场效应管及放大电路解析

1、图 1-29 结型场效应管的结构示意图和符号(a) 结构示意图； (b) N沟道JFET符号； (c) P沟道JFET符号 PPNd漏极耗尽层耗尽层栅极g(a)dsgdsg(b)(c)1.4 场 效 应 管 1.4.1 结型场效应管1.4.2 1.4.2 绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管 在结型场效应管中，栅极与源极之间在结型场效应管中，栅极与源极之间PNPN结是反向偏置，所以栅源之间的电阻结是反向偏置，所以栅源之间的电阻很大。但是很大。但是PNPN结反偏时总会有反向电流存在，且反向电流随温度升高而增大，这结反偏时总会有反向电流存在，且反向电流随温度升高而增大，这就限制了输入电阻的进一步提高。

2、就限制了输入电阻的进一步提高。 如果在栅极与其它电极之间用一绝缘层隔开，如果在栅极与其它电极之间用一绝缘层隔开，则输入电阻会更高，这种结构的管子称为则输入电阻会更高，这种结构的管子称为绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管。 根据绝缘层所用材料的不同，有多种不同类型的绝缘栅型场效应管，目前采根据绝缘层所用材料的不同，有多种不同类型的绝缘栅型场效应管，目前采用最广泛的一种是以二氧化硅（用最广泛的一种是以二氧化硅（SiOSiO2 2）为绝缘层，）为绝缘层， 称为金属称为金属- -氧化物氧化物- -半导体场效半导体场效应管，简称应管，简称MOSMOS管。这种场效应管输入电阻约为管。这种场效应管输入电阻约为

3、10108 810101010 ，高的可达，高的可达10101515 ，并且制造工艺简单，便于集成。并且制造工艺简单，便于集成。 NNP衬底金属铝sgdB二氧化硅(SiO2)gdsB衬底gB衬底s(a)(b)(c)d 1 N沟道增强型MOSFET 1) 结构和符号图 1-35 N沟道增强型MOSFET结构示意图和增强型MOS管符号 (a) 结构示意图； (b) N沟道增强型MOS管符号； (c) P沟道增强型MOS管符号 图 1-36 (a)(b)(c)(d)(e)NNP衬底sgduGSB耗尽层NNP衬底sgduGSB反型层NNP衬底sgduGSuDSBNNP衬底sgduGSuDSANNP衬底

4、sgduGSuDSA 2） 工作原理uGD=uGS-uDS uDS=uGS-UGS(th) N型 导电沟道导电沟道预夹断导电沟道开启电压进入饱和（恒流）状态外加正向栅压3） 特性曲线图 1-37 N沟道增强型MOSFET的特性曲线(a) 输出特性曲线； (b) 转移特性曲线 OiD / mAuDS uGS UGS(th)预夹断轨迹可变电阻区饱和区UGS 2UGS (th)UGS3UGS2UGS1UGS UGS(th)截止区击穿区U(BR)DSuDS / VuGS / V2UGS(th)UGS(th)OiD / mAIDO2GS(th)GSDOD)1( UuIi 1-4-22 1-4-22图 1

5、-38 N沟道耗尽型MOSFET结构示意图和耗尽型MOS管符号 (a) 结构示意图； (b) N沟道耗尽型MOS管符号； (c) P沟道耗尽型MOS管符号 NNP衬底金属铝sgdB二氧化硅(SiO2)gdsB衬底gdB衬底s(a)(b)(c)耗尽层反型层 2 N沟道耗尽型MOSFET 若uGS 0，则会吸引更多的自由电子，沟道变宽，沟道电阻变小，iD增大；若uGS 0 ，则沟道变窄， 沟道电阻变大，iD减小；当uGS UGS（off）（夹断电压）时，导电沟道消失，iD=0。可见耗尽型MOSFET的栅源电压uGS可正、可负，改变uGS可以改变沟道宽度，从而控制漏极电流iD。 特性曲线图 1-39

6、 N沟道结型、耗尽型MOSFET的特性曲线(a) 输出特性曲线； (b) 转移特性曲线 2GS(off)GSDSSD)1(UuIi IDU DS0UGS=0V-1V-3V-4V-5VUGS0IDIDSSUGS（off ） 3 P沟道MOSFET 与N沟道MOSFET相对应，P沟道增强型MOSFET的漏-源之间应加负电压，当uGSUGS（th）时导电沟道才存在，管子导通，所以开启电压UGS（th）0，改变uGS可实现对漏极电流iD的控制。 各种FET的特性比较 iDOuGS(th)uGS绝缘栅型场效应管N沟道增强型dsB衬底guGSuDS正正iDOUGS6 V5 V4 V3 VuDS耗尽型dsB

