模拟电子学基础PPT学习教案.pptx

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1、会计学 1模拟(mn)电子学基础第一页，共69页。场效应管 场效应管(FET)(FET)是一种利用电场效应来控制其电流大小 是一种利用电场效应来控制其电流大小(dxio)(dxio)的半导体器件，具有体积小、重量轻、耗电省、寿命长等特点。的半导体器件，具有体积小、重量轻、耗电省、寿命长等特点。场效应管 场效应管(FET)(FET)的分类 的分类(fn li)(fn li)：按基本 按基本(jbn)(jbn)结构分 结构分金属 金属-氧化物 氧化物-半导体场效应管 半导体场效应管(MOSFET)(MOSFET)结型场效应管 结型场效应管(JFET)(JFET)增强型 增强型 耗尽型 耗尽型N N

2、沟道 沟道 P P沟道 沟道 N N沟道 沟道 P P沟道 沟道N N沟道 沟道 P P沟道 沟道第1页/共69页第二页，共69页。5.1 金属(jnsh)-氧化物-半导体（MOS）场效应管5.1.1 N 5.1.1 N 沟道 沟道(u do)(u do)增强型 增强型MOSFET MOSFET5.1.5 MOSFET5.1.5 MOSFET的主要参数的主要参数5.1.2 N5.1.2 N沟道沟道(u do)(u do)耗尽型耗尽型MOSFETMOSFET5.1.3 P5.1.3 P沟道沟道MOSFETMOSFET5.1.4 5.1.4 沟道长度调制效应沟道长度调制效应第2页/共69页第三页，

3、共69页。5.1.1 N 5.1.1 N沟道 沟道(u do)(u do)增强型 增强型MOSFET MOSFET1.1.结构 结构(jigu)(N(jigu)(N沟道增强型 沟道增强型)图 图5.1.1a 5.1.1a所示为 所示为 N N沟道 沟道(u do)(u do)增强型 增强型 MOSFET MOSFET的结构。的结构。L L：沟道长度：沟道长度 W W：沟道宽度：沟道宽度 t t ox ox：绝缘层厚度：绝缘层厚度衬底为低掺杂、电阻率较高的 衬底为低掺杂、电阻率较高的 P P型硅半导体 型硅半导体用扩散法在 用扩散法在P P型硅上形成两个高掺杂的 型硅上形成两个高掺杂的N N+区

4、 区在 在P P型硅上再形成一层 型硅上再形成一层S S i i O O 2 2绝缘薄层 绝缘薄层在绝缘层上安置一铝电极 在绝缘层上安置一铝电极 栅极 栅极g g在两个 在两个 N N+区上安置铝电极 区上安置铝电极 源极 源极 s s和漏极 和漏极 d d通常 通常 W W L L栅极与源极和漏极均无电接触，故称为 栅极与源极和漏极均无电接触，故称为 绝缘栅极 绝缘栅极。第3页/共69页第四页，共69页。图 图5.1.1b 5.1.1b和 和c c分别 分别(fnbi)(fnbi)为 为N N沟道增强型 沟道增强型 MOSFET MOSFET的简图和代表符号。的简图和代表符号。简图 简图(纵

5、剖面图 纵剖面图)电路符号 电路符号箭头方向代表 箭头方向代表P(P(衬底 衬底)指向 指向(zh xin)N(zh xin)N(沟道 沟道)垂直 垂直(chuzh)(chuzh)短划线代表沟道，表示未加适当栅压前漏源间无导电沟道。短划线代表沟道，表示未加适当栅压前漏源间无导电沟道。第4页/共69页第五页，共69页。2.2.工作 工作(gngzu)(gngzu)原理 原理(1)vGS=0(1)vGS=0，没有导电，没有导电(dodin)(dodin)沟道 沟道在图 在图5.1.2a 5.1.2a中，中，vGS=0(vGS=0(即栅源极短接 即栅源极短接)，此时，此时(c sh)(c sh)源区

6、、漏区和衬底形成两个背靠背的 源区、漏区和衬底形成两个背靠背的PN PN结。结。此时，无论 此时，无论v v DS DS的极性，这两个 的极性，这两个PN PN结中总有一个处于反偏状态。结中总有一个处于反偏状态。当 当源极 源极 s s与 与衬底 衬底 B B相连并结电源 相连并结电源 V V DD DD的负极，的负极，漏极 漏极d d接 接V V DD DD的正极时，漏极和衬底间的 的正极时，漏极和衬底间的PN PN结为反偏，从而漏区和源区间的电阻阻值很大 结为反偏，从而漏区和源区间的电阻阻值很大(可高达 可高达10 1012 12 数量级 数量级)，因此漏源区间的沟道为非导电沟道，即，因此

