模拟电子电路第4章答案

解：耗尽型场效应管在制造过程中预先在衬底的顶部形成了一个沟道，连通了源区和漏区，也就是说，耗尽型场效应管不用外加电压产生沟道。而增强型场效应管需要外加电压VGS产生沟道。

随着VSG逐渐增大，栅极下面的衬底表面会积聚越来越多的空穴，当空穴数量达到一定时，栅极下面的衬底表面空穴浓度会超过电子浓度，从而形成了一个“新的P型区”，它连接源区和漏区。如果此时在源极和漏极之间加上一个负电压VDS，那么空穴就会沿着新的P型区定向地从源区向漏区移动，从而形成电流，把该电流称为漏极电流，记为iD。当vSG一定，而vSD持续增大时，则相应的vDG减小，近漏极端的沟道深度进一步减小，直至vDGVt，沟道预夹断，进入饱和区。电流iD不再随vSD的变化而变化，而是一个恒定值。

= 50μA/V2，Vt = 1V，以及W/L = 10。求下列情况下4.2 考虑一个N沟道MOSFET，其kn的漏极电流：

（1）VGS = 5V且VDS = 1V； （2）VGS = 2V且VDS = 1.2V； （3）VGS = 0.5V且VDS = 0.2V； （4）VGS = VDS = 5V。

(1) 根据条件vGSVt，vDSvGSVt，该场效应管工作在变阻区。

2WvGSVtvDS1vDSiDkn=1.75mA

L2(2) 根据条件vGSVt，vDSvGSVt，该场效应管工作在饱和区。

2WvGSVt=0.25mA iD1kn2L(3) 根据条件vGSVt，该场效应管工作在截止区，iD0

(4) 根据条件vGSVt，vDSvGSVt，该场效应管工作在饱和区

2WvGSVt=4mA iD1kn2L

4.3 由实验测得两种场效应管具有如图题4.1所示的输出特性曲线，试判断它们的类型，并确定夹断电压或开启电压值。

图题4.1

图（a）P沟道耗尽型 图 (b) P沟道增强型

4.4 一个NMOS晶体管有Vt = 1V。当VGS = 2V时，求得电阻rDS为1k。为了使rDS = 500，则VGS为多少？当晶体管的W为原W的二分之一时，求其相应的电阻值。

WvGSVtvDS 解：由题目可知，该晶体管工作在变阻区，则有iDknLv1 rDSDSiDWvGSVtknLW1mAV2 当rDS1k时，代入上式可得knL1则rDS1k时，0.5kvGSVt2VvGS3V mA12vGSVtV当晶体管的W为原W的二分之一时，当VGS = 2V时，rDS2k

当晶体管的W为原W的二分之一时，当VGS = 3V时，rDS1k 4.5 （1）画出P沟道结型场效应管的基本结构。

（2）漏极和源极之间加上适当的偏置，画出VGS = 0V时的耗尽区，并简述工作原理。 解：（1）

(2)

D耗尽层GNNp型S 4.6 用欧姆表的两测试棒分别连接JFET的漏极和源极，测得阻值为R1，然后将红棒（接负电压）同时与栅极相连，发现欧姆表上阻值仍近似为R1，再将黑棒（接正电压）同时与栅极相连，得欧姆表上阻值为R2，且R2>> R1，试确定该场效应管为N沟道还是P沟道。

