1、第三章第三章場效應晶體管及場效應晶體管及其放大電路其放大電路 場效應晶體管利用輸入電壓影響導場效應晶體管利用輸入電壓影響導電溝道的形狀，進而控制輸出電流。電溝道的形狀，進而控制輸出電流。場效應管的主要特點：場效應管的主要特點：輸入阻抗高輸入阻抗高多子導電，熱穩定性好多子導電，熱穩定性好 本章重點介紹場效應管的結構、本章重點介紹場效應管的結構、工作原理及其應用電路。工作原理及其應用電路。內容提要內容提要N溝道溝道P溝道溝道增強型增強型耗盡型耗盡型N溝道溝道P溝道溝道N溝道溝道P溝道溝道（耗盡型）（耗盡型）FET場效應管場效應管JFET結型結型MOSFET絕緣柵型絕緣柵型(IGFET)分類分類以以

2、N 溝道增強型為例溝道增強型為例3.1.1 增強型增強型MOS場效應管場效應管(EMOS)一一. .N溝道增強型溝道增強型MOS管的結構管的結構SiO23.1.1 增增強強型型MOS場場效效應應管管一一. .N溝道增強型溝道增強型MOS管的結構管的結構GDSBDiivGSQVDDVOvRD 二、二、N溝道增強型溝道增強型MOS管的基本工作原理管的基本工作原理3.1.1 增增強強型型MOS場場效效應應管管SiO2 二、二、N溝道增強型溝道增強型MOS管的基本工作原理管的基本工作原理1.1.柵源電壓柵源電壓vGS對管子工作的影響對管子工作的影響(vBS=0)0DSv設設0GSv時時管子截止管子截止

3、3.1.1 增增強強型型MOS場場效效應應管管 二、二、N溝道增強型溝道增強型MOS管的基本工作原理管的基本工作原理1.1.柵源電壓柵源電壓vGS對管子工作的影響對管子工作的影響(vBS=0)0GSv時時3.1.1 增增強強型型MOS場場效效應應管管 二、二、N溝道增強型溝道增強型MOS管的基本工作原理管的基本工作原理1.1.柵源電壓柵源電壓vGS對管子工作的影響對管子工作的影響(vBS=0)()GSGS thvV時時反型層形成，反型層形成，出現導電溝道出現導電溝道開啟電壓開啟電壓( )GS ththVV3.1.1 增增強強型型MOS場場效效應應管管()GSGS thvV設設0DSv時時導電溝

4、道變為楔形導電溝道變為楔形3.1.1 增增強強型型MOS場場效效應應管管2.2.漏源電壓漏源電壓vDS對管子工作的影響對管子工作的影響(vBS=0)GDGSDSGSvvvv()GSGS thvV設設0DSv時時DSGSthvvV此時此時vDS增加，當增加，當vGD=Vth 時，靠近時，靠近D端的溝道被夾斷端的溝道被夾斷稱為稱為予夾斷予夾斷。3.1.1 增增強強型型MOS場場效效應應管管2.2.漏源電壓漏源電壓vDS對管子工作的影響對管子工作的影響(vBS=0)()GSGS thvV設設0DSv時時予夾斷后，予夾斷后，vDS 繼續增加，繼續增加，iD基基本不變，呈恒流本不變，呈恒流特性特性。3.

5、1.1 增增強強型型MOS場場效效應應管管2.2.漏源電壓漏源電壓vDS對管子工作的影響對管子工作的影響(vBS=0)柵源電壓起著建立導柵源電壓起著建立導電溝道的作用。電溝道的作用。由于溝道電流僅由多子流由于溝道電流僅由多子流構成，故也稱場效應管為構成，故也稱場效應管為單極型晶體管。單極型晶體管。漏源電壓產生輸出電漏源電壓產生輸出電流并改變溝道形狀。流并改變溝道形狀。溫度穩定性能好。溫度穩定性能好。由于柵極與源極和漏極之由于柵極與源極和漏極之間有絕緣層隔開，故柵極間有絕緣層隔開，故柵極輸入電流極小輸入電流極小 ，輸，輸入電阻極高，可以達到入電阻極高，可以達到 以上。以上。910 0Gi 特點：

6、特點：輸入電阻極高。輸入電阻極高。3.1.1 增增強強型型MOS場場效效應應管管 二、二、N溝道增強型溝道增強型MOS管的基本工作原理管的基本工作原理因因柵極輸入電流極小柵極輸入電流極小，故常用的特性曲線為故常用的特性曲線為輸出特性曲線輸出特性曲線和和轉移轉移特性曲線。特性曲線。三、三、N溝道增強型溝道增強型MOS管的伏安特性曲線管的伏安特性曲線3.1.1 增增強強型型MOS場場效效應應管管可可變變電電阻阻區區截止區：截止區：()GSGS thvV 可變電阻區可變電阻區：()GSGS thvV ()()DSGSGS thvvV1.1.輸出特性曲線輸出特性曲線此區域此區域iD隨隨vDS近似線性近

