康华光电子技术基础ch04.pptx

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1、电子技术电子技术基础模拟部分基础模拟部分1 1 绪论2 2 运算放大器3 3 二极管及其基本电路4 4 场效应三极管及其放大电路5 5 双极结型三极管及其放大电路6 6 频率响应7 7 模拟集成电路8 8 反馈放大电路9 9 功率放大电路10 10 信号处理与信号产生电路11 11 直流稳压电源第1页/共106页4 4 场效应三极管及放大场效应三极管及放大电路电路4.1 4.1 金属金属-氧化物氧化物-半导体（半导体（MOSMOS）场效应三极）场效应三极管管4.2 MOSFET4.2 MOSFET基本共源极放大电路基本共源极放大电路4.3 4.3 图解分析法图解分析法4.4 4.4 小信号模型

2、分析法小信号模型分析法4.5 4.5 共漏极和共栅极放大电路共漏极和共栅极放大电路4.6 4.6 集成电路单级集成电路单级MOSFETMOSFET放大电路放大电路4.7 4.7 多级放大电路多级放大电路4.8 4.8 结型场效应管（结型场效应管（JFETJFET）及其放大电路）及其放大电路*4.9 4.9 砷化镓金属砷化镓金属-半导体场效应管半导体场效应管4.10 4.10 各种各种FETFET的特性及使用注意事项的特性及使用注意事项第2页/共106页场效应管的分类：场效应管的分类：P P沟道沟道耗尽型耗尽型P P沟道沟道P P沟道沟道N N沟道沟道增强型增强型N N沟道沟道N N沟道沟道（耗

3、尽型）（耗尽型）FETFET场效应管场效应管JFETJFET结型结型MOSFETMOSFET绝缘栅型绝缘栅型(IGFET)(IGFET)耗尽型耗尽型：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在增强型增强型：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道第3页/共106页4.1 金属金属-氧化物氧化物-半导体半导体（MOS）场效应）场效应三极管三极管4.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET4.1.2 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET4.1.3 P沟道沟道MOSFET4.1.4 沟道长度调制等几种效应沟道长度调制等

4、几种效应4.1.5 MOSFET的主要参数的主要参数第4页/共106页4.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET1.1.结构结构L：沟道长度：沟道长度W：沟道宽度：沟道宽度tox：绝缘层厚度：绝缘层厚度通常通常 W L 第5页/共106页4.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET剖面图剖面图符号符号1.1.结构结构第6页/共106页4.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSFET（1）VGS对沟道的控制作用对沟道的控制作用当当V VGSGS00时时 无导电沟道，无导电沟道，d、s间加间加电压时，也无电流产生。电压时，也无电流产生。当当0 0 V VGS GS V VTN TN 时时 在电

5、场作用下产生导电沟在电场作用下产生导电沟道，道，d、s间加电压后，将有间加电压后，将有电流产生。电流产生。V VGSGS越大，导电沟道越厚越大，导电沟道越厚 V V V VTN TN TN TN 称为称为称为称为N N N N沟道增强型沟道增强型沟道增强型沟道增强型MOSFETMOSFETMOSFETMOSFET开启电压开启电压开启电压开启电压（1）VGS对沟道的控制作用对沟道的控制作用2.2.工作原理工作原理 必须依靠栅极外加电压才能产生反必须依靠栅极外加电压才能产生反型层的型层的MOSFET称为增强型器件称为增强型器件第8页/共106页2.2.工作原理工作原理（2）VDS对沟道的控制作用对

6、沟道的控制作用靠近漏极靠近漏极d d处的电位升高处的电位升高电场强度减小电场强度减小 沟道变薄沟道变薄当当V VGSGS一定（一定（V VGS GS V VTN TN）时，）时，V VDSDS I ID D 沟道电位梯度沟道电位梯度 整个沟道呈整个沟道呈楔形分布楔形分布第9页/共106页 当当V VDSDS增加到使增加到使V VGDGD=V VTN TN 时，时，在紧靠漏极处出现预夹断。在紧靠漏极处出现预夹断。在预夹断处：在预夹断处：V VGDGD=V VGSGS-V VDS DS=V VTNTN（2）VDS对沟道的控制作用对沟道的控制作用当当V VGSGS一定（一定（V VGS GS V V

7、TN TN）时，）时，V VDSDS I ID D 沟道电位梯度沟道电位梯度 2.2.工作原理工作原理第10页/共106页预夹断后，预夹断后，V VDSDS 夹断区延长夹断区延长沟道电阻沟道电阻 I ID D基本不变基本不变（2）VDS对沟道的控制作用对沟道的控制作用2.2.工作原理工作原理第11页/共106页（3）VDS和和VGS同时作用时同时作用时 V VDSDS一定，一定，V VGSGS变化时变化时 给定一个给定一个vGS GS，就有一，就有一条不同的条不同的 iD D vDS DS 曲线。曲线。2.2.工作原理工作原理第12页/共106页以上分析可知以上分析可知沟道中只有一种类型的载流

