模电第05章场效应管放大电路(康华光)

第五章场效应管放大电路重点：1.掌握场效应管的工作原理、特性曲线；2.学会判断场效应管的工作状态；

3.掌握场效应管放大电路(特别是结型场效应管JFET放大电路)的分析方法。1FET分类:

绝缘栅场效应管结型场效应管增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道P沟道N沟道P沟道场效应管简介——场效应管(FieldEffectTransistor，简称FET)BJT(三极管)是一种电流控制元件(iB~iC)。工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，所以能耗大，温度特性差。FET是一种电压控制器件(uGS~iD)。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，所以它能耗小，输入电阻高，且温度稳定性好。2§5.1金属-氧化物-半导体场效应管——MOS场效应管、绝缘栅场效应管:MetalOxide

SemiconductorFET,简称MOSFET一.N沟道增强型绝缘栅场效应管1.结构SiO2绝缘层金属电极P型硅衬底高掺杂N区耗尽层(PN结)2、符号gsdb33.N沟道增强型MOSFET的放大原理

共源极接法的接线：gsd+uGS-igiD+UCC-+uDS-经实验证明:(1)栅极电流ig≈0由于栅极是绝缘的,输入电阻很高,最高可达1014,因此栅极电流ig≈0

。(2)当栅源电压uGS变化,漏源电压uDS

=constant>0时:uGS

≤UT(开启电压)

:漏极电流iD=0uGS

>UT:uGS越大,iD越大——互导放大作用(3)当漏源电压UDS变化,栅源电压uGS=constant>UT时:uDS=0:iD=00<uDS

<(uGS-UT)

:uDS越大,iD越大uDS

>(uGS-UT):uDS越大,iD基本不变,且iD=Kn(uGS-UT)24gsd+uGS-igiD+UCC-+uDS-4.N沟道增强型MOSFET的内部微观原理(1)当漏源电压uDS=常数>0时若栅源电压uGS≤0：由图可见,漏极d和源极s之间是两个背靠背的PN结,总有一个PN结反向偏置,d~s之间不通,iD=0

。–uGS+–uDS+sgdbuGS+–UCC+–b5uGS+–UCC+–b栅极g与P区之间产生电场,但d~s之间未形成导电沟道(感生沟道),即使d~s间加正向电压,仍然没有电流产生,iD=0。若0≤uGS≤UT(开启电压):若uGS>UT:纵向电场足够大→将P区少子电子聚集到P区表面→形成导电沟道。

uGS愈高，导电沟道愈宽，相同uDS条件下id越大。N型导电沟道当d~s间加电压后,将有漏极电流id产生。6(2)当栅源电压uGS=constant>UT时uGS+–UCC+–b若vDS沟道电位梯度靠近漏极d处的电位升高电场强度减小沟道变薄整个沟道呈楔形分布。此时,vDSiD当vDS增加到使uDS

=(uGS-UT)时，在紧靠漏极处出现预夹断。在预夹断处：uDS

=(uGS-UT)预夹断后，vDS夹断区延长沟道电阻iD基本不变(3)由于栅极G与D、B、S是绝缘的，栅极电流ig≈0输入电阻：ri＝uGS/ig，很高，最高可达1014。75、特性曲线UDSUGS/开启电压UTgsd+uGS-+uDS-igiD+uCC-RD有导电沟道无导电沟道(1)转移特性曲线(iDuGS/uDS=constant)——低频跨导(斜率)

,表示在恒流区工作时uGS对iD的控制能力，固定参数，类似三极管的8ID/mAUDS/VUGS=4V可变电阻区截止区(2)漏极特性曲线(iDuDS/uGS=constant)UGS=6VUGS=5VUGS=3VUGS=2VUGS=UT恒流区饱和区预夹断轨迹:uDS=uGS-UTgsd+uGS-+uDS-igiD+uCC-RD96.工作区域的特点及其工作区域判断gsd+uGS-+uDS-igiD+uCC-RDID/mAUDS/VUGS=4V截止区UGS=6VUGS=5VUGS=3VUGS=2VUGS=UT(1)截止区(uGS＜UT区域)判断：uGS＜UT特点：iD＝0这时场效应管D、S端相当于:一个断开的开关。10(2)可变电阻区(uDS≤uGS-UT区域)判断:uDS≤uGS-UT且uGS

