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1、第三章第三章 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路场效应管，简称场效应管，简称FET( (Field Effect Transistor )。(a) 输入电阻高，可达输入电阻高，可达107 1015W W。(b) 起导电作用的是多数（一种）载流子，又称为单极起导电作用的是多数（一种）载流子，又称为单极 型晶体管。型晶体管。(c) 体积小、重量轻、耗电省、寿命长。体积小、重量轻、耗电省、寿命长。(d) 噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强和制造工艺噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强和制造工艺 简单。简单。(e) 在大规模集成电路制造中得到了广泛的应用。在大规模集成电路制造中得到了广泛的应用。场效应
2、管的场效应管的主要特点主要特点3.1 MOS3.1 MOS场效应管的工作原理场效应管的工作原理结型场效应管结型场效应管（JFET）N-沟道沟道P-沟道沟道MOS 管管增强型增强型耗尽型耗尽型N-沟道沟道P-沟道沟道N-沟道沟道P-沟道沟道场效应管场效应管3.1.1 3.1.1 场效应管的分类场效应管的分类3.1 增强型增强型MOSFET(Metal Oxide Semiconductor FET)DBSG传统符号传统符号1. 1. N N沟道增强型沟道增强型沟道增强型沟道增强型MOSFETMOSFETMOSFETMOSFET结构和电路符号结构和电路符号结构和电路符号结构和电路符号DSG氧化物氧
3、化物（Oxide）P型硅衬底型硅衬底源极源极S栅极栅极G漏极漏极D 衬底引线衬底引线BN+N+金属金属金属金属（MMetaletal）半导体半导体（Semiconductior）衬底衬底3.1.2 MOS3.1.2 MOS电容结构电容结构（b b）负栅压偏置的）负栅压偏置的MOS电容器电容器（P型衬底）型衬底）（a a）平板电容器）平板电容器（c c）有空穴累积层的）有空穴累积层的MOS电容器电容器（P型衬底）型衬底）空穴积累层空穴积累层（a a）正栅压偏置的）正栅压偏置的MOS电容器（电容器（P型衬底）型衬底）（b b）中等程度的正栅压偏置）中等程度的正栅压偏置的的MOS电容器（电容器（P型
4、衬底）型衬底）空间电荷空间电荷区区（c c）较大正栅压偏置的）较大正栅压偏置的MOS电容器（电容器（P型衬底）型衬底）空间电荷空间电荷区区电子反型电子反型层层正栅压形成反型层正栅压形成反型层金属金属电极电极源极源极衬底衬底漏漏源源栅栅3.1.3 N3.1.3 N沟道增强型沟道增强型MOSMOS场效应管的工作原理场效应管的工作原理SiO2结构示意图结构示意图P型硅衬底型硅衬底耗尽层耗尽层衬底引线衬底引线BN+N+SGDUDSID = 0 D与与S之间是两个之间是两个PN结反向串联，结反向串联，无论无论D与与S之间加之间加什么极性的电压，什么极性的电压，总有一个总有一个PN结是反结是反向偏置，漏极
5、电流向偏置，漏极电流均接近于零。均接近于零。(1)(1)(1)(1) U UGSGS =0, =0, U UDSDS 0 0P型硅衬底型硅衬底N+BSGD。耗尽层耗尽层ID = 0(2)(2) 0 0 U UGSGS V V VTNTNN型导电沟道N+N+UGS 通过控制通过控制U UGSGS来控制导电沟道的来控制导电沟道的来控制导电沟道的来控制导电沟道的宽度，从而控制电宽度，从而控制电宽度，从而控制电宽度，从而控制电流流流流ID。(a )当 uDS0但接近于0 uDSIDDBuGSuDSP衬底N+N+SG(b ) 0uDSuGS-VTNuDS(sat) uDS恒流区uDSuGS4321051
