第四章场效应管放大电路

第四章场效应管放大电路第一页，共五十六页，2022年，8月28日场效应管只有一种载流子参与导电，且利用电场效应来控制电流的三极管，称为场效应管，也称单极型三极管。场效应管分类结型场效应管（JFET）绝缘栅场效应管（MOSFET）特点单极型器件(一种载流子导电)；输入电阻高；工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低。第二页，共五十六页，2022年，8月28日4.1结型场效应管4.2绝缘栅场效应管4.3场效应管的主要参数4.4场效应管的特点4.5场效应管放大电路第三页，共五十六页，2022年，8月28日DSGN符号4.1结型场效应管4.1.1结构图4-1（a）N沟道结型场效应管结构图N型沟道N型硅棒栅极源极漏极P+P+P型区耗尽层(PN结)在漏极和源极之间加上一个正向电压，N型半导体中多数载流子电子可以导电。导电沟道是N型的，称N沟道结型场效应管。第四页，共五十六页，2022年，8月28日P沟道场效应管图4-1（b）P沟道结型场效应管结构图N+N+P型沟道GSDP沟道场效应管是在P型硅棒的两侧做成高掺杂的N型区(N+)，导电沟道为P型，多数载流子为空穴。符号GDS第五页，共五十六页，2022年，8月28日4.1.2工作原理

N沟道结型场效应管用改变UGS大小来控制漏极电流ID的。GDSNN型沟道栅极源极漏极P+P+耗尽层*在栅极和源极之间加反向电压，耗尽层会变宽，导电沟道宽度减小，使沟道本身的电阻值增大，漏极电流ID减小，反之，漏极ID电流将增加。

*耗尽层的宽度改变主要在沟道区。第六页，共五十六页，2022年，8月28日1.设UDS=0，在栅源之间加负电源UGS，改变UGS大小。观察耗尽层的变化。ID=0GDSN型沟道P+P+

(a)

UGS=0UGS=0时，耗尽层比较窄，导电沟比较宽UGS由零逐渐增大，耗尽层逐渐加宽，导电沟相应变窄。当UGS=UP，耗尽层合拢，导电沟被夹断，夹断电压UP为负值。ID=0GDSP+P+N型沟道

(b)

UGS<0UGSID=0GDSP+P+

(c)

UGS=UPUGS图4-2当UDS=0时UGS对导电沟道的影响第七页，共五十六页，2022年，8月28日2.在漏源极间加正向电压UDS>0，在栅源间加负电源UGS，观察UGS变化时耗尽层和漏极ID。UGS=0，UDG<，ID较大。GDSP+NISIDP+P+UDSUGSUGS<0，UDG<，ID较小。GDSNISIDP+P+UDS注意：当UDS>0时，耗尽层呈现楔形。(a)(b)图4-3UDS对导电沟道的影响第八页，共五十六页，2022年，8月28日GDSP+NISIDP+P+UDSUGSUGS<0,UDG=|UP|,ID更小,预夹断UGS≤UP,UDG>|UP|,ID0,夹断GDSISIDP+UDSUGSP+P+(1)改变UGS,改变了PN结中电场，控制了ID，故称场效应管；(2)结型场效应管栅源之间加反向偏置电压，使PN反偏，栅极基本不取电流，因此，场效应管输入电阻很高。(c)(d)图4-3UDS对导电沟道的影响第九页，共五十六页，2022年，8月28日4.1.3特性曲线1.转移特性(N沟道结型场效应管为例)O

UGSIDIDSSUP图4-4（b）转移特性UGS=0，ID最大；UGS愈负，ID愈小；UGS=UP，ID0。两个重要参数饱和漏极电流IDSS(UGS=0时的ID)夹断电压UP

