5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绝缘栅型场效应管的分类：场效应半导体三极管是仅由一种载流子参与导电的半导体器件，是一种用输入电压控制输出电流的半导体器件。从参与导电的载流子来划分，它有电子作为载流子的N沟道器件和空穴作为载流子的P沟道器件。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5.1.1N沟道增强型MOSFET1.结构（N沟道增强型）L：沟道长度W：沟道宽度tox：绝缘层厚度通常WL基本上是一种左右对称的拓扑结构，它是在P型半导体上生成一层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，一个是漏极D，一个是源极S。在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G。P型半导体称为衬底，用符号B表示。动画剖面图符号D(Drain)为漏极，相当c；G(Gate)为栅极，相当b；S(Source)为源极，相当e。#符号中的箭头方向表示什么？短画线表示什么？箭头方向表示由P（衬底）指向N（沟道）。短画线表示未加栅压时，漏源间没有导电沟道。（P199）绝缘栅场效应三极管(MOSFET)分为：增强型→N沟道、P沟道耗尽型→N沟道、P沟道耗尽型：vGS=0，iD≠0增强型：vGS=0，iD＝0MOSFET：利用VGS控制半导体表面的电场效应，通过改变感生沟道的宽窄来控制iD。2.工作原理（N沟道增强型）（1）vGS对沟道的控制作用(vDS一定)当vGS=0时当VGS=0V时，漏源之间形成两个背靠背的二极管，在D、S之间加上电压，总有一个PN结是反偏的，不会在D、S间形成电流。iD=0。栅极和衬底相当于以SiO2为介质的平板电容，在正的栅源电压作用下产生由栅极指向衬底的强电场，将靠近栅极下方的P型半导体中的空穴向下方排斥，吸引少子（电子）向表层运动，但数量有限，不足以形成沟道，将漏极和源极沟通，所以仍然不足以形成漏极电流iD。当0vGSVT时（1）vGS对沟道的控制作用(vDS一定)当vGS≥VT时进一步增加VGS，当VGS＞VT时，由于此时的栅极电压已经比较强，在靠近栅极下方的P型半导体表层中聚集较多的电子，在衬底表面形成N型薄层，将漏极和源极沟通。如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流ID。在栅极下方形成的导电沟道中的电子，因与P型半导体的载流子空穴极性相反，故称这个N型薄层为反型层。这个反型层实际上是源极和漏极间的导电沟道，由于是栅源间正电压感应产生的，也称感生沟道。随着VGS的继续增加，ID将不断增加。在VGS=0V时ID=0，只有当VGS＞VT后才会出现漏极电流，这种MOS管称为N沟道增强型MOS管。VT称为开启电压（1）vGS对沟道的控制作用(vDS一定)转移特性曲线的斜率gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。gm的量纲为mA/V，所以gm也称为跨（互）导。动画（1）vGS对沟道的控制作用(vDS一定)vDS较小时，相当VGD=VGS-VDS＞VT靠近漏极d处的电位升高电场强度减小沟道变薄vDSiD沟道电位梯度（2）vDS对沟道的控制作用(vGS一定)vDS基本均匀降落在沟道中，沟道呈楔形分布。越靠近漏端，反型层越薄。在紧靠漏极处，沟道达到开启的程度以上，漏源之间有电流通过。或VDSVGS-VT当vDS增加到使VGD=VT时，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，此时的漏极电流iD基本饱和。（2）vDS对沟道的控制作用(vGS一定)在预夹断处：VGD=VGS-VDS=VT或VDS=VGS-VT当vDS增加到VGDVT时，相当于VDSVGS-VT预夹断区域加长，伸向S极。沟道电阻增加，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。预夹断后，vDS夹断区延长沟道电阻iD基本不变（2）vDS对沟道的控制作用(vGS一定)（3）vDS和vGS同时作用时vDS一定,vGS变化时,iD–vGS曲线。vGS一定,vDS变化时,iD–vDS曲线。动画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。②可变电阻区vDS≤（vGS－VT）常数GSDDSdsoddvvir)(TGSnVKv21输出电阻rdso是一个受vGS控制的可变电阻式中Kn为电导常数,与场效应管的沟道长度,和宽度等参数有关,单位为mA/V2。])([DSDSTGSnD2V2KivvvDSTGSnD)(vvVK2i近似为：③饱和区（恒流区又称放大区）vGSVT，且vDS≥（vGS－VT）2VKi)(TGSnDv221)(TGSTnVVKv21)(TGSDOVIv2TnDOVKI是vGS＝2VT时的iDV-I特性：])([DSDSTGSnD2V2KivvviD基本不随vDS变化，输出电阻大。（2）转移特性const.GSDDS)(vvfi2VKi)(TGSnDv饱和区内不同vDS曲线基本重合线性性较好。5.1.2N沟道耗尽型MOSFET1.结构和工作原理简述（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N沟道耗尽型MOSFET是在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了大量的金属正离子。