7、似線性變化。變化。()GSDDSvif v 常常數數截止區（夾斷區）截止區（夾斷區）3.1.1 增增強強型型MOS場場效效應應管管三、三、N溝道增強型溝道增強型MOS管的伏安特性曲線管的伏安特性曲線三、三、N溝道增強型溝道增強型MOS管的伏安特性曲線管的伏安特性曲線3.1.1 增增強強型型MOS場場效效應應管管1.1.輸出特性曲線輸出特性曲線可可變變電電阻阻區區可可變變電電阻阻區區1.1.輸出特性曲線輸出特性曲線截止區（夾斷區）截止區（夾斷區）3.1.1 增增強強型型MOS場場效效應應管管三、三、N溝道增強型溝道增強型MOS管的伏安特性曲線管的伏安特性曲線可可變變電電阻阻區區1.1.輸出特性曲

8、線輸出特性曲線截止區（夾斷區）截止區（夾斷區）3.1.1 增增強強型型MOS場場效效應應管管三、三、N溝道增強型溝道增強型MOS管的伏安特性曲線管的伏安特性曲線()D()DpGSGS thSWikvVvLDon()1()SDpGSGS thvRWikvVL ()0()DSGSGS thvvV可可變變電電阻阻區區飽飽和和區區擊擊穿穿區區飽和飽和( (恒流恒流) )區區：()GSGS thvV ()()DSGSGS thvvV2()()2pDGSGS thkWivVL厄爾利電壓厄爾利電壓AV若考慮溝道長度調制效應若考慮溝道長度調制效應擊穿區：擊穿區：()DSBR DSvV2()()(1)2pDGS

9、GS thDSkWivVvL ()()DSGSGS thvvV2()()2pDGSGS thkWivVL截止區（夾斷區）截止區（夾斷區）三、三、N溝道增強型溝道增強型MOS管的伏安特性曲線管的伏安特性曲線3.1.1 增增強強型型MOS場場效效應應管管1.1.輸出特性曲線輸出特性曲線預夾斷點預夾斷點三、三、N溝道增強型溝道增強型MOS管的伏安特性曲線管的伏安特性曲線3.1.1 增增強強型型MOS場場效效應應管管1.1.輸出特性曲線輸出特性曲線恒恒流流區區或或飽飽和和區區2.轉移特性曲線轉移特性曲線()DGSif v vDS=常數常數轉移特性曲線表示漏源電轉移特性曲線表示漏源電壓一定時，漏極電流與

10、柵壓一定時，漏極電流與柵源電壓之間的關系曲線。源電壓之間的關系曲線。可由輸出曲線求得可由輸出曲線求得/DimA/DSvV5 10 15 206GSvV5V4V3V2V()DSGSGS thvvVDSDSQvV3.1.1 增增強強型型MOS場場效效應應管管三、三、N溝道增強型溝道增強型MOS管的伏安特性曲線管的伏安特性曲線2.轉移特性曲線轉移特性曲線()DGSif v vDS=常數常數轉移跨導：轉移跨導：QDmGSigv3.1.1 增增強強型型MOS場場效效應應管管三、三、N溝道增強型溝道增強型MOS管的伏安特性曲線管的伏安特性曲線2DQmGSQthIgVV在相同工作點電流情在相同工作點電流情況

11、下，況下，MOS管跨導管跨導的數值通常會比雙極的數值通常會比雙極型管的小，可能小型管的小，可能小12個數量級。個數量級。跨導也可以由轉移特跨導也可以由轉移特性曲線圖解確定。性曲線圖解確定。飽和區內，過大的漏飽和區內，過大的漏源電壓所產生的擊穿與源電壓所產生的擊穿與輸出特性曲線上的擊穿輸出特性曲線上的擊穿區對應。區對應。漏源電壓過大時，會漏源電壓過大時，會導致漏區與襯底間的導致漏區與襯底間的PN結出現反向擊穿。結出現反向擊穿。飽和區內可能會出現貫飽和區內可能會出現貫通擊穿。通擊穿。當柵源電壓過大時，可當柵源電壓過大時，可能會導致絕緣層被擊穿。能會導致絕緣層被擊穿。3.MOS場效應管的擊穿場效應管

12、的擊穿3.1.1 增增強強型型MOS場場效效應應管管三、三、N溝道增強型溝道增強型MOS管的伏安特性曲線管的伏安特性曲線在在MOS管工作時，漏區、管工作時，漏區、源區、導電溝道與襯底源區、導電溝道與襯底之間的之間的PNPN結不應出現正結不應出現正向導通情況，否則管子向導通情況，否則管子不能正常工作。不能正常工作。這就要求這就要求N溝道型管的溝道型管的襯源極襯源極間電壓應滿間電壓應滿足足 ； P溝道型管應溝道型管應0BSv0BSv4. MOS場效應管襯底調制效應場效應管襯底調制效應三、三、N溝道增強型溝道增強型MOS管的伏安特性曲線管的伏安特性曲線3.1.1 增增強強型型MOS場場效效應應管管分