(ID=0时的UGS)UDSIDUDDUGSDSGV+V+UGS图4-4（a）特性曲线测试电路+mA第十页，共五十六页，2022年，8月28日1.转移特性OuGS/VID/mAIDSSUP图4-4（b）转移特性2.输出特性当栅源之间的电压UGS不变时，漏极电流ID与漏源之间电压UDS的关系，即结型场效应管转移特性曲线的近似公式：≤≤第十一页，共五十六页，2022年，8月28日IDSS/VID/mAUDS/VOUGS=0V-1-2-3-4-5-6-7预夹断轨迹恒流区击穿区可变电阻区输出特性也有四个区：可变电阻区、恒流区和截止区、击穿区。2.输出特性UDSIDUDDVGGDSGV+V+UGS图4-5（a）特性曲线测试电路+mA图4-5(b)输出特性截止区第十二页，共五十六页，2022年，8月28日场效应管的两组特性曲线之间互相联系，可根据输出特性用作图的方法得到相应的转移特性。UDS=常数ID/mA0-0.5-1-1.5UGS/VUDS=15V5ID/mAUDS/V0UGS=0-0.4V-0.8V-1.2V-1.6V101520250.10.20.30.40.5结型场效应管栅极基本不取电流，其输入电阻很高，可达107以上。如希望得到更高的输入电阻，可采用绝缘栅场效应管。图4-6在输出特性上用作图法求转移特性第十三页，共五十六页，2022年，8月28日4.2绝缘栅型场效应管由金属、氧化物和半导体制成。称为金属-氧化物-半导体场效应管，或简称MOS场效应管。特点：输入电阻可达109以上。类型N沟道P沟道增强型耗尽型增强型耗尽型UGS=0时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管；UGS=0时漏源间不存在导电沟道称增强型场效应管。第十四页，共五十六页，2022年，8月28日4.2.1N沟道增强型MOS场效应管1.结构P型衬底N+N+BGSDSiO2源极S漏极D衬底引线B栅极G图4-7N沟道增强型MOS场效应管的结构示意图第十五页，共五十六页，2022年，8月28日2.工作原理绝缘栅场效应管利用UGS来控制“感应电荷”的多少，改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道的状况，以控制漏极电流ID。工作原理分析(1)UGS=0漏源之间相当于两个背靠背的PN结，无论漏源之间加何种极性电压，总是不导电。SBD图4-8第十六页，共五十六页，2022年，8月28日(2)

UDS=0，0<UGS<UTP型衬底N+N+BGSDP型衬底中的电子被吸引靠近SiO2与空穴复合，产生由负离子组成的耗尽层。增大UGS耗尽层变宽。UGG---------(3)

UDS=0，UGS≥UT由于吸引了足够多的电子，会在耗尽层和SiO2之间形成可移动的表面电荷层——---N型沟道反型层、N型导电沟道。UGS升高，N沟道变宽。因为UDS=0，所以ID=0。UT为开始形成反型层所需的UGS，称开启电压。第十七页，共五十六页，2022年，8月28日(4)

UDS对导电沟道的影响(UGS>UT)导电沟道呈现一个楔形。漏极形成电流ID。b.UDS=UGS–UT，

UGD=UT靠近漏极沟道达到临界开启程度，出现预夹断。c.UDS>UGS–UT，

UGD<UT由于夹断区的沟道电阻很大，UDS逐渐增大时，导电沟道两端电压基本不变，ID因而基本不变。a.UDS<UGS–UT，即UGD=UGS–UDS>UTP型衬底N+N+BGSDVGGVDDP型衬底N+N+BGSDVGGVDDP型衬底N+N+BGSDUGGUDD夹断区第十八页，共五十六页，2022年，8月28日DP型衬底N+N+BGSUGGUDDP型衬底N+N+BGSDUGGUDDP型衬底N+N+BGSDUGGUDD夹断区图4-9UDS对导电沟道的影响(a)

UGD>UT(b)

UGD=UT(c)

UGD<UT第十九页，共五十六页，2022年，8月28日3.特性曲线(a)转移特性(b)输出特性UGS<UT，ID=0；UGS

≥

UT，形成导电沟道，随着UGS的增加，ID

逐渐增大。(当UGS>UT时)四个区：可变电阻区、恒流区(或饱和区)、截止区。UT2UTIDOUGS/VID/mAO图4-10(a)ID/mAUDS/VO预夹断轨迹恒流区击穿区可变电阻区图4-10(b)截止区第二十页，共五十六页，2022年，8月28日4.2.2N沟道耗尽型MOS场效应管P型衬底N+N+BGSD++++++制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子，这些正离子电场在P型衬底中“感应”负电荷，形成“反型层”。即使UGS=0也会形成N型导电沟道。++++++++++++UGS=0，UDS>0，产生较大的漏极电流；UGS<0，绝缘层中正离子感应的负电荷减少，导电沟道变窄，ID减小；UGS=-UP,感应电荷被“耗尽”，ID