8、子参与导电，所以场效应管也称沟道中只有一种类型的载流子参与导电，所以场效应管也称为单极型三极管为单极型三极管。MOSFET是电压控制电流器件（是电压控制电流器件（VCCS），），iD受受vGS控制。控制。预夹断前预夹断前iD与与vDS呈近似线性关系；预夹断后，呈近似线性关系；预夹断后，iD趋于饱和。趋于饱和。MOSFET的栅极是绝缘的，所以的栅极是绝缘的，所以iG 0，输入电阻很高。，输入电阻很高。只有当只有当vGSVTN时，增强型时，增强型MOSFET的的d、s间才能导通。间才能导通。第13页/共106页3.3.I-VI-V 特性曲线及大信号特性方程特性曲线及大信号特性方程（1）输出特性及大

9、信号特性方程）输出特性及大信号特性方程 截止区截止区当当vGSVTN时时，导导电电沟沟道道尚尚未未形形成成，iD0，为为截截止工作状态。止工作状态。第14页/共106页 可变电阻区可变电阻区 vDS V VTNTN ，且，且vDSDS（vGSGSV VTNTN）是是vGSGS2 2V VTNTN时的时的iD D I I-V V 特性：特性：（1）输出特性及大信号特性方程）输出特性及大信号特性方程 必必须须让让FET工工作作在在饱饱和和区区（放大区）才有放大作用。（放大区）才有放大作用。3.3.I-VI-V 特性曲线及大信号特性方程特性曲线及大信号特性方程第17页/共106页（2）转移特性）转移

10、特性#为什么不谈输入特性？为什么不谈输入特性？ABCD在饱和区，在饱和区，iD受受vGS控制控制3.3.I-VI-V 特性曲线及大信号特性方程特性曲线及大信号特性方程第18页/共106页4.1.2 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET1.1.结构和工作原理结构和工作原理二氧化硅绝缘层中掺有大量的正离子，已存在导电沟道二氧化硅绝缘层中掺有大量的正离子，已存在导电沟道 可以在正或负的栅源电压下工作，而且基本上无栅流可以在正或负的栅源电压下工作，而且基本上无栅流第19页/共106页4.1.2 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET（N N沟道增强型）沟道增强型）IDSS 2.2.I-VI-V 特性曲线及大

11、信号特性方程特性曲线及大信号特性方程第20页/共106页4.1.3 P沟道沟道MOSFET#衬底是什么类型的半导体材料？衬底是什么类型的半导体材料？#哪个符号是增强型的？哪个符号是增强型的？#在增强型的在增强型的P沟道沟道MOSFET 中，中，vGS应加什么极性的电压才应加什么极性的电压才能工作在饱和区（线性放大区）？能工作在饱和区（线性放大区）？第21页/共106页4.1.3 P沟道沟道MOSFET#是增强型还是耗尽型特性曲线？是增强型还是耗尽型特性曲线？#耗尽型特性曲线是怎样的？耗尽型特性曲线是怎样的？vGS加什么极性的电压能使管子加什么极性的电压能使管子工作在饱和区（线性放大区）？工作在

12、饱和区（线性放大区）？电流均以流入漏极的方向为正！电流均以流入漏极的方向为正！第22页/共106页4.1.4 沟道长度调制等几种效应沟道长度调制等几种效应实际上饱和区的曲线并不是平坦的（实际上饱和区的曲线并不是平坦的（N N沟道为例）沟道为例）L的单位为的单位为 m当不考虑沟道调制效应时，当不考虑沟道调制效应时，0 0，曲线是平坦的。，曲线是平坦的。修正后修正后VA称为厄雷（称为厄雷（Early）电压）电压1.1.沟道长度调制效应沟道长度调制效应第23页/共106页4.1.4 沟道长度调制等几种效应沟道长度调制等几种效应 衬底未与源极并接时，衬底与源极间的偏压衬底未与源极并接时，衬底与源极间的

