场效应管放大电路

第五章理论学习课程导学自我测试常熟理工学院电气与自动化工程学院本章知识结构图本章教学要求正确理解各类场效应管的工作原理；掌握场效应管的特性曲线以及主要参数；熟练掌握场效应管共漏、共源组态放大电路的工作原理、静态工作点的求解以及中频段各动态指标的求解。了解FET与BJT之间的异同。本章难点重点1．场效应管的两种类型场效应管主要有结型场效应管和绝缘栅型场效应管两大类。结型场效应管工作原理的实质是PN结反向偏置，空间电荷区将变宽，因而导电沟道变窄，属于耗尽型场效应管。绝缘栅型场效应管利用绝缘层中电场强度的变化来改变导电沟道的宽度，具有增强型和耗尽型两种类型，其中耗尽型在正、负向栅源电压均可工作。2．场效应管的特性曲线转移特性和漏极特性是场效应管用来描述其中各极电流与电压之间关系的特性曲线。转移特性针对栅源两极间所加的电压对漏极电流的控制作用进行了描述。漏极特性描述了漏极电流与漏源两极间所加的电压的关系，主要包括三个区域：可变电阻区、恒流区、击穿区。场效应管在放大电路中通常工作在恒流区。极放大电路，其中共栅极放大电路用得较少。3．场效应管放大电路与半导体三极管放大电路的异同（1）FET和BJT均有三个电极，FET的三个电极分别为栅极g、源极s、漏极d，分别对应于BJT的基极b、发射极e、集电极c；（2）FET仅依靠多数载流子导电，也称为单极型三极管，而BJT中两种载流子同时参与导电，也称双极型三极管；（3）FET和BJT虽然都能组成放大电路，但实现放大的原理有所不同。FET是电压控制电流型器件，通过栅源电压来控制漏极电流，BJT是电流控制电流型器件，通过基极电流来控制集电极电流；（4）FET和BJT放大电路的静态分析均可采用图解法和近似估算法。但是FET放大电路中静态工作点的设置只需合适的偏压（不同类型的场效应管，对偏压的要求有所不同），而不需偏流，而BJT放大电路既需合适的偏压，又需合适的偏流；（5）FET放大电路和BJT放大电路的动态分析均可采用小信号模型分析法，但小信号模型中受控源的控制量不同。（6）FET放大电路具有三种基本组态：共源极放大电路、共漏极放大电路、共栅极放大电路，分别对应于BJT组成的共射极放大电路、共集电极放大电路和共基极放大电路，其中共栅极放大电路用得较少。第五章场效应管放大电路5.1金属—氧化物—半导体场效应管5.2MOSFET放大电路5.3结型场效应管5.4各种放大器件性能的比较仅依靠多子参与导电，故也称单极型三极管场效应管(FET——FieldEffectTransister)类型：1.结型JFET(JunctiontypeFieldEffectTransister)2.绝缘栅型IGFET(InsulatedGateFieldEffectTransister)

或金属氧化物半导体三极管MOSFET（MetalOxide

SemiconductorFET）特点：易于集成(LSI、VLSI)，输入阻抗高实质：利用电场效应控制电流，故为VCCS场效应晶体三极管是由一种载流子导电的、用输入电压控制输出电流的半导体器件。

从参与导电的载流子来划分，它有自由电子导电的N沟道器件和空穴导电的P沟道器件。

5.1金属—氧化物—半导体场效应管IGFET（MOSFET）5.1.1N沟道增强型(Enhancement-mode)MOSFET5.1.2N沟道耗尽型(depletion-mode)MOSFET5.1.3P沟道MOSFET5.1.4沟道长度调制效应5.1.5MOSFET的主要参数5.1.1N沟道增强型MOSFET

d(drain)为漏极，相当cg(gate)为栅极，相当bs(source)为源极，相当e箭头：PN一、结构与符号掺杂较低栅极跟其他电极间无电接触二、工作原理1.vGS=0时，漏源间形成两个反向的PN结，不论vDS为何极性，均不能导电。2.

vDS=0,vGS>开启电压

VT在二氧化硅和耗尽层间形成N型反型层漏源极间形成导电沟道，也称为感生沟道。此时漏极电流为0增强型MOSFET的重要参数vGS的大小决定了导电沟道的宽度沟道变形

4.vGS＞0，vDS＞0

且逐渐增大到vGD=

vGS-vDS=VT导电沟道上的漏极电流增大，表现为可变电阻区导电沟道的不均匀性加剧直至靠近漏极处导电沟道预夹断5.vDS继续增大使vGD=

vGS-vDS＜VT夹断区由漏极向源极处并逐渐变大漏极电流不随vDS变化，表现为饱和区3.vGS≥VT

vDS＞0

vDG＞VT在导电沟道上形成漏极电流导电沟道上存在电位梯度导电沟道不均匀呈楔形VCCS绝缘栅型场效应管(图)可变电阻区(resistiveregion)恒流区（constantcurrentregion）——放大区夹断区（cutoffrigion）——截止区1.输出特性三、特性曲线vGD=vGS-vDS=VTIDO为vGS=2VT时的漏极电流iD可变电阻区饱和区电导常数栅极氧化层单位面积电容反型层中的电子迁徙率本征导电因子W：沟道宽度L：沟道长度①vGS<VT时，iD=0；②vGS≥VT时，iD随vGS增大而增大。2、转移特性3、转移特性与漏极特性间的关系①在漏极特性上,对应某一vDS,作一垂直线；②该垂线与各漏极特性相交得到一组交点；③由各交点所对应的vGS和iD值可画出对应的转移特性。

