文章目录

  • 一、金属-氧化物-半导体（MOS）场效应管
    • 1-1 N沟道增强型MOSFET
    • 1-2 N沟道耗尽型MOSFET(非考点)
    • 1-3 P沟道MOSFET(非考点)
    • 1-4 沟道长度调制效应
    • 1-5 MOSFET的主要参数
  • 二、MOSFET基本共源极放大电路
  • 三、图解分析法(定性分析)
  • 四、小信号模型分析法\color{Red}{四、小信号模型分析法}四、小信号模型分析法
  • 五、非考点(暂未总结，之后有时间更新)
    • 5-1 共漏极和共栅极放大电路
    • 5-2 集成电路单极MOSFET放大电路
    • 5-3 多级放大电路
    • 5-4 结型场效应管（JFET）及其放大电路
    • 个人觉得较经典的题目

一、金属-氧化物-半导体（MOS）场效应管

场效应管是一种利用电场效应来控制其电流大小的半导体器件。这种器件不仅兼有体积小,重量轻,耗电省,寿命长等特点,而且还有输人阻抗高、噪声低﹑抗辐射能力强和制造工艺简单等优点。

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三端放大器件
FET
BJT
MOSFET
JFET
N型MOS管
P型MOS管
增强型
耗尽型
增强型
耗尽型
增强型
耗尽型
NPN型
PNP型
  • FET：只有一种载流子
  • MOSFET：结为肖特基势垒栅结
  • JFET：结为PN结

1-1 N沟道增强型MOSFET

（1）结构及电路符号
它以一块掺杂浓度较低、电阻率较高的Р型硅半导体薄片作为衬底,利用扩散的方法在Р型硅中形成两个高掺杂的N+N^+N+区。然后在Р型硅表面生长一层很薄的二氧化硅绝缘层,并在二氧化硅的表面及N+N^+N+区的表面上分别安置三个铝电极–—栅极g、源极s和漏极d,就成了N沟道增强型MOS管。

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对应关系
场效应管
BJT
s极
e极
g极
b极
d极
c极

（2）工作原理

  • vGS=0v_{GS}=0vGS​=0,没有导电沟道
  • vGS≥VTNv_{GS}\geq V_{TN}vGS​≥VTN​,出现导电沟道
    ▶\blacktriangleright▶这种在vGS=0v_{GS} =0vGS​=0时没有导电沟道,而必须依靠栅源电压的作用,才形成感生沟道的FET称为增强型FET。短画线反映此特点。
    ▶\blacktriangleright▶一般把在漏源电压作用下开始导电时的栅源电压vGSv_{GS}vGS​称为开启电压VTNV_{TN}VTN​
    ▶\blacktriangleright▶出现了感生沟道,原来被Р型衬底隔开的两个N+N^+N+区就被感生沟道连通,此时若有漏源电压vDSv_{DS}vDS​，将有漏极电流iDi_{D}iD​产生。
  • 预夹断的临界条件为vGD=vGS−vDS=VTNv_{GD}=v_{GS}-v_{DS}=V_{TN}vGD​=vGS​−vDS​=VTN​或vDS=vGS−VTNv_{DS}=v_{GS}-V_{TN}vDS​=vGS​−VTN​。它也是可变电阻区与饱和区的分界点,常称为临界点。
    （3）I-V特性曲线及特性方程
  • 输出特性及特性方程
    ▶\blacktriangleright▶MOSFET 的输出特性是指在栅源电压vGSv_{GS}vGS​一定的情况下,漏极电流iDi_{D}iD​与漏源电压vDSv_{DS}vDS​之间的关系,即iD=f(vDS)∣vGS=常数i_{D}=f(v_{DS})|_{v_{GS}=常数}iD​=f(vDS​)∣vGS​=常数​