0。UP称为夹断电压图4-11第二十一页，共五十六页，2022年，8月28日N沟道耗尽型MOS管特性工作条件：UDS>0；UGS正、负、零均可。ID/mAUGS/VOUP(a)转移特性IDSS图4-13MOS管的符号SGD衬底SGD衬底(b)漏极特性ID/mAUDS/VO+1VUGS=0-3V-1V-2V43215101520图4-12特性曲线第二十二页，共五十六页，2022年，8月28日图4-14MOS场效应管电路符号第二十三页，共五十六页，2022年，8月28日种类符号转移特性输出特性

结型N沟道耗尽型

结型P沟道耗尽型

绝缘栅型N沟道增强型SGDSGDIDUGS=0V+UDS++oSGDBUGSIDOUT表4-1各类场效应管的符号和特性曲线+UGS=UTUDSID+++OIDUGS=0V---UDSOUGSIDUPIDSSOUGSID/mAUPIDSSO第二十四页，共五十六页，2022年，8月28日种类符号转移特性输出特性绝缘栅型N沟道耗尽型绝缘栅型P沟道增强型耗尽型IDSGDBUDSID_UGS=0+__OIDUGSUPIDSSOSGDBIDSGDBIDIDUGSUTOIDUGSUPIDSSO_IDUGS=UTUDS_o_UGS=0V+_IDUDSo+第二十五页，共五十六页，2022年，8月28日4.3场效应管的主要参数4.3.1直流参数

1.饱和漏极电流IDSS

IDSS是耗尽型和结型场效应管的一个重要参数,它的定义是当栅源之间的电压UGS等于零,而漏、源之间的电压UDS大于夹断电压UP时对应的漏极电流。

2.夹断电压UPUP也是耗尽型和结型场效应管的重要参数,其定义为当UDS一定时,使ID减小到某一个微小电流(如1μA,50μA)时所需的UGS值。第二十六页，共五十六页，2022年，8月28日

3.开启电压UTUT是增强型场效应管的重要参数,它的定义是当UDS一定时,漏极电流ID达到某一数值(例如10μA)时所需加的UGS值。

4.直流输入电阻RGSRGS是栅、源之间所加电压与产生的栅极电流之比。由于栅极几乎不索取电流,因此输入电阻很高。结型为106Ω以上,MOS管可达1010Ω以上。第二十七页，共五十六页，2022年，8月28日4.3.2交流参数1.低频跨导gm

跨导gm的单位是mA/V。它的值可由转移特性或输出特性求得。第二十八页，共五十六页，2022年，8月28日图4-15根据场效应管的特性曲线求gm

第二十九页，共五十六页，2022年，8月28日

2.极间电容

场效应管三个电极之间的电容,包括CGS、CGD和CDS。这些极间电容愈小,则管子的高频性能愈好。一般为几个pF。第三十页，共五十六页，2022年，8月28日4.3.3极限参数1.漏极最大允许耗散功率PDmPDm与ID、UDS有如下关系:这部分功率将转化为热能,使管子的温度升高。PDm决定于场效应管允许的最高温升。

2.漏、源间击穿电压BUDS在场效应管输出特性曲线上,当漏极电流ID急剧上升产生雪崩击穿时的UDS。工作时外加在漏、源之间的电压不得超过此值。第三十一页，共五十六页，2022年，8月28日

3.栅源间击穿电压BUGS

结型场效应管正常工作时,栅、源之间的PN结处于反向偏置状态,若UGS过高,PN结将被击穿。对于MOS场效应管,由于栅极与沟道之间有一层很薄的二氧化硅绝缘层,当UGS过高时,可能将SiO2绝缘层击穿,使栅极与衬底发生短路。这种击穿不同于PN结击穿,而和电容器击穿的情况类似,属于破坏性击穿,即栅、源间发生击穿,MOS管立即被损坏。第三十二页，共五十六页，2022年，8月28日4.4场效应管的特点

(1)场效应管是一种电压控制器件,即通过UGS来控制ID。(2)场效应管输入端几乎没有电流,所以其直流输入电阻和交流输入电阻都非常高。(3)由于场效应管是利用多数载流子导电的,因此,与双极性三极管相比,具有噪声小、受幅射的影响小、热稳定性较好而且存在零温度系数工作点等特性。第三十三页，共五十六页，2022年，8月28日

