模拟电路学习笔记

前言

本笔记将从第二章——场效应管与三极管开始，默认读者具有一定PN结和二极管知识。

本笔记最大目的是服务自己，也希望能帮到点进来的、有困惑的你。

2022-10-13

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2.1 场效应晶体管

Field Effect Transistor，FET，包含JEFT（结型场效应管）/IGFET（绝缘栅型场效应管）

只有一种载流子参与工作，又称为单极性晶体管。

2.2 结型场效应管

2.2.1 结型场效应管的结构

P型半导体的参杂浓度高于N型，形成PN结。

P型半导体两端引出到一个电极，即Gate栅极

中间的沟道，下面是Source源极，上面是Drain漏极

（根据名字可以联想到一副画面，P型半导体构成两个栅栏，中间是一条N沟道，由源级流向漏极）

2.2.2 结型场效应管的电路符号

2.2.3 结型场效应管的工作原理

（1）UGS对沟道的控制作用

a. 当VGS=0，导电沟道最宽，iD最大

b. 当VGS负向增大时，PN结反偏，耗尽层变宽，导电沟道变窄，沟道电阻增大，iD减小。

c. 当VGS负向增大到一定值时，沟道会完全合拢，iD几乎为0。

此时的VGS成为VGS（off）——夹断电压。

（2）UDS对沟道的控制作用

a. 当UDS=0时，iD=0。

b. 当UDS正向增大，iD增大。但由于VD增大，VG、VS不变，靠近漏极的PN结反偏电压增大，所以靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，呈楔形分布

c. 当UDS继续正向增大，使UGD=UGS-UDS=UGS(off）时，在靠近漏极处夹断——预夹断。

此时iD达到最大值。

d. 当UDS再继续正向增大，预夹断点下移。沟道电阻增大，增加的压降几乎都加到了沟道电阻上，iD几乎不变。

2.2.4 结型场效应管的大信号分析（特性曲线）

特性曲线，是描述各级电流与极间电压关系的曲线（i-U)，通常研究输出特性曲线（i入-U入）和输入特性曲线（i出-U出）

在结型场效应管中，由于VGS一般都一直加反向电压，PN结反向偏置，从而iG几乎等于0。

所以选择研究转移特性曲线（i出-U入）和输出特性曲线（i出-U出）。

在结型场效应管中，转移特性曲线为

输出特性曲线为

2.2.4.1 结型场效应管的转移特性曲线：

分析：a. UGS=0时，iD最大，取为IDSS。当UGS反向增大，iD逐渐减小，当UGS反向增大至UGS（off）时，iD=0。

           b. 当UDS增大时，iD增大，曲线上移。但是UGS（off）不变。（UGS（off）应该是二极管的特性值）

2.2.4.2 结型场效应管的输出特性曲线：

根据上文的JEFT工作原理分析，可得输出特性曲线的图像如上。

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2.2.4.2.1 结型场效应管的输出特性曲线的区域分析：

a. 恒流区：iD几乎不变，只受UGS控制（电压控制的电流源）

                且

               另，可以根据输出特性曲线画出转移特性曲线，

在恒流区，取UDS为某一定值，可绘出对应的转移特性曲线。

如果UDS取在了可变电阻区，转移特性曲线会下移。越靠近原点，曲线越低。

所以只有恒流区的iD和UGS才满足上述关系式。即无论VDS为何值，只呈现出唯一转移特性曲线。

b. 可变电阻区：

直流电阻和交流等效电阻均很小，VDS也接近于0，可将漏源之间看作短路。

c. 截止区：

UGS<UGSoff，输出电流iD几乎为0，可将漏源之间看作开路。

d. 击穿区：

VDS过大了，一般不用。

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2.3 绝缘栅型场效应管

2.3.1 绝缘栅型场效应管（IGEFT） 

利用半导体表面的电场效应进行工作，最常用的是金属氧化物半导体MOSFET（Metal Oxide Semiconductor FET)

优点：iG更小了；制造工艺简单；热稳定性好

2.3.2 MOSFET分类

1）N沟道和P沟道

2）增强型和耗尽型

2.3.3 MOSFET 结构图

N沟道的参杂浓度高。

从N沟道引出源极和漏极（同JEFT）

箭头代表外P内N，所以电流向里流。

2.3.4 MOSFET工作原理。

2.3.4.1 UGS对沟道的控制

（即转移特性曲线）（以N沟道增强型MOSFET为例）

a. 当UGS=0时，漏源之间相当于两个背靠背的二极管，即使有UDS，也不会形成电流iD。

b. 当UGS>0时，gb方向产生一个纵向电场，将多子空穴向下排斥、少子电子向上吸引，形成一个耗尽层。

c. 当UGS继续正向增大，直至≥UGS(th)，形成导电沟道。此时若UDS>0，则可形成电流iD。

从而可以绘制出转移特性曲线（iD-UGS)