7、漏源区间的沟道为非导电沟道，即i i D D=0=0。V VDD DD第5页/共69页第六页，共69页。(2)vGSVT(2)vGSVT，出现，出现(chxin)N(chxin)N型导电沟道 型导电沟道在图 在图 5.1.2b 5.1.2b中，当 中，当 vDS=0 vDS=0，若在栅极，若在栅极 g g和源极 和源极 s s间加上正向 间加上正向(zhn xin)(zhn xin)电压 电压 VGG VGG，则形成以栅极和，则形成以栅极和 P P型硅衬底为两极，型硅衬底为两极，SiO2 SiO2绝缘层为中间介质的平板电容器。绝缘层为中间介质的平板电容器。从而形成一个垂直于半导体表面，由栅极

8、从而形成一个垂直于半导体表面，由栅极 g g指向 指向(zh xin)P(zh xin)P型衬底的强电场 型衬底的强电场(由于绝缘层很薄 由于绝缘层很薄)。由于该电场的方向是排斥空穴，吸引电子，而 由于该电场的方向是排斥空穴，吸引电子，而P P型衬底中多数载流子为空穴，因而衬底中接近 型衬底中多数载流子为空穴，因而衬底中接近栅极 栅极g g的空穴被排斥，衬底中的电子被吸引到 的空穴被排斥，衬底中的电子被吸引到 栅极 栅极g g附近，从而在 附近，从而在栅极 栅极g g附近形成耗尽层。附近形成耗尽层。这样当 这样当v v GS GS达到一定数值时，就在栅极 达到一定数值时，就在栅极g g附近的

9、附近的P P型衬底表面形成一个以电子为多子的 型衬底表面形成一个以电子为多子的 N N型薄层 型薄层反型层 反型层反型层实际上组成了一个 反型层实际上组成了一个源极 源极s s和 和漏极 漏极d d间的 间的N N型导电沟道，由于它是由 型导电沟道，由于它是由v v GS GS感应产生的，又被称为 感应产生的，又被称为感生沟道 感生沟道。显然 显然v v GS GS 反型层 反型层厚度 厚度 感生沟道电阻值 感生沟道电阻值 第6页/共69页第七页，共69页。因此，感生沟道的出现 因此，感生沟道的出现(chxin)(chxin)，实际上将原来被，实际上将原来被P P型衬底隔开的源区和漏区连通，一

10、旦 型衬底隔开的源区和漏区连通，一旦vDS0 vDS0，则将有漏极电流，则将有漏极电流iD iD产生。产生。这种在 这种在vGS=0 vGS=0时无导电沟道，而必须依靠 时无导电沟道，而必须依靠vGS vGS的作用才能形成 的作用才能形成(xngchng)(xngchng)感生沟道的 感生沟道的FET FET称为 称为增强型 增强型FET FET开启 开启(kiq)(kiq)电压 电压VT VT：是指在漏源电压 是指在漏源电压v v DS DS作用下开始导电时的栅源电压 作用下开始导电时的栅源电压v v GS GS。显然，当 显然，当v v GS GS V V T T时：时：外加较小 外加较小

11、v v DS DS时，漏极电流 时，漏极电流 i i D D将随 将随v v DS DS的上升迅速增大；的上升迅速增大；随着 随着v v DS DS的上升，由于感生沟道内存在电位梯度，造成沟道厚度并不均匀：的上升，由于感生沟道内存在电位梯度，造成沟道厚度并不均匀：源极 源极 s s 漏极 漏极d d厚度 厚度 第7页/共69页第八页，共69页。当 当vDS vDS增大到一定程度 增大到一定程度(vGD=vGS(vGD=vGS vDS=VT)vDS=VT)时，靠近漏极 时，靠近漏极 d d的反型层消失，的反型层消失，vDS vDS继续 继续(jx)(jx)增大将形成夹断区，夹断点向源极 增大将形

12、成夹断区，夹断点向源极 s s方向移动。方向移动。如图 如图 5.1.2d 5.1.2d所示。所示。注意 注意(zh y)(zh y)：虽然沟道 虽然沟道(u do)(u do)出现夹断，但夹断区 出现夹断，但夹断区(反型层消失后的耗尽区 反型层消失后的耗尽区)内仍可有电流通过，只有将沟道 内仍可有电流通过，只有将沟道(u do)(u do)全部夹断，才能使 全部夹断，才能使iD=0 iD=0。由于当 由于当v v DS DS继续增加，夹断点向源极 继续增加，夹断点向源极s s方向移动，因此夹断区增大，从而导电沟道电阻增大，因而 方向移动，因此夹断区增大，从而导电沟道电阻增大，因而i i D