(4)由于场效应管的结构对称,有时漏极和源极可以互换使用,而各项指标基本上不受影响,因此应用时比较方便、灵活。(5)场效应管的制造工艺简单,有利于大规模集成。(6)由于MOS场效应管的输入电阻可高达1015Ω,因此,由外界静电感应所产生的电荷不易泄漏,而栅极上的SiO2绝缘层又很薄,这将在栅极上产生很高的电场强度,以致引起绝缘层击穿而损坏管子。(7)场效应管的跨导较小,当组成放大电路时,在相同的负载电阻下,电压放大倍数比双极型三极管低。第三十四页，共五十六页，2022年，8月28日图4–16场效应管的零温度系数工作点第三十五页，共五十六页，2022年，8月28日图4-17栅极过压保护电路第三十六页，共五十六页，2022年，8月28日4.5.1共源极放大电路图4-18共源极放大电路原理电路UDD+uOiDVT~+uIUGGRGSDGRD与双极型三极管对应关系bG,eS,cD为了使场效应管工作在恒流区实现放大作用，应满足：图示电路为N沟道增强型MOS

场效应管组成的放大电路。(UT：开启电压)4.5场效应管放大电路第三十七页，共五十六页，2022年，8月28日一、静态分析UDD+uOiDVT~+uIUGGRGSDGRD图4-18共源极放大电路原理电路两种方法近似估算法图解法(一)近似估算法MOS管栅极电流为零，当uI=0时UGSQ=UGG而iD与uGS之间近似满足(当uGS>UT)式中IDO为uGS=2UT时的值。则静态漏极电流为第三十八页，共五十六页，2022年，8月28日

(二)图解法图4-19用图解法分析共源极放大电路的Q点UDDIDQUDSQQ利用式uDS=UDD

-

iDRD画出直流负载线。图中IDQ、UDSQ即为静态值。第三十九页，共五十六页，2022年，8月28日【例1】电路如图所示,场效应管为3DJG,其输出特性曲线如图4-20所示。已知RD=2kΩ,RS=1.2kΩ,UDD=15V,试用图解法确定该放大器的静态工作点。第四十页，共五十六页，2022年，8月28日

解写出输出回路的电压电流方程,即直流负载线方程设第四十一页，共五十六页，2022年，8月28日在输出特性图上将上述两点相连得直流负载线。图4-20图解法确定工作点(例1)第四十二页，共五十六页，2022年，8月28日在转移特性曲线上,作出UGS=-IDRS的曲线。由上式可看出它在uGS~iD坐标系中是一条直线,找出两点即可。令连接该两点,在uGS~iD坐标系中得一直线,此线与转移特性曲线的交点,即为Q点,对应Q点的值为:第四十三页，共五十六页，2022年，8月28日二、动态分析iD的全微分为上式中定义：——场效应管的跨导(毫西门子mS)。——场效应管漏源之间等效电阻。1.微变等效电路第四十四页，共五十六页，2022年，8月28日二、动态分析如果输入正弦信号，则可用有效值代替上式中的变量。成为：根据上式做等效电路如图所示。图4-21场效应管的微变等效电路由于没有栅极电流，所以栅源是悬空的。第四十五页，共五十六页，2022年，8月28日微变参数gm和rD

(1)根据定义通过在特性曲线上作图方法中求得。(2)用求导的方法计算gm在Q点附近，可用IDQ表示上式中iD，则一般gm约为0.1至20mS。rD为几百千欧的数量级。当RD比rD小得多时，可认为等效电路的rD开路。第四十六页，共五十六页，2022年，8月28日2.共源极放大电路的动态性能UDD+uOiDVT~+uIUGGRGSDGRD图4-22共源极放大电路的微变等效电路将rD开路而所以输出电阻ro=RDMOS管输入电阻高达109

。第四十七页，共五十六页，2022年，8月28日4.5.2分压—自偏压式共源放大电路一、静态分析(一)近似估算法根据输入回路列方程图4-23分压-自偏式共源放大电路+VT+RGSDGRDR2UDD+RLRSR1C1CSC2+++解联立方程求出UGSQ和IDQ。第四十八页，共五十六页，2022年，8月28日+VT+RGSDGRDR2UDD+RLRSR1C1CSC2+++图4-23分压-自偏式共源放大电路列输出回路方程求UDSQUDSQ=UDD–IDQ(RD+RS)(二)图解法由式可做出一条直线，另外，iD与uGS之间满足转移特性曲线的规律，二者之间交点为静态工作点。确定UGSQ，IDQ。第四十九页，共五十六页，2022年，8月28日根据漏极回路方程在漏极特性曲线上做直流负载线，与uGS=UGSQ的交点确定Q，由Q确定UDSQ和IDQ值。UDSQuDS=UDD–