13、偏压vBS将影响实际的开将影响实际的开启（夹断）电压和转移特性。启（夹断）电压和转移特性。VTNO表示表示vBS=0时时的开启电压的开启电压2.2.衬底调制效应（体效应）衬底调制效应（体效应）N N沟道增强型沟道增强型对耗尽型器件的夹断电压有类似的影响对耗尽型器件的夹断电压有类似的影响第24页/共106页4.1.4 沟道长度调制等几种效应沟道长度调制等几种效应2.2.衬底调制效应（体效应）衬底调制效应（体效应）通常，通常，N沟道器件的衬底接电路的最低电位，沟道器件的衬底接电路的最低电位，P沟道器件的衬沟道器件的衬底接电路的最高电位。底接电路的最高电位。为保证为保证导电沟道与衬底之导电沟道与衬底

14、之间的间的PN结反结反偏偏，要求：要求：N沟道沟道:vBS 0 P沟道沟道:vBS 0第25页/共106页4.1.4 沟道长度调制等几种效应沟道长度调制等几种效应3.3.温度效应温度效应 VTN和电导常数和电导常数Kn随温度升高而下降，且随温度升高而下降，且Kn受温度的受温度的影响大于影响大于VTN受温度的影响受温度的影响。当温度升高时，对于给定的当温度升高时，对于给定的VGS，总的效果是漏极电，总的效果是漏极电流减小。流减小。可变电阻区可变电阻区 饱和区饱和区第26页/共106页4.1.4 沟道长度调制等几种效应沟道长度调制等几种效应4.4.击穿效应击穿效应（1）漏衬击穿）漏衬击穿 外加的漏

15、源电压过高，将外加的漏源电压过高，将导致漏极到衬底的导致漏极到衬底的PN结击穿。结击穿。若绝缘层厚度若绝缘层厚度tox=50 纳米纳米时，时，只要约只要约30V的栅极电压就的栅极电压就可将可将绝缘层绝缘层击穿，若取安全系击穿，若取安全系数为数为3，则最大栅极安全电压，则最大栅极安全电压只有只有10V。（2 2）栅极击穿）栅极击穿 通常在通常在MOS管的栅源间接管的栅源间接入双向稳压管入双向稳压管，限制栅极电压限制栅极电压以保护器件。以保护器件。第27页/共106页4.1.5 MOSFET的主要参数的主要参数一、直流参数一、直流参数1.开启电压开启电压VT（增强型参数）（增强型参数）2.夹断电压

16、夹断电压VP（耗尽型参数）（耗尽型参数）第28页/共106页4.1.5 MOSFET的主要参数的主要参数一、直流参数一、直流参数3.饱和漏电流饱和漏电流IDSS（耗尽型参数）（耗尽型参数）4.直流输入电阻直流输入电阻RGS（1091015）第29页/共106页4.1.5 MOSFET的主要参数的主要参数所以所以1.输出电阻输出电阻rds 当不考虑沟道调制效应时，当不考虑沟道调制效应时，0 0，rdsds 实际中实际中，rds一般在几十千欧到几百千欧之间一般在几十千欧到几百千欧之间。二、交流参数二、交流参数 对于增强型对于增强型NMOS管管有有第30页/共106页4.1.5 MOSFET的主要参

17、数的主要参数2.2.低频互导低频互导gm 二、交流参数二、交流参数 则则其中其中又因为又因为 所以所以 NMOSNMOS增强型增强型第31页/共106页4.1.5 MOSFET的主要参数的主要参数三、极限参数三、极限参数 1.最大漏极电流最大漏极电流IDM 2.最大耗散功率最大耗散功率PDM 3.最大漏源电压最大漏源电压V（BR）DS 4.最大栅源电压最大栅源电压V（BR）GS 第32页/共106页4.2 MOSFET基本共源极放大电路基本共源极放大电路4.2.1 基本共源极放大电路的组成基本共源极放大电路的组成4.2.2 基本共源放大电路的工作原理基本共源放大电路的工作原理4.2.3 放大电

18、路的习惯画法和主要分析放大电路的习惯画法和主要分析法法第33页/共106页4.2.1 基本共源极放大电路的组成基本共源极放大电路的组成1.1.如何让如何让MOS管工作在饱和区？管工作在饱和区？元件作用元件作用VGG：提供栅源电压使提供栅源电压使 vGS VTNVDD和和Rd：提供合适的漏源电压，使提供合适的漏源电压，使 vDS vGS-VTNRd 还兼有将电流转换成电压的作用还兼有将电流转换成电压的作用（VGG vi）通常称通常称VGG和和VDD为三极管的工作电源，为三极管的工作电源，vi为信号。为信号。第34页/共106页4.2.1 基本共源极放大电路的组成基本共源极放大电路的组成2.2.信

