第08章场效应管及其放大电路PPT讲稿.ppt

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1、第08章场效应管及其放大电路第1页，共55页，编辑于2022年，星期一8 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路8.2 结型场效应管结型场效应管8.1 金属金属-氧化物氧化物-半导体半导体(MOS)场效应管场效应管8.3 场效应管放大电路及模拟集成电路基础场效应管放大电路及模拟集成电路基础8 8 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路8.4 各种放大器件及电路性能比较各种放大器件及电路性能比较第2页，共55页，编辑于2022年，星期一8.1 金属金属-氧化物氧化物-半导体半导体(MOS)场效应管场效应管8.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOS场效应管场效应管 8.1.2 N沟道耗尽型沟道耗

2、尽型MOS场效应管场效应管 8.1.3 P沟道沟道MOS场效应管场效应管 8.1.4 MOS场效应管的主要参数场效应管的主要参数 3第3页，共55页，编辑于2022年，星期一 8.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOS场效应管场效应管8.1 金属金属-氧化物氧化物-半导体半导体(MOS)场效应管场效应管BJT三极管三极管场效应管场效应管电流控制电流型器件电流控制电流型器件电压控制电流型器件电压控制电流型器件双极型器件双极型器件单极型器件单极型器件场效应管按基本结构分类场效应管按基本结构分类:金属一氧化物金属一氧化物-半导体场效应管（半导体场效应管（MOSFET）结型场效应管（结型场效应管（JFE

3、T）N沟道（电子型）沟道（电子型）P沟道（空穴型）沟道（空穴型）增强型增强型 耗尽型耗尽型 重点讨论重点讨论N沟道增强型沟道增强型MOS管管 1.结构结构 2.工作原理工作原理 3.特性曲线与特性方程特性曲线与特性方程 4.沟道长度调制效应沟道长度调制效应4第4页，共55页，编辑于2022年，星期一 1.结构结构 8.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOS场效应管场效应管(a)结构图结构图(b)结构剖面图结构剖面图(c)电路符号电路符号图图8.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET结构及符号结构及符号5第5页，共55页，编辑于2022年，星期一 2.工作原理工作原理 8.1.1 N沟道增强型

4、沟道增强型MOS场效应管场效应管（1）vGS对对iD的控制作用的控制作用 vGS0，没有导电沟道，没有导电沟道 vGSVT时，出现时，出现N型沟道型沟道（2）vDS对对iD的影响的影响 vDS较小时，较小时，iD迅速增大迅速增大 vDS较大出现夹断时，较大出现夹断时，iD趋于饱和趋于饱和 6第6页，共55页，编辑于2022年，星期一 2.工作原理工作原理（1）vGS对对iD的控制作用的控制作用（a）（b）8.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOS场效应管场效应管图图8.1.2 vGS0，没有导电沟道，没有导电沟道 vGSVT时，出现时，出现N型沟道型沟道 在在vGS作用下，产生了一个电场，排斥空

5、穴而作用下，产生了一个电场，排斥空穴而吸引电子。吸引电子。P型衬底中的电子被吸引到栅极下型衬底中的电子被吸引到栅极下的衬底表面。的衬底表面。源区、衬底和漏区之间就形成两个背靠源区、衬底和漏区之间就形成两个背靠背的背的PN结，无论结，无论vDS的极性如何，总有一个的极性如何，总有一个PN结反偏，因此，结反偏，因此，iD0。当正当正vGS到达一定数值到达一定数值(开启电压开启电压)时，这些时，这些电子在栅极附近的电子在栅极附近的P型硅表面便形成了一个型硅表面便形成了一个N型薄层，称之为型薄层，称之为反型层反型层(导电沟道导电沟道)。(增强型增强型)vGS愈大，导电沟道愈厚，沟道电阻的阻愈大，导电沟

6、道愈厚，沟道电阻的阻值将愈小值将愈小(场效应电压控制场效应电压控制)。7第7页，共55页，编辑于2022年，星期一 2.工作原理工作原理 8.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOS场效应管场效应管（d）（c）图图8.1.2 vDS较小时，较小时，iD迅速增大迅速增大 vDS较大出现夹断时，较大出现夹断时，iD趋于饱和趋于饱和（2）vDS对对iD的影响的影响 导电沟道形成后加上导电沟道形成后加上vDS，将产生，将产生iD。在。在vGS和和vDS共共同作用下的综合电位梯度，使得同作用下的综合电位梯度，使得沟道厚度不均匀沟道厚度不均匀，靠，靠近漏极一端的沟道最薄。近漏极一端的沟道最薄。当当vDS较小时