6、015UGS =5V6V4V3V2V增强型增强型 NMOS 管的特性曲线管的特性曲线 饱和区饱和区击击穿穿区区非非饱饱和和区区3.1.4 E3.1.4 E型场效应管的型场效应管的特性曲线特性曲线输出特性输出特性iD /mA0123246uGS / VVTN转移特性转移特性 uDS / ViD /mA截止区截止区UDS =10V工作在饱和区（恒流区）的伏安关系工作在饱和区（恒流区）的伏安关系工作在非饱和区（可变电阻区）的伏安关系工作在非饱和区（可变电阻区）的伏安关系uDSuGS-VTN使增强型使增强型NMOSNMOS工作在饱和区的偏置条件工作在饱和区的偏置条件Channel Length Mod
7、ulation ParameterDrain characteristic of an N-channel MOSFETChannel Length Modulation3.1.5 N3.1.5 N沟道沟道EMOSEMOS用于放大的原理用于放大的原理斜率gm时间t时间tUGSQuGSMOS管放大电路原理Vthui共源放大电路UDSuGSuouiVGGuGSuDSuiuoSiO2结构示意图结构示意图N型硅衬底型硅衬底源极源极S栅极栅极G漏极漏极D 衬底引线衬底引线BP+P+DBSG符号符号3.1.63.1.63.1.63.1.6 P P P P沟道增强型沟道增强型沟道增强型沟道增强型MOSMOS
8、MOSMOSDSG（a a）正栅压偏置的）正栅压偏置的MOS电容器（电容器（N型衬底）型衬底）（b b）中等负栅压偏置的）中等负栅压偏置的MOS电容器（电容器（N型衬底）型衬底）（c c）较大负栅压偏置的）较大负栅压偏置的MOS电容器（电容器（N型衬底）型衬底）工作在恒流区（饱和区）的伏安关系工作在恒流区（饱和区）的伏安关系工作在非饱和区（可变电阻区）的伏安关系工作在非饱和区（可变电阻区）的伏安关系使得增强型使得增强型PMOSPMOS工作在饱和区的偏置条件工作在饱和区的偏置条件E型型PMOS管和管和NMOS管管的的UGS和和UDS电压极性相电压极性相反，反，iD方向也相反。输出方向也相反。输出
9、特性曲线的形状相似特性曲线的形状相似输出特性输出特性曲线处于曲线处于第三象限第三象限E型型PMOSFET工作原理工作原理VTN是增强型是增强型NMOSNMOS开始形成反型层所需的开始形成反型层所需的uGS值，称为开启电压。对值，称为开启电压。对E E型型NMOSNMOS管，管， VTN为正值，对为正值，对E E型型PMOSPMOS管，管，VTP为负值。为负值。反型层出现后，反型层出现后，SDSD极间出现导电沟道，极间出现导电沟道，UGSGS越大，越大，导电沟越厚，载流子浓度越大，导电能力越强，导电沟越厚，载流子浓度越大，导电能力越强，沟道电阻越小。沟道电阻越小。结构示意图结构示意图P型硅衬底型
10、硅衬底源极源极S漏极漏极D 栅极栅极G衬底引线衬底引线B耗尽层耗尽层3.1.7 N3.1.7 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET MOSFET N+N+正离子正离子N N型沟道型沟道SiO2DBSG传统符号传统符号 在二氧化硅绝缘层中掺入大量的正离子，在二氧化硅绝缘层中掺入大量的正离子，形成原始导电沟道形成原始导电沟道简化符号简化符号 D型型NMOSFET工作原理工作原理D型型NMOS管管和和E型型NMOS管结构基本相管结构基本相同，区别仅在同，区别仅在于导电沟道事于导电沟道事先存在，在先存在，在UGS=0的时候，的时候，iD也不等于也不等于0。当当UGS=VP时，导电沟道时，导电沟道消失，消
