场效应管放大电路

5.4 场效应管放大电路
5.4.1 FET的直流偏置电路及静态分析
直流偏置电路 1 零偏压电路
2 自偏压电路 适应于结型或耗 尽型MOS管
适应于耗尽型
MOS场效应
VDD
管VGS= 0
Rd d
g b
s
RG
VGS= IDRS
VDD
Rd d
g b s
RG RS
3 分压式自偏压电路
VGSVGVSRg1R g2Rg2VDD IDRS 静态工作点的确定 ※ 根据外部电路列出线性方程 ※ 列出场效应管的转移特性方程
共漏极放大器 (源极跟随器)
VDD
g
Rg1 g d
RS Vi
Vi Rg2
Rg3s R
Vo
RL Vs ~
g mVgs
Rg3 s
R’g
d R'L Vo
A V V Voi VgsgmV ggmV sR gL sRL
AV
gmRL 1gmRL
1
R’g=Rg1//Rg2，R’L=R//R Ri Rg3Rg1//Rg2
s R’g=Rg1//Rg2
源极电阻上无并联电容:
AV V Voi VgsgmgVm gVsRgdsR
AV
gmRd 1 gmR
g
d
g mVgs
Vi
Rg3 Rg,
s R
Rd Vo
R’g=Rg1//Rg2
Ri Rg3 Rg1//Rg2 Ro Rd
共源电路的特点: 电压增益大, 输出电压和输入电压反相. 输入电阻高, 输出电阻由漏极电阻Rd决定.
相接触—预夹断。
iD达到了最大值 IDSS。 此时：vDS=vGS-VP
s
vDS再加大，vGD<VP (vDS > vGS-VP) 耗尽层两边相接触的长度 增加，iD基本上不随vDS的 增加而上升，漏极电流趋于 饱和—饱和区，恒流区。
5-1-2 N沟道，JFET的特性曲 线
(1) 输出特性
iD=f(vDS)|vGS=
sg d
SiO
铝
2Байду номын сангаас
N+ N+
P
4.3.1 N沟道增强型
衬底b
MOSFET
N沟道增强型MOS管示意图
金属栅极、SiO2绝缘层、半
d
d
导体，构成平板电容器。
MOSFET 利用栅源电压的大 g
bg
b
小，来改变衬底 b表面感
s
s
生电荷的多少，从而控制 N沟道增强型 P沟道增强型
漏极电流的大小。
MOS管符号 MOS管符号
耗尽层两侧刚刚合拢，沟道全部 夹断时的vGS称为夹断电压VP
vGS 对沟道的影响：
改变 vGS 的大小，可以有效的控制耗尽层的宽度， 从而改变沟道电阻的大小。
若在漏源极间加上固定的正向电压，则漏极流向 源极的电流 iD 将受 vGS 的控制。
对N沟道，vGS 减小，沟道电阻增大，iD 减小。
vDS=0时，耗尽层均 匀
VP 1V,IDSS0.5mA, 确定Q点.
VG S Rg1R g2Rg2VDD IDRS0.42ID
Rg2
VDD Rd d g
s Rg3
R
IDIDS (1 S V V G P)S 20.5(1V G)S 2
ID1.5m 9,IA D0.3m 1 AJ型管iD不能大于IDSS
VGS0.2V 2
1.59mA的结果舍去
Rg1 Rg2
VDD Rd d
g sb Rg3 RS
增强型MOS管
VGS可正可负,
ID IDO(VVGTS 1)2
适应于任何一种类型. J型、耗尽型MOS
IDO是VGS 2VT时iD的值
管
ID
IDSS(1VVGPS)2
例 Rg1 2M,Rg2 47K,Rg3 10M,
RD 30K,R2K,VDD18V, Rg1
(2) VDS 对 iD 的影响 设：vGS>VP且不变
d
g N
耗尽层
iD d
g N
s
s vDS=0，耗尽层均匀
vDS不为0时，耗尽层变成锲型。 vDS增加，锲型的斜率加大。
vGS>Vp vGD>Vp ：沟道呈电阻性， iD随vDS升高几乎成正比例的增加。
d 预夹 断g
N
夹断长
d
度增加
g
N
s
∵vGD=vGS-vDS vDS ↑，vGD↓ 当 vGD=VP时， 靠近D端两边的耗尽层
输出电阻
I T
g m V gs
VT R
g RS
g mVgs
Rg3 R’g s
d
IT
R ~ VT
g m ( VT
)
VT R
VT ( g m
1 R
)
Ro
VITT
1 //R gm
特点: 1 电压增益小于1,
但接近于1.且输 入输出同相. 2 输入电阻高,而输 出电阻较低.