19、号如何通过信号如何通过MOS管传递？管传递？vi 信号由栅源回路输入、漏信号由栅源回路输入、漏源回路输出，即源极是公共端，源回路输出，即源极是公共端，所以称此电路为所以称此电路为共源电路共源电路。也可看作信号由栅极输入、也可看作信号由栅极输入、漏极输出。漏极输出。vGS iD vDS (=vo)饱和区饱和区由由MOS管的控管的控制关系决定制关系决定由由 可获得信号电压增益可获得信号电压增益 （VGG vi）第35页/共106页4.2.2 基本共源放大电路的工作原理基本共源放大电路的工作原理1.1.放大电路的静态和动态放大电路的静态和动态 静态：静态：输入信号为零（输入信号为零（vi=0 或或

20、ii=0）时，放大电路的）时，放大电路的工作状态，也称工作状态，也称直流工作状态直流工作状态。动态：动态：输入信号不为零时，放大电路的工作状态，也输入信号不为零时，放大电路的工作状态，也称称交流工作状态交流工作状态。此时，此时，FET的直流量的直流量ID、VGS、VDS，在输出特性曲线，在输出特性曲线上表示为一个确定的点，习惯上称该点为静态工作点上表示为一个确定的点，习惯上称该点为静态工作点Q。常将上述三个电量写成常将上述三个电量写成IDQ、VGSQ和和VDSQ。第36页/共106页4.2.2 基本共源放大电路的工作原理基本共源放大电路的工作原理2.2.放大电路的直流通路和交流通路放大电路的直

21、流通路和交流通路仅有直流电流流经的通路为直流通路仅有直流电流流经的通路为直流通路第37页/共106页4.2.2 基本共源放大电路的工作原理基本共源放大电路的工作原理2.2.放大电路的直流通路和交流通路放大电路的直流通路和交流通路直直流流电电压压源源内内阻阻为为零零，交交流流电电流流流流经经直直流流电电压压源源时时不产生任何交流压降，不产生任何交流压降，故故直流电压源对交流相当于短路直流电压源对交流相当于短路仅有直流电流流经的通路为直流通路仅有直流电流流经的通路为直流通路第38页/共106页4.2.2 基本共源放大电路的工作原理基本共源放大电路的工作原理2.2.放大电路的直流通路和交流通路放大电

22、路的直流通路和交流通路仅有交流电流流经的通路为交流通路仅有交流电流流经的通路为交流通路直流电压源对交流相当于短路直流电压源对交流相当于短路第39页/共106页4.2.2 基本共源放大电路的工作原理基本共源放大电路的工作原理3.3.放大电路的静态工作点估算放大电路的静态工作点估算直流通路直流通路假设假设NMOS管工作于饱和区，则管工作于饱和区，则VGSQ=VGGVDSQ=VDD-IDQ Rd 当已知当已知VGG、VDD、VTN、Kn、和、和Rd 时，便可求得时，便可求得Q点（点（VGSQ、IDQ、VDSQ）。必须检验是否满足饱和区工作条件：）。必须检验是否满足饱和区工作条件：VDSQ VGSQ-

23、VTN 0。若不满足，则说明工作在可变电阻区，此时漏极电流为若不满足，则说明工作在可变电阻区，此时漏极电流为注意：电路结构不同，除注意：电路结构不同，除FET特性方程外，其它电路方程将有差别特性方程外，其它电路方程将有差别第40页/共106页例例4.2.1假设假设NMOS管工作于饱和区，根据管工作于饱和区，根据VGSQ=VGGVDSQ=VDD-IDQ Rd已知已知VGG=2V，VDD=5V，VTN=1V，Kn=0.2mA/V2，Rd=12k，求，求Q点。点。求得：求得：VGSQ=2V，IDQ=0.2mA，VDSQ=2.6V满足饱和区工作条件：满足饱和区工作条件：VDSQ VGSQ-VTN 0，

24、结果即为所求。，结果即为所求。解：解：第41页/共106页4.2.2 基本共源放大电路的工作原理基本共源放大电路的工作原理3.3.放大电路的静态工作点估算放大电路的静态工作点估算饱和区的条件：饱和区的条件：VGSQ VTN,IDQ 0，VDSQ VGSQ-VTN 增强型增强型NMOS管管假设假设NMOS管工作于饱和区，利用管工作于饱和区，利用计算计算Q点。点。若：若：VGSQ VTN,NMOS管截止。管截止。若：若：VDSQ VGSQ-VTN，NMOS管可能工作在可变电阻区。管可能工作在可变电阻区。如果初始假设是错误的，则必须作出新的假设，同时重新分析电路。如果初始假设是错误的，则必须作出新的

