第五章 场效应管放大电路

1、主要内容及基本要求：主要内容及基本要求：1 1、了解场效应管的基本原理、了解场效应管的基本原理（注意与三极管的相同点和不同点）；（注意与三极管的相同点和不同点）； 2 2、了解场效应管几个工作区的特点、了解场效应管几个工作区的特点（注意与三极管的相同点和不同点）；（注意与三极管的相同点和不同点）；（注意与三极管的相同点和不同点）；（注意与三极管的相同点和不同点）；（注意与三极管的相同点和不同点）。（注意与三极管的相同点和不同点）。场效应管结型场效应管结型场效应管 按照场效应管的结构划分，有结型场效应管和绝缘栅型场效应管两大类。 1.结构结构与双极型晶体管的比较：与双极型晶体管的比较：1、均有三

2、个引脚（极）；2、形状类似；3、都可以实现信号的放大；4、导电原理不同；5、形成电路的特点不同；6、应用场合不同。2.2.工作原理工作原理 N 沟道PN结N沟道场效应管工作时，在栅极栅极与源极源极之间加负电压，栅极与沟道之间的PN结为反偏。 在漏极漏极、源极之间加一定正电压，使N沟道中的多数载流子(电子)由源极向漏极漂移，形成iD。iD的大小受VGS的控制。P沟道场效应管工作时，极性相反，沟道中的多子为空穴。注意： N沟道、P沟道的区别类似于三极管中的NPN管和PNP管，我们讨论较多的是N沟道型的FET栅源电压栅源电压V VGSGS对对i iD D的控制作用的控制作用VGS更负，沟道更窄，ID

3、更小；直至沟道被耗尽层全部覆盖，沟道被夹断， ID0。这时所对应的栅源电压VGS称为夹断电压夹断电压VP。（D、S被断开）漏源电压漏源电压V VDSDS对对i iD D的影响的影响 当VDS增加到多少时最上面的一点会合在一起呢？VDS =|VP |时，在紧靠漏极处出现预夹断点 首先设VGS=0（或保持一恒定值），VDS逐渐增加： 刚开始时随着VDS的增加，电流也基本线性增加； 随VDS增大，电压的不均匀性开始显现，而且这种不均匀性会越来越明显。为什么会这样呢？ 随着VDS的继续增加，夹断区仅略有增加。VP当VDS继续增加时，预夹断点向源极方向伸长为预夹断区。由于预夹断区电阻很大，使主要VDS降

4、落在该区，由此产生的强电场力能把未夹断区漂移到其边界上的载流子都吸至漏极，形成漏极饱和电流。（称为饱和电流的原因）为什么？JFET工作原理（动画2-9)(3)(3)伏安特性曲线输出特性曲线CVDSDGSVfi)(恒流恒流区：(又称饱和区或放大区）又称饱和区或放大区）(2)受控性：输出电流受输入电压vGS控制21VvIiPGSDSSD(1)恒流性：输出电流iD 基本上不受输出电压vDS影响用途：可做放大器和恒流源。条件：(1)栅源沟道未夹断 (2)漏源沟道予夹断 VVPGSVVVPGSDS特点：特点：(3)(3)伏安特性曲线|DGPVVDGDSGSVVV|DSGSPVVVVVVPGSDS预夹断条

5、件：而：即：DSGSPVVV VVVPGSDS所以：可变电阻区可变电阻区特点特点（2）当vGS 为定值时,iD 是 vDS 的（近似）线性函数，管子的漏源间呈现为线性电阻，且其阻值受 vGS 控制。特点特点（1）管压降vDS 很小。用途：用途：做压控线性电阻和无触点的、闭合状态的电子开关。条件：源端与漏端沟道都不夹断 夹断区夹断区 用途：做无触点的、接通状态的电子开关。条件：整个沟道都夹断 VVPGS击穿区击穿区VVDSBRDS)( 当漏源电压增大到 时，漏端PN结发生雪崩击穿，使iD 剧增的区域。其值一般为（20 50）V之间。管子不能在击穿区工作。0iD特点：总结总结： 场效应管在不同的场