7、，沟道厚度不均匀现象对沟道影响较较小时，沟道厚度不均匀现象对沟道影响较小。小。当当vDS 到使到使vGD=vGS vDS=VT时，漏极一端的沟时，漏极一端的沟道厚度为零，这种情况称为道厚度为零，这种情况称为预夹断预夹断。当当vDS继续继续，使使vGS vDS VT时，形成一夹断区。时，形成一夹断区。vDS 部分主要降落在夹断区，形成较强的电场，部分主要降落在夹断区，形成较强的电场，电子仍能克服夹断区阻力到达漏极。但导电沟电子仍能克服夹断区阻力到达漏极。但导电沟道的电场基本上不随道的电场基本上不随vDS 而而，iD趋于饱和，仅取趋于饱和，仅取决于决于vGS。8第8页，共55页，编辑于2022年，

8、星期一 2.工作原理工作原理 8.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOS场效应管场效应管图图8.1.2 N沟道增强型沟道增强型MOSFET的基本工作原理示意图的基本工作原理示意图 当当vGSVT 时，没有导电沟道，时，没有导电沟道，iD0。当当vGSVT，导电沟道形成，导电沟道形成，iD 0。vDS较小，导电沟道预夹断前，较小，导电沟道预夹断前，iD与与vDS成线性关系。成线性关系。当当vDS 到到预夹断出现后，预夹断出现后，iD趋于饱和。趋于饱和。漏极电流漏极电流iD受栅源电压受栅源电压vGS控制，因此场效应管是电压控制电流器件。控制，因此场效应管是电压控制电流器件。由上述分析可知：由上述分析

9、可知：9第9页，共55页，编辑于2022年，星期一 3.特性曲线与特性方程特性曲线与特性方程 8.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOS场效应管场效应管(1)输出特性及特性方程输出特性及特性方程(2)转移特性转移特性(1)输入特性曲线输入特性曲线(2)输出特性曲线输出特性曲线10第10页，共55页，编辑于2022年，星期一 (1)输出特性及特性方程输出特性及特性方程 3.特性曲线与特性方程特性曲线与特性方程 8.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOS场效应管场效应管图图8.1.3 N沟道增强型沟道增强型MOS管输出特性管输出特性 截止区截止区 可变电阻区可变电阻区 饱和区（恒流区、放大区）饱和区（

10、恒流区、放大区）vGS VT，没有导电沟道，没有导电沟道，iD0。vGSVT，有沟道；但，有沟道；但vDS(vGS VT)，导电沟道，导电沟道未预夹断。未预夹断。漏源之间可以看成受漏源之间可以看成受vGS控制的可变电阻控制的可变电阻 vDS(vGS VT)，导电沟道预夹断后。，导电沟道预夹断后。11第11页，共55页，编辑于2022年，星期一 (2)转移特性转移特性 3.特性曲线与特性方程特性曲线与特性方程 8.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOS场效应管场效应管图图8.1.4 N沟道增强型沟道增强型MOS管转移特性管转移特性图图8.1.3 N沟道增强型沟道增强型MOS管输出特性管输出特性 转

11、移特性可以直接从输出特性上用作图法求出。在饱和区内，不同转移特性可以直接从输出特性上用作图法求出。在饱和区内，不同vDS下的转移特性下的转移特性基本重合。基本重合。12第12页，共55页，编辑于2022年，星期一 4.沟道长度调制效应沟道长度调制效应 8.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOS场效应管场效应管 在理想情况下，当在理想情况下，当MOS场效应管工作在饱和区时，场效应管工作在饱和区时，vDS对对iD的影响可以忽略，输出特的影响可以忽略，输出特性曲线与横坐标轴平行。性曲线与横坐标轴平行。对于典型器件，对于典型器件，的值可近似表示为的值可近似表示为:而实际的输出特性曲线在饱和区会略向上倾斜

12、，即而实际的输出特性曲线在饱和区会略向上倾斜，即vDS增加时，增加时，iD会略有增加。会略有增加。这是因为这是因为vDS对沟道长度对沟道长度L的调制作用，常用沟道长度调制参数的调制作用，常用沟道长度调制参数 对描述输出特性对描述输出特性的公式进行修正。的公式进行修正。电导常数电导常数Kn (单位单位:mA/V2)式中式中:K n称为本征导电因子（通常为常量），称为本征导电因子（通常为常量），n是反型层中电子迁移率，是反型层中电子迁移率，Cox为为氧化层单位面积电容。氧化层单位面积电容。沟道长度沟道长度L（一般为（一般为0.510 m）和宽度）和宽度W（一般为（一般为0.550 m），），13第

13、13页，共55页，编辑于2022年，星期一 8.1.2 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOS场效应管场效应管8.1 金属金属-氧化物氧化物-半导体半导体(MOS)场效应管场效应管(a)结构剖面图结构剖面图图图8.1.5 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET(b)电路符号电路符号1.结构和工作原理简述结构和工作原理简述耗尽型与增强型的区别耗尽型与增强型的区别:生产耗尽型生产耗尽型MOS管时，在管时，在SiO2绝缘层中掺入大量正离绝缘层中掺入大量正离子。在正离子的作用下，即使子。在正离子的作用下，即使vGS=0，也会在，也会在P型衬底上型衬底上感应出电子，形成感应出电子，形成N型沟道，此时只要加上正的型沟道