13、立元件中，襯底分立元件中，襯底B一般一般與源極與源極S相連。在集成電相連。在集成電路中，由于所有元件為路中，由于所有元件為同一襯底，為保證所有同一襯底，為保證所有元件的溝道與襯底間的元件的溝道與襯底間的隔離，導電溝道與襯底隔離，導電溝道與襯底之間所形成的之間所形成的PN結必須結必須反偏，也即反偏，也即N N溝道溝道MOS管管的的 。所以，開啟。所以，開啟電壓和轉移特性曲線右電壓和轉移特性曲線右移。移。0BSv背柵跨導背柵跨導三、三、N溝道增強型溝道增強型MOS管的伏安特性曲線管的伏安特性曲線3.1.1 增增強強型型MOS場場效效應應管管4. MOS場效應管襯底調制效應場效應管襯底調制效應QDm

14、bBSigvmbmggP P溝道管的結構和原理與溝道管的結構和原理與N N溝道管類似。溝道管類似。但應注意溝道極性的區別及由此帶來的電流、但應注意溝道極性的區別及由此帶來的電流、電壓方向的變化。電壓方向的變化。四、四、P溝道增強型溝道增強型MOS場效應管場效應管3.1.1 增增強強型型MOS場場效效應應管管應注意特性曲線圖應注意特性曲線圖中電流、電壓的方中電流、電壓的方向。向。四、四、P溝道增強型溝道增強型MOS場效應管場效應管3.1.1 增增強強型型MOS場場效效應應管管應注意特性曲線圖應注意特性曲線圖中電流、電壓的方中電流、電壓的方向。向。四、四、P溝道增強型溝道增強型MOS場效應管場效應

15、管3.1.1 增增強強型型MOS場場效效應應管管耗盡型耗盡型MOSMOS管在柵源零偏時即已存在導管在柵源零偏時即已存在導電溝道。電溝道。注意其符號與增強型的區別注意其符號與增強型的區別3.1.2 耗盡型耗盡型MOS場效應管場效應管(DMOS) 時已有導電溝道，故時已有導電溝道，故 時即有漏極電流產生。時即有漏極電流產生。0GSv0DSv3.1.2 耗耗盡盡型型MOS場場效效應應管管溝道變寬。溝道變寬。 0 GSv當時3.1.2 耗耗盡盡型型MOS場場效效應應管管 一、基本工作原理一、基本工作原理 0 GSv當時3.1.2 耗耗盡盡型型MOS場場效效應應管管溝道變窄。溝道變窄。 一、基本工作原理

16、一、基本工作原理() GSGS offvV當時：夾斷電壓夾斷電壓()GS offV溝道被夾斷溝道被夾斷3.1.2 耗耗盡盡型型MOS場場效效應應管管 一、基本工作原理一、基本工作原理 0若若DSv也會產生預夾斷和漏也會產生預夾斷和漏極電流飽和的情況。極電流飽和的情況。且存在溝道。且存在溝道。3.1.2 耗耗盡盡型型MOS場場效效應應管管 一、基本工作原理一、基本工作原理可可變變電電阻阻區區飽飽和和區區擊擊穿穿區區截止區：截止區：()GSGS offvV可變電阻區：可變電阻區：()GSGS offvV()0()DSGSGS offvvV飽和飽和( (恒流恒流) )區：區：()GSGS offvV

17、()()DSGSGS offvvV2()()2pDGSGS offkWivVL擊穿區擊穿區截止區（夾斷區）截止區（夾斷區） 二、特性曲線二、特性曲線3.1.2 耗耗盡盡型型MOS場場效效應應管管1.1.輸出特性曲線輸出特性曲線iDv DS0vGS=0vGS03.1.2 耗耗盡盡型型MOS場場效效應應管管 二、特性曲線二、特性曲線1.1.輸出特性曲線輸出特性曲線2()1(1)GSDDSSDSGS offviIvV()0GSDSGSGS offvDSSDvvVIi()2DQmGSQGS offIgVV若考慮溝道長度調制效應若考慮溝道長度調制效應, ,在恒流區在恒流區2()()(1)2pDGSGS

18、offDSkWivVvL 3.1.2 耗耗盡盡型型MOS場場效效應應管管 二、特性曲線二、特性曲線1.1.輸出特性曲線輸出特性曲線P P溝道型管的特性可與之類比溝道型管的特性可與之類比3.1.2 耗耗盡盡型型MOS場場效效應應管管 二、特性曲線二、特性曲線2.轉移特性曲線轉移特性曲線結型場效應管的結構結型場效應管的結構根據溝道類型不同亦可分類根據溝道類型不同亦可分類結型場效應管存在著內結型場效應管存在著內建初始導電溝道，這一建初始導電溝道，這一點與耗盡型管類似。點與耗盡型管類似。結型場效應管應用時結型場效應管應用時vGS必須加必須加反偏電壓反偏電壓，以通，以通過耗盡層的寬度來調節過耗盡層的寬度

