第五章 场效应管放大电路 备课笔记

第五章：场效应管放大电路

8学时

基本要求：了解结型场效应管的基本结构和工作原理，金属氧化物半导体场效应管的基本结构和工作原理；掌握场效应管放大电路的静态分析和放大电路的小信号模型分析法。 重点：场效应管放大电路的静态分析和放大电路的小信号模型分析法。 难点：场效应管放大电路的小信号模型分析法。

教学过程

5 场效应管放大电路

5.1.1 N沟道增强型MOSFET

三极管: Bipolor Junction Transistor (缩写为: BJT) 场效应管: Field Effect Transistor (缩写为:FET)

三极管是利用基极电流来控制集电极电流的，是电流控制器件。在正常工作时，发射结正偏，当有电压信号输入时，一定要产生输入电流，导致三极管的输入电阻较小，一方面降低了管子获得输入信号的能力，而且在某些测量仪表中将导致较大的误差，这是我们所不希望的。

场效应管是一种电压控制器件，它只用信号源电压的电场效应，来控制管子的输出电流，输入电流几乎为零，因此具有高输入电阻的特点；同时场效应管受温度和辐射的影响也比较小，又便于集成化，因此场效应管已广泛地应用于各种电子电路中，也成为当今集成电路发展的重要方向。 场效应管的分类：

1.结构

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在一块掺杂浓度较低的P型硅衬底上，制作两个高掺杂浓度的N+区，并用金属铝引出两个电极，分别作漏极d和源极s。

然后在半导体表面复盖一层很薄的二氧化硅(SiO2)绝缘层，在漏-源极间的绝缘层上再装上一个铝电极,作为栅极g。

在衬底上也引出一个电极B，这就构成了一个N沟道增强型MOS管。MOS管的源极和衬底通常是接在一起的(大多数管子在出厂前已连接好)。

它的栅极与其它电极间是绝缘的。 它的栅极与其它电极间是绝缘的。

图 (a)、(b)分别是它的结构示意图和代表符号。代表符号中的箭头方向表示由P(衬底)指向N(沟道)。P沟道增强型MOS管的箭头方向与上述相反，如图 (c)所示。

2.N沟道增强型MOSFET工作原理

（1）vGS对iD及沟道的控制作用

①vGS=0 的情况

从图(a)可以看出，增强型MOS管的漏极d和源极s之间有两个背靠背的PN结。

当栅-源电压vGS=0时，即使加上漏-源电压vDS，而且不论vDS的极性如何，总有一个PN结处于反偏状态，漏-源极间没有导电沟道，所以这时漏极电流iD≈0。

②vGS>0 的情况 若vGS＞0，则栅极和衬底之间的SiO2绝缘层中便产生一个电场。

电场方向：垂直于半导体表面的由栅极指向衬底的电场。 电场的作用：这个电场能排斥空穴而吸引电子。

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排斥空穴：使栅极附近的P型衬底中的空穴被排斥，剩下不能移动的受主离子(负离子)，形成耗尽层。吸引电子：将 P型衬底中的电子（少子）被吸引到衬底表面。

导电沟道的形成：

当vGS数值较小，吸引电子的能力不强时，漏-源极之间仍无导电沟道出现，如图(b)所示。

vGS增加时，吸引到P衬底表面层的电子就增多，当vGS

达到某一数值时，这些电子在栅极附近的P衬底表面便形成一个N型薄层，且与两个N+区相连通，在漏-源极间形成N型导电沟道，其导电类型与P衬底相反，故又称为反型层，如下图(c)所示。

vGS越大，作用于半导体表面的电场就越强，吸引到P衬底表面的电子就越多，导电沟道越厚，沟道电阻越小。

开始形成沟道时的栅—源极电压称为开启电压，用VT表示。

结论：

上面讨论的N沟道MOS管在vGS＜VT时，不能形成导电沟道，管子处于截止状态。只有当vGS≥VT时，才有沟道形成。这种必须在vGS≥VT时才能形成导电沟道的MOS管称为增强型MOS管。沟道形成以后，在漏-源极间加上正向电压vDS，就有漏极电流产生。

vDS对iD的影响

如图(a)所示，当vGS>VT且为一确定值时，漏-源电压vDS对导电沟道及电流iD的影响与结型场效应管相似。

漏极电流iD沿沟道产生的电压降使沟道内各点与栅极间的电压不再相等，靠近源极一端的电压最大，这里沟道最厚，而漏极一端电压最小，其值为VGD=vGS－vDS，因而这里沟道最薄。但当vDS较小（vDS随着vDS的增大，靠近漏极的沟道越来越薄，当vDS