14、，此时只要加上正的vDS，就会产生电流就会产生电流iD。当当vGS 0时，则沟道变窄，从而使时，则沟道变窄，从而使iD减小。减小。当当vGS 0时，栅极与沟道间的电场将在沟道中时，栅极与沟道间的电场将在沟道中感应出更多的电子，使沟道变宽，沟道电阻减小，感应出更多的电子，使沟道变宽，沟道电阻减小，iD增加。增加。当当vGS0并达到某值时，使感应的电子消失，沟道完并达到某值时，使感应的电子消失，沟道完全被夹断。这时即使加正向全被夹断。这时即使加正向vDS，也不会有电流，也不会有电流iD。此时的栅源电压称为此时的栅源电压称为夹断电压夹断电压Vp。14第14页，共55页，编辑于2022年，星期一 8.

15、1.2 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOS场效应管场效应管8.1 金属金属-氧化物氧化物-半导体半导体(MOS)场效应管场效应管2.特性曲线与特性方程特性曲线与特性方程图图8.1.6 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管特性曲线管特性曲线(a)输出特性曲线输出特性曲线(b)转移特性转移特性 截止区截止区 可变电阻区可变电阻区 饱和区（恒流区、放大区）饱和区（恒流区、放大区）vGSVP，iD=0vGSVP，0vDSvGS VP vGSVP，vDSvGS VP 考虑沟道长度调制效应，则考虑沟道长度调制效应，则 15第15页，共55页，编辑于2022年，星期一 8.1.3 P沟道沟道MOS场效应管场效应管8.1

16、 金属金属-氧化物氧化物-半导体半导体(MOS)场效应管场效应管 P沟道沟道MOS管是在管是在N型衬底表面生成型衬底表面生成P型反型层作为沟道。型反型层作为沟道。P沟道沟道MOS管与管与N沟道沟道MOS管的结构和工作原理类似，并且也有增强型和耗尽型两种。管的结构和工作原理类似，并且也有增强型和耗尽型两种。使用时，使用时，vGS、vDS的极性与的极性与N沟道沟道MOS管相反。管相反。P沟道增强型沟道增强型MOS管的开启电压管的开启电压VT是负值，而是负值，而P沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管的夹断电压管的夹断电压VP为正值。为正值。P沟道增强型沟道增强型MOSFETN沟道增强型沟道增强型MOSFET

17、P沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFETN沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET16第16页，共55页，编辑于2022年，星期一 8.1.4 MOS场效应管的主要参数场效应管的主要参数8.1 金属金属-氧化物氧化物-半导体半导体(MOS)场效应管场效应管一、直流参数一、直流参数 二、交流参数二、交流参数三、极限参数三、极限参数1.开启电压开启电压VT2.夹断电压夹断电压VP3.饱和漏电流饱和漏电流IDSS4.直流输入电阻直流输入电阻RGS1.低频跨导低频跨导gm2.输出电阻输出电阻rds 3.极间电容极间电容Cgs、Cgd 1.最大漏极电流最大漏极电流IDM2.最大耗散功率最大耗散功率PDM3.最大漏源电

18、压最大漏源电压V(BR)DS4.最大栅源电压最大栅源电压V(BR)GS17第17页，共55页，编辑于2022年，星期一 一、直流参数一、直流参数 8.1.4 MOS场效应管的主要参数场效应管的主要参数8.1 金属金属-氧化物氧化物-半导体半导体(MOS)场效应管场效应管1.开启电压开启电压VT2.夹断电压夹断电压VP3.饱和漏电流饱和漏电流IDSS4.直流输入电阻直流输入电阻RGS VT是增强型是增强型MOS管的参数。当管的参数。当vDS为某一固定值（例如为某一固定值（例如10V），使），使iD等于一个微小的等于一个微小的电流（例如电流（例如50 A）时，栅源之间所加的电压。）时，栅源之间所加

19、的电压。VP是耗尽型是耗尽型MOS管的参数。令管的参数。令vDS为某一固定值（例如为某一固定值（例如10V），使），使iD等于一个微小的电流等于一个微小的电流（例如（例如20 A）时，栅源之间所加的电压。）时，栅源之间所加的电压。IDSS是耗尽型是耗尽型FET的参数。在的参数。在vGS=0的条件下，产生预夹断时的漏极电流。的条件下，产生预夹断时的漏极电流。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就是直流输入电阻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就是直流输入电阻RGS。MOS管的管的RGS可达可达109 1015。18第18页，共55页，编辑于2022年

