第5章 场效应管放大电路

*15场效应管放大电路5.1金属-氧化物-半导体（MOS）场效应管5.3结型场效应管（JFET）*5.4砷化镓金属-半导体场效应管5.5各种放大器件电路性能比较5.2MOSFET放大电路*2P沟道耗尽型P沟道P沟道N沟道增强型N沟道N沟道（耗尽型）FET场效应管JFET结型MOSFET绝缘栅型(IGFET)耗尽型：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在增强型：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道场效应管的分类：*35.1金属-氧化物-半导体（MOS）场效应管5.1.1N沟道增强型MOSFET5.1.5MOSFET的主要参数5.1.2N沟道耗尽型MOSFET5.1.3P沟道MOSFET5.1.4沟道长度调制效应*45.1.1N沟道增强型MOSFET1.结构（N沟道）L：沟道长度W：沟道宽度tox

：绝缘层厚度通常W>L*55.1.1N沟道增强型MOSFET剖面图1.结构（N沟道）符号*65.1.1N沟道增强型MOSFET2.工作原理（1）vGS对沟道的控制作用当vGS≤0时

无导电沟道，d、s间加电压时，也无电流产生。

由结构图可见，N+型漏区和N+型源区之间被P型衬底隔开，漏极和源极之间是两个背靠背的PN结。

当栅源电压VGS=0时，不管漏极和源极之间所加电压的极性如何，其中总有一个PN结是反向偏置的，反向电阻很高，漏极电流近似为零。SD*7

当VGS>0时，P型衬底中的电子受到电场力的吸引到达表层，填补空穴形成负离子的耗尽层；当VGS>VT时，还在表面形成一个N型层，称反型层，即勾通源区和漏区的N型导电沟道，将D-S连接起来。VGS愈高，导电沟道愈宽。5.1.1N沟道增强型MOSFET2.工作原理（1）vGS对沟道的控制作用当0<vGS<VT时,

产生电场，但未形成导电沟道（感生沟道），d、s间加电压后，没有电流产生。P型硅衬底N沟道N+N+DGS----耗尽层EG+-VGS*8在电场作用下产生导电沟道，开始导通d、s间加电压后，将有电流产生。vGS越大，导电沟道越厚当vGS>VT时在一定的漏–源电压VDS下，使管子由不导通变为导通的临界栅源电压称为开启电压VT称为开启电压5.1.1N沟道增强型MOSFET2.工作原理（1）vGS对沟道的控制作用

在一定的VDS下漏极电流ID的大小与栅源电压VGS有关。所以，场效应管是一种电压控制电流的器件。*92.工作原理（2）vDS对沟道的控制作用靠近漏极d处的电位升高沟道变薄当vGS一定（vGS>VT）时，vDSID沟道电位梯度整个沟道呈楔形分布*10当vGS一定（vGS>VT）时，vDSID沟道电位梯度

当vDS增加到使vGD=VT时，在紧靠漏极处出现预夹断。2.工作原理（2）vDS对沟道的控制作用在预夹断处：vGD=vGS-vDS=VT*11预夹断后，vDS夹断区延长沟道电阻ID基本不变2.工作原理（2）vDS对沟道的控制作用*122.工作原理（3）vDS和vGS同时作用时

vDS一定，vGS变化时

给定一个vGS，就有一条不同的iD–

vDS曲线。*133.

V-I特性曲线及大信号特性方程（1）输出特性及大信号特性方程①截止区当vGS＜VT时，导电沟道尚未形成，iD＝0，为截止工作状态。*143.

V-I特性曲线及大信号特性方程（1）输出特性及大信号特性方程②可变电阻区

vDS≤（vGS－VT）由于vDS较小，可近似为rdso是一个受vGS控制的可变电阻*153.

V-I特性曲线及大信号特性方程（1）输出特性及大信号特性方程②可变电阻区

n：反型层中电子迁移率Cox：栅极（与衬底间）氧化层单位面积电容本征电导因子其中Kn为电导常数，单位：mA/V2*163.

V-I特性曲线及大信号特性方程（1）输出特性及大信号特性方程③饱和区（恒流区又称放大区）vGS>VT

，且vDS≥（vGS－VT）是vGS＝2VT时的iDV-I特性：*173.

