模电第五章场效应管-文档资料129页
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VGS减小到某值时，以致 感应的负电荷消失，耗尽
在饱和区内， B
区扩展到整个沟道，沟道完全被 夹断。这时即使有漏源电压，也
2
iD
IDSS1
vGS VP
不会有漏极电流。此时的栅源电 压称为夹断电压（截止电压）VP。
5.1.2 N沟道耗尽型MOS管 2、特性曲线
/V
在饱和 区内，
与BJT放大电路的图解分析类似。先求 VGS，然后作直流负载线，其与输出特 性VGS曲线的交点即为静态工作点。然 后作交流负载线，即可分析其动态情 形。教材上的电路是特例， VGS已知， 直流负载线与交流负载线相同。
图5.2.4
3、小信号模型分析
如果输入信号很小，场效应管工作在饱和区时， 和BJT一样，将场效应管也看作一个双口网络， 对N沟道增强型场效应管，可近似看成iD不随 VDS变化，则由5.1.6式得
VDSVDD VSSIDRdR 见例5.2.2和例5.2.3
例5.2.3如图已知NMOS管参 数： VT=1V,Kn=160µA/V2, VT=1V,Kn=160µA/V2,VDD=VSS =5V,IDQ=0.25mA,VDQ=2.5V,试 求电路参数。
图5.2.3
解：首先假设管工作于饱和 区，运用下式
Rg2 Rg1 Rg2
VDD
假设管的开启电压
为VT ，NMOS管工 作于饱和区，则
Cb1
+
U·-i
ID Kn VGSVT 2
VDS VDDIDRd 见例5.2.1
Rd
Rg1 iD
Rg2
Rd
Rg1
Rg2
Cb2 VDD
+ RL U·O
-
VDD
直流通路
综上分析，对于N沟道增强型MOS管 的直流计算，可采取如下步骤：
1、直流偏置电路
（2）带源极电阻的NMOS共
源放大电路
由图得
RS
Cb1 vi
Rd
Rg1 iD
Rg2
VGSVGVS
Rg2
Rg1Rg2
VDDVSS
VSSIDRVSS
当NMOS管工作于饱和区，则有
Cb2 VDD
+
R
-
-VSS
IDKnVGSVT 2
2
iD
IDSS1
vGS VP
IDSS为零栅压的 漏极电流，称为
饱和漏极电流。
5.1.3 P沟道 MOSFET管
s
g
d
1、结构和符号 d
○
P+
P+
N 型衬底
Bd ○
○B g○
P沟道增强型
○
s
○B g○
○
P沟道耗尽型 s
PMOS管正常工作时， VDS和 VT必为负值，电 流方向与NMOS管相反。
对于典型器件近似有 0.1V 1 沟道长度L
L
单位为µm。
5.1.5 MOSFET的主要参数（见P208－210） 一、直流参数
（1）开启电压 VT: VDS为某一定值（如为10V）使iD等于一
微小电流（如50μA）时的VGS 。这是增强型FET的参数。
（2）夹断电压 VP:VDS为某一定值（如为10V）使iD等于一微
g m v iG D V D S S K nv G v G V S T S 2V D S 2 K nv G V S T
考虑到 iDK nvG SV T2 和 IDOKnVT2
上式又可改写为 gm2 KniDV2T IDO iD 上式表明， iD越大， gm愈大。
iD＝0。
2、工作原理（N沟道增强型）
（2）、VDS=0， VGS 对导电 沟道的影响
VGG
在漏源电
压作用下
s N+
g
d
N+
P 型衬底
开始导电 时的栅源 电压VGS叫 做开启电
压VT
B
VGS>VT时，导电沟道开始形成,这种依靠栅源电 压的作用才形成导电沟道的FET称为增强FET。
（3）、VGS一定， VDS 对导电 沟道的影响
小电流（如20μA）时的VGS。这是耗尽型FET的参数。
（3） 饱和漏极电流 IDSS: VGS=0且︱ VDS ︱＞ ︱ VP ︱时