20、，星期一 二、交流参数二、交流参数 8.1.4 MOS场效应管的主要参数场效应管的主要参数8.1 金属金属-氧化物氧化物-半导体半导体(MOS)场效应管场效应管1.低频跨导低频跨导gm3.极间电容极间电容Cgs、Cgd 2.输出电阻输出电阻rds Cgs是栅源极间电容，约为是栅源极间电容，约为13pF，Cgd是栅漏极间电容，约为是栅漏极间电容，约为0.11pF。在低频情况下，。在低频情况下，它们的影响可以忽略，但在高频工作时，必须予以考虑。它们的影响可以忽略，但在高频工作时，必须予以考虑。是输出特性某一点上切线斜率的倒数，说明是输出特性某一点上切线斜率的倒数，说明vDS对对iD的影响。在饱和区

21、内，的影响。在饱和区内，iD几乎不随几乎不随vDS而变化，故而变化，故rds。考虑沟道调制效应。考虑沟道调制效应(增强型增强型MOS)，有有 它是转移特性上工作点的切线的斜率，反映了栅源电压对漏极电流的控制能力。它是转移特性上工作点的切线的斜率，反映了栅源电压对漏极电流的控制能力。gm随工作随工作点的不同而变，一般在十分之几至几点的不同而变，一般在十分之几至几mS的范围内，特殊的可达的范围内，特殊的可达100mS，甚至更高。，甚至更高。19第19页，共55页，编辑于2022年，星期一 三、极限参数三、极限参数 8.1.4 MOS场效应管的主要参数场效应管的主要参数8.1 金属金属-氧化物氧化物

22、-半导体半导体(MOS)场效应管场效应管1.最大漏极电流最大漏极电流IDM2.最大耗散功率最大耗散功率PDM3.最大漏源电压最大漏源电压V(BR)DS4.最大栅源电压最大栅源电压V(BR)GS 是指栅源间的是指栅源间的PN结发生反向击穿，反向电流开始急剧增加时的结发生反向击穿，反向电流开始急剧增加时的vGS值。值。是指发生雪崩击穿、是指发生雪崩击穿、iD开始急剧上升时的开始急剧上升时的vDS值。值。PDvDSiD，这些耗散功率将变为热能，使管子的温度升高。为了限制它的温度不要升得太高，这些耗散功率将变为热能，使管子的温度升高。为了限制它的温度不要升得太高，就要限制它的耗散功率不能超过最大数值就

23、要限制它的耗散功率不能超过最大数值PDM。显然，。显然，PDM受管子最高工作温度的限制。受管子最高工作温度的限制。IDM是管子正常工作时允许的最大漏极电流。是管子正常工作时允许的最大漏极电流。20第20页，共55页，编辑于2022年，星期一8.2 结型场效应管结型场效应管8.2.1 结型场效应管的结构和工作原理结型场效应管的结构和工作原理 8.2.2 结型场效应管的特性曲线及参数结型场效应管的特性曲线及参数 21第21页，共55页，编辑于2022年，星期一 8.2.1 结型场效应管的结构和工作原理结型场效应管的结构和工作原理8.2 结型场效应管结型场效应管1.结构结构图图8.2.1 N沟道结型

24、场效应管沟道结型场效应管(a)结构剖面图结构剖面图(b)结构示意图结构示意图(b)符号符号导电沟道22第22页，共55页，编辑于2022年，星期一 8.2.1 结型场效应管的结构和工作原理结型场效应管的结构和工作原理8.2 结型场效应管结型场效应管2.工作原理工作原理(a)vGS0 (b)VPvGS0时时 (c)vGSVP时时图图8.2.2 vDS0时，栅源电压时，栅源电压vGS改变对导电沟道的影响改变对导电沟道的影响(1)vGS对导电沟道及对导电沟道及iD的控制作用的控制作用 当当vGS 0时，在反偏电压时，在反偏电压vGS作用下，两个作用下，两个PN结的耗尽层将加宽。由于结的耗尽层将加宽。

25、由于P区，区，所以耗尽层主要向沟道扩展，使导电沟道变窄，沟道电阻增大。所以耗尽层主要向沟道扩展，使导电沟道变窄，沟道电阻增大。当当|vGS|进一步进一步 到到|VP|时，两侧耗尽层在中间合扰，沟道全部被夹断，此时漏时，两侧耗尽层在中间合扰，沟道全部被夹断，此时漏-源极间的电源极间的电阻将趋于无穷大。相应的栅源电压称为阻将趋于无穷大。相应的栅源电压称为夹断电压夹断电压VP。23第23页，共55页，编辑于2022年，星期一 (2)vDS对对iD的影响的影响(a)vDSvGS VP时的情况时的情况 (b)vDS=vGS VP时的情况时的情况(c)vDSvGS VP时的情况时的情况图图8.2.3 vG

