第4章 贴片场效应管及其放大器

第4章

场效应管及其放大电路

通过这一章的学习，我们要学会：1．利用场效应管来实现信号放大；2．判断场效应管的管脚；3．根据电路的需求来选择放大器件。见教材P65主编：徐丽香副主编：黎旺星张正兰小海4.1概述场效应管有三个电极，分别为G（栅极）、S（源极）、D（漏极）。并且掌握几个重要概念。场效应管是利用栅源之间的电压，即uGS的大小来控制沟道宽度，从而控制漏极电流iD的大小，是利用电压控制电流的大小。

NPPDGSVDSVGSIDS见视频主编：徐丽香副主编：黎旺星张正兰小海场效应管是仅靠半导体中的空穴或自由电子之一来导电的，它又被称为单极性晶极管。场效应管分为结型场效应管（Junctionfieldeffecttransistor,简称JFET）和绝缘栅型场效应管（Insulatedgatefieldeffecttransistor，简称IGFET）两大类。绝缘栅型场效应管有增强型和耗尽型两类。不论结型还是绝缘栅型场效应管，它们又可分为N沟道和P沟道两种。主编：徐丽香副主编：黎旺星张正兰小海4.2结型场效应管

4.2.1结型场效应管的工作特性（1）栅源电压uGS对导电沟道的控制作用改变uGS，可以控制耗尽区的厚薄，亦即改变导电区域的大小，从而达到控制漏极和源极之间的电阻大小的目的，从而来控制流过管子的工作电流iD的大小。主编：徐丽香副主编：黎旺星张正兰小海（2）漏源电压uDS的大小对导电沟道产生的影响如uDS=0，则不管uGS为何值，都无法产生iD。所以只有将uDS与uGS一起来控制导电沟道的宽窄。

主编：徐丽香副主编：黎旺星张正兰小海1．结型场效应管的特性曲线输出特性可分成四个区域:（1）可变电阻区：uDS固定＜5V时，

uGS＜uGS（off）的绝对值区域。

（2）恒流区（放大区）：uDS＞uGS（off）＝5V时，iD不变。（3）击穿区：uDS很大，iD也很大。（4）夹断区：uGS≤uGS（off），iD＝0（5）预夹断区：uGS＝uGS（off）（a）输出特性曲线（b）转移特性曲线图4.3N型沟道场效应管输出特性曲线和转移曲线

见教材P66主编：徐丽香副主编：黎旺星张正兰小海预夹断电压：uGS＝uGS（off）表示沟道刚好接近消失的电压。注意：（1）预夹断前：uGD＞uGS（off）即uGS－uDS＞uGS（off）（2）预夹断时：uGS＝uGS（off）即uGS－uDS＝uGS（off）（3）预夹断后：uGD＜uGS（off）即uGS－uDS＜uGS（off）（4）夹断时：uGS≤uGS（off），iD＝0见教材P67例题结型场效应管工作在放大状态的基本条件是：对于N沟道管，在其栅-源之间加负电压uGS≤0V；对于P沟道管，uGS≥0V，以保证耗尽层承受反向电压；漏-源之间要加正向电压，以形成漏极电流iD，即uDS>0。主编：徐丽香副主编：黎旺星张正兰小海2．转移特性漏极电流iD与栅源电压uGS之间的函数关系

在恒流区,可以认为，iD仅由uGS决定,随着uGS的上升，电流iD也越来越大.恒流区中iD的近似表达式:

（UGS（off）<uGS<0）(4.2)IDSS是uGS=0情况下产生预夹断（即恒流区）iD，称为饱和漏极电流

主编：徐丽香副主编：黎旺星张正兰小海4.2.2结型场效应管的测试1．结型场效应管的管脚识别2．判定管的沟道类型3．估测场效应管的放大能力见教材P68主编：徐丽香副主编：黎旺星张正兰小海4.3绝缘栅型场效应管4.3.1绝缘栅型场效应管的工作特性（a）N型沟道绝缘栅（b）符号（c）uGS大于UGS（th）