V-I特性曲线及大信号特性方程（2）转移特性*185.1.2N沟道耗尽型MOSFET1.结构和工作原理（N沟道）二氧化硅绝缘层中掺有大量的正离子可以在正或负的栅源电压下工作，而且基本上无栅流*195.1.2N沟道耗尽型MOSFET1.结构和工作原理（N沟道）

由于耗尽型场效应管预埋了导电沟道，所以在VGS=0时，若漏–源之间加上一定的电压VDS，也会有漏极电流ID产生。这时的漏极电流用

IDSS表示，称为饱和漏极电流。

当VGS>0时，使导电沟道变宽，ID增大；当VGS<0时，使导电沟道变窄，ID减小；VGS负值愈高，沟道愈窄，ID就愈小。

当VGS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VGS称为夹断电压，用VP表示。*205.1.2N沟道耗尽型MOSFET2.V-I特性曲线及大信号特性方程

（N沟道增强型）（N沟道耗尽型）*215.1.3P沟道MOSFET*225.1.4沟道长度调制效应实际上饱和区的曲线并不是平坦的L的单位为m当不考虑沟道调制效应时，＝0，曲线是平坦的。

修正后*235.1.5MOSFET的主要参数一、直流参数NMOS增强型1.开启电压VT

（增强型参数）2.夹断电压VP

（耗尽型参数）3.饱和漏电流IDSS

（耗尽型参数）4.直流输入电阻RGS

（109Ω～1015Ω

）二、交流参数1.输出电阻rds

当不考虑沟道调制效应时，＝0，rds→∞

*245.1.5MOSFET的主要参数2.低频互导gm

二、交流参数考虑到则其中*255.1.5MOSFET的主要参数三、极限参数1.最大漏极电流IDM

2.最大耗散功率PDM

3.最大漏源电压V（BR）DS

4.最大栅源电压V（BR）GS

*265.1MOSFET的小结1、耗尽型：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在增强型：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道N沟道符号：P沟道符号：*272.工作原理（1）vGS对沟道的控制作用5.1MOSFET的小结当0<vGS<VT时,

产生电场，但未形成导电沟道（感生沟道），d、s间加电压后，没有电流产生。在电场作用下产生导电沟道，开始导通d、s间加电压后，将有电流产生。vGS越大，导电沟道越厚当vGS>VT时P型硅衬底N沟道N+N+DGS----耗尽层EG+-VGS*28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。开启电压5.1MOSFET的小结*29（2）vDS对沟道的控制作用5.1MOSFET的小结

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=0（c）当vDS增加到使vGD=VT时，沟道靠漏区夹断，称为预夹断。*30（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。（2）vDS对沟道的控制作用5.1MOSFET的小结（3）vDS和vGS同时作用时*31总结N沟道增强型MOSFET的工作原理：*32①截止区当vGS＜VT时，导电沟道尚未形成，iD＝0，为截止工作状态。3.输出特性5.1MOSFET的小结②可变电阻区

vDS≤（vGS－VT）③饱和区（恒流区又称放大区）vGS>VT

，且vDS≥（vGS－VT）是vGS＝2VT时的iD*334.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。5.1MOSFET的小结当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：*34（N沟道增强型）4.N沟道耗尽型MOSFET5.1MOSFET的小结N沟道耗尽型*355.2MOSFET放大电路5.2.1MOSFET放大电路1.直流偏置及静态工作点的计算2.图解分析3.小信号模型分析*365.2.1MOSFET放大电路1.直流偏置及静态工作点的计算（1）简单的共源极放大电路（N沟道）直流通路共源极放大电路*375.2.1MOSFET放大电路1.直流偏置及静态工作点的计算（1）简单的共源极放大电路（N沟道）假设工作在饱和区，即验证是否满足如果不满足，则说明假设错误须满足VGS>VT

，否则工作在截止区再假设工作在可变电阻区即*38假设工作在饱和区满足假设成立，结果即为所求。解：例：设Rg1=60k，Rg2=40k，Rd=15k，试计算电路的静态漏极电流IDQ和漏源电压VDSQ。VDD=5V，VT=1V，*395.2.1MOSFET放大电路1.直流偏置及静态工作点的计算（2）带源极电阻的NMOS共源极放大电路饱和区需要验证是否满足*405.2.1MOSFET放大电路1.直流偏置及静态工作点的计算静态时，vI＝0，VG＝0，ID＝I电流源偏置VS＝VG－VGS=-VGS

