第3章场效应管及其放大电路

1、第第3章章 场效应管及其放大电路n结型场效应管结型场效应管n金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应管半导体场效应管n场效应管放大电路场效应管放大电路第3章 场效应管及其放大电路半导体三极管(场效应管）图片第3章 场效应管及其放大电路半导体三极管图片第3章 场效应管及其放大电路场效应管场效应管【FETField Effect Transistor】双极型三极管场效应管BJTFET电流控制电流控制的元件的元件(iBiC)电压控制电压控制的元件的元件(vGSiD)利用基极的小电流控制利用基极的小电流控制集电极的大电流实现放集电极的大电流实现放大作用。大作用。利用电场效应来控制输出利用电场效应来控制输出

2、电流。电流。对照两种形式的三极管：第3章 场效应管及其放大电路功耗低功耗低集成度高（单位面积上容纳的门电路数量集成度高（单位面积上容纳的门电路数量远大于双极型三极管）远大于双极型三极管）输入阻抗大输入阻抗大（10107 710101212 ）热稳定性好（与环境温度关系不大）热稳定性好（与环境温度关系不大）抗干扰能力强抗干扰能力强缺点：速度低。速度低。FET的特点：体积小，重量轻，价格低，寿命长；体积小，重量轻，价格低，寿命长；第3章 场效应管及其放大电路FET的分类：根据结构不同，可分为：根据结构不同，可分为：结型场效应管（结型场效应管（JFETJunction type Field Effe

3、ct Transistor）金属氧化物半导体场效应管金属氧化物半导体场效应管（MOSFETMetal Oxide-Semiconductor type Field Effect Transistor）N沟道沟道P沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道增强型增强型耗尽型耗尽型第3章 场效应管及其放大电路3.1 3.1 结型场效应管结型场效应管(JFET)(JFET)1. N沟道结型场效应管符号：符号：栅极栅极【Gate】漏极漏极 【Drain】源极源极 【Source】NP+P+3.1.1 JFET的结构三个极：源极（三个极：源极（s）、栅极）、栅极（g）、漏极（）、漏极（d），对应）

4、，对应于晶体管的于晶体管的e、b、c；第3章 场效应管及其放大电路2. P沟道结型场效应管符号：符号：箭头：PNPN栅极栅极【Gate】漏极漏极 【Drain】源极源极 【Source】PN+N+第3章 场效应管及其放大电路当当N N沟道沟道JFETJFET工作时，需：工作时，需：vGSvDS+-dgs在栅极和源极在栅极和源极间加一个负电压间加一个负电压( (vGS uGS (off) 时时, 导通。导通。3、饱和漏电流、饱和漏电流IDSS 在在uGS =0, 时的漏极电流。时的漏极电流。通常令通常令uGS =0， uDS =10V时时,测得的测得的i D 即为即为IDSS 。场效应管的主要参

5、数常量DSGSDmUuig)(offGSDSUuvGSvDS+-dgs第3章 场效应管及其放大电路sgVdDDdiGGVp+p+u=-3VDSGSuGS=-1VuuuGS(mA)=-2VDiGS=0VuGS=0VuGS=-1V3.1.2JFET的特性曲线1. 输出特性曲线常数GSuDSDufi第3章 场效应管及其放大电路恒流区的特点：恒流区的特点：iD / /vGS= =gm常数常数 即：即：iD = =gmvGS （放大原理）（放大原理） 可变电阻区可变电阻区 恒流区、饱和区、恒流区、饱和区、线性放大区线性放大区 截止区截止区 击穿区击穿区u=-3VDSGSuGS=-1VuuuGS(mA)=

6、-2VDiGS=0V可变电阻区恒流区截止区击穿区截止区、恒流区、可变电阻区，对应于截止区、恒流区、可变电阻区，对应于晶体管的截止区、放大区、饱和区。晶体管的截止区、放大区、饱和区。第3章 场效应管及其放大电路UGS(off）时当0 1)(2)(GSoffGSoffGSGSDSSDuUUuIi只要给出只要给出IDSS和和UGS(off）就可以把转移就可以把转移特性中的其他点近似计算出来。特性中的其他点近似计算出来。2. 转移特性曲线常数DSuGSDufi可表示为：可表示为：第3章 场效应管及其放大电路3.2 3.2 金属氧化物半导体金属氧化物半导体（绝缘栅型）（绝缘栅型）场效应管场效应管MOSF