25、假设，同时重新分析电路。#请归纳其它管型静态工作点的计算方法请归纳其它管型静态工作点的计算方法第42页/共106页4.2.2 基本共源放大电路的工作原理基本共源放大电路的工作原理4.4.放大电路的动态工作情况放大电路的动态工作情况在静态基础上加入小信号在静态基础上加入小信号vi此时电路中的总电压和电流为此时电路中的总电压和电流为vGS=VGSQ+vi iD=IDQ+idvDS=vDSQ+vds 其中其中id和和vds为为交流量交流量vDS=VDD-iDRd 第43页/共106页4.2.3 放大电路的习惯画法和主要分析法放大电路的习惯画法和主要分析法 省略工作电源的直流电压符号，仅保留电压源非接

26、省略工作电源的直流电压符号，仅保留电压源非接“地地”端子，并标注电压源名称。端子，并标注电压源名称。习惯画法习惯画法1.1.习惯画法习惯画法第44页/共106页4.2.3 放大电路的习惯画法和主要分析法放大电路的习惯画法和主要分析法1.1.习惯画法习惯画法第45页/共106页4.2.3 放大电路的习惯画法和主要分析法放大电路的习惯画法和主要分析法2.2.主要分析法主要分析法图解法图解法小信号模型分析法小信号模型分析法第46页/共106页4.3 图解分析法图解分析法4.3.1 用图解方法确定静态工作点用图解方法确定静态工作点Q4.3.2 动态工作情况的图解分析动态工作情况的图解分析4.3.3 图

27、解分析法的适用范围图解分析法的适用范围第47页/共106页4.3.1 用图解方法确定静态工作点用图解方法确定静态工作点Q 采用图解法分析静态工作点，必须已知采用图解法分析静态工作点，必须已知FET的输出特性的输出特性曲线。曲线。静态：静态：vi=0 输入回路输入回路vGS=VGG=VGSQ 输出回路输出回路vDS=VDDiDRd （直流负载线）（直流负载线）输出回路左侧的输出回路左侧的FET端口可用输出特性曲线描述端口可用输出特性曲线描述 共源放大电路共源放大电路第48页/共106页4.3.1 用图解方法确定静态工作点用图解方法确定静态工作点Q得到静态工作点：得到静态工作点：VGSQ、IDQ、

28、VDSQvGS=VGG=VGSQ 共源放大电路共源放大电路直流负载线直流负载线:vDS=VDDiDRd 第49页/共106页4.3.2 动态工作情况的图解分析动态工作情况的图解分析 共源放大电路共源放大电路vGS=VGSQ+vi 工作点沿负载线移动工作点沿负载线移动1.1.正常工作情况正常工作情况第50页/共106页4.3.2 动态工作情况的图解分析动态工作情况的图解分析图解分析可得如下结论：图解分析可得如下结论：1.vi vGS iD vDS|vds(vo)|(vi正半周时正半周时)2.vds与与vi相位相反；相位相反；3.可以测量出放大电路的可以测量出放大电路的电压放大倍数；电压放大倍数；

29、4.可以确定最大不失真输可以确定最大不失真输出幅度出幅度。#动态工作时，动态工作时，动态工作时，动态工作时，i iD D的的的的实际电流方向是否改变，实际电流方向是否改变，实际电流方向是否改变，实际电流方向是否改变，v vGSGS、v vDSDS的实际电压极性的实际电压极性的实际电压极性的实际电压极性是否改变？是否改变？是否改变？是否改变？1.1.正常工作情况正常工作情况第51页/共106页4.3.2 动态工作情况的图解分析动态工作情况的图解分析2.2.静态工作点对波形失真的影响静态工作点对波形失真的影响截止失真截止失真（NMOS）第52页/共106页4.3.2 动态工作情况的图解分析动态工作

30、情况的图解分析饱和失真饱和失真（NMOS）2.2.静态工作点对波形失真的影响静态工作点对波形失真的影响第53页/共106页4.3.3 图解分析法的适用范围图解分析法的适用范围幅度较大而工作频率不太高的情况幅度较大而工作频率不太高的情况优点：优点：直观、形象。有助于建立和理解交、直流共存，静态和直观、形象。有助于建立和理解交、直流共存，静态和动态等重要概念；有助于理解正确选择电路参数、合理设置动态等重要概念；有助于理解正确选择电路参数、合理设置静态工作点的重要性。能全面地分析放大电路的静态、动态静态工作点的重要性。能全面地分析放大电路的静态、动态工作情况。工作情况。缺点：缺点：不能分析工作频率较

31、高时的电路工作状态，也不能用来不能分析工作频率较高时的电路工作状态，也不能用来分析放大电路的输入电阻、输出电阻等动态性能指标。分析放大电路的输入电阻、输出电阻等动态性能指标。第54页/共106页4.4 小信号模型分析法小信号模型分析法4.4.1 MOSFET的小信号模型的小信号模型4.4.2 用小信号模型分析共源放大电路用小信号模型分析共源放大电路4.4.3 带源极电阻的共源极放大电路分带源极电阻的共源极放大电路分析析4.4.4 小信号模型分析法的适用范围小信号模型分析法的适用范围第55页/共106页4.4 小信号模型分析法小信号模型分析法建立小信号模型的意义建立小信号模型的意义建立小信号模型