>UT

特点:rds是一个受uGS控制的可变电阻uGS越大,rds越小。当UGS足够大(如:uGS

＝uCC)时场效应管D~S端相当于:一个接通的开关。gsd+uGS-+uDS-igiD+uCC-RDID/mAUDS/VUGS=4V可变电阻区UGS=6VUGS=5VUGS=3VUGS=2VUGS=UT11(3)恒流区(饱和区,相当于BJT放大区)判断:UDS≥uGS-UT且UGS＞UT特点:uDS＝uCC-iDRD

iD=Kn(uGS-UT)2=IDO(uGS/UT-1)2IDO=KnUT2——vGS＝2VT时的iDID/mAUDS/VUGS=4VUGS=6VUGS=5VUGS=3VUGS=2VUGS=UT恒流区饱和区gsd+uGS-+uDS-igiD+uCC-RD可见:若uGS恒定,则iD恒定——恒流源特点这时场效应管D~S端相当于:一个受uGS控制的恒流源12N型衬底P+P+GSD2、符号二.P沟道增强型绝缘栅场效应管1.结构3.P沟道增强型MOSFET的放大原理分析方法与N沟道增强型相同，只不过须将所有的电压电流方向、大于小于号方向反过来。其特性曲线如P237所示。13GSD2.符号三.N沟道耗尽型绝缘栅场效应管如果MOS管在制造时导电沟道就已形成，称为耗尽型场效应管。1.结构SiO2绝缘层中掺有正离子感应出N型导电沟道14经实验证明:(1)栅极电流ig≈0(2)当栅源电压uGS变化,漏源电压uDS

=constant>0时:uGS

≤UP(夹断电压,UP＜0)

:漏极电流iD=0uGS

>UP:uGS越大,iD越大——互导放大作用(3)当漏源电压UDS变化,栅源电压uGS=constant>UP时:0<uDS

<(uGS-UP)

:uDS越大,iD越大uDS>(uGS-UP):uDS越大,iD恒定,且iD=IDSS(1-uGS/UP)23.N沟道耗尽型MOSFET的放大原理共源极接法的接线：gsd+uGS-+uDS-igiD+uCC-RD15

4.N沟道增强型MOSFET的内部微观原理(1)当uGS变化,uDS

=constant>0时由于制造时已经形成了沟道，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。

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;UGS负值愈高,沟道愈窄,ID就愈小。当UGS(=UP)达到一定负值时,N型导电沟道消失，ID=0，称为场效应管处于夹断状态(即截止)。这时的UGS称为夹断电压，用UP表示。16(2)当uDS变化,uGS

=constant>UP时若vDS整个沟道呈楔形分布。此时若vDSiD当vDS增加到使uDS

=(uGS-UP)时，在紧靠漏极处出现预夹断。在预夹断处：uDS

=(uGS-UP)预夹断后，vDS夹断区延长沟道电阻ID基本不变工作原理总结：当uGS=0时，就有沟道，加入uDS，就有iD。当uGS＞0时，沟道增宽，iD进一步增加。当uGS＜0时，沟道变窄，iD减小。夹断电压UP——沟道刚刚消失所需的栅源电压uGS。17(1)转移特性曲线(iDuGS/uDS=constant)耗尽型的MOS管UGS=0时就有导电沟道，加反向电压到一定值时才能夹断。gsd+uGS-+uDS-igiD+uCC-RD夹断电压UPIDSSID/mAUGS/V481216-3–2–1012饱和漏极电流5、特性曲线——低频跨导