11、失，iD=0。vGS=0时时iD0恒流区恒流区D型型MOSFET的伏安方程的伏安方程，VTN为负值为负值工作在非饱和区（可变电阻区）的伏安关系工作在非饱和区（可变电阻区）的伏安关系uDSuGS-VTN耗尽型耗尽型p-沟道沟道MOSFETCMOS（Complementary MOSFET）多晶硅：由大量结晶方向不相同的硅单晶体组成的硅晶体多晶硅：由大量结晶方向不相同的硅单晶体组成的硅晶体 几乎不导电几乎不导电 使用使用 MOSFETMOSFET的注意事项的注意事项因为因为MOS管的栅极与衬底表面的绝缘层很薄，当管的栅极与衬底表面的绝缘层很薄，当带电体或人体接触栅极时，由于会在栅极与衬底带电体或人
12、体接触栅极时，由于会在栅极与衬底上产生感生电荷，而栅极与衬底间的平板电容器上产生感生电荷，而栅极与衬底间的平板电容器容量又小，感生电荷累积会产生很高的电压，极容量又小，感生电荷累积会产生很高的电压，极易导致绝缘层的击穿而损坏管子，保存时应将各易导致绝缘层的击穿而损坏管子，保存时应将各电极短接。电极短接。N沟道沟道EMOS直流分析直流分析（1）. 假设假设MOS管工作在恒流区，则有管工作在恒流区，则有UGSVTN ，UDSUDS（sat）（2）. 用工作在恒流区的伏安关系分析电路用工作在恒流区的伏安关系分析电路（3）. 估计管子的偏置情况，如果与（估计管子的偏置情况，如果与（1）中假设相符，则初
13、）中假设相符，则初始的假设正确。如果始的假设正确。如果UGSVTN ，则管子工作在截止区；如果，则管子工作在截止区；如果UDSVpuGDuGS-VPVP漏极饱漏极饱和电流和电流夹断夹断电压电压g-s电压控电压控制制d-s的等的等效电阻效电阻输出特性预夹断轨迹，预夹断轨迹，uGDVP可可变变电电阻阻区区恒恒流流区区iD几乎仅决几乎仅决定于定于uGS击击穿穿区区夹断区（截止区）夹断区（截止区）夹断电压夹断电压IDSSiD 不同型号的管子不同型号的管子VP、IDSS将不将不同。同。低频跨导：低频跨导：工作在恒流区时工作在恒流区时g-s、d-s间的电压极性间的电压极性uGS=0可工作在恒流区的场效应管
14、有哪几种？可工作在恒流区的场效应管有哪几种？ uGS0才可能工作在恒流区的场效应管有哪几种？才可能工作在恒流区的场效应管有哪几种？ uGS0才可能工作在恒流区的场效应管有哪几种？才可能工作在恒流区的场效应管有哪几种？ MOS基本共源放大电路的工作原理一、电路的组成及各元件的作用一、电路的组成及各元件的作用二、设置静态工作点的必要性二、设置静态工作点的必要性三、波形分析三、波形分析四、放大电路的组成原则四、放大电路的组成原则一、电路的组成及各元件的作用VG：使使UGS Vth。VDD：使：使UDSUGS-Vth，同时作，同时作为负载的能源。为负载的能源。RD：将：将iD转换成转换成uDS(uo)
15、 。动态信号作用时：动态信号作用时： 输入电压输入电压ui为零时，晶体管各极的电流、为零时，晶体管各极的电流、G-S间的电间的电压、管压降称为静态工作点压、管压降称为静态工作点Q，记作，记作IDQ、 UGSQ、 UDSQ。RDT+VDDuoVGui二、设置静态工作点的必要性 输出电压必然失真！输出电压必然失真！ 设置合适的静态工作点，首先要解决失真问题，但设置合适的静态工作点，首先要解决失真问题，但Q点点几乎影响着所有的动态参数！几乎影响着所有的动态参数！ 为什么放大的对象是动态信号，却要晶体管在信号为零为什么放大的对象是动态信号，却要晶体管在信号为零时有合适的直流电流和极间电压？时有合适的直