7、ETP沟道沟道N沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道增强型增强型耗尽型耗尽型分类：增强型增强型：指指UGS=0时，时，没有导电沟道，即没有导电沟道，即iD=0，而必须依靠栅源电压而必须依靠栅源电压UGS的作用，才形成感生的作用，才形成感生沟道的沟道的FET。耗尽型耗尽型：指指UGS=0时，时，也会存在导电沟道也会存在导电沟道，iD0的的FET。第3章 场效应管及其放大电路-N+NP衬底sgdb源极栅极漏极衬底符号：符号：3.2.1.N沟道增强型MOSFET1. 结构SiO2绝缘层绝缘层铝电极铝电极半导体半导体第3章 场效应管及其放大电路 定义： 开启电压（ UT）刚刚产生沟道所需的栅源电压UGS。 N

8、沟道增强型MOS管的基本特性： uGS UT，管子截止， uGS UT，管子导通。 uGS 越大，沟道越宽，在相同的漏源电压uDS作用下，漏极电流ID越大。第3章 场效应管及其放大电路 在栅极下方的在栅极下方的SiO2层层中掺入了大量的金属中掺入了大量的金属正离子。所以当正离子。所以当uGS=0时，这些正离子已经时，这些正离子已经感应出反型层，形成感应出反型层，形成了沟道。了沟道。-g漏极s+N衬底P衬底源极d栅极bN+ +符号3.2.2 N沟道耗尽型MOSFET可以在正或负的栅源可以在正或负的栅源电压下工作，而且基电压下工作，而且基本上无栅流本上无栅流第3章 场效应管及其放大电路绝缘栅场效应

9、管N沟沟道道增增强强型型P沟沟道道增增强强型型各种FET的比较与使用注意事项第3章 场效应管及其放大电路绝绝缘缘栅栅场场效效应应管管 N沟沟道道耗耗尽尽型型P 沟沟道道耗耗尽尽型型第3章 场效应管及其放大电路结结型型场场效效应应管管 N N沟沟道道耗耗尽尽型型P P沟沟道道耗耗尽尽型型第3章 场效应管及其放大电路 思考：思考：1、 JEFT的栅极与沟道间的的栅极与沟道间的PN结在一般作为放大器件工作结在一般作为放大器件工作时，能用正向偏置吗？时，能用正向偏置吗？BJT的发射结呢？的发射结呢？答：答：JEFT的栅极与沟道间的的栅极与沟道间的PN结在一般作为放大器件工结在一般作为放大器件工作时，不

10、可以用正向偏置。因为当作时，不可以用正向偏置。因为当JFET正偏时，其正偏时，其PN结结都处于正偏状态，沟道两侧的耗尽层消失，对都处于正偏状态，沟道两侧的耗尽层消失，对DS沟道失去沟道失去了控制作用了控制作用，所以失去放大作用。所以失去放大作用。BJT的发射结要求正偏。的发射结要求正偏。 2、图示符号各表示哪种沟道的图示符号各表示哪种沟道的JEFT？其箭头方向代表？其箭头方向代表什么？什么？答：图答：图(a)为为N沟道，沟道，(b)为为P沟道场效应管。沟道场效应管。箭头方向代表正偏方向箭头方向代表正偏方向第3章 场效应管及其放大电路3.4 场效应管放大电路(1) 静态：适当的静态工作点，使场效

11、应管工作在恒流区，场效应管的偏置电路相对简单。 (2) 动态：能为交流信号提供通路。组成原则：静态分析： 估算法、图解法。动态分析：微变等效电路法。分析方法：第3章 场效应管及其放大电路例 分压式偏置电路下图中，设漏极电源下图中，设漏极电源VDD=18V ，VGS(Off) =-1V，IDSS=0.5mA，求出，求出Q点和动态分析参数。点和动态分析参数。DDggggVRRRV212+gTRdRC12CuouiVD DCdsg1Rg2Rg3RvivoVg2M47K10M2k30k4.7F0.01FiDVSAIg3思考：思考：为何为何Vg与与Rg3无关？无关？ Rg310M Ig30，可认为在，可

12、认为在Rg3上没上没有压降，故有压降，故VgVA第3章 场效应管及其放大电路漏极电源漏极电源VDD经分压电阻经分压电阻Rg1和和Rg2分压后，通过分压后，通过Rg3供给栅极供给栅极电压电压Vg，则，则DDggggVRRRV212+gTRdRC12CuouiVD DCdsg1Rg2Rg3RvivoVg2M47K10M2k30k4.7F0.01FiDVSAIg3思考：思考：为何为何Vg与与Rg3无关？无关？ Rg310M Ig30，可认为在，可认为在Rg3上没上没有压降，故有压降，故VgVA第3章 场效应管及其放大电路SGGSVVVRIVRRRDDDg2g1g2 2GS(off)GSDSSD)1