26、S为固定值时，为固定值时，vDS对对iD的影响的影响 8.2.1 结型场效应管的结构和工作原理结型场效应管的结构和工作原理8.2 结型场效应管结型场效应管2.工作原理工作原理 当当vDS 0时，则时，则iD 0，在沟道内产生电位梯度。使栅极与沟道之间的电位差不相等，导，在沟道内产生电位梯度。使栅极与沟道之间的电位差不相等，导电沟道呈电沟道呈楔形楔形。故。故vDS，靠近漏极的导电沟道变窄，沟道电阻增加。，靠近漏极的导电沟道变窄，沟道电阻增加。在在vDS较小时，阻碍的因素是次要的，较小时，阻碍的因素是次要的，iD将随将随vDS 几乎成正比地增加几乎成正比地增加(可变电阻可变电阻)当当vDS=vGS

27、 VP(vGDvGSvDSVP)时，靠近漏极的耗尽层在时，靠近漏极的耗尽层在A点相遇点相遇(预夹断预夹断)若若vDS继续继续，夹断区加长。，夹断区加长。vDS增加部分主要降落在夹断区，形成较强的电场，将电子拉增加部分主要降落在夹断区，形成较强的电场，将电子拉过夹断区形成过夹断区形成iD。沟道内电场基本上不随。沟道内电场基本上不随vDS而变化，所以而变化，所以iD趋于饱和。趋于饱和。24第24页，共55页，编辑于2022年，星期一 8.2.2 结型场效应管的特性曲线及参数结型场效应管的特性曲线及参数8.2 结型场效应管结型场效应管图图8.2.4 N沟道结型场效应管的输出特性沟道结型场效应管的输出

28、特性 图图8.2.5 N沟道结型场效应管的转移特性沟道结型场效应管的转移特性25第25页，共55页，编辑于2022年，星期一8.3 场效应管放大电路及模拟集成电路基础场效应管放大电路及模拟集成电路基础8.3.1 场效应管放大电路的静态分析场效应管放大电路的静态分析 8.3.2 场效应管的微变等效电路场效应管的微变等效电路 8.3.3 场效应管电流源场效应管电流源 8.3.4 场效应管差分放大电路场效应管差分放大电路 26第26页，共55页，编辑于2022年，星期一 8.3.1 场效应管放大电路的静态分析场效应管放大电路的静态分析8.3 场效应管放大电路及模拟集成电路基础场效应管放大电路及模拟集

29、成电路基础1.直流偏置电路直流偏置电路（b）分压式自偏压电路）分压式自偏压电路（a）自偏压电路）自偏压电路 图图8.3.1 场效应管的两种偏置电路场效应管的两种偏置电路27第27页，共55页，编辑于2022年，星期一 8.3.1 场效应管放大电路的静态分析场效应管放大电路的静态分析8.3 场效应管放大电路及模拟集成电路基础场效应管放大电路及模拟集成电路基础2.静态工作点的确定静态工作点的确定公式估算法公式估算法 公式估算法确定静态工作点公式估算法确定静态工作点(VGSQ、IDQ和和VDSQ)：图解法图解法与半导体三极管放大电路类似与半导体三极管放大电路类似 转移特性方程转移特性方程G、S偏置方

30、程偏置方程沟道所在回路沟道所在回路KVL方程方程耗尽耗尽MOS管管结型场效应管结型场效应管增强增强MOS管管分压式分压式自偏压电路自偏压电路自偏压电路自偏压电路 对于对于N沟道增强型场效应管，如果计算出的沟道增强型场效应管，如果计算出的VDSQVGSQ VT，说明该场效应，说明该场效应管工作在饱和区。管工作在饱和区。28第28页，共55页，编辑于2022年，星期一例例8.3.1解解:电路如图电路如图8.3.1b所示，已知所示，已知Rg1=300k，Rg2=200k，Rd=5k，R=0，VDD=5V，VT=1V，Kn=0.5mA/V2，试计算电路的静态，试计算电路的静态工作点的值。工作点的值。图

31、图8.3.1（b）由于由于VDSQ(VGSQ VT)=(2 1)V=1V，说明该场效应管确实工作在饱和区，上面的，说明该场效应管确实工作在饱和区，上面的分析是正确的。分析是正确的。如果初始假设被证明是错误的，则必须重新假设，并重新分析电路。如果初始假设被证明是错误的，则必须重新假设，并重新分析电路。设设N沟道增强型沟道增强型MOS管工作在饱和区管工作在饱和区 29第29页，共55页，编辑于2022年，星期一 8.3.2 场效应管的微变等效电路场效应管的微变等效电路8.3 场效应管放大电路及模拟集成电路基础场效应管放大电路及模拟集成电路基础(a)N沟道增强型沟道增强型MOS管管(b)交流等效模型

