5.场效应管放大电路

2)金属—氧化物—半导体场效应管MOSFETri1015一、普通晶体管：输入阻抗低ce

rbe

几百～几千∵是电流控制,be正偏,ri必然低。1)结型JFETri106～109

二、场效应管为提高ricc,自举,一M,(将Re折合到基极)5.

场效应管放大电路5．1金属－氧化物－半导体场效应管（MOSFET）JFET问题：直流输入电阻为PN结反向电阻，反偏时有反向电流，难以进一步提高。耗尽型(D)：绝缘层中的离子自己感应沟道。VP夹断电压，类似JFET但VGS可正、可负。（VGS=0，iD≠0）增强型(E)：外施栅压才感生沟道，VT开启电压（即VGS=0，

iD=0，VGS﹥0。才有iD）分为N沟道和P沟道，每种又分为增强型、耗尽型。MOSFET：工艺简单，集成度高，栅极绝缘。rgs更高，1015增强型N沟道MOSFET

(MetalOxideSemi—FET)1.结构与符号P型衬底(掺杂浓度低)N+N+用扩散的方法制作两个N区在硅片表面生一层薄SiO2绝缘层SD用金属铝引出源极S和漏极DG在绝缘层上喷金属铝引出栅极GB耗尽层S—源极SourceG—栅极Gate

D—漏极DrainSGDB5．1．1N沟道增强型MOSFET（2）VGS为正：栅和衬底P和绝缘体形成电场→使得P衬底靠近栅极空穴向P内部运动而留下负离子，少子电子向栅极运动，当VGS达一定值，在栅极附近P型硅表面形成N型薄层。（反型层）连接两个N+→导电沟道感生沟道（由VGS产生）

VGS越正，沟道越宽，电阻越小。开启电压VT，在漏源电压作用下开始导电时的VGS。解释如下：实际在VGS很小时，电场只在靠近栅极表面感应出很少的电子，和正离子结合，仍无导电沟道形成，必须使VGS﹥VT后，才形成感生沟道。2．

工作原理：栅源电压VGS→感生电荷—iD。（1）VGS=0，不论VDS极性,两个PN结总有一反偏iD=0当VGS﹥VT：VDS加在d+s-

由d到s电位梯度受反压不一样，沟道厚薄，靠s厚，靠d薄。VDS上升→iD↑VDS再上升，夹断iD饱和

DS间的电位差使沟道呈楔形，VDS

，靠近漏极端的沟道厚度变薄。预夹断：漏极附近反型层消失。预夹断发生之前：VDS

iD

。预夹断发生之后：VDS

iD不变。3.V-I特性曲线及大信号特性方程

输出特性及大信号特性方程

iD=f（VDS）∣VGS=C恒流区可变电阻区截止区①截止区vGS<VT，导电沟道未形成，iD=0②可变电阻区(线性区）vDS

≤vGS-VT其中：当vDS

很小：当vGS一定,原点附近输出电阻rdso；受vGS控制电导常数③饱和区（恒流区或放大区）当vGS≥VT,且vDS

≥vGS-VT时，进入饱和区，iD不随vDS

变化。将vDS

=vGS-VT代入有是VGS=2VT时的iD可从输出特性直接获取,方法为在输出特性曲线上,令VDS=某值,作一直线，与输出特性各交点取VGS。（2）.转移特性iD=f（vGS）∣vDS=C

图5.1.4求出或由开启电压耗尽型vGS=0时，导电沟道已存在，结构：二氧化硅中掺入大量正离子

vGS=0时也存在感应沟道。

vGS变负，漏电流变小。特点：vGS可正可负且无栅流。

5．1．2N沟道耗尽型MOSFET1.结构和工作原理增强型vGS﹥VT导电沟道2.V-A特性曲线及大信号特性方程

可变电阻区当vDS

很小：饱和区:预夹断点有vDS

=vGS-vP代入

vGS=0时5.1.3P沟道MOSFET增强型耗尽型SGDBSGDB5.1.4沟道长度调制效应当MOSFET工作在饱和区时，在某一vGS时，vDS增加，iD略增加，输出特性曲线略上翘。用沟道长度调制参数λ对对典型器件L长度单位：μm修正。