16、流电流和极间电压？RDT+VDDuoVGuiRDT+VDDuouiuGSiDVth三、基本共源放大电路的波形分析输出和输入反相！输出和输入反相！动态信号动态信号驮载在静驮载在静态之上态之上与与iD变化变化方向方向相反相反 要想不失真，就要要想不失真，就要在信号的整个周期内在信号的整个周期内保证晶体管始终工作保证晶体管始终工作在放大区！在放大区！饱和失真饱和失真底部失真底部失真t tuDSUDSQVDDO截止失真截止失真顶部失真顶部失真t tuDSUDSQVDDORDT+VDDuoVGui0tui0（a）ui的波形0uGStUGSQugs(t)（b）uGS的波形0iDtIDQid(t)（c）iD
17、的波形0uo（e）uo的波形tUDSQuds(t)uDS（d）uDS的波形组成放大电路的规则：组成放大电路的规则：1. 场效应管工作在恒流区场效应管工作在恒流区2. 对于对于FET管，输入信号能加在栅源上管，输入信号能加在栅源上3. 放大后的信号电流能传输到负载上放大后的信号电流能传输到负载上3.4 3.4 场效应管放大电路场效应管放大电路3.4.1 3.4.1 3.4.1 3.4.1 场效应管放大电路的组成原理场效应管放大电路的组成原理场效应管放大电路的组成原理场效应管放大电路的组成原理VGGRDVDDUGSVthUGDVthSGD+VDDRDRG2RG1SDGRG1VG =VDDRG2RG
18、2+1. 场效应管工作在恒流区场效应管工作在恒流区+VDDRDC1C2RLRG2+uiRG1SDG+ +耦合电容：耦合电容：电解电容，有极性。数电解电容，有极性。数值一般为值一般为1 F100 F作用：能使交流作用：能使交流信号顺利输入输信号顺利输入输出，同时隔离输出，同时隔离输入输出与电路的入输出与电路的直流联系。直流联系。3. 放大后的信号电流能传输到负载上放大后的信号电流能传输到负载上2. 对于对于FET管，输入信号能加在栅源上管，输入信号能加在栅源上 组成放大电路的基本点：组成放大电路的基本点： 1. 设置合适的直流通路（静态工作点、偏置电路）设置合适的直流通路（静态工作点、偏置电路）
19、 2. 设置合适的交流通路设置合适的交流通路 组成放大电路的核心：组成放大电路的核心： 具有线性（或准线性）控制作用的具有线性（或准线性）控制作用的FET 交流通路：交流通路：只考虑交流信号的分电路只考虑交流信号的分电路直流通路：直流通路：只考虑直流信号的分电路只考虑直流信号的分电路RDC1C2RLRG2+uiRG1SDG+ +uit+VDDuGStuDtiDtuot+ +ui直流通路：直流通路：只考虑直流信号的分电路只考虑直流信号的分电路RDC1C2RLRG2+uiRG1SDG+ + +uo+VDD+VDDRDRG2RG1SDG3.4.2 3.4.2 3.4.2 3.4.2 直流和交流通路直
20、流和交流通路直流和交流通路直流和交流通路输入信号置零，电容开路输入信号置零，电容开路输入信号置零，电容开路输入信号置零，电容开路+-RL/RDRG1/RG2uiuo交流通路：交流通路：只考虑交流信号的分电路只考虑交流信号的分电路共源放大电路，交流通路中源极为公共参考端共源放大电路，交流通路中源极为公共参考端电容短路，直流电源置零电容短路，直流电源置零电容短路，直流电源置零电容短路，直流电源置零RDC1C2RLRG2+uiRG1SDG+ + +uo+VDD共漏放大电路共漏放大电路uoui3.4.3 3.4.3 3.4.3 3.4.3 直流偏置电路与静态工作点的估计直流偏置电路与静态工作点的估计直
21、流偏置电路与静态工作点的估计直流偏置电路与静态工作点的估计静态静态：当信号源当信号源ui=0，管子工作在直流状态，称为静态管子工作在直流状态，称为静态静态时晶体管各极的电压、电流值对应伏安特性曲线上的一点，称为静态工作点静态工作点( (Quiescent Point, Q Point/Operation point，直流通路中求解直流通路中求解Q点）点）偏置电路偏置电路：可以使放大电路获得：可以使放大电路获得静态工作点静态工作点RDRG2RG1SDG+VDDQ点点IDQiDugs(t)uGSidRDRG2RG1SDG+VDD1.1.1.1.估算法求静态工作点估算法求静态工作点估算法求静态工作点
