第5章场效应管及其基本放大电路

第5章场效应管及其基本放大电路5.1场效应管5.2场效应管基本放大电路5.1场效应管晶体三极管是改变输入电流来改变输出电流，是电流控制器件。参与导电的是自由电子和空穴，又称双极性晶体管。场效应管(FET)是利用改变输入电压(利用电场效应）来控制输出电流，是电压控制器件。仅靠多数载流子导电，又称单极性晶体管。由于它的输出电流决定于输入电压的大小，基本上不需要信号源提供电流，所以它的输入电阻高、热稳定性好、抗辐射能力强、噪声低等优点。场效应管实物图结型场效应管(JFET)按结构不同分绝缘栅型场效应管(MOS)5.1.1结型场效应管(JFET)P沟道N沟道N沟道管的结构示意图和符号gsdgsdP沟道管的结构示意图和符号耗尽层PNgsd源极栅极漏极导电沟道耗尽层NPgsd源极栅极漏极导电沟道一、结型场效应管的工作原理Ngsd为使N沟道场效应管正常工作，应在栅-源之间加负向电压(UGS<0)，保证耗尽层承受反向电压；漏-源之间加正向电压uDS，形成漏极电流iD。改变栅-源之间的电压uGS，就可以改变耗尽层的宽度和沟道宽度，沟道电阻随之改变，从而改变漏极电流iD。下面讨论栅-源电压uGS和漏-源电压uDS对导电沟道的影响。1、当uDS=0时，uGS对导电沟道的影响NgsduDS=0，uGS=0耗尽层很窄，导电沟道很宽|uGS|逐渐增大时gsdVGG(uGS)耗尽层加宽，

沟道变窄，

沟道电阻增大gsdVGG(uGS)|uGS|增大到夹断电压UGS(off)耗尽层闭合，

沟道消失，

沟道电阻无穷大2、当uGS为UGS(off)~0中某一个固定值时，uDS对漏极电流iD的影响(1)当uDS=0时，导电沟道虽然存在，但多子不会产生定向移动，iD=0(2)当uDS>0时耗尽层将出现楔形，靠近漏极端较宽，靠近源极端较窄。gsdVGG(uGS)VDD(uDS)iD只要不出现夹断区域，沟道电阻基本决定于uGS，iD随uDS增大线性增大。2、当uGS为UGS(off)~0中某一个固定值时，uDS对漏极电流iD的影响(3)当uDS增大到使uGD=UGS(off)时耗尽层一端出现夹断区。gsdVGG(uGS)VDD(uDS)iD—称uGD=UGS(off)为预夹断gsdVGG(uGS)VDD(uDS)iD(4)当uGD<UGS(off)时，uDS增大时，iD基本不变，仅仅决定于uGS，表现为恒流特性。3、当uGD<UGS(off)

时，uGS对iD的控制作用当uDS为一常量时，可通过改变uGS来控制iD的大小——场效应管为电压控制器件用低频跨导gm来描述uGS

对iD的控制作用。综合分析可得：

(1)在uGD=uGS-uDS>uGS(off)的情况下，即uDS<uGS-uGS(off)时，对应于不同的uGS，D-S间等效成不同阻值的电阻。(2)当uDS使uGS=uGS(off)时，D-S之间预夹断。(3)当uDS使uGS<uGS(off)时，iD几乎仅仅决定于uGS

。二、结型场效应管的特性曲线1、输出特性曲线-1ViDuDSO-2V-4V-3VUGS=0预夹断轨迹输出特性曲线分四个工作区：(1)可变电阻区可变电阻区固定UGS，iD随uDS增大而线性增大，相当于线性电阻。UGS增大，漏-源间的电阻也增大。-1ViDuDSO-2V-4V-3VUGS=0预夹断轨迹(2)恒流区(或称饱和区)可变电阻区iD基本不随uDS变化，仅取决于uGS

。利用场效应管作放大管时，应工作在此区域。恒区流(3)击穿区击穿区当uDS增大到一定程度时，漏极电流骤然增大，管子被击穿。(4)夹断区(或称截止区)截止区当uGS<uGS(off)时，导电沟道被夹断，iD≈0。一般将iD等于很小的电流(5A)时的uGS定义为夹断电压UGS(off)