5.1.5MOSFET的主要参数一、直流参数2）

夹断电压VP：VGS=0，－VDS=VGD=VP

实测时让VDS=C（10V），iD

微小电流，VGS所加电压1）开启电压VT：MOS增强型参数，VDS=C（10V），

iD

微小电流时，VGS所加电压3）

饱和漏电流IDSS：VGS=0，VDS﹥∣VP∣时漏极电流（最大电流）通常VDS=10V，VGS=0时的iD，转移特性上VGS=0时的iD4）

直流输入电阻RGS

：漏源短路，栅源加电压时栅源直流电阻二、交流参数1）输出电阻rds:某一vGS时输出特性上某点切线斜率的倒数反映vDS对iD的影响，通常为几十～几百千欧2）低频互导（跨导）gm：gm=转移特性斜率，反映VGS对iD的控制能力.单位：西门子S三、极限参数3)最大漏源电压V（BR）DS:雪崩击穿，iD急剧上升时的VDSVGS愈负，V（BR）DS越小4)最大栅源电压V（BR）GS:栅源反向电流开始急剧增加时VGS值1)最大漏极电流IDM：正常工作时漏极电流的上限。2）最大耗散功率PDM：PDM=vDS

iD,

受管子最高工作温度限制。近似估算：单位：西门子S5.2MOSFET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(1)简单的共源极放大电路直流工作点：饱和区否则可变电阻区有：分压式直流偏置例5.2.1Rg1=60K，Rg2=40K，Rd=15K，VDD=5V，VT=1V,Kn=0.2mA/V2求：IDQ,VDSQ解：设工作在饱和区工作在饱和区①设工作在饱和区有VGSQ>VT,IDQ>0,②利用饱和区的电流-电压关系曲线分析电路③若VGSQ<VT,管子可能截止，若管子可能工作在可变电阻区。④若假设错误，作新假设，重新分析静态工作点的计算补：自偏压：栅极回路基本无电流（rgs很大）注意：增强型管Vgs必须达VT才有ID，因此不能使用该电路。（2）带源极电阻的NMOS共源极放大电路例5.2.2Rd=10K，VDD=5V，ID=0.5mA,VT=1V,Kn=500µA/V2,R=0.5K,-VSS=-5V若流过Rg1，Rg2电流是ID的1/10求：Rg1，Rg2。解:有

取标准电阻工作在饱和区2.图解分析输出的直流负载线vDS=VDD—iDRd令vi=0有vGS=VGSQ=VGGvDS=0iD=VDD/RdiD=0vDS=VDD固定偏压设交流负载线与直流负载线重合①输出的直流负载线VDS=VDD—ID（Rd+R）②转移特性：根据直流负载线与输出特性交点画出③源极负载线：

④在输出特性上找到VGSQ的曲线和直流负载线交点Q，VDSQ转移特性和源极负载线交点Q:IDSQ,VGSQ图解法：FET输出特性→直流负载线→交点→转移特性→源极负载线→交点Q得到VGSQ，IDQ，再根据VGSQ作出特性iD=（VDS）∣VGSQ与直流负载线交点VDS

固定偏压分压式直流偏置3.小信号模型分析iD=f（vGS，vDS）id=gmvgs+vdS/rds其中也可高频小信号模型反相放大器源极输出器Av≈1

5.3.结型场效应管（JunctiontypeFieldEffectTransistor)5.3.1JFET的结构和工作原理

1.

结构扩散的另一材料两边连在一起形成栅极g，形成两个PN结,两个耗尽层之间形成导电沟道。g—bs—ed—c本体P：扩散N+P沟道本体N：扩散P+N沟道本体材料两端：漏极d，源极S∣VP∣：夹断电压，漏、源间电阻趋于无穷时栅源电压（沟道封死时的VGS）1)VGS对iD的控制当VDS=0，∣VGS∣↑（变负），PN结反偏，耗尽层宽度↑，导电沟道宽度↓，沟道电阻↑。

2.