6、效应管在不同的v vGSGS 、v vDSDS电压下处在电压下处在不同的工作区中：不同的工作区中：1 1、可变电阻区：、可变电阻区： v vDS DS v v vGSGS-V-VP P 、v vGS GS V VP P3 3、截、截 止止 区：区： v vGS GS V V VBR(DS)BR(DS) 转移特性曲线转移特性曲线CVGSDDSVfi)(输入电压VGS对输出漏极电流ID的控制msgdvdivimQGSDQGSD/21VvIiPGSDSSD22(1)2(1)2|(1)GSDDSSPGSDSSDPmDSSDQGSPPGSQDQDSSPviIVvIdiVgIIdvVVVIIV由公式：有：

7、其中：结型场效应管结型场效应管的特性小结结型场效应管 N沟道耗尽型P沟道耗尽型金属金属- -氧化物氧化物- -半导体场效应管半导体场效应管 绝缘栅型场效应管Metal Oxide Semiconductor MOSFET 分为 增强型 N沟道、P沟道 耗尽型 N沟道、P沟道增强型： 没有导电沟道，。时，00DGSiv。时，00DGSiv耗尽型： 存在导电沟道，N沟道 P沟道 增强型N沟道 P沟道 耗尽型N沟道沟道增强型增强型场效应管场效应管N沟道沟道增强型增强型场效应管场效应管的工作原理的工作原理（1）栅源电压）栅源电压VGS的控制作用的控制作用 当VGS=0V时，因为漏源之间被两个背靠背的

8、PN结隔离，因此，即使在D、S之间加上电压, 在D、S间也不可能形成电流。 当 0VGSVT (开启电压)时，果在衬底表面形成一薄层负离子的耗尽层。漏源间仍无载流子的通道。管子仍不能导通，处于截止状态。通过栅极和衬底间的电容作用，将栅极下方P型衬底表层的空穴向下排斥，同时，使两个N区和衬底中的自由电子吸向衬底表层，并与空穴复合而消失，结（1）.栅源电压栅源电压VGS的控制作用的控制作用的N型沟道。把开始形成反型层的VGS值称为该管的开启电压VT。这时，若在漏源间加电压 VDS，就能产生漏极电流 I D，即管子开启。 VGS值越大，沟道内自由电子越多，沟道电阻越小，在同样 VDS 电压作用下，

9、I D 越大。这样，就实现了输入电压 VGS 对输出电流 I D 的控制。 当VGSVT时，衬底中的电子进一步被吸至栅极下方的P型衬底表层，使衬底表层中的自由电子数量大于空穴数量，该薄层转换为N型半导体，称此为反型层。形成N源区到N漏区VDSI D栅源电压栅源电压VGS对漏极电流对漏极电流ID的控制作用的控制作用2 .2 .漏源电压漏源电压VDS对沟道导电能力的影响对沟道导电能力的影响间电压最小，由此 感生的沟道也最浅。可见，在VDS作用下导电沟道的深度是不均匀的，沟道呈锥形分布。若VDS进一步增大，则漏端沟道消失，出现预夹断点（A点）。A 当VDS增加到使VGD=VT时，漏极处沟道将缩减到刚

10、刚开启的情况，称为预夹断。源区的自由电子在VDS电场力的作用下，仍能沿着沟道向漏端漂移，一旦到达预夹断区的边界处，就能被预夹断区内的电场力扫至漏区，形成漏极电流。 当VDS增加到使VGDVT时，预夹断点向源极端延伸成小的夹断区。由于预夹断区呈现高阻，而未夹断沟道部分为低阻，因此， VDS增加的部分基本上降落在该夹断区内，而沟道中的电场力基本不变，漂移电流基本不变，所以，从漏端沟道出现预夹断点开始， ID基本不随VDS增加而变化。增强型增强型MOSFET的工作原理的工作原理MOSFET的特性曲线特性曲线VVVTGSDS1.1.漏极输出特性曲线漏极输出特性曲线2.转移特性曲线转移特性曲线 VGS对

