模拟电路基础：第三章 场效应管

1、第3章 场效应晶体管和基本放大电路3.1 场效应晶体管3.2 场效应管放大电路重点掌握场效应管的外特性、主要参数；掌握场效应管组成放大电路静态工作点与动态参数Au、Ri、Ro的分析计算。习题 3-4 3-7 3-8 3-10 3-11 第3章 场效应晶体管和基本放大电路 分类：结型(JFET) 绝缘栅型(IGFET)场效应管输入回路内阻很高(1071012)，热稳定性好，噪声低，比晶体管耗电小，应用广泛。仅靠多数载流子导电，又称单极型晶体管。场效应管（FET）：是利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件。3.1 场效应晶体管3.1.1 结型场效应管 N沟道结型场效应管是在同一块

2、N型半导体上制作两个高掺杂的P区，将它们连接在一起引出电极栅极g。N型半导体分别引出漏极d、源极s，P区和N区的交界面形成耗尽层。源极和漏极之间的非耗尽层称为导电沟。 N沟道结构示意图SiO2N源极S栅极G漏极D NNPP结型场效应管有N沟道和P沟道两种类型。1. 结型场效应管的结构结型场效应管的符号N沟道符号dsgdsgP沟道符号2. 工作原理_电压控制作用正常工作时在栅-源之间加负向电压，(保证耗尽层承受反向电压) 漏-源之间加正向电压，(以形成漏极电流）这样既保证了栅源之间的电阻很高，又实现了ugs对沟道电流iD的控制。d耗尽层sgP+N导电沟道结构示意图(以N沟道为例加以说明)（1）、

3、间和、间短路耗尽区很窄,导电沟道宽| UGS |增加到某一数值,耗尽区相接,沟道消失,沟道电阻趋于无穷大，沟道夹断此时GS的值为夹断电压UGS（off） | UGS |增大，耗尽区增宽，沟道变窄，沟道电阻增大。（）、间加负电压和、间短路 UDS的作用产生漏极电流ID ，使沟道中各点和栅极间的电压不再相等，近漏极电压最大，近源极电压最小。 导电沟道宽度不再相等，近漏极沟道窄，近源极沟道宽。dsgUDSiD（3）、间短路，、间加正向电压随着UDS 的增加， ID近似线性增加,ds间呈电阻特性。 UGD = UGS - UDS = UDS当UDS 增加到 UGS（off），漏极附近的耗尽区相接，称为

4、预夹断。UDSdsgAID随着UDS 增加，ID增大。沟道在漏极处越来越窄。此时，UGD= UGS（off）UDS 再增加，夹断区长度增加（AA）。预夹断时，导电沟道内仍有电流ID ，且UDS增大时ID几乎不变，此时的ID称为“饱和漏极电流IDSS”A、间的负电压使导电沟道变窄（等宽），、间的正电压使沟道不等宽。UGS 增加，导电沟道变窄，沟道电阻增大，同样UDS的产生的ID减小。dsgUDSUGSID（4）、间加负向电压，、间加正向电压（综合（2）（3）两种情况）称场效应管为电压控制元件。由于UDS的增加几乎全部落在夹断区，漏极电流ID基本保持不变。ID几乎仅仅决定于UGS，表现出恒流特性。

5、 恒流区AdsgUDSUGSID夹断区恒流区可变电阻区3.结型场效应管的特性ID = f (UDS )UGS = 常数（1）输出特性曲线因场效应管栅极电流几乎为零，不讨论输入特性。输出特性和转移特性预夹断轨迹：通过连接各曲线上UGD= UGS（off）的点而成。1)可变电阻区： 预夹断轨 迹左边区域。 条件： UGD UGS（off）。 特点：可通过改变UGS大 小来改变漏源间电阻值。2)恒流区：预夹断轨迹右边区域。 条件： UGD0 ，UDS =0UGS越大，反型层越厚，导电沟道电阻越小，同样的产生的电流越大 此时的栅-源电压称为开启电压UGS(th) UDS作用产生漏极电流ID 。沟道各点

6、对栅极电压不再相等，导电沟道宽度不再相等，沿源-漏方向逐渐变窄。 3）UGS UGS(th） ，UDS 0P衬底BN+N+SGDUGD=UGS-UDS UGS(th） ，UDS 0P衬底BN+N+SGD4321051015UGS =5V6V4V3V2ViD /mAUDS =10VN沟道增强型 MOS 管的特性曲线 0123恒流区击穿区可变电阻区246uGS / V（3） 特性曲线UGs(th)输出特性转移特性 uDS / ViD /mA夹断区ID和UGS的近似关系：IDO是UGS = 2UGS(th)时的ID。UDS =10V0123246UGS / VUGs(th)ID /mAIDO制造时,

7、在sio2绝缘层中掺入大量的正离子,即使UGS =0，在正离子的作用下，源-漏之间也存在导电沟道。只要加正向UDS ，就会产生ID。 只有当UGS小于某一值时，才会使导电沟道消失，此时的UGS称为夹断电压UGS(off) 。结构示意图P源极S漏极D 栅极GBN+N+正离子反型层SiO22、N沟道耗尽型MOS管dN沟道符号BsgP沟道符号dBsgMOS管符号DBSGN沟道符号DBSGP沟道符号耗尽型MOS管符号增强型MOS管符号432104812UGS =1V2V3V输出特性转移特性N沟道耗尽型MOS管的特性曲线 1230V1012123 UGS / V2. 特性曲线IDUGSUGs(off)

