模拟电子技术：4第四章 场效应管及其基本放大电路

第4章场效应管及其基本放大电路

第4章场效应管及其基本放大电路

4.1金属-氧化物-半导体（MOS）场效应管4.2场效应管放大电路4.3结型场效应管（JFET）4.4各种场效应管特性的比较以及与双极型管的比较1FET

分类金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFET）即绝缘栅型场效应管（MOS管）结型场效应管（JFET）单极型晶体管—仅靠半导体中的多数载流子导电噪声小、抗辐射能力强、低电压工作、低能耗场效应晶体管(FieldEffectTransistor,FET)：利用电场效应来控制其电流大小的半导体器件。FET

特点第4章场效应管及其基本放大电路

重点：增强型MOSFET2场效应管有三个极：源极（s）、栅极（g）、漏极（d），对应于晶体管的：e、b、c；有三个工作区域：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。场效应管具有制造工艺简单、占用芯片面积小、器件特性便于控制等特点，从而可以用于制造高密度的超大规模集成电路。第4章场效应管及其基本放大电路

3N沟道增强型MOS管绝缘栅型场效应管MOSFET分为增强型MOS管N沟道、P沟道耗尽型MOS管N沟道、P沟道4.1.1增强型MOS管1.结构（N沟道）耗尽层漏极D利用扩散的方法制作两个高掺杂的N型区4.1金属-氧化物-半导体（MOS）场效应管低掺杂的P型硅片衬底在P型硅表面制作一层SiO2绝缘层源极S铝电极，栅极G41.结构剖面图图中衬底箭头方向是PN结正偏时的正向电流方向5

uGS=0时，无导电沟道，uGS增大，反型层（导电沟道）将变厚变长。当反型层将两个N区相接时，形成导电沟道，增强型FET空穴uGS增大,耗尽层增宽,且形成反型层大到一定值才开启(1)uDS=0时，uGS对导电沟道的影响增强型2.工作原理电场排斥空穴，剩下不能移动的负离子区，形成耗尽层6iDiD

iD随uDS的增大而增大，可变电阻区

uGD＝Uth,预夹断

iD趋于饱和，几乎仅仅受控于uGS，恒流区刚出现夹断uDS的增大几乎全部用来克服夹断区的电阻iD（2）uDS对iD的影响uDSID沟道电位梯度→整个沟道呈楔形分布靠近漏极d处的电位升高电场强度减小7预夹断后，uDS夹断区延长沟道电阻iD基本不变uDS=uGS-Uth（2）uDS对iD的影响8

uDS一定，uGS变化时，iD

给定一个uGS

，就有一条不同的iD

–uDS

曲线。（3）uDS和uGS同时作用时N沟道增强型MOS管的输出特性曲线9（1）输出特性曲线①截止区当uGS<Uth

时，导电沟道尚未形成，iD=0，为截止工作状态，又称为夹断区。②可变电阻区

uGS>UthuDS≤（uGS－Uth）

直线斜率的倒数为D-S间的等效电阻

,改变

uGS来改变漏-源电阻的阻值(压控电阻）3．伏安特性曲线与电流方程10iD近似为电压uGS控制的电流源

,与uDS基本无关，恒流区③饱和区（恒流区又称放大区）利用场效应管作放大管时，应使其工作在该区域（1）输出特性曲线11K为常数，由场效应管结构决定抛物线（2）转移特性124.1.2耗尽型MOS管1．结构uGS=0时就存在导电沟道衬底箭头方向是PN结正偏时的正向电流方向小到一定值才夹断

耗尽型MOS管在

uGS＞0、uGS

＜0、uGS

＝0时均可导通，由于SiO2绝缘层的存在，在uGS＞0时仍保持g-s间电阻非常大的特点。132．伏安特性UP141)增强型MOS管2)耗尽型MOS管开启电压夹断电压小结：MOS管的特性在恒流区时：式中IDO为uGS=2UGS(th)时的iD15根据场效应管工作在恒流区的条件，在g-s、d-s间加极性合适的电源1.基本共源放大电路4.2.1场效应管的直流偏置及静态分析4.2场效应管放大电路16由正电源获得负偏称为自给偏压2.自给偏压电路17

4.2场效应管放大电路【例4.2.1】VDD=15V其转移特性曲线如图所示。试求IDQ、UGSQ及UDSQ的值。解：由图可读得：IDSS=2.3mA、UP=－3V。列方程组解得两个解：IDQ1=1.01mA、IDQ2=8.9mA，其中IDQ2>IDSS，不合实际，舍去。故18即典型的Q点稳定电路适合任何类型的场效应管构成的放大电路。为什么加Rg3?其数值应大些小些？3.分压式偏置电路193.分压式偏置电路20

【例4.2.3】

图所示电路中N沟道增强型MOSFET的参数为：Uth=1V，Kn=0.5mA/V2。求UGSQ，UDSQ，IDQ。解：解得：因为是N沟道增强型MOSFET，舍去负值得：3.分压式偏置电路21【例4.2.4】图4.2.7所示电路中P沟道增强型MOSFET的参数为：Uth

=－0.8V，Kp=0.2mA/V2。求UGSQ，UDSQ，IDQ。(P109)解：由于因而，没有工作在放大区，而是工作在线性电阻区3.分压式偏置电路22在线性电阻区

3.分压式偏置电路联立求解得在电阻区需要满足所以舍去一组解，因此，，231．场效应管的微变等效电路输入回路中，由于栅-源极之间呈现很高的电阻，基本不从信号源索取电流，故可认为栅-源间近似开路。因而可认为输出回路是一个电压控制的电流源。rds是输出特性曲线在静态工作点上斜率的倒数，相当于晶体管的rce，其数值通常比较大，可以认为是开路。在输出回路中，漏极电流仅仅决定于栅-源电压，满足4.2.2场效应管的微变等效电路

