电子技术第七讲(场管放大)xin

第3章场效应管放大电路3.1结型场效应管第5讲3.2绝缘栅型场效应管3.3场效应管放大电路1场效应管（FET）：

是一种具有PN结的有源半导体器件，利用电场效应来控制输出电流的大小。场效应管的特点：①输入电阻高；②内部噪声小；③功耗低；④热稳定性及抗辐射能力强；⑤工艺简单、易于集成化。输入端PN结一般工作反偏或绝缘状态。场效应管的分类：结型FET（JFET）：MOSFET（IGFET）：N沟道、P沟道增强型：耗尽型：N沟道、P沟道N沟道、P沟道2N§3.1结型场效应管（JFET）一、JFET的结构和符号#符号中的箭头方向表示什么？表示栅结正向偏置时，电流方向是由P指向N。PP+P+DSGDGSN沟道JFET的结构和符号栅极

漏极

源极

NPNBIBDGSP沟道JFETN+N+CEBCEPNPIBBCEBCE3二、JFET的工作原理※N沟道JFET工作时，必须在栅极和源极之间加一个负电压——uGS<0.GNP+P+DS栅极—沟道间的PN结反偏，栅极电流iG0栅极输入阻抗高达107以上。在D-S间加一个正电压uDS>0,N沟道中的多子（电子）由S向D运动，形成漏极电流iD。iDiG主要讨论uGS对iD的控制作用以及uDS对iD的影响。电子iDuGSuDS输入电阻很高只有一种类型的多数载流子参与导电4GNP+P+DS1、UGS对iD对控制作用①

UDS=0，uGS

对导电沟道的影响GNP+P+DSuGS=0导电沟道较宽|uGS|=|UGS(off)||uGS|<|UGS(off)|导电沟道由于耗尽层的加宽而变窄。导电沟道由于耗尽层的合拢而被夹断。GNP+P+DSUGS(off)——夹断电压。当uGS由零向负值增大时

沟道电阻rDS↑

|uGS|↑当|uGS|=UGS（off）时，沟道夹断，iD=0。

→沟道电阻rDS→iD↓夹断电压

↑5耗尽层合拢的电压条件PN结两端电压=夹断电压UGS(off)GDSNuDSuGSP+P+AA点电压=uDG

=UGS(off)=uDS

-uGSuDS=uGS-UGS(off)uDS<uGS-UGS(off)耗尽层合拢的电压条件耗尽层不合拢的电压条件uGS

<夹断电压UGS(off)6GDSN②

uDS对iD的影响uGS=0

；导电沟道较宽；当uDS较小时(uDS<uGS-UGS(off))，iD随uDS的增大成正比增大；uDSiD0uDS↑导电沟道由于DS间的电位梯度呈契形；uDSuDS<uGS-UGS(off)uGS→iD↑uDS产生一个沿沟道的电位梯度

iDuGS=0uDS↑P+P+ADSuDS→rDS↑很小，几乎不变→iD↑7②

uDS对iD的影响两耗尽层在A点相遇此时，A点耗尽层两边的电位差为：uDSiD0饱和漏电流uGD=UGS(off)|UGS(off)|IDSSDGP+P+SNA当uDS=

|UGS（off）|时，靠近漏极出现沟道合拢，两耗尽层在A点相遇

称为预夹断状态GNP+P+DSuGS

=

UGS(off)uGS=0=uGS-uDSuDS=uGS-UGS(off)8②

uDS对iD的影响沟道预夹断后，uDS>uGS-UGS(off)GP+P+DSNuDS夹断区长度外电压的增量主要降落在夹断区上。uDS=uGS-UGS(off)沟道预夹断时，uGS=0uDS=-UGS(off)饱和漏电流uDSiD0|UGS(off)|IDSSuGS=0→rDS↑大1kΩ1Vi=1mA4V3kΩi=1mA1V4VΔV9②

uDS对iD的影响GP+P+DSNuDS=uGS-UGS(off)沟道预夹断时，uGS=0uDS=-UGS(off)沟道预夹断后，uDS>uGS-UGS(off)uDS夹断区长度外电压的增量主要降落在夹断区上。iD基本不随uDS的增加而上升，iD趋于饱和。在强电场作用下PN结雪崩击穿，iD急剧增大。饱和漏电流uDSiD0|UGS(off)|IDSSuGS=0若uDS>BUDS，。uDS10GDSNuDSuDS<uGS-UGS(off)uGSiDP+P+uGS≠0,uDS