工作原理：利用PN结反向电压对耗尽层厚度控制,改变导电沟道宽窄,进而控制电流大小。讨论VGS对iD的控制作用以及VDS对iD的影响,以N沟道为例。由于PN结反偏，G、S间无电流，ri高当∣VGS∣=VP，沟道夹断。所以VGS控制沟道电阻.当VGS=0：VDS↑,iD↑当VDS到VP,

沟道预夹断，此时VGD=－VDS=VP

预夹断后，随VDS↑，夹断处场强↑，仍能将电子拉过夹断区形成漏极电流，iD趋于饱和③夹断前iD、VDS近似线性，夹断后，iD趋于饱和②电压控制器件，VGS控制iD①栅源之间PN结反偏，iG≈0，输入阻抗高结论：当VGS≠0：VGD=VGS－VDS=VP，在同样的VDS下，iD下降2）VDS对iD的影响VDS在沟道中产生电位梯度

VGS大小→耗尽层宽度→导电沟道宽度→iD大小

VDS小：iD上升5．3．2JFET的特性曲线及参数vGS<VP，iD=0VDS大：→电位梯度使导电沟道成楔型→iD上升受阻，预夹断后，iD趋于饱和Ⅲ饱和区(恒流区)(线性放大区)vDS大,电场将少量电子拉过夹断区Ⅱ可变电阻区(线性区）vDS=0或vDS小Ⅰ截止区(夹断区)三个区给定一vGS,改变vDS得到一iD曲线1．输出特性

iD=f（vDS）∣vGS=C

可从输出特性直接获取,方法为改变vGS得一族输出曲线,令VDS=某值,取各vGS

或iD=IDSS(1－)2IDSS：饱和漏电流2.转移特性iD=f（vGS）∣vDS=c图5.3.63.主要参数同MOS管4．P沟道JFETVDS为负，即d接负，s接正，假定iD方向流入d端，传输特性如图。5．3．3JFET放大电路的小信号模型分析法

1、

JFET的小信号模型2．应用小信号模型分析JFET放大电路Av，Ri，Ro1）共源放大器

无源极旁路电容C：Vo=－gmVgsrdRL’/(R+rd+R’L)Vi=Vgs+gmVgsrdR/(R+rd+R’L)由于rd＞＞R，且rd＞＞RL’所以Ri=[Rg3+（Rg1//Rg2）]//rgS≈Rg3+（Rg1+Rg2）≈Rg3由于Vgs=Vi所以Vo=－gmVgs（Rd//rd）

=－gmVi（Rd//rd）RO=Rd//rd≈Rd

当有源极旁路电容C：Ro≈RdRi≈Rg3源极旁路电容提高了AvAv=Vo/Vi=－gm（Rd//rd）≈－gmRd

P232例5.3.1Rg1=2M，Rg2=47K，Rg3=10MRd=30K，R=2K，VDD=18V，VP=—1V，IDSS=0．5mA,,确定Q点

iD=0．5mA（1+0．4—2iD）2VGS=(0.4－2iD)iD=（０．９５±０．６４）mA

ＶDSQ＝ＶDD－ID（Rd+R）=8．1VＶＧＳ＝ＶＧＳＱ＝０．４－2iD=—0．22V所以ｉD=IDQ=0．31mA由于ＩＤＳＳ＝0．5ｍＡ，iD不应大于IDSS

例1．Rg1=2M，Rg2=47K，Rg3=10M，Rd=30K，R=2K，VDD=18V，C=10µfgm=0．7mS，rd=200KRL=∞解：Rd//rd=26KAv=－gm（Rd//rd）=－0．7×26=－18Ri≈Rg3=10MRo=Rd//rd=26K5.4砷化镓金属-半导体场效应管砷化镓(CaAs)：镓(III族）+砷(V族)组成单晶化合物。特性类似硅，其最大差别为电子迁移率是硅的5-10倍。器件转换速度高。N沟道MESFET：耗尽型器件，所加电压同结型FET，vGS为负,夹断电压VP①截止区②可变电阻区(线性区）(vGS<VP)vGS<VT，导电沟道未形成，iD=0(vDS

≤vGS-VT)③饱和区（恒流区或放大区）(vDS

>vGS-VP时)

5．5．1各种FET特性比较使用注意事项

输出特性：VDS原则：保证PN结反偏（衬底和沟道性质相反，P衬底