第四章 场效应管放大电路

第4章场效应管放大电路场效应管的分类；结型场效应管（JFET）和金属－氧化物－半导体场效应管（MOSFET）的结构、工作原理、输出特性曲线和转移特性曲线，以及各参数；场效应管放大电路的结构及分析方法；场效应管的特点（主要与BJT相比较而言）本章主要内容第4章场效应管放大电路场效应管【FET——FieldEffectTransistor】双极型三极管场效应管BJTFET电流控制的元件(iB→iC)电压控制的元件(vGS→iD)两种载流子（电子和空穴）同时参与导电——故称双极型三极管只有一种载流子（多子电子）参与导电——故也称单极型三极管对照两种形式的三极管：功耗低集成度高（单位面积上容纳的门电路数量远大于双极型三极管）输入阻抗大（107～1012）热稳定性好（与环境温度关系不大）抗干扰能力强缺点：速度低。FET的特点：体积小，重量轻，价格低，寿命长；FET的分类：根据结构不同，可分为：结型场效应管（JFET——JunctiontypeFieldEffectTransistor）金属－氧化物－半导体场效应管（MOSFET——MetalOxide-SemiconductortypeFieldEffectTransistor）N沟道P沟道P沟道N沟道N沟道P沟道增强型耗尽型目录4.1结型场效应管4.3金属－氧化物－半导体场效应管4.4场效应管放大电路4.5

各种放大器件电路性能比较返回4.2砷化镓金属－半导体场效应管4.1结型场效应管(JFET)返回一.结构N沟道结型场效应管符号：栅极【Gate】漏极【Drain】源极【Source】NP+P+【参见教材P156图4.1.1】P沟道结型场效应管符号：箭头：P→N栅极【Gate】漏极【Drain】源极【Source】PN+N+【参见教材P157图4.1.2】以N沟道JFET为例：二.工作原理栅极漏极源极NP+P+------------------------++++++++++++++++++++++++耗尽层P+区N区---------+++++++++P+区内侧与P+区和N沟道交界侧PN结形成比较：两侧正负离子数目应相等可见P+区内侧耗尽层非常窄，故分析时各教材往往都不画出这部分PN结。当N沟道JFET工作时，需：vGSvDS+-dgs在栅极和源极间加一个负电压(vGS<0),使栅极与N沟道间的PN结反偏，则场效应管呈现出很高的输入电阻，Ri可达107Ω以上vGSvDS+-dgs当N沟道JFET工作时，需：+-在漏极和源极间加一个正电压(vDS>0),使N沟道中电子在电场作用下由源极向漏极运动，形成电流iD。iD的大小受vGS控制iD栅源电压vGS对电流iD的控制作用分析工作原理：实际上就是分析vGS对iD的控制作用和vDS对iD的影响。这里要讨论的关系是：在栅源间加负电压vGS，为便于讨论，先令vDS=0①当vGS=0时，为平衡PN结，导电沟道最宽。在栅源间加负电压vGS，为便于讨论，先令vDS=0①当vGS=0时，为平衡PN结，导电沟道最宽。②当│vGS│↑时，PN结反偏，耗尽层变宽，导电沟道变窄，沟道电阻增大。对于N沟道JFET，VP<0在栅源间加负电压vGS，为便于讨论，先令vDS=0①当vGS=0时，为平衡PN结，导电沟道最宽。②当│vGS│↑时，PN结反偏，耗尽层变宽，导电沟道变窄，沟道电阻增大。③当│vGS│↑到一定值时，沟道会完全合拢。夹断电压VP——使导电沟道完全合拢（消失）所需要的栅源电压vGS。

注意可以归纳，vDS＝0时vGS对导电沟道的控制作用：(a)vGS=0(b)vGS<0(c)vGS=VP此时，vGS变化虽然导电沟道随之变化，但漏极电流iD总是等于0。若vDS为一固定正值，则

iD将受vGS的控制，

│vGS│↑时，沟道电阻↑，iD↓。vDSvDS对iD的影响这里要讨论的关系是：

在漏源间加电压vDS，为便于讨论，先令vGS=0由于vGS=0，所以导电沟道最宽。

①当vDS=0时，iD=0。在漏源间加电压vDS，为便于讨论，先令vGS=0由于vGS=0，所以导电沟道最宽。

①当vDS=0时，iD=0。②vDS↑→iD↑→靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，呈楔形分布在漏源间加电压vDS，为便于讨论，先令vGS=0由于vGS=0，所以导电沟道最宽。