增强型的结构时形成导电沟道

图4.5N型沟道绝缘栅增强型场效应管PN掺杂N主编：徐丽香副主编：黎旺星张正兰小海工作原理

（以N型沟道绝缘栅增强型场效应管为例）当uGS＝0,即使uDS>0，由于未形成导电的N型反型层（导电沟道），源漏极间也不会有电流流过.ID＝0.当uDS>0时，uGS>0，且不断增大时,此时ID的大小由uGS决定;随着uGS的增大，当uGS=UGS(th)时,即iD仅由uGS决定，管子就进入恒流区。绝缘栅增强型场效应管工作时，漏极D和源极S之间要有正电压，即uDS>0；栅源电压也必须为正，即uGS>

UGS(th)

。主编：徐丽香副主编：黎旺星张正兰小海增强型：随uGS的增强，导电沟道横截面增大，导电能力增强，在一定的uDS

条件下，电流ID越大主编：徐丽香副主编：黎旺星张正兰小海耗尽型：在siO2层中掺入了大量的正离子，使得

uGS＝0时，就有垂直电场的存在，并吸引电子到半导体的表面形成N型导电沟道。在这种管子电路中，uGS<0,导电沟道被削弱，直至完全不存在，即被“耗尽”。当然，也可以uGS>0,N沟道会更强。主编：徐丽香副主编：黎旺星张正兰小海从曲线分析：主编：徐丽香副主编：黎旺星张正兰小海【例4.2】两种场效应管的转移特性曲线分别如图4.6(a)、(b)所示，分别确定这两个场效应管的类型，并求其主要参数（开启电压或夹断电压，跨导）。测试时电流iD的参考方向为从漏极D到源极S。图4.6两个场效应管的转移特性曲线(a)(b)主编：徐丽香副主编：黎旺星张正兰小海解：（1）从图4.6（a）图曲线可以读出，开启电压UGS（th）＝-2V，因此是P沟道增强型MOS管的转移特性曲线。平均跨导：（2）从图4.6（b）图曲线可以读出，夹断电压UGS（off）＝-4V，IDSS=4mA，UGS可以工作在正值、零、负值，因此是N沟道耗尽型MOSFET的转移特性曲线。平均跨导：主编：徐丽香副主编：黎旺星张正兰小海4.3.2VMOS管VMOS管的结构可以解决普通MOS管无法散发出较多的热量的问题。图4.7N型沟道绝缘栅增强型VMOS管的结构示意图VMOS管的漏区散热面积大，耗散功率可达千瓦以上；此外漏源极间击穿电压高，上限工作频率高，当漏极电流大于某一大小（如500mA）时，iD与uGS基本成线性关系。VMOS管广泛应用于中、大功率管中。主编：徐丽香副主编：黎旺星张正兰小海4.3.3绝缘栅型场效应管的测试

测试时，最好采用专门测试仪进行测量。如果必须采用手工方式用万用表来测试，一定要充分做好防静电措施。1．测试注意事项2．判定电极及类型（1）首先判定栅极（2）判定管子类型及区分漏极与源极主编：徐丽香副主编：黎旺星张正兰小海4.4场效应管的应用

4．4．1场效应管的主要参数及使用注意事项1、主要参数（1）直流参数：开启电压UGS（th）(增强型mos）、夹断电压UGS（off）（结型和耗尽型mos）、饱和漏极电流IDSS（结型）、直流输入电阻RGS（DC）

