5场效管放大电路

O
iD/mA
A B
7V 6V 5V 4V vGS=3V
E 10 vDS / V
10
(2)转移特性 转移特性
iD = f ( vGS ) vDS = const.
iD/mA
转移特性曲线可以在输出特 性曲线上作图求得。 性曲线上作图求得。另外转移 特性曲线也可由(5.1.6) (5.1.6)式画 特性曲线也可由(5.1.6)式画 出。
1 = 2Kn (vGS −VT ) =常数
vDS / V
可见r 是受v 可见 dso是受 GS控制的可变电阻
9
恒流区、 ③饱和区(恒流区、放大区 饱和区 恒流区 放大区) vGS≥VT ，且vDS ≥ vGS-VT 基本不随v iD基本不随 DS变化 ，饱和区的 特性表达式， 特性表达式， v GS i D = I DO ( − 1) 2 (5 .1 .6 ) 2 VT IDO是vGS =2VT时的 D。 时的i
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二. 交流参数
∂vDS 1. 输出电阻 ds： rds = 输出电阻r ∂iD
VGS
一般在几十千欧到几百千欧。 一般在几十千欧到几百千欧。 2. 低频跨导 m： gm = ∂iD 低频跨导g
∂vGS
VDS
低频跨导反映了vGS对iD的控制作用。gm可以在 的控制作用。 低频跨导反映了 转移特性曲线上求得，单位是 毫西门子)。 转移特性曲线上求得，单位是mS(毫西门子 。 毫西门子 gm的估算， 的估算，
VDS = VDD − I D Rd
(5.2.3)
Rg2
如果算出的VDS >VGS -VT ，则 NMOS管工作在饱和区；反之， 管工作在饱和区 管工作在饱和区；反之， 在可变电阻区。 在可变电阻区。
22
右图电路的R 例5.2.1 右图电路的 g1=60k ， Rg2=40k ， Rd=15k ， VDD=5V，VT=1V， Kn=0.2mA/V2。求放 ， ， / 大电路的I 大电路的 DQ、VDSQ。 Rg2 40 解： VGSQ = VDD = × 5 = 2V VDD Rg1 + Rg2 60 + 40 管工作在饱和区 设NMOS管工作在饱和区，则， 管工作在饱和区， I DQ = K n (VGSQ − VT ) 2
预夹断
改变栅极电压，控制导电沟道的导电能力， 改变栅极电压，控制导电沟道的导电能力， 使漏极电流发生变化。 使漏极电流发生变化。
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3. V-I特性曲线及大信号特性方程 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 输出特性及大信号特性方程
iD = f ( vDS ) vGS = const.
1.直流偏置及静态工作点的计算 1.直流偏置及静态工作点的计算 FET是电压控制器件，需要 是电压控制器件， 是电压控制器件 合适的栅源电压。 合适的栅源电压。 (1) 简单的共源极放大电路 右图为N沟道增强型的共源 右图为 沟道增强型的共源 极放大电路。 极放大电路。 断开耦合电容，得直流通路。 断开耦合电容，得直流通路。 可见，栅源电压V 可见，栅源电压 GS由Rg1、Rg2 分压式偏置电路提供。 分压式偏置电路提供。 Rg2 VGS = VDD (5.2.1) Rg1 + Rg2
2
金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFET） 5.1 金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFET）
5.1.1 N沟道增强型MOSFET 沟道增强型 5.1.2 N沟道耗尽型MOSFET 沟道耗尽型 5.1.3 P沟道MOSFET 沟道 *5.1.4 沟道长度调制效应 5.1.5 MOSFET的主要参数 的主要参数 P199：FET的特点、种类 ： 的特点、 的特点
i D ≈ I DSS v GS 2 (1 − ) VT (5 .1 .8 )
IDSS为零栅压的漏极电流，称为饱和漏极电流。 为零栅压的漏极电流，称为饱和漏极电流 饱和漏极电流。
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5.1.3 P沟道 沟道MOSFET 沟道
P型MOS管分：增强型、耗尽型两种。电路符号图 型 管分： 管分 增强型、耗尽型两种。 5.1.7a、 。 5.1. 、b。 PMOS管外加的 DS<0, VT <0。 管外加的v 管外加的 , 。 P沟道增强型 沟道增强型MOS管沟道产生条件， vGS≤VT 。 管沟道产生条件， 沟道增强型 管沟道产生条件 在可变电阻区与饱和区分界线， vDS =vGS-VT。 在可变电阻区与饱和区分界线， 在可变电阻区， 在可变电阻区，vGS≤VT，vDS≥vGS-VT ， iD为，
2 O 2 3 vGS / V
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5.1.2 N沟道耗尽型 沟道耗尽型MOSFET 沟道耗尽型 1. 结构和工作原理