5.1.2N沟道耗尽型MOSFETP沟道N沟道PNPNPN一、结构与符号二、工作原理4.vGS<0，且vGS=VP感应电荷耗尽导电沟道消失漏极电流iD≈0N沟道耗尽型MOSFET在正、负栅源电压下均能工作。

1.vGS=0

vDS

>0预埋在绝缘层中的正离子能感应出负电荷感应出的负电荷在漏源间形成导电沟道，形成漏极电流3.vGS<0

vDS

>0感应出的负电荷减少漏源间形成导电沟道变窄漏极电流iD减小2.

vGS>0

vDS

>0感应电荷增多漏源间形成导电沟道变宽漏极电流iD增大1.输出特性三、特性曲线2.转移特性零栅压时的饱和漏极电流

5.1.3P沟道MOSFET一、符号二、特性曲线vGS<VT1、可变电阻区2、饱和区

5.1.4沟道长度调制效应绝缘栅场效应管N沟道增强型P沟道增强型绝缘栅场效应管

N沟道耗尽型P沟道耗尽型5.1.5MOSFET的主要参数一、直流参数

4.直流输入电阻RGS在漏源短路的情况下，栅源间加一定电压时的栅极直流电阻，约为109～1015Ω。3.饱和漏极电流IDSS

（耗尽型）

vGS=0，|vDS|

>|VP|时对应的漏极电流。2.夹断电压VP（耗尽型）

vDS一定时，使漏极电流iD下降至微小电流的vGS。1.开启电压VT（增强型）

vDS一定时，使漏极电流iD等于微小电流的vGS。二、交流参数2.低频互导（跨导）gm用以描述栅源电压vGS

对漏极电流iD的控制作用，相当于转移特性上工作点的斜率，表征FET的放大能力，相当于双极型三极管的β。单位:mS或μS1.输出电阻rd用以描述漏源电压vDS对漏极电流iD的影响，相当于漏极特性上某点切线斜率的倒数。饱和区输出电阻很大，一般为几十到几百千欧。三、极限参数3.最大漏源电压V(BR)DS指发生雪崩击穿时，漏极电流iD急剧上升时的vDS。与vGS有关。4.最大栅源电压V(BR)GS指PN结电流开始急剧增大时的vGS。1.最大漏极电流IDM指管子正常工作时漏极电流允许的上限值。2.最大耗散功率PDM由PDM=VDS

ID决定，在管子内部将变成热能，使管子的温度升高，为了使管子温度不致升的太高，限制其耗散功率不能超过PDM。5.2MOSFET放大电路5.2.1简单的共源极放大电路5.2.2带源极电阻的NMOS共源极放大电路5.2.1简单的共源极放大电路一、静态工作点的计算注意：通过判断VDS是否大于VGS-VT，来确定管子工作在饱和区还是可变电阻区。当VGS<VT，管子截止。例题

电路如图所示，设Rg1=60kΩ，Rg2=40kΩ，Rd=15kΩ，VDD=5V，VT=1V，Kn=0.2mA/V2。试计算电路的静态漏极电流IDQ和漏源电压VDSQ。5.2.2带源极电阻的NMOS共源极放大电路一、静态工作点的计算源极电阻也具有稳定静态工作点的作用例题

电路如图所示，设VT=1V，Kn=500μA/V2，VDD=5V，-VSS=-5V，Rd=10kΩ，R=0.5kΩ，ID=0.5mA。若流过Rg1和Rg2的电流是ID的1/10，试确定Rg1和Rg2的值。例题

电路如图所示，由电流源提供偏置（可由其它MOS管构成）。设NMOS管的参数为Kn=160μA/V2，VT=1V，VDD=VSS=5V，IDQ=0.25mA，VDQ=2.5V。试求电路参数。二、小信号模型产生谐波或非线性失真漏极信号电流λ=0λ≠0例题

电路如图所示，设VDD=5V，Rd=3.9kΩ，VGS=2V，VT=1V，Kn=0.8mA/V2，λ=0.02V-1。试当管工作在饱和区时，试确定电路的小信号电压增益。共源极放大电路例题