    ▶\blacktriangleright▶截止区：vGS<VTNv_{GS}<V_{TN}vGS​<VTN​，导电沟道尚未形成，iD=0i_{D}=0iD​=0，为截止状态。
    ▶\blacktriangleright▶可变电阻区：vGS>VTNv_{GS}>V_{TN}vGS​>VTN​且vDS≤vGS−VTNv_{DS}\leq v_{GS}-V_{TN}vDS​≤vGS​−VTN​
    iD=Kn[2(vGS−VTN)vDS−vDS2]i_{D}=K_n[2(v_{GS}-V_{TN})v_{DS}-v_{DS}^2]iD​=Kn​[2(vGS​−VTN​)vDS​−vDS2​]
    在特性原点附近，可以忽略vDS2v_{DS}^2vDS2​,iD=2Kn(vGS−VTN)vDSi_{D}=2K_n(v_{GS}-V_{TN})v_{DS}iD​=2Kn​(vGS​−VTN​)vDS​
    ▶\blacktriangleright▶饱和区：vGS≥VTNv_{GS}\geq V_{TN}vGS​≥VTN​且vDS≥vGS−VTNv_{DS}\geq v_{GS}-V_{TN}vDS​≥vGS​−VTN​
    iD=Kn(vGS−VTN)2\color{Red}{i_{D}=K_n(v_{GS}-V_{TN})^2}iD​=Kn​(vGS​−VTN​)2
  • 转移特性

    注意跨导gm的计算\color{Red}{注意跨导g_m的计算}注意跨导gm​的计算

1-2 N沟道耗尽型MOSFET(非考点)

（1）结构和工作原理

  • 二氧化硅绝缘层中掺有大量的正离子，,能在源区(N+N^+N+层)和漏区(N+N^+N+层)的中间Р型衬底上感应出较多的负电荷（电子），形成N沟道,将源区和漏区连通起来,在栅源电压为零时,在正的vDSv_{DS}vDS​作用下,也有较大的漏极电流iDi_{D}iD​由漏极流向源极。
  • 当vGS>0v_{GS}>0vGS​>0时,由于绝缘层的存在,并不会产生栅极电流i, ,而是在沟道中感应出更多的负电荷,使沟道变宽。在同样的vDSv_{DS}vDS​作用下,iDi_{D}iD​将具有更大的数值。
  • 当vcs为负电压到达某值时,以致感应的负电荷(电子)消失,耗尽区扩展到整个沟道,沟道完全被夹断。这时即使有漏源电压vDSv_{DS}vDS​,也不会有漏极电流iDi_{D}iD​。此时的栅源电压称为夹断电压(截止电压)VPNV_{PN}VPN​。
    （2）I-V特性曲线及特性方程

    iD≈IDSS(1−vGSVPN)i_D\approx I_{DSS}(1-\frac{v_{GS}}{V_{PN}})iD​≈IDSS​(1−VPN​vGS​​)

1-3 P沟道MOSFET(非考点)

  • vGS、VTP、iDv_{GS}、V_{TP}、i_{D}vGS​、VTP​、iD​等都是负值。
  • Р沟道增强型MOS管沟道产生的条件为vGS≤VTPv_{GS}\leq V_{TP}vGS​≤VTP​
  • 可变电阻区与饱和区的界线为vDS=vGS−VTPv_{DS}=v_{GS}-V_{TP}vDS​=vGS​−VTP​
  • 可变电阻区：iD=−Kp[2(vGS−VTP)vDS−vDS2]i_{D}=-K_p[2(v_{GS}-V_{TP})v_{DS}-v_{DS}^2]iD​=−Kp​[2(vGS​−VTP​)vDS​−vDS2​]
  • 饱和区：iD=−Kp(vGS−VTP)2i_{D}=-K_p(v_{GS}-V_{TP})^2iD​=−Kp​(vGS​−VTP​)2

1-4 沟道长度调制效应

iD=Kn(vGS−VTN)2（1+λvDS）i_{D}=K_n(v_{GS}-V_{TN})^2（1+\lambda v_{DS}）iD​=Kn​(vGS​−VTN​)2（1+λvDS​）
当不考虑沟道长度调制效应时，λ=0，rds→∞\color{Red}{当不考虑 沟道长度调制效应时，\lambda=0，r_{ds}\to \infty}当不考虑沟道长度调制效应时，λ=0，rds​→∞（计算输出电阻时会用到）