谢谢
场效应管作放大器 时工作在该区域。
在该区域，场效应管等效成 一个受vGS控制的恒流源。
3区：截止区
vGS<VP ， vGD<VP iD=0 场效应管截止
4区：击穿区 vDS太大，致使栅漏 PN结雪崩击穿， FET处于击穿状态.。 场效应管一般不能工 作在该区域内。
(2) 转移特性曲线 iD= f (vGS)|vDS= 常数
绝缘层中掺有大量的正离子。
当vGS=0时，也能在衬底表面感应出很 多的电子，形成N型导电沟道。
sgd N+ PN+
在零栅源电压下也存在导
d
d
电沟道的FET称耗尽型。
g
耗尽型MOSFET在零、正
bg
b
和负栅源电压下都可工作。
s
s
vGS ↑ , 沟道宽度↑，iD ↑ vGS ↓ , 沟道宽度↓，iD ↓
耗尽型MOS管：vGS可正可负。
J型场效应管：vGS单极性，总与vDS相反（N沟道负,，P
沟转道移正特)。性v：GS=0i时DSiDS N沟道
≠ 0（绝对值达最大） iDS
P沟道 vG
vG
S
衬底的极性：必须保证S PN结反偏。
N沟道：P型衬底须接在电路中的最低电位上。
P沟道：N型衬底须接在电路中的最高电位上。
PN结的耗尽层相连，此时源区和漏区 隔断。无导电沟道 iD=0
N+ N+ P
b
s
gd
N+ PN+
b
vGS加大，将吸引更多的电子到衬底表面， vGS>V
形成自由电子的薄层——反型层。
T
(表层的导电类型由原来P型转化为N型) s
N道g 沟d
N型导电沟道形成。 刚形成反型层所需的 vGS 的值
N+ PN+
输出电阻： rd 输出电阻反映了vDS对 iD的影响，是输出特性上，静
态工作点处切线斜率的倒数。
在饱和区内，iD随vDS改变很小，因此 rd 数值很大。 最大漏源电压：V(BR)DS 最大耗散功率： PDM
4.3 金属-氧化物-半导体场效应管
MOS场效应管的类型： 增强型：包括N沟道和P沟道 耗尽型：包括N沟道和P沟道
预夹断
当vGD=VT 时 (vDS= vGS-VT) 靠近漏极端的反型层刚好消失
——预夹断。
s gd N+ PN+
vDS再↑， 使 vGD<VT (vDS>vGS-VT) 夹断点向左移动，沟道中形成高阻区，
电压的增加全部降在高阻区，iD基本 不变——恒流区。
s
gd
N+ PN+
3 、特性曲线
4区：击穿
应用小信号模型分析FET的放大电路
VDD
共源放大: AV VVoi gVmVggssRd AV gmRd
如果接有外负载RL
Rg1
Rd d Vo
g sb
RL
Vi Rg2
Rg3 R
A Vgm(R d//R L)
Ri Rg3Rg1//Rg2
g
Vi
R g mVgs
g3
R’g
d Rd Vo RL
Ro Rd
场效应管放大电路
d
高搀杂 的N型
区.
