场效应管放大电路-模电讲义

4场效应管放大电路

场效应管是以半导体中的多数载流子实现导电的，因此，又叫做单极型晶体管。属电压控制器件。按结构的不同分结型场效应管（JFET)和金属-氧化物-半导体场效应管（MOS)两大类。4.1 结型场效应管

4.1.1JFET的结构和工作原理

1.结构

结型场效应管(JFET)，分为N沟道和P沟道两种。结构和电路符号如图4.1.1和图4.1.2所示。

2.工作原理

由于两种管子的工作原理相同，下面以N沟道为例分析其工作原理。N沟道JFET工作时，在栅极与源极之间需加一负电压（vGS<

0），使栅极、沟道间的

PN结反偏，栅极电流iG

0，输入电阻很高（>107

）。在漏极与源极之间加一正电压（vDS>

0），使N沟道中的多数载流子（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。因此，讨论JFET的工作原理就是讨论vGS对iD的控制作用和vDS对iD的影响。

(1)

vGS对

iD

的控制作用

当vGS=Vp时，沟道完全消失（夹断），沟道电阻趋于无穷大，相应的栅源电压称为夹断电压

Vp。如在漏源之间加上固定电压，将有电流iD，改变|vGS|，可以有效的控制沟道电阻的大小，从而控制iD大小，|vGS|越大，iD越小。

先假定vDS=

0，改变

vGS

的大小，导电沟道随着改变，导电沟道随|vGS|的增大而变窄，沟道电阻变大，

(2)

vDS

对

iD的影响

首先从vGS=0开始讨论。

a)

vDS=0,iD=0

b)0<vDS<|vP|,iD0并随vDS增加而增大。但近漏端沟道随vDS增加变窄。

c)

vDS=|vP|,近漏端沟道夹断称为预夹断，iD=IDSS。

d)

vDS>|vP|,iD=IDSS

近漏端沟道夹断区增加。(a)(b)(c)(d)

G、S

间加负电压，耗尽层加宽，导电沟道变窄；D、S

间加正电压，导电沟道变得不等宽。根据vGD=vGSvDS=VP

可知，vGS

越负，发生预夹断所需的

vDS

就越小。相反，在同样的

vDS作用下，vGS越负，耗尽层越宽，沟道电阻越大，漏极电流

iD

就越小，iD

随vDS变化曲线下移，图.1.5(b)示出了不同

vGS下，所得的iD~vDS曲线。vGS越负，iD

越小，体现了栅源电压

vGS对漏极电流

iD的控制作用。

由上述分析可绘出时的iD~vDS

特性曲线

综上分析，可得如下结论：JFET栅极、沟道之间的PN结是反向偏置的，因此，输入电阻很高。JFET是电压控制电流器件，iD受vGS控制。预夹断前，iD与vDS呈近似线性关系；预夹断后，iD趋于饱和,其大小仅随vGS变化。P沟道JFET工作时，其电源极性与N沟道JFET的电源极性相反。

4.1.2特性曲线及参数

1输出特性

分为四个区：

I区：可变电阻区

沟道电阻受栅源电压控制。

II区：恒流区或饱和区，也称为线性放大区。III区：击穿区（V(BR)DS

）IV区：截止区，VGS<VP,iD

=0

2.转移特性

在恒流区

内，有

3.主要参数

(1)夹断电压VP其定义前面已经提到，绝对值在2~10V之间。

(2)饱和漏极电流IDSS

其定义前面已经提到，数值在0.3~15mA之间。

(3)最高漏源电压V(BR)DS

指击穿前漏源之间能加的电压最大(绝对)值。小功率管一般为二三十伏，大功率管可达几百伏。

(4)最高栅源电压V(BR)GS

指击穿前栅源之间能加的电压最大(绝对)值。

(5)低频跨导gm

它的定义是(6)输出电阻rd在放大区内，其值很大，一般在几十千欧到几百千欧之间。(7)

最大耗散功率PDM

其定义同晶体管，小功率管为100~200mW，大功率管可达百瓦以上。(8)

噪声系数NF

其定义与晶体管相同。一般的场效应管其NF值为5dB以下。优质场效应管的NF值可低于1dB，且工作频率可高达几万兆赫，常用于卫星接收系统的前置放大级

4.3金属-氧化物-半导体场效应管

MOSFET利用半导体表面电场效应进行工作的，也称为表面场效应器件。栅极是绝缘的，输入电阻很高。有N沟道和P沟道两类。增强型（VGS=0时，没有导电沟道，iD

=0）耗尽型

（VGS=0时，存在导电沟道，iD

0）

4.3.1N沟道增强型MOSFET1.结构及符号

2工作原理

图4.3.2为N沟道增强型MOSFET的工作原理示意图

(a)vGS=0时，没有导电沟道(b)vGS>VT

时，出现N型沟道出现夹断时或预夹断处

vGD=vGSvDS=VT(c)vDS

较小时，iD迅速增大(d)vDS较大出现夹断时，iD趋于饱和3特性曲线

在恒流区内，转移特性可近似表示为

4参数

MOSFET的参数与JFET的基本相同，不同的是MOS增强型管不用夹断电压VP,而用开启电压VT表征管子的特性。

4.3.2N沟道耗尽型MOSFET结构与增强型相似，不同的是在二氧化硅绝缘层中掺入了大量的正离子，这样，VGS=0时，存在导电沟道，iD

0耗尽型管子的栅源电压可正可负，参数是夹断电压VP。4.4场效应管放大电路4.1.1直流偏置电路及静态分析

1直流偏置电路Q:

偏置电路的形式有两种。1）自偏压电路仅适用于结型和耗尽型管子。

4.1.1

2）分压式自偏压电路

不仅仅适用于结型和耗尽型管子，也适用增强型管子。4.1.12.静态工作点的确定

FET放大电路静态分析可用图解法和公式法。下面讨论公式法计算静态工作点。和公式法就是利用恒流区中iD与vGS的近似关系式

以及由直流通路中线性部分列出的电压电流方程联立求解可计算出静态工作点。

例如对于图4.4.1a电路:联立求解可求出VGS和

ID再由输出回路列方程，可得

4.4.2FET放大电路的小信号模型分析法

1FET小信号模型低频简化模型2应用小信号模型分析放大电路

图4.4.3a的小信号等效电路如图b。

+-o(1)中频电压增益(2)输入电阻(3)输出电阻

例4.4.2

求图4.4.4a所示共漏电路—源极输出器的中频电压增益、输入电阻和输出电阻。

解：中频小信号等效电路如图4.4.4b所示。

(1)中频电压增益

由图4.4.4b可得(2)输入电阻

(3)输出电阻

图4.4.5为求输出电阻的等效电路，由图有具有和共集电路一样的特点，但输入电阻更高。

3三种基本放大电路的性能比较