（2）交流参数：跨导gm

极间电容：Cgs和Cgd约为1~3pF

（3）极限参数：最大漏源电流IDM、漏源击穿电压U（BR）DS、栅源击穿电压U（BR）GS、最大耗散功率PDM

主编：徐丽香副主编：黎旺星张正兰小海2、MOS场效应晶体管使用注意事项使用时应注意以下规则：（1）MOS器件出厂时通常装在黑色的导电防静电泡沫塑料袋中，切勿自行随便拿个塑料袋装。也可用锡纸包装。（2）MOSFET应防止栅极悬空，以免产生高的感应电压而击穿绝缘层，故在保存时应将栅源极间短接。（3） JFET的栅源极之间必须加反偏电压，以保证有高的输入电阻。（4）取出的MOS器件要放置在防静电的容器中，如金属盘等，而不能存放在非防静电的塑料盒上。（5）焊接用的电烙铁必须良好接地。（6）MOSFET焊接时所用电烙铁外壳必须接地，应在焊接时将烙铁拔离交流电源后再焊接。（7）在焊接前最好把电路板的电源线与地线短接，完成后在分开电源线与地线。（8）MOS器件各引脚的焊接顺序是漏极、源极、栅极。拆机时顺序相反。（9）安装有MOS器件的电路板在与机器的接线端子连接之前，最好要用接地的线夹子去碰一下机器的各接线端子，再与电路板相连接。总之在运输、使用MOS器件时，要严格遵守防静电的操作规范。主编：徐丽香副主编：黎旺星张正兰小海4.4.2场效应管构成的放大电路构成放大电路的基本条件是场效应管的工作点位于特性曲线的恒流区，所以必须给场效应管管子提供合适的直流偏置，建立一个合适而稳定的静态工作点，使管子工作在放大区。。场效应管的放大电路有自偏压电路和分压式自偏压电路。自偏压电路：栅偏压UGS是依靠场效应管自身电流iD产生的。仅适用于耗尽型MOS管和结型场效应管，而不能用于uGS≥UGS(th)时才有漏极电流的增强型MOS管。主编：徐丽香副主编：黎旺星张正兰小海自偏压电路原理：由于Rg上没有电流，所以没有电压，即UG＝0，因此UGS＝

UG-US＝0-US=-ID·RS，因此UGS上的电压由RS上的电压来确定，其电位是相等的。这种栅极偏压是由场效应管自身ID产生的，故称为自偏压电路。1、场效应管的自偏压电路直流工作原理及其参数IDQ、UGSQ、UDEQ计算：UGGUGSUS由此得到直流偏置电压线性方程：主编：徐丽香副主编：黎旺星张正兰小海要求参数IDQ、UGSQ、UDSQ，首先分析Q点，在转移特性曲线中，其Q点对应的IDQ、UGSQ就是自偏压的静态工作点。QUGSQIDQIDUGSIDSSUGS(OFF)UGGUGSUS主编：徐丽香副主编：黎旺星张正兰小海例题：一场效应管的电路如图所示，已知IDSS＝8mA,UGS(off)＝－4V，RD=2KΩ,UDD=12V，RS=1KΩ，求IDQ、UGSQ、UDSQ。解：解得：（舍去）主编：徐丽香副主编：黎旺星张正兰小海4.6已知图4.16(a)所示电路中场效应管的转移特性和输出特性分别如图（b）(c)所示。计算其直流工作点。主编：徐丽香副主编：黎旺星张正兰小海解：从转移曲线知：代入公式：（1）、（2）式联立求解：解得：主编：徐丽香副主编：黎旺星张正兰小海3．7已知图4.17（a）所示电路中场效应管的转移特性如图（b）所示。计算其直流工作点。解：从（a）图得到在（b）图上作图得到：主编：徐丽香副主编：黎旺星张正兰小海（2）分压式自偏压电路适用于各种类型的场效应管一般Rg3选得很大，可取几兆欧；静态时，源极电位uS=iD·RS由于栅极电流为零，Rg3上没有电压降，故栅极电位栅偏压：适当选取Rg1、Rg2和RS值，就可得到各类场效应管放大工作时所需的正、零或负的偏压。主编：徐丽香副主编：黎旺星张正兰小海（3）场效应管放大电路分析【例4．3】试计算图4.10放大电路的静态工作点，已知：Rg1=150kΩ，Rg2=50kΩ,Rg3=1MΩ，RD=RS=10kΩ，VDD=20V，场效应管的UGS（off）=-5V，IDSS=1mA。解：