22、估算法求静态工作点RG1UGS =VDDRG2RG2+得到两组解，去掉一组不合理得到两组解，去掉一组不合理得到两组解，去掉一组不合理得到两组解，去掉一组不合理的解的解的解的解UDS =VDD-IDRD分压式自偏压分压式自偏压共源极放大电路共源极放大电路+VDDRDC1C2RLuo RG2RS+CS+uiRG1RGSGDRG1UG =VDDRG2RG2+UGS = UG US =RG1VDDRG2RG2+ID RSID=VGUGSRSUDS = VDD ID ( RD + RS )ID=UGS()VthKn2图解法适用于图解法适用于大信号大信号、纯电阻纯电阻的场合，主的场合，主要用来讨论放大电路
23、的要用来讨论放大电路的非线性失真非线性失真与静态与静态工作点位置的关系工作点位置的关系2.2.2.2.图解法求静态工作点图解法求静态工作点图解法求静态工作点图解法求静态工作点uGSiDIDQRG1UGS =VDDRG2RG2+UGS3.4.4 3.4.4 3.4.4 3.4.4 放大电路的动态分析放大电路的动态分析放大电路的动态分析放大电路的动态分析放大电路有输入信号放大电路有输入信号 (ui 0) 时的工作状态称为时的工作状态称为动态动态动态动态。1. 1. 用图解法进行动态分析步骤：用图解法进行动态分析步骤：用图解法进行动态分析步骤：用图解法进行动态分析步骤：（1）. 画出放大电路的交流通
24、路；画出放大电路的交流通路；（2）. 在输入特性上作图，确定在输入特性上作图，确定uGS和和 iD 的的变化范围；变化范围；（3）. 在输出特性上作直流负载线在输出特性上作直流负载线(放大器输出端开路时放大器输出端开路时) 或交流负载线或交流负载线(放大器输出端接负载时放大器输出端接负载时)，根据，根据 uGS的的 变化范围，确定变化范围，确定 iD 和和 uDS的的变化范围；的的变化范围；（4） 求电压放大倍数求电压放大倍数 。tUGS /V03=uGS = UGSQ +ui=UGSQUim sin t+= 3 + 0.02 sin t (V)ugs +tui /V00.02 0.02 (u
25、gs/V) 直流分量直流分量交流分量交流分量瞬时值瞬时值tuGS/V 023.022.98ugs UGSQ RDT+VDDuoUGSQuiuo = UDSQ +udsUGSQRDT+VDDUDSQIDQudsuiRDTiduds = idRD0uGS/VQ0.30.20.1000.30.20.12.9833.02IDQUGSQttiD /mAiDidui = ugsuGS/ViD /mAiD / mAiD / mA02450.4QQ0.2612N N1MMt000.30.10.30.20.1iDu uds ( (u uo) )39uDS /VuDS /Vt369 交流负载线交流负载线u uds
26、ds= = i id d R RL L根据根据根据根据画出交流负载画出交流负载画出交流负载画出交流负载线线线线UGS=3VA AB BiD / mAiD / mA02450.4QQ0.2612N N1MMt000.30.10.30.20.1idu uds ( (u uo) )39uDS /VuDS /Vt369交流负载线交流负载线无负载无负载 RLUGS=3VRDT+VDDuoUGSQuiRLu udsds= = i id d (R(RD D/R/RL L) )有负载有负载RL（1）Q-点位置高点位置高非线性失真非线性失真非线性失真非线性失真饱和失真饱和失真饱和失真饱和失真iD / mAiD