19、來調節溝道。溝道。3.2.1 結型場效應管的工作原理結型場效應管的工作原理一一、柵源電壓、柵源電壓vGS對管子工作的影響對管子工作的影響0GSv0DSv設設 vGS=0時，為平時，為平衡衡PN結，導電溝結，導電溝道最寬。道最寬。3.2.1 結結型型場場效效應應管管的的工工作作原原理理一一、柵源電壓、柵源電壓vGS對管子工作的影響對管子工作的影響0GSv時時0DSv設設 當當vGS時，時，PN結反偏，耗盡層變寬，結反偏，耗盡層變寬，導電溝道變窄，溝道導電溝道變窄，溝道電阻增大。電阻增大。但當但當|vGS|較小時，耗盡較小時，耗盡區寬度有限，存在導區寬度有限，存在導電溝道。電溝道。DS間相當于間相

20、當于線性電阻。線性電阻。3.2.1 結結型型場場效效應應管管的的工工作作原原理理一一、柵源電壓、柵源電壓vGS對管子工作的影響對管子工作的影響0GSv時時0DSv設設()GSGS offvV 時時溝道全夾斷。溝道全夾斷。()GS offoffVV夾斷電壓：夾斷電壓：3.2.1 結結型型場場效效應應管管的的工工作作原原理理0DSv時時導電溝道變為楔型導電溝道變為楔型(,0GSoffvV設設二二、漏源電壓、漏源電壓vDS對管子工作的影響對管子工作的影響3.2.1 結結型型場場效效應應管管的的工工作作原原理理0DSv時時導電溝道變為楔型導電溝道變為楔型()DSGSGS offvvV即即時時溝道預夾斷

21、。溝道預夾斷。(,0GSoffvV設設二二、漏源電壓、漏源電壓vDS對管子工作的影響對管子工作的影響()GDGS offvV 當當時時3.2.1 結結型型場場效效應應管管的的工工作作原原理理0DSv時時導電溝道變為楔型導電溝道變為楔型vDS繼續增大時繼續增大時, ,溝溝道變短，道變短，iD基本不基本不變。變。溝道預夾斷。溝道預夾斷。(,0GSoffvV設設二二、漏源電壓、漏源電壓vDS對管子工作的影響對管子工作的影響3.2.1 結結型型場場效效應應管管的的工工作作原原理理()DSGSGS offvvV即即時時()GDGS offvV 當當時時一、輸出特性曲線一、輸出特性曲線 可變電阻區：預夾斷

22、前。可變電阻區：預夾斷前。()|GSDDSVif v 常常數數 電流飽和區（恒流區）：電流飽和區（恒流區）： 預夾斷后。預夾斷后。 特點：特點： ID / VGS 常數常數= gm 即：即： ID = gm VGS（放大原理）（放大原理）夾斷區（截止區）。夾斷區（截止區）。 3.2.2 結型場效應管的特性曲線結型場效應管的特性曲線予夾斷曲線予夾斷曲線vGS=0V-1V可變電阻區可變電阻區-2V-3V-4V-5V夾斷區夾斷區恒流區恒流區iDv DS0vDS=vGS-VGS(off)IDSS3.2.2 結結型型場場效效應應管管的的特特性性曲曲線線一、輸出特性曲線一、輸出特性曲線予夾斷曲線予夾斷曲線

23、VGS=0V1V可變電阻區可變電阻區2V3V4V5V夾斷區夾斷區恒流區恒流區iDv DS03.2.1 結結型型場場效效應應管管的的工工作作原原理理一、輸出特性曲線一、輸出特性曲線()|DSDGSVif v 常常數數飽和漏極電流飽和漏極電流VGS(off)夾斷電壓夾斷電壓3.2.1 結結型型場場效效應應管管的的工工作作原原理理二、轉移特性曲線二、轉移特性曲線1. 柵源極間的電阻雖然可達柵源極間的電阻雖然可達107以上，但在以上，但在某些場合仍不夠高。某些場合仍不夠高。3. 柵源極間的柵源極間的PN結加正向電壓時，將出現結加正向電壓時，將出現較大的柵極電流。較大的柵極電流。絕緣柵場效應管可以很好地

24、解決這些問題。絕緣柵場效應管可以很好地解決這些問題。2. 在高溫下，在高溫下，PN結的反向電流增大，柵源結的反向電流增大，柵源極間的電阻會顯著下降。極間的電阻會顯著下降。結型場效應管的缺點結型場效應管的缺點綜上分析可知綜上分析可知 場效應管溝道中只有一種類型的多數載流子場效應管溝道中只有一種類型的多數載流子參與導電，所以場效應管也稱為單極型三極管參與導電，所以場效應管也稱為單極型三極管。 場效應管是電壓控制電流器件，恒流區場效應管是電壓控制電流器件，恒流區iD受受vGS控制。控制。 預夾斷前預夾斷前iD與與vDS呈近似線性關系；預夾斷后，呈近似線性關系；預夾斷后， iD趨于飽和。趨于飽和。 J

