模拟电路 第五章讲解

C2
+ ID流经RS产生一个自偏压，
RS也有利于稳定静态工作点，
RL uo 旁路电容CS必须足够大，
CS
- 以免影响电压放大倍数。
分压-自偏压式共源放大电路
RG用于提高放大电路的输入电阻。
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（一） 静态分析
1. 近似估算法
VG =
R1 R1 +
R2
VDD
UGSQ = VG - IDQRS
RS RS // RL
U i U gs gmU gsRS (1 gm RS )U gs
Au
U

o
U
i

1
g

R
m
S
gR m
S
Ri RG (R1 // R2 )
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g
s id
+ Ugs -
RG
io
+
RS
Uo
R1 R2
gmUgs d
-
求源极输出器RO 的等效电路 Ro
⑴ 当uDS = 0 时， uGS 对耗尽层和导电沟道的影响。
ID=0
ID=0
d
d
d
P+
g
N 型
P+
P+
g
N 型
P+
P+
g
P+
沟
沟
道
道
s uGS = 0
s uGS < 0
s uGS = UGS(off)
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⑵ 当uDS ＞ 0 时， uGS 对耗尽层和 iD 的影响。
d iD
iS = iD d
d
预先在二氧化硅中掺入大 量的正离子，
使uGS = 0 时， 产生N型导电沟道。
当uGS < 0 时，沟道变窄， 达到某一负值时被夹断，
g
B
s
s
g
d
++++++
N+
N+
N型沟道
iD ≈ 0，称为夹断电压。 uGS > 0 时，沟道变宽， iD 增大。
P型衬底
B
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特性曲线
iD/mA
iD/mA
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2. 交流参数
⑴ 低频跨导gm 用以描述栅源之间的电压uGS对漏极电流iD的控制作用。
gm

iD uGS
uDS 常数
⑵ 极间电容
场效应管三个电极之间的等效电容，
包括CGS 、 CGD和CDS 。 极间电容愈小，管子的高频性能愈好。一般为几个皮法。
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3. 极限参数 ⑴ 漏极最大允许耗散功率PDM 漏极耗散功率等于漏极电流与漏源之间电压的乘积， 即pD= iD uDS。 ⑵ 漏源击穿电压U（BR)DS 在场效应管的漏极特性曲线上，当漏极电流iD急剧上
1 场效应管的微变等效电路
g
iD = f （uGS ， uDS ）
+
id d
+
求 iD 的全微分
Ugs -
gmUgs
rds Uds -
Id = gmUgs +
1 rds
Uds
s 场效应管的微变等效电路
gm 的值约为 0.1 ~20 mS。 rds 通常为几百千欧。
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若RD比rDS小得多
uO
VGG
-
-
共源极放大电路的原理电路
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（二） 静态分析
1. 近似估算法
UGSQ = VGG
iD= IDO(UuGGSS(th-)1)2
UDSQ = VDD - IDQ RD
iD RD
+ ui -
Rg +g uGS
d+
+
VDD
uDS
s-
uO
VGG
-
-
共源极放大电路的原理电路
( IDQ=IDO UGSQ -1)2
仿真
R2
R C1G +
ui
R1
-
RD d
g s
RS
+VDD C2
+
RL uo
CS
-
分压-自偏压式共源放大电路
G D id
+
+
+
RG
Ui
R1 -
Ugs R2
-
RD RL Uo gmUgs
-
S
Ui = Ugs
Uo = - gmUgs RD′
Au

