机械工程出版社第三章 场效应管电路习题答案

1、第3章 场效应晶体管放大电路3.1.1场效应管有结型和MOS 型两大类，每类都有N 沟道和P 沟道之分，MOS 场效应管还有增强型和耗尽型之分，故场效应管有6种类型。它们的结构、工作原理、伏安特性、作用、主要参数、电路组成、分析方法相似；正向控制原理都是利用栅源电压改变导电沟道的宽度而实现对漏极电流的控制；小信号模型完全相同；但由于沟道类型不同，结构上也有不同，因此6种管子对偏置电压的要求各不相同。 栅源电压为零时存在原始导电沟道的场效应管称为耗尽型场效应管；天然原始导电沟道，只有在U GS 绝对值大于开启电压U GS（th）绝对值后才能形成导电沟道的，则称为增强型场效应管。2GSD DSS

2、P(1 UI I U =当工作于放大区时，对耗尽型场效应管 1.2.4 场效应晶体管表5.1 晶体管与场效应管比较 比较项目 晶体管 场效应管载流子 两种不同极性的载流子（电子与空穴）同时参与导电，故又称为双极型晶体管 只有一种极性的载流子（电子或空穴）参与导电，故又称为单极型晶体管控制方式 电流控制 电压控制类型型和PNP 型两种 N 沟道和P 沟道两种放大参数 20020= 51m =g mA/V输入电阻 42be 1010=r 较小 147gs 1010=r 很大输出电阻 r ce 很大 r ds 很大热稳定性 差 好制造工艺 较复杂 简单，成本低，便于集成对应电极 基极-栅极，发射极-

3、源极，集电极-漏极 3.1.2 场效应晶体管放大电路共源极分压式偏置放大电路及其直流通路、交流通路和微变等效电路如图2.6所示。 U DD o +U DD（a ）放大电路（b ）直流通路+ u o -o（c ）交流通路 （d ）微变等效电路图5.1 共源极分压式偏置放大电路（1）静态分析：DD G2G1G2G U R R R U += S G S S D R U R U I = (S D D DD DSR R I U U +=（2）动态分析： Lm u R g A = 式中L D L/R R R =。 G2G1G i /R R R r +=D o R r =场效应管放大电路的构成及其分析方。法

4、与双极型三极管放大电路相似。场效应管放大电路的主要特点是具有很高的输入电阻，适用于对高内阻信号源的放大，通常用在多级放大电路的输入级。【例】图示电路，已知V 20DD =U ，5D =R k ，5S =R k ，5L =R k ，1G =R M ，300G1=R k ，100G2=R k，mA/V5m =g 。求静态工作点及电压放大倍数uA 、输入电阻R i 和输出电阻R o 。 解：静态工作点：V10 55(120 (mA 155V 520100300100S D D DD DS S G S S D DD G2G1G2G =+=+=+=+=R R I U U R U R U I U R R

5、R U电压放大倍数：5. 25/5/L D L=R R R k 5. 125. 25Lm =R g A u 输入电阻：1075100/3001000/G2G1G =+=+=R R R R i k 输出电阻：5D o =R R k 第三章场效应管电路习题答案3-1 场效应晶体管的工作原理和双极型晶体管有什么不同？为什么场效应晶体管具有很高的输入电阻？解：场效应晶体管是电压控制的单极型半导体器件，即由栅源电压u GS 控制漏极电流i D , 导电沟道中只有一种载流子参与导电。它的输出电流决定于输入信号电压的大小，基本不需要信号源提供输入电流，所以其输入电阻很高，可高达1091014。普通双极晶体管

6、是电流控制器件，需要信号源提供一定的电流才能工作，因而其输入电阻仅有102104。FET 与BJT 在性能及应用上是相似的，FET放大器也有三种不同的连接方式：共源、共漏、共栅。并与BJT 放大器的共射、共集、共基一一对应。然而，FET放大器也有自身的特点：它有极高的输入电阻，这是BJT 放大器望尘莫及的，所以常用作多级放大器的输入级。但FET 放大器的电压放大倍数却较小，在这一点上不及BJT 放大器。3-2 试讨论结型场效应晶体管和绝缘栅场效应晶体管的异同。解：在结型场效应晶体管中，栅极与导电沟道间的PN 结是反向偏置的，栅源电阻（输入电阻）r GS 虽可达108左右，尚不够高，还存在一定的