解：vGS0时，低阻抗，vGS0时，高阻抗，即vGS0时导通，所以该管为P沟道JFET。

=100μA/V2。4.7 在图题4.2所示电路中，晶体管VT1和VT2有Vt = 1V，工艺互导参数kn假定 = 0，求下列情况下V1、V2和V3的值：

（1）(W/L)1 = (W/L)2 = 20； （2）(W/L)1 = 1.5(W/L)2 = 20。

图题4.2

（1） 解：因为(W/L)1 = (W/L)2 = 20；电路左右完全对称，则ID1ID250A

则有V1V25VID120k4V

VGD4VVt，可得该电路两管工作在饱和区。则有：

2WVGSVtVGS1.22V ID1kn2LV3Vs1.22V

（2） 解：因为(W/L)1 = 1.5(W/L)2 = 20，ID11.5，同时ID1ID2100A ID2可求得：ID160A,ID240A

则有V15VID120k3.8V，V25VID220k4.2V

VGD13.8VVt，VGD24.2VVt可得该电路两管工作在饱和区。则有：

WID11kn2L1VGSVt2VGS1.245V

V3Vs1.245V

(W/L)=0.5mA/V2，Vt2V 4.8 场效应管放大器如图题4.3所示。kn（1）计算静态工作点Q； （2）求Av、Avs、Ri和Ro。

2

图题4.3

解：（1）VG0，VGSVS18IDRS182ID 考虑到放大器应用中，场效应管应工作在饱和区，则有：

2WVGSVt ID1kn2L217ID0 代入上式可得：ID解得ID111.35mA，ID25.65mA，当ID111.35mA时场效应管截止。

因此，IDID25.65mA，VGS1811.36.7V，VD1825.656.7V，

VDS6.7(6.7)13.4V

(2) gm2ID11.32.4ms，忽略厄尔利效应 VOV4.7AvRivogmRD//RL4.36 viviRG100k iiRiA3.96

RiRsigvAvsRoRD2k

(W/L)=0.5mA/V2求： 4.9 图题4.4所示电路中FET的Vt1V，静态时IDQ = 0.mA，kn（1）源极电阻R应选多大？

（2）电压放大倍数Av、输入电阻Ri、输出电阻Ro； （3）若C3虚焊开路，则Av、Ri、Ro为多少？

图题4.4 解：（1）VG181006V

2001002WVGSVtVGS2.6V ID1kn2LVSVGVGS2.4V

RVS3.75k IDQ(2) gm2ID0.8ms，忽略厄尔利效应 VOVAvRivogmRD//RL4.8 viviRG(100k200k)10M iigR//RLvo=1.2 mDvi1gmRRoRD10k

（3）AvRiviRG(100k200k)10M iiRoRD10k

4.10 共源放大电路如图题4.5所示，已知MOSFET的μnCoxW/2L = 0.25mA/V2，Vt2V，ro80k，各电容对信号可视为短路，试求：

（1）静态IDQ、VGSQ和VDSQ； （2）Av、Ri和Ro。

2Vss(-30V)

图题4.5 解：（1）VG0，VGSVS30IDRS302ID 考虑到放大器应用中，场效应管应工作在饱和区，则有：

2WVGSVt ID1kn2L229ID1960 代入上式可得：ID解得ID118.25mA，ID210.75mA，当ID118.25mA时场效应管截止。

因此，IDID210.75mA，VGS302*10.758.5V，VD30210.758.5V，

VDS8.5(8.5)17V

(2) gm2ID11.33.3ms，忽略厄尔利效应 VOV4.7AvgR//RLvomD0.87 vi1gmRRiviRG1M iiRoRD2k

4.11 对于图题4.6所示的固定偏置电路： （1）用数学方法确定IDQ和VGSQ； （2）求VS、VD、VG的值。

Vt

图题4.6 解：（1）VGS3V

V假设该JFET工作在饱和区，则有IDIDSS1GSID1.1mA

Vt(2) VS0V，VD162.2ID13.58V， VG3V

24.12 对于图题4.7所示的分压偏置电路，VD=9V，求： （1）ID； （2）VS和VDS； （3）VG和VGS。

Vt

图题4.7

VG201102.16V，VGSVGVS2.161.1ID

110910VIDIDSS1GSID3.31mA或8.01mA(舍去）

Vt则VGSVGVS2.161.1ID=-1.48V, 则VS1.1ID3.V

2VDSVDVS(202.2ID)3.9.07V

4.13 如图题4.8所示，求该放大器电路的小信号电压增益、输入电阻和最大允许输入信号。

(W/L)=0.25mA/V2，VA = 50A。假定耦合电容足够大使得在所关注的信该晶体管有Vt = 1.5V，kn号频率上相当于短路。

图题4.8

iivsigvgsvOroRDRLgmvgsRi解：等效电路如图所示VGSVDSVD1510ID

WVGSVtID1.06mA或1.72mA(舍去）ID1kn

2L则VGSVD4.4V

2gm2ID0.725ms VOVvogmro//RD//RL3.3 vi因RG10M，其上的交流电流可以忽略，则

Av为了计算输入电阻，先考虑输入电流（此处也可用密勒定理），

vvvvviioii1o4.3i

RGRGviRGRiviRG2.33M ii4.3最大允许输入信号需根据场效应管工作在饱和区条件来确定， 即vDSvGSVt， 即vDS（min)vGS(max)Vt

VDSAvviVGSviVtvi0.34V

(W/L)=1mA/V2，VGS = 4V，VDD = 4.14 考虑图题4.9所示的FET放大器，其中，Vt = 2V，kn10V，以及RD=3.6k。

（1）求直流分量ID和VD； （2）计算偏置点处的gm值； （3）计算电压增益值Av；

（4）如果该MOSFET有 = 0.01V−1，求偏置点处的ro以及计算源电压增益Avs。

图题4.9

2WVGSVtID2mA 解：（1）ID1kn2L则VDVDDIDRD2.8V （2）gm（3）Av2ID2ms VOVvogmRD7.2 vi（4）ro150k

ID AvsRiAgmRD//ro7.2

RiRsigv(W/L)=2mA/V2。 4.15 图题4.10所示为分压式偏置电路，该晶体管有Vt = 1V，kn（1）求ID、VGS；

（2）如果VA = 100V，求gm和ro；

（3）假设对于信号频率所有的电容相当于短路，画出该放大器完整的小信号等效电路； （4）求Ri、Ro、vo/vgs以及vo/vsig。

图题4.10

解：（1）假设该电路工作在饱和区，则有

VG1555V，VGSVGVS53ID

1052WVGSVtID1mA，则VGSVGVS53ID2V ID1kn2L2IV (2) gmD2ms，roA100k

VOVID (3)

