10、场效应管放大电路

增强型：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道
一 绝缘栅型场效应管（MOSFET）
N沟道增强型管
大到一定 值才开启
高掺杂 耗尽层
空穴
衬底 SiO2绝缘层 反型层
vGS增大，反型层（导电沟道）将变厚变长。当 反型层将两个N区相接时，形成导电沟道。
N沟道增强型MOSFET的工作原理 –
MOSFET的工作 原理表现在：
饱和区
iD K n(vGS VT )2
N沟道增强型MOSFET的转移特性
i D f(vGS )|v
DS
C
N沟道增强型MOSFET的放大电路
共源极放大电路(带源极电阻)的计算举例
1.静态分析 —求vi =0时(直流电源单独作用 时)VGS ,ID ,VDS 直流通路： VGS Rg2 (VDD VSS ) I D R
g m rds R ) rds Rd // RL R
id gmvgs· rds +
rds
s
vi vgs vso vgs (1
v Av o vi
gm
rds Rd // RL rds Rd // RL R g m rds R 1 rds Rd // RL R
Rg3
id
+ vgs + gmvgs
R Rd
+ vi vS - -
vo
RL
Rg1
-
Rg2
(4)纯电压增益Avs (5)输入电阻
Avs
vo Ri Av vS Ri RS
Ri=Rg3+Rg1//Rg2
(6)输出电阻 Ro≈Rd
三
各种放大器件电路性能比较
模拟电子技术基础
第五章 场效应管放大电路
电流控制器件（基极电流 控制晶体管导电能力）,输入 阻抗不高,双极型器件（两种 载流子：多子少子参与导 电）,噪声高
电压控制器件（用电压产生 电场来控制器件的导电能力） 故称为,输入阻抗极高,单极型 器件（一种载流子：多子参与 导电）,噪声小,缺点速度慢
场效应管有三个极：源极（s）、栅极（g）、漏极（d）， 对应于晶体管的e、b、c；有三个工作区域：截止区、恒流区、 可变电阻区，对应于晶体管的截止区、放大区、饱和区。
SiO2
N+
耗尽层
N+ P
反型层 （导电沟道）
耗尽型NMOS管在 vGS=0时，漏源极间已 有导电沟道产生，通 过施加负的栅源电压 （夹断电压）使沟道 消失，而增强型 NMOS管在vGS≥VT时 才出现导电沟道。 D D G S
b G
S
2. 耗尽型MOS管原理 s Al g
SiO2
d
N+
耗尽层
N+ P
v DS +
D
– v + GS G S
N+
栅压vGS对沟道导 电能力的控制，
漏源电压vDS对漏 电流的影响。
N+
P
(1) vGS对沟道的控制作用
当vGS=0时， 漏源极间是两个背靠 背的PN结，无论漏源 极间如何施加电压， 总有一个PN结处于反 偏状态，漏-源极间没 有导电沟道，将不会 有漏电流出现iD≈0。 S
反型层 （导电沟道）
b
N沟道耗尽型MOS管 当vGS为负时，沟道变窄， 沟道电阻变大，iD减小。 当vGS负向增加到某一数 值时，导电沟道消失， iD趋于零，管子截止； 使沟道消失时的栅源电 压称为夹断电压，用VP 表示。
3. 耗尽型MOS管特性曲线
二 结型场效应管（JFET）
D
P 型区 漏极
耗尽层 (PN 结)
①分析动态 ②信号很小 ③中低频
+ vgs -
rds id +
gmvgs s
d
vds -
其中:rds＝1/ID 但JFET的rds=几百k,很大
g + vgs id + d
s
gmvgs
vds -
JFET放大电路的计算举例
(1).静态分析直流通路：
Rg1 Rd VDD
ID + +VGS – VDS –
转移特性
iD f (uGS ) U DS 常量
场效应管工作在恒流区，因而uGS＞UGS（off）且uDS＜UGS（off）。
漏极饱 和电流
夹断 电压
在恒流区时 uGS 2 iD I DSS (1 ) U GS(off)
JFET的小信号模型
id g
+ vgs g
d + s vds -
R Rd RL
vo
Rg1