11、对ID的控制特性的控制特性 转移特性曲线的斜率 gm 的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。 其量纲为mA/V，称gm为跨导。 gm=ID/VGSQ （mS) ID=f(VGS)VDS=常数增强型MOS管特性小结绝缘栅场效应管N沟道增强型P沟道增强型耗尽型MOSFET N沟道耗尽型MOS管，它是在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了大量的金属正离子，在管子制造过程中，这些正离子已经在漏源之间的衬底表面感应出反型层，形成了导电沟道。 因此，使用时无须加开启电压（VGS=0），只要加漏源电压，就会有漏极电流。当VGS0 时，将使ID进一步增加。VGS0时，随着VGS 的减小ID 逐渐减小，直至 I

12、D=0。对应ID=0 的 VGS 值为夹断电压 VP 。耗尽型MOSFET的特性曲线绝缘栅场效应管 N沟道耗尽型P 沟道耗尽型场效应三极管的参数和型号一、一、 场效应三极管的参数场效应三极管的参数1. 开启电压VT开启电压是MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值, 场效应管不能导通。 2. 夹断电压VP 夹断电压是耗尽型FET的参数，当VGS=VP时,漏极 电流为零。 3. 饱和漏极电流IDSS 耗尽型场效应三极管, 当VGS=0时所对应的漏极电流。4. 输入电阻RGS 结型场效应三极管，反偏时RGS约大于107；绝缘栅型场效应三极管, RGS约是1091015。 5. 低频跨导g

13、m 低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用， gm可以在转 移特性曲线上求取，单位是mS (毫西门子)。 6.最大漏极功耗PDM 最大漏极功耗可由PDM= VDS ID决定，与双极型三极管的PCM相当。7. 输出电阻rd从输出特性曲线上可以了解这个概念。(2) (2) 场效应三极管的型号场效应三极管的型号场效应三极管的型号, 现行有两种命名方法。其一是与双极型三极管相同，第三位字母J代表结型场效应管，O代表绝缘栅场效应管。第二位字母代表材料，D是P型硅，反型层是N沟道；C是N型硅P沟道。如,3DJ6D是结型N沟道场效应三极管，3DO6C是绝缘栅型N沟道场效应三极管。 第二种命名方法是CS#，C

14、S代表场效应管，以数字代表型号的序号，#用字母代表同一型号中的不同规格。例如CS14A、CS45G等。 参 数型号PDM mW IDSS mA VRDS VVRGS V VP V gmmA/ V fM MHz3DJ2D 100 20 20 -4 2 3003DJ7E 100 20 20 -4 3 903DJ15H 100 611 20 20 -5.5 83DO2E 1000.351.2 12 25 1000CS11C 1000.31 -25 -4 2 绝缘栅增强型N沟P沟绝缘栅耗尽型 N沟道P 沟道结型场效应管结型场效应管放大电路放大电路（1）自偏压电路及静态分析(VGSQ、IDQ、VDSQ)

15、V VGSQGSQ=-I=-IDQDQ R RI IDQDQ= I= IDSSDSS11(V(VGSQGSQ /V /VP P)2 2解方程组，去掉无意义的解解方程组，去掉无意义的解V VDSQDSQ=V=VDDDD-I-IDQDQ(R(Rd d+R)+R)注意与三极管的比较注意与三极管的比较组态：组态：外部条件：外部条件：共源极共源极G、S反偏反偏（2 2）分压式偏压电路及静态分析分压式偏压电路及静态分析直流通道V VG G=V=VDDDDR Rg2g2/(R/(Rg1g1+R+Rg2g2) )V VGSQGSQ= V= VG GV VS S= V= VG GI IDQDQR RI IDQD

16、Q= I= IDSSDSS11(V(VGSQGSQ /V /VP P)2 2V VDSQDSQ= V= VDDDDI IDQDQ(R+R(R+Rd d ) ) 由此可以解出由此可以解出V VGSQGSQ、I IDQDQ和和V VDSQDSQ。不仅需要计算：不仅需要计算：VGSQ、IDQ、VDSQ还需要计算：还需要计算：VG注意：注意：R Rg3g3的作用的作用（3 3）动态分析的小信号分析法）动态分析的小信号分析法前提：满足外部工作条件前提：满足外部工作条件21VvIiPGSDSSD（3 3）动态分析的小信号分析法）动态分析的小信号分析法低频模型前提：满足外部工作条件前提：满足外部工作条件交流