增加到使VGD=vGS－vDS=VT(或vDS=vGS－VT)时，沟道在

漏极一端出现预夹断，如上图(b)所示。再继续增大vDS，夹断点将向源极方向移动，如上图(c)所示。由于vDS的增加部分几乎全部降落在夹断区，故iD几乎不随vDS增大而增加，管子进入饱和区，iD几乎仅由vGS决定。

3. N沟道增强型MOS管的特性曲线、电流方程及参数

（1）特性曲线和电流方程

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输出特性曲线

N沟道增强型MOS管的输出特性曲线如上图所示。与结型场效应管一样,其输出特性曲线也可分为可变电阻区、饱和区、截止区和击穿区几部分。 转移特性曲线

转移特性曲线如上图(b)所示,由于场效应管作放大器件使用时是工作在饱和区(恒流区),此时iD几乎不随vDS而变化,即不同的vDS所对应的转移特性曲线几乎是重合的,所以可用vDS大于某一数值(vDS＞vGS-VT)后的一条转移特性曲线代替饱和区的所有转移特性曲线.

iD与vGS的近似关系

与结型场效应管相类似。在饱和区内,iD与vGS的近似关系式为

式中IDO是vGS=2VT时的漏极电流iD。 (2)参数

MOS管的主要参数与结型场效应管基本相同，只是增强型MOS管中不用夹断电压VP ，而用开启电压VT表征管子的特性。

5.1.2 N沟道耗尽型MOSFET 1. 结构和工作原理简述

结构：N沟道耗尽型MOS管与N沟道增强型MOS管基本相似。

区别：耗尽型MOS管在vGS=0时，漏－源极间已有导电沟道产生 增强型MOS管要在vGS≥VT时才出现导电沟道。 原因：制造N沟道耗尽型MOS管时，在SiO2绝缘层中掺入了大量的碱金属正离子Na+或K+(制造P沟道耗尽型MOS管时掺入负离子)，如图4.3.4(见书172页)所示，因此即使vGS=0时，在这些正离子产生的电场作用下，漏－源极间的P型衬底表面也能感应生成N沟道(称为初始沟道)，只要加上正向电压vDS，就有电流iD。

如果加上正的vGS，栅极与N沟道间的电场将在沟道中吸引来更多的电子，沟道加宽，沟道电阻变小，iD增大。反之vGS为负时，沟道中感应的电子减少，沟道变窄，沟道电阻变大，iD减小。当vGS负向增加到某一数值时，导电沟道消失，iD趋于零，管子截止，故称为耗尽型。沟道消失时的栅－源电压称为夹断电压，仍用VP表示。与N沟道结型场效应管相同，N沟道耗尽型MOS管的夹断电压VP也为负值，但是，前者只能在vGS<0的情况下工作。而后者在vGS=0，vGS>0，VP2. V-I 特性曲线和大信号特性方程

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电流方程：在饱和区内，耗尽型MOS管的电流方程与结型场效应管的电流方程相同，即

5.1.3 P型沟道MOSFET

P沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完全相同，只不过导电的载流子不同，供电电压极性不同而已。这如同双极型三极管有NPN型和PNP型一样。