25、FET柵極與溝道間的柵極與溝道間的PN結是反向偏置結是反向偏置的，的，MOSFET柵極與溝道間柵極與溝道間絕緣絕緣，因此，因此iG 0，輸入，輸入電阻很高。電阻很高。增強型增強型MOS管象雙極型三極管一樣有一個開啟電壓管象雙極型三極管一樣有一個開啟電壓VGS(th) (VT)，（相當于三極管死區電壓）。（相當于三極管死區電壓）。當當 |VGS| 低于低于 |VGS(th) | 時，漏源之間無溝道，時，漏源之間無溝道，iD=0。|VGS|高于高于 |VGS(th) | 時時，形成反型層，漏源之間加電壓后，形成反型層，漏源之間加電壓后,()DSGSGS thvvv 當當 時時，工工作作在在可可變變

26、電電阻阻區區()DSGSGS thvvv 當當 時時，工工作作在在恒恒流流區區. .耗盡型耗盡型場效應管的工作原理與場效應管的工作原理與結型結型場效應管類似。場效應管類似。返回返回結構結構VDMOS和和IGBT管自學管自學分析場效應管放大電路的要點分析場效應管放大電路的要點分析方法與雙極型管放大電路相同，仍分析方法與雙極型管放大電路相同，仍然是先靜態后動態，既可以使用圖解法又然是先靜態后動態，既可以使用圖解法又可以使用等效電路法。可以使用等效電路法。注意偏置電路的設置（對于不同的場效注意偏置電路的設置（對于不同的場效應管來說有不同的設置需求）。應管來說有不同的設置需求）。由于由于柵極電流為零柵

27、極電流為零，因此在等效模型中，因此在等效模型中的柵極為懸空。受控電流源所反映的為柵的柵極為懸空。受控電流源所反映的為柵源電壓對漏極電流的控制作用。源電壓對漏極電流的控制作用。3.4.1 場效應管的模型場效應管的模型一、一、MOS場效應管的微變信號模型場效應管的微變信號模型等效電容示意圖等效電容示意圖一、一、MOS場效應管的微變信號模型場效應管的微變信號模型飽和區微變信號模型飽和區微變信號模型3.4.1 場場效效應應管管的的模模型型dsrbmbbsg Vmgsg VdIsdgsVgsbsV飽和區低頻微變信號模型飽和區低頻微變信號模型3.4.1 場場效效應應管管的的模模型型一、一、MOS場效應管的

28、微變信號模型場效應管的微變信號模型mbmgg dsrbmgsg VdIdgsVgs飽和區低頻微變信號模型（源極與襯底短連）飽和區低頻微變信號模型（源極與襯底短連）3.4.1 場場效效應應管管的的模模型型一、一、MOS場效應管的微變信號模型場效應管的微變信號模型dsrbm gsg VdIdgsVgs恒流區低頻微變信號模型恒流區低頻微變信號模型3.4.1 場場效效應應管管的的模模型型一、一、MOS場效應管的微變信號模型場效應管的微變信號模型gsVgdCgsCmgsg VgsdsrdId3.4.1 場場效效應應管管的的模模型型二、二、結型結型場效應管的微變信號模型場效應管的微變信號模型飽和區微變信號

29、模型飽和區微變信號模型gsVmgsg VgsdsrdId3.4.1 場場效效應應管管的的模模型型二、二、結型結型場效應管的微變信號模型場效應管的微變信號模型飽和區低頻微變信號模型飽和區低頻微變信號模型所謂偏置，就是給器件加一定的電壓所謂偏置，就是給器件加一定的電壓( (或電或電流流) )，使其工作點偏離原點，以便器件能夠在，使其工作點偏離原點，以便器件能夠在電路中按照人們的要求工作。對于放大運用來電路中按照人們的要求工作。對于放大運用來說，器件應工作于放大說，器件應工作于放大( (恒流，飽和恒流，飽和) )區。區。當大信號工作時，靜態工作點的位置及動態當大信號工作時，靜態工作點的位置及動態運用

30、的范圍影響非線性失真。運用的范圍影響非線性失真。當小信號運用時，只要是在放大區，靜態工當小信號運用時，只要是在放大區，靜態工作點的位置并不影響非線性失真，但將影響放作點的位置并不影響非線性失真，但將影響放大量大量( (動態范圍動態范圍) )和功率消耗。和功率消耗。偏置電路應兼顧靜態工作點的穩定、功率消偏置電路應兼顧靜態工作點的穩定、功率消耗。大信號運用時，靜態工作點的不穩定還影耗。大信號運用時，靜態工作點的不穩定還影響動態運用范圍和功率損耗，后者將牽涉到器響動態運用范圍和功率損耗，后者將牽涉到器件的安全運用。件的安全運用。3.4.2 場效應管的直流偏置電路場效應管的直流偏置電路GDSBDDVo

31、vivDR1R2RGCSRIDQ一、分壓式偏置一、分壓式偏置212GQDDRVVRR212GSQDDDQSRVVIRRR2()(1)2)pGSDQGSQDSthQkWVILVV SQDQSVIR2()()2DQGSpGSQthkWIVVL()DSQDDDQDSVVIRR 3.4.2 場場效效應應管管的的直直流流偏偏置置電電路路GDSBDDVovivDR1R2RGCSRIDQ一、分壓式偏置一、分壓式偏置3.4.2 場場效效應應管管的的直直流流偏偏置置電電路路該電路產生的柵源電壓可正可負，所以適用該電路產生的柵源電壓可正可負，所以適用于所有的場效應管電路。但是于所有的場效應管電路。但是對結型管必須