32、的思路建立小信号模型的思路 当放大电路的输入信号幅值较小时，就可以把三极当放大电路的输入信号幅值较小时，就可以把三极管小范围内的特性曲线近似地用直线来代替，从而可以管小范围内的特性曲线近似地用直线来代替，从而可以把三极管这个非线性器件所组成的电路当作线性电路来把三极管这个非线性器件所组成的电路当作线性电路来处理。处理。由于场效应管是非线性器件，所以分析起来非常复由于场效应管是非线性器件，所以分析起来非常复杂。建立小信号模型，就是在特定条件下将非线性器件杂。建立小信号模型，就是在特定条件下将非线性器件做线性化近似处理，从而简化由其构成的放大电路的分做线性化近似处理，从而简化由其构成的放大电路的分

33、析和设计。析和设计。第56页/共106页4.4.1 MOSFET的小信号模型的小信号模型1.1.=0=0时时在饱和区内有在饱和区内有（以增强型（以增强型NMOS管为例）管为例）FET双口网络双口网络静态值静态值（直流）（直流）动态值动态值（交流）（交流）非线性失非线性失真项真项 当当，vgs 2(VGSQ-VTN)时，时，其中其中第57页/共106页4.4.1 MOSFET的小信号模型的小信号模型FET双口网络双口网络纯交流纯交流电路模型电路模型1.1.=0=0时时 gmvgs 是受控源是受控源，且为电，且为电压控制电流源压控制电流源(VCCS)。电流方向与电流方向与vgs的极性是关的极性是关

34、联的。联的。第58页/共106页4.4.1 MOSFET的小信号模型的小信号模型FET双口网络双口网络d、s端口看入有一电阻端口看入有一电阻rds电路模型电路模型2.2.0 0时时第59页/共106页4.4.1 MOSFET的小信号模型的小信号模型gm 低频互导低频互导 转移特性曲线转移特性曲线Q点上点上切线的斜率切线的斜率3.3.参数的物理意义参数的物理意义第60页/共106页4.4.1 MOSFET的小信号模型的小信号模型3.3.参数的物理意义参数的物理意义rds 输出电阻输出电阻 输出特性曲线输出特性曲线Q点上切线斜率的倒数点上切线斜率的倒数第61页/共106页4.4.1 MOSFET的

35、小信号模型的小信号模型4.4.模型应用的前提条件模型应用的前提条件 =0=0 0 0 参数都是小信号参数，即微变参数或交参数都是小信号参数，即微变参数或交流参数。流参数。与静态工作点有关，在放大区基本不变。与静态工作点有关，在放大区基本不变。只适合对交流信号（变化量）的分析。只适合对交流信号（变化量）的分析。未包含结电容的影响，不能用于分析高未包含结电容的影响，不能用于分析高频情况。频情况。vgs rds 为便于分析，先考虑为便于分析，先考虑 0时的情况时的情况所以当所以当=0时，时，当当 0时，若时，若rds Rd，则第76页/共106页4.4.4 小信号模型分析法的适用范围小信号模型分析法

36、的适用范围 放大电路的输入信号幅度较小，放大电路的输入信号幅度较小，FET工作在其工作在其I-V 特性特性曲线的饱和区（即近似线性范围）内。模型参数的值是在静曲线的饱和区（即近似线性范围）内。模型参数的值是在静态工作点上求得的。所以，放大电路的动态性能与静态工作态工作点上求得的。所以，放大电路的动态性能与静态工作点位置及稳定性密切相关。点位置及稳定性密切相关。优点优点：分析放大电路的动态性能指标分析放大电路的动态性能指标(Av、Ri和和Ro等等)非常方便，非常方便，且适用于频率较高时（用高频模型）的分析。且适用于频率较高时（用高频模型）的分析。缺点缺点：在放大电路的小信号等效电路中，电压、电流

37、等电量及在放大电路的小信号等效电路中，电压、电流等电量及模型参数均是针对变化量模型参数均是针对变化量(交流量交流量)而言的，不能用来分析计而言的，不能用来分析计算静态工作点。算静态工作点。第77页/共106页4.5 共漏极和共栅极放大电路共漏极和共栅极放大电路4.5.1 共共漏极（源极跟随器）放大电路漏极（源极跟随器）放大电路4.5.2 共共栅极放大电路栅极放大电路4.5.3 MOSFET放大电路三种组态的总放大电路三种组态的总结和结和比较比较第78页/共106页4.5.1 共漏极（源极跟随器）放大电路共漏极（源极跟随器）放大电路1.静态分析静态分析设设MOSMOS管工作于饱和区管工作于饱和区