≠0→iD↑uDS↑饱和漏电流|UGS(off)|IDSSuDSiD0uDS=uGS-UGS(off)沟道预夹断uDS↑uDS>uGS-UGS(off)夹断区长度iD基本不随uDS的增加而上升，iD趋于饱和。uDS↑在强电场作用下PN结雪崩击穿，iD急剧增大。uGS=0VuGS=-4VuGS=-8VuGD=uGS-uDS=UGS(off)11综上分析可知：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。|UGS(off)|IDSSuDSiD0uGS=-4VuGS=-8VJFET栅极与沟道间的PN结是反向偏置的，因此iG0，输入电阻很高。JFET是电压控制电流器件，iD受uGS控制。预夹断前iD与uDS呈近似线性关系；预夹断后，iD趋于饱和。uGSGNP+P+DSiDiG电子iDuDSNGNN+N+DSiDiG空穴iDuGSuDSP12三、JFET的特性曲线及参数1.输出特性iDuDS0

0-4-1-2-3IDSS可变电阻区恒流区击穿区截止区①uGS↑→rds↑②恒流区（饱和区）③击穿区④截止区（全夹断区）uDS=uGS-UGS(off)uGS可变电阻区GNP+P+DSJFET正常放大作用区域线性放大区

BUDSuGS≤UGS(off)uDS<uGS-UGS(off)uDS>uGS-UGS(off)132.转移特性0(当UGS(off)<uGS

<0)iDuGSuDSiD0

0-3-2uGS=-1-3-2-1在恒流区

IDSSUGS(off)143.主要参数（1）夹断电压UGS(off)：实测时，令uDS为某一固定值（10V），使iD0时，栅源之间所加的电压，uGS=UGS(off)。（2）饱和漏电流IDSS：uGS=0时，-uDS=UGS(off)。uGS=0，当uDS>|UGS(off)|（10V）时的漏极电流。IDSS是JFET能输出的最大电流。饱和漏电流IDSS|UGS(off)|uDSiD0uGS=0VuGS=-4VuGS=-8VuGD=uGS-uDS=UGS(off)uDS=uGS-UGS(off)15（3）低频跨导gm：uDS为常数时，漏极电流的微变量与引起这个变化的栅源电压的微变量的比。反映了栅源电压对漏极电流的控制能力，gm可以在转移特性曲线上求得，单位是mS(毫西门子)。GSoffGSGSDSSmduUuIdg12)(-=)()(12offGSoffGSGSDSSUUuI-=16场效应管的分类：结型FET（JFET）：MOSFET（IGFET）：N沟道、P沟道增强型：耗尽型：N沟道、P沟道N沟道、P沟道106～109Ω

绝缘栅型场效应管（MOSFET）1015Ω

增强型N沟道MOS管（E型NMOSFET）

增强型P沟道MOS管（E型PMOSFET）

耗尽型N沟道MOS管（D型NMOSFET）

耗尽型P沟道MOS管（D型PMOSFET）

17§3·2绝缘栅型场效应管（MOSFET）一、N沟道增强型MOSFET（一）结构和符号

P型衬底GB○○○○GDSB衬底引线

绝缘层SiO2

N+N+SD栅极与其他两个电极是相互绝缘的

箭头方向表示由P(衬底)指向N(沟道)