。2、转移特性曲线-1ViDuDSO-2V-4V-3VUGS=0UGS(off)-1ViDuGSO-2V-4V-3VIDSS夹断电压漏极饱和电流恒流区iD的近似表达式为：为保证耗尽层加反向电压，N沟道的uGS<0；P沟道的uGS>0。结型场效应管的特点：(1)JEFT栅极、沟道之间的PN结是反向偏置的，因此，iG≈0，输入电阻很高。(2)JEFT是电压控制电流器件，iD受uGS控制。(3)预夹断前，iD与uDS呈现线性关系；预夹断后，iD趋于饱和。5.1.2绝缘栅型场效应管(MOS)绝缘栅型场效应管，有N沟道和P沟道之分，每一类又分增强型和耗尽型两种。N沟道增强型管MOSN沟道耗尽型管P沟道增强型管P沟道耗尽型管当uGS=0时，没有导电沟道，iD=0的管子为增强型；当uGS=0时，存在导电沟道，iD≠0的管子为耗尽型。前面所讲的结型场效应管均为耗尽型。一、N沟道增强型MOS管1、结构示意图和符号N+N+以P型硅为衬底Bdgs二氧化硅(SiO2)绝缘保护层两端扩散出两个高浓度的N+区N区与P型衬底之间形成两个PN结由衬底引出电极B由高浓度的N区引出的源极s由另一高浓度N区引出的漏极d由二氧化硅层表面直接引出栅极g杂质浓度较低，电阻率较高N+N+以P型硅为衬底Bdgs大多数管子的衬底在出厂前已和源极连在一起铝电极、金属（Metal）二氧化硅氧化物（Oxide）半导体（Semiconductor)称MOS管因为栅极和漏极、源极之间是绝缘的，称绝缘栅型场效应管。栅极和衬底间相当于电容。改变栅-源间的电压，就可改变衬底靠近绝缘层处的感应电荷的多少，从而控制漏极电流。不同MOS管的符号dsgB衬底N沟道增强型dsgB衬底P沟道增强型dsgB衬底N沟道耗尽型dsgB衬底P沟道耗尽型虚线表示增强型实线表示耗尽型衬底的箭头方向表明了场效应管是N沟道还是P沟道：箭头向里是N沟道，箭头向外是P沟道。2、N沟道增强型的工作原理N+N+以P型硅为衬底Bdgs(1)当栅源极间电压uGS=0时漏极和源极之间相当于两个背靠背的PN结。uGS=0PPN结PN结此时无论uDS是否为0，也无论其极性如何，总有一个PN结处于反偏状态，因此MOS管不导通，iD=0。iD=0+-uDSN+N+以P型硅为衬底Bdgs(2)当uDS=0且uGS>0时+-uGS由于SiO2绝缘层的存在，电流不能通过栅极。但金属栅极被充电，因此聚集大量正电荷。电场力排斥空穴形成耗尽层电场吸引电子形成N形薄层（称反型层）形成导电沟道二氧化硅层在uGS作用下被充电而产生电场N+N+以P型硅为衬底Bdgs+-uGS导电沟道形成时，对应的栅-源电压uGS称为开启电压UGS(th)。uGS越大，反型层越厚，导电沟道电阻越小。N+N+以P型硅为衬底Bdgs+-uGS(3)当uGS>UGS(th)时，uDS加正向电压+-uDS外加较小的uDS时，iD随着uDS的增大而线性增大。iD(3)当uGS>UGS(th)时，uDS加正向电压增大uDS，导电沟道出现梯度。直到uGD=UGS(th)即

uDS=uGS－UGS(th)时，沟道在漏极一侧出现夹断点，称为预夹断。N+N+以P型硅为衬底Bdgs+-uGS+-uDSiD(3)当uGS>UGS(th)时，uDS加正向电压在uDS>uGS－UGS(th)时，沟道夹断区延长，iD达到最大且恒定，管子进入饱和区。N+N+以P型硅为衬底Bdgs+-uGS+-uDSiDNMOS管工作过程的动画演示：3、N沟道增强型的特性曲线和电流方程iDuGSOIDOUGS(th)转移特性2UGS(th)iDuDS2UGS(th)输出特性OIDO预夹断轨迹iD的近似表达式为：IDO：uGS=2UGS(th)的iD截止区恒流区可变电阻区二、N沟道耗尽型MOS管1、结构示意图和符号N+N+P型衬底Bdgs+++++++++SiO2绝缘层中掺有正离子预埋了N型导电沟道dsgB衬底N沟道耗尽型2、N沟道耗尽型的工作原理N+N+P型衬底Bdgs+++++++++由于耗尽型场效应管预埋了导电沟道，所以在uGS=0时，若漏–源之间加上一定的电压uDS，也会有漏极电流iD产生。此时的漏极电流用