13、D基本不变，即 基本不变，即i i D D趋于饱和。趋于饱和。第8页/共69页第九页，共69页。从输出特性曲线上看，这三个区域分为截止 从输出特性曲线上看，这三个区域分为截止(jizh)(jizh)区、可变电阻区和饱和区，如图 区、可变电阻区和饱和区，如图5.1.3a 5.1.3a所示。所示。截止 截止(jizh)(jizh)区：区：可变电阻区：可变电阻区：iD iD 随 随vDS vDS 增加 增加(zngji)(zngji)迅速上升 迅速上升饱和区：饱和区：i i D D基本不变，趋于饱和 基本不变，趋于饱和预夹断：预夹断：由可变电阻区进入饱和区时的夹断状况，其临界条件为 由可变电阻区进入

14、饱和区时的夹断状况，其临界条件为或 或第9页/共69页第十页，共69页。3.V-I 3.V-I特性曲线 特性曲线(qxin)(qxin)及大信号特性方 及大信号特性方程 程(1)(1)输出特性 输出特性(txng)(txng)及大信号特性 及大信号特性(txng)(txng)方程 方程MOSFET MOSFET的输出特性：在栅源电压 的输出特性：在栅源电压vGS vGS一定 一定(ydng)(ydng)时，漏极电流 时，漏极电流iD iD与漏源电压 与漏源电压vDS vDS间的关系。间的关系。图 图5.1.3b 5.1.3b所示为 所示为N N沟道增强型 沟道增强型MOS MOS管的完整输出特

15、性。管的完整输出特性。根据预夹断的临界条件：根据预夹断的临界条件：可画出预夹断轨迹，如图中虚线所示。可画出预夹断轨迹，如图中虚线所示。下面对这三个区域进行讨论。下面对这三个区域进行讨论。第10页/共69页第十一页，共69页。截止 截止(jizh)(jizh)区 区当 当vGS vGS VT VT时，导电沟道 时，导电沟道(u do)(u do)尚未形成，尚未形成，iD iD 0 0，为截止工作状态。，为截止工作状态。可变电阻区 可变电阻区其中 其中(qzhng)(qzhng)式中：式中：n n 反型层中电子迁移率 反型层中电子迁移率C C ox ox 栅极 栅极(与衬底间 与衬底间)氧化层单位

16、面积电容 氧化层单位面积电容 本征电导因子 本征电导因子K K n n 电导常数，单位：电导常数，单位：mA/V mA/V 2 2第11页/共69页第十二页，共69页。在特性 在特性(txng)(txng)曲线原点附近，由于 曲线原点附近，由于 vDS vDS很小，因此可将 很小，因此可将 iD iD写成：写成：由此可求出当 由此可求出当vGS vGS一定 一定(ydng)(ydng)时，在可变电阻区，原点附近的输出电阻 时，在可变电阻区，原点附近的输出电阻rdso rdso为 为该式表明 该式表明(biomng)rdso(biomng)rdso为一个受 为一个受vGS vGS控制的可变电阻

17、控制的可变电阻 饱和区 饱和区(恒流区又称放大区 恒流区又称放大区)且 且 进入饱和区 进入饱和区由于在饱和区，可近似看成 由于在饱和区，可近似看成 i i D D不随 不随 v v DS DS变化，因此可用预夹断点对应的 变化，因此可用预夹断点对应的 i i D D来表示。来表示。即 即式中 式中为v GS 2V T 时预夹断点对应的 预夹断点对应的的i D第12页/共69页第十三页，共69页。(2)(2)转移 转移(zhuny)(zhuny)特性 特性由前面的分析 由前面的分析(fnx)(fnx)可知，可知，FET FET为电压控制器件，即在工作时，栅极输入端 为电压控制器件，即在工作时，

18、栅极输入端g g基本上无电流，因而讨论其输入特性没有意义。基本上无电流，因而讨论其输入特性没有意义。这里用所谓的转移 这里用所谓的转移(zhuny)(zhuny)特性，来表征在漏源电压 特性，来表征在漏源电压vDS vDS一定时，栅源电压 一定时，栅源电压vGS vGS对漏极电流 对漏极电流iD iD的控制特性，即：的控制特性，即：转移特性曲线可以从输出特性曲线上，用作图法而得：转移特性曲线可以从输出特性曲线上，用作图法而得：第13页/共69页第十四页，共69页。例 例5.1.1 5.1.1 设 设N N沟道增强型 沟道增强型MOS MOS管的参数为 管的参数为VT=0.75V VT=0.75