32、交流等效模型图图8.3.2 MOS管的低频小信号等效模型管的低频小信号等效模型(a)共射极连接时的二端口网络共射极连接时的二端口网络 (b)H参数等效模型参数等效模型图图3.3.9 三极管三极管H参数及等效模型参数及等效模型30第30页，共55页，编辑于2022年，星期一 1.场效应管的低频小信号等效模型场效应管的低频小信号等效模型 8.3.2 场效应管的微变等效电路场效应管的微变等效电路(a)N沟道增强型沟道增强型MOS管管(b)交流等效模型交流等效模型图图8.3.2 MOS管的低频小信号等效模型管的低频小信号等效模型 为低频跨导为低频跨导 rds为场效应管的输出电阻为场效应管的输出电阻 输

33、入端口输入端口 输出端口输出端口 由于由于iG=0，可视为开路，可视为开路 31第31页，共55页，编辑于2022年，星期一 2.场效应管的高频小信号等效模型场效应管的高频小信号等效模型 8.3.2 场效应管的微变等效电路场效应管的微变等效电路图图8.3.3 场效应管的高频小信号模型场效应管的高频小信号模型(a)N沟道增强型沟道增强型MOS管管(b)交流等效模型交流等效模型图图8.3.2 MOS管的低频小信号等效模型管的低频小信号等效模型 图中图中:Cgd 栅漏电容栅漏电容Cgs 栅源电容栅源电容Cgb 栅极栅极-衬底间电容衬底间电容Cds 漏源电容漏源电容 如果源极与衬底没有相连，则还需考虑

34、如果源极与衬底没有相连，则还需考虑Cbs和和Cbd。32第32页，共55页，编辑于2022年，星期一 3.场效应管放大电路的微变等效电路分析场效应管放大电路的微变等效电路分析 8.3.2 场效应管的微变等效电路场效应管的微变等效电路(1)画放大电路的微变等效电路画放大电路的微变等效电路(2)确定确定H参数参数(3)计算电压增益计算电压增益(4)计算输入电阻计算输入电阻Ri(5)计算输出电阻计算输出电阻Ro 用微变等效电路法分析共源极和共漏极电路的步骤与半导体三极管电路相同。用微变等效电路法分析共源极和共漏极电路的步骤与半导体三极管电路相同。对于共栅极电路，由于未能有效利用栅极与沟道间的高阻，所

35、以很少应用。对于共栅极电路，由于未能有效利用栅极与沟道间的高阻，所以很少应用。分析步骤分析步骤:33第33页，共55页，编辑于2022年，星期一 (1)共源极放大电路的动态分析共源极放大电路的动态分析 8.3.2 场效应管的微变等效电路场效应管的微变等效电路图图8.3.4 图图8.3.1b共源极电路共源极电路的微变等效电路的微变等效电路图图8.3.1(b)3.场效应管放大电路的微变等效电路分析场效应管放大电路的微变等效电路分析 输入电阻输入电阻 输出电阻输出电阻 电压增益电压增益 共源极电路的特点是：共源极电路的特点是：电路具有电压放大作用，并且输出电压电路具有电压放大作用，并且输出电压与输入

36、电压相位相反；输入电阻高。与输入电压相位相反；输入电阻高。34第34页，共55页，编辑于2022年，星期一 电路如图电路如图8.3.1b所示，已知所示，已知VDD=5V，Rd=5k，R=0，Rg1=300k，Rg2=200k，RL=5k，场效应管的参数为，场效应管的参数为VT=1V，Kn=0.5mA/V2，rds可以视为无穷大，试确定电路的电压增益、输入电阻和输出电阻。可以视为无穷大，试确定电路的电压增益、输入电阻和输出电阻。Ro=Rd=5k 电压增益电压增益 输入电阻输入电阻 输出电阻输出电阻 例例8.3.2解：解：为计算为计算gm，首先要求静态值。，首先要求静态值。该题与例该题与例8.3.

37、1电路及参数相同，已求得电路及参数相同，已求得VGSQ=2V，所以有，所以有图图8.3.4 图图8.3.1b共源极电路共源极电路的微变等效电路的微变等效电路图图8.3.1(b)35第35页，共55页，编辑于2022年，星期一图图8.3.5 例例8.3.3电路电路共源极电路如图共源极电路如图8.3.5所示，已知所示，已知VDD=5V，Rd=2.5k，VGSQ=2V，场效，场效应管的参数为应管的参数为VT=1V，Kn=0.8mA/V2，。当当MOS管工作于饱和区，试确定电路的电压增益、输入电阻和输管工作于饱和区，试确定电路的电压增益、输入电阻和输出电阻。出电阻。求静态值求静态值 例例8.3.3解：

38、解：求跨导和输出电阻求跨导和输出电阻 求电压增益、输入电阻和输出电阻求电压增益、输入电阻和输出电阻电压增益为电压增益为 输入电阻输入电阻 Ro=rds/Rd 2.4 k 输出电阻输出电阻36第36页，共55页，编辑于2022年，星期一 (2)共漏极放大电路的动态分析共漏极放大电路的动态分析 8.3.2 场效应管的微变等效电路场效应管的微变等效电路 3.场效应管放大电路的微变等效电路分析场效应管放大电路的微变等效电路分析 输入电阻输入电阻 输出电阻输出电阻 电压增益电压增益 共源极电路的特点是：共源极电路的特点是：又称为源极跟随器，与射极跟随器一样，又称为源极跟随器，与射极跟随器一样，其电压增益

