模拟电子技术第3章第二部分

第三章场效应管放大器绝缘栅场效应管结型场效应管

3.2场效应管放大电路效应管放大器的静态偏置效应管放大器的交流小信号模型效应管放大电路3.1场效应管只有一种载流子参与导电，且利用电场效应来控制电流的三极管，称为场效应管，也称单极型三极管。场效应管分类结型场效应管绝缘栅型场效应管特点单极型器件(一种载流子导电)；

输入电阻高(1071015)；工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低。3.1场效应管增强型耗尽型1、结构和符号一、结型场效应管（N沟道为例）

场效应管有三个极：源极（s）、栅极（g）、漏极（d），对应于晶体管的发射极e、基极b、集电极c。导电沟道源极栅极漏极符号结构示意图N沟道1)栅-源电压uGS对导电沟道宽度的控制作用沟道最宽沟道变窄沟道消失称为夹断

当uDS=0，uGS可以控制导电沟道的宽度。2、工作原理

当沟道消失时，uGS=UGS（off）称为夹断电压2)漏-源电压UDS对漏极电流ID的影响

当UGS（off）<uGS<0时，uDS对漏极电流的影响。沟道为楔型，电流增大预夹断，电流趋于饱和电流达到饱和uGD＝UGS（off）（可变电阻区）（恒流区）场效应管工作在恒流区的条件是什么？管子工作在恒流区，满足uGS＞UGS（off）且uGD＜UGS（off）g-s电压控制d-s间等效电阻1)输出特性预夹断轨迹，uGD＝UGS（off）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UGS（off）

有三个工作区域：截止区(夹断区)、恒流区、可变电阻区，类似于晶体管的截止区、放大区、饱和区。IDSS

3、特性曲线漏极饱和电流ΔiD低频跨导gm：用来描述动态的栅-源电压uGS对漏极电流iD的控制作用（恒流区）ΔuGS输出特性2)转移特性曲线：iD=f（uGS）│uDS=常量

可根据输出特性曲线作出移特性曲线。例：作uDS=10V的一条转移特性曲线：漏极饱和电流夹断电压

恒流区中iD的表达式为：

不同型号的管子UGS（off）、IDSS将不同。

由金属、氧化物和半导体制成，称为金属-氧化物-半导体场效应管，或简称MOS管。特点：输入电阻可达109以上，用于大规模集成电路。类型N沟道P沟道增强型耗尽型增强型耗尽型UGS=0时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管.UGS=0时漏源间不存在导电沟道称增强型场效应管.二、绝缘栅型场效应管1、增强型MOS管符号和结构（N沟道为例）符号结构示意图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。SiO2绝缘层耗尽层反型层uGS＝UGS（th）沟道开启金属层iD随uDS的增大而增大uGD＝UGS（th）iD几乎仅仅受控于uGS当uGS>

UGS(th)时，漏源电压uDS

对iD的影响(可变电阻区)(恒流区)N沟道增强型MOS管工作在恒流区的条件是什么？预夹断，电流趋于饱和管子工作在恒流区，满足uGS＞UGS（th）且uGD＜UGS（th）2、耗尽型MOS管符号和结构（N沟道为例）符号结构示意图加正离子uGS=0时就存在导电沟道

耗尽型MOS管在

uGS＞0、uGS＜0、uGS＝0时均可导通，且由于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。uGS＝UGS（off）<0，沟道夹断3、MOS管的特性曲线N沟道增强型MOS管在恒流区时iD表达式：式中，IDO为uGS=2UGS(th)时的iD开启电压夹断电压

耗尽型MOS管与结型场效应管的转移特性方程相类似。N沟道耗尽型MOS管种类符号转移特性漏极特性

结型N沟道耗尽型

结型P沟道耗尽型

绝缘栅型

N沟道增强型SGDSGDIDUGS=0V+UDS++oSGDBUGSIDOUGS(th)表1.4.13各类场效应管的符号和特性曲线+UGS=UGS(th)UDSID+++OIDUGS=0V---UDSOUGSIDUGS(off)IDSSOUGSID/mAUGS(off)IDSSO种类符号转移特性漏极特性绝缘栅型N沟道耗尽型绝缘栅型P沟道增强型耗尽型IDSGDBUDSID_UGS=0+__OIDUGSUGS(off)IDSSOSGDBIDSGDBIDIDUGSUGS(th)OIDUGSUGS(off)IDSSO_IDUGS=UGS(th)UDS_o_UGS=0V+_IDUDSo+一、直流参数1.开启电压UGS(th)2.夹断电压UGS(off)3.饱和漏极电流

IDSS4.直流输入电阻RGS为结型场效应管和耗尽型MOS管的一个重要参数。为耗尽型场效应管的一个重要参数。为增强型MOS管的一个重要参数。输入电阻很高。结型场效应管一般在107以上，

MOS管更高，一般大于109。三、场效应管的主要参数二、交流参数1.低频跨导gm2.极间电容

用以描述栅源之间的电压uGS

对漏极电流iD

的控制作用。单位：iD毫安(mA)；uGS

伏(V)；gm毫西门子(mS)