U o
U i

g
R
m
D
R i

R G

(R1
//
UGS(th)
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2. 图解法 UGSQ = VGG
uDS = VDD - iD Rd
iD VDD Rd
IDQ
直流负载线
uGS = 4.5V 4V UGSQ
Q 3.5V
3V
2V
O
UDSQ
VDD uDS
图解法分析共源放大电路的Q点
与直流负载线的交点即是静态工作点Q 。
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（三）动态分析
RG
+
VG +
UD S-
UGS
R1
-
ID
RS
uGS = VGQ - iD Rs uDS = VDD - iD ( Rd + Rs )
iD
VGQ RS
iD
VDD RS+RD
uGS = 4.5V 4V
IDQ
IDQ
O
O UGSQ VGQ uGS
UDSQ
3.5V
3V 2V
VDD uDS
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（二) 动态分析
升产生雪崩击穿时的uDS 。 ⑶ 栅源击穿电压U（BR）GS
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5.2 场效应管放大电路
场效应管的特点 共源极放大电路 分压-自偏压式共源极放大电路 共漏极放大电路
下页 总目录
一、场效应管的特点
1. 场效应管是电压控制元件, 三极管是电流控制元件。
2. 场效应管输入电阻非常高,三极管输入电阻较小。 3. 场效应管噪声小,受外界温度及辐射的影响小,
g
+ RG
s
C2
+VDD
ui
R1
RS
-
+ RL uo
-
+ RG
Ui R1 R2
-
g
+ U -
gs
s
RS
id
d
gmU gs
+
RL
Uo
-
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g
s id
+
+ U gs -
RG
+
U i
R1 R2
-
gmU gs
RS
RL U o
d
-
源极输出器的微变等效电路
仿真
U o gmU gsRS
可变 电阻区
预夹断轨迹 +2
恒流区 +1
IDSS
IDSS
uGS=0 -1
UGS(off) O
uGS/V
O
截止区
耗尽型： uGS = 0 时有导电沟道。
增强型： uGS = 0 时无导电沟道。
-2 uDS/V
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场效应管的主要参数
1. 直流参数 ⑴ 饱和漏极电流 IDSS 是耗尽型场效应管的一个重要参数。
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⑶ 特性曲线
iD/mA
iD/mA
可变 电阻区
预夹断轨迹
恒流区
IDO
O UGS(th) 2UGS(th) uGS/V
O
截止区
转移特性曲线可近似用以下公式表示：
iD

I
DO
(
uGS U GS(th)
1)2当uGS ≥
UGS(th)时
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uDS/V
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2. N沟道耗尽型MOS场效应管
Ｎ沟道结型场效应管转 移特性
栅源间加反向电压 uGS < 0 利用场效应管输入电阻高的优点。
I D

I
DSS
(1

U GS
U GS(off)
)2
(当UP UGS 0时）
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⑵ 漏极特性
预夹断轨迹
iD=f（uDS）|uGS=常数
|uDS-uGS|= |UGS(off)|
可变电阻区：
iD/mA 可变
-
RG g
id
d
++
+
Ui -
Ugs -
gmUgs
Rd Uo -
s
共源电路的微变等效电路
UI = UGS
Uo = - gmUgs RD
Au =
Uo Ui
= - gm RD
Ro = RD
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三、分压-自偏压式共源极放大电路
电路组成
静态时，
R2
C1Rg +
ui
R1
-
Rd d
g s
Rs
+VDD 栅极电压由VDD经R1、R2分压后提供，
存在零温度系数工作点。 4. 场效应管的制造工艺简单, 便于集成。 5. 存放时,栅极与源极应短接在一起。
焊接时,烙铁外壳应接地。
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二、共源极放大电路
（一）电路组成
> uGS UGS(th) uDS > uGS - UGS(th)
RD
Rg
d+
+
VDD
uDS
+ ui -
+g uGS
s-
P衬底杂质浓度较低， s
g
引出电极用B表示。
N+
N+两个区杂质浓度很高，
B s
d SiO2
N+
分别引出源极和漏极。 栅极与其他电极是绝缘的，
P型衬底
通常衬底与源极在管子内部连接。
B铝
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⑵ 工作原理
导电沟道的形成
VGG
s
假设uDS = 0 ，同时uGS > 0
靠近二氧化硅的一侧产生耗尽层， N+
它的定义是当栅源之间的电压uGS等于零， 而漏源之间的电压uDS大于夹断电压时对应的漏极电流。 ⑵ 夹断电压 UGS(off) 是耗尽型场效应管的一个重要参数。
其定义是当uDS一定时， 使iD减小到某一个微小电流时所需的uGS值。
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⑶ 开启电压 UGS(th) UGS(th)是增强型场效应管的一个重要参数。 其定义是当uDS一定时， 使漏极电流达到某一数值时所需加的uGS值。 ⑷ 直流输入电阻 RGS 栅源之间所加电压与产生的栅极电流之比。 结型场效应管的RGS一般在107Ω以上， 绝缘栅场效应管的RGS更高，一般大于109Ω。
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g
d
N+
若增大uGS ，则耗尽层变宽。
N型沟道
当uGS 增大到一定值时，
P型衬底
形成一个N型导电沟道。
又称之为反型层
B
开启电压，用uGS(th)表示 导电沟道随uGS 增大而增宽。
uGS > UGS(th)时 形成导电沟道
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uDS对导电沟道的影响
uGS为某一个大于UGS(th)的固定值， 在漏极和源极之间加正电压，且 s uDS < uGS - UGS(th)
R2)
RD′= Rd // RL
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四、共漏极放大电路
又称源极输出器或源极跟随器
1. 静态分析
可用近似估算法 或图解法，
求解过程可参阅 分压–自偏压式 共源放大电路。
R2
d
C1
g
+ RG
s
C2
+VDD
ui
R1
RS
-
Байду номын сангаас+ RL uo
-
共漏极放大电路
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2. 动态分析
R2
d
C1
Io