制造时，如果在氧化层中引入一些金属正离子， 制造时，如果在氧化层中引入一些金属正离子，即可控 制在P型半导体表面形成原始的反型层导电沟道。 制在P型半导体表面形成原始的反型层导电沟道。 12
一旦出现沟道，如果 一旦出现沟道，如果vDS >0， ， 将产生电流i 将产生电流 D 。 称为开启电压。 VT ：称为开启电压。
iD A
vGS > VT
BOvDS来自截止区： 截止区：vGS < VT ，iD=0 。
5
(3) 可变电阻区、饱和区的形成 可变电阻区、 机制 较小时， ①当 vGS > VT, vDS 较小时，vDS↑ → iD ↑。可变电阻区。 可变电阻区。 沟道存在电位梯度， 随vDS↑ ，沟道存在电位梯度， 沟道不均匀：靠近源端厚， 沟道不均匀：靠近源端厚，漏 端薄， 端薄，沟道呈楔型 iD 继续↑ ②当vDS继续↑ ，使 vGD = vGSvDS =VT ，沟道预夹断。 iD基本 沟道预夹断。 不变。进入饱和区。 不变。进入饱和区。
Rg1 g s + Rg1 Cb1 + g
VDD
Rd d iD T B s + Cb2 vo
vi
-
Rg2
VDD
Rd d iD T B
Rg2
21
管工作于饱和区， 设NMOS管工作于饱和区，则， 管工作于饱和区
I D = K n (VGS − VT ) 2 (5.2.2)
Rg1
VDD
Rd d g s iD T B
∂iD gm = ∂vGS = 2 K n (vGS − VT )
VDS
(5.1.18)
(5.1.19)
17
2 g m = 2 K n iD = VT
I DOiD
三. 极限参数 1. 最大漏极电流 DM： 最大漏极电流I 2. 最大耗散功率 DM 最大耗散功率P 3. 最大漏源电压 (BR)DS 最大漏源电压V 4. 最大栅源电压 (BR)GS 最大栅源电压V
5.1金属 氧化物 半导体场效应管 金属-氧化物 金属 氧化物-半导体场效应管 5.2 MOSFET放大电路 MOSFET放大电路 5.3结型场效应管 结型场效应管 5.5 各种放大器件电路性能比较
1
引言
上一章分析了BJT及其放大电路。 上一章分析了BJT及其放大电路。本章介绍 BJT及其放大电路 第二种类型的放大器件：场效应管(FET) (FET)。 第二种类型的放大器件：场效应管(FET)。 FET有两种类型 金属-氧化物有两种类型： FET有两种类型：金属-氧化物-半导体场效 应管(MOSFET) 结型场效应管(JFET) (MOSFET)、 (JFET)。 应管(MOSFET)、结型场效应管(JFET)。 本章先介绍MOSFET的结构、工作原理，讨论 本章先介绍MOSFET的结构、工作原理， MOSFET的结构 放大电路的三种组态。 放大电路的三种组态。 FET只有一种载流子导电，称为单极型器件。 FET只有一种载流子导电，称为单极型器件。 只有一种载流子导电 BJT属于电流控制电流型器件，FET是电压 BJT属于电流控制电流型器件，FET是电压 属于电流控制电流型器件 控制电流型器件。 控制电流型器件。
2. V-I特性曲线及大信号特性方程 特性曲线及大信号特性方程
由于具有原始导电通道，故当加电压v 即使v 由于具有原始导电通道，故当加电压vDS后，即使vGS＝0， 也存在电流i 也存在电流iD。 只有当v 加反向电压至一定大小，方可使反型层沟道消失。 只有当vGS加反向电压至一定大小，方可使反型层沟道消失。 表现为伏安特性上i =0时 <0。 表现为伏安特性上iD=0时，vGS<0。V-I特性的变化形式及性质 与增强型一样。 与增强型一样。 13
2 DS
iD/mA
Kn：电导常数，mA/V2 电导常数， 在原点附近， 较小， 在原点附近，vDS 较小，则，
A B
7V 6V 5V 4V vGS=3V
iD ≈ 2 K n (vGS − VT )vDS
原点附近的输出电阻为， 原点附近的输出电阻为，
2 O E 10
dvDS rdso = diD v
GS
2 i D = − K P [ 2 ( v GS − V T ) v DS − v DS ]
在饱和区， 在饱和区，vGS≤VT，vDS ≤ vGS-VT ， iD为， v GS i D = − I DO ( − 1) 2 ( 5 . 1 .12 ) VT
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5.1.5 MOSFET的主要参数 的主要参数
耗尽型MOS的工作区域： 的工作区域： 耗尽型 的工作区域 截止区、可变电阻区、饱和区。 截止区、可变电阻区、饱和区。 夹断电压V =0时的 时的v 沟道耗尽型MOS MOS管 夹断电压 P： iD=0时的vGS。 N沟道耗尽型MOS管 的VP <0。 。 耗尽型MOS管的电流方程将增强型 管的电流方程将增强型MOS管的电流 耗尽型 管的电流方程将增强型 管的电流 方程表示，要用V 代替V 方程表示，要用 P代替 T。 在饱和区内，可写为， 在饱和区内，可写为，
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2. 工作原理