Rsigiiig010MvOro7.5k10kvsigvi5MvgsgmvgsRi（4）Ri RoRoviRG1//RG2RG3.33M ii

vtitvsig0RL∞ro//RD100k//7.5k7k

Avvovogmro//RD//RL8.2 vivgsGvvoRGRiAvgr//RD//RL2.03 vsigRiRsigRGRsigmo4.16 设计图题4.11所示P沟道EMOSFET电路中的RS、RD。要求器件工作在饱和区，且

ID = 0.5mA，VDS = −1.5V，VG2V。已知μpCoxW/(2L) = 0.5mA/V2，Vt = −1V，设 = 0。

VDD(5V)RG1RSvoRG2RD

图题4.11

2WVGSVtVGS2V 解：ID1kn2L VSVGVGS4V RDVDVDSVS5k IDIDVDDVS2k IDRS(W/L)=0.25mA/V2并4.17 在图题4.12电路中，NMOS晶体管有|Vt| = 0.9V，VA = 50A，kn且工作在VD = 2V。电压增益vo/vi为多少？假设电流源内阻为50k，求Ri、Ro。

图题4.12

iivsigvgsvOroRDRLgmvgsRi解：

由电路结构可知，该场效应管工作在饱和模式

VG=VD=2V,ID=I=500A

Ro

2ID2*500AV0.91mA/V,roA100k VOV20.9ID因RG10M，其上的交流电流可以忽略，则

vAvogmro//RL8.27

vigmRovtitvsig0RL∞ro//50k//RG33k

为了计算输入电阻，先考虑输入电流（此处也可用密勒定理），

vvvvviioii1o9.27i

RGRGviRGRiRviG1.08M ii9.274.18 对于图题4.13所示的共栅极电路，gm2mA/V： （1）确定Av和Gv；

（2）RL变为2.2k，计算Av和Avs，并说明RL的变化对电压增益有何影响；

（3）Rsig变为0.5k（RL为4.7k），计算Av和Avs，说明Rsig的变化对电压增益有何影响。

18V3.3kΩ5.6FVO4.7kΩRsig1kΩ+5.6FVi1.2kΩVS--18V

图题4.13.

解：（1）等效电路如下图所示

AvvogmvgsRD//RLgmRD//RL=3.88

vivgs

RiGvvi1//RS0.35k iigmRiAv0.353.881

RiRsig0.351vogmvgsRD//RLgmRD//RL=1.52

vivgs(2) RL变为2.2k时，AvAvsRiAv0.353.880.39

RiRsig0.351若RL减小，则Av和Avs均减小，反之亦然。

（3） Rsig变为0.5k（RL为4.7k）时，

gmvgsRD//RLvAvogmRD//RL3.88

vivgsAvsRiAv0.353.881.6

RiRsig0.350.5若Rsig变减小，则Av不变，Avs增加。反之亦然。

4.19 计算图题4.14所示的级联放大器的直流偏置、输入电阻、输出电阻及输出电压。如果输出端负载为10k，计算其负载电压。已知结型场效应管IDSS10mA,Vt4V，输入信号电压有效值为10mV。

VDD(20V)VDD(20V)2.4kΩ0.05F0.05F2.4kΩvo0.05Fvi3.3MΩ680Ω100F3.3MΩ680Ω100F

图题4.14

解：（1）两级放大器具有相同的直流偏置。VG0，VGSVSIDRS0.68ID 考虑到放大器应用中，场效应管应工作在饱和区，则有： VIDIDSS1GSID3.31mA或8.01mA(舍去）

Vt24.4ID100 代入上式可得：0.2ID2解得ID2.8mA，VGS0.682.81.9V， (2) gm2ID5.62.6ms， VOV2.1由于第二级没有负载，则 Av2gmRD6.24

对于第一级放大器，2.4k//3.3M2.4k，可得到相同的增益 则级联放大器的增益为AvAv1Av238.4 输出电压为voAvvi38.410384mV

RiviRG3.3M iiRoRD2.4k

负载10k两端的输出电压为

RL vLvo10384310mV

RORL2.410

(W/L)= 0.8mA/V2，VA = 40V，4.20 图题4.15所示电路中的MOSFET有Vt = 1V，knRG10M，RS35k，RD35k。

（1）求静态工作点IDQ、VGSQ； （2）求偏置点的gm和ro值；

（3）如果节点Z接地，节点X接到内阻为500k的信号源，节点Y接到40k的负载电阻，求从信号源到负载的电压增益、Ri、Ro。

图题4.15

（4）如果节点Y接地，求Z开路时从X到Z的电压增益。该源极跟随器的输出电阻为多少？ 解：（1）该电路工作在饱和区，则有

VG0V，VGSVGVSVS535ID

WVGSVtID0.1mA，则VGSVGVS535ID1.5V ID1kn2L2IV (2) gmD0.4ms，roA400k

VOVID2 (3) 为共源电路，交流小信号等效电路如下：

RiviRG10M ii

RoAvGvvtitvsig0RL∞ro//RD32k

vogmro//RD//RL7.13 viRiAv100007.136.79

RiRsig10000500(5) 为共漏放大器，等效电路如下

Avvoro//RS0.93 vi1ro//RSgm

Roro//RS//12.32k

gm