模电课件第5章

CH5场效应管放大电路5.1金属-氧化物-半导体（MOS）场效应管5.3结型场效应管（JFET）*5.4砷化镓金属-半导体场效应管5.5各种放大器件电路性能比较5.2MOSFET放大电路CH5场效应管放大电路场效应管的定义：场效应管是一种利用电场效应来控制其电流大小的半导体器件。场效应管的特点：场效应管的工作原理：具有输入阻抗高、热稳定性好、噪声低、抗辐射能力强、制造工艺简单等优点。兼有体积小、重量轻、耗电省寿命长等特点。将控制电压转换为漏极电流——互导放大器件。CH5场效应管放大电路P沟道耗尽型P沟道P沟道N沟道增强型N沟道N沟道（耗尽型）FET场效应管JFET结型MOSFET绝缘栅型(IGFET)耗尽型：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在增强型：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道场效应管的分类：CH5场效应管放大电路5.1金属-氧化物-半导体（MOS）场效应管5.1.1N沟道增强型MOSFET5.1.5MOSFET的主要参数5.1.2N沟道耗尽型MOSFET5.1.3P沟道MOSFET5.1.4沟道长度调制效应CH5场效应管放大电路5.1.1N沟道增强型MOSFET1.结构（N沟道）L：沟道长度W：沟道宽度tox：绝缘层厚度通常WLCH5场效应管放大电路5.1.1N沟道增强型MOSFET剖面图1.结构（N沟道）符号CH5场效应管放大电路5.1.1N沟道增强型MOSFET2.工作原理（1）vGS对沟道的控制作用当vGS≤0时无导电沟道，d、s间加电压时，也无电流产生。当0vGSVT时产生电场，但未形成导电沟道（感生沟道），d、s间加电压后，没有电流产生。当vGSVT时在电场作用下产生导电沟道，d、s间加电压后，将有电流产生。vGS越大，导电沟道越厚VT称为开启电压CH5场效应管放大电路2.工作原理（2）vDS对沟道的控制作用靠近漏极d处的电位升高电场强度减小沟道变薄当vGS一定（vGSVT）时，vDSID沟道电位梯度整个沟道呈楔形分布CH5场效应管放大电路当vGS一定（vGSVT）时，vDSID沟道电位梯度当vDS增加到使vGD=VT时，在紧靠漏极处出现预夹断。2.工作原理（2）vDS对沟道的控制作用在预夹断处：vGD=vGS-vDS=VTCH5场效应管放大电路预夹断后，vDS夹断区延长沟道电阻ID基本不变2.工作原理（2）vDS对沟道的控制作用CH5场效应管放大电路2.工作原理（3）vDS和vGS同时作用时vDS一定，vGS变化时给定一个vGS，就有一条不同的iD–vDS曲线。CH5场效应管放大电路3.V-I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const.DSDGS)(vvfi①截止区当vGS＜VT时，导电沟道尚未形成，iD＝0，为截止工作状态。CH5场效应管放大电路3.V-I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const.DSDGS)(vvfi②可变电阻区vDS≤（vGS－VT）])([DSDSTGSnD22vvvVKi由于vDS较小，可近似为DSTGSnD)(vvVKi2常数GSDDSdsovvdidr)(TGSnVKv21rdso是一个受vGS控制的可变电阻CH5场效应管放大电路3.V-I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②可变电阻区DSTGSnD)(vvVKi2)(TGSndsoVKrv21n：反型层中电子迁移率Cox：栅极（与衬底间）氧化层单位面积电容本征电导因子oxn'nCKLWLWKK22oxnnnC其中Kn为电导常数，单位：mA/V2CH5场效应管放大电路3.V-I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③饱和区（恒流区又称放大区）vGSVT，且vDS≥（vGS－VT）2)(TGSnDVKiv221)(TGSTnVVKv21)(TGSDOVIv2TnDOVKI是vGS＝2VT时的iDV-I特性：CH5场效应管放大电路3.V-I特性曲线及大信号特性方程（2）转移特性const.GSDDS)(vvfi21)(TGSDODVIivCH5场效应管放大电路5.1.2N沟道耗尽型MOSFET1.