39、小于其电压增益小于1，但接近于，但接近于1，输出电压，输出电压与输入电压同相位。输入电阻大，输出电阻与输入电压同相位。输入电阻大，输出电阻小。小。(b)微变等效电路微变等效电路图图8.3.6 共漏极电路共漏极电路(a)电路电路37第37页，共55页，编辑于2022年，星期一图图8.3.7 求共漏极放大电路求共漏极放大电路Ro的电路的电路输出电阻的证明输出电阻的证明(b)微变等效电路微变等效电路图图8.3.6 共漏极电路共漏极电路 (2)共漏极放大电路的动态分析共漏极放大电路的动态分析 8.3.2 场效应管的微变等效电路场效应管的微变等效电路 3.场效应管放大电路的微变等效电路分析场效应管放大电

40、路的微变等效电路分析 由由S点点KCL有有 38第38页，共55页，编辑于2022年，星期一例例8.3.4 共漏极电路如图共漏极电路如图8.3.8所示，其中场效应管为所示，其中场效应管为N沟道结型沟道结型 场效应管。已知场效应管。已知Rg1=2M，Rg2=47k，Rg3=10M，Rd=30k，R=2k，VDD=18V，场效应管的，场效应管的VP=1V，Kn=0.5mA/V2，且，且=0。试确定试确定Q点，并计算电压增益、输入电阻和输出电阻。点，并计算电压增益、输入电阻和输出电阻。图图8.3.8 例例8.3.4电路电路解：解：首先计算首先计算Q点点 VGSQ=0.4 2IDQ 设场效应管工作在饱

41、和区设场效应管工作在饱和区 求跨导求跨导gm和场效应管输出电阻和场效应管输出电阻rds因因 IDSS=0.5mA，所以，所以IDQ=0.31mA。VGSQ=0.22V，VDSQ=VDD IDQ(Rd+R)=8.1V。由于由于=0，所以，所以rds可视为无穷大可视为无穷大 39第39页，共55页，编辑于2022年，星期一例例8.3.4 共漏极电路如图共漏极电路如图8.3.8所示，其中场效应管为所示，其中场效应管为N沟道结型沟道结型 场效应管。已知场效应管。已知Rg1=2M，Rg2=47k，Rg3=10M，Rd=30k，R=2k，VDD=18V，场效应管的，场效应管的VP=1V，Kn=0.5mA/

42、V2，且，且=0。试确定试确定Q点，并计算电压增益、输入电阻和输出电阻。点，并计算电压增益、输入电阻和输出电阻。图图8.3.8 例例8.3.4电路电路解：解：计算电压增益、输入电阻计算电压增益、输入电阻 和输出电阻和输出电阻40第40页，共55页，编辑于2022年，星期一 4.场效应管三种放大电路的性能比较场效应管三种放大电路的性能比较共源极电路共源极电路共漏极电阻共漏极电阻共栅极电路共栅极电路电压增益高电压增益高输出电压与输入电压反相输出电压与输入电压反相输入电阻大输入电阻大电压增益小于电压增益小于1但接近但接近1输出、输入电压同相输出、输入电压同相输入电阻高输入电阻高,输出电阻低输出电阻低

43、电压增益高电压增益高输出、输入电压同相输出、输入电压同相输入电阻小输入电阻小41第41页，共55页，编辑于2022年，星期一 8.3.3 场效应管电流源场效应管电流源8.3 场效应管放大电路及模拟集成电路基础场效应管放大电路及模拟集成电路基础图图8.3.9 MOS管基本电流源管基本电流源 与半导体三极管镜像电流源结构相同。与半导体三极管镜像电流源结构相同。T1、T2是是N 沟道沟道增强型增强型MOS对管，对管，由于由于T1管的漏极与栅极相连，只要管的漏极与栅极相连，只要VDDVT，则，则T1工作工作在饱和区，并使在饱和区，并使T2管的管的VDS2VGS2 VT，保证，保证T2工作在饱和区。工作

44、在饱和区。如果不考虑沟道调制效应，则：如果不考虑沟道调制效应，则：若两管的参数完全相同，若两管的参数完全相同，若两管的宽长比不同时，若两管的宽长比不同时，由于由于所以动态输出电阻所以动态输出电阻 Ro=rds2 求电路的动态输出电阻：求电路的动态输出电阻：1.场效应管镜像电流源场效应管镜像电流源 42第42页，共55页，编辑于2022年，星期一 1.场效应管镜像电流源场效应管镜像电流源 8.3.3 场效应管电流源场效应管电流源8.3 场效应管放大电路及模拟集成电路基础场效应管放大电路及模拟集成电路基础图图8.3.9 MOS管管基本电流源基本电流源图图8.3.10 用有源电阻用有源电阻构成构成M