,表示在恒流区工作时uGS对iD的控制能力，固定参数，类似三极管的18UGS=4VUGS=2VUGS=-2VUGS=-4VUGS=UP0UDS/VID/mA16128448121620(2)漏极特性曲线(iDuDS/uGS=constant)UGS=0可变电阻区截止区恒流区饱和区预夹断轨迹:uDS=uGS-UPgsd+uGS-+uDS-igiD+uCC-RD夹断电压UP——结型和耗尽型MOS管的固定参数注意：UP＜0由于栅极G与D、B、S是绝缘的，栅极电流ig≈019(1)截止区判断：UGS＜UP特点：iD＝0这时场效应管D、S端相当于:一个断开的开关。UGS=4VUGS=2VUGS=-2VUGS=-4VUGS=UP0UDS/VID/mA16128448121620UGS=0截止区gsd+uGS-+uDS-igiD+uCC-RD6.工作区域的特点及其工作区域判断20(2)可变电阻区判断：UGS≥UP,

UDS≤uGS-UP特点:rds是一个受uGS控制的可变电阻uGS越大,rds越小。当UGS足够大(如:uGS＝0~uCC)时场效应管D~S端相当于:一个接通的开关。UGS=4VUGS=2VUGS=-2VUGS=-4VUGS=UP0UDS/VID/mA16128448121620UGS=0可变电阻区gsd+uGS-+uDS-igiD+uCC-RD21(3)恒流区(饱和区、放大区)判断:UGS≥UP,UDS≥uGS-UP特点:uDS＝uCC-iDRDiD=IDSS(1-uGS/UP)2IDSS=KnUP2——vGS＝0时的iD可见：若uGS恒定,则iD恒定——恒流源特点这时场效应管D~S端相当于:一个受uGS控制的恒流源UGS=4VUGS=2VUGS=-2VUGS=-4VUGS=UP0UDS/VID/mA16128448121620UGS=0恒流区饱和区gsd+uGS-+uDS-igiD+uCC-RD22四.P沟道耗尽型绝缘栅场效应管GSD感应出P型导电沟道SiO2绝缘层中掺有负离子分析方法与N沟道耗尽型相同，只不过须将所有的电压电流方向、大于小于号方向反过来。其特性曲线如P237所示。2、符号1、结构23耗尽型GSDGSD增强型N沟道P沟道GSDGSDN沟道P沟道G、S之间加一定电压才形成导电沟道在制造时就具有原始导电沟道绝缘栅场效应管总结24——结型和耗尽型MOS管的参数五、绝缘栅场效应管的主要参数1、直流参数(1)直流输入电阻RGS——栅源间的等效电阻。由于MOS管栅源间有sio2绝缘层，输入电阻可达109～1015。(2)开启电压UT

：——增强型MOS管的参数(3)夹断电压UP

：(4)饱和漏电流IDSS:2、交流参数(1)输出电阻rds

NMOS增强型当不考虑沟道调制效应时，＝0，rds→∞25(2)低频跨导gm:——表示栅源电压对漏极电流的控制能力——类似三极管的3、极限参数(1)最大漏极电流IDM

;(2)耗散功率PDM;(3)最大漏源电压V（BR）DS

;(4)最大栅源电压V（BR）GS

。增强型：根据iD=Kn(vGS-VT)2求出:=2Kn(vGS-VT)耗尽型、结型：根据iD=IDSS(1-uGS/UP)2求出:=-IDSS(1-uGS/UP)/UP26场效应管与晶体管的比较电流控制电压控制控制方式电子和空穴两种载流子同时参与导电载流子电子或空穴中一种载流子参与导电类型

NPN和PNPN沟道和P沟道放大参数

rce很高

rds很高输出电阻输入电阻较低较高双极型三极管单极型场效应管热稳定性差好制造工艺较复杂简单，成本低对应电极

B—E—CG—S—D27Rg1Rg2RdRVDD-VSS§5.2MOSFET放大电路MOSFET放大电路也有3种接法:共源极,共漏极,共栅极。一.共源极放大电路(带源极电阻的)1.电路2.静态分析——求vi=0时(直流电源单独作用时)VGS,ID