iGiG=0间断线表示栅源电压uGS=0时，FET内部不存在导电沟道

18（二）工作原理

1、UGS=0

P型衬底GB衬底引线

N+N+SD漏源间没有导电的沟道，iD=0

19

P型衬底GBN+N+SD（二）工作原理(1)导电沟道的形成

uGS>0uGSuGS增大到某一个值时

反型层

反型层是N型半导体层

开启电压UGS（th）uGS<UGS（th）全夹断状态

UGS=UGS(th)时，导电沟道开始形成20N+

P型衬底GBN+SDuGSuGS>uGS(th)uGS↑→导电沟道↑uGB↑→rDS↓21(2)

iD和导电沟道随uGS和uDS的变化

N+

P型衬底GBN+SDuGSuDSuGS=常数>UGS（th）

电位S←D低←高宽

←窄

S←D有导电沟道的条件uGD>UGS（th）

uGD=uGS-uDS

>UGS（th）

uDS<uGS-UGS（th）uDS↑→rDS↑(慢)→iD↑iDuDSiDOAuDS↑导电沟道开始形成uGD=uGS-uDS=UGS（th）

导电沟道开始夹断uGD=uGS-uDS=UGS（th）

uDS=uGS-UGS（th）

预夹断uDS=

uGS-UGS（th）预夹断后

预夹断uDS>uGS-UGS（th）

uDS↑预夹断后△uDS几乎都降落在夹断区上，而未夹断沟道中的电压基本维持不变。

iD几乎不变略有增大uDS↑→反向击穿SDuDSuGS-uDS<UGS（th）

uGD=B沟道部分夹断

223．输出特性曲线

uDSiD0uGS=5VuGS=4VuGS=3VuGS=2VuGS=UGS(th)截止区uGS>uGS(th)N+

P型衬底GBN+SDuGS→导电沟道↑uGS↑→rDS↓uDS→iD

↑预夹断曲线uDS=

uGS-UGS（th）

uDS=uGS-UGS(off)uGSiDuDS0

0-4-1-2-3uGS=UGS(off)uGS=UGS(th)23三、增强

NMOSFET的输出特性曲线

1.输出特性iDuDS0

5432可变电阻区恒流区击穿区截止区①uGS↓→rds↑②恒流区（饱和区）③击穿区④截止区（全夹断区）uDS=uGS-UGS(th)uGS可变电阻区MOSFET正常放大作用区域线性放大区

BUDSuGS≤UGS(th)uDS<uGS-UGS(th)uDS>uGS-UGS(th)UGS(th)242.转移特性0iDuGSuDSiD0

523uGS=42345IDO25转移特性曲线

ENMOSFET0iDuGSIDSSUGS(off)(当UGS(off)<uGS

<0)0iDuGSIDOUGS(th)NJFET26二、N沟道耗尽型MOS管1、结构和符号○○○○GDSBN+

P型衬底GN+SDBuGSuGS↓→导电沟道

↓→

UGS(off)夹断电压272．输出特性曲线

uDSiD0uGS=0.2VuGS=0.1VuGS=0VuGS=-0.2VuGS=UGS(off)截止区预夹断曲线uDS=

uGS-UGS（off）

N+

P型衬底GN+SDBuGSuDS283.转移特性iDuGS-0.4-0.200.2UGS(off)0iDuGSIDOUGS(th)E型

NMOSFETD型

NMOSFET29P沟道MOSFET，除了外加电压极性和漏极电流方向与N沟道MOSFET相反外工作原理完全相同

uGSiDUGS（off）UGS（th）JFET耗尽型MOST增强型MOSTuGSiDUGS（off）UGS（th）JFET耗尽型MOST增强型MOST(a)N沟道FET(b)P沟道FET30§3.3场效应管放大电路3.3.1电路的组成原则及分析方法(1).静态：适当的静态工作点，使场效应管工作在恒流区(2).动态:能为交流信号提供通路组成原则静态分析：估算法、图解法。动态分析：微变等效电路法。分析方法313.3.1

