第5章场效应管放大电路.ppt

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1、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5.3 结型场效应管（结型场效应管（JFET）*5.4 砷化镓金属砷化镓金属-半导体场效应管半导体场效应管5.5 各种放大器件电路性能比较各种放大器件电路性能比较5.2 MOSFET放大电路放大电路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5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET5.1.5 MOSFET的主要参数的主要参数5.1.2 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET5.1.3 P沟道沟道MOSFET5.1.4 沟道长度调制效应沟道长度调制效应场效应管分类场效应管分类结型场效应管结型场

2、效应管绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管特点特点单极型器件单极型器件(一种载流子导电一种载流子导电)；输入电阻高；输入电阻高；工艺简单、易集成、功耗小、体积小、工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低。成本低。场效应管场效应管：是利用是利用输入回路的电压产生的电场输入回路的电压产生的电场效应来控效应来控制制输出回路电流输出回路电流的三极管的三极管.一种载流子参与导电，又称一种载流子参与导电，又称单极型三极管。单极型三极管。P沟道沟道耗尽型耗尽型P沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道增强型增强型N沟道沟道N沟道沟道（耗尽型）（耗尽型）FET场效应管场效应管JFET结型结型MOSFET绝缘栅型绝缘栅型(IGFE

3、T)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：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道场效应管的分类场效应管的分类：Metal-Oxide Semiconductor Field Effect TransistorJunction Field Effect Transistor5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET剖面图剖面图1.结构结构（N沟道）沟道）符号符号在一块掺杂浓度较低的P型硅衬底上，制作两个高掺杂浓度的N+区，并用金属铝引出两个电极，分别作漏极漏极d d和源极和源极

4、s s。然后在半导体表面复盖一层很薄的二氧化硅(SiO2)绝缘层，在漏-源极间的绝缘层上再装上一个铝电极,作为栅极栅极g g。栅极与其它电极间是绝缘的。在衬底上也引出一个电极电极B B，这就构成了一个N沟道增强型MOS管。MOS管的源极和衬底通常是接在一起的(大多数管子在出厂前已连接好)。5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET1.结构结构（N沟道）沟道）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（动画动画2-3）5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET2.工作原理工作原理（1）vGS对沟道的控制作用对沟道的控制作用当当vGSGS=0

5、=0时时 漏源之间相当于两个背靠背的漏源之间相当于两个背靠背的 PN 结结,无导无导电沟道，电沟道，d、s间加电压时，也无电流产生。间加电压时，也无电流产生。当当00vGS GS V VT T）时，）时，vDSDS iD D 沟道电位梯度沟道电位梯度 整个沟道呈整个沟道呈楔形分布楔形分布5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET当当vGSGS一定（一定（vGS GS V VT T）时，）时，vDSDS iD D 沟道电位梯度沟道电位梯度 当当vDSDS增加到使增加到使vGDGD=V VT T 时，时，在紧靠漏极处出现预夹断。在紧靠漏极处出现预夹断。2.工作原理工作原理（2）vDS对沟道的控

6、制作用对沟道的控制作用在预夹断处：在预夹断处：vGDGD=vGSGS-vDS DS=V VT T5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET预夹断后，预夹断后，vDSDS 夹断区延长夹断区延长沟道电阻沟道电阻 iD D基本不变基本不变2.工作原理工作原理（2）vDS对沟道的控制作用对沟道的控制作用5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET2.工作原理工作原理（3）vDS和和vGS同时作用时同时作用时 vDSDS一定，一定，vGSGS变化时变化时 给定一个给定一个vGS GS，就有一条不，就有一条不同的同的 iD D vDS DS 曲线。曲线。5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET

7、（4）正常放大时外加偏置电压的要求正常放大时外加偏置电压的要求:2.工作原理工作原理TVv GSTVvv DSDS5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET3.V-I 特性曲线特性曲线（1）输出特性）输出特性const.DSDGS)(vvfi 截止区截止区当当vGSVT时，导电沟道尚时，导电沟道尚未形成，未形成，iD0，为截止工，为截止工作状态。作状态。5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET3.V-I 特性曲线特性曲线（1）输出特性）输出特性const.DSDGS)(vvfi 可变电阻区可变电阻区 vDS（vGSVT）)(22DSDSTGSnDvvv VKi由于由于vDS较小，可近