,VDS直流通道：+VGS–ID+VDS–28Rg1Rg2RdRVDD-VSS+VGS–ID+VDS–ID=Kn(VGS-VT)2——根据上两式解出VGS、IDVDS=VDD+VSS-ID(Rd+R

)由上面计算结果可判断出：当VDS

>(VGS-VT)时，MOSFET处在饱和区(放大区)。这时：=2Kn(vGS-VT)293.动态分析————求vS单独作用时Av,ri,ro(1)MOSFET的小信号模型①分析动态②信号很小①中低频等效①分析动态②信号很小①高频等效+vgs-+vds-gmvgsrdsiddgs30(2)带源极电阻共源极放大电路的小信号模型+vgs-Rg1rdsRLRS+

vS-+vi-iiid+

vo-gmvgsRRg2Rd31(3)电压增益Av+vgs-Rg1rdsRLRS+

vS-+vi-iiid+

vo-gmvgsRRg2Rdvi=vgs+vso32当rds≈时：+vgs-Rg1rdsRLRS+

vS-+vi-iiid+

vo-gmvgsRRg2Rd(4)输入电阻Ri=Rg1//Rg2(5)纯电压增益Avs33(6)输出电阻求输出电阻的图:+vgs-Rg1rdsRLRS+

vS-+vi-iiid+

vo-gmvgsRRg2Rdvso=0-vgs当rds≈时：Ro≈Rd+vgs-Rg1rdsRSgmvgsRRg2Rdi+

v

-vgs+vso=034二.共漏极放大电路1.电路Rg1Rg2RVDD2.静态分析直流通道：+VGS–ID+VDS–VGS=VDD·Rg2/(Rg1+Rg2)-IDRID=Kn(VGS-VT)2VDS=VDD-IDR

gm=2Kn(VGS-VT)353.动态分析(1)共漏极放大电路的小信号模型+vgs-Rg1rdsRLRS+

vS-+vi-iiid+

vo-gmvgsRRg236(2)电压增益Avvo=gmvgs·(rds//R//RL)vi=vgs+

gmvgs·(rds//R//RL)](3)输入电阻Ri=Rg1//Rg2+vgs-Rg1rdsRLRS+

vS-+vi-iiid+

vo-gmvgsRRg237(4)输出电阻求输出电阻的图:+vgs-Rg1rdsRLRS+

vS-+vi-iiid+

vo-gmvgsRRg2+vgs-Rg1rdsRSgmvgsRRg2+

v-ivgs+v=0vgs=-v求Ro图38三.N沟道耗尽型场效应管放大电路

1.自给偏压式偏置电路(1)电路组成+UDD

RSCSC2C1RDRGT+ui_+uo_(2)静态分析UGS

=–RSIS

=–RSIDID=IDSS(1-UGS/UP)2根据上两式解出UGS、ID。UDS=

UDD–ID(RD+RS)直流通路+UDS-+UDD

RSRDRGIS

+UGS-由于静态时栅源电压UGS是由场效应管自身的电流提供的:UGS

=–RSIS=–RSID——故称自给偏压。注意:增强型MOS管因UGS=0时,ID0,故不能采用自给偏压式电路。39(3)动态分析+vgs-RLRS+

vS-+vi-iiid+

vo-gmvgsRGRD+UDD

RSCSC2C1RDRGT+ui_+uo_小信号电路电压增益Avvo=-gmvgs·(Rd//RL)vi=vgsAv=vo/vi=-

gm·(Rd//RL)输入电阻Ri=RG输出电阻Ro=RD40已知UDD=20V、RD=3k、RS=1k、RG=500k、UP=–4V、IDSS=8mA，确定静态工作点。解：UGS