对应的漏极电流。常令︱ VDS ︱＝10V， VGS=0测出的iD就是 。这 是耗尽型FET的参数。
（4）直流输入电阻RGD:漏源间短路，栅源间加一定电压时
的栅源直流电阻，MOS管的RGS可达109Ω～ 1015Ω 。
VGS= VT
0
VDS
3、特性曲线
(1)、输出（漏极）特性曲线
iD= f（ VDS ）| VGS = 常数
1、截止区： VGS＜ VT导电沟 道未形成。
iD
可变电 阻区
恒流区
击
穿
区
2、可变电阻区： VDS≤（ VGS － VT ）
iD的表达式见5.1.2－4式
0
VGS= VT VDS
rdsoddD D viSvGSc
漏极电流与漏极电压无关。而实际MOS管的
输出特性还应考虑沟道长度调制效应，即VGS 固定， VDS增加时， iD会有所增加。输出特性 的每根曲线会向上倾斜。因此，考虑到沟道长
度调制参数λ ，iD式子应修正为
2
iD K nv G S V T21 vDS ID O v V G T S1 1 vDS
三、极限参数
（1）最大漏极电流IDM （2）最大漏源电压V（BR）DS （3）最大栅源电压VGS （BR） （4）最大耗散功率PDM
表5.1.1还列出了另外的几个主要参数。
§5·2 场效应管放大电路
一、直流偏置电路及静态分析
1、直流偏置电路
（1）简单的共源放大电路
（N沟道增强型MOS管）
VGS
（2）低频跨导gm:低频跨导反映了vGS对iD的控制作用。gm
可以在转移特性曲线上求得，单位是mS(毫西门子)。对N沟道 增强型MOSFET管，可利用5.1.6和5.1.17式近似估算
g m v iG D V D S S K nv G v G V S T S 2V D S 2 K nv G V S T
vgs2 V GS 号条件。
据此，忽略第三项可得
iDK nV GSV Q T22K nV GSV Q Tvgs
ID Qgmvg s ID Qid
对增强型MOS管，沟道产生的条件是：
vGS VT
可变电阻区与饱和区的界线为:
vDSvGSVT
在i饱D和区K 内P （viDG 假S 定V 正T向2为流I入D漏O 极vV G T ）S ：12
5.1.4 沟道长度调制效应
在理想情况下，当MOSFET工作于饱和区时，
增强型：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道
5.1.1N沟道增强型
MOSFET
s
g
d
1、结构和符号 d
○
N+
N+
P 型衬底
Bd ○
○B g○
N沟道增强型
○
s
○B g○
○
N沟道耗尽型 s
2、工作原理（N沟道增强型）
（1）、VGS=0， 没有导电 沟道
iD＝ 0
s N+
g
d
N+
P 型衬底
B
源区、衬底和 漏区形成两个 背靠背的PN结， 无论VDS的极性 如何，其中总 有一个PN结是 反偏的。因此 漏源之间的电 阻很大，即没 有导电沟道，
式中第一项为直流或静态工作点电流IDQ; 第二项是漏极信号电流id，它同vgs是线性关系；
根据5.1.18式，i d 2 K n V G V S T Q v g s g m v gs
第三项当vgs是正弦波时，输出电压将产生
谐波或非线性失真。我们要求第三项必需 远小于第二项，即
s
g
d
+ + ++ + + + ++
N+
N+
P 型衬底
d
○
○B g○
○
B
s
2、工作原理和特性曲线(详见课本)
5.1.2 N沟道耗尽型MOS管
1、结构
s
g
d
+ + ++ + + + ++
N+
N+
P 型衬底
工作原理:由于正离子的作
用，也和增强型接入栅源 电压并VGS>VT时相似，可 形成导电沟道。当外加 VGS>0时，使沟道变宽， VGS＜0时，使沟道变窄， 从而使漏极电流减小。当
2Kn
1 vGSVT
3、饱和区： VGS≥ VT，且VDS≥（ VGS － VT ）时，
