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1、5.1 金属-氧化物-半导体场效应管 5.2 场效应管放大电路 5.5 各种放大器件电路性能比较 5 场效应管放大电路 5.3 结型场效应管 *5.4 砷化镓金属-半导体场效应管 1 5 场效应管放大电路 N沟道 P沟道 增强型 耗尽型 N沟道 P沟道 N沟道 P沟道 （耗尽型） FET 场效应管 JFET 结型 MOSFET 绝缘栅型 分类： 2 5.1 金属-氧化物-半导体场效应管 结构 工作原理 V-I特性曲线及大信号特征方程 5.1.1 N沟道增强型MOSFET 5.1.2 N沟道耗尽型MOSFET 5.1.5 MOSFET的主要参数 3 5.1.1 N沟道增强型MOSFET 1. N
2、沟道增强型MOSFET的结构 2. (Metal-Oxide Semiconductor Type Field Effect Transistor) 4 5.1.1 N沟道增强型MOSFET 1. N沟道增强型MOSFET的结构 2. (Metal-Oxide Semiconductor Type Field Effect Transistor) 5 5.1.1 N沟道增强型MOSFET 4个电极：漏极D， 源极S，栅极G和 衬底P。 符号： - - - - g s d 衬底 1. N沟道增强型MOSFET的结构 2. (Metal-Oxide Semiconductor Type Field
3、 Effect Transistor) 6 5.1.1 N沟道增强型MOSFET 2. 工作原理 当vGS0V时纵向电场 将靠近栅极下方的空穴向下排斥 耗尽层。 当vGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的 二极管，在d、s之间 加上电压也不会形成电流，即管子截止。 再增加vGS VT 纵向电场 将P区少子电子聚集到P区表 面形成导电沟道。 - - - P衬底 s g N+ b d 二氧化硅 + N - - - s 二氧化硅 P衬底 g + N d + b N VGG id - - - s 二氧化硅 P衬底 g DDV + N d + b N VGG id 如果此时加有漏源电压， 就可以形成漏极
4、电流id。漏源 电压较大，出现夹断时， id趋 于饱和。 7 5.1.1 N沟道增强型MOSFET 2. 工作原理 定义： 开启电压（ VT）刚刚产生沟道所需的栅源电压VGS。 N沟道增强型MOS管的基本特性： vGS VT，管子截止， vGS VT，管子导通。 vGS 越大，沟道越宽，在相同的漏源电压vDS作用下，漏 极电流ID越大。 8 3. V-I特性曲线及大信号特征方程 v =3V DS GS v GS =5V v v v GS (mA) =4V D i GS =6V (V) 5.1.1 N沟道增强型MOSFET （1）输出特性及大信号特性方程iD=f (vDS)|vGS=consta
5、nt 预夹断临界点轨迹vGD= vGS vDS=VT vDSVGS-VT 饱和区 截止区vGS|VP|时的漏极电流 4. 直流输入电阻RGS：在漏源之间短路的条件下，栅源之间加一定 电压时的栅源直流电阻 13 5.1.5 MOSFET的主要参数 2. 低频互导gm互导反映了vGS对iD的控制能力， 相当于转移特性曲线上工作点的 斜率。单位是mS或S 1. 输出电阻rd 十分之几至几mS，互导随管子工作点不同而变 几十千欧到几百千欧 二、交流参数 N沟道EMOSFET 14 5.1.5 MOSFET的主要参数 2. 最大耗散功率PDM 3. 最大漏源电压V(BR)DS 4. 最大栅源电压V(BR
6、)GS 发生雪崩击穿、iD 开始急剧上升时的vDS值 栅源间反向电流开始急剧增加时的vGS值 PDM= vDS iD 受管子最高工作温度的限制 三、极限参数 1. 最大漏极电流IDM：管子正常工作时漏极电流允许的上限值 15 5.2 MOSFET放大电路 直流偏置及静态工作点的计算 图解分析 5.2.1 MOSFET放大电路 5.2.2 带PMOS负载的NMOS放大电路 小信号模型分析 16 5.2.1 MOS放大电路 根据求得的VDS判断FET工作在饱和区或可变电阻区 1. 直流偏置及静态工作点的计算 VDD vo vi B Cb2 Cb1 Rg1 Rd Rg2 g d s T id （1）
7、简单的共源极放大电路 N沟道增强型MOS管电路的直流计算步骤见P.212 17 假设工作在饱和区(放大区） 满足假设成立，结果即为所求。 解： 例 题 设Rg1=60k，Rg2=40k，Rd=15k， 试计算电路的静态漏极电流IDQ和漏源 电压VDSQ 。 VDD=5V， VT=1V， 18 5.2.1 MOS放大电路 1. 直流偏置及静态工作点的计算 （2）带源极电阻的NMOS共源极放大电路 +VDD vo vi B Cb2 Cb1 Rg1 Rd Rg2 g d s T id -VSS Rs R 当NMOS管工作在饱和区 19 5.2.1 MOS放大电路 1. 直流偏置及静态工作点的计算 （
8、2）带源极电阻的NMOS共源极放大电路 +VDD vo vi B Cb2 Cb1 Rg1 Rd Rg2 g d s T id -VSS Rs R 在MOS管中接入源极 电阻，也具有稳定静态 工作点的作用 很多MOS管电路的源极 电阻被电流源代替（例 5.2.3） 20 2. 图解分析 VDD vO B Rd g d s T id vi VGG + - + - iD vDS o VDD 预夹断临界点轨迹 vGD= vGS vDS=VT VDD/Rd o o t t iD IDQ VDSQ id vds vi VGS=VGG Q vDS VGG VT VDD 足够 大，场效 应管工作 于饱和区 2