7、反向漏电流。且当温度升高时，PN 结的反向电阻会明显下降，r GS 随之下降的，反向电流增加。这是它的不足之处。如果能使栅极与导电沟道之间用一绝缘层隔开，就可以大大提高栅源电阻，也可免除温度对阻值的影响，因而研制成绝缘栅场效应晶体管。其栅源电阻r GS 高达1015，栅极电流几乎为零。结型场效应晶体管和绝缘栅场效应晶体管的主要参数基本相同。需要注意的是，结型场效应晶体管和耗尽型MOS 晶体管用夹断电压U P ，而增强型MOS 晶体管用开启电压U T 来表征管子的特性。耗尽型MOS 晶体管可以在正栅压下工作，而结型晶体管（N 沟道）只能在u GS 0区域工作。3-3 N 沟道结型场效应晶体管的栅

8、源电压为什么一定是负电压？绝缘栅场效应晶体管的栅极为什么不能开路？解：因结型场效应晶体管没有绝缘层，只能工作在反偏的条件下，所以N 沟道结型场效应晶体管只能工作在负栅压区（U GS 0），P 沟道结型场效应晶体管只能工作在正栅压区，否则将会出现栅极电流。绝缘栅场效应晶体管输入电阻很高，所以在栅极感应出来的电荷就很难通过这个电阻泄漏掉。电荷的积累造成了电压的升高。特别是由于极间电容很小，栅极上感应出少量的电荷就会使它出现很高的电压（U =q /C ），虽以造成栅极氧化层击穿而损坏管子。为此，在测量和使用时，必须始终保持栅极源极之间有一定的直流通路，不准用万用表的欧姆档定性地测试MOS 管。保存这

9、类管子时，应将各电极短路；在焊接时，最好将3个电极用导线捆绕短路，并顺着源极、栅极的次序焊在电路上，电烙铁或测试仪表与场效应晶体管接触时，均应事先接地。3-4 能不能用万用表来判别结型场效应晶体管的3个电极和它的好坏？解：不能。绝缘栅场效应晶体管输入电阻很高，所以在栅极感应出来的电荷就很难通过这个电阻泄漏掉。电荷的积累造成了电压的升高。特别是由于极间电容很小，栅极上感应出少量的电荷就会使它出现很高的电压（U =q /C ），虽以造成栅极氧化层击穿而损坏管子。为此，在测量和使用时，必须始终保持栅极源极之间有一定的直流通路，不准用万用表的欧姆档定性地测试MOS 管。3-5 说明场效应晶体管的夹断电

10、压U P 和开启电压U T 的意义。试画出下列6种类型场效应晶体管的转移特性曲线，并总结出何者具有夹断电压和何者具有开启电压以及它们的正负。（1）N 沟道结型；（2）P 沟道结型；（3）N 沟道绝缘栅增强型；（4）N 沟道绝缘栅耗尽型；（5）P 沟道绝缘栅增强型；（6）P 沟道绝缘栅耗尽型。解：1）夹断电压U P 在u DS 为某一固定值（通常为10V ）的条件下，使i D 等于某一微小电流（通常小于50A ）时，栅一源极间所加的偏压u GS 就是夹断电压U P 。增强型MOS 晶体管无此参数。）N 沟道结型和N 沟道绝缘栅耗尽型场效应管的夹断电压为负，P 沟道结型和P 沟道绝缘栅耗尽型场效应

11、管的夹断电压为正。2）开启电压U T 在u DS 为某一固定值的条件下，使沟道可以将漏极和源极连接起来的最小的u GS 就是U T 。此参数仅适合于增强型MOS 晶体管。N 沟道绝缘栅增强型场效应管开启电压为正，P 沟道绝缘栅增强型场效应管开启电压为负。 3-6 比较共源极场效应晶体管和共发射极晶体管放大电路，为什么前者输入电阻高？ 解：因为场效应晶体管的栅源电阻远远大于晶体三极管的基射等效电阻。 3-7 已知3DOIE 型耗尽型MOS 晶体管的夹断电压U P =-2.5V ，饱和漏极电流I DSS =0.5mA，试求U GS =-1V 的漏极电流I D 。U I I U = 3-8 从图3-