1-5 MOSFET的主要参数

（1）直流参数

  • 开启电压VTNV_{TN}VTN​:增强型MOS管的参数
  • 夹断电压VPNV_{PN}VPN​:耗尽型FET参数
  • 饱和漏极电流IDSSI_{DSS}IDSS​:耗尽型FET参数
  • 直流输入电阻RGSR_{GS}RGS​：在漏源之间短路的条件下,栅源之间加一定电压时的栅源直流电阻就是直流输入电阻RGSR_{GS}RGS​。
    （2）交流参数\color{Red}{交流参数}交流参数
  • 输出电阻rdsr_{ds}rds​
  • 低频互导gmg_mgm​
    （3）极限参数
  • 最大漏极电流IDMI_{DM}IDM​
  • 最大耗散功率PDMP_{DM}PDM​
  • 最大漏源电压VDSV_{DS}VDS​
  • 最大栅源电压VGSV_{GS}VGS​

二、MOSFET基本共源极放大电路


（1）静态

  • 画出放大电路的直流通路,标出各电流、电压
  • 计算静态工作点参数
    ▶\blacktriangleright▶漏极电流iD=Kn(vGS−VTN)2i_{D}=K_n(v_{GS}-V_{TN})^2iD​=Kn​(vGS​−VTN​)2
    ▶\blacktriangleright▶漏源电压VDSQ=VDD−IDQRdV_{DSQ}=V_{DD}-I_{DQ}R_dVDSQ​=VDD​−IDQ​Rd​
    ▶\blacktriangleright▶ 如计算出来的vDSQ>vGSQ−VTNv_{DSQ}>v_{GSQ}-V_{TN}vDSQ​>vGSQ​−VTN​,则说明NMOS管的确工作在饱和区。 如计算出来的vDSQ<vGSQ−VTNv_{DSQ}<v_{GSQ}-V_{TN}vDSQ​<vGSQ​−VTN​,则说明NMOS管的确工作在可变电阻区。

(2)画交流通路的原则是:

  • 对交流信号,电路中内阻很小的直流电压源(如VDDV_{DD}VDD​、VGGV_{GG}VGG​)可视为短路,内阻很大的电流源或恒流源可视为开路;
  • 对一定频率范围内的交流信号,容量较大的电容可视为短路。

三、图解分析法(定性分析)

放大电路的图解分析法和小信号模型分析法可按下列情况进行处理:
(1）用图解法(或计算法)确定静态工作点Q;
(2）当输人信号电压幅度较小,或基本上在特性曲线线性范围内工作,特别是放大电路比较复杂时,可用小信号等效电路来分析;
(3）当输入信号电压幅度较大,MOSFET的工作点可能延伸到器件特性曲线的非线性部分时,就需要用图解法。如要求分析放大电路输出电压的最大不失真幅值,用图解法就比较直观方便。

例4.3.1很详细。如下：
已知电路和场效应管的输出特性分别如图4.3.7a和图4.3.8所示。电路参数为Rg1=160kΩ、Rg1=40kΩ、Rd=10kΩ、RL=40kΩ、VDD=10VR_{g1}=160k\Omega、R_{g1}=40k\Omega、R_{d}=10k\Omega、R_{L}=40k\Omega、V_{DD}=10VRg1​=160kΩ、Rg1​=40kΩ、Rd​=10kΩ、RL​=40kΩ、VDD​=10V①试用图解法作出直流负载线,确定静态工作点Q;②作出交流负载线;③当vi=0.4sinωtVv_i=0.4sin\omega tVvi​=0.4sinωtV时,求出相应的vov_ovo​和电压增益。

解:
（1）直流通路与交流通路：如上图a、b所示。
（2）图解法确定静态工作点Q。vDS=VGSQ−iDRd=10−10iDv_{DS}=V_{GSQ}-i_DR_d=10-10i_DvDS​=VGSQ​−iD​Rd​=10−10iD​
（3）作交流负载线
（4）当vi=0.4sinωtVv_i=0.4sin\omega tVvi​=0.4sinωtV时,求出相应的vov_ovo​和电压增益。

四、小信号模型分析法\color{Red}{四、小信号模型分析法}四、小信号模型分析法

小信号模型中的电流源gmvgsg_mv_{gs}gm​vgs​是受vgsv_{gs}vgs​控制的,当vgs=0v_{gs}=0vgs​=0时,电流源gmvgsg_mv_{gs}gm​vgs​就不存在了,因此称其为受控电流源,它代表FET的栅源电压vgsv_{gs}vgs​对漏极电流的控制作用。电流源的流向由vgsv_{gs}vgs​的正向决定,如图所示。另外,小信号模型中所研究的电压,电流都是变化量,因此,不能用小信号模型来求静态工作点Q,但其参数大小与Q点位置有关。