38、需验证是否工作在饱和区需验证是否工作在饱和区第79页/共106页4.5.1 共漏极（源极跟随器）放大电路共漏极（源极跟随器）放大电路2.动态分析动态分析根据静态工作点可求得根据静态工作点可求得 gm小信号等效电路小信号等效电路电压增益电压增益输出与输入同相，且增益小于等于输出与输入同相，且增益小于等于1 1第80页/共106页4.5.1 共漏极（源极跟随器）放大电路共漏极（源极跟随器）放大电路2.动态分析动态分析源电压增益源电压增益输入电阻输入电阻 vs viRi Rsi g Rg1Rg2 gmvgs Rs rds d vo vgs s 第81页/共106页4.5.1 共漏极（源极跟随器）放大

39、电路共漏极（源极跟随器）放大电路2.动态分析动态分析输出电阻输出电阻输出电阻较小输出电阻较小Rsi Rg1|Rg2 g it vt gmvgs Rs rds d vgs s 第82页/共106页4.5.2 共栅极放大电路共栅极放大电路1.静态分析静态分析根据直流通路有根据直流通路有由由可得可得 VGSQ又又 VS=-VGSQ所以所以VDSQ=VD-VS =VDD-IDQ Rd+VGSQ需验证是否工作在饱和区需验证是否工作在饱和区第83页/共106页4.5.2 共栅极放大电路共栅极放大电路2.动态分析动态分析电压增益电压增益输出与输入同相输出与输入同相设设=0=0源电压增益源电压增益第84页/共

40、106页4.5.2 共栅极放大电路共栅极放大电路2.动态分析动态分析输入电阻输入电阻与共源电路同相与共源电路同相输出电阻输出电阻输入电阻远小于其它两种组态输入电阻远小于其它两种组态当当rds Rd 和和 rds Rsi时时Ro Rd第85页/共106页4.5.3 MOSFET放大电路三种组态的总结和比较放大电路三种组态的总结和比较1.三种组态的判断三种组态的判断栅极始终不能做输出电极栅极始终不能做输出电极第86页/共106页4.5.3 MOSFET放大电路三种组态的总结和比较放大电路三种组态的总结和比较2.三种组态的动态指标比较三种组态的动态指标比较共源共源共漏共漏共栅共栅电压增益电压增益输入

41、电阻输入电阻输出电阻输出电阻很高很高很高很高Ro RdRo Rd第87页/共106页4.8 结型场效应管结型场效应管（JFET）及其放大电路）及其放大电路4.8.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理4.8.2 JFET的特性曲线及参数的特性曲线及参数 4.8.3 JFET放大电路的小信号模型放大电路的小信号模型分析法分析法 第88页/共106页4.8.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理1.结构结构#符号中的箭头方向表示什么？符号中的箭头方向表示什么？第89页/共106页4.8.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理2.工作原理工作原理 vGS对沟道的控制作用对沟道的控制

42、作用当当vGS0时时（以（以N N沟道沟道JFETJFET为例）为例）当沟道夹断时，对应的栅源当沟道夹断时，对应的栅源电压电压vGS称为称为夹断电压夹断电压VP（或或VGS(off)）。）。对于对于N沟道的沟道的JFET，VP 0。PN结反偏结反偏耗尽层加厚耗尽层加厚沟道变窄。沟道变窄。vGS继续减小，沟道继续继续减小，沟道继续变窄。变窄。第90页/共106页4.8.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理 vDS对沟道的控制作用对沟道的控制作用当当vGSGS=0=0时，时，vDS iD g g、d d间间PNPN结的反向电结的反向电压增加，使靠近漏极处的压增加，使靠近漏极处的耗尽层加宽，

43、沟道变窄，耗尽层加宽，沟道变窄，从上至下呈楔形分布。从上至下呈楔形分布。当当vDSDS增加到使增加到使vGDGD=V VP P 时，在紧靠漏极处出现预时，在紧靠漏极处出现预夹断。夹断。此时此时vDS 夹断区延长夹断区延长沟道电阻沟道电阻 iD基本不变基本不变2.工作原理工作原理（以（以N N沟道沟道JFETJFET为例）为例）第91页/共106页4.8.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理 vGS和和vDS同时作用时同时作用时当当VP vGS0 时，导电沟道更容易夹断，时，导电沟道更容易夹断，对于同样的对于同样的vDS，iD的值比的值比vGS=0时的值要小。时的值要小。在预夹断处在预夹