19、V，W=30m W=30m，L=3m L=3m，n=650cm2/Vs n=650cm2/Vs，Cox=76.710-9F/cm2 Cox=76.710-9F/cm2，且，且vGS=2VT vGS=2VT，MOSFET MOSFET工作在饱和区。试计算此时 工作在饱和区。试计算此时(c sh)(c sh)场效应管的工作电流 场效应管的工作电流iD iD。解：解：当 当v v GS GS=2=2V V T T时，有 时，有第14页/共69页第十五页，共69页。5.1.2 N 5.1.2 N沟道 沟道(u do)(u do)耗尽型 耗尽型MOSFET MOSFET1.1.结构和工作原理 结构和工作

20、原理(yunl)(yunl)简述 简述N N沟道耗尽 沟道耗尽(ho jn)(ho jn)型 型MOSFET(D MOSFET(D型 型NMOS NMOS管 管)的结构与增强型基本相同，如图 的结构与增强型基本相同，如图 5.1.5a 5.1.5a所示。所示。不同之处：不同之处：二氧化硅绝缘层中掺有大量的正离子 二氧化硅绝缘层中掺有大量的正离子即使在 即使在v v GS GS=0=0时，也能在源区和漏区间形成 时，也能在源区和漏区间形成N N型沟道，将这两区连通。型沟道，将这两区连通。图 图5.1.5b 5.1.5b为其电路符号，注意与增强型符号的差别。为其电路符号，注意与增强型符号的差别。因

21、此，对 因此，对N N沟道耗尽型 沟道耗尽型MOSFET MOSFET而言，在 而言，在 v v GS GS=0=0时，在正 时，在正v v DS DS的作用下，仍有较大的漏极电流 的作用下，仍有较大的漏极电流i i D D产生。产生。第15页/共69页第十六页，共69页。当 当vGS0 vGS0时，由于绝缘层的存在，不会产生 时，由于绝缘层的存在，不会产生(chnshng)(chnshng)栅极电流 栅极电流 iG iG，而，而v v GS GS 0 0吸引更多电子进入导电 吸引更多电子进入导电(dodin)(dodin)沟道 沟道 使沟道 使沟道(u do)(u do)变宽 变宽i i D

22、 D增大 增大当 当v v GS GS 0 0时，由于沟道内感应电子减少，沟道变窄，从而 时，由于沟道内感应电子减少，沟道变窄，从而i i D D减小；当 减小；当v v GS GS为负电压到达某值时，沟道完全被夹断，此时漏极电流 为负电压到达某值时，沟道完全被夹断，此时漏极电流i i D D=0=0，此时的，此时的v v GS GS称为 称为夹断 夹断(截止 截止)电压 电压 V V P P。可见，可见，N N沟道耗尽型 沟道耗尽型 MOSFET MOSFET可在 可在正负 正负 v v GS GS下工作，而且基本无栅极电流 下工作，而且基本无栅极电流 i i G G，这是耗尽型，这是耗尽型

23、 MOSFET MOSFET的重要特点之一。的重要特点之一。第16页/共69页第十七页，共69页。2.V-I 2.V-I 特性 特性(txng)(txng)曲线及大信号特性 曲线及大信号特性(txng)(txng)方程 方程N N沟道 沟道(u do)(u do)耗尽型 耗尽型MOSFET MOSFET的输出特性和转移特性如图 的输出特性和转移特性如图5.1.6a 5.1.6a和 和b b所示。所示。耗尽型的夹断电压为 耗尽型的夹断电压为VP0 VP0，其电流方程，其电流方程(fngchng)(fngchng)可用增强型的方程 可用增强型的方程(fngchng)(fngchng)，只是需将，只

24、是需将VT VT换成 换成VP VP。第17页/共69页第十八页，共69页。对 对vGS=0 vGS=0时的输出特性曲线 时的输出特性曲线(qxin)(qxin)而言，在饱和区的 而言，在饱和区的 iD iD为：为：根据前面的公式，耗尽 根据前面的公式，耗尽(ho jn)(ho jn)型 型MOS MOS管在饱和区的 管在饱和区的iD iD为：为：式中 式中IDSS IDSS称为零栅压的漏极电流 称为零栅压的漏极电流(dinli)(dinli)饱和漏极电流 饱和漏极电流(dinli)(dinli)。由此耗尽型 由此耗尽型MOSFET MOSFET的饱和区 的饱和区V-I V-I 特性表达式可写

25、成：特性表达式可写成：第18页/共69页第十九页，共69页。5.1.3 P5.1.3 P沟道沟道(u do)MOSFET(u do)MOSFET与 与N N型 型MOS MOS管相似，管相似，P P型 型MOS MOS管也有增强型和耗尽型两种，如图 管也有增强型和耗尽型两种，如图5.1.7a 5.1.7a和 和b b所示，为它们的电路 所示，为它们的电路(dinl)(dinl)符号。符号。可见，除代表衬底的 可见，除代表衬底的B B的箭头方向外，其他 的箭头方向外，其他(qt)(qt)与 与NMOS NMOS相同。相同。注意：注意：为能正常工作，为能正常工作，PMOS PMOS管外加的 管外加