这是场效应管三个电极之间的等效电容，包括CGS、CGD、CDS。

极间电容愈小，则管子的高频性能愈好。一般为几个皮法。三、极限参数1.最大漏极电流IDM2.漏源击穿电压U(BR)DS3.栅源击穿电压U(BR)GS

漏极电流的上限值当漏极电流ID急剧上升产生雪崩击穿时的UDS。

场效应管工作时，若UGS>U(BR)GS

，PN结将被击穿。4.最大耗散功率PDM

由场效应管允许的温升决定。漏极耗散功率转化为热能使管子的温度升高。1.N沟道结型场效应管：截止区（夹断区）：uGS<UGS(off)<0恒流区：UGS(off)

<uGS<0，并且uGD<UGS(off)

四、场效应管的工作区域判断可变电阻区：UGS(off)

<uGS<0，并且uGD>UGS(off)

2.N沟道增强型MOS管：截止区：uGS<UGS(th),并且UGS(th)>0恒流区：uGS>UGS(th)

，并且uGD<UGS(th)

可变电阻区：uGS>UGS(th)

，并且uGD>UGS(th)

注：耗尽型MOS管与结型场效应管相类似。3.P沟道结型场效应管：截止区（夹断区）：uGS>UGS(off)>0恒流区：0<uGS<

UGS(off)

，并且uGD>UGS(off)

可变电阻区：0<uGS<UGS(off)

，并且uGD<UGS(off)

4.P沟道增强型MOS管：截止区：uGS>UGS(th),并且UGS(th)<0恒流区：uGS<

UGS(th)

，并且uGD>UGS(th)

可变电阻区：uGS<UGS(th)

，并且uGD<UGS(th)

注：耗尽型MOS管与结型场效应管相类似。判断下列N沟道场效应管的管型和工作状态。T1为N沟道结型场效应管，工作在截止区。管号UGS(off)或UGS(th)USUGUD结型T1-33-110MOST24-23-1.2MOST3-30010T2为增强型N沟道MOS管，工作在可变电阻区。T3为耗尽型N沟道MOS管，工作在恒流区。例：已知场效应管的输出特性曲线如图,分析当uI＝4V、8V、12V三种情况下场效应管分别工作在什么区域。解：由T的输出特性可知其开启电压为5V，图示电路uGS＝uI。

当uI＝4V时，uGS小于开启电压，故T截止。

当uI＝8V时，设T工作在恒流区，由输出特性得iD≈0.6mA，管压降uDS≈VCC－iDRd≈10VuGD＝uGS－uDS≈－2V小于开启电压，假设成立

当uI＝12V时，假设T工作在恒流区，由iD≈3.8mA得：

即T工作在恒流区。

uDS≈-0.54V，uGD≈12.54V大于开启电压，T工作在可变电阻区。五.双极型和场效应型三极管的比较双极型三极管

单极型场效应管载流子多子扩散少子漂移

多子漂移输入量电流输入电压输入控制电流控制电流源电压控制电流源输入电阻几十到几千欧几兆欧以上噪声较大较小静电影响不受静电影响易受静电影响制造工艺不宜大规模集成适宜大规模和超大规模集成

共E共S3.2.场效应管放大电路（结型N沟道）+++——gTRdRgC1C2uouiVDDdVGGs++——bTRcRbC1C2uouicVBBe+CCV一.场效应管放大器的直流偏置电路

保证管子工作在饱和区，输出信号不失真1.自偏压电路UGS=-IDR

注意：该电路产生负的栅源电压，所以只能用于需要负栅源电压的电路。计算Q点：UGS、ID、UDS已知UP，由UGS=-IDR可解出Q点的UGS、IDUDS=VDD-ID(Rd+R)再求：ID

2.分压式自偏压电路可解出Q点的UGS、ID

计算Q点：已知UP，由该电路产生的栅源电压可正可负，所以适用于所有的场效应管电路。UDS=VDD-ID(Rd+R)再求：

如果输入信号很小，场效应管工作在线性放大区（即输出特性中的恒流区）时，与三极管一样，可用小信号模型法进行动态分析。将场效应管看成一个两端口网络，栅极与源极之间视为输入端口，漏极与源极之间视为输出端口。以N沟道耗尽型MOS管为例，可认为栅极电流为零，栅-源之间只有电压存在。漏极电流iD是栅源电压uGS和漏源电压uDS的函数iD=f(uGS,uDS)二.

场效应管的交流小信号模型

对上式求iD的全微分可得式中iD=f(uGS,uDS)从场效应管的特性曲线可知，当小信号作用时，管子的电压、电流在Q点附近变化，因此可认为在Q点附近的特性是线性的，则gm和rds近似为常数。用正弦相量 取代变化量diD、duGS、duDS，上式可写成：由此可构造出场效应管的小信号模型。图中栅-源之间只有一个栅源电压，没有栅极电流；漏-源之间是一个受电压控制的电流源和电阻rds相并联。场效应管的小信号模型(a)N沟道耗尽型MOSFET；(b)小信号模型

由转移特性可知，gm是UDS=UDSQ那条转移特性曲线上以Q点为切点的切线斜率。在小信号作用时，可用切线来等效Q点附近的曲线，由于gm是输出电流与输入电压的比值，故称为跨导，其单位为西门子（S），一般gm数值约为0.1~20mS。从输出特性可知，rds是UGS=UGSQ那条输出特性曲线上Q点处斜率的倒数，它表示曲线的上翘程度，rds越大，曲线越平。通常rds在几十千欧