区内V-I特性表达式为
2
2
iD K nv G S V T2 K n V T 2 v V G T S 1 ID O v V G T S 1
VDS
VGG
sg
d
VDS
VGG
sg
d
VDS
VGG
sg
d
N
N
P
N
N
P
N
N
P
B
VGD>VT 由左到右， VDS 逐渐增大,
B
B
VGD=VT 预夹断
VGD<VT 夹断
vGDvGSvDS
3、特性曲线 (1)、输出（漏极）特性曲线
iD= f（ VDS ）| VGS = 常数
iD 可变电
阻区 恒流区
击 穿 区
二、交流参数
（1）输出电阻:
rd s
vD S iD
VGS
当不考虑沟道的调制效应（ λ＝0）时，rds . 当考虑沟道的调制效应（ λ≠0）时，对增强型 MOS管可导出
rds KnvG SVT211 iD
因此，rds 是一个有限值，一般在几十千欧到 几百千欧之间。
ID QK nV GS V Q T2
求得 VGSQ2.25V
则 计算
VS 2.25V
Rd
V DD V DQ I DQ
5 2 .5 10 k 0 .25
计算是否满足饱和条件：
V DS V Q GS V Q T
确定分析正确与否。
（3）静态工作点的确定
其中 IDOKnVT2 它是 vGS 2VT 时的iD。
(2)、转移特性曲线：iD= f（ vGS ）| vDS = 常数
转移特性曲线可以由函数式画出，也可以 直接从输出特性曲线上用作图法求出。
iD(mA)
IDO
iD 可变电
阻区 恒流区
vGS( V )
0 VT 2VT
0
击 穿 区
VDS
5.1.2 N沟道耗尽型MOS管 1、结构和符号
iD K nv G V S T2 K nV G S v g Q s V T2 K nV G S V T Q v g2 s
K nV G S V T Q 2 2 K nV G S V T Q v g sK n v g 2s
实际N沟道增强型MOS 管放大电路分析：
R1
RD
iD
RG
VDD
+
U GSQ
R1
R2 R2
VDD
I R DQ S
+
U·-i
I DQ
U GSQ I ( DO
UT
1)2
R2 RS
Ce RL U·O
-
联立方程求解得UGSQ和IDQ。
U V I(R R ) DSQ DDDQD S
2、图解分析
第5章 场效应管放大电路
引言
场效应管（FET）是第二种主要类型的三 端放大器件，有两种主要类型： 1、金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFET）
2、结型场效应管（JFET）
场效应管是电压控制电流型器件，属单极型 器件。本章重点介绍MOS管放大电路。
§ 5·1 金属-氧化物-半导体场效应管
（MOSFET）
定义：
场效应管是一种利用半导体内的电场效应来 控制其电流大小的半导体器件。
分类：
{ 场效应管 { { {{ （FET）
结型 （JFET）
绝缘栅型 （MOSFET）
N沟道JFET （耗尽型）
P沟道JFET
耗尽型D
N沟道MOSFET 增强型E
耗尽型D P沟道MOSFET
增强型E
耗尽型：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在
(2)、转移特性曲线：iD= f（ vGS ）| vDS = 常数
iD(mA) IDO
vGS( V )
在饱和区内，
iD受VDS影响很 小，不同VDS 下的转移特性
基本重合。
0 VT 2VT
在饱和区内有：
iD K nv G S V T2 K n V T 2 v V G T S 1 2 ID O v V G T S 1 2
① 设MOS管工作于饱和区，则有
VGSQ＞ VT， IDQ＞ 0 , 且VDSQ＞（ VGSQ － VT ）.