例：电路如图4.4.3所示,设VDD=5V,Rd=3.9kΩ,Rg1=60kΩ,Rg2=40kΩV_{DD}=5V,R_d=3.9 k\Omega,R_{g1}=60 k\Omega,R_{g2}=40 k\OmegaVDD​=5V,Rd​=3.9kΩ,Rg1​=60kΩ,Rg2​=40kΩ。场效应管的参数为VTN=1V,Kn=0.8mA/V2,λ=0.02V−1V_{TN}=1V,K_n=0.8 mA/V^2,\lambda=0.02V^{-1}VTN​=1V,Kn​=0.8mA/V2,λ=0.02V−1。当MOS管工作于饱和区,试确定电路的静态值、小信号电压增益AvA_vAv​和Ri、RoR_i、R_oRi​、Ro​。
解：
（1）求静态值
VGS=VGSQ=Rg2VDDRg1+Rg2=4040+60×5V=2VV_{GS}=V_{GSQ}=\frac{R_{g2}V_{DD}}{R_{g1}+R_{g2}}=\frac{40}{40+60}×5 V=2 VVGS​=VGSQ​=Rg1​+Rg2​Rg2​VDD​​=40+6040​×5V=2V
IDQ≈Kn(vGS−VTN)2=0.8×(2−1)2mA=0.8mAI_{DQ}\approx K_n(v_{GS}-V_{TN})^2=0.8×(2-1)^2 mA=0.8 mAIDQ​≈Kn​(vGS​−VTN​)2=0.8×(2−1)2mA=0.8mA
VDSQ=VDD−IDQRd=(5−0.8×3.9)V=1.88VV_{DSQ}=V_{DD}-I_{DQ}R_d=(5-0.8×3.9)V=1.88VVDSQ​=VDD​−IDQ​Rd​=(5−0.8×3.9)V=1.88V
（2）求FET的互导和输出电阻
gm=2Kn(vGS−VTN)=2×0.8×(2−1)mS=1.6mS(注意单位)g_m=2 K_n(v_{GS}-V_{TN})=2×0.8×(2-1) mS=1.6 \color{Red}{mS}(注意单位)gm​=2Kn​(vGS​−VTN​)=2×0.8×(2−1)mS=1.6mS(注意单位)
rds=[λKn(vGS−VTN)]−1r_{ds}=[\lambda K_n(v_{GS}-V_{TN})]^{-1}rds​=[λKn​(vGS​−VTN​)]−1
（3）画出电路的小信号等效电路

（4）求电压增益
vo=−gmvgs(rds//Rd)v_o=-g_mv_{gs}(r_{ds}//R_d)vo​=−gm​vgs​(rds​//Rd​)
Av=vovi=−gm(rds//Rd)=−5.87A_v=\frac{v_o}{v_i}=-g_m(r_{ds}//R_d)=-5.87Av​=vi​vo​​=−gm​(rds​//Rd​)=−5.87
（5）求放大电路的输入电阻RiR_iRi​
Ri=viii=Rg1//Rg2=60×4060+40=24kΩR_i=\frac{v_i}{i_i}=R_{g1}//R_{g2}=\frac{60×40}{60+40}=24 k\OmegaRi​=ii​vi​​=Rg1​//Rg2​=60+4060×40​=24kΩ
（6）求放大电路的输出电阻RoR_oRo​
Ro=rds//Rd=62.5×3.962.5+3.9=3.67kΩR_o=r_{ds}//R_d=\frac{62.5×3.9}{62.5+3.9}=3.67 k\OmegaRo​=rds​//Rd​=62.5+3.962.5×3.9​=3.67kΩ

五、非考点(暂未总结，之后有时间更新)

5-1 共漏极和共栅极放大电路

5-2 集成电路单极MOSFET放大电路

5-3 多级放大电路

5-4 结型场效应管（JFET）及其放大电路

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