7、衬底guGSuDS可正 正可负OuGSiDuGS(off)P沟道增强型耗尽型ds衬底gdsB衬底guGSuDS负负uGSuDS可正 正可负iDuGSuGS(th)OuGSuGS(off)iDOiDOUGS2 V0 V2 V4 VuDSiDOuDS 3 V4 V5 VuGS6 ViDOuDS 2 V1 V0 VuGS1 VB 1-4-71-4-71.4.3 场效应管的主要参数 1 直流参数 （1）夹断电压UGS(off)：实际测试时，uDS为某一固定值，使iD等于一个微小电流（如5A）时的栅源电压uGS。它是JFET和耗尽型MOSFET的参数。 （2）开启电压UGS(th)：uDS为某一固定值，

8、使iD大于零所需的最小|uGS|。一般场效应管手册给出的是在iD为规定的微小电流（如5）时的uGS。 它是增强型MOSFET的参数。 （3）饱和漏极电流IDSS：uGS=0, uGD大于夹断电压|UGS(off)|时所对应的漏极电流。 （4）直流输入电阻RGS(DC)：栅源电压与栅极电流的比值。由于场效应管的栅极几乎不取电流，因此其输入电阻很大。一般JFET的RGS(DC)大于107，而MOSFET的RGS(DC)大于109 。 2 交流参数 （1） 低频跨导gm：在管子工作于恒流区且uDS为常数时，iD的微变量iD和引起它变化的微变量uGS之比，即 常数DSUGSDmuig（1-33） 它反

9、映了栅源电压对漏极电流的控制能力，gm愈大, 表示uGS对iD的控制能力愈强。gm的单位是S（西门子）或mS。 通常情况下它在十分之几至几mS的范围内。 （2）极间电容：场效应管的三个电极间存在着极间电容。 通常栅-源间极间电容Cgs和栅-漏间极间电容Cgd约为 13 pF，而漏-源间极间电容Cds约为 0.11 pF。 它们是影响高频性能的微变参数，应越小越好。 3 极限参数 （1）最大耗散功率PDM：uDS和iD的乘积，即PDM=uDSiD。PDM受管子最高温度的限制，当PDM确定后，便可在管子的输出特性曲线上画出临界最大功耗线。 （2）漏源击穿电压U(BR)DS：管子进入恒流区后，使iD

10、急剧上升的uDS值，超过此值，管子会烧坏。 （3）栅源击穿电压U(BR)GS：对于JFET，使栅极与沟道间PN结反向击穿的uGS值；对于MOSFET，使栅极与沟道之间的绝缘层击穿的uGS值，约为20V左右。 一一. 直流偏置电路：直流偏置电路：保证管子工作在饱和区，输出信号不失真 2.7 场效应管放大电路（1）自偏压电路偏压电路vGSvGS =- iDR 注意：该电路产生负的栅源电压，所以只能用于需要负栅源电压的电路。计算Q点：VGS 、 ID 、VDSvGS =2GS(off)GSDSSD)1(VvII VDS =VDD- ID (Rd + R )已知VGS(off) 和IDSS ，由- i

11、DR可解出Q点的VGS 、 ID 、 VDS （2）分压式自偏压电路偏压电路SGGSVVVRIVRRRDDDg2g1g2VDS =VDD-ID(Rd+R)可解出Q点的VGS 、 ID 、 VDS 计算Q点：RIVRRRVDDDg2g1g2GS该电路产生的栅源电压可正可负，所以适用于所有的场效应管电路。已知VGS(off) 和IDSS ，由2GS(off)GSDSSD)1(VvII 二二. 场效应管的交流小信号模型 与双极型晶体管一样，场效应管也是一种非线性器件，而在交流小信号情况下，也可以由它的线性等效电路交流小信号模型来代替。 其中：rgs是输入电阻，理论值为无穷大。 gmvgs是压控电流源

12、，它体现了输入电压对输出电流的控制作用。 称为低频跨导。 rd为输出电阻，类似于双极型晶体管的rce。三三. 放大电路1.共源放大电路共源放大电路分析：分析：（1）画出共源放大电路的交流小信号等效电路。 （2）求电压放大倍数（3）求输入电阻（4）求输出电阻忽略rd 、rgs iVgsVRVggsm )1(mgsRgV oVdgsmRVg VARgRgmdm1 由输入输出回路得则则)/(g2g1g3iRRRR doRR 由于rgs=（2）电压放大倍数（3）输入电阻 iVgsV)/(LgsmRRVg oV)/(LgsmRRVgVA)/(1)/(LmLmRRgRRg 得)/(g2g1g3iRRRR