U o RS

gmU gs

U o RS

gmU o

(1 RS

gm
)U o
Ro

U o Io

gm
1 1
RS

1 gm
//
RS
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5.3结型场效应管
d
漏极
1. 结构
耗
尽
层
N
g
型
P+
沟
P+
道
d g
栅
极
s
源
s
极
N沟道结型场效应管的结构和符号
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2. 工作原理
( - 1) IDQ= IDO
UGSQ UGS(th)
2
R2
C1Rg
+
VG
ui
R1
-
Rd
g + UGS -
Rs
ID C2
+VDD
d+
+
UDS s - RL uo
ID CS
-
分压-自偏压式共源放大电路
UDSQ = VDD - IDQ ( Rd + Rs )
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2. 图解法
+VDD
R2
RD ID
iD
g
P+
P+
VDD
g
P+
P+
VDD
N
N
s
iS
uGS=0，uGD> UGS(off) 沟道较宽，iD 较大。
VGG
s
iS
uGS < 0，uGD>UGS(off) 沟道变窄， iD 较小。
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iD
iD
P+
P+
VDD
P+
N
P+
VDD
VGG
iS
uGS < 0，uGD= UGS(off)， iD更小， 导电沟道预夹断。
VGG
iS
uGS ≤ UGS(off) ，uGD < UGS(off)， iD ≈ 0， 导电沟道夹断。
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3. 特性曲线 ⑴ 转移特性 iD = f（uGS）|uDS=常数
iD/mA IDSS
VGG
mA ID
g
d
VDD
V
s
V
场效应管特性曲线测试电路
饱和漏极电流
UGS(off)
O uGS/V
VDD VGG
iD
g
d
即uGD = uGS - uDS > UGS(th)
N+
N+
则有电流iD 产生，
N型沟道
使导电沟道发生变化。
P型衬底
当uDS 增大到uDS =uGS - UGS(th) 即uGD = uGS - uDS = UGS(th) 时， 沟道被预夹断， iD 饱和。
B
uDS对导电沟道的 影响
第五章 场效应三极管
绝缘栅场效应管
场效应管的主要参数
下页 总目录
场效应三极管中参与导电的只有一种极性的载流子 （多数载流子），故称为单极型三极管。
结型场效应管 分类：
N沟道 P沟道
增强型
绝缘栅场效应管
耗尽型
N沟道
P沟道 N沟道 P沟道
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5.1绝缘栅场效应管
d
1. N沟道增强型MOS场效应管 g ⑴ 结构
uGS=0
IDSS 电阻区
iD 与uDS 基本上呈线性关系，
-2
击穿区
但不同的uGS 其斜率不同。
恒流区 -4
恒流区：又称饱和区，
-6
iD 几乎与uDS 无关， iD 的值受uGS 控制。 击穿区：
-8
O
|UGS(off)| 夹断电压
8V
uDS/V
N沟道结型场效应管的漏极特性
反向偏置的PN结被击穿， iD 电流突然增大。
g
rDS 可视为开路
iD
d
+
+
简化的等 效电路
Ugs -
Uds gmUgs -
s
其中：gm和rDS可在场效应管特性曲线上作图求得。
gm也可由
iD=
iDO(
uGS -1)2
UGS(th)
求导得
gm
2 =UGS(th)
IDO
IDQ
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2. 动态参数计算
RG
+ ui VGG
RD
+ VDD
uo