场效应管放大电路-模电讲义

1、4 场效应管放大电路场效应管放大电路 场效应管是以半导体中的多数载流子实现导电的，因场效应管是以半导体中的多数载流子实现导电的，因此，又叫做此，又叫做单极型单极型晶体管。属晶体管。属电压控制电压控制器件。器件。 按结构的不同分按结构的不同分结型场效应管（结型场效应管（JFET) 和和 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应管（半导体场效应管（MOS) 两大类两大类。4. 1 结型场效应管结型场效应管 4. 1. 1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理 1. 结构结构 结型场效应管结型场效应管(JFET)，分为，分为N沟道和沟道和P沟道两种。沟道两种。结构和电路符号如图结构和电路符号如图4.

2、1.1和和 图图4.1.2 所示。所示。 2. 工作原理工作原理 由于两种管子的工作原理相同，下面以由于两种管子的工作原理相同，下面以 N沟道为例分析沟道为例分析其工作原理。其工作原理。 N 沟道沟道JFET工作时，在栅极与源极之间需加工作时，在栅极与源极之间需加一负电压负电压（ vGS107 ）。 在漏极与源极之间加一正电压（在漏极与源极之间加一正电压（ vDS 0 ） ，使，使 N 沟道中沟道中的多数载流子（电子）在电场作用下由源极向漏极运动，形的多数载流子（电子）在电场作用下由源极向漏极运动，形成电流成电流 iD 。 iD 的大小受的大小受vGS 控制控制 。 因此，讨论因此，讨论 JF

3、ET 的工作原理就是的工作原理就是讨论讨论vGS 对对 iD 的控制作用和的控制作用和 vDS 对对iD的影响。的影响。 (1) vGS 对对 iD 的控制作用的控制作用 当当 vGS=Vp时，沟道完全时，沟道完全消失（夹断），沟道电阻消失（夹断），沟道电阻趋于无穷大，相应的栅源趋于无穷大，相应的栅源电压称为夹断电压电压称为夹断电压 Vp 。 如在漏源之间加上固定电压，将有电流如在漏源之间加上固定电压，将有电流 iD ，改变，改变 |vGS| ，可以，可以有效的控制沟道电阻的大小，从而控制有效的控制沟道电阻的大小，从而控制 iD 大小，大小， |vGS| 越大，越大，iD越小。越小。 先假定先

4、假定 vDS = 0 ， 改变改变 vGS 的大小，导电沟道随着的大小，导电沟道随着改变，导电沟道随改变，导电沟道随 |vGS| 的的增大而变窄，沟道电阻变大增大而变窄，沟道电阻变大， (2) vDS 对对 iD 的影响的影响 首先从首先从 vGS=0 开始讨论开始讨论。 a) vDS=0, iD =0 b) 0 vDS|vP| , iD =IDSS 近漏端沟道夹断区增加近漏端沟道夹断区增加。0 DSvPDSVv PDSVv PDSVv (a)(b)(c)(d) G、S 间加负电压间加负电压，耗尽耗尽层加宽，导电沟道变窄；层加宽，导电沟道变窄；D、S 间加正电压间加正电压，导电沟道导电沟道变得

5、不等宽。根据变得不等宽。根据 vGD= vGS vDS=VP 可知，可知，vGS 越负，发生预夹断所需的越负，发生预夹断所需的 vDS 就越小。相反，在同样的就越小。相反，在同样的 vDS作用下，作用下，vGS越负，耗尽层越宽，沟道电阻越大，漏极电流越负，耗尽层越宽，沟道电阻越大，漏极电流 iD 就就越小，越小，iD 随随vDS变化曲线下移，图变化曲线下移，图.1.5(b)示出了不同示出了不同 vGS下，所下，所得的得的 iDvDS曲线曲线。vGS 越负越负，iD 越小，体现了栅源电压越小，体现了栅源电压 vGS对漏对漏极电流极电流 iD 的控制作用的控制作用。 由上述分析可绘出由上述分析可绘

6、出 时的时的 iD vDS 特性曲线特性曲线 0 GSv 综上分析，可得如下结论：综上分析，可得如下结论： JFET 栅极、沟道之间的栅极、沟道之间的 PN 结是反向偏置的，因此结是反向偏置的，因此 ，输入电阻很高。，输入电阻很高。 JFET是电压控制电流器件，是电压控制电流器件， iD 受受 vGS 控制。控制。 预夹断前，预夹断前， iD 与与 vDS 呈近似线性关系；预夹断后，呈近似线性关系；预夹断后，iD 趋于饱和趋于饱和 , 其大小仅随其大小仅随 vGS 变化。变化。 P 沟道沟道 JFET工作时，其电源极性与工作时，其电源极性与 N 沟道沟道 JFET的的电源极性相反。电源极性相反