32、對結型管必須保證保證gs間反偏間反偏。管子狀態的分析過程與三極管類似，即管子狀態的分析過程與三極管類似，即先假定管子處于飽和（恒流）狀態并展先假定管子處于飽和（恒流）狀態并展開分析看結果是否一致。開分析看結果是否一致。對不同類型的管子，處于對不同類型的管子，處于飽和狀態時飽和狀態時N N溝道增強型溝道增強型N N溝道耗盡型溝道耗盡型N N溝道結型溝道結型P P溝道型管溝道型管GSQGS(th)0VVDSQGSQGS(th) VVVGS(off)0V 電源電壓應為電源電壓應為負值。負值。VGS可為正、負或可為正、負或0，但必須，但必須GS(off)0V GS(off)GSQ0 VVDSQGSQG

33、S(off)VVV一、分壓式偏置一、分壓式偏置3.4.2 場場效效應應管管的的直直流流偏偏置置電電路路GSQGS(off)VV DSQGSQGS(off)VVV二、二、自偏壓電路自偏壓電路VGSQ =- IDQR 已知已知VGS(off) 及及IDSS,由由注意：注意：1、該電路只適用于、該電路只適用于VGS=0時就有溝道的管子；時就有溝道的管子；2、該電路只能產生、該電路只能產生負的柵源負的柵源電壓，所以只能用于需要電壓，所以只能用于需要負柵源電壓的負柵源電壓的耗盡型耗盡型管。管。vGSGSDSQ2()DSQ(1)()GGSQDQDSQDDSdoffDQVIRVIVVRIVIR 可解出可解出

34、Q點的點的VGSQ 、 IDQ 、 VDSQ 3.4.2 場場效效應應管管的的直直流流偏偏置置電電路路3.4.3 場效應管基本放大電路場效應管基本放大電路一、基本共源放大電路一、基本共源放大電路sRS2、輸入電阻、輸入電阻3、輸出電阻、輸出電阻mgssigsVVg V R gsms(1)Vg R mgsdoVg V R 忽略忽略 rds, rgs則則mdms 1Vg RAg R 則則)/(g2g1g3iRRRR doRR 由于由于rgs=，則，則1、電壓放大倍數、電壓放大倍數md VAg R 3.4.3 場場效效應應管管基基本本放放大大電電路路一、基本共源放大電路一、基本共源放大電路接有負載時

35、應為接有負載時應為R L=RL/Rd3.4.3 場場效效應應管管基基本本放放大大電電路路一、基本共源放大電路一、基本共源放大電路與共射電路的比較與共射電路的比較mL VAg R 二、二、共柵放大電路共柵放大電路oRisRiRodRiVm(/)vDLAgRRism1Rg oodDD/RRRRoivVAV 3.4.3 場場效效應應管管基基本本放放大大電電路路issis/RRR 三、三、共漏放大電路共漏放大電路3.4.3 場場效效應應管管基基本本放放大大電電路路RS1 1、中頻小信號模型、中頻小信號模型三、三、共漏放大電路共漏放大電路3.4.3 場場效效應應管管基基本本放放大大電電路路RS2、電壓增

36、益、電壓增益3、輸入電阻、輸入電阻mgssL(/)oVg VRR msLmsL(/)1(/)ovigRRgRRVAV 可知可知)/(g2g1g3iRRRR 三、三、共漏放大電路共漏放大電路gsmgssL(/)iVVg VRR1vA 3.4.3 場場效效應應管管基基本本放放大大電電路路RSmgsTRIIg VTsmgsVg VR gsTVV TTmsms1/1/1oVRIgRRg 所以所以由圖有由圖有4 4、輸出電阻、輸出電阻3.4.3 場場效效應應管管基基本本放放大大電電路路三、三、共漏放大電路共漏放大電路RSmb bsg Vmb1 g3.4.3 場場效效應應管管基基本本放放大大電電路路三、三

37、、共漏放大電路共漏放大電路3.4.4 場效應管有源電阻及電流源電路場效應管有源電阻及電流源電路一、一、MOS管有源電阻管有源電阻1 1、增強型、增強型MOSMOS管有源電阻管有源電阻dsmm/(1)1rrgg3.4.4 場效應管有源電阻及電流源電路場效應管有源電阻及電流源電路一、一、MOS管有源電阻管有源電阻2、耗盡型、耗盡型MOS管有源電阻管有源電阻dsrr 也可用也可用P溝道管構成類似電阻。溝道管構成類似電阻。1211()1111() (1)2DRpGSGS thDSIIkWVVVL T T2 2管的管的 ，保證其工作在飽和區保證其工作在飽和區22()2DSGSGS thVVV 20222