② 利用饱和区的电流－电压关系曲线分析电路。
③ 如果出现VGSQ＜VT ，则MOS管可能截止， 如果VDSQ＜（ VGSQ － VT ），则MOS管可能工作 在可变电阻区。 ④ 如果初始假设被证明是错误的，则必需 作出新的假设，同时重新分析电路。 P沟道MOS管电路的分析与N沟道类似，但 要注意其电源极性与电流方向不同。
在饱和区内， B
区扩展到整个沟道，沟道完全被 夹断。这时即使有漏源电压，也
2
iD
IDSS1
vGS VP
不会有漏极电流。此时的栅源电 压称为夹断电压（截止电压）VP。
5.1.2 N沟道耗尽型MOS管 2、特性曲线
/V
在饱和 区内，
与BJT放大电路的图解分析类似。先求 VGS，然后作直流负载线，其与输出特 性VGS曲线的交点即为静态工作点。然 后作交流负载线，即可分析其动态情 形。教材上的电路是特例， VGS已知， 直流负载线与交流负载线相同。
图5.2.4
3、小信号模型分析
如果输入信号很小，场效应管工作在饱和区时， 和BJT一样，将场效应管也看作一个双口网络， 对N沟道增强型场效应管，可近似看成iD不随 VDS变化，则由5.1.6式得
VDSVDD VSSIDRdR 见例5.2.2和例5.2.3
例5.2.3如图已知NMOS管参 数： VT=1V,Kn=160µA/V2, VT=1V,Kn=160µA/V2,VDD=VSS =5V,IDQ=0.25mA,VDQ=2.5V,试 求电路参数。
图5.2.3
解：首先假设管工作于饱和 区，运用下式
Rg2 Rg1 Rg2
VDD
假设管的开启电压
为VT ，NMOS管工 作于饱和区，则
Cb1
+
U·-i
ID Kn VGSVT 2
VDS VDDIDRd 见例5.2.1
Rd
Rg1 iD
Rg2
Rd
Rg1
Rg2
Cb2 VDD
+ RL U·O
-
VDD
直流通路
综上分析，对于N沟道增强型MOS管 的直流计算，可采取如下步骤：
1、直流偏置电路
（2）带源极电阻的NMOS共
源放大电路
由图得
RS
Cb1 vi
Rd
Rg1 iD
Rg2
VGSVGVS
Rg2
Rg1Rg2
VDDVSS
VSSIDRVSS
当NMOS管工作于饱和区，则有
Cb2 VDD
+
R
-
-VSS
IDKnVGSVT 2
2
iD
IDSS1
vGS VP
IDSS为零栅压的 漏极电流，称为
饱和漏极电流。
5.1.3 P沟道 MOSFET管
s
g
d
1、结构和符号 d
○
P+
P+
N 型衬底
Bd ○
○B g○
P沟道增强型
○
s
○B g○
○
P沟道耗尽型 s
PMOS管正常工作时， VDS和 VT必为负值，电 流方向与NMOS管相反。
对于典型器件近似有 0.1V 1 沟道长度L
L
单位为µm。
5.1.5 MOSFET的主要参数（见P208－210） 一、直流参数
（1）开启电压 VT: VDS为某一定值（如为10V）使iD等于一
微小电流（如50μA）时的VGS 。这是增强型FET的参数。
（2）夹断电压 VP:VDS为某一定值（如为10V）使iD等于一微
g m v iG D V D S S K nv G v G V S T S 2V D S 2 K nv G V S T
考虑到 iDK nvG SV T2 和 IDOKnVT2
上式又可改写为 gm2 KniDV2T IDO iD 上式表明， iD越大， gm愈大。
iD＝0。
2、工作原理（N沟道增强型）
（2）、VDS=0， VGS 对导电 沟道的影响
VGG
在漏源电
压作用下
s N+
g
d
N+
P 型衬底
开始导电 时的栅源 电压VGS叫 做开启电
压VT
B
VGS>VT时，导电沟道开始形成,这种依靠栅源电 压的作用才形成导电沟道的FET称为增强FET。
（3）、VGS一定， VDS 对导电 沟道的影响
小电流（如20μA）时的VGS。这是耗尽型FET的参数。
（3） 饱和漏极电流 IDSS: VGS=0且︱ VDS ︱＞ ︱ VP ︱时
