第四章MOSFET及其放大电路

LBM1第4章MOSFET及其放大电路LBM2第4章场效应管及其放大电路一、FET原理二、FET的特性曲线（N-MOSFET）1.了解FET分类、电路符号。2.理解N-MOSFET工作原理；沟道状态与工作分区。放大区vGS和vDS对iD的影响。1.理解iD~vGS转移特性曲线、iD~vDS输出特性曲线及其参变量vGS；2.掌握iD~vGS之间的平方律公式；三、FET的偏置电路1.电路结构；2.静态工作点的联立求解方法。LBM3四、FET的小信号模型4.掌握低频小信号模型。五、FET的CS和CD组态放大器熟练掌握放大器电路的指标计算及特点。1.理解gm的含义及计算式；2.理解rds含义；3.完整小信号模型；LBM4重点、难点知识点1、基本结构及其导电机理2、伏安特性及其两种表达方式3、基本放大电路的静态与动态参数4、基本放大电路技术指标定义与分析LBM54.1结型场效应管4.1.1.结型场效应管的结构（以N沟为例）：两个PN结夹着一个N型沟道。三个电极：G：栅极D：漏极S：源极符号：第4章MOSFET放大电路P区浓度高LBM64.1.2结型场效应管的工作原理（1）栅源电压对沟道的控制作用在栅源间加负电压VGS，令VDS=0①当VGS=0时，为平衡PN结，导电沟道最宽。②当│VGS│↑时，PN结反偏，形成耗尽层，导电沟道变窄，沟道电阻增大。③当│VGS│到一定值时，沟道会完全合拢。定义：夹断电压Vp——使导电沟道完全合拢（消失）所需要的栅源电压VGS。LBM7（2）漏源电压对沟道的控制作用在漏源间加电压VDS，令VGS=0由于VGS=0，所以导电沟道最宽。①当VDS=0时，ID=0。②VDS↑→ID↑→靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，呈楔形分布。③当VDS↑，使VGD=VGS-VDS=VP时，在靠漏极处夹断——预夹断。预夹断前，VDS↑→ID↑。预夹断后，VDS↑→ID几乎不变。④VDS再↑，预夹断点下移。（3）栅源电压VGS和漏源电压VDS共同作用可用输入输出两组特性曲线来描绘。ID=f（VGS、VDS）LBM8（1）输出特性曲线：iD=f（VDS）│VGS=常数4.1.3结型场效应三极管的特性曲线四个区：①可变电阻区：预夹断前。②电流饱和区（恒流区）：预夹断后。特点：△ID/△VGS≈常数=gm即：△ID=gm△VGS（放大原理）③击穿区。④夹断区（截止区）。VGSVPLBM9(a)漏极输出特性曲线(b)转移特性曲（2）转移特性曲线：ID=f（VGS）│VDS=常数2)1(PGSDSSDVvIi(当时)0GSPvVLBM10LBM114.2MOS型场效应管4.2.1N沟道增强型MOS管1、结构与符号P沟道增强型N沟道增强型116PLBM122、工作原理（1）、vGS对iD及沟道的控制作用增强型MOS管的漏极d和源极s之间有两个背靠背的PN结。当vGS=0时，不论vDS的极性如何，总有一个PN结处于反偏状态，这时漏极电流iD≈0。117PLBM13vGS＞0当vGS数值较小，吸引电子的能力不强时，漏源极之间生成耗尽区（带负电的受主离子），仍无自由电子，无导电沟道出现。vGS再增加时，吸引到P衬底表面层的电子就增多，当vGS达到某一数值时，这些电子在栅极附近的P衬底表面便形成一个N型自由电子薄层，将自由电子层称为N型沟道，因导电类型与P衬底相反，故又称为反型层。把开始形成沟道时的栅源极电压称为门限电压，用VTN表示。117PLBM14（2）vDS对iD的影响当vGSVTN且为一确定值时，正向电压VDS对导电沟道及电流iD的影响与结型场效应管相似（进入夹断才能恒流）。当vDS较小（vDSvGS-VTN）时iD随vDS近似呈线性变化，沟道没有夹断，FET没有进入压控恒流状态。LBM15当vDS增加到vDS=VTN时沟道在漏极一端出现预夹断继续增大vDS，vGDVTN，夹断点将向源极方向移动iD不随vDS增大而增加，ID仅由vGS决定。TNDSGSGDVvvv(或vDS=vGS-VTN)时LBM16（3）N沟道增强型MOS管的特性方程特性曲线和电流方程20222)1(1TGSDTNGSTNnTNGSnDVvIVvVKVvKiN程：沟道恒流区伏安特性方2GSv3GSv22DSDSTNGSnDVVVViK可变电阻区伏安关系：轨迹线TNGDVV恒流区区域TNGDVv区域TNGDVvLBM17LBM184.2.2N沟道增强型MOSFET管伏安关系式电阻区：放大区：Kn为N沟道元件的传导参数，单位是A/V2。LWCKoxnn2令Coxnn'K则LW'KnnK21Cox是氧化物单位面积的电容，可表示为oxoxoxt/Ctox是氧化物的厚度，ox是氧化物的介电常数，对硅而言，cm/F.ox131053n是反型层中电子的迁移率。22DSDSTNGSnDVVVViK20222)1(1TGSDTNGSTNnTNGSnDVvIVvVKVvKi(vGS＞VTN)IDO是vGS=2VTN时的漏极电流iD。2TNnDOVKILBM19[例4.1]目的：计算N沟道增强型MOSFET的电流已知VTN＝0.75V，W＝4μm，L=4μm，μn=650cm2/(V.s)，tox=450Å，εox=3.5×10-13F/cm。VGS=2VTN，场效应管处于放大状态。试计算电流iD。解：LWCKoxnn2＝0.249mA/v2当VVTNGS2时mA.VVKiTNGSnD14002注：可以通过增大电导参数Kn来增大晶体管的电流容量。