8、UDS / VUDS =10VID /mAID /mA场效应管的符号及特性(p76）结型N沟道结型P沟道NMOS增强型NMOS耗尽型PMOS增强型PMOS耗尽型（+）（+）（+）（+）（-）（-）（-）（-） 测得某放大电路中三个MOS管的三个电极的电位及它们的开启电压如表所示。试分析各管的工作状态（截止区、恒流区、可变电阻区）。管号UGS(th)/VUs/VUG/VUD/V工作状态T14-513T2-43310T3-4605恒流区截止区可变电阻区3.1.3 场效应管的主要参数1、直流参数 （1）开启电压UGS(th)UDS为固定值能产生漏极电流ID所需的栅-源电压UGS的最小值 它是增强型M

9、OS管的参数。（NMOS管为正，PMOS管为负） （ 2）夹断电压 UGS(off) UDS为固定值使漏极电流近似等于零时所需的栅-源电压。 是结型场效应管和耗尽型MOS管的参数（NMOS管为负， PMOS管为正）。 （4）直流输入电阻RGS（DC） 栅-源电压与栅极电流的比值，其值很高, 一般为107-1010左右。 （3）饱和漏极电流IDSS 对于耗尽型MOS管,在UGS =0情况下产生 预夹断时的漏极电流。2、交流参数gm=iD / uGS UDS =常数 gm是衡量栅-源电压对漏极电流控制能力的一个重要参数。 （1）低频跨导 gm管子工作在恒流区并且 UDS为常数时，漏极电流的微变量与

10、引起这个变化的栅-源电压的微变量之比称为低频跨导,即（2）交流输出电阻rdsrds反映了uDS对iD的影响，是输出特性曲线上Q点处切线斜率的倒数 rds在恒流区很大。3、极限参数（1）最大漏极电流IDM()最大漏源电压U DS(BR)(3)最大栅源电压U GS(BR)(4)最大耗散功率P DM3.1.4 场效应管与双极型晶体管的比较场效应管的栅极g、源极s、漏极d分别对应于晶体管的基极b、发射极e、集电极c1）FET是电压控制元件，输入阻抗很高；BJT 是电流控制元件，输入阻抗较小；2）FET（单极型）多子参与导电，温度稳定性好，抗辐射能力强， FET噪声系数小；BJT为多子和少子同时参与导电

11、，性能差；3）FET漏极与源极可以互换使用；BJT的发射极与集电极一般不能互换使用； FET比BJT的种类多，组成电路更灵活；4）FET工艺简单，功耗小，电源范围宽，更多用于大规模和超大规模集成电路。）管的栅极绝缘，外界感应电荷不易泄放 例 已知某管的输出特性曲线如图所示。试分析该管是什么类型的场效应管。N沟道增强型MOS管。2105101510V8V6V uDS / ViD /mA4V开启电压UGS(th)=4V 例 电路及管子的输出特性如图所示。试分析uI为0、8V和10V三种情况下uO分别为几伏。+VDD(+15V)RD5kuo +-uI +-2105101510V8V6V uDS /

12、ViD /mA4V+VDD(+15V)RD5kuo +-uI +-2105101510V8V6V uDS / ViD /mA4V（3）当UGS(th)=10V时，若认为 T工作在恒流区，则iD为2.2mA, uo=4V,而uGS=10V时的预夹断电压为uDS=6V说明管子工作在可变电阻区。+VDD(+15V)RD5kuo +-uI +- uDS / V2105101510V8V6ViD /mA4V场效应管组成的放大电路与双极型晶体管一样，必须建立合适的静态工作点. 场效应管放大电路.场效应管放大电路的直流偏置及静态分析1、自给偏压电路静态工作点分析 栅极电流为0此电路只适用于耗尽型器件、分压式

13、偏置电路IDQ、 UGSQ静态工作点分析栅极电流为0增强型MOS管的电流方程例3-1 自给偏压电路中,已知场效应管的输出特性, 用图解法确定Q点(1) 根据输出回路方程作直流负载线MN(2) 根据直流负载线与各输出曲线的交点a、b、c、d、e所对应的iD和uGS的值作转移特性(3) 根据输入回路方程作源极负载线OL（4）源极负载线与转移特性曲线的交点为Q点QQ. 用微变等效电路法分析场效应管放大电路的动态参数 场效应管的交流低频小信号模型求全微分低频小信号模型sdg+_.UgsgmUgsMOS管简化交流等效模型耗尽型:(结型)增强型：UGS(th)iD=IDO(uGS1)2rds应用微变等效电路分析法分析场效应管放大电路（）共源放大电路微变等效电路 电压增益 输入电阻 输出电阻例图示电路，CS和RL开路计算、和解：共源电路的电压增益比共射电路小，输入