IDSS表示，称为饱和漏极电流。当uGS>0时，使导电沟道变宽，iD增大；当uGS<0时，使导电沟道变窄，iD减小；当uGS达到一定负值时，沟道消失，iD=0。此时的uGS称为夹断电压UGS(off)。3、N沟道耗尽型的输出特性和转移特性曲线iDuDSUGS=0输出特性OUGS>0UGS<0iDuGSOUGS(off)转移特性IDSS5.1.3场效应管的主要参数(1)开启电压UGS(th)：是增强型MOS管的参数(2)夹断电压UGS(off)：(3)饱和漏电流IDSS：是结型管和耗尽型MOS管的参数1、直流参数(4)直流输入电阻RGS(DC)2、交流参数(1)低频跨导gm：表示uGS对iD控制作用的强弱。(2)极间电容3、极限参数(1)最大漏极电流IDM(2)击穿电压U(BR)DS

(3)最大耗散功率PDM=IDUDS例1已知某管子的输出特性如图所示。试分析该管是什么类型的场效应管(结型、绝缘栅型、N沟道、P沟道、增强型、耗尽型)？*判断管子的类型，主要是看iD、uDS和uGS的正负。N沟道增强型MOS管iD/mAuDS/V8VO10V6V4V0.25123V6V9V12V练习：

已知管子的转移特性下图所示。试分析管子是什么类型的场效应管(结型、绝缘栅型、N沟道、P沟道、增强型、耗尽型)？并写出它的开启电压或夹断电压。iD/mAuGS/VO123-4-2iD/mAuGS/VO24-2-1-3iD/mAuGS/VO-112-3iD/mAuGS/VO-2-4-2-4N沟道JEFT管UGS(off)=-4VN沟道耗尽型MOS管UGS(off)=-3VP沟道耗尽型MOS管UGS(off)=2VP沟道增强型MOS管UGS(th)=-4V例2电路如图所示，试分析UI为0V、8V和10V三种情况下Uo为大？+VDD+15V+TRd5k-uI+-uo解：当UGS=UI=0V时，管子处于夹断状态，iD=0uo=VDD=15V当UGS=UI=8V时，管子工作在恒流区时iD=1mAuo=VDD-RdID=15-5×1=10ViD/mAuDS/V8VO10V6V4V0.25123V6V9V12V15V例2iD/mAuDS/V8VO10V6V4V0.25123V6V9V12V+VDD+15V+TRd5k-uI+-uo解：当UGS=UI=10V时，假设管子工作在恒流区，则uDS=VDD-RdiD=15-5×2.2=4ViD=2.2mA当UGS=10V时的预夹断电压为：uDS=uGS-UGS(th)

=10-4=6V管子工作在可变电阻区。例2电路如图所示，试分析UI为0V、8V和10V三种情况下Uo为大？+VDD+15V+TRd5k-uI+-uoiD/mAuDS/V8VO10V6V4V0.25123V6V9V12V15V3直流负载线：uDS=VDD-RdiD=15-5iD作出直流负载线即可判断出工作在哪个区。5.1.4场效应管与晶体管的比较1、场效应管的栅极g、漏极d、源极s分别对应于晶体管的基极b、集电极c、发射极e，它们的作用相似。2、场效应管是电压控制电流器件，场效应管栅极基本上不取电流，而晶体管工作时基极总要取一定的电流。所以在只允许从信号源取极小量电流的情况下，应该选用场效应管；而在允许取一定量电流时，选用晶体管进行放大可以得到比场效应管较高的电压放大倍数。3、场效应管是多子导电，而晶体管既有多子又有少子。由于少子的浓度易受温度、辐射等外界条件的影响，因而场效应管比晶体管的温度稳定性好、抗辐射能力强。在环境条件（温度等）变化比较剧烈的情况下，选用场效应管比较合适。5.1.4场效应管与晶体管的比较4、场效应管源极和漏极可以互换使用，耗尽型绝缘栅型管的栅极电压可正可负，灵活性比晶体管强；而晶体管的集电极与发射极互换使用时，其特性差异很大，放大倍数值将减小很多。5、场效应管的噪声系数较小，所以在低噪声放大器的前级通常选用场效应管，也可以选特制的低噪声晶体管。6、场效应管和晶体管都可以用于放大电路或开关电路，但场效应管还可以作为压控电阻使用，而且制造工艺便于集成化，具有耗电少，热稳定性好，工作电源电压范围宽等优点，因此在电子设备中得到广泛的应用。5.2场效应管放大电路场效应晶体管具有输入电阻高、噪声低等优点，常用于多级放大电路的输入级以及要求噪声低的放大电路。场效应管的三种接法：共源极、共漏极和共栅极。5.2.1场效应管放大电路静态工作点的设置由于场效应管是电压控制器件，组成放大电路，应给场效应管设置偏压，保证放大电路有合适的静态工作点，使管子工作在恒流区。一、基本方法由N沟道场效应管组成的基本共源放大电路：+VDD+TRd-uI+-uoRgVGG1、由结型场效应管组成为使管子工作在恒流区，UGS应在UGS(off)~0，且为负值；漏-源之间电压足够大。静态工作点的计算式为：2、由增强型MOS管组成为使管子工作在恒流区，UGS应大于开启电压UGS(th)