①当vDS=0时，iD=0。②vDS↑→iD↑→靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，呈楔形分布③当vDS↑，使vGD=vGS-vDS=-vDS=VP时，在靠漏极A点处夹断——预夹断。A此时iD达到了饱和漏电流IDSS表示栅源极间短路当vGS为一固定常数时，VP=vGD=vGS-vDS在漏源间加电压vDS，为便于讨论，先令vGS=0由于vGS=0，所以导电沟道最宽。

①当vDS=0时，iD=0。②vDS↑→iD↑→靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，呈楔形分布③当vDS↑，使vGD=vGS-vDS=-vDS=VP时，在靠漏极A点处夹断——预夹断。④vDS再↑，预夹断点下移预夹断前，

vDS↑→iD↑预夹断后，

vDS↑→iD几乎不变Why？总结工作情况①ID受输入电压vGS的控制，其iG≈0，输入电阻很大；②其导电特性是由多子决定的，故其热噪声很小，受环境温度影响很小；③ID受漏源电压vDS的影响vDS很小时(即预夹断前)，ID与vDS成正比，呈纯阻性预夹断时，当vDS到一定程度，ID=IDSS(最大饱和电流)vDS继续增加，ID不变vDS再增加，当vDS＝V(BR)DS时击穿，

ID↑↑(a)vGS=0,vDS=0时iD=0(b)vGS=0,vDS<│VP│时iD迅速增大(c)vGS=0,vDS=│VP│时iD趋于饱和iD饱和(d)vGS=0,vDS>│VP│时图示：改变vDS时JFET导电沟道的变化综上分析可知：（a）

JFET沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电，所以场效应管也称为单极型三极管；

（b）

JFET栅极与沟道间的PN结是反向偏置的，因此输入电阻很高；

（c）

JFET是电压控制电流器件，iD受vGS控制；

（d）预夹断前iD与vDS呈近似线性关系；预夹断后，iD趋于饱和。uGS=0VuGS=-1V三.JFET的特性曲线及参数输出特性曲线恒流区的特点：△iD

/△vGS=gm≈常数

即：△iD=gm△vGS

（放大原理）①可变电阻区（预夹断前）

②恒流区或饱和区（预夹断后），也称线性放大区③夹断区（截止区）④击穿区可变电阻区恒流区截止区击穿区分四个区：转移特性曲线可根据输出特性曲线作出转移特性曲线。例：作uDS=10V的一条转移特性曲线AABBCCDD通过实验可以得到iD的经验公式：VP只要给出IDSS和VP就可以把转移特性中的其他点近似计算出来。场效应管的主要参数【翻看教材P162】（1）夹断电压VP（2）饱和漏电流IDSS（3）低频互导（跨导）gm其余请同学们自己看！4.3金属－氧化物－半导体场效应管返回MOSFETP沟道N沟道N沟道P沟道增强型耗尽型分类：所谓“增强型”：指vGS=0时，没有导电沟道，即iD=0，而必须依靠栅源电压vGS的作用，才形成感生沟道的FET，称为增强型FET。所谓“耗尽型”：指vGS=0时，也会存在导电沟道，iD≠0的FET，称为耗尽型FET。【参见教材P169图4.3.1】符号：一.N沟道增强型MOSFET结构SiO2绝缘层铝电极半导体工作原理①栅源电压vGS的控制作用当vGS=0V时：N+PN+sdB任意极性sdBiD=0当vGS＞0V时→认为金属极板（铝）与P型衬底间构成一个平板电容现假设vDS=0V，在s、g间加一电压vGS＞0V+-→形成由栅极指向P型衬底的纵向电场→将靠近栅极下方的空穴向下排斥→形成耗尽层。现假设vDS=0V，在s、g间加一电压vGS＞0V当vGS增大时→耗尽层增宽，并且该大电场会把衬底的自由电子吸引到耗尽层与绝缘层之间，形成一N型薄层，构成漏-源之间的导电沟道，称为反型层（也称感生沟道）。vGS↑→反型层越厚→沟道电阻↓→两个N+区被感生沟道连在一起∵vDS=0