9、1 5.2.1 MOS放大电路 3. 小信号模型分析 输入信号很小，FET工作在饱和区，看成双口网络， N沟道EMOS 22 5.2.1 MOS放大电路 3. 小信号模型分析 第三项与输入信号平方成正比，当vi=vgs为正弦时，平方项 使输出电压产生谐波或非线性失真 小信号条件：vgs2(VGSQ-VT) 23 5.2.1 MOS放大电路 3. 小信号模型分析 s gd vgs gmvgs vds s g d rds vgs gmvgs vds iD 低频小信号模型 g s d vGS iD vDS s g d rds vgs gmvgs vds iD Cgs+Cgb Cgd Cds FET的
10、高频模型 24 例题 例5.2.5 电路如图所示。试求中频 电压增益、输入电阻和输出电阻。 vo R vi g Rd Rg1| Rg2 s d Rs vs + - +VDD vo vi B Cb2 Cb1 Rg1 Rd Rg2 g d s T id -VSS Rs R 25 例题 vo R vi g Rd Rg1| Rg2 s d Rs vs + - 26 例题 例5.2.6 电路如图所示。试求中频 电压增益、输入电阻和输出电阻。 vo R vi g rds Rg1|Rg2 s d Rs +VDD vo vi B Cb Rg1 Rg2 g d s T Rs R vs + - 27 例题 同相放
11、大 电压跟随 vo R vi g rds Rg1|Rg2 s d Rs 28 例题 Ri R s d Rs g vT iT Ro 计算输出电阻时，信号 源置零，除去负载，在 输出端加测试源vT rds Rg1|Rg2 29 5.3 结型场效应管 结构 工作原理 输出特性 转移特性 主要参数 5.3.1 JFET的结构和工作原理 5.3.2 JFET的特性曲线及参数 5.3.3 JFET的小信号模型分析法 30 1. 结型场效应管的结构（以N沟为例）： (Junction Type Field Effect Transistor) 5.3.1 JFET的结构和工作原理 31 1. 结型场效应管的
12、结构（以N沟为例）： (Junction Type Field Effect Transistor) 两个PN结夹着一个N型沟道。 三个电极： g：栅极 d：漏极 s：源极 符号： 5.3.1 JFET的结构和工作原理 N沟道 - - - g s d P沟道 - - - g d s 动画演示动画演示32 5.3.1 JFET的结构和工作原理 （1）栅源电压对沟道的控制作用 在栅源间加负电压vGS ，令vDS =0 当vGS=0时，为平衡PN结，导电沟道最 宽。 当vGS时，PN结反偏，耗尽层 变宽，导电沟道变窄，沟道电阻 增大。 当vGS到一定值时 ，沟道会完 全合拢。 定义： 夹断电压VP使
13、导电沟道完全 合拢（消失）所需要的栅源电压 vGS。 2. 结型场效应管的工作原理： 33 5.3.1 JFET的结构和工作原理 （2）漏源电压对沟道的控制作用 2. 结型场效应管的工作原理： 在漏源间加电压uDS ，令vGS =0 由于vGS =0，所以导电沟道最宽。 当vDS=0时， iD=0。 vDSiD 靠近漏极处的耗尽层加宽 ，沟道变窄，呈楔形分布。 当vDS ，使vGD=vG S- vDS=VP时， 在靠漏极处夹断预夹断。 预夹断前， vDSiD 。 预夹断后， iDSiD 几乎不变。 vDS再，预夹断点下移。 34 5.3.1 JFET的结构和工作原理 2. 结型场效应管的工作原
14、理： （3）栅源电压vGS和漏源电压vDS共同作用 iD=f（ vGS 、vDS）,可用两组特性曲线来描绘。 动画演示动画演示35 5.3.2 JFET的特性曲线及参数 1. 输出特性曲线： iD=f（ vDS ）vGS=常数 vGS=0V vGS=-1V v =-3V DS GS v vGS (mA) =-2V D i (V) 36 5.3.2 JFET的特性曲线及参数 1. 输出特性曲线： iD=f（ vDS ）vGS=常数 四个区： 恒流区的特点：在vDS为常数时 iD / vGS = gm 常数 即： iD = gm vGS （放大原理） （a）可变电阻区（预夹断前）。 （b）恒流区也
15、称饱和区（预 夹断后）。 （c）夹断区（截止区）。 （d）击穿区。 可变电阻区 恒流区 截止区 击穿区 v =-3V DS GS v GS =-1V v v vGS (mA) =-2V D i GS =0V (V) vGSVP时，iD=0称为截止区 37 5.3.2 JFET的特性曲线及参数 2. 转移特性曲线： iD=f（ vGS ）vDS=常数 可根据输出特性曲线作出转移特性曲线（transfer characteristic） 。 例：作vDS=10V的一条转移特性曲线： A B C D A B C D v vGS=0V v 0 v (mA) 1 v =-3V D -3-1 3 10V DS 2 (mA) GS(V) 2 1 -4 4 i v =-1V D -2 GS GS GS 4 i (V) 3 =-2V 38 5.3.2 JFET的特性曲线及参数 2. 转移特性曲线： iD=f（ vGS ）vDS=常数 vGS/V 0