设工作在饱和区需要验证是否满足（3）电流源提供偏置的NMOS放大电路*415.2.1MOSFET放大电路2.图解分析

曲线与负载线的交点就是静态工作点Q。*42由于负载开路，交流负载线与直流负载线相同5.2.1MOSFET放大电路2.图解分析*435.2.1MOSFET放大电路3.小信号模型分析（1）模型静态值（直流）动态值（交流）非线性失真项当，vgs<<2(VGSQ-VT)时，*445.2.1MOSFET放大电路3.小信号模型分析（1）模型0时高频小信号模型=0时,rds→∞

NMOS增强型*453.小信号模型分析解：例5.2.2的直流分析已求得：（2）放大电路分析（例5.2.5）s*463.小信号模型分析（2）放大电路分析（例5.2.5）s*473.小信号模型分析（2）放大电路分析（例5.2.6）共漏*483.小信号模型分析（2）放大电路分析*495.3结型场效应管5.3.1JFET的结构和工作原理5.3.2JFET的特性曲线及参数5.3.3JFET放大电路的小信号模型分析法*505.3.1JFET的结构和工作原理1.结构#

符号中的箭头方向表示什么？(1)N沟道结型场效应管*51(2)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+5.3.1JFET的结构和工作原理1.结构*522.工作原理（以N沟道JFET为例）++N栅极漏极源极P+P+------------------------++++++++++++++++++++++耗尽层*532.工作原理（以N沟道JFET为例）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。*542.工作原理（以N沟道JFET为例）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*552.工作原理（以N沟道JFET为例）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*562.工作原理（以N沟道JFET为例）(1)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：*572.工作原理（以N沟道JFET为例）

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。*58①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。2.工作原理（以N沟道JFET为例）

在栅源间加负电压vGS，为便于讨论，先令vDS=0*592.工作原理（以N沟道JFET为例）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*602.工作原理（以N沟道JFET为例）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↓。vDS*612.工作原理（以N沟道JFET为例）(2)vDS对电流iD的控制作用这里要讨论的关系是：

*622.工作原理（以N沟道JFET为例）

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。*632.工作原理（以N沟道JFET为例）

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*642.工作原理（以N沟道JFET为例）

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。*652.工作原理（以N沟道JFET为例）

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？*662.工作原理（以N沟道JFET为例）(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*672.工作原理（以N沟道JFET为例）(3)

vGS和vDS同时作用时当VP<vGS<0

时，导电沟道更容易夹断，对于同样的vDS，

ID的值比vGS=0时的值要小。在预夹断处vGD=vGS-vDS=VP

*682.工作原理（以N沟道JFET为例）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↑↑*69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。2.工作原理（以N沟道JFET为例）#

为什么JFET的输入电阻比BJT高得多？*705.3.2JFET的特性曲线及参数1.输出特性uGS=0VuGS=-1V*715.3.2JFET的特性曲线及参数恒流区的特点：△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）可变电阻区恒流区截止区分三个区：*722.转移特性5.3.2JFET的特性曲线及参数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*73通过实验可以得到iD的经验公式：5.3.2JFET的特性曲线及参数只要给出IDSS和VP就可以把转移特性中的其他点近似计算出来。*74与MOSFET类似3.主要参数5.3.2JFET的特性曲线及参数*75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)*76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)*775.3.2JFET放大电路的小信号模型分析法vivo1.JFET的直流偏置电路及静态分析(1)自偏压电路ID

由来：源极电阻在vGS=0时，耗尽型JFET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*785.3.2JFET放大电路的小信号模型分析法

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*795.3.2JFET放大电路的小信号模型分析法(2)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思考：为何Vg与Rg3无关？∵Ig3≈0，可认为在Rg3上没有压降，故Vg≈VA*805.3.2JFET放大电路的小信号模型分析法可解出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*815.3.2JFET放大电路的小信号模型分析法2.JFET小信号模型＋-vGSiD＋-vDSJFET低频小信号等效模型简化后的实用模型*825.3.2JFET放大电路的小信号模型分析法2.JFET小信号模型（1）低频模型*83（2）高频模型*842.动态指标分析（1）中频小信号模型*852.动态指标分析（