8、似为较小，可近似为:DSTGSnD)(vvVKi 2常数常数 GSDDSdsoddvvir)(21TGSnVK vrdso是一个受是一个受vGS控制的可变电阻控制的可变电阻 5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET3.V-I 特性曲线特性曲线（1）输出特性）输出特性 可变电阻区可变电阻区 DSTGSnD)(vvVKi 2)(TGSndsoVKr v21 n：反型层中电子迁移率：反型层中电子迁移率Cox：栅极（与衬底间）氧：栅极（与衬底间）氧化层单位面积电容化层单位面积电容本征电导因子本征电导因子oxnnCK LWCLWKK22oxnnn其中其中Kn为电导常数，单位：为电导常数，单位：mA

9、/VmA/V2 25.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET3.V-I 特性曲线特性曲线（1）输出特性）输出特性 饱和区饱和区（恒流区又称放大区）（恒流区又称放大区）vGS GS VT，且，且vDSDS（v vGSGSVT）2)(TGSnDVKi v221)(TGSTn VVKv21)(TGSDO VIv2TnDOVKI 是是vGSGS2 2VT时的时的iD D V V-I I 特性：特性：5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET3.V-I 特性曲线特性曲线（2）转移特性）转移特性const.GSDDS)(vvfi21)(TGSDOD VIiv5.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOS

10、FET5.1.2 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET1.结构和工作原理简述结构和工作原理简述（N沟道）沟道）二氧化硅绝缘层中掺有大量的正离子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，而且基本上无栅流可以在正或负的栅源电压下工作，而且基本上无栅流5.1.2 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET2.V-I 特性曲线特性曲线 21)(PGSDSSDVIiv 21)(TGSDOD VIiv（N N沟道增强型）沟道增强型）5.1.3 P沟道沟道MOSFET*5.1.4 沟道长度调制效应沟道长度调制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)()(DSTGSnDv

11、v 12VKi)()(DSTGSDOvv 112VIL的单位为的单位为 m1V 1.0 L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5.1.5 MOSFET的主要参数的主要参数一、直流参数一、直流参数1.1.开启电压开启电压V VT T （增强型参数）（增强型参数）2.2.夹断电压夹断电压V VP P （耗尽型参数）（耗尽型参数）3.3.饱和漏电流饱和漏电流I IDSSDSS （耗尽型参数）（耗尽型参数）4.4.直流输入电阻直流输入电阻R RGSGS （10109 910101515 ）二、交流参数二、交流参数 1.1.输出电阻输出电阻r

12、 rdsds GSDDSdsVir v5.1.5 MOSFET的主要参数的主要参数DS GSDmVigv 2.2.低频互导低频互导g gm m 二、交流参数二、交流参数 考虑到考虑到 2TGSnD)(VKi v则则DSDSGS2TGSnGSDm)(VVVKigvvv )(2TGSnVK vnDTGS)(KiV vDn2iK LWCK 2oxnn其中其中对于对于N沟道增强型沟道增强型MOSFET：5.1.5 MOSFET的主要参数的主要参数end三、极限参数三、极限参数 1.1.最大漏极电流最大漏极电流I IDMDM 2.2.最大耗散功率最大耗散功率P PDMDM 3.3.最大漏源电压最大漏源电

13、压V V（BRBR）DSDS 4.4.最大栅源电压最大栅源电压V V（BRBR）GSGS 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.小信号模型分析小信号模型分析*5.2.2 带带PMOS负载的负载的NMOS放大电路放大电路3.MOSFET 三种基本放大电路比较三种基本放大电路比较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（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）共源极放大电路共源极放大电路b G,e S,c D 为了使场效应管

14、工作为了使场效应管工作在恒流区实现放大作在恒流区实现放大作用，应满足：用，应满足：GSTDSGST uVuuV与双极型三极管对应关系与双极型三极管对应关系5.2.1 MOSFET放大电路放大电路1.直流偏置及静态工作点直流偏置及静态工作点(VGSQ、IDQ VDSQ)的计算的计算（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VG

15、S 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 2两种方法两种方法近似估算法近似估算法图解法图解法 假设工作在饱和区假设工作在饱和区(放大区）放大区）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)152.05(dDDDDSQ RIVV例例5.2.1设设Rg1=60k，Rg2=40k，Rd=15k，220V/mA.n

16、 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和漏源和漏源电压电压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(例例5.2.2）2)(TGSnDVVKI 假设工作在饱和区假设工作在饱和区(放大区）：放大区）：需要验证是否满足需要验证是否满足)(TGSDSVVV SGGSVVV )()(dDSSDDDSRRIVVV )(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 2TGSnD)(VVKI （饱和区）（饱和区）VDS VD VS =VDDIDRD VS 电流源作偏置的电流源作偏置的NMOS共源极共源极放大电路放大电路(例例5.2.3）5.2.1 MOSFET放大电路放大电路2.图解分析图解分析由于负载开路，交流负由于负载开路，交