对应的漏极电流。常令︱ VDS ︱＝10V， VGS=0测出的iD就是 。这 是耗尽型FET的参数。
（4）直流输入电阻RGD:漏源间短路，栅源间加一定电压时
的栅源直流电阻，MOS管的RGS可达109Ω～ 1015Ω 。
VGS= VT
0
VDS
3、特性曲线
(1)、输出（漏极）特性曲线
iD= f（ VDS ）| VGS = 常数
1、截止区： VGS＜ VT导电沟 道未形成。
iD
可变电 阻区
恒流区
击
穿
区
2、可变电阻区： VDS≤（ VGS － VT ）
iD的表达式见5.1.2－4式
0
VGS= VT VDS
rdsoddD D viSvGSc
漏极电流与漏极电压无关。而实际MOS管的
输出特性还应考虑沟道长度调制效应，即VGS 固定， VDS增加时， iD会有所增加。输出特性 的每根曲线会向上倾斜。因此，考虑到沟道长
度调制参数λ ，iD式子应修正为
2
iD K nv G S V T21 vDS ID O v V G T S1 1 vDS
三、极限参数
（1）最大漏极电流IDM （2）最大漏源电压V（BR）DS （3）最大栅源电压VGS （BR） （4）最大耗散功率PDM
表5.1.1还列出了另外的几个主要参数。
§5·2 场效应管放大电路
一、直流偏置电路及静态分析
1、直流偏置电路
（1）简单的共源放大电路
（N沟道增强型MOS管）
VGS
（2）低频跨导gm:低频跨导反映了vGS对iD的控制作用。gm
可以在转移特性曲线上求得，单位是mS(毫西门子)。对N沟道 增强型MOSFET管，可利用5.1.6和5.1.17式近似估算
g m v iG D V D S S K nv G v G V S T S 2V D S 2 K nv G V S T
vgs2 V GS 号条件。
据此，忽略第三项可得
iDK nV GSV Q T22K nV GSV Q Tvgs
ID Qgmvg s ID Qid
对增强型MOS管，沟道产生的条件是：
vGS VT
可变电阻区与饱和区的界线为:
vDSvGSVT
在i饱D和区K 内P （viDG 假S 定V 正T向2为流I入D漏O 极vV G T ）S ：12
5.1.4 沟道长度调制效应
在理想情况下，当MOSFET工作于饱和区时，
增强型：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道
5.1.1N沟道增强型
MOSFET
s
g
d
1、结构和符号 d
○
N+
N+
P 型衬底
Bd ○
○B g○
N沟道增强型
○
s
○B g○
○
N沟道耗尽型 s
2、工作原理（N沟道增强型）
（1）、VGS=0， 没有导电 沟道
iD＝ 0
s N+
g
d
N+
P 型衬底
B
源区、衬底和 漏区形成两个 背靠背的PN结， 无论VDS的极性 如何，其中总 有一个PN结是 反偏的。因此 漏源之间的电 阻很大，即没 有导电沟道，
式中第一项为直流或静态工作点电流IDQ; 第二项是漏极信号电流id，它同vgs是线性关系；
根据5.1.18式，i d 2 K n V G V S T Q v g s g m v gs
第三项当vgs是正弦波时，输出电压将产生
谐波或非线性失真。我们要求第三项必需 远小于第二项，即
s
g
d
+ + ++ + + + ++
N+
N+
P 型衬底
d
○
○B g○
○
B
s
2、工作原理和特性曲线(详见课本)
5.1.2 N沟道耗尽型MOS管
1、结构
s
g
d
+ + ++ + + + ++
N+
N+
P 型衬底
工作原理:由于正离子的作
用，也和增强型接入栅源 电压并VGS>VT时相似，可 形成导电沟道。当外加 VGS>0时，使沟道变宽， VGS＜0时，使沟道变窄， 从而使漏极电流减小。当
2Kn
1 vGSVT
3、饱和区： VGS≥ VT，且VDS≥（ VGS － VT ）时，
区内V-I特性表达式为
2
2
iD K nv G S V T2 K n V T 2 v V G T S 1 ID O v V G T S 1