7、。 0 Gi4. 1 .2 特性曲线及参数特性曲线及参数 1 输出特性输出特性 分为四个区：分为四个区： I 区：区： 可变电阻区可变电阻区 沟道电阻受栅源电压控制。沟道电阻受栅源电压控制。 II区：区：恒流区或饱和区，恒流区或饱和区，也称为线性放大区。也称为线性放大区。III区：区：击穿区击穿区 （V(BR)DS ）IV区：区：截止区截止区， VGS VT 时时，出现，出现 N型沟道型沟道出现夹断时或出现夹断时或预夹断处预夹断处 vGD= vGS vDS=VT(c) vDS 较小时较小时， iD 迅速增大迅速增大(d) vDS较大出现夹断较大出现夹断时时，iD 趋于饱和趋于饱和3 特性曲线特

8、性曲线 在恒流区内，转移特性可近似表示为在恒流区内，转移特性可近似表示为),()1(20TGDTGSTGSDDVvVvVvIi 4 参数参数 MOSFET的参数与的参数与 JFET的基本相同，不同的是的基本相同，不同的是MOS增增强型管不用夹断电压强型管不用夹断电压V P , 而用开启电压而用开启电压VT 表征管子的特性。表征管子的特性。 4. 3.2 N 沟道耗尽型沟道耗尽型 MOSFET 结构与增强型相似，结构与增强型相似，不同的是在二氧化硅绝缘不同的是在二氧化硅绝缘层中掺入了大量的正离子层中掺入了大量的正离子，这样，这样，VGS =0 时，时，存在导电沟道，存在导电沟道， iD 0 耗尽

9、型管子的栅源电压可耗尽型管子的栅源电压可正可负，参数是夹断电压正可负，参数是夹断电压V P。4.4 场效应管放大电路场效应管放大电路4.1.1 直流偏置电路及静态分析直流偏置电路及静态分析 1 直流偏置电路直流偏置电路Q: 偏置电路的形式有两种。偏置电路的形式有两种。 1）自偏压电路）自偏压电路 仅适用于结型和耗尽型管子。仅适用于结型和耗尽型管子。 DSDGSVIV,RIVDGS 4.1.1 2） 分压式自偏压电路分压式自偏压电路RIVRRRVVVDDDgggSGGS 212 不仅仅适用于结型和不仅仅适用于结型和耗尽型管子，也适用增强耗尽型管子，也适用增强型管子。型管子。 4.1.12. 静态

10、工作点的确定静态工作点的确定 FET放大电路静态分析可用图解法和公式法。下面放大电路静态分析可用图解法和公式法。下面讨论公式法计算静态工作点。讨论公式法计算静态工作点。2)1 (PGSDSSDVvIi 20) 1( TGSDDVvIi和和 公式法就是利用恒流区中公式法就是利用恒流区中 iD 与与 vGS 的近似关系式的近似关系式 以及由直流通路中线性部分列出的电压电流方程联立求解可以及由直流通路中线性部分列出的电压电流方程联立求解可计算出静态工作点。计算出静态工作点。 )(RRIVVdDDDDS 2)1(PGSDSSDVvIi 例例如对于图如对于图4.4.1a电路电路 :联立求解联立求解可求出

11、可求出 VGS 和和 ID再由输出回路列方程，可得再由输出回路列方程，可得RivDGS 4.4.2 FET 放大电路的小信号模型分析法放大电路的小信号模型分析法 1 FET小信号模型小信号模型低频简化模型低频简化模型2 应用小信号模型分析放大电路应用小信号模型分析放大电路 图图 4.4.3 a 的小信号等效电路如图的小信号等效电路如图b 。 +-gsV o(1) 中频电压增益中频电压增益(2) 输入电阻输入电阻(3) 输出电阻输出电阻 例例 4.4.2 求图求图 4.4.4a 所示所示共漏电路共漏电路源极输出器的中源极输出器的中频电压增益、输入电阻和输频电压增益、输入电阻和输出电阻。出电阻。 解解：中频小信号等效电中频小信号等效电路如图路如图4.4.4b 所示。所示。 (1) 中频电压增益中频电压增益 由图由图4.4.4b 可得可得(2) 输入电阻输入电阻 (3) 输出电阻输出电阻 图图 4.4.5 为求输出电阻的为求输出电阻的等效电路等效电路 ，由图有，由图有213/gggiRRRR 具有和共集电路一样的具有和共集电路一样的特点，但输入电阻更高。特点，但输入电阻更高。 3 三种基本放大电路的性能比较三种基本放大电路的性能比较 场效应管放大电路也有三种组态：共栅、共漏、共源。场效应管放大电路也有三种组态：共栅、共漏、共源