第五章 场效应管放大电路 姚恒 hyao@usst.edu.cn.

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1 第五章 场效应管放大电路 姚恒

2 第5章 场效应管放大电路 5.1 金属-氧化物-半导体（MOS）场效应管 5.2 MOSFET放大电路 5.3 结型场效应管（JFET）

3 场效应管的分类： N沟道 增强型 P沟道 MOSFET 绝缘栅型 (IGFET) N沟道 FET 场效应管 耗尽型 P沟道 N沟道 JFET
结型 （耗尽型） P沟道 耗尽型：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在 增强型：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道

4 5.1 金属-氧化物-半导体(MOS)场效应管 5.1.1 N沟道增强型MOSFET 1. 结构（N沟道）
L ：沟道长度, W ：沟道宽度, tox ：绝缘层厚度, 通常 W > L

5 N沟道增强型MOSFET 1. 结构（N沟道） 符号 剖面图

6 5.1.1 N沟道增强型MOSFET 2. 工作原理 （1）VGS对沟道的控制作用 当VGS=0时
无导电沟道， d、s间加电压时，也无电流产生。 当0<VGS <VT 时 产生电场，但未形成导电沟道（感生沟道），d、s间加电压后，没有电流产生。 当VGS >VT 时 在电场作用下产生导电沟道，d、s间加电压后，将有电流产生。 VGS越大，导电沟道越厚 VT 称为开启电压

7 （2）VDS对沟道的控制作用 当VGS一定（VGS >VT ）时， 当VDS增加到使VGD=VT 时，在紧靠漏极处出现预夹断。 VDS ID 沟道电位梯度 靠近漏极d处的电位升高 在预夹断处：VGD=VGS-VDS =VT, VDS=VGS-VT, ID开始趋于饱和。 电场强度减小 沟道变薄 整个沟道呈楔形分布

8 （2）VDS对沟道的控制作用 预夹断后，VDS 夹断区延长 沟道电阻 ID基本不变 给定一个VGS ，就有一条不同的 ID – VDS 曲线。

9 3. V-I 特性曲线及大信号特性方程 （1）输出特性及大信号特性方程 ① 截止区 当VGS＜VT时，导电沟道尚未形成，ID＝0，为截止工作状态。

10 ② 可变电阻区 VGS≥VT , VDS≤（VGS－VT） 当VDS很小 Kn为电导常数，单位：mA/V2 n :反型层中电子迁移率 Cox:栅极(与衬底间)氧化层单位面积电容

11 VGS≥VT ，且VDS≥（VGS－VT）
③ 饱和区（恒流区又称放大区） VGS≥VT ，且VDS≥（VGS－VT） 非常重要： N沟道增强型MOS管的 输出特性 相当于三极管中的 IC = β IB

12 例 5. 1. 1 N沟道增强型MOS管,VT=0. 75V,W=30μm,L=3μm,μn=650cm2/Vs, Cox=76
例 N沟道增强型MOS管,VT=0.75V,W=30μm,L=3μm,μn=650cm2/Vs, Cox=76.7x10-9F/cm2,VGS=2VT,工作在饱和区,求ID

13 5.1.2 N沟道耗尽型MOSFET 1. 结构和工作原理（N沟道） 二氧化硅绝缘层中掺有大量的正离子
可以在正或负的栅源电压下工作，而且基本上无栅流

14 N沟道耗尽型MOSFET 2. V-I 特性曲线及大信号特性方程 VGS=0，VDS≥（VGS－VP）

15 P沟道MOSFET 可变电阻区 VGS≤VT, VDS≥ VGS-VT 饱和区 VGS≤VT, VDS ≤ VGS-VT

16 沟道长度调制效应 实际上饱和区的曲线并不是平坦的 沟道长度调制系数 当不考虑沟道调制效应时，＝0，曲线是平坦的。

17 5.1.5 MOSFET的主要参数 一、直流参数 1. 开启电压VT （增强型参数） 2. 夹断电压VP （耗尽型参数）
3. 饱和漏电流IDSS （耗尽型参数） 4. 直流输入电阻RGS （109Ω～1015Ω ） 二、交流参数 1. 输出电阻rds 当不考虑沟道调制效应时，＝0，rds→∞