44、断处vGD=vGS-vDS=VP 2.工作原理工作原理（以（以N N沟道沟道JFETJFET为例）为例）第92页/共106页综上分析可知综上分析可知JFET是电压控制电流器件，是电压控制电流器件，iD受受vGS控制。控制。预夹断前预夹断前iD与与vDS呈近似线性关系；预夹断后，呈近似线性关系；预夹断后，iD趋于饱趋于饱和。和。#为什么为什么JFETJFET的输入电阻比的输入电阻比BJTBJT高得多？高得多？JFET栅极与沟道间的栅极与沟道间的PN结是反向偏置的，因此结是反向偏置的，因此iG 0，输，输入电阻很高。入电阻很高。第93页/共106页4.8.2 JFET的特性曲线及参数的特性曲线及参

45、数2.转移特性转移特性 1.输出特性输出特性 (VPvGS0)第94页/共106页4.8.2 JFET的特性曲线及参数的特性曲线及参数与与MOSFET类似类似3.主要参数主要参数第95页/共106页4.8.3 JFET放大电路的小信号模型分析法放大电路的小信号模型分析法1.JFET小信号模型小信号模型第96页/共106页4.8.3 JFET放大电路的小信号模型分析法放大电路的小信号模型分析法2.应用小信号模型法分析应用小信号模型法分析JFET放大电路放大电路（1）静态工作点）静态工作点与与MOSFET类似类似第97页/共106页4.8.3 JFET放大电路的小信号模型分析法放大电路的小信号模型

46、分析法2.应用小信号模型法分析应用小信号模型法分析JFET放大电路放大电路（2）动态指标）动态指标第98页/共106页4.8.3 JFET放大电路的小信号模型分析法放大电路的小信号模型分析法电压增益电压增益忽略忽略 rds 由输入输出回路得由输入输出回路得则则2.应用小信号模型法分析应用小信号模型法分析JFET放大电路放大电路（2）动态指标）动态指标第99页/共106页4.8.3 JFET放大电路的小信号模型分析法放大电路的小信号模型分析法输入电阻输入电阻2.应用小信号模型法分析应用小信号模型法分析JFET放大电路放大电路（2）动态指标）动态指标输出电阻输出电阻第100页/共106页*4.9

47、砷化镓金属砷化镓金属-半导体场效应管半导体场效应管 砷化镓（砷化镓（GaAs）是由）是由族元素镓和族元素镓和族元素砷二者族元素砷二者组成的单晶化合物，是一种新型半导体材料。组成的单晶化合物，是一种新型半导体材料。GaAs的电子迁移率比硅约大的电子迁移率比硅约大510倍，比硅器件转倍，比硅器件转换速度快很多。换速度快很多。高速砷化镓三极管广泛用于微波电路、高频放大和高速砷化镓三极管广泛用于微波电路、高频放大和高速数字逻辑器件中。高速数字逻辑器件中。第101页/共106页4.10 各种各种FET的特性及使用注意事的特性及使用注意事项项1.各种各种FET的特性比较的特性比较2.使用注意事项使用注意事

48、项第102页/共106页1.各种各种FET的特性比较的特性比较见表见表4.10.1第103页/共106页第104页/共106页2.使用注意事项使用注意事项（1）在）在MOS管中，有的产品将衬底引出（这种管子有四个管脚）管中，有的产品将衬底引出（这种管子有四个管脚），使用者可视需要进行连接。一般，使用者可视需要进行连接。一般P衬底接低电位，衬底接低电位，N衬底接高衬底接高电位。也可将源极与衬底连在一起。电位。也可将源极与衬底连在一起。（2）FET（包括结型和（包括结型和MOS型）的漏极和源极通常可以互换。但型）的漏极和源极通常可以互换。但有些产品出厂时已将源极与衬底连在一起，这时源极与漏极就不有些产品出厂时已将源极与衬底连在一起，这时源极与漏极就不能互换了。能互换了。（3）JFET的栅源电压不能接反，但可以在开路状态下保存。早期的栅源电压不能接反，但可以在开路状态下保存。早期的的MOSFET栅极无电荷释放通路，很容易累积感应电荷而产生栅极无电荷释放通路，很容易累积感应电荷而产生高压，导致极薄的绝缘层击穿损坏管子。现在的高压，导致极薄的绝缘层击穿损坏管子。现在的MOSFET产品产品已采取了措施（栅已采取了措施（栅-源间连有两只背靠背的稳压二极管），不再源间连有两只背靠背的稳压二极管），不再出现早期的问题。出现早期的问题。end第105页/共106页