13、分析：分析：（1 1）画交流小信号等效电路。 由ioVV1 2.共漏放大电路共漏放大电路（4 4）输出电阻OIRIgsmVg RVO gsVOV oRm11gR 所以由图有OOIVgsmVg m1/gR OI二. 多级放大器的分析 Ri1 Ro1 1io1VAV - + 1iV - + Ri2 Ro2 RL i2o2VAV - + O1V - + OV - + ioVVAV1)-o(nono1o2io1VVVVVVn21VVVAAA 前级的输出阻抗是后级的信号源阻抗前级的输出阻抗是后级的信号源阻抗 后级的输入阻抗是前级的负载后级的输入阻抗是前级的负载1. 两级之间的相互影响2. 电压放大倍数注

14、意：在算前级放大倍数时，要把后级的输入阻抗作为前级的负载。 3-4-10 3-4-10 Ri1 Ro1 1io1VAV - + 1iV - + Ri2 Ro2 RL i2o2VAV - + O1V - + OV - + 3. 输入电阻4. 输出电阻Ri=Ri（最前级） (一般情况下）Ro=Ro（最后级） (一般情况下） 作业：作业：一、电路如图所示，一、电路如图所示，N沟道沟道JFET的的 UGS（off）= - 2V、 IDSS = 5mA，S 1 处于开路状态。处于开路状态。 试求：试求：1）说明）说明 C 1 ，C 2 ，C 3 ，C 4 的作用。的作用。 2）说明）说明 R3 和和 R

15、 5 的作用。的作用。 3）计算电路的）计算电路的 Ri、Ro 和和 AU 。 4 4）将）将 JFET换成换成NPN型型BJT（ = 100），并将），并将S 1 闭合，闭合，再计算电路的再计算电路的 Ri、Ro 和和 AU 。 5 5）比较）比较JFET放大器和放大器和BJT放大器的优缺点。放大器的优缺点。1.4.2 1.4.2 绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管 在结型场效应管中，栅极与源极之间在结型场效应管中，栅极与源极之间PNPN结是反向偏置，所以栅源之间的电阻结是反向偏置，所以栅源之间的电阻很大。但是很大。但是PNPN结反偏时总会有反向电流存在，且反向电流随温度升高而增大，这结反偏时

16、总会有反向电流存在，且反向电流随温度升高而增大，这就限制了输入电阻的进一步提高。就限制了输入电阻的进一步提高。 如果在栅极与其它电极之间用一绝缘层隔开，如果在栅极与其它电极之间用一绝缘层隔开，则输入电阻会更高，这种结构的管子称为则输入电阻会更高，这种结构的管子称为绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管。 根据绝缘层所用材料的不同，有多种不同类型的绝缘栅型场效应管，目前采根据绝缘层所用材料的不同，有多种不同类型的绝缘栅型场效应管，目前采用最广泛的一种是以二氧化硅（用最广泛的一种是以二氧化硅（SiOSiO2 2）为绝缘层，）为绝缘层， 称为金属称为金属- -氧化物氧化物- -半导体场效半导体场效应管，简

17、称应管，简称MOSMOS管。这种场效应管输入电阻约为管。这种场效应管输入电阻约为10108 810101010 ，高的可达，高的可达10101515 ，并且制造工艺简单，便于集成。并且制造工艺简单，便于集成。 图 1-36 (a)(b)(c)(d)(e)NNP衬底sgduGSB耗尽层NNP衬底sgduGSB反型层NNP衬底sgduGSuDSBNNP衬底sgduGSuDSANNP衬底sgduGSuDSA 2） 工作原理uGD=uGS-uDS uDS=uGS-UGS(th) N型 导电沟道导电沟道预夹断导电沟道开启电压进入饱和（恒流）状态外加正向栅压图 1-38 N沟道耗尽型MOSFET结构示意图

18、和耗尽型MOS管符号 (a) 结构示意图； (b) N沟道耗尽型MOS管符号； (c) P沟道耗尽型MOS管符号 NNP衬底金属铝sgdB二氧化硅(SiO2)gdsB衬底gdB衬底s(a)(b)(c)耗尽层反型层 2 N沟道耗尽型MOSFET 若uGS 0，则会吸引更多的自由电子，沟道变宽，沟道电阻变小，iD增大；若uGS 0 ，则沟道变窄， 沟道电阻变大，iD减小；当uGS UGS（off）（夹断电压）时，导电沟道消失，iD=0。可见耗尽型MOSFET的栅源电压uGS可正、可负，改变uGS可以改变沟道宽度，从而控制漏极电流iD。各种FET的特性比较 iDOuGS(th)uGS绝缘栅型场效应管N沟道增强型dsB衬底guGSuDS正正iDOUGS6 V5 V4 V3 VuDS耗尽型dsB衬底guGSuDS可正 正可负OuGSiDuGS(off)P沟道增强型耗尽型ds衬底gdsB衬底guGSuDS负负uGSuDS可正 正可负iDuGSuGS(th)OuGSuGS(off)iDOiDOUGS2 V0 V2 V4 VuDSiDOuDS 3 V4 V5 VuGS6 ViDOuDS 2 V1 V0 V