26、的v v DS DS必须为 必须为负值 负值，开启电压，开启电压 V V T T也为 也为负值 负值，实际的漏极电流，实际的漏极电流 i i D D的方向为 的方向为流出 流出漏极。漏极。第19页/共69页第二十页，共69页。显然 显然(xinrn)(xinrn)，P P沟道增强型 沟道增强型 MOS MOS管沟道产生的条件为：管沟道产生的条件为：可变电阻区与饱和 可变电阻区与饱和(boh)(boh)区的临界条件为：区的临界条件为：在可变电阻区内 在可变电阻区内(q ni)(q ni)，电流的假定正向为流入漏极时，则，电流的假定正向为流入漏极时，则iD iD为：为：在饱和区内，电流 在饱和区内

27、，电流i i D D为：为：式中 式中K K p p为 为P P沟道器件的电导参数，可表示为 沟道器件的电导参数，可表示为 p p 空穴反型层中空穴迁移率，空穴反型层中空穴迁移率，p p n n/2/2第20页/共69页第二十一页，共69页。5.1.4 5.1.4 沟道长度 沟道长度(chngd)(chngd)调制效应 调制效应根据 根据(gnj)(gnj)前面的分析，前面的分析，MOSFET MOSFET工作在饱和区时，漏极电流 工作在饱和区时，漏极电流 iD iD近似为不随漏源电压 近似为不随漏源电压 vDS vDS而变化。而变化。在实际中，当 在实际中，当vGS vGS固定 固定(gdn

28、g)(gdng)而 而vDS vDS增大时，还应考虑 增大时，还应考虑vDS vDS对导电沟道长度的调制作用，此时 对导电沟道长度的调制作用，此时iD iD会有所增加。会有所增加。因此，实际中常用沟道长度调制参数 因此，实际中常用沟道长度调制参数 对输出特性公式进行修正，这里以 对输出特性公式进行修正，这里以 N N沟道增强型 沟道增强型 MOS MOS管为例：管为例：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L L的单位为 的单位为 m m对于典型器件 对于典型器件第21页/共69页第二十二页，共69页。5.1.5 MOSFET5.1

29、.5 MOSFET的主要参数 的主要参数一、直流参数 一、直流参数(cnsh)(cnsh)1.1.开启电压 开启电压(diny)VT(diny)VT（增强型参数）（增强型参数）当 当vDS vDS为某一固定值，使 为某一固定值，使iD iD等于 等于(dngy)(dngy)一微小电流时，栅源间所加电压为 一微小电流时，栅源间所加电压为VT VT。2.2.夹断电压 夹断电压V V P P（耗尽型参数）（耗尽型参数）通常令 通常令 v v DS DS为某一固定值，使 为某一固定值，使 i i D D等于一微小电流时，栅源间所加电压为 等于一微小电流时，栅源间所加电压为 V V P P。3.3.饱和

30、漏电流 饱和漏电流 I I DSS DSS（耗尽型参数）（耗尽型参数）在 在v v GS GS=0=0时，当 时，当 时的漏极电流 时的漏极电流 饱和漏极电流 饱和漏极电流 I I DSS DSS4.4.直流输入电阻 直流输入电阻R R GS GS在漏源短路时，栅源间加一定电压所对应的栅源直流电阻。在漏源短路时，栅源间加一定电压所对应的栅源直流电阻。一般可达 一般可达第22页/共69页第二十三页，共69页。二、交流 二、交流(jioli)(jioli)参数 参数1.1.输出电阻 输出电阻r r ds ds输出电阻 输出电阻rds rds反映 反映vDS vDS对 对iD iD的影响，是输出特性

31、曲线上某一点 的影响，是输出特性曲线上某一点(y din)(y din)上切线斜率的倒数。上切线斜率的倒数。在不考虑沟道 在不考虑沟道(u do)(u do)调制效应时，即 调制效应时，即 0 0：饱和区特性曲线斜率为零 饱和区特性曲线斜率为零 在考虑沟道调制效应时，即 在考虑沟道调制效应时，即 0 0：根据前面的分析可得，根据前面的分析可得，NMOS增强型在饱和区内有可见 可见r r ds ds为一有限值，一般在几十到几百千欧。为一有限值，一般在几十到几百千欧。第23页/共69页第二十四页，共69页。2.2.低频 低频(dpn)(dpn)互导 互导gm gm低频互导 低频互导gm gm反映了

