电压放大倍数电压放大倍数0(/)(/)m gsdsvigsm gsdsg vrRvAvvg vrR取取rds为无穷时：为无穷时：(/)1(/)mdsmdsgrRgrR1mmg Rg R(2)输入电阻输入电阻Ri=Rg1/Rg2(3)输出电阻输出电阻R0=R/rds/gm1推推 导导5.2.5 NMOS共漏极放大电路的小信号模型共漏极放大电路的小信号模型5.2 MOSFET放大电路放大电路37dgvgs+idgmvgsvi+-srdsRv0Rg输出电阻输出电阻R0的计算：的计算：RsvTiTR0=vTiTiRi
19、rvgs=-vTiT=iR+ir-gmvgsTTTmTdsvvig vRr11/11TdsTmmdsvRriggRr5.2.5 NMOS共漏极放大电路的小信号模型共漏极放大电路的小信号模型5.2 MOSFET放大电路放大电路38例例.Rg1=60K，Rg2=40K，Rd=15K，VDD=5V，VT=1V，n=0.2mA/V2，RL=15K计算计算IDQ、VDSQ；Av、Ri、R0。+-vi解解.21240526040gGSQDDggRVVVRR若管子工作在饱和区，则若管子工作在饱和区，则2()DQnGSTIKVV=0.2(2-1)2=0.2mA(50.2 15)2DSQDDDdVVI RV可见
20、可见:2 11DSQGSQTVVVV 说明管子工作在饱和区说明管子工作在饱和区.39(1)电压放大倍数电压放大倍数gm=2Kn(VGS-VT)=20.2(2-1)=0.4mS150.432vmLAg R (2)输入电阻输入电阻Ri=Rg1/Rg2=60/40=24K(3)输出电阻输出电阻R0=Rd=15K+-vi例例.Rg1=60K，Rg2=40K，Rd=15K，VDD=5V，VT=1V，n=0.2mA/V2，RL=15K计算计算IDQ、VDSQ；Av、Ri、R0。解解.40模型模型5.3 结型场效应管结型场效应管(Junction type Field Effect Transister)5
21、.3.1 5.3.1 结型场效应管的结构和符号结型场效应管的结构和符号 结型场效应管是一种利用耗尽层宽度改变导电沟道的宽窄来控制漏极电流的大小的器件。它是在N型半导体硅片的两侧各制造一个PN结，形成两个PN结夹着一个N型沟道的结构。P区即为栅极g(G)，N型硅的一端是漏极d(D)，另一端是源极s(S)。箭头方向表示栅结正偏箭头方向表示栅结正偏或正偏时栅极电流方向。或正偏时栅极电流方向。5.3.2 5.3.2 工作原理工作原理ID（1）VGS对导电沟道的影响：VP(VGS(OFF)：夹断电压栅源之间是反偏的PN结，RGS107，所以IG=0(a)VGS=0，VDS=0，ID=0 结型场效应管没有
22、绝缘层，只能工作在反偏的条件下。N沟道结型场效应管只能工作在负栅压区，P沟道的只能工作在正栅压区，否则将会出现栅流。N沟道结型场效应管工作原理：沟道结型场效应管工作原理：(c)|VGS|=VP ，导电沟道被全夹断(b)0 VGS 0 但|VGS-VDS|VP|时的漏极电流2)-1(PGSDSSDVvIi 当|vGS -vDS|vP|后，管子工作在恒流区，vDS对iD的影响很小。实验证明，当|vGS -vDS|VP|时，iD可近似表示为：输出特性曲线CVDSDGSVfi)(恒流恒流区：(又称饱和区或放大区）又称饱和区或放大区）特点:(1)受控性：输入电压vGS控制输出电流21VvIiPGSDSS
23、D(2)恒流性：输出电流iD 基本上不受输出电压vDS的影响。用途:可做放大器和恒流源。条件:(1)源端沟道未夹断 (2)源端沟道予夹断 VVPGSVVVPGSDS可变电阻区可变电阻区特点特点:(1)(1)当vGS 为定值时,iD 是 vDS 的线性函数，管子的漏源间呈现为线性电阻，且其阻值受 vGS 控制。（2）管压降vDS 很小。用途：用途：做压控线性电阻和无触点的、闭合状态的电子开关。条件：源端与漏端沟道都不夹断 VVPGSVVVPGSDS夹断区夹断区 用途：做无触点的、接通状态 的电子开关。条件：整个沟道都夹断 VVPGS0iD特点：转移特性曲线转移特性曲线CVGSDDSVfi)(输入
24、电压VGS对输出漏极电流ID的控制msgdvdivimQGSDQGSD/5.3.3 JFET放大电路的小信号模型分析法放大电路的小信号模型分析法1.JFET小信号模型小信号模型（1）低频模型）低频模型（2）高频模型）高频模型5.3.3 应应用小信号模型法分析用小信号模型法分析JFET放大电路放大电路1.直流偏置电路直流偏置电路（1）分压式自）分压式自偏压电路偏压电路SV GSVGVDDg2g1g2VRRR RID（2）自）自偏压电路偏压电路vGSvGS=0 iDR2.动态指标分析动态指标分析（1 1）低频小信号模型）低频小信号模型2.动态指标分析动态指标分析（2）低频电压增益）低频电压增益（3
25、）输入电阻）输入电阻（4）输出电阻）输出电阻忽略忽略 rD iVgsVRVggsm)1(mgsRgV oVdgsmRVg mVARgRgmdm1 /iiRR 由输入输出回路得由输入输出回路得则则giiIVR )/(g2g1g3RRR)/()1(g2g1g3mgsgsRRRRgrr 通常通常则则)/(g2g1g3iRRRR doRR Rgrr)1(mgsgs gsgsgsmgsgsgs)(rVRVgrVV 双极型和场效应型三极管的比较双极型和场效应型三极管的比较双极型三极管双极型三极管场效应三极管场效应三极管结构NPN型PNP型结型耗尽型 N沟道 P沟道绝缘栅增强型 N沟道 P沟道绝缘栅耗尽型 N沟道 P沟道C与E一般不可倒置使用D与S可倒置使用载流子多子扩散少子漂移多子漂移控制电流控制电流源CCCS()电压控制电流源VCCS(gm)噪声较大较小温度特性受温度影响较大较小，可有零温度系数点输入电阻几十到几千欧姆几兆欧姆以上静电影响不受静电影响易受静电影响集成工艺不易大规模集成适宜大规模和超大规模集成