g P
d g
P型导 电沟道 s
P沟道JEFT的示意图
符号 s
对于P沟道JEFT 工作于放大状态， vGS >0. vDS <0
2. 工作原理 (1) vGS对iD的控制作用
先设：vDS=0
d
d
P
g N
g N
d
g N
vGS=0 s
s Vp<vGS<0
s vGS≦VP
饱和漏电流：IDSS 场效应管处于饱和区，且 vGS=0 时的漏极电流，
对于结型场效应管，为最大工作电流。
低频互导：gm gm=diD/dvGS|vDS=常数 反映了栅源电压对漏极电流的控制能力，是转移
特性曲线上，静态工作点处的斜率。
gm
diD dvGS
dIDSS(1vVGPS)2 dvGS
gm2IVDPSS(1vVGPS)
区
3区
截止区
vGS<V
T
vGD<V
T
VT
1区：可变电阻区: vGS>VT vGD>VT 沟道呈电阻性，iD随vDS
的增大而线性增大。
iD=0 2区：恒流区(线性放大区）
vGS>VT vGD<VT iD=IDO｛(vGS/VT)-1｝2 IDO是vGS=2VT时，iD的值。
电阻值随vGS增加而减小。 iD 受 vGS 的控制。
表征栅源电压vGS对漏极电流的控制作用， 场效应管是电压控制器件。
在饱和区内，FET可看
作压控电流源。
IDSS
转移特性方程：
iD=IDSS(1-vGS/VP)2
vGS
VP- 0.8 – 0.4
vG
S
（3）主要参数
夹断电压：VP 当导电沟道刚好完全被关闭时，栅源所对应的电
压 vGS 称为夹断电压。 夹断电压与半导体的搀杂浓度有关。
——开启电压VT 。
当外加正 vDS 时，源区的多子(电子)将 沿反型层漂移到漏区形成漏极电流iD。
vDS=0时 反型层均匀
vGS<VT，沟道未形成，iD=0 (截止区）。 vGS>VT，沟道形成， vDS>0时，将形成电流 iD。
② vGS>VT且不变 , vDS对沟道的影响
s
gd
导电沟道形成后， 在vDS的作用下，形成漏极电流iD ， 沿沟道d→s，电位逐渐下降,
N沟道耗尽型 P沟道耗尽型 MOS管符号 MOS管符号
5.3.3 场效应管比较
N沟道：vDS>0,iD为电子电流,iDS>0（电流实际方向流入 漏）
增P沟强道型vMDSO<S0管,iD：为v空GS单穴极电性流，,iD总S<与0 v（DS电一流致实（际N方沟向道流正出，漏） P沟道负）。vGS=0时 iDS=0。
VDSVDD ID(RdR)8.1V ID=0.31mA
5.4.2 FET的小信号模型分析法
FET低频小信号模型
g
d
g mVgs
Vgs rgs
rd Vds
g
V gs
g mVgs
s
d
Vds
s FET高频小信号模型.
FET的低频小信号简化模型
g
cg
Vgs cg
rgs
gdmVgs
rd
s
d
cd Vds
s
s
N+ N+ P
sio2中电场沿沟道d→s逐渐加大， 导电沟道的宽度也沿沟道逐渐加大，
靠近漏极端最窄。
vDS使沟道 不再均匀
vGS >VT , 且 vGD >VT (vDS< vGS-VT ) 沟道畅通，场效应管等效为小电阻（可变电阻区）。
vDS ↑ , vGD ↓, 沟道斜率↑， 靠近漏极端更窄。
1、沟道形成原理 ① vDS=0时，vGS 的作用
耗尽层
sgd
vGS =0时， i0D<=v0GS<VT 在时SiO2绝缘层中产生垂直向下的电场， 该电场排斥P区中的多子空穴，而将少
子电子吸向衬底表面。 vGS不够大时，吸向衬底表面的电子将与 空穴复合而消失，衬底表面留下了负离
子的空间电荷区—耗尽层，并与两个
1区:常数可变电阻区
0>vGS>VP , 特0点>v: GD>Vp
vGS越负，耗尽层越宽，
漏源间的电阻越大，输出
曲线越倾斜。
在该区FET 可以看
iD与 vDS 几乎成线性关系。 成一个压控电阻。
2区 ：饱和区 （恒流区，线性放大区 ） 0≤ vGS >Vp, vGD<Vp
特点: iD 随 vGS下降而减少, iD受 vGS 的控制。 vDS 增加时，iD基本保 持不变，成恒流特性。
CMOS电路
VDD T1：P沟道 s
vi g
d vo
s T2：N沟道
非门电路
vi=VDD
vGSP=0>VTP
T1截止
vGSN=VDD>VTN 通
T2导
vo=0 vi=0 vGSP= -VDD <VTP T1导
通
vGSN=0<VTN vo= VDD
T2截止
5.3.2 N沟道耗尽型 MOSFET 结构与N沟道增强型相同，但在SiO2的