32、栅源电压对漏极电流的控制能力，它相当于转移特性曲线 反映了栅源电压对漏极电流的控制能力，它相当于转移特性曲线(qxin)(qxin)上工作点的斜率。上工作点的斜率。一般 一般(ybn)(ybn)为十分之几到及毫西 为十分之几到及毫西(mS)(mS)的范围内，特殊的可达 的范围内，特殊的可达100mS 100mS以 以N N沟道增强型 沟道增强型MOSFET MOSFET为例，在不知其特性曲线的情况下，可进行如下估算：为例，在不知其特性曲线的情况下，可进行如下估算：考虑到 则由 由第24页/共69页第二十五页，共69页。三、极限 三、极限(jxin)(jxin)参数 参数1.1.最大漏极电流 最

33、大漏极电流(dinli)IDM(dinli)IDM管子正常 管子正常(zhngchng)(zhngchng)工作时漏极电流允许的上限值。工作时漏极电流允许的上限值。2.2.最大耗散功率 最大耗散功率P P DM DMP P DM DM受管子最高工作温度的限制。受管子最高工作温度的限制。3.3.最大漏源电压 最大漏源电压V V(BR)DS(BR)DSV V(BR)DS BR)DS指发生雪崩击穿、指发生雪崩击穿、i i D D开始急剧上升时的 开始急剧上升时的v v DS DS值。值。4.4.最大栅源电压 最大栅源电压V V(BR)GS(BR)GS V V(BR)GS(BR)GS 指栅源间反向电流

34、开始急剧增加时的 指栅源间反向电流开始急剧增加时的 v v GS GS值。值。第25页/共69页第二十六页，共69页。5.2 MOSFET放大(fngd)电路5.2.1 MOSFET 5.2.1 MOSFET放大 放大(fngd)(fngd)电路 电路1.1.直流偏置及静态工作 直流偏置及静态工作(gngzu)(gngzu)点的计算 点的计算2.2.图解分析 图解分析3.3.小信号模型分析 小信号模型分析第26页/共69页第二十七页，共69页。5.2.1 MOSFET5.2.1 MOSFET放大放大(fngd)(fngd)电路电路1.1.直流偏置及静态工作 直流偏置及静态工作(gngzu)(g

35、ngzu)点的计算 点的计算FET FET组成的放大电路 组成的放大电路(dinl)(dinl)与 与BJT BJT一样，也需要建立合适的静态工作点，只是 一样，也需要建立合适的静态工作点，只是FET FET需要的是合适的栅极 需要的是合适的栅极 源极电压 源极电压vGS vGS。(1)(1)简单的共源极放大电路 简单的共源极放大电路（N N沟道）沟道）图 图5.2.1 5.2.1所示为 所示为N N沟道增强型 沟道增强型MOSFET MOSFET构成的共源极放大电路。构成的共源极放大电路。第27页/共69页第二十八页，共69页。由直流通 由直流通(litng)(litng)路可知，栅源电压

36、路可知，栅源电压 vGS vGS为：为：假设 假设FET FET的开启电压 的开启电压(diny)(diny)为 为VT VT，并工作在饱和区，根据前面的分析可得漏极电流为：，并工作在饱和区，根据前面的分析可得漏极电流为：漏源电压 漏源电压(diny)(diny)为：为：验证是否满足 验证是否满足如果不满足，则说明前面假设错误，应工作在可变电阻区，即 如果不满足，则说明前面假设错误，应工作在可变电阻区，即V V GS GS应大于 应大于V V T T漏源电流为：漏源电流为：第28页/共69页第二十九页，共69页。例 例5.2.1 5.2.1 电路如图 电路如图 5.2.1b 5.2.1b所示，

37、设 所示，设 R R g1 g1=60k=60k，R R g2 g2=40k=40k，R R d d=15k=15k，V V DD DD=5V=5V，V V T T=1V=1V，试计算电路的静态漏极，试计算电路的静态漏极电流 电流 I I DQ DQ和漏源电压 和漏源电压 V V DSQ DSQ。解：解：根据 根据(gnj)(gnj)电路图可得 电路图可得由于 由于 VGSQVT VGSQVT，因此，因此(ync)NMOS(ync)NMOS管工作在可变电阻区或饱和区。管工作在可变电阻区或饱和区。假设工作 假设工作(gngzu)(gngzu)在饱和区，则有 在饱和区，则有满足 满足假设成立，结果