12、25场效应晶体管的转移性曲线上可知，在保持u DS =10V的情况下，u GS 从-1V 变化到-2V 时，i D 相应从2mA 变化到0.8mA ，试问该管子的跨导g m 等于多少？ 图3-25 题3-8图解： g m = I D U GS U DS =10V = 1.2 A / V 3-9 在图 3-26 中所示电路中，已知 gm=0.69mA/V, UGS-2V，管子参数 IDS4mA，UP-4V。设电容 在交流通路中可视为短路。 （1）求电流 ID 和电阻 Rs。 2）画出微变等效电路，用已求得的有关数值计算 Au，ri 和 ro（设 rds 的影 （ 响可以忽略不计）（3）为显著提高

13、Au，最简单的措施是什么？ 。 图 3-26 题 3-9 图 解（1） I D = I DSS (1 U GS 2 2 = 4mA (1 2 = 1mA UP 4 U GS = I D RS = 2V 所以 RS = 2k (2交流微变等效电路如下图所示： Au g mU GS RD 0.69 10 = = 2.9 U GS + g mU GS RS 1 + 0.69 2 ri = Rg = 1M ro=10 k （ 3 ） 为 显 著 提 高 Au ， 最 简 单 的 措 施 是 在 电 阻 RS 两 端 并 联 一 个 电 容 。 电 路 的 放 大 倍 数 为 Au = g m RL =

14、 6.9 3-10 场效应晶体管放大器见图 3-27，其中 gm=0.69mA/V, Rg1=300 k ，Rg2=30 k ，Rg3=10 M ， Rs=Rd=10 k ，VDD16V，设饱和电流 I DSS = 1mA ,开启电压 Uth=2V，求： (1 静态工作点; (2 画出该放大电路的微变等效电路；(3 求电压放大倍数 Au，ri 和 ro；(4 定性说 明当 Rs 增大时，Au，ri，ro 是否变化，如何变化？(5 若 CS 开路，Au，ri，ro 是否变化，如保变化？写出变 6 换后的表达式。 VDD Rg1 C1 Rd C2 + R g3 R s Ce 图 3-27 题 3-

15、10 图 + Ui R g2 Uo UG = Rg2 Rg1 + Rg2 VDD = 30 16 = 1.45V 330 ID = U G 1.45 = = 0.145mA 10 Rs U DS = U DD I D ( RD + RS = 16 0.145 (10 + 10 = 13.1V (2交流微变等效电路如下图所示： （3） Au = g m Rd = 0.69 10 = 6.9 . ri = Rg3 + ( Rg 2 / Rg1 = 10000 + 27.27 = 10027.27k ro=10 k （4）Rs 增大时，Au，ri，ro 不会发生变化。因为在交流通路中 Rs 被电容

16、CS 短路。 (5去掉电容，交流微变等效电路变为下图所示电路 Au = g m Rd /(1 + g m Rs ri = Rg3 + ( Rg 2 / Rg1 ro = Rd *讨论：FET 与 BJT 在性能及应用上是相似的，FET 放大器也有三种不同的连接方式：共源、共 漏、共栅。并与 BJT 放大器的共射、共集、共基一一对应。然而，FET 放大器也有自身的特点：它 7 . 有极高的输入电阻，这是 BJT 放大器望尘莫及的，所以常用作多级放大器的输入级。但 FET 放大器 的电压放大倍数却较小，在这一点上不及 BJT 放大器。 3-11 有一个场效应晶体管放大器见图 3-28，已知 gm=

17、0.69mA/V, IDSS4mA、UGS-2V、UP-4V、VDD 20V。试求：(1 静态极电流 ID； (2 RS1 和 RS2 最大值； (3 电压放大倍数；输入电阻和输出电阻。 Rd Rg 图 3-28 题 3-11 图 解（1） I D = I DSS (1 U GS 2 2 = 4mA (1 2 = 1mA UP 4 （2） U GS = I D RS = 2V ，所以 RS 1 = 1k = RS 2 （3）交流微变等效电路如下图所示： U + g mU gs Rs1 U gs + g mU gs Rs1 + gs + g mU gs Rs 2 RG Ui ri = = U gs + g mU gs Rs1 Ii RG = (1 + g m Rs1 ( RG + R