38、()2222() (1)2DpGSGS thDSIIkWVVVL 二、二、基本電流源基本電流源3.4.4 場場效效應應管管有有源源電電阻阻及及電電流流源源電電路路0222111(/)(1)(/)(1)DSRDSIWLVIWLV()1()2()12,GS thGS thGS thVVV設設忽略溝道長度調制效應后忽略溝道長度調制效應后( ) ( ) 則有則有0若兩管參數對稱則為鏡像電流源，否若兩管參數對稱則為鏡像電流源，否則為比例電流源則為比例電流源. .02211/RIWLIWL 二、二、基本電流源基本電流源3.4.4 場場效效應應管管有有源源電電阻阻及及電電流流源源電電路路1()/RDDGSr

39、IVVR020011odsvrrII為了提高集成度，通常為了提高集成度，通常用有源電阻代替一般電用有源電阻代替一般電阻阻rR二、二、基本電流源基本電流源3.4.4 場場效效應應管管有有源源電電阻阻及及電電流流源源電電路路三管均工作在飽和區三管均工作在飽和區具有很高的輸出電阻具有很高的輸出電阻由于串聯電流源和威爾由于串聯電流源和威爾遜電流源在輸出回路中遜電流源在輸出回路中串聯有兩個串聯有兩個MOS管且要管且要求兩管均工作于飽和區，求兩管均工作于飽和區，從而在電源電壓一定的從而在電源電壓一定的情況下，減小了輸出端情況下，減小了輸出端電壓的變化范圍。電壓的變化范圍。三、三、威爾遜電流源威爾遜電流源3

40、.4.4 場場效效應應管管有有源源電電阻阻及及電電流流源源電電路路放大管與負載管均為增強型放大管與負載管均為增強型MOSMOS管的放管的放大電路稱為大電路稱為E/EE/E型放大電路。型放大電路。一、一、NMOS管共源（管共源（E/E) )型放大型放大電路電路m1ds1ds2m2mb211(/)oviVAgrrVgg m1gs1g Vds1rds1ds2om2mb211/ooVRrrIggNMOS3.4.5 場場效效應應管管有有源源負負載載放放大大電電路路以增強型以增強型MOSMOS管管( (稱為稱為E E管管) )作為放大管，耗作為放大管，耗盡型盡型MOSMOS管管( (稱為稱為D D管管)

41、)作為負載管的放大電作為負載管的放大電路稱為路稱為E/DE/D放大電路。放大電路。二、二、NMOS管共源（管共源（E/D) )型放大型放大電路電路3.4.5 場場效效應應管管有有源源負負載載放放大大電電路路m1ds1ds2mb21(/)oviVAgrrVg ds1ds2omb21/ooVRrrIg三、三、CMOS共源放大電路共源放大電路CMOS3.4.5 場場效效應應管管有有源源負負載載放放大大電電路路m1ds1ds2(/)oviVAgrrV ds1ds2/oRrr 四、四、CMOS共源放大電路共源放大電路viDRsvsVGG1Di + +2Dioi 12()oDDiii 當兩管參數一致時，當

42、兩管參數一致時，增益加倍增益加倍。m1m2ds1ds2()(/)oviVAggrrV 3.4.5 場場效效應應管管有有源源負負載載放放大大電電路路vs上升，上升，| vGS1 |也上升，也上升，而而| vGS2 | 下降。下降。則則iD1上升，上升， iD2 下降下降ds1ds2/oRrr 場效應管差分放大電路的形式、基場效應管差分放大電路的形式、基本特性及分析方法與本特性及分析方法與BJTBJT差放一樣。差放一樣。場效應管差放具有輸入電阻大、輸場效應管差放具有輸入電阻大、輸入電流小、輸入線性范圍大等優點。入電流小、輸入線性范圍大等優點。場效應管差放通常也有微變增益低、場效應管差放通常也有微變

43、增益低、偏差失調大的缺點偏差失調大的缺點3.4.6 場效應管差分放大電路場效應管差分放大電路一、一、MOS管基本差分管基本差分放大電路放大電路交流通路交流通路電路結構電路結構3.4.6 場場效效應應管管差差分分放放大大電電路路1 1、差模微變增益、差模微變增益11(/)iomdsDVrRVg 222111(/)oooiiiivmdsDVAgrRVVVVVV 一、一、MOS管基本差分管基本差分放大電路放大電路211(/)()2mdsDiiRVVgr 2211(/)()2omdsiDiVVgrRV 3.4.6 場場效效應應管管差差分分放放大大電電路路MOSMOS管差放的傳輸特性與三極管類似。管差放

44、的傳輸特性與三極管類似。其非限幅區范圍比雙極型三極管差放其非限幅區范圍比雙極型三極管差放寬許多。寬許多。2 2、差模傳輸特性、差模傳輸特性3.4.6 場場效效應應管管差差分分放放大大電電路路一、一、MOS管基本差分管基本差分放大電路放大電路共模交流通路：共模交流通路：3 3、共模輸入、共模輸入一、一、MOS管基本差分管基本差分放大電路放大電路3.4.6 場場效效應應管管差差分分放放大大電電路路二、二、MOS管有源負載差分放大電路管有源負載差分放大電路E/EE/E型放大電路型放大電路負載管的微變電阻為負載管的微變電阻為3411/mmgg 1213113/()1/oviimdsmmmVAVVgrg