场效应管的直流偏置及静态分析

（1）

自偏压共源放大电路

SDGC1RSCSRsRGRDEDC2RL+uo-+uS-SDGRSRGRDED+US-IDIG=0IG=

-US=

-IDRS

UGS=UG-USURG=0即UG=0。+URG-UGS与UDS极性相反，（即UGS为负偏压），所以，自给偏压电路只适用于JFET和耗尽型MOSFET

UGS=

-IDRS

自给偏压电路不适用于增强MOS型管

漏源电压为UDS=ED-ID（RD+RS）

US=IS

RS↑→UGS=-IS

RS↓

→ID

↓T↑→ID

↑→

RS稳定工作点

RS↑→稳定

↑uGSiD32（2）分压式自偏压电路DSRSCSRsGC1R2RDEDC2RL+uo-+uS-R1R3RS↑→稳定性

↑RS↑→ID

↓UGS=UG-US

EDDSRSGR2RDR1R3UG+URS-gm↓→Au

↓适用于JFET和耗尽型MOSFET，又适合于增强型MOSFETUDS=ED-ID（RD+RS）

IDIG33例．如图R1=2MΩ，R2=47kΩ，R3=10MΩ，RD=30kΩ

RS=2kΩ,ED=18V,FET的UGS（off）=-1V，IDSS=0.5mA

试确定Q点。

EDDSRSGR2RDR1R3UGIDUDS=ED-ID（RD+RS）

解出ID1=1.59mAID2=0．3mA

>IDSS=0．5mA不合理舍去故ID==8.1V343.3.2场效应管的动态分析GSDSGDrDSidrDS=

UDS/

ID很大，可忽略。场效应管微变等效电路35场效应管的微变等效电路压控电流源SGDid36例题分析无输入信号时（ui=0），估算：UDS和ID。+UDD=+20VuoRSuiCSC2C1R1RDRGR2RL150K50K1M10K10KGDS10KIDUDSR1=150kR2=50kRG=1MRD=10kRS=10kRL=10kgm=3mA/VUDD=20V37设：UG>>UGS则：UGUS而：IG=0+UDD+20VR1RDRGR2150K50K1M10KRS10KGDS所以：=直流通道IDUDSIG383.3.4动态分析微变等效电路+UDD=+20VuoRSuiCSC2C1R1RDRGR2RL150K50K1M10K10KGDS10KSGR2R1RGDRLRDUgsgmUgsUiUoIdSGDid39动态分析：UgsUiUgsgmIdriroUoSGR2R1RGRLDRLRD=–gmUiRL

电压放大倍数负号表示输出输入反相40电压放大倍数估算R1=150kR2=50kRG=1MRS=10kRD=10kRL=10kgm=3mA/VUDD=20V=-3（10//10）=-15RL=RD//RL41ro=RD=10KSGR2R1RGRLDRLRD输入电阻、输出电阻=1+0.15//0.05=1.0375MR1=150kR2=50kRG=1MRD=10kRS=10kRL=10kgm=3mA/VUDD=20Vrirori=RG+R1//R2423.3.5源极输出器uo+UDD+20VRSuiC1R1RGR2RL150K50K1M10KDSC2G10KR1=150kR2=50kRG=1MRS=10kRL=10kgm=3mA/VUDD=20V43静态工作点:=USUGUDS=UDD-US=20-5=15V44uo+UDD+20VRSuiC1R1RGR2RL150K50K1M10KDSC2G10K微变等效电路：45微变等效电路：riro

rogR2R1RGsdRLRSUi=Ugs+UoUo

=Id(RS//RL)=gm

Ugs

RL46求rigR2R1RGsdRLRSriri=RG+R1//R247求ro加压求流法ro

ro=RS1+gmRSIogR2R1RGsRS48ri=RG+R1//R2uo+UDD+20VRSuiC1R1RGR2RL150K50K1M10KDSC2G10KR1=150kR2=50kRG=1MRS=10kRL=10kgm=3mA/VUDD=20VAu=gmRL1+gmRL=[3(10//