=–RSID

=–1IDID=IDSS(1-UGS/UP)2=8[1-UGS/(–4)]2解出UGS1=

–2V、UGS2=

–8V、ID1=2mA、ID2=8mA因UGS2<UP,故舍去，所求静态解为:UGS=

–2V,ID=2mAUDS=20

–2(3+1)=12V+UDD

RSCSC2C1RDRGT+ui_+uo_例1412.分压式偏置电路(1)静态分析+UDD

RCSC2C1RG1RDRG2RGRL+ui–+uo–UDS=

UDD–ID(RD+R)流过

RG的电流为零+UDD

RRG1RDRG2RG+VGS–ID+VDS–42(2)动态分析小信号电路电压增益Avvo=-gmvgs·(Rd//RL)vi=vgsAv=vo/vi=-

gm·(Rd//RL)输入电阻Ri=RG+RG1//RG2输出电阻Ro=RDRG是为了提高输入电阻ri而设置的。+UDD

RCSC2C1RG1RDRG2RGRL+ui–+uo–+vgs-RLRS+

vS-+vi-iiid+

vo-gmvgsRDRG1RG2RG433.源极输出器+UDD

RC2C1RG1RG2RGRL+ui–+uo–+(1)静态分析UDS=

UDD–IDR流过

RG的电流为零+UDD

RRG1RG2RG直流通路44(2)动态分析小信号电路+UDD

RC2C1RG1RG2RGRL+ui–+uo–++vgs-RLRS+

vS-+vi-iiid+

vo-gmvgsRRG1RG2Rg3电压增益Avvo=gmvgs·(R//RL)vi=vgs+

gmvgs·(R//RL)]输入电阻Ri=RG+RG1//RG245输出电阻求输出电阻的图:vgs+v=0vgs=-v求Ro图+vgs-RLRS+

vS-+vi-iiid+

vo-gmvgsRRG1RG2Rg3+vgs-RSgmvgsRRG1RG2Rg3+

v-i462、符号gsdp+p+漏极d源极s栅极gN§5.3结型场效应管JFET一.N沟道结型场效应管1、结构——两个PN结夹着一个N型沟道。3.N沟道JFET的放大原理(以共源极接法为例)

N沟道增强型JFET共源极接法的接线：+uGS-gsd+uDS-igiD+uCC-RD经实验证明:(1)栅极电流ig≈0(2)当栅源电压uGS变化,漏源电压uDS

=constant>0时:uGS

≤UP(夹断电压,UP＜0)

:漏极电流iD=0uGS

>UP:uGS越大,iD越大——互导放大作用(3)当漏源电压UDS变化,栅源电压uGS=constant>UP时:0<uDS

<(uGS-UP)

:uDS增大,iD线性越大uDS>(uGS-UP):uDS越大,iD恒定;且iD=Kn(uGS-UP)2=IDSS(1-uGS/UP)2484.N沟道JFET的内部微观原理(1)当栅源电压uGS变化,漏源电压uDS=0时夹断电压UP——使导电沟道完全合拢(消失)所需要的栅源电压vGS。当vGS＜0时当沟道夹断时,对应的栅源电压vGS称为夹断电压VP。PN结反偏耗尽层加厚沟道变窄当vGS＞0时PN结正偏耗尽层变薄N沟道变宽,这时若uDS≥0,则iD≥049(2)当栅源电压uGS=constant＞VP,漏源电压uDS变化时由于uGS＞VP,所以导电沟道未夹断。a、当uDS=0时,iD=0。b、当uDS↑→iD↑→靠近漏极处的耗尽层加宽,沟道变窄,呈楔形分布。c、当uDS,使vGD=vGS-vDS=VP

