模电课件5场效应管放大电路

15场效应管放大电路授课人：庄友谊模拟电子技术25场效应管放大电路§5.1金属-氧化物-半导体场效应管§5.2MOSFET放大电路§5.3结型场效应管§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3引言：

场效应晶体三极管是由一种载流子（多子）导电的、用输入电压控制输出电流的半导体器件。具有输入阻抗高、耗电少、温度稳定性好、噪声低、寿命长等优点。从参与导电的载流子来划分，它有自由电子导电的N沟道器件和空穴导电的P沟道器件。

按照场效应三极管的结构划分，有结型场效应管和绝缘栅型场效应管两大类。

4１、结构：§5.3结型场效应管(JFET)N基底：N型半导体PP两边是P区G(栅极)S源极D漏极导电沟道5.3.1JFET的结构和工作原理：56S源极NPPG(栅极)D漏极N沟道结型场效应管DGSDGS7S源极PNNG(栅极)D漏极P沟道结型场效应管DGSDGS8２、工作原理（以N沟道为例）vDS=0V时PN结反偏，|vGS|越大则耗尽区越宽，导电沟道越窄。（1）vDS=0，G、S加负电压：NGSDvDS=0vGSNNPPiD9vDS=0时NGSDvDS=0vGSPPiDvGS达到一定值时（夹断电压VP）,耗尽区碰到一起，DS间被夹断，这时，即使vDS

0V，漏极电流iD=0A。1011vGS=0且vDS>0时耗尽区的形状NGSDvDSvGS=0PPiD（2）vGS=0，D、S加正电压：越靠近漏端，PN结反压越大1213（3）G、S加负电压，D、S加正电压：NGSDvDSNNiDPPvGS但当vGS较小时，耗尽区宽度有限，存在导电沟道。DS间相当于线性电阻。vGS越大耗尽区越宽，沟道越窄，电阻越大。14NGSDvDSPPiDvGSvGS<Vp且vDS较大时vGD<VP时耗尽区的形状沟道中仍是电阻特性，但是是非线性电阻。15NGSDvDSPPiDvGSvGS<VpvGD=VP时漏端的沟道被夹断，称为予夹断。vDS增大则被夹断区向下延伸。16vGS<VpvGD=VP时

此时，电流iD由未被夹断区域中的载流子形成，基本不随vDS的增加而增加，呈恒流特性。NGSDvDSPPiDvGS17vGS0iDIDSSVP转移特性曲线一定vDS下的iD-vGS曲线5.3.2JFET的特性曲线及参数：18输出特性曲线vDS0iDIDSSVP饱和漏极电流夹断电压某一VGS下19予夹断曲线vGS=0V-2V-1V-3V-4V-5V可变电阻区夹断区恒流区（饱和区）输出特性曲线iDvDS020(a)漏极输出特性曲线(b)转移特性曲线图02.22N沟道结型场效应三极管的特性曲线21P沟道结型场效应管的特性曲线转移特性曲线vGS0iDIDSSVP22输出特性曲线P沟道结型场效应管的特性曲线予夹断曲线iDvDS2VvGS=0V1V3V4V5V可变电阻区夹断区恒流区(饱和区)023结型场效应管的特性比较结型场效应管

N沟道耗尽型P沟道耗尽型24

结型场效应管的缺点：1.栅源极间的电阻虽然可达107以上，但在某些场合仍嫌不够高。3.栅源极间的PN结加正向电压时，将出现较大的栅极电流。绝缘栅场效应管可以很好地解决这些问题。2.在高温下，PN结的反向电流增大，栅源极间的电阻会显著下降。25§5.1金属-氧化物-半导体场效应管金属-氧化物-半导体场效应管又称绝缘栅型场效应管

MetalOxideSemiconductor——MOSFET分为:增强型

N沟道、P沟道

耗尽型

N沟道、P沟道增强型：vgs=0时，没有导电沟道，iD=0耗尽型：vgs=0时，存在导电沟道，iD≠0N沟道P沟道增强型N沟道P沟道耗尽型265.1.1N沟道增强型MOSFETPNNGSDP型基底两个N区SiO2绝缘层（几百埃）导电沟道金属铝GSDN沟道增强型1、结构:栅极（Gate）源极

(Source)漏极（Drain）27282、工作原理PNNGSDUDSUGSUGS=0时D-S间相当于两个反接的PN结ID=0对应截止区29PNNGSDUDSUGSUGS>0时UGS足够大时（UGS>VT）感应出足够多电子，这里出现以电子导电为主的N型导电沟道。感应出电子VT称为阈值电压30UGS较小时，导电沟道相当于电阻将D-S连接起来，UGS越大此电阻越小。PNNGSDUDSUGS31PNNGSDUDSUGS当UDS不太大时，导电沟道在两个N区间是均匀的。当UDS较大时，靠近D区的导电沟道变窄。32PNNGSDUDSUGS夹断后，即使UDS继续增加，ID仍呈恒流特性。IDUDS增加，UGD=VT时，靠近D端的沟道被夹断，称为予夹断。333、V-I特性曲线及大信号特性方程（1）转移特性曲线：0iDvGSVTFET是电压控制器件，iD=f(vGS)|vDS=常数34

转移特性曲线的斜率gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。gm

的量纲为mA/V，所以gm也称为跨导。跨导的定义式如下

gm=

ID/

VGS

VDS=const(单位mS)

ID=f(VGS)