38、即为所求。假设成立，结果即为所求。第29页/共69页第三十页，共69页。N N沟道增强型 沟道增强型 MOS MOS管电路 管电路(dinl)(dinl)直流计算步骤如下：直流计算步骤如下：设 设MOS MOS管工作在饱和区，则需符合 管工作在饱和区，则需符合(fh)(fh)下列条件：下列条件：利用饱和区的电流 利用饱和区的电流 电压关系曲线 电压关系曲线(qxin)(qxin)分析电路；分析电路；若 若V V GSQ GSQ V V T T，则，则MOS MOS管可能截止；若 管可能截止；若V V DSQ DSQ(V V GSQ GSQ-V V T T)，则，则MOS MOS管可能工作在可变

39、电阻区；管可能工作在可变电阻区；若前面假设不成立，必须做出新的假设，并重新分析。若前面假设不成立，必须做出新的假设，并重新分析。P P沟道 沟道 MOS MOS管电路的分析与 管电路的分析与 N N沟道类似，但需注意其电源极性和电流方向不同。沟道类似，但需注意其电源极性和电流方向不同。第30页/共69页第三十一页，共69页。(2)(2)带源极电阻 带源极电阻(dinz)(dinz)的 的NMOS NMOS共源极放大电路 共源极放大电路如图 如图 5.2.2 5.2.2所示为带源极电阻的 所示为带源极电阻的 NMOS NMOS共源极放大 共源极放大(fngd)(fngd)电路。电路。根据电路 根

40、据电路(dinl)(dinl)可得，栅源电压 可得，栅源电压VGS VGS为：为：当 当NMOS NMOS工作在饱和区：工作在饱和区：需要验证是否满足 需要验证是否满足注意：与 注意：与 BJT BJT电路类似，在 电路类似，在 MOS MOS管接入源极电阻，也具有稳定静态工作点的作用，并且现在很多 管接入源极电阻，也具有稳定静态工作点的作用，并且现在很多 MOS MOS管用电流源取代源极电阻。管用电流源取代源极电阻。第31页/共69页第三十二页，共69页。例 例5.2.2 5.2.2 电路如图 电路如图 5.2.2 5.2.2所示，设 所示，设 MOS MOS管的参数为 管的参数为 V V

41、T T=1V=1V，。电路参数为。电路参数为 V V DD DD=5V=5V，V V SS SS=5V 5V，R R d d=10k=10k，R R=0.5k=0.5k，I I D D=0.5mA=0.5mA。若流过。若流过 R R g1 g1、R R g2 g2的电流为 的电流为 I I D D的 的1/10 1/10，试确定，试确定 R R g1 g1和 和R R g2 g2的值。的值。解：解：设 设MOS MOS管工作 管工作(gngzu)(gngzu)在饱和区，则 在饱和区，则代入已知参数 代入已知参数(cnsh)(cnsh)可解得 可解得由于 由于(yuy)(yuy)流过 流过Rg1

42、 Rg1、Rg2 Rg2的电流为 的电流为ID ID的 的1/10 1/10，则，则经验证，前面假设正确。经验证，前面假设正确。第32页/共69页第三十三页，共69页。2.2.图解 图解(tji)(tji)分析 分析图 图5.2.4 5.2.4所示的共源极放大 所示的共源极放大(fngd)(fngd)电路采用 电路采用N N沟道增强型 沟道增强型MOS MOS管。管。图中 图中 VGGVT VGGVT，VDD VDD足够 足够(zgu)(zgu)大使 大使 MOS MOS管工作在饱和区。管工作在饱和区。R R d d的作用：的作用：将漏极电流 将漏极电流i i D D的变化，转换成电压 的变化

43、，转换成电压v v DS DS的变化，从而实现电压放大。的变化，从而实现电压放大。由该电路可知：由该电路可知：静态栅源电压为 静态栅源电压为(v v i i=0=0)第33页/共69页第三十四页，共69页。由此可根据 由此可根据vDS=VDD vDS=VDD iDRd iDRd，在，在MOS MOS管的输出特性曲线 管的输出特性曲线(qxin)(qxin)上作出负载线，如图 上作出负载线，如图5.2.5 5.2.5所示。所示。负载线与 负载线与vGS=VGG vGS=VGG对应的那条曲线的交点 对应的那条曲线的交点(jiodin)(jiodin)即为该电路的静态工作点 即为该电路的静态工作点Q

44、 Q。当 当v v i i 0 0时，则有：时，则有：vgs vgs 为加在栅源上的电压 为加在栅源上的电压(diny)(diny)变化量 变化量相应地有 相应地有通常 通常v v ds ds v v gs gs=v v i i，从而实现了电压放大。，从而实现了电压放大。注意该电路由于负载开路，因而交流和直流负载线相同。注意该电路由于负载开路，因而交流和直流负载线相同。第34页/共69页第三十五页，共69页。3.3.小信号 小信号(xnho)(xnho)模型分析 模型分析对小信号而言，对小信号而言，MOS MOS管工作在饱和区时，与 管工作在饱和区时，与BJT BJT一样可看作 一样可看作(k

