第5章场效应管放大电路

以上分析可知
■
沟道中只有一种载流子参与导电，所以场效应管也称为单级 型三极管。 MOSFET的栅极是绝缘的，所以 i
G
0 ，输入电阻很高。 iD 受 vGS 控制。 ■ MOSFET是电压控制电流器件（VCCS），
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只有当 VGS VT 时，增强型MOSFET的d、s间才能导通。
iD 趋于饱和。 预夹断前 iD 与 vDS呈近似线性关系；夹断后，
问题：
＃ 衬底是什么类型的半导体材料？ ＃ 哪个符号是增强型的？
vGS 应加什么极性的 ＃ 在增强型的P沟道MOSFET中， 电压才能工作在饱和区（线性放大区）？
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 vGS 2 1)2 (1 vDS ) 修正后 iD K n (vGS VT ) (1 vDS ) I DO (
结论：可以在正或负的栅源电压下工作，而且基本上无栅流
2、V—I特性曲线及大信号特性方程
I DSS
vGS 2 vGS iD I DSS (1 ) iD I DO ( 1) 2 VP （N沟道耗尽型） VT
（N沟道增强型）
I DSS 为零栅压的漏极电流，称为饱和漏极电流
5.1.3 P沟道MOSFET
ri R1 // R2
第四步 ：计算总电压放大倍数
ro RC
Av Av1 Av 2
ri AvS Av RS ri
设 Rd 15k,VZ 3V ,VDD 5V ,
VT 1V , Kn 0.2mA / V 2 ,
静态时求Vo
(1)Rg1 60k, Rg 2 40k (2)Rg1 45k, Rg 2 5k (3)Rg1 70k, Rg 2 30k 解：（1）先求 VGS
VGS VDD Rg 2
假设工作在饱和区有：
Rg1 Rg 2
2V
I D Kn (VGS VT )2 0.2mA
Vo VDD I D Rd 2V VGS VT
饱和区
(2)Rg1 45k, Rg 2 5k
VGS VDD
截止区
Rg 2 Rg1 Rg 2
vGS NMOS增强型
vDS rds iD
rds [ K n (vGS
1 VT ) ] iD
2 1
当不考虑沟道调制效应时， 0, rds
2.低频互导 g m
iD gm vGS
考虑到 iD Kn (vGS VT )2
则
vDS
iD (vGS VT ) Kn
求：总电压放大倍数、输入电阻、输出电阻。
（1）估算各级静态工作点：
（2）动态分析
第一步 ：计算第二级的输入电阻 ri 2 R3 // R4 // rbe 第二步 ：计算各级电压放大倍数
RL // RC RL gm ( RD // ri 2 ) Av 2 Av1 gm RL rbe rbe 第三步 ：计算输入电阻、输出电阻
vDS
iD gm vGS
vDS
[ Kn (vGS VT )2 ] vGS
2Kn (vGS VT )
2 K niD
三、极限参数 1.最大漏极电流 I DM 2.最大耗散功率 P DM 3.最大漏源电压 V( BR ) DS 4.最大栅源电压 V( BR )GS
5.2 MOSFET放大电路
VGS 越大，导电沟道越厚 VT 称为开启电压
导电沟道相当于电阻将D—S连接起来， VGS 越大此电阻越小。
（2） VDS 对沟道的控制作用 当 VGS 一定（ VGS VT ）时，
VDS I D 沟道电位梯度
靠近漏极d处的电位升高
电场强度减小
沟道变薄
整 个 沟 道 呈 楔 形 分 布
①截止区 当 vGS VT 时，导电沟 道尚未形成， i D 0 为截止工作 状态。
无导电沟道
②可变电阻区
vDS (vGS VT )
W nCox W 其中 K n K n 2 L 2 L n ：为反型层中电子迁移率
iD Kn [2(vGS VT )vDS v2 DS ]
iD f (vGS , vDS ) iD iD iD vDS vGS vGS vDS vGS vDS gm vGS 1 vDS rds
互导 漏极输出电阻
iD gm vGS vDS rds iD
vDS
vGS
（1）模型（微变等效电路）
共源极放大电路
Cox ：栅极氧化层单位面积电容 K nCox 本征电导因子 K n 为电导常数，单位：mA V 2
由于 vDS 较小，可近似为
iD 2Kn (vGS VT )vDS
rdso
dvDS diD
1 vGS const 2 K n (vGS VT )
rdso是一个受 vGS控制的可变电阻。 有导电沟道且沟道未被夹断
0.5V
ID 0
Rg 2 Rg1 Rg 2
Vo 3V
1.5V
(3)Rg1 70k, Rg 2 30k
VGS VDD
假设工作在饱和区有： I D Kn (VGS VT )2 0.05mA
MOSFET与BJT有什么不同？ （1）MOSFET只有一种载流子参与导电，而BJT有两种载 流子参与导电 （2）MOSFET比BJT输入电阻大
（3）MOSFET是VCCS,BJT是CCCS
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
i D f (vDS ) |vGS const
I D 2Kn (VGS VT )VDS VDS VDD I D R d
例：Rg1 60k,Rg2 40k, RD 15k VDD 5V ,VT 1V , Kn 0.2 mA V 2
试计算电路的静态工作点。
解： V = GSQ
R g2 VDD 2V R g1 R g2
N沟道增强型MOSFET N沟道耗尽型MOSFET P沟道MOSFET 沟道长度调制效应 MOSFET的主要参数Baidu Nhomakorabea
5.1.1 N沟道增强型MOSFET
