模拟电子技术基础：第4章 场效应管放大电路

第4章场效应管放大电路电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础本章主要内容场效应管的分类；结型场效应管（JFET）和金属－氧化物－半导体场效应管（MOSFET）的结构、工作原理、输出特性曲线和转移特性曲线，以及各参数；场效应管放大电路的结构及分析方法；场效应管的特点（主要与BJT相比较而言）电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础第4章场效应管放大电路场效应管【FET——FieldEffectTransistor】双极型三极管场效应管BJTFET电流控制的元件(iB→iC)电压控制的元件(vGS→iD)两种载流子（电子和空穴）同时参与导电——故称双极型三极管只有一种载流子（多子电子）参与导电——故也称单极型三极管对照两种形式的三极管：电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础功耗低集成度高（单位面积上容纳的门电路数量远大于双极型三极管）输入阻抗大（107～1012

）热稳定性好（与环境温度关系不大）抗干扰能力强缺点：速度低。FET的特点：体积小，重量轻，价格低，寿命长；电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础FET的分类：根据结构不同，可分为：结型场效应管（JFET——JunctiontypeFieldEffectTransistor）金属－氧化物－半导体场效应管（MOSFET——MetalOxide-SemiconductortypeFieldEffectTransistor）N沟道P沟道P沟道N沟道N沟道P沟道增强型耗尽型电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础5.1金属－氧化物－半导体场效应管返回MOSFETP沟道N沟道N沟道P沟道增强型耗尽型分类：所谓“增强型”：指vGS=0时，没有导电沟道，即iD=0，而必须依靠栅源电压vGS的作用，才形成感生沟道的FET，称为增强型FET。所谓“耗尽型”：指vGS=0时，也会存在导电沟道，iD≠0的FET，称为耗尽型FET。电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础符号：一.N沟道增强型MOSFET结构SiO2绝缘层铝电极半导体电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础工作原理①栅源电压vGS的控制作用

当vGS=0V时：N+PN+sdB任意极性sdBiD=0电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础当vGS＞0V时→认为金属极板（铝）与P型衬底间构成一个平板电容

现假设vDS=0V，在s、g间加一电压vGS＞0V+-→形成由栅极指向P型衬底的纵向电场→将靠近栅极下方的空穴向下排斥→形成耗尽层。电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础现假设vDS=0V，在s、g间加一电压vGS＞0V当vGS增大时→耗尽层增宽，并且该大电场会把衬底的自由电子吸引到耗尽层与绝缘层之间，形成一N型薄层，构成漏-源之间的导电沟道，称为反型层（也称感生沟道）。vGS↑→反型层越厚→沟道电阻↓→两个N+区被感生沟道连在一起∵vDS=0

∴iD≡0电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础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。关于“开启电压”的定义电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础②漏源电压vDS对漏极电流id的控制作用假设vGS＞VT且为一固定值时，并在漏－源之间加上正电压vDS:(b)外加vDS较小时vDS<vGS-VT，即vGD=vGS-vDS>VT(a)vDS=0时，iD=0电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础假设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=0②漏源电压vDS对漏极电流id的控制作用电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础（c）当vDS增加到使vGD=VT时，沟道靠漏区夹断，称为预夹断。②漏源电压vDS对漏极电流id的控制作用电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础（c）当vDS增加到使vGD=VT时，沟道靠漏区夹断，称为预夹断。（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漏源电压vDS对漏极电流id的控制作用电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础总结N沟道增强型MOSFET的工作原理：电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础②转移特性①输出特性VT夹断区2VT特性曲线ID0为当vGS=2VT时的iD值电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础二.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。符号电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础当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：电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础5.2结型场效应管(JFET)一.结构N沟道结型场效应管符号：栅极【Gate】漏极【Drain】源极【Source】NP+P+电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础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+电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础以N沟道JFET为例：二.工作原理栅极漏极源极NP+P+------------------------++++++++++++++++++++++++耗尽层电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础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。电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础当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以上电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础vGSvDS+-dgs+-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当N沟道JFET工作时，需：电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础栅源电压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：电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础在栅源间加负电压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。电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础在栅源间加负电压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。电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础对于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。

注意电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础可以归纳，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电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础vDS对iD的影响这里要讨论的关系是：

电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础在漏源间加电压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。电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础在漏源间加电压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，呈楔形分布电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础在漏源间加电压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。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电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础预夹断前，

vDS↑→iD↑预夹断后，

vDS↑→iD几乎不变在漏源间加电压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↑，预夹断点下移电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础总结工作情况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↑↑电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础(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导电沟道的变化电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础综上分析可知：（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。电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础uGS=0VuGS=-1V三.JFET的特性曲线及参数输出特性曲线电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础恒流区的特点：△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）④击穿区可变电阻区恒流区截止区击穿区分四个区：电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础转移特性曲线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电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础通过实验可以得到iD的经验公式：VP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。电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础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)电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础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)电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础vivo5.3场效应管放大电路一.FET的直流偏置电路及静态分析自偏压电路ID

由来：源极电阻在vGS=0时，耗尽型FET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。源极旁路电容电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础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：联立求解电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础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？∵Rg3＝10MΩ≈∞又∵Rg1<<Rg2，则VA<<VDD∴Ig3≈0，可认为在Rg3上没有压降，故Vg≈VA电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础可解出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联立电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础二.FET的小信号模型分析法FET的低频小信号模型＋-vGSiD＋-vDSJFET低频小信号等效模型简化后的实用模型电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础应用小信号模型法分析FET放大电路（1）共源放大电路电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础①画出共源放大电路的交流小信号等效电路②求电压放大倍数③求输入电阻④求输出电阻则动态分析：【步骤与BJT放大电路相同】电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础②电压放大倍数③输入电阻①画小信号等效电路（2）共漏放大电路电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础