2.3.4.2 UDS对沟道的控制

（即输出特性曲线）（以N沟道增强型MOSFET为例）

a. 当UDS=0，iD=0

b. 当UDS正向增大，iD增大

c. 当UDS增大到UDS=UGS-UGS（th）时，由于UG、US不变，UD增大，所以靠近漏极的沟道会出现预夹断。

d. 当UDS继续增大，预夹断点左移，沟道电阻增大，同JEFT有：增加的压降几乎都加到了沟道电阻上，所以iD几乎不变。

e. 当增大UGS，沟道宽度增大，iD增大；当减小UGS，沟道宽度减小，iD减小；

从而可以绘制出输出特性曲线

2.3.4.2.1 输出特性曲线的区域分析：

a. 恒流区（UGD<UGSth）：iD几乎不变，只受UGS控制（电压控制的电流源）

且

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沟道调制效应

由于漏端夹断区宽度增加，造成实际沟道长度减小（即沟道电阻减小），而沟道两端的电压不变，使得电流增大。

设沟道调制系数为λ，λ=1/UA，UA为厄尔利电压。

λ越小，厄尔利电压越大，曲线越平坦，恒流源特性越明显。

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考虑沟道调制效应后，恒流区的方程为：

一般UA很大，λ很小，所以忽略λ影响后的方程为：（需要掌握）

前面的μ、C为常数，W、L在MOSFET立体图中有提到，是管子的宽度和两个N沟道之间的长度。

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b. 可变电阻区：

可变电阻区的转移特性曲线会受到UGS的影响，呈现出不同曲线（同JEFT）

其方程为：（不需要掌握）

c. 截止区： UGS<UGS(th)

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2.3.4.3 N沟道耗尽型MOSFET：

在栅极下方的SiO2层中掺入了大量的金属正离子。当UGS=0时，这些正离子已经感应出了反型层，形成了沟道。

2.4 场效应管的参数

2.4.1. 栅极直流输入电阻RGS：

场效应管的输入电阻RGS很高

输入电阻大其实更好

2.4.2. 交流参数

（1）跨导gm：

反映输入电压UGS对输出电流ID的控制作用

当ΔUGS很小时，gm近似为该点切线斜率

a. 对JEFT和N-DMOSFET

（2）输出交流电阻rds

rds=ΔUDS/ΔiD

通过相似，可化为rds=(|UA|+UDSQ)/IDQ

因为|UA|>>UDSQ，所以rds=|UA|/IDQ

输出端可等效为一个受控电流源并联一个输出电阻（为啥是并联，因为电流源串联电阻会使该电阻无意义！）

rds一般非常大

2.4.3 极限参数

（1） 漏源击穿电压：U(BR)DS，一般在20~50V

（2）栅源击穿电压：U(BR)GS

（3）最大功耗：PDM=iD*uDS

虚线往上的都超过了最大功耗，容易造成温度升高

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2.5 场效应管放大电路基础

2.5.1 前言：

2.5.1.1 生活中的信号

通常是交流信号，电路中的信号通常取正弦信号。

（由于傅里叶变换，任何周期函数都可以通过正弦函数叠加得到）

2.5.1.2 对电路参数符号的规定：

2.5.1.3 直流通路和交流通路：

a. 直流通路：只考虑直流电源作用下，直流电流流经的通路（交流电压短路、电感短路、电容开路）

b. 交流通路：

只考虑交流信号，电容的容抗一般很小，直流电源的交流内阻也很小，所以直流电压对地短路、电容短路、电感断路

注意左侧电路图电线交叉处没有打点的地方代表没有相连！

2.5.1.4 静态工作点的作用：

使场效应管进入恒流区工作

是放大电路工作的基础（1.提供放大信号的能量来源 2.使管子进入恒流区工作）

（假设没有UDD，将UDD接地，则栅源电压为0，管子截止。此时即使加入交流小信号ui，也无法使管子导通（因为ui很小），从而无法产生输出电流iD和输出电压uo）

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2.5.2 放大原理分析：

a. ui=0，各点电压电流恒定。（加圈的UDD等价于直流电源UDD和地相连）

（此时为静态工作点）

此时通过UDD，以及各处电阻，使得UGS>UGSth，UDS>UDSoff，即管子进入恒流区。

b. ui≠0时，UGS=UGSQ+ui，再通过C2隔直通交，将交流电压ui输出，输出的uo比ui大。

即达到了放大ui的目的。

从图中可见，输出电压uo比ui大（uo与ui反相是因为，uDS=UDD-iD*RD, 所以uDS与iD反相，uo是uDS的交流成分，所以也反向）

放大的基本原则：

1. 提供合适的直流电源，设置合适的工作点（否则会无法产生合适的波形、造成失真，后面会讲）

2. 输入信号作用在g-s回路（只有输入电压g-s才能在恒流区控制输出电流iD)