当制造工艺一定时，可通过调节场效应管的沟道宽度W来改变Kn。oxoxoxtC/LBM204.3直流和交流参数和小信号等效模型一、交流参数mg.1跨导。个重要参数，典型值：放大信号能力的一控制作用，是场效应管的对漏极交流电流处栅源交流电压点该项的大小表征在工作定义：S10~1mivvigdgsVvGSDmDSDSQLBM21mgMOSFETNJFET的跨导沟道和增强型JFET2JFET12DSSQDDSSPmPGSDIIVgVvIi转移特性方程：LBM22QDnTNGSnmIKVVKg22转移特性方程：2GSPnDvVKiMOSFETN沟道LBM23constDDSdsvGSivr2)(1VVKrTNGSQndsIVIrDQADQds1LBM24LBM25MOSFETN22QDnTNGSnmIKVVKg；JFET2QDDSSPmIIVgIVIrDQADQds1LBM26LBM27IVIrDQADQds1QDnTNGSnmIKVVKg22JFET2QDDSSPmIIVgLBM28直流参数：PTNVV.、：门限电压开启电压1TNGSGSVvTNnDOVDSSVKII.2202、：饱和漏极电流MOSFET1010397GSGSGSRRR.、直流输入电阻JFETLBM29极限参数：上限值。正常工作时漏极电流的最大漏极电流:1DMI.DSBV.击穿电压2LBM3020222)1(1TGSDTNGSTNnTNGSnDVvIVvVKVvKi2)1(PGSDSSDVvIi时，当TTGSVVVvGD0时，当TTVVVVGDP0LBM31LBM32例4-1FET、BJT的组态及其电路结构和分析方法类似。但是，对稳态工作点电流ID的求解方式不同（仅能用转移特性方程式和栅源间电压方程式联立求解方程的方法求解ID。）已知：可忽略不计。dsrm.IDSS,V3V,A54P试求：静态工作点1DSDGSVIV、、求中频段2oiVRRA、、LBM334.3MOSFET的偏置电路分离MOSFET放大电路的直流偏置集成MOSFET放大电路的直流偏置LBM344.3.1分离MOSFET电路的直流偏置直流通路无自给偏压式CS放大电路LBM35;1-4212VRRRDDGSV放大区：VVTNGS3-41)(222TNGSTNnTNGSnDVVVKVVKI2-4RIVVDDDDDS4-4)(VVVVTNGSsatDSDS电阻区：;VVTNGSVVVVTNGS)sat(DSDS5-422DSDSTNGSnDVVVVKIVVTNGD∵MOSFET的栅极直流电流IGS=0LBM36[例4.2]目的：计算N沟道增强型MOSFET共源极电路的漏极电流和漏源电压。电路如4.8所示。设R1=30kΩ，R2=20kΩ，RD=20kΩ，VDD=5V，VTN=1V，Kn=0.1mA/V2。求ID和VDS。，LBM37解：VRRRVDDGS212TNVV25302020=假设场效应管处于放大状态，则：mA..)(VVKITNGSnD10121022V.RIVVDDDDDS320105因为VVVVVTNGS)sat(DSDS112所以假设成立，即场效应管确实处于放大状态，上述分析是正确的。说明：如果不满足VV)sat(DSDS漏极电流的计算要采用公式：，则场效应管处于电阻区，22DSDSTNGSnDVVVVKILBM38[例4.3]目的：计算N沟道增强型MOSFET的栅源电压、漏源电流和漏源电压。电路如图4.9所示。场效应管的参数为VTN=1V，Kn=0.5mA/V2。求VGS、ID和VDS。RS的作用－稳定静态工作点LBM39假设场效应管处于放大区，则：22)1(5.0)(GSTNGSnDVVVKIV95.5)(10IRRVDSDDSV65.1165.2)(VVVTNGSsatDSVVsatDSDS)(即假设成立，场效应管处于放大区。另两种假设（电阻区或截止区）导致无解。DGSDsGSIVIRRRRV410212解：由上两式可得：VGS=2.65V或VGS=-2.65V(舍去）ID=1.35mALBM40[分析指南]MOSFET电路的直流分析求VGS，VGSVTN?假设工作在放大区ID=Kn(VGS-VTN)2假设工作在电阻区ID=Kn[2(VGS-VTN)VDS-VDS2]工作在截止区VDSVDS(sat)=VGS-VTN?成功失败VDSVDS(sat)=VGS-VTN?成功失败是否是是否否LBM41直流电路如图4.10所示。设MOSFET的参数为VTN=2V，Kn=0.16mA/V2。试确定R1和R2使流过它们的电流为0.1ID。要求ID=0.5mA，采用标准电阻。[例4.4]目的：设计MOSFET电路的直流偏置，满足漏极电流的特定要求。LBM42解：假设场效应管工作于放大区，则有kRRRIRRRVSDGS4.9525.02001077.310222122)(VVKITNGSnDkRR20005.0)5(521＋又kR6.1041取R1=100kΩ，R2=100kΩ。2216.05.0GSV即：舍去或TNGSGSVVVVV23.077.3LBM43V45.0)210(10)()5(5DsDDSIRRV)(V77.1277.3satDSDSTNGSDSVVVVV验证场效应管是否处于放大区确实处于放大区，假设正确。LBM444.3.2集成MOSFET电路的直流偏置[例4.5]目的：设计一个由恒流源提供偏置的MOSFET电路。电路如图4.11(a)所示。场效应管的参数为，，2mA/V12.0V8.0nTNKVV5.2μA250DDVI，设计电路参数使LBM45解：假设场效应管处于放大区，则有22)8.0(12025