45、gg 3.4.6 場場效效應應管管差差分分放放大大電電路路以電流源作為有以電流源作為有源負載的源負載的CMOSCMOS差差放。放。34/2DDSSIII12113(/)oviimdsdsVAVVgrr 3.4.6 場場效效應應管管差差分分放放大大電電路路二、二、MOS管有源負載差分放大電路管有源負載差分放大電路以鏡像電流源以鏡像電流源作為有源負載作為有源負載的的CMOSCMOS差放。差放。1224(/)oviimdsdsVAVVgrr 可類比三極管可類比三極管差放電路。差放電路。3.4.6 場場效效應應管管差差分分放放大大電電路路二、二、MOS管有源負載差分放大電路管有源負載差分放大電路用于控

46、制信號的通斷。用于控制信號的通斷。用途用途一個理想的模擬開關：接通時電阻為一個理想的模擬開關：接通時電阻為零，關斷時電阻為無窮大。開關的工零，關斷時電阻為無窮大。開關的工作速度要快且對其它電路的性能的影作速度要快且對其它電路的性能的影響要小。響要小。要求要求實際的模擬開關是由工作在開關狀態實際的模擬開關是由工作在開關狀態的晶體管或場效應管組成，外加控制的晶體管或場效應管組成，外加控制電壓使電壓使晶體管晶體管交替工作在交替工作在飽和區飽和區和和截截止區止區，或使，或使場效應管場效應管交替工作在交替工作在可變可變電阻區電阻區和和截止區截止區。工作狀態工作狀態由于由于N溝道溝道MOS管的導通電阻小，

47、單管的導通電阻小，單管模擬開關一般使用管模擬開關一般使用NMOS管。管。當柵極控制電壓為低電平即當柵極控制電壓為低電平即 時，時，MOSMOS管截止，開關斷開管截止，開關斷開GGLvV當柵極控制電壓為高當柵極控制電壓為高電平即電平即 時，管時，管子子 ，MOSMOS管導通，且由于管導通，且由于負載電阻很大，管子負載電阻很大，管子工作于可變電阻區，工作于可變電阻區，開關閉合開關閉合GGHvV()GSGHIGS thvVvV3.5.1 單管單管MOS模擬開關模擬開關為使開關能正常工作，為使開關能正常工作，MOS管各極管各極之間的電壓必須滿足一定條件。之間的電壓必須滿足一定條件。漏極與襯底、源極與襯

48、漏極與襯底、源極與襯底之間的底之間的PN結要保持結要保持反偏狀態，所以圖中反偏狀態，所以圖中MOS管的襯底接地，管的襯底接地，且不能輸入負電位信號且不能輸入負電位信號柵極所加控制電壓的高柵極所加控制電壓的高低電平與輸入信號低電平與輸入信號 的的變化范圍要配合得當，變化范圍要配合得當，以保證以保證MOS管可靠的管可靠的通或斷通或斷Iv0IGHthvVV開關的輸入端與輸開關的輸入端與輸出端可以互易使用出端可以互易使用3.5.1 單管單管MOS模擬開關模擬開關單管單管MOS開關的缺點：開關的缺點：在開關的接通狀態，接通電阻隨輸入信在開關的接通狀態，接通電阻隨輸入信號變化較大。號變化較大。3.5.1

49、單管單管MOS模擬開關模擬開關3.5.2 CMOS模擬開關模擬開關CMOS傳輸門由傳輸門由N溝道增強型溝道增強型MOS管和管和P溝道增強型溝道增強型MOS管并接構成。兩管源極和管并接構成。兩管源極和漏極分別接在一起，并分別作為信號的輸漏極分別接在一起，并分別作為信號的輸入、輸出端。兩管柵極施加反相的控制信入、輸出端。兩管柵極施加反相的控制信號，其高電平為號，其高電平為VDD，低電平為零。，低電平為零。一、一、CMOS傳輸門傳輸門IvOv0DDV0DDV1T2TCCDDV二、二、CMOS模擬開關模擬開關當控制信號為高電平時當控制信號為高電平時當控制信號為低電平時當控制信號為低電平時CMOSCMOS傳輸門也可實現信號的可控傳輸傳輸門也可實現信號的可控傳輸輸入輸出端可互換使用。輸入輸出端可互換使用。3.5.2 CMOS模模擬擬開開關關由由CMOS傳輸門傳輸門(T1、T2)和和CMOS反相器反相器(T3、T4)組成。組成。T1、T2兩管的柵極施加反兩管的柵極施加反相的控制信號，使之開關工作。相的控制信號，使之開關工作。CMOS模擬開關擴大了輸入信號的幅度范模擬開關擴大了輸入信號的幅度范圍圍,同時又保持了較小的導通電阻及其變化。同時又保持了較小的導通電阻及其變化。二、二、CMOS模擬開關模擬開關3.5.2 CMOS模模擬擬開開關