P沟道增强型MOS：VT <0，vGS0，vGS可正可负，漏源间负电源。

5.1.4 沟道长度调制效应

vGD =vGS-vDS , 随vDS增大,vGD减小

理想情况下，当 vGD实际情况下，随vDS增大, 沟道长度变化，导致iD会有所增加，输出特性的每根曲线要向上倾斜，因此要做修正。

：沟道长度调制参数

rdsrds为有限值5

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5.1.5 MOSFET的主要参数

场效应管的直流参数 1. 开启电压VT

开启电压是MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值, 场效应管不能导通。

2. 夹断电压VP

夹断电压是耗尽型FET的参数，当VGS=VP(负值)时,漏极电流为零。 3. 饱和漏极电流IDSS

耗尽型MOSFET, 当VGS=0时所对应的漏极电流。 4. 输入电阻RGS

对于MOSFET, rgs约是109～1015Ω，看作断路。

场效应管的交流参数 1. 输出电阻rds 我们知道: iDKn(vGSVT)2考虑到沟道长度调制效应： iDKn(vGSVT)2(1vDS)

dv1rdsDSvGSconst

diDKn(vGSVT)2

1rds

iD

2. 低频互导gm

gm反映了低频互导反映了栅压对漏极电流的控制作用，单位是mS(毫西门子)。

i

gmDvDS vGS因为： iDKn(vGSVT)2

gm2Kn(VGSQVT)

3.最大漏极功耗PDM

最大漏极功耗可由PDM= VDS ID决定，与双极型三极管的PCM相当。 小结：常用的几个公式

iDKn(vGSVT)2 gm2Kn(VGSQVT)

1rds

iD

5.2 MOSFET放大电路

我们回忆一下,具有稳定工作点的共发射极放大电路。

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共源极放大电路

共发射极放大电路

1.直流偏置及静态工作点的计算 (1)简单的共源极放大电路 设NMOS处于饱和区,则有:

VGSQVT,IDQ0,VDSQVGSQVT

Rg2

VGSQ()VDD Rg1Rg2

IDQKn(VGSVT)2

VDSQVDDIDRd

对结果讨论:

若VGSQVT，则MOS管截止。

若VDSQVGSQVT，则MOS管工作在可变电阻区。

设NMOS处于饱和区,则有:

VGSQVT,IDQ0,VDSQVGSQVT

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(2)带源极电阻的NMOS共源极放大电路

例如:电路右图所示,设MOS管的参数为VT=1V, Kn=500µA/V2. 电路参数VDD=5V, -VSS=-5V，Rd=10kΩ, R=0.5kΩ, ID=0.5mA。 若流过Rg1, Rg2的电流是ID的1/10，试确定Rg1, Rg2的值。

设NMOS处于饱和区,则有:

IDKn(VGSVT)2

0.250.16(VGSQ1)2

VGSQ2.25V

VG0V

VS2.25V

VDSQVDVS

VDSQ2.5V(2.25V)

4.75V验证:

VDS4.75VVGSVT2.2511V

2.图解分析

Rd的作用:将iD的变化转变为vDS的变化

3.小信号模型分析

设NMOS处于饱和区,则有:

2 iDKn(vGSVT)2 iDKn(VGSvgsVT) iDKn[(VGSVT)vgs]22 iDKn(VGSVT)22Kn(VGSQVT)vgsKnvgs由：

iDIDQidgm2Kn(VGSQVT) rds

11Kn(VGSVT)2iD

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3.小信号模型分析

例:电路右图所示VDD=5V, Rd=3.9kΩ, VGS=2V。 设MOS管的参数为 VT=1V, Kn=500µA/V2, λ=0.02。当MOS管处于饱和区,试确定电路的小信号电路增益。 (1)求静态值 IDQ Kn(VGSVT)20.8(21)2

0.8mA

VDSQVDDIDQRd

50.83.9

1.88V验证:

1.88VVGSVT211VVDSMOS管处于饱和区,与题设一致。 (2)求gm和Ro

2Kn(VGSQVT)gm 20.8(21)

1.6mS

11rdsk62.5k 2Kn(VGSVT)0.020.8 (3)求Av

vAv ogm(rds//Rd)5.87vi

例5.2.5:电路右图所示VDD=5V, -VSS=-5V， Rd=10kΩ, R=0.5kΩ, Rg1=150kΩ, Rg2=47k Ω ,Rs=4kΩ 。设MOS管的参数为VT=1V, Kn=0.5mA/V2,λ=0V-1.,试确定电路的小信号Av、Avs、Ri、Ro。 (1)求静态值

VGSQ2V,IDQ0.5mA,VDSQ4.75V

(2)求动态值

AvgmvgsRdvogmvgsRdvivgsidRvgsgmvgsR110gmRd6.671gmR110.5 9