13、(VVII可解出可解出Q点的点的VGS 、 ID 已知已知V GS(off)，设，设JFET工作在恒流区工作在恒流区RIVRRRVDDDg2g1g2GSVDS =VDD- ID (Rd + R )再求：再求：计算计算Q点：即求出点：即求出VGS 、 ID 、VDS+gTRdRC12CuouiVD DCdsg1Rg2Rg3RvivoVg2M47M10M2k30k4.7F0.01FiDVSAIg3 该电路产生的栅源该电路产生的栅源电压可正可负可为电压可正可负可为0 0，所以适用，所以适用于于所有的所有的场效应管电路！场效应管电路！注意啦 第3章 场效应管及其放大电路DDGSIIRIVRRRV333

14、63DDDg2g1g210*24 . 010*210*4710*218*10*4723232GS(off)GSDSSD)1 (10*5 . 0)11 (10*5 . 0)1 (GSGSVVVVIIVDS =VDD- ID (Rd + R )计算计算Q点：即求出点：即求出VGS 、 ID 、VDS+gTRdRC12CuouiVD DCdsg1Rg2Rg3RvivoVg2M47M10M2k30k4.7F0.01FiDVSAIg3mAI)64. 095. 0(DmAIIDSS5 . 0DmAI31.0DVV22.0GSQVDSQ =8.1V第3章 场效应管及其放大电路 画出放大电路的交流小信号等效电

15、路画出放大电路的交流小信号等效电路 求电压放大倍数求电压放大倍数 求输入电阻求输入电阻 求输出电阻求输出电阻动态分析：动态分析：【步骤与BJT放大电路相同】FET放大电路动态分析第3章 场效应管及其放大电路FET的低频小信号模型，均均开开路路。认认为为在在简简化化模模型型中中，很很大大，和和一一般般dsgsrr g s s g d d + rds gsmVggsVrgs -vGSiD-vDSdIJFET低频小信号等效模型低频小信号等效模型 g s d + gsmVggsV简化后的实用模型第3章 场效应管及其放大电路+C2RuTg3D D1Rg1CCVRRgdsig2dRuoRL+-+uiugd

16、ugsugsmRg3g1Rg2RiRLR-S-o+gROdRiVgsVoVgsmVg 画出等效电路画出等效电路 第3章 场效应管及其放大电路 求电压放大倍数求电压放大倍数则则)/(LdmioVRRgVVAmsUuUIgoffGSGSoffGSDSS22. 1)122. 01 (110*5 . 0*2)1 (23)()(m)0()(GSoffGSuU+uiugdugsugsmRg3g1Rg2RiRLR-S-o+gROdRiVgsVoVgsmVggsiVV)/(LdgsmoRRVgV15. 9)103010*30(22. 1)/(LdmVRRgA第3章 场效应管及其放大电路 求输入电阻求输入电阻

17、求输出电阻求输出电阻MRRRR1010*4710*210*47*10*210*10)/(36366g2g1g3iKRR30do+uiugdugsugsmRg3g1Rg2RiRLR-S-o+gROdRiVgsVoVgsmVg第3章 场效应管及其放大电路v双极型和场效应型三极管的比较双极型三极管双极型三极管 单极型场效应管单极型场效应管输入量输入量电流输入电流输入电压输入电压输入控制控制电流控制电流源电流控制电流源电压控制电流源电压控制电流源输入电阻输入电阻几十到几千欧几十到几千欧几兆欧以上几兆欧以上热噪声热噪声较大较大较小，较小，适用于低噪适用于低噪声声放大器放大器的前置级的前置级 频率特性频率特性好好相对较差相对较差静电影响静电影响不受静电影响不受静电影响易受静电影响易受静电影响制造工艺制造工艺不宜大规模集成不宜大规模集成适宜大规模和超大适宜大规模和超大规模集成规模集成本章小结第3章 场效应管及其放大电路3.12 已知电路参数如图所示，已知电路参数如图所示，FET工作点上的互导工作点上的互导gm = 1ms，设设rd Rd。（。（1）画出电路的）画出电路的小信号模型；（小信号模型；（2）求电压增益）求电压增益Au；（；（3）求放大器的输入电阻）求放大器的输入电阻Ri。u0+C2RuTg3