所以当vGS=0时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。于是，只要有漏源电压，就有漏极电流存在。当vGS＞0时，将使iD进一步增加。vGS＜0时，随着vGS的减小漏极电流逐渐减小，直至iD=0。对应iD=0的vGS称为夹断电压，用符号VP表示。2.V-I特性曲线及大信号特性方程2V1Ii)(PGSDSSDv饱和漏极电流夹断电压（N沟道增强型）2)(TGSnDVKiv5.1.3P沟道MOSFETP沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完全相同，只不过导电的载流子不同，供电电压极性不同而已。这如同双极型三极管有NPN型和PNP型一样。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m1L10V.沟道长度调制参数：当不考虑沟道调制效应时，＝0，曲线是平坦的。修正后①开启电压VGS(th)(或VT)开启电压是MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值,场效应管不能导通。②夹断电压VGS(off)(或VP)夹断电压是耗尽型FET的参数，当VGS=VGS(off)时,漏极电流为零。③饱和漏极电流IDSS耗尽型场效应三极管,当VGS=0时所对应的漏极电流。5.1.5MOSFET的主要参数一、直流参数④输入电阻RGS场效应三极管的栅源输入电阻的典型值，对于结型场效应三极管，反偏时RGS约大于107Ω，对于绝缘栅型场效应三极管,RGS约是109～1015Ω。二、交流参数低频跨导gm低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用，这一点与电子管的控制作用相似。gm可以在转移特性曲线上求取，单位是mS(毫西门子)。随管子的工作点不同而改变，是FET小信号建模的重要参数。gm=2Kn(VGS－VT)2V1Ii)(PGSDSSDv（耗尽型）（增强型）2)(TGSnDVKiv时）（当0vVVVV1I2gGSPPPGSDSSm)(DSGSDmVvig三、极限参数1.最大漏极电流IDM2.最大耗散功率PDM=VDSID决定，与双极型三极管的PCM相当。3.最大漏源电压V（BR）DS4.最大栅源电压V（BR）GS5.2MOSFET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*5.2.2带PMOS负载的NMOS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（VGS、ID、VDS)（1）简单的共源极放大电路（N沟道增强型）共源极放大电路直流通路DDg2g1g2GSVRRRV2)VV(KITGSnD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DSTGSnDvV)V(K2i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)152.05(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，（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)VV(VTGSDSSGGSVVV)()(dDSSDDDSRRIVVV])([SSSSDDg2g1g2VVVRRR)(SSDVRI}联立求解静态时，vI＝0，VG＝0，ID＝I电流源偏置VS＝VG－VGS2TGSnD)(VVKI（饱和区）（3）电流源偏置共源极放大电路VDS＝VDD－IDRd－VS需要验证是否满足)VV(VTGSDS2.图解分析由于负载开路，交流负载线与直流负载线相同3.小信号模型分析2TGSnD)(VKiv2TgsGSQn)(VVKv2gsTGSQn])[(vVVK2gsngsTGSQn2TGSQn)(2)(vvKVVKVVK（1）模型（工作在饱和区）DQIgsmvg2gsnvK静态值（直流）动态值（交流）非线性失真项当vgs2(VGSQ-VT)时(必须满足的小信号条件）DQDIigsmvgdDQiIgsmdvgi0时高频小信号模型DQDIigsmvgdDQiI式中gm=2Kn(VGS－VT)解：例5.2.2的直流分析已求得：mA5.0DQIV2GSQVV75.4DSQVmS1mS)12(5.02)(2TGSQnmVVKg（2）放大电路分析（例5.2.5共源电路）dgsmoRgvv)1()(mgsgsmgsiRgRgvvvvRgRgAmdmio1vvvg2g1i||RRRdoRRsiisiiososRRRAAvvvvvvvv例5.2.6（共漏电路，源极输出器）RgRgAgsmgsgsmiovvvvvv1Rg1Rgmm)(siimmsiiososRRRRg1RgAvvvvvvvg2g1i||RRRttmgsmRtvgRvgiivmmtto||g1RgR11iRv交流参数归纳如下①电压放大倍数Lmio'RgvvAv②输入电阻Ri=Rg1//Rg2或Ri=Rg+(Rg1//Rg2)共源极电路（对应共射电路）ddsdo//RrRR③输出电阻共漏极电路（对应共集电路）①电压放大倍数LmLmio''Rg1RgvvAvmmdso//)///(//g1Rg1rRR③输出电阻②输入电阻Ri=Rg+(Rg1//Rg2)共栅极电路（对应共基电路）①电压放大倍数.LmLdmgsLdgsmio')//()//(RgRRgVRRVgvvAv②输入电阻mmgsmgsgsi//g