241．场效应管的微变等效电路（1）对于耗尽型管在静态工点处，用IDQ代入得

（2）对于增强型管gm反映了uGS对iD的控制能力，一般在十分之几至几mS，有的可达100mS，甚至更高。gm与Q点密切相关，与晶体管放大电路一样，Q点不仅影响电路是否会产生失真，而且影响着电路的动态参数。根据iD的表达式或转移特性可求得gm。低频互导251．场效应管的微变等效电路交流输出电阻

沟道长度调制效应rds与VA的关系厄尔利电压，一般为30~200V沟道长度调制参数26输出电阻分析4.2.3共源放大电路的动态分析27

MOS管的K=0.5mA/V2（1）求静态工作点Q；（2）求解：（1）根据直流通路,有【例4.2.5】在图（a）所示电路中，已知4.2.3共源极放大电路的动态分析28

解：联立求解，得出舍去负值，得出合理解为4.2.3共源极放大电路的动态分析29低频等效跨导为（2）画出放大电路的微变等效电路30

求【例4.2.6】参数同例4.2.5.但没有旁路电容CS，电路如图4.2.3共源极放大电路的动态分析解：微变等效电路如下图所示314.2.4共漏极放大电路的动态分析(2)动态分析，画出微变等效电路(1)静态工作点的计算方法与共源极电路类似共漏放大电路也称为源极输出器或源极跟随器。32由于共漏极放大电路的特点与共集电极放大电路相似。但输入电阻远大于共集电极放大电路输入电阻，输出电阻也更大，电压跟随作用更差。分析共漏极放大电路的输出电阻(3)求输出电阻采用外加电源法求输出电阻，将输入端短路，在输出端加交流电压源334.2.4共漏极放大电路的动态分析【例4.2.7】电路如图（a）所示，已知场效应管参数Uth=1.6V，Kn=4mA/V2，λ=0.01V-1，求解：（1）直流分析得出合理解为34画微变等效电路如图(b)所示。（2）交流分析35导电沟道1.结构JFET属于耗尽型一类。4.3结型场效应管（JFET）36耗尽层很窄、导电沟道最宽耗尽层加宽、沟道变窄、沟道电阻增大耗尽层闭合、沟道消失称为夹断UPuGS由零往负向增加时|uGS|进一步增加到某一定值|up|时上述分析表明，改变uGS的大小，就可以改变沟道宽窄，即导电沟道的电阻，从而控制iD的大小。这与MOS场效应管是一样的（1）JFETuDS=0时，栅-源电压uGS对导电沟道宽度的控制作用2.工作原理uDS=0,uGS=037uGS＞UGS（off）且不变，uDS增大，iD增大。预夹断uGD＝UGS（off）随着uDS的再增大，夹断区加长，uDS的增大几乎全部用来克服沟道的电阻，iD几乎不变，进入恒流区，iD几乎仅仅决定于uGS。场效应管工作在恒流区的条件是什么？uGD>UGS（off）uGD<UGS（off）（2）漏-源电压对漏极电流的影响UP<uGS

<038除了结型场效应管必须保证uGS≤0之外，它的特性曲线与N沟道耗尽型MOS管的是相似的。3.JFET特性曲线39夹断电压漏极饱和电流场效应管工作在恒流区，因而uGS＞UGS（off）且uGD＜UGS（off）。uDG＞－UGS（off）（1）JFET转移特性40g-s电压控制d-s的等效电阻预夹断轨迹，uGD＝UP可变电阻区恒流区iD几乎仅决定于uGS击穿区夹断区（截止区）夹断电压IDSSΔiD不同型号的管子UP、IDSS将不同。低频跨导：（2）JFET输出特性uGS-uDS＝UPuDS＝uGS-UP41

【例】

场效应管偏置电路及其转移特性曲线如图所示。试求IDQ、UGSQ及UDSQ的值。解：由图(b)可读得：IDSS=2.3mA、UP=－3V。列方程组

解方程组得到两个解：IDQ1=1.01mA、IDQ2=8.9mA，其中IDQ2>IDSS，不合实际，舍去。故4.3结型场效应管（JFET）42问题：uGS=0可工作在恒流区的场效应管有哪几种？

只有uGS＞0才可能工作在恒流区的场效应管有哪几种？只有uGS＜0才可能工作在恒流区的场效应管有哪几种？工作在恒流区时g-s、d-s间的电压极性

4.4各种场效应管特性的比较以及与双极型管的比较

4.4.1各种场效应管的特性比较43各种场效应管的特性比较（1）结构类型

工作方式

电路符号

转移特性曲线

输出特性曲线

绝缘栅(MOSFET)N沟道

增强型

耗尽型

44各种场效应管的特性比较（2）结构类型

工作方式

电路符号

转移特性曲线

输出特性曲线

绝缘栅(MOSFET)P沟道

增强型

耗尽型

45各种场效应管的特性比较（3）结构类型

工作方式

电路符号

转移特性曲线

输出特性曲线

结型(JFET)N沟道耗尽型结型(JFET)P沟道

耗尽型

46结构类型

绝缘栅(MOSFET)N沟道

绝缘栅(MOSFET)P沟道

结型(JFET)N沟道

结型(JFET)P沟道

工作方式

增强型

耗尽型

增强型

耗尽型

耗尽型

耗尽型

电路符号

转移特性曲线

输出特性曲线

各种场效应管的特性比较（4）47例：已知某场效应管的输