45、OS管电流源管电流源在集成电路中，通常电阻在集成电路中，通常电阻R是用有源电阻代替的，如图是用有源电阻代替的，如图8.3.10所示，则所示，则 合理设计合理设计T1、T3管的宽长比，就可管的宽长比，就可以得到符合要求的参考电流以得到符合要求的参考电流IREF。43第43页，共55页，编辑于2022年，星期一 2.场效应管多路电流源场效应管多路电流源 8.3.3 场效应管电流源场效应管电流源8.3 场效应管放大电路及模拟集成电路基础场效应管放大电路及模拟集成电路基础 将图将图8.3.10所示的镜像电流源进行扩展，可以得到图所示的镜像电流源进行扩展，可以得到图8.3.11所示的多路电流源。所示的多

46、路电流源。T0 T4的开启电压均相等的情况下，则有的开启电压均相等的情况下，则有图图8.3.10 用有源电阻用有源电阻构成构成MOS管电流源管电流源图图8.3.11 MOS管多路电流源管多路电流源44第44页，共55页，编辑于2022年，星期一 3.电流源为有源负载的场效应管放大电路电流源为有源负载的场效应管放大电路 8.3.3 场效应管电流源场效应管电流源8.3 场效应管放大电路及模拟集成电路基础场效应管放大电路及模拟集成电路基础图图8.3.9 MOS管管基本电流源基本电流源图图8.3.12 有源负载有源负载共源极放大电路共源极放大电路 T1为放大管，由为放大管，由N沟道增强型沟道增强型MO

47、S管构成，管构成，T2、T3为为P沟道增强型沟道增强型MOS管组成的管组成的镜像电流源，作镜像电流源，作T1的有源负载，恒流源符号所代表的可以是图的有源负载，恒流源符号所代表的可以是图8.3.9中的电阻中的电阻R，也可，也可以是图以是图8.3.10中的中的MOS管管T3等。等。当宽长比相同时，有当宽长比相同时，有ID2=IREF空载时空载时T1管的静态漏极电流管的静态漏极电流 ID1=ID2=IREF 与漏极接电阻的放大电路相比，有源与漏极接电阻的放大电路相比，有源负载共源极电压增益将大大提高。负载共源极电压增益将大大提高。45第45页，共55页，编辑于2022年，星期一 8.3.4 场效应管

48、差分放大电路场效应管差分放大电路8.3 场效应管放大电路及模拟集成电路基础场效应管放大电路及模拟集成电路基础 从前面介绍的差分放大电路已知，由半导体三极管构成的差分放大电路从前面介绍的差分放大电路已知，由半导体三极管构成的差分放大电路对共模信号有很好的抑制能力，但差模输入电阻较低。因此，在高输入阻对共模信号有很好的抑制能力，但差模输入电阻较低。因此，在高输入阻抗模拟集成电路中，常利用场效应管的输入电阻大、输入电流小等优点，抗模拟集成电路中，常利用场效应管的输入电阻大、输入电流小等优点，组成差分放大电路。组成差分放大电路。图图8.3.13 结型场效应管结型场效应管差分放大电路差分放大电路图图4.

49、3.12 具有电流源的具有电流源的差分放大电路差分放大电路46第46页，共55页，编辑于2022年，星期一 1.结型场效应管差分放大电路结型场效应管差分放大电路8.3 场效应管放大电路及模拟集成电路基础场效应管放大电路及模拟集成电路基础 8.3.4 场效应管差分放大电路场效应管差分放大电路图图8.3.13 结型场效应管结型场效应管差分放大电路差分放大电路 场效应管差分放大电路的电路结构、工作原理和分析方法与三极管差分放大电路场效应管差分放大电路的电路结构、工作原理和分析方法与三极管差分放大电路基本相同。基本相同。双端输入、双端输出时双端输入、双端输出时双端输入、单端输出时双端输入、单端输出时4

50、7第47页，共55页，编辑于2022年，星期一 2.MOS管差分放大电路管差分放大电路 8.3.4 场效应管差分放大电路场效应管差分放大电路图图8.3.14 MOS管差分放大电路管差分放大电路 图中图中:T1、T2为为N沟道增强型沟道增强型MOS管作为差分放大管管作为差分放大管;T3、T4管为管为P沟道增强型沟道增强型MOS管构成有源电阻管构成有源电阻;因此该电路又称为因此该电路又称为互补互补MOS，即，即CMOS差分放大电路。差分放大电路。Io是电流源是电流源(交流内阻为交流内阻为ro)。为。为T1、T2管提管提供偏置电流。供偏置电流。为简便起见，设为简便起见，设T1T4管特性相同，管特性相