18 MOSFET的主要参数 二、交流参数 2. 低频互导gm ,单位mS或μS

19 5.1.5 MOSFET的主要参数 三、极限参数 1. 最大漏极电流IDM 2. 最大耗散功率PDM ，PDM =VDSID
3. 最大漏源电压V（BR）DS 4. 最大栅源电压V（BR）GS

20 MOSFET电路分析方法与BJT电路区别
BJT - 电流控制型放大器件 （Ib 控制 Ic, 无论直流还是交流） MOSFET -电压控制型放大器件 （VGS 控制 Id, 无论直流还是交流） 2. BJT – Ib和Ic 的关系式在交直流分析时相同： IC = β IB MOSFET – VGS和Id的关系式在交直流分析时不同; 直流分析时： 交流分析时：

21 5.2 MOSFET放大电路 5.2.1 MOSFET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（N沟道）
直流通路

22 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（N沟道） 须满足VGS > VT 假设工作在饱和区 如果 工作在可变电阻区 验证是否满足

23 例： 设Rg1=60k，Rg2=40k，Rd=15k， VDD=5V， VT=1V， 计算静态漏极电流IDQ和漏源电压VDSQ 。 解： 假设工作在饱和区 满足

24 （2）带源极电阻的NMOS共源极放大电路 饱和区 验证是否满足 例5.2.2：VT=1V, Kn=500μA/V2, VDD=5V,-VSS=-5V,Rd=10kΩ, R=0.5kΩ, Id=0.5mA,流过Rg1,Rg2的电流是Id的1/10, 求Rg1,Rg2

25 例5.2.3：VT=1V, Kn=160μA/V2, VDD=VSS=5V, IDQ=0.25mA, VDQ=2.5V,求电路参数
静态时，vI＝0，VG ＝0，ID ＝IDQ 电流源偏置

26 2. 图解分析 由于负载开路，交流负载线与直流负载线相同

27 3. 小信号模型分析 例5.2.4：VDD=5V,Rd=3.9kΩ,VGS=2V,VT=1V, Kn=0.8mA/V2,λ=0.02V-1,饱和区,求增益

28 例5. 2. 5:VT=1V, Kn=500μA/V2, VDD=5V,-VSS=-5V,Rd=10kΩ, R=0
例5.2.5:VT=1V, Kn=500μA/V2, VDD=5V,-VSS=-5V,Rd=10kΩ, R=0.5kΩ, λ=0,Rg1=150kΩ, Rg2=47kΩ, Rs=4kΩ, 求电压增益,源电压增益,输入输出电阻 前已求得： s λ=0,rds=∞

29 例5.2.5 s

30 例5.2.6：求电压增益,源电压增益,输入输出电阻 共漏

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32 5.3 结型场效应管 5.3.1 JFET的结构和工作原理 1. 结构

33 2. 工作原理 ① VGS对沟道的控制作用 当VGS＜0时 PN结反偏耗尽层加厚 沟道变窄。 VGS继续减小，沟道继续变窄。
（以N沟道JFET为例） ① VGS对沟道的控制作用 当VGS＜0时 PN结反偏耗尽层加厚 沟道变窄。 VGS继续减小，沟道继续变窄。 当沟道夹断时，对应的栅源电压VGS称为夹断电压VP （ 或VGS(off) ）。 1. 从物理意义上解释低通电路 2. 稳态分析方法 3. 增益与传递函数 4. 复数的模与相角 对于N沟道的JFET，VP <0。

34 2. 工作原理 ② VDS对沟道的控制作用 当VGS=0时, VDS  ID 
（以N沟道JFET为例） ② VDS对沟道的控制作用 当VGS=0时, VDS  ID  G、D间PN结的反向电压增加，使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，从上至下呈楔形分布。 当VDS增加到使VGD=VGS-VDS =VP ，在紧靠漏极处出现预夹断。 此时VDS 夹断区延长 沟道电阻ID基本不变

35 JFET的特性曲线及参数 1. 输出特性

36 JFET放大电路的小信号模型分析法 1. JFET小信号模型 （1）低频模型

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38 例5.3.1:Rg3=10MΩ, Rg1=2MΩ, Rg2=47kΩ, Rd=30kΩ, R=2kΩ, VDD=18V,VP=-1V, IDSS=0.5mA, λ=0, 求Q点

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