(即vDS=vGS-VP)时,在靠漏极处夹断——预夹断。预夹断前,uDS↑→iD↑。预夹断后,uDS↑→iD几乎不变。d、uDS再↑→预夹断点下移→夹断区延长→沟道电阻→

iD基本不变505、N沟道结型场效应管的特性曲线(1)转移特性曲线(iDuGS/uDS=constant)夹断电压UPIDSSID/mAUGS/V1234-3–2–10饱和漏极电流栅极电流ig≈0IDSS、UP——结型和耗尽型MOS管的固定参数注意：UP＜0+uGS-gsd+uDS-igiD+uCC-RD51(2)输出特性曲线(iDuDS/uGS=constant)UGS=-1VUGS=-2VUGS=UP0UDS/VID/mA432148121620UGS=0预夹断轨迹:uDS=uGS-UP可变电阻区恒流区截止区+uGS-gsd+uDS-igiD+uCC-RD526.工作区域的特点及其工作区域判断(1)截止区判断：UGS＜UP特点：iD＝0这时场效应管D、S端相当于:一个断开的开关。UGS=-1VUGS=-2VUGS=UP0UDS/VID/mA432148121620UGS=0截止区+uGS-gsd+uDS-igiD+uCC-RD53(2)可变电阻区(线性区)判断：vGS＞VP,

vDS≤vGS-VP特点:rds是一个受uGS控制的可变电阻uGS越大,rds越小。当UGS足够大(如:uGS＝0~uCC)时场效应管D~S端相当于:一个接通的开关。UGS=-1VUGS=-2VUGS=UP0UDS/VID/mA432148121620UGS=0可变电阻区+uGS-gsd+uDS-igiD+uCC-RD54(3)恒流区(饱和区、放大区)判断:UGS＞VP,vDS＞vGS-VP特点:uDS＝uCC-iDRDUGS=-1VUGS=-2VUGS=UP0UDS/VID/mA432148121620UGS=0恒流区+uGS-gsd+uDS-igiD+uCC-RD若uGS恒定,则iD恒定——恒流源特点这时场效应管D、S端相当于:一个受电压控制的恒流源55gds二.P沟道结型场效应管1.符号2.分析方法P沟道分析方法与N沟道耗尽型相同，只不过须将所有的电压电流方向、大于小于号方向反过来。三.JFET的参数——与耗尽型MOS管的参数相同。漏极源极栅极56四.共源极JFET放大电路1.电路2.静态分析直流通道：VGS=VDD·Rg2/(Rg1+Rg2)-IDRID=IDSS(1-VGS/Vp)2VDS=VDD-ID(Rd+R)gm=-2IDSS(1-VGS/Vp)/VpRg1Rg2RVDDRd+VGS–ID+VDS–573.动态分析(1)JFET的小信号模型等效+vgs-+vds-gmvgsrdsiddgsgsd+vgs-+vds-idrds=几百k,很大+vgs-+vds-gmvgsiddgs①分析动态②信号很小③中低频等效①分析动态②信号很小③高频等效58(2)JFET共源极放大电路的小信号模型+vgs-Rg1RLRS+

vS-+vi-iiid+

vo-gmvgsRRg2RdRg359+vgs-Rg1RLRS+

vS-+vi-iiid+

vo-gmvgsRRg2RdRg3(2)电压增益Avvo=-gmvgs·(Rd//RL)vi=vgs+

gmvgs·R(3)输入电阻Ri=Rg3+Rg1//Rg260(6)输出电阻求输出电阻的图:vso=0-vgs=gmvgsRRo≈Rdvgs+vso=0+vgs-Rg1RLRS+

vS-+vi-iiid+

vo-gmvgsRRg2RdRg3+vgs-Rg1RSidgmvgsRRg2RdRg3i+

v

-vgs=061五.典型JFET放大电路1.自偏压电路注意: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。UGS=-IDRID=IDSS(1-VGS/Vp)2可解出Q点的UGS、ID再求:UDS=VDD-ID(Rd+R)(1)静态分析直流通道：+VGS–ID+VDS–62(2)动态分析+vgs-RLRS+

vS-+v