1、结构（N沟道） L：沟道长度 W：沟道宽度 沟道 栅极g
tox：绝缘层厚度
tox
L 源极s 漏极d
W
通常 W>L
1、结构（N沟道）
电路符号 剖面图
(1)简单的共源极放大电路（N沟道）
(2)带源极电阻的NMOS共源极放大电路 (3)电流源偏置的NMOS共源极放大电路
问题：场效应管的静态点由哪些参数决定？
VGS、VDS、I D
(1)简单的共源极放大电路（N沟道） 问题：如何画直流通路 和交流通路？
共源极放大电路
直流通路
求Q点
R g2 VGS = VDD R g1 R g2
场效应管的分类
N沟道
MOSFET (IGFET)
增强型
P沟道 N沟道
FET
场效应管
绝缘栅型
耗尽型
N沟道 P沟道 P沟道 (耗尽型)
JFET
结型
耗尽型：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在 增强型：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道存在
5.1 金属—氧化物—半导体（MOS）场效应管
5.1.1 5.1.2 5.1.3 5.1.4 5.1.5
( I D R VSS )
饱和区
I DQ Kn (VGS VT )2 VDSQ VDD VSS I D (R d R）
需要验证是否满足 VDS (VGS VT )
(3)电流源偏置的NMOS共源极放大电路 求Q点 静态时， vI
0,VG 0, I DQ I
假设工作在饱和区，即
I DQ Kn (VGS VT )2 0.2mA VDSQ VDD I D R d 2V
满足 VDS (VGS VT ) 假设成立，结果即为所求。
(2)带源极电阻的NMOS共源极放大电路 求Q点
VGSQ =VG VS R g2 =[ (VDD +VSS ) VSS ] R g1 R g2
组成原则： （1）静态：合适的静态工作点，使场效应管工作在 恒流区，场效应管的偏置电路相对简单。 （2）动态：能为交流信号提供通路。
分析方法： 静态分析：估算法、图解法 动态分析：图解法、微变等效电路法
5.2.1 MOSFET放大电路
5.2.1 MOSFET放大电路
1. 直流偏置及静态工作点的计算
须满足 VGS VT ，否则工作在截至区 假设工作在饱和区，即 VDS (VGS VT )
I D Kn (VGS VT )2
VDS VDD I D R d
共源极放大电路直流通路
验证是否满足 VDS (VGS VT ) 如果不满足，则说明假设错误
再假设工作在可变电阻区，即 VDS (VGS VT )
问题：电流 I D 是否会随着 VDS 的增加线性增长？
当 VDS 增加到使 VGD VT 时， 在紧靠漏极处出现预夹断。
VGD VGS VDS VT 在预夹断处： 预夹断后， VDS 夹断区延长 沟道电阻 I D 基本不变。
（3）VDS 和 VGS 同时作用
VDS 一定， VGS 变化时， 给定一个VGS ，就有 一条不同的 iD vDS 曲线。
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 （CMOS共源放大电路）
5.2.1 MOSFET放大电路
FET放大电路的三种组态： 共源极放大电路：输入在栅极，输出在漏极 共漏极放大电路：输入在栅极，输出在源极 共栅极放大电路：输入在源极，输出在漏极
1. 直流偏置及静态工作点的计算
2、工作原理 （1）VGS 对沟道的控制作用 ☆当
VGS 0 时， 无导电沟道 0 时， 产生电场 VGS VT 时
d、s间加电压时，无电流产生
☆当 VGS
●当
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。
A
B C D E
vGS i D I DO ( 1) VT
F
问题：为什么不考虑输入特性？
5.1.2 N沟道耗尽型MOSFET
1、结构(N沟道)
二氧化硅绝缘层中掺有大量的正离子
2 工作原理（N沟道）
●当 ●当 ●当
vGS 0 时，沟道变宽 vGS 0 时，沟道变窄 vGS VP 时，沟道被夹断 iD 0, iG 0 Vp 称为夹断电压
③饱和区(恒流区又称为放大区)
vGS VT，且 vDS (vGS VT )
问题：此时场效应管的V—I特性 方程是怎样的？
iD 2Kn (vGS VT )vDS
V—I特性：
I DO KnV 2T 是 vGS 2VT 时的 iD
导电沟道被夹断后
（2）转移特性
i D f (vGS ) |vDS const
VGS
饱和区有：I DQ Kn (VGS VT )2
VS VG VGS
VDSQ VDD I D R d VS
电流源偏置
2. 图解分析（交流分析)
Q Q
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
（1）模型（微变等效电路）
（2）放大电路分析
共源极放大电路
3. 小信号模型分析
0.1 1 L的单位为 m V L
VT
当不考虑沟道调制效应时，
0 曲线是平坦的。
5.1.5 MOSFET的主要参数
一、直流参数 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 I DSS （耗尽型参数） 4.直流输入电阻 RGS （ 109 ~ 1015 ） 二、交流参数 1.输出电阻 rds
1 rds iD
很大，可忽略
高频小信号模型
低频小信号模型
场效应管放大电路小结： （1）场效应管放大器输入电阻大 （2）场效应管共源放大器（漏极输出）输入输出反相， 电压放大倍数大于1， Ro RD
（3）场效应管共漏极放大器输入输出同相，电压放大 倍数小于1且约等于1；输出电阻小
例：设 gm 3mA / V , 50, 0