第14讲-MOS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(IGFET)场效应管的分类：(电场效应，单极性管，电压控制电流)增强型：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道耗尽型：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在N沟道P沟道（耗尽型）场效应管的符号N沟道MOSFET耗尽型增强型P沟道MOSFETN沟道JFETP沟道JFETN沟道增强型MOSFET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vGS≥VT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。（平板电容器）vGS越大，导电沟道越厚VT称为开启电压，典型值0.5-1Ｖ2.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当vGS一定（vGS≥VT）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=VT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。3.V-I特性曲线及大信号特性方程①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）③饱和区（恒流区又称放大区）vGSVT，且vDS≥（vGS－VT）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/V23.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：])([DSDSTGSnD22vvvVKi3.V-I特性曲线及大信号特性方程（2）转移特性const.GSDDS)(vvfi21)(TGSDODVIiv5.1.2N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5.1.2N沟道耗尽型MOSFET1.结构和工作原理（N沟道）当vGS0时由于绝缘层的存在，并不会产生栅极电流，而是在沟道中感应出更多的负电荷，使沟道变宽。在vDS的作用下，iD将有更大的数值。沟道变窄，从而使漏极电流减小。当vGS为负电压到达某个值时，耗尽区扩展到整个沟道，沟道完全被夹断，即使有vDS，也不会有漏极电流iD，此时的栅源电压称为夹断电压VP。当vGS0时VP为负值。5.1.2N沟道耗尽型MOSFET2.V-I特性曲线及大信号特性方程21)(TGSDODVIiv（N沟道增强型）用夹断电压代替开启电压21)(PGSDSSDVIiv（N沟道增强型）2PGSn2DSDSPGSnD2)(])([VKVKivvvv2PnVKIDSS饱和漏电流5.1.3P沟道MOSFET•除vGS和vDS的极性为负以及开启电压VT为负以外，电流iD流入源极，流出漏极，其他和NMOS相同。•因为NMOS器件可以做得更小，运行更快，并且NMOS比PMOS需要的电源更低，因此NMOS已经取代了PMOS技术。•CMOS•BiCMOS5.1.4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→∞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DSDSGS2TGSnGSDmVVVKigvvv])([)(2TGSnVKvnDTGS)(KiVvDn2iKLWK2Coxnn其中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）GS在恒流区时g-s、d-s间的电压极性)()()()()()(0P0N00P00N00P00NDSGSDSGSDSGSDSGSDSGSDSGS＜极性任意，沟道＞极性任意，沟道耗尽型＜，＜沟道＞，＞沟道增强型绝缘栅型＜，＞沟道＞，＜沟道结型场效应管vvvvvvvvuuuuP2495.1.1P2495.1.2iD/mA42vGS/V0－1－2－3iD/mA－1012vGS/V－3iD/mAvGS/V－4－20－2－45.2MOSFET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5.2.1MOSFET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DSTGSnD2VV)(VKI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，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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VDS＝VDD－IDRd－VS2TGSnD)(VVKI（饱和区）VS＝VG－VGS＝－VGS5.2.1MOSFET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0时2)(TGSnDVVKI2nTGSQn2TGSQn2TGSQnD2gsgsgsvKvVVKVVKVvVKi)()()(忽略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）s3.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vvvvvvvvs增益较低很高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3.小信号模型分析（2）放大电路分析g2g1i//RRRmdsmdstto1////111grRgrRiRvtgsgsmrRvvvgiiit作业P249:5.1.15.1.2