-
Rg2
(3)电压增益Av vo=-gmvgs· (Rd//RL) vi=vgs+ gm vgs · R
vo (gm v gs )(Rd //R L ) g R //R Av m d L vi v gs gm v gs R 1 gm R
ii RS +
–
v DS +
D
– v + G GS
N+
N+
P
–
vGS增加，作用于半导 体表面的电场就越强， 吸引到P衬底表面的电 子就越多，导电沟道 越厚，沟道电阻越小。 开始形成沟道时的栅 源极电压称为开启电 压，用VT表示。 S
v DS +
D
– v + G GS
N+
N+
P
导电沟道增厚 沟道电阻减小
–
当vGS>VT时，电场增强 将P衬底的电子吸引到表 面，这些电子在栅极附 近的P衬底表面便形成一 个N型薄层，称为反型层 且与两个N+区相连通， 在漏源极间形成N型导电 沟道。
v DS +
D
S
– v + G GS
N+
N+
P
N沟道增强型MOSFET的输出特性
输出特性描述当栅源电压|vGS|=C为常量时，漏电流iD与漏 源电压vDS之间的关系。
iD f(vDS )|v
GS
C
① vGS VT
截止区
② vGS VT vDS 可变电阻区 iD 2K n(vGS VT )vDS ③ vGS VT vDS
栅极 G
P+
N 型 沟 道
P+ N
在漏极和源极之间加 上一个正向电压，N 型半 导体中多数载流子电子可 以导电。
导电沟道是 N 型的， 称 N 沟道结型场效应管。
N型硅棒
S 源极
N 沟道结型场效应管结构图
D
P G
N+
型 沟 道
N+
P 沟道场效应管是在 P 型硅棒的两侧做成高掺 杂的 N 型区(N+)，导电沟 道为 P 型，多数载流子为 空穴。
D G
S
图 P沟道结型场效应管结构图
S
符号
栅-源电压对导电沟道宽度的控制作用
VGS（off）
沟道最宽
沟道变窄
沟道消失 称为夹断
vGS可以控制导电沟道的宽度。为什么g-s必 须加负电压？
漏-源电压对漏极电流的影响
vGD>VGS（off） vGD＝VGS（off） 预夹断
vGD<VGS（off）
vGS＞VGS（off）且不变，VDD增大，iD增大。 VDD的增大，几乎全部用来克服沟道 的电阻，iD几乎不变，进入恒流区，iD 几乎仅仅决定于vGS。
2.动态分析 —求vS 单独作用时Av , ri , ro (1) MOSFET的小信号模型 id
d g
g ①分析动态 ②信号很小 ③中低频 + vgs -
id
+ vgs -
s
+ vds -
rds
gmvgs s
d + vds -
其中:rds＝1/ID (几十k ~几百k)
(2) 带源极电阻共源极放大电路的小信号模型
输出特性
iD f (uDS ) U GS 常量
IDSS g-s电压控 制d-s的等 效电阻
可 变 电 阻 区 恒 流 区
预夹断轨迹，uGD＝UGS（off）
iD几乎仅决 定于uGS
ΔiD
击
穿 区
低频跨导：
gm iD uGS
U DS 常量
夹断区（截止区）
夹断电压
不同型号的管子UGS（off）、IDSS 将不同。
rdsgmvgs来自R Rd+ v id
v v (i g mvgs )rds vso Rd
v (i ) R Rd
RS Rg1 Rg2
v (rds g m rds R R)(i ) Rd
ii RS +
Rg1 R g2
v Ro (rds g m rds R R) // Rd i 当rds≈时：Ro≈Rd
ii
id + vgs Rg1 R g2
RS +
+ vi vS - -
rds
+ vo
Rd RL
当rds≈时：
vo gm Rd // RL Av vi 1 gm R
gmvgs
R
-
i
(4)输入电阻 Ri=Rg1//Rg2
(5)输出电阻 vgs+vso=0
vso=-vgs
+ vgs -
Rg1 Rg2
Rd
Rg1
VDD ID=Kn (VGS-VT )2 —根据上两式解出VGS、ID VDS=VDD+VSS -ID (Rd+R ) 由上面计算结果可判断出：