电路如图所示，设Rg1=150kΩ，Rg2=47kΩ，VT=1V，Kn=500μA/V2，λ=0，VDD=5V，-VSS=-5V，Rd=10kΩ，R=0.5kΩ，Rs=4kΩ。电路的电压增益和源电压增益、输入电阻和输出电阻。例题

电路如图所示，耦合电容对信号频率可视为交流短路，场效应管工作在饱和区，rds很大，可忽略。试画出小信号等效电路，求出输入电阻、小信号电压增益、源电压小信号增益和输出电阻。共漏极放大电路（源极跟随器）5.3结型场效应管JFET5.3.1结构与符号5.3.2工作原理与特性曲线5.3.3JFET放大电路的小信号模型分析法5.3.1结构与符号箭头：PN一、VGS控制沟道宽度1.vDS=0，vGS=0时，耗尽层（较窄）由扩散形成，导电沟道较宽（阻值较小）。2.vDS=0vGS<0

|vGS|上升耗尽层变宽导电沟道变窄PN结反偏阻值增大

3.vDS=0vGS=VP两侧耗尽层合拢导电沟道被夹断

调节vGS，可改变耗尽层宽度，从而改变导电沟道宽度。此时由于vDS=0，故漏极电流iD=0。5.3.2工作原理二、VDS控制沟道形状4.vDS>0，vGS=0时，存在漏极电流iD。导电沟道并不处处相等，呈楔形，在漏极处最窄，在源极处最宽。vDS>0产生iD

沟道上存在电位梯度沟道上点各电位不同各点的反偏电压

不同漏极处反偏电压

最大漏极处耗尽层最宽导电沟道最窄源极处反偏电压最小源极处耗尽层最窄导电沟道最宽5.vGS<0vDS>0↗

耗尽层变宽导电沟道变窄

6.vGS<0vDS>0↗且vGD=

VP漏极处两端的耗尽层合拢导电沟道预夹断①JFET是电压控制型放大元件，具体表现为通过调节vGS来控制iD

;②预夹断前，iD

与vDS呈近似线性关系；预夹断后，iD趋于饱和；完全夹断时，iD近似为零。③由于栅极与导电沟道间的PN结反偏，栅极基本不取电流，输入电阻很高。漏极电流iD仍增大7.vDS>0且vGD

<VP

耗尽层逐渐向源极端合拢导电沟道完全夹断漏极电流iD达饱和，定义为IDSSvDS增大时，夹断区增大，沟道电阻增大，故增大的vDS几乎都降落在夹断区上,因此iD不变。5.vGS<0vDS>0↗

耗尽层变宽导电沟道变窄

6.vGS<0vDS>0↗且vGD=

VP漏极处两端的耗尽层合拢导电沟道预夹断①JFET是电压控制型放大元件，具体表现为通过调节vGS来控制iD

;②预夹断前，iD

与vDS呈近似线性关系；预夹断后，iD趋于饱和；完全夹断时，iD近似为零。③由于栅极与导电沟道间的PN结反偏，栅极基本不取电流，输入电阻很高。漏极电流iD仍增大7.vDS>0且vGD

<VP

耗尽层逐渐向源极端合拢导电沟道完全夹断漏极电流iD≈0漏极电流iD达饱和，定义为IDSSvDS增大时，夹断区增大，沟道电阻增大，故增大的vDS几乎都降落在夹断区上,因此iD不变。漏极输出特性5.3.3特性曲线及参数1、可变电阻区2、饱和区3、截止区当大于某值时，不同的转移特性很接近转移特性5.3.4JFET放大电路的小信号模型分析法一.JFET的小信号模型二、分压器式自偏压电路（共源极电路）1.静态分析分压器式自偏压电路（共源极电路）输出电阻输入电阻电压放大倍数2.小信号模型倒相电压放大电路例题：在图示电路中,已知Rg1=2MΩ，Rg2=47kΩ，Rg3=10MΩ，Rd=30kΩ，R=2kΩ，VDD=18V，VP=-1V，IDSS=0.5mA，且λ=0，试确定Q。5.4各种放大器件性能比较1.耗尽型场效应管包含了JFET和耗尽型MOSFET；2.增强型场效应管仅包含增强型MOSFET。BJT放大电路的三种组态：共发射极（CE）、共集电极（CC）、共基极（CB）。JFET和MOSFET放大电路的三种组态：

共源极（CS）、共漏极（CD）、共栅极（CG）。两类放大元件的三种通用组态：1．反相电压放大器：共发射极（CE）、共源极（CS）2．电压跟随器：共集电极（CC）、共漏极（CD）3．电流跟随器：共基极（CB）、共栅极（CG）5.4.1各种FET的特性比较5.4.2各种放大器件电路性能比较双极型和场效应型三极管的比较

双极型三极管

场效应管(单极型三极管)结构NPN型结型耗尽型N沟道P沟道 PNP型绝缘栅增强型N沟道P沟道绝缘栅耗尽型N沟道P沟道C与E一般不可倒置使用D与S有的型号可倒置使用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CCCS(β)