∴iD≡0刚刚产生沟道所需的栅源电压vGS，用VT表示

。vGS越大，反型层越宽，导电沟道电阻越小。N沟道增强型MOS管的基本特性：

vGS＜VT，管子截止，vGS＞VT，管子导通。vGS越大，沟道越宽，在漏源电压vDS＝0时，漏极电流ID始终为0。关于“开启电压”的定义②漏源电压vDS对漏极电流id的控制作用假设vGS＞VT且为一固定值时，并在漏－源之间加上正电压vDS:(b)外加vDS较小时vDS<vGS-VT，即vGD=vGS-vDS>VT(a)vDS=0时，iD=0②漏源电压vDS对漏极电流id的控制作用假设vGS＞VT且为一固定值时，并在漏－源之间加上正电压vDS:vDS↑→id↑；同时沟道靠漏区变窄(b)外加vDS较小时vDS<vGS-VT，即vGD=vGS-vDS>VT(a)vDS=0时，iD=0②漏源电压vDS对漏极电流id的控制作用（c）当vDS增加到使vGD=VT时，沟道靠漏区夹断，称为预夹断。②漏源电压vDS对漏极电流id的控制作用（c）当vDS增加到使vGD=VT时，沟道靠漏区夹断，称为预夹断。（d）vDS再增加，预夹断区加长，vDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上，id基本不变。总结N沟道增强型MOSFET的工作原理：②转移特性①输出特性VT夹断区2VT特性曲线ID0为当vGS=2VT时的iD值二.N沟道耗尽型MOSFET

在栅极下方的SiO2层中掺入了大量的金属正离子。所以当vGS=0时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。符号当vGS=0时，就有沟道，加入vDS，就有iD。当vGS＞0时，沟道增宽，iD进一步增加。当vGS＜0时，沟道变窄，iD减小。

夹断电压（VP）——沟道刚刚消失所需的栅源电压vGS。特点：三.各种FET的特性比较及使用注意事项各种FET的特性比较【参看教材P173表4.3.1】FET使用注意事项【参看教材P176】以上两部分内容请同学们课后自己认真看书！各种场效应管的符号及特性N沟道JFET(耗尽型)P沟道JFET(耗尽型)符号转移特性输出特性N沟道MOSFET(增强型)各种场效应管的符号及特性N沟道MOSFET(耗尽型)P沟道MOSFET(增强型)符号转移特性输出特性P沟道MOSFET(耗尽型)vivo【参见教材P177图4.4.1(a)】4.4场效应管放大电路返回一.FET的直流偏置电路及静态分析自偏压电路ID

由来：源极电阻在vGS=0时，耗尽型FET也会有漏源电流流过电阻R，而栅极是经电阻Rg接地，所以在静态时VGS=-IDR自身可提供一个电压，称 为自偏压。源极旁路电容 该电路只适用于耗尽型FET，对于增强型FET不能适用！注意啦vivoID

计算Q点：即求出VGS

、ID

、VDS已知VP，由VGS=-IDR可解出Q点的VGS

、IDVDS

=VDD-ID(Rd+R)再求：联立求解分压式自偏压电路由来：漏极电源VDD经分压电阻Rg1和Rg2分压后，通过Rg3供给栅极电压Vg，则vivoVg2MΩ47MΩ10MΩ2kΩ30kΩ4.7μF0.01μFiDVSAIg3【参见教材P177图4.4.1(b)】思考：为何Vg与Rg3无关？∵Rg3＝10MΩ≈∞又∵Rg1<<Rg2，则VA<<VDD∴Ig3≈0，可认为在Rg3上没有压降，故Vg≈VA可解出Q点的VGS

、ID

已知VP，将有VDS

=VDD-ID(Rd+R)再求：计算Q点：即求出VGS

、ID

、VDSvivoVg2MΩ47MΩ10MΩ2kΩ30kΩ4.7μF0.01μFiDVSAIg3【参见教材P177图4.4.1(b)】联立 该电路产生的栅源电压可正可负可为0，所以适用于所有的场效应管电路！注意啦二.FET的小信号模型分析法FET的低频小信号模型【参见教材P179图4.4.2】＋-vGSiD＋-vDSJFET低频小信号等效模型简化后的实用模型应用小信号模型法分析FET放大电路（1）共源放大电路【参见教材P180图4.4.3(a)】①画出共源放大电路的交流小信号等效电路②求电压放大倍数③求输入电阻④求输出电阻则动态分析：【步骤与BJT放大电路相同】②电压放大倍数③输入电阻①画小信号等效电路（2）共漏放