结构和工作原理（N沟道）二氧化硅绝缘层中掺有大量的正离子可以在正或负的栅源电压下工作，而且基本上无栅流CH5场效应管放大电路5.1.2N沟道耗尽型MOSFET2.V-I特性曲线及大信号特性方程21)(PGSDSSDVIiv21)(TGSDODVIiv（N沟道增强型）CH5场效应管放大电路5.1.3P沟道MOSFETCH5场效应管放大电路5.1.4沟道长度调制效应实际上饱和区的曲线并不是平坦的)()(DSTGSnDvv12VKi)()(DSTGSDOvv112VIL的单位为m1V1.0L当不考虑沟道调制效应时，＝0，曲线是平坦的。修正后CH5场效应管放大电路5.1.5MOSFET的主要参数一、直流参数NMOS增强型1.开启电压VT（增强型参数）2.夹断电压VP（耗尽型参数）3.饱和漏电流IDSS（耗尽型参数）4.直流输入电阻RGS（109Ω～1015Ω）二、交流参数1.输出电阻rdsGSDDSdsVirvD12TGSnds1])([iVKrv当不考虑沟道调制效应时，＝0，rds→∞CH5场效应管放大电路5.1.5MOSFET的主要参数DSGSDmVigv2.低频互导gm二、交流参数考虑到2TGSnD)(VKiv则DSDSGS2TGSnGSDm)]([VVVKigvvv)(2TGSnVKvnDTGS)(KiVvDn2iKLWK2Coxnn其中CH5场效应管放大电路5.1.5MOSFET的主要参数三、极限参数1.最大漏极电流IDM2.最大耗散功率PDM3.最大漏源电压V（BR）DS4.最大栅源电压V（BR）GSCH5场效应管放大电路5.2MOSFET放大电路5.2.1MOSFET放大电路1.直流偏置及静态工作点的计算2.图解分析3.小信号模型分析CH5场效应管放大电路5.2.1MOSFET放大电路1.直流偏置及静态工作点的计算（1）简单的共源极放大电路（N沟道）直流通路共源极放大电路CH5场效应管放大电路5.2.1MOSFET放大电路1.直流偏置及静态工作点的计算（1）简单的共源极放大电路（N沟道）DDg2g1g2GSVRRRV2)(TGSnDVVKIdDDDDSRIVV假设工作在饱和区，即)(TGSDSVVV验证是否满足)(TGSDSVVV如果不满足，则说明假设错误须满足VGSVT，否则工作在截止区再假设工作在可变电阻区)(TGSDSVVV即dDDDDSRIVVDSTGSnD)(vvVKI2CH5场效应管放大电路假设工作在饱和区满足)(TGSDSVVV假设成立，结果即为所求。解：V2V5406040DDg2g1g2GSQVRRRVmA2.0mA)12)(2.0()(22TGSnDQVVKIV2V)]15)(2.0(5[dDDDDSQRIVV例：设Rg1=60k，Rg2=40k，Rd=15k，220V/mA.nK试计算电路的静态漏极电流IDQ和漏源电压VDSQ。VDD=5V，VT=1V，CH5场效应管放大电路5.2.1MOSFET放大电路1.直流偏置及静态工作点的计算（2）带源极电阻的NMOS共源极放大电路2)(TGSnDVVKI饱和区需要验证是否满足)(TGSDSVVVSGGSVVV)(2dDDDDSRRIVV])([SSSSDDg2g1g2VVVRRR)(SSDVRICH5场效应管放大电路5.2.1MOSFET放大电路1.