联解两式，可得：计算得：iD=0.61mA,uGS=5-0.61×10=-1.1VuD=20-0.61×10=13.9V(对地电位)主编：徐丽香副主编：黎旺星张正兰小海2、电压放大原理uGS变化控制iD的变化，利用RD把电流转化为电压变化，图中电路的电压放大倍数为15。电压放大倍数，其中RL’=RD∕∕RL，gm为场效应管的跨导场效应管路放大电路有共源极、共漏极和共栅极三种接法。主编：徐丽香副主编：黎旺星张正兰小海4．4．3场效应管构成的恒流源电路

利用场效应管构成恒流源。由运算放大器LF356、大功率场效应管V1、采样电阻R2等组成。主编：徐丽香副主编：黎旺星张正兰小海第四章学习指导

场效应管是电压控制器件，用栅-源电压uGS控制漏极电流iD，栅极的电流基本为零，这是与晶体三极管最大的差别。场效应晶体管由于输入阻抗高，极易被静电击穿，使用时要特别注意防静电。场效应管是仅靠半导体中的一种载流子导电，它又被称为单极性晶极管，分为结型场效应管（JFET）和绝缘栅场效应管（MOS管），每一种分为N沟道和P沟道两种类型，绝缘栅场效应管又分为增强型和耗尽型两种，它们的特性都不同，在测试或使用时要特别注意分清楚。详细比较可参照表4.1。在测试判定电极及类型或管子的好坏时，要注意了解场效应管的内部结构。主编：徐丽香副主编：黎旺星张正兰小海场效应管与晶体三极管一样，可以构成放大电路和开关电路。构成放大电路的基本条件是场效应管的工作点位于特性曲线的恒流区，通过uGS变化控制iD的变化来实现。场效应管放大电路的分析方法与三极管构成放大电路的分析方法相似，主要是首先保证直流偏置正常，这一点通过静态分析法分析；其次是交流通过分析，依输入与输出的公共端不同，分为共源、共漏、共栅三种放大电路形式。主编：徐丽香副主编：黎旺星张正兰小海实验四结型场效应管放大器

一、实验目的1．了解结型场效应管的可变电阻特性；2．掌握共源极放大器的特点。二、实验仪器名称 数量双踪示波器 1台函数发生器 1台晶体管毫伏表 1台数字万用表 1台直流稳压电源 1台实验板 结型场效应管放大器 1块主编：徐丽香副主编：黎旺星张正兰小海三、实验原理

1．实验电路本电路是一种自偏压电路。其中，一些开关和接线柱是为便于进行有关实验内容而设置的，实验电路如图4.18所示。图中有图4.18一些开关K，根据测试的目的，读者判断对应每一项测试应接通的开关是哪一个。主编：徐丽香副主编：黎旺星张正兰小海2．工作原理（1）结型场效应管用做可变电阻。场效应管的工作状态可以分为三个区：可变电阻区（I区）；恒流区（II区）；击穿区（III区）。在I区内iD与uDS的关系近似于线性关系。测量rDS电路

图4.19主编：徐丽香副主编：黎旺星张正兰小海（2）自偏压共源极放大器在图4.18中，若K2、K3和K4断开，K1闭合，即为自偏压共源极放大器。当，有可以得到静态工作点：、、电压放大倍数输入电阻输出电阻

主编：徐丽香副主编：黎旺星张正兰小海四、实验内容1．测量结型场效应管的可变电阻（1）按图4.18接线。其中，为10~100mV，f=1000Hz的正弦波信号。（2）令，调节，使万用