VDS=const35（2）输出特性曲线iDvDS0vGS>0恒流区（饱和区）可变电阻区截止区预夹断临界点轨迹vDS=vGS-VT36

三个区：①截止区：vGS<VT：iD=0②可变电阻区：vDS≤vGS-VT：iD可近似表示为：③饱和区：vGS≥VT

且vDS≥vGS-VT：iD不随vDS变化。μn是反型层的电子迁移率，Cox

是栅极与衬底间氧化层单位面积电容。37N沟道耗尽型PNNGSD预埋了导电沟道

GSD5.1.2N沟道耗尽型MOSFET38特性曲线：

耗尽型的MOS管vGS=0时就有导电沟道，加反向电压才能夹断。转移特性曲线0iDvGSVPIDSS39输出特性曲线vGS=0vGS<0vGS>0饱和区可变电阻区截止区iDvDS0预夹断临界点轨迹vDS=vGS-VT40饱和区内：因为在vGS=0，且vDS≥vGS-VP时故在饱和区内：415.1.3P沟道MOSFETNPPGSDGSD一、P沟道增强型：42iD-vDS0vGS<00iDvGSVT43增强型MOS管特性比较绝缘栅场效应管N沟道增强型P沟道增强型44二、P沟道耗尽型NPPGSDGSD预埋了导电沟道45耗尽型MOSFET的特性比较绝缘栅场效应管

N沟道耗尽型P沟道耗尽型绝缘栅增强型N沟道P沟道绝缘栅耗尽型

N沟道P沟道475.1.4沟道长短调制效应

在理想情况下，当MOSFET饱和时，iD与vDS无关，而实际上，vDS对沟道长度L有调制作用，从而对iD时有影响。考虑了其影响，iD

的公式要修正为：481、夹断电压VP或开启电压VT：2、饱和漏极电流IDSS:3、直流输入电阻RGS（DC）：栅压除栅流5.1.5MOSFET的主要参数：一、直流参数：1、最大漏极电流IDM:2、最大耗散功率PDM:3、击穿电压：V（BR）DS、V（BR）GS二、交流参数：1、低频跨导gm:2、输出电阻rd:三、极限参数：详见p210表5.1.149§5.4砷化镓金属-半导体场效应管（略）用GaAs代替Si，器件转换速度快见p237表5.5.1使用时：1）一般D、S可以互换

2）谨防击穿与三极管比较：1）场效应管的D、G、S相当于C、B、E2）场效应管是电压控制器件，栅流基本为0。

3）场效应管利用多子导电，故受外界影响小。

4）场效应管的D、S可互换§5.5各种放大器件电路性能比较50双极型三极管与场效应三极管的比较双极型三极管场效应三极管结构与分类NPN型、PNP型结型N沟道P沟道绝缘栅增强型：N沟道P沟道耗尽型：N沟道P沟道使用C与E一般不可倒置使用D与S有的型号可倒置使用载流子多子扩散少子漂移多子漂移

输入量电流输入电压输入控制电流控制电流源电压控制电流源噪声较大较小温度特性受温度影响较大较小，且有零温度系数点输入电阻几十到几千欧姆几兆欧姆以上静电影响不受静电影响易受静电影响集成工艺不易大规模集成适宜大规模和超大规模集成51场效应三极管的型号场效应三极管的型号,现行有两种命名方法：其一是与双极型三极管相同，第三位字母J代表结型场效应管，O代表绝缘栅场效应管。第二位字母代表材料，D是P型硅，反型层是N沟道；C是N型硅P沟道。如：3DJ6D是结型N沟道场效应三极管，3DO6C是绝缘栅型N沟道场效应三极管。

第二种命名方法是CS××#，CS代表场效应管，××以数字代表型号的序号，#用字母代表同一型号中的不同规格。例如CS14A、CS45G等。52几种常用场效应三极管的主要参数531、直流偏置及静态工作点的计算：（1）自偏置电路：§5.2MOSFET放大电路5.2.1MOSFET放大电路：54IDSS是饱和漏电流IDSS是vGS=2VT时iDJFET:绝缘栅MOSFET:另外，由外电路有：解方程得到Q点电压、电流。优点：简单。缺点：Q点确定后，VGS,ID就确定了，R选择的范围很小。注意：增强型FET只有栅极电压先达到某个开启电压VT时才有漏极电流ID，这类管子不能用图示的自偏压电路55(2)分压式自偏压电路直流通道VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2)VGS=VG－VS=VG－IDRID=IDSS[1－(VGS/VP)]2VDS=VDD－ID(R+Rd

)

由此可以解出VGS、ID和VDS。56２、图解分析法：RdRLRg3Rg1Rg2vivO57iDvDS3.544.535426810123.32.72.11.50.9mAViDvDSttvGStuce与ui反相58各点波形uitvGStiDtvDStvot59低频模型高频模型3、小信号模型分析法：其中：rgs、rds都很大60①电压放大倍数：②输入电阻：

③输出电阻：例1：共源放大电路：小信号等效电路61小信号等效电路①电压放大倍数：②输入电阻：

③输出电阻：去掉CS会怎么样？62例2：共漏放大电路：(1)中频电压增益:(2)输入电阻:Rg2Rg1Rg3RRLVDDCb2Cb1vivoRg1Rg2Rg3RRL+vi-+vo-gdsgmvgs+vgs-RiRo63(3)输出电阻:Rg1Rg2Rg3RRL+vi-+vo-