直流偏置及静态工作点的计算静态时，vI＝0，VG＝0，ID＝I电流源偏置VS＝VG－VGS2TGSnD)(VVKI（饱和区）CH5场效应管放大电路5.2.1MOSFET放大电路2.图解分析由于负载开路，交流负载线与直流负载线相同CH5场效应管放大电路5.2.1MOSFET放大电路3.小信号模型分析2TGSnD)(VKiv2TgsGSQn)(VVKv2gsTGSQn])[(vVVK2gsngsTGSQn2TGSQn)(2)(vvKVVKVVK（1）模型DQIgsmvg2gsnvK静态值（直流）动态值（交流）非线性失真项当，vgs2(VGSQ-VT)时，DQDIigsmvgdDQiICH5场效应管放大电路5.2.1MOSFET放大电路3.小信号模型分析（1）模型DQDIigsmvgdDQiIgsmdvgi0时高频小信号模型CH5场效应管放大电路3.小信号模型分析解：例5.2.2的直流分析已求得：mA5.0DQIV2GSQVV75.4DSQVV/mA1V/mA)12(5.02)(2TGSQnmVVKg（2）放大电路分析（例5.2.5）sCH5场效应管放大电路3.小信号模型分析（2）放大电路分析（例5.2.5）dgsmoRgvv)1()(mgsgsmgsiRgRgvvvvRgRgAmdmio1vvvg2g1i//RRRdoRRSiiSiioSosRRRAAvvvvvvvvsCH5场效应管放大电路3.小信号模型分析（2）放大电路分析（例5.2.6）)//()//)((dsgsmgsdsgsmiorRgrRgAvvvvvv1)//(1)//(dsmdsmrRgrRg)()//(1)//(SiidsmdsmSiioSosRRRrRgrRgAvvvvvvv共漏CH5场效应管放大电路3.小信号模型分析（2）放大电路分析g2g1i//RRRmdsmdstto1////111grRgrRiRvMOSFET三种基本放大电路比较CH5场效应管放大电路5.3结型场效应管5.3.1JFET的结构和工作原理5.3.2JFET的特性曲线及参数5.3.3JFET放大电路的小信号模型分析法CH5场效应管放大电路5.3.1JFET的结构和工作原理1.结构#符号中的箭头方向表示什么？CH5场效应管放大电路2.工作原理①vGS对沟道的控制作用当vGS＜0时（以N沟道JFET为例）当沟道夹断时，对应的栅源电压vGS称为夹断电压VP（或VGS(off)）。对于N沟道的JFET，VP0。PN结反偏耗尽层加厚沟道变窄。vGS继续减小，沟道继续变窄。CH5场效应管放大电路2.工作原理（以N沟道JFET为例）②vDS对沟道的控制作用当vGS=0时，vDSIDG、D间PN结的反向电压增加，使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，从上至下呈楔形分布。当vDS增加到使vGD=VP时，在紧靠漏极处出现预夹断。此时vDS夹断区延长沟道电阻ID基本不变CH5场效应管放大电路2.工作原理（以N沟道JFET为例）③vGS和vDS同时作用时当VPvGS0时，导电沟道更容易夹断，对于同样的vDS，ID的值比vGS=0时的值要小。在预夹断处vGD=vGS-vDS=VPvDS=vGS-VPCH5场效应管放大电路综上分析可知•沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电，所以场效应管也称为单极型三极管。•JFET是电压控制电流器件，iD受vGS控制。•预夹断前iD与vDS呈近似线性关系；预夹断后，iD趋于饱和。#为什么JFET的输入电阻比BJT高得多？•JFET栅极与沟道间的PN结是反向偏置的，因此iG0，输入电阻很高。CH5场效应管放大电路5.3.2JFET的特性曲线及参数const.DSDGS)(vvfi2.转移特性const.GSDDS)(vvfi)0()1(GSP2PGSDSSDvvVVIi1.输出特性CH5场效应管放大电路与MOSFET类似3.主要参数5