45、n zu)(kn zu)一双端口网络，即栅源极看成输入口，漏源极看成输出口。一双端口网络，即栅源极看成输入口，漏源极看成输出口。但需注意，以增强型 但需注意，以增强型 NMOS NMOS为例，其栅极电流 为例，其栅极电流(dinli)(dinli)为零，栅源间只有电压 为零，栅源间只有电压 vGS vGS存在。存在。假设在饱和区，假设在饱和区，i i D D不随 不随 v v DS DS变化，则饱和区的漏极电流为：变化，则饱和区的漏极电流为：静态漏极电流 静态漏极电流漏极信号电流 漏极信号电流非线性失真项 非线性失真项为避免信号失真，要求式中第三项远小于第二项，即 为避免信号失真，要求式中第三

46、项远小于第二项，即该式为线性 该式为线性 MOS MOS放大电路必须满足的小信号条件 放大电路必须满足的小信号条件忽略第三项，可得 忽略第三项，可得第35页/共69页第三十六页，共69页。NMOS NMOS管 管iG=0 iG=0，栅源间可看成，栅源间可看成(kn chn)(kn chn)开路 开路 共源极 共源极NMOS NMOS管低频小信号模型 管低频小信号模型(mxng)(mxng)建立：建立：共源极 共源极NMOS NMOS管高频小信号模型 管高频小信号模型(mxng)(mxng)建立：建立：源极与衬底相连 源极与衬底相连V V bs bs=0=0第36页/共69页第三十七页，共69页

47、。例 例5.2.4 5.2.4 电路如图 电路如图 5.2.4 5.2.4所示，设 所示，设 VDD=5V VDD=5V，Rd=3.9k Rd=3.9k，VGS=2V VGS=2V。场效应管的参数为。场效应管的参数为 VT=1V VT=1V，Kn=0.8mA/V2 Kn=0.8mA/V2，=0.02V=0.02V 1 1。当。当 MOS MOS管工作 管工作(gngzu)(gngzu)于饱和区，试确定电路的小信号电压增益。于饱和区，试确定电路的小信号电压增益。解：解：(1)(1)求静态 求静态(jngti)(jngti)值 值由于 由于 VGS VGS VT=1VVDS VT=1VVDS，因此

48、，因此 MOS MOS管确实 管确实(qush)(qush)工作与饱和区。工作与饱和区。(2)(2)求 求FET FET的互导和输出电阻 的互导和输出电阻(3)(3)求电压增益 求电压增益由小信号电路可得 由小信号电路可得故 故可见与 可见与BJT BJT放大电路相比，放大电路相比，MOS MOS管放大电路的电压增益较低。另外共源电路也属倒相电压放大电路。管放大电路的电压增益较低。另外共源电路也属倒相电压放大电路。第37页/共69页第三十八页，共69页。例 例5.2.5 5.2.5 电路 电路(dinl)(dinl)如图 如图5.2.2 5.2.2所示，所示，MOS MOS管的参数为 管的参数

49、为VT=1V VT=1V，Kn=0.05A/V2,=0 Kn=0.05A/V2,=0。电路。电路(dinl)(dinl)参数为 参数为VDD=5V,VDD=5V,VSS=VSS=5V 5V，Rd=10k Rd=10k，R=0.5k R=0.5k，Rg1=150k Rg1=150k，Rg2=47k Rg2=47k，RS=4k RS=4k。试确定电路。试确定电路(dinl)(dinl)的电压增益、源电压增益、输入电阻和输出电阻。的电压增益、源电压增益、输入电阻和输出电阻。解：解：例 例5.2.2 5.2.2的直流分析 的直流分析(fnx)(fnx)已求得 已求得从而 从而(cng r)(cng r

50、)可求得小信号低频互导为 可求得小信号低频互导为由 由由此可画出该电路的小信号模型电路如图 由此可画出该电路的小信号模型电路如图5.2.9 5.2.9所示。所示。第38页/共69页第三十九页，共69页。由小信号模型 由小信号模型(mxng)(mxng)电路可得：电路可得：故电压 故电压(diny)(diny)增益为：增益为：输入电阻为 输入电阻为输出电阻为 输出电阻为源电压 源电压(diny)(diny)增益为 增益为第39页/共69页第四十页，共69页。例 例5.2.6 5.2.6 电路如图 电路如图 5.2.10a 5.2.10a所示，设耦合电容对信号频率可视为交流短路，场效应管工作在饱和