VDS
VGG
sg
d
VDS
VGG
sg
d
VDS
VGG
sg
d
N
N
P
N
N
P
N
N
P
B
VGD>VT 由左到右， VDS 逐渐增大,
B
B
VGD=VT 预夹断
VGD<VT 夹断
vGDvGSvDS
3、特性曲线 (1)、输出（漏极）特性曲线
iD= f（ VDS ）| VGS = 常数
iD 可变电
阻区 恒流区
击 穿 区
二、交流参数
（1）输出电阻:
rd s
vD S iD
VGS
当不考虑沟道的调制效应（ λ＝0）时，rds . 当考虑沟道的调制效应（ λ≠0）时，对增强型 MOS管可导出
rds KnvG SVT211 iD
因此，rds 是一个有限值，一般在几十千欧到 几百千欧之间。
ID QK nV GS V Q T2
求得 VGSQ2.25V
则 计算
VS 2.25V
Rd
V DD V DQ I DQ
5 2 .5 10 k 0 .25
计算是否满足饱和条件：
V DS V Q GS V Q T
确定分析正确与否。
（3）静态工作点的确定
其中 IDOKnVT2 它是 vGS 2VT 时的iD。
(2)、转移特性曲线：iD= f（ vGS ）| vDS = 常数
转移特性曲线可以由函数式画出，也可以 直接从输出特性曲线上用作图法求出。
iD(mA)
IDO
iD 可变电
阻区 恒流区
vGS( V )
0 VT 2VT
0
击 穿 区
VDS
5.1.2 N沟道耗尽型MOS管 1、结构和符号
iD K nv G V S T2 K nV G S v g Q s V T2 K nV G S V T Q v g2 s
K nV G S V T Q 2 2 K nV G S V T Q v g sK n v g 2s
实际N沟道增强型MOS 管放大电路分析：
R1
RD
iD
RG
VDD
+
U GSQ
R1
R2 R2
VDD
I R DQ S
+
U·-i
I DQ
U GSQ I ( DO
UT
1)2
R2 RS
Ce RL U·O
-
联立方程求解得UGSQ和IDQ。
U V I(R R ) DSQ DDDQD S
2、图解分析
第5章 场效应管放大电路
引言
场效应管（FET）是第二种主要类型的三 端放大器件，有两种主要类型： 1、金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFET）
2、结型场效应管（JFET）
场效应管是电压控制电流型器件，属单极型 器件。本章重点介绍MOS管放大电路。
§ 5·1 金属-氧化物-半导体场效应管
（MOSFET）
定义：
场效应管是一种利用半导体内的电场效应来 控制其电流大小的半导体器件。
分类：
{ 场效应管 { { {{ （FET）
结型 （JFET）
绝缘栅型 （MOSFET）
N沟道JFET （耗尽型）
P沟道JFET
耗尽型D
N沟道MOSFET 增强型E
耗尽型D P沟道MOSFET
增强型E
耗尽型：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在
(2)、转移特性曲线：iD= f（ vGS ）| vDS = 常数
iD(mA) IDO
vGS( V )
在饱和区内，
iD受VDS影响很 小，不同VDS 下的转移特性
基本重合。
0 VT 2VT
在饱和区内有：
iD K nv G S V T2 K n V T 2 v V G T S 1 2 ID O v V G T S 1 2
① 设MOS管工作于饱和区，则有
VGSQ＞ VT， IDQ＞ 0 , 且VDSQ＞（ VGSQ － VT ）.
② 利用饱和区的电流－电压关系曲线分析电路。
③ 如果出现VGSQ＜VT ，则MOS管可能截止， 如果VDSQ＜（ VGSQ － VT ），则MOS管可能工作 在可变电阻区。 ④ 如果初始假设被证明是错误的，则必需 作出新的假设，同时重新分析电路。 P沟道MOS管电路的分析与N沟道类似，但 要注意其电源极性与电流方向不同。