3. 设置合理的信号通路（电容设置合理，才能在交流通路中视作短路）

2.6 场效应管放大电路的静态分析

2.6.1 放大状态下的直流偏置电路

1） 保证场效应管工作在恒流区；

2） 偏置下的工作点在环境温度变化时，也要保持在恒流区

2.6.1.2 常用的两种偏置电路

1）自给偏压式

a. 刚开始工作时，UGS=0。（所以只适合JEFT和N-DMOSFET）

b. 电路存在负反馈机制，保持电路Q点的恒定。

解析：当IDQ增加，ISQ也增加，从而USQ增加，UGSQ负向增大，根据iD与UGS的曲线可知，IDQ会下降。

2）混合偏压式

分压式偏置（通过调节RG1和RG2以及UD的值，使管子进入放大偏置状态）。三种场效应管都适用。分压式偏置也有负反馈的优点。

2.6.2 静态工作点的求解（IDQ、UGSQ、UDSQ）

1）解析法

第一个式子：因为iG=0 所以UG就是R2的分压

第二个式子：ISQ就是输出电流IDQ

第三个式子：UGSQ和IDQ都未知，因此还需要再联立一个方程（该方程需要记忆！）

值得注意的是，最终可能求解出两个IDQ的值，因此需要再算出UGSQ的值，舍去|UGSQ|>|UGSoff|的值

最终，UDSQ=UDD-IDQ(RD+RS)

2）图解法：

a. 自给分压式：

首先列出iD-UGS的方程：

然后做出iD-UGS的图线：

交点即为静态工作点Q

（N-EMOSFET无交点说明其不适用于自给分压式偏置电路）

b. 混合偏置式：

同理，列方程联立得交点。（当斜率过大，N-DMOSFET会不适用）

c. 输出特性曲线下的图解法

首先，求出iD-UDS的直流负载方程：

然后，在输出特性曲线上作出该方程的直线

直流工作状态下的动态分析：

a. 若R1增大，则直流负载线无变化，但UGS分压减小，所以输出特性曲线下移，Q点沿直流负载线下移。若R1减小，UGS分压增大，Q点沿直流负载线上移。R2与R1同理但是影响相反。

b. 若RD增大，则直流负载线与纵轴的交点下移，即Q点沿输出特性曲线左移。

若RD减小，则则直流负载线与纵轴的交点上移，即Q点沿输出特性曲线右移。

RS与RD同理且影响相同。

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2.7 场效应管工作状态的判断方法：

1）判断是否进入截止区

a. UDD<UGSth，则管子截止，UGS=UDD=UDS

b. UDD>=UGSth，则管子导通

2）判断进入恒流区or可变电阻区：

假设法：假设进入恒流区，则有如下方程

联立可得UGS、iD，进而可得UDS，最后可解出UGD

a. 若UGD<UGSth，则靠近漏极处的沟道夹断，处于恒流区

a. 若UGD>=UGSth，则靠近漏极处的沟道没有夹断，处于可变电阻区

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2.8 场效应管放大电路的交流图解分析

前言：静态分析与动态分析：

交流图解分析：

2.8.1 转移特性曲线解析

由于ugs足够小，所以Q点曲线近似线性。因此iD也输出一个正弦的小交流电流。

2.8.2 输出特性曲线解析

由于，此时UDS会有交流信号增加（uDS=UDSQ+uds），所以直流负载线需要改化成交流负载线了。

根据交流通路有，

交流负载线(iD-uDS)特点：

1. 经过Q点

2. 斜率 k = -1/RL'

2.8.3 交流放大电路特点：

1. 叠加交流信号后，场效应管各极电流方向、极间电压极性与静态工作时相同。

2. 放大器的输出与输入信号反相。

3. 直流量保证了交流量的不失真。

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2.9 场效应管放大电路的动态范围和线性失真：

Q点需要设置在恒流区的中点以保证不引起波形失真。

2.9.1 非线性失真

1）如果Q点设置过低——截止失真

可见，uGS可能会导致管子截止，从而iD在下半周出现“削底”的现象。

从而uDS在上半周出现“胖顶”的现象。

2）如果Q点设置过高——可变电阻区失真

当Q点过高，动态工作点会进入可变电阻区。在可变电阻区里，gm较小，也就是即使变化较大的ugs，iD的变化会很小，输出电流iD出现“胖顶”，相应的输出电压出现“削底”现象（底部限幅）。

总结，非线性失真：当输入某一频率的正弦信号，输出波形中除基波Im，还有一定数量的谐波（频率与基波不同），则该失真为非线性失真。它是由于放大电路中的非线性器件引起（场效应管就是一种非线性器件）

刚才的截止失真和饱和失真都属于非线性失真。

2.9.2 放大电路的输出范围：

1）受截止失真限制，其最大不失真输出电压的幅度为

2）受可变电阻区失真限制，其最大不失真输出电压的幅度为