27、/ mA03V4V 6 V0.20.40.6t00u udsds ( (u uo o) ) UGS=5 VuDS /VuDS /VQu uo o61239N N2VMMiduDS=uGS-VthtA AB BuGS / V0QQidui0tt0iD / mAiD / mAuGS / V（2）Q-点位置低点位置低t1t2t1t20UGS= 2.13560.60.26t000.40.150.15u udsds( (u uo o) )39400.050.05t截止失真截止失真Q iD /mAiD /mAuDS /VuDS/Vi id duo（2）Q点位置低点位置低（3）输入信号幅度过大）输入信号幅度
28、过大tiD / mAiD / mA0346123t00u udsds ( (u uo o) ) 5uDS/VuDS /VQ61239N N2MMu uo oiduDS=uGS-VTN输出信号最大不失真的摆幅输出信号最大不失真的摆幅tiD / mA0346123t05uDS/VuDS /VQ61239N N2MM为保证无截止失真为保证无截止失真uDS=uGS-VTNuDS(sat)=uGS-Vth为保证无饱和失真为保证无饱和失真min IDQRL, UDSQ-uDS(sat)UDSQIDQ输出信号最大不失真的摆幅输出信号最大不失真的摆幅 结论（结论（1）共源组态的输出电压和输入反相）共源组态的输
29、出电压和输入反相 （2）交流信号是迭加在直流上的）交流信号是迭加在直流上的 （3）有合适的工作点）有合适的工作点Q（否则产生非线性失（否则产生非线性失 真：饱和或截止失真）。真：饱和或截止失真）。 （4）在分析时可单独求交流量）在分析时可单独求交流量 图解法的优点：直观，准确图解法的优点：直观，准确缺点：麻烦，不知道每一个管子的曲线缺点：麻烦，不知道每一个管子的曲线2. 2. 用等效电路法进行动态分析用等效电路法进行动态分析用等效电路法进行动态分析用等效电路法进行动态分析UDSuGSuouiuGSuDSui+-（1）（2）将式将式（1）代入式代入式（2），得），得整理整理得得当当（3）则式（则
30、式（3）可以记为）可以记为其中其中记记跨导跨导uGS斜率斜率时间时间时间UGSQidugs如果是JFET或者耗尽型MOS管，可以做类似的分析，得到 Cgsid（Id）GDSugs（Ugs）gmugs（gmUgs）uds（Uds）(a)低频时场效应管的小信号等效电路场效应管的小信号等效电路(b) 高频时IdGDSUgsgmUgsUdsCgdRD DRLRG1UoRG2 GDSRG UgsgmUgs(2) (2) 电压放大倍数电压放大倍数电压放大倍数电压放大倍数UoUiAu=gm（RD/RL）=Ri =RG + RG1 / RG2 (3) (3) 输入电阻输入电阻输入电阻输入电阻(4) (4) 输
31、出电阻输出电阻输出电阻输出电阻Ro = RD Ui2. 动态分析动态分析RsusR1R2RgRRLC2C1+VDD场效应管共漏极放大电路场效应管共漏极放大电路源极输出器的微变等效电路源极输出器的微变等效电路GRLRG1UoRG2 DSRG UgsgmUgsRUiGRG1UoRG2 DRG UgsgmUgsRSUiRL+VDDRsusRG1RG2RGR RLC2C1RG1RG2 GDRG UgsgmUgsRSUi1、电压放大倍数、电压放大倍数2、输入电阻、输入电阻UoAu=gm（R/RL）=1+gm（R/RL）Ui_Ri =RG + RG1 / RG2 UoRLRG1URG2 GDRG UgsgmUgsRSSIIRSI3、输出电阻、输出电阻计算输出电阻的电路计算输出电阻的电路Ro=UI=RS/1gmRsUsRRdRLC1C2场效应管共栅极放大电路场效应管共栅极放大电路