，为正值；

漏-源之间电压足够大。静态工作点的计算式为：+VDD+TRd-uI+-uoRgVGG3、由耗尽型MOS管组成由于耗尽型MOS管，栅-源间的电压大于0、等于0、小于0均可使管子工作在恒流区，故输入回路可不加直流电压；漏-源之间电压足够大。静态工作点的计算：+VDD+TRd-uI+-uoRg在输出特性上查得UGS=0时的IDQ二、自给偏压电路——适用于结型场效应管和耗尽型MOS管由结型场效应管组成的自给偏压电路+VDDTRd+-uoRgC1+-uI+C2+RsCsRL直流通路+VDDTRdRgRs静态分析由于栅极电流IG=0+VDDTRdRgRsIDIS+-UGS+-UDSVG=0ID≈IS又VG=UGS+RsIS=0则有：UGS=-RsIS≈-RsIDUGS是由场效应管自身的电流提供的，故称自给偏压。联立解出IDQ、UGSQ。注意：增强型MOS管因UGS=0时，ID0，故不能采用自给偏压式电路。例1自给偏压电路中，已知VDD=20V，Rd=3k，Rs=1k，Rg=500k，UGS(off)=–4V，IDSS=8mA。试求静态工作点。解：UGS=–

Rs

ID

=–1IDUDS=VDD–(Rs+Rd)ID=20–

2×(3+1)=12V解得：因UGS2<UGS(off)故舍去，所求静态值为UGS=

–2V，ID=2mAUGS1=–2VID1=

2mAUGS2=–8VID2=

8mA三、分压式偏置电路——适用于任何类型的场效应管直流通路+VDDRd+-uoRg1C1+-ui+C2+RsCsRLRg2TRg3g+VDDRdRg1RsRg2TRg3g静态分析由于栅极电流IG=0IDIS+-UGS+-UDS+VDDRdRg1RsRg2TRg3gA联立解出IDQ、UGSQ。5.2.2场效应管的交流等效模型gsdgsd由于栅-源极间的电阻很大，栅-源极间近似开路gsd+-rdsugsgmugs漏极电流受ugs控制，用电压控制电流源来反映。对于结型场效应管：5.2.2场效应管的交流等效模型gsd+-rdsugsgmugs对于结型场效应管：对于增强型MOS管：gm除了取决于管子自身参数外，还与静态工作点有关。rds：场效应管的输出电阻，其值很大，可忽略。5.2.3共源放大电路的动态分析分压式偏置放大电路+VDDRd+-uoRg1C1+-ui+C2+RsCsRLRg2TRg3gRd+-uoRg2+-uiRLRg1TgdsRg3交流通路RdRg2+-RLRg1gdsRg3+-+-Rd+-uoRg2+-uiRLRg1TgdsRg3微变等效电路电压放大倍数：输入电阻：输出电阻：例2如图所示分压式偏压放大电路中，已知VDD=15V，Rg1=150k，Rg2=300k，Rg3=2M，

Rd=5k，Rs=500，RL=5k，UGS(th)=2V，IDO=2mA。试求：(1)静态工作点；(2)、Ri、Ro。+VDDRd+-uoRg1C1+-ui+C2+RsCsRLRg2TRg3g例2解：(1)求静态工作点IDIS+-UGS+-UDS+VDDRdRg1RsRg2TRg3gA解得：UGS1=

4VID1=

2mAUGS2=–4VID2=

18mA因UGS2<UGS(th)故舍去，所求静态值为UGS=4V，ID=2mAUDS=VDD–(Rs+Rd)ID=