17、分析交流分析小信号等效电路电压放大倍数电压放大倍数omLim1vVg RAVg R RVgVVgsmgsi)1 (RgVmgsLgsmoRVgVLdLRRR/输入电阻输入电阻)/(g2g1g3iRRRR 输出电阻输出电阻doRR N N沟道耗尽型结型场效应管放大器的自偏压电路如图沟道耗尽型结型场效应管放大器的自偏压电路如图1(a)1(a)所示。所示。其中场效应管的栅极通过电阻其中场效应管的栅极通过电阻RgRg接地，源极通过电阻接地，源极通过电阻R R接地。接地。 场效应管放大器的自偏压电路场效应管放大器的自偏压电路 MOS型型FET的对比的对比-直流偏置电路直流偏置电路1.自偏压电路自偏压电路

18、图图1(a)图图1(b)自偏压电路自偏压电路工作原理工作原理 这种偏置方式靠漏极电流这种偏置方式靠漏极电流ID在源极电阻在源极电阻R上产生的电压为栅上产生的电压为栅-源极间提供一个偏置电压源极间提供一个偏置电压VGS，故称为自偏压电路。，故称为自偏压电路。 静态时，源极电位静态时，源极电位VS=IDR。由于。由于栅极电栅极电流为零流为零，Rg上没有电压降，栅极电位上没有电压降，栅极电位VG=0，所以所以栅源偏置电压栅源偏置电压:VGS=VGVS=IDR 耗尽型耗尽型MOS管管也可采用这种形式的偏置电路也可采用这种形式的偏置电路图图1(a) 图图1(b)1(b)所示电路是自偏压电路的所示电路是自

19、偏压电路的特例特例，其中，其中V VGSGS=0=0。显然这种偏置电路只。显然这种偏置电路只适用于适用于耗尽型耗尽型MOSMOS管管，因为在栅源电压大于零、，因为在栅源电压大于零、等于零和小于零的一定范围内，耗尽型等于零和小于零的一定范围内，耗尽型MOSMOS管均能正常工作。管均能正常工作。 增强型增强型MOSMOS管只有在栅管只有在栅- -源电压达到其源电压达到其开启电压开启电压V VT T时，才有漏极电流时，才有漏极电流I ID D产生，因产生，因此图此图1 1所示的自偏压电路非增强型所示的自偏压电路非增强型MOSMOS管。管。 图图1(b)2 2分压器式自偏压电路分压器式自偏压电路 分压

20、器式自偏压电路是在自偏压电路的基础上加接分压电分压器式自偏压电路是在自偏压电路的基础上加接分压电路后构成的，如图路后构成的，如图2 2所示。所示。 图图2静态时，由于栅极电流为零，静态时，由于栅极电流为零，Rg3上上没有电压降，所以栅极电位由没有电压降，所以栅极电位由Rg2与与Rg1对电源对电源VDD分压得到，即分压得到，即 源极电位源极电位 VS=IDR，因此栅源直流偏置电压因此栅源直流偏置电压 VGS=VG-VS适用范围适用范围：这种偏置方式同样适用：这种偏置方式同样适用于于结型场效应管或耗尽型结型场效应管或耗尽型MOSMOS管管组成的放组成的放大电路，还适用于大电路，还适用于增强型增强型

21、管电路管电路。 DDgggGVRRRV212分压器式自偏压电路分压器式自偏压电路工作原理：工作原理：直流通道直流通道二、静态工作点的确定二、静态工作点的确定 1.1.估算法求静态工作点估算法求静态工作点 对场效应管放大电路的静态分析也可以采用图解法或对场效应管放大电路的静态分析也可以采用图解法或公式估算法，图解法的步骤与双极型三极管放大电路的图公式估算法，图解法的步骤与双极型三极管放大电路的图解法相似。这里仅讨论用公式估算法求静态工作点。解法相似。这里仅讨论用公式估算法求静态工作点。工作在饱和区时工作在饱和区时场效应管漏极电流场效应管漏极电流: 结型场效应管和耗尽型结型场效应管和耗尽型MOS管的漏极电流管的漏极电流 增强型增强型MOSMOS管的漏极电流管的漏极电流 求静态工作点时，对于图求静态工作点时，对于图1(a)1(a)