场效应管及其放大电路课件

场效应管放大电路引言场效应管按结构分为结型场效应管（JFET)和金属-氧化物-半导体场效应管(MOSFET)两类。

4.1结型场效应管

4.1.1JFET(结型场效应管)的结构和工作原1.结构如图4.1.1和图4.1.2所示,在一块N型硅半导体两侧制作两个P型区域,形成两个PN结,把两个P型区相连后引出一个电极,称为栅极,用字母G(或g)表示。源极s和漏极d。dsgd漏极g栅极PPN耗尽层s源极(a)(b)

图4.1.1N沟道(JFET)结型场效应管结构与符号图(a)结构;(b)N沟道结型场效应管符号;d漏极g栅极NNP耗尽层s源极dsg(a)(b)

图4.1.2P沟道(JFET)结型场效应管结构与符号图(a)结构;(b)P沟道结型场效应

2.工作原理(1)vGS对ID的控制作用:夹断电压vDS对ID的影响:

(1）UGS对导电沟道的影响当UGS＝０时，场效应管两侧的PN结均处于零偏置，形成两个耗尽层,如图4.1.3（ａ）所示。此时耗尽层最薄，导电沟道最宽，沟道电阻最小。当|UGS|值增大时，栅源之间反偏电压增大，PN结的耗尽层增宽，如图4.1.3（b）所示。导致导电沟道变窄，沟道电阻增大。

当|UGS|值增大到使两侧耗尽层相遇时，导电沟道全部夹断，如图4.1.3（c）所示。沟道电阻趋于无穷大。对应的栅源电压UGS称为场效应管的夹断电压，用VP来表示。

图4.1.3VDS=0时，栅源电压UGS对导电沟道的影响（a）导电沟道最宽;（b）导电沟道变窄;（c）导电沟道夹断N沟道DGSNDGSUGGPPP(b)DGSUGG耗尽层(a)(c)PPP

2）UDS对导电沟道的影响

设栅源电压UGS=0,当UDS=0时，ID=0，沟道均匀，如图4.14所示。当UDS增加时，漏极电流ID从零开始增加，ID流过导电沟道时，沿着沟道产生电压降，使沟道各点电位不再相等，沟道不再均匀。靠近源极端的耗尽层最窄，沟道最宽;靠近漏极端的电位最高，且与栅极电位差最大，因而耗尽层最宽，沟道最窄。由图4.14可知，UDS的主要作用是形成漏极电流ID。dgSUDDiDPPuDS＋－＋－－NRd图4.1.4改变VDS时N沟道结型场效应管工作原理(b)图4.1.4uDS对耗尽层的影响S＋－DVDDGiD(c)AS＋－DGiD(d)ANVDD图4.1.4附加

UGG≠0时uDS对耗尽层的影响

S＋－VGGDVDDG－＋mAiD(a)aS＋－VGGDG－＋mAiD(b)aaVDDUDS和UGS对沟道电阻和漏极电流的影响设在漏源间加有电压UDS，当UGS变化时，沟道中的电流ID将随沟道电阻的变化而变化。当UGS=0时，沟道电阻最小，电流ID最大。当|UGS|值增大时，耗尽层变宽，沟道变窄，沟道电阻变大，电流ID减小，直至沟道被耗尽层夹断，ID=0。

当0<UGS<UP时，沟道电流ID在零和最大值之间变化。改变栅源电压UGS的大小，能引起管内耗尽层宽度的变化，从而控制了漏极电流ID的大小。场效应管和普通三极管一样，可以看作是受控的电流源，但它是一种电压控制的电流源。结论:JFET栅极、沟道之间的PN结是反偏的，因此，其IG≈0，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4.1.2．JFET的特性曲线及参数

场效应管的特性曲线分为转移特性曲线和输出特性曲线。

1.输出特性

输出特性是指栅源电压uGS一定,漏极电流ID与漏极电压uDS之间的关系,即图4.1.5(b)JFET输出特性曲线01234524681012141618iD/mAuDS/V夹断区可变电阻区－4V－3V－2V－1V击穿区恒流区(放大区)uGS＝0V

图4.1.5N沟道(JFET)结型场效应管输出特性曲线如图4.1.5所示,三个区域的特点:

在UP≤uGS≤0的范围内,漏极电流ID与栅极电压uGS的关系为2)1(UPuIiGSDSSD-=常数==ufDSuiGSD)(2.转移特性在uDS一定时,漏极电流ID与栅源电压uGS之间的关系称为转移特性。即1.00.80.60.40.20－0.2－0.4－0.6－0.8uDS=10VuGS/ViD/mAIDSSUp图4.1.6N沟道(JFET)结型场效应管转移特性曲线(a)图4.1.6N沟道结型场效应管的转移特性曲线(b)15VuGS/V00.10.20.30.4－0.5－1.0－1.5－2.0－2.50.510VuDS＝20ViD/mA1V2V5V3.主要参数

1）夹断电压Up

2）饱和漏极电流IDSS

3）最大漏源电压U（BR）DS4)最大栅源电压U（BR）GS

5）直流输入电阻RGS

6)低频跨导gm

7)输出电阻

8)最大耗散功率常数==uDSdudigGSDm4.3金属-氧化物-半导体场效应管分类:P沟道、N沟道;

增强型:VGS=0时,没有导电沟道,即ID=0.

耗尽型:VGS=0时,存在导电沟道,即ID≠0.

4.3.1N沟道增强型MOSFET

1.结构:

如图4.3.1所示:注意符号中的箭头和虚实线的区别.

图4.3.1N沟道增强型MOSFET结构及符号

图4.3.1N沟道MOS管结构及符号图

(a)纵剖面图;(b)N沟道增强型符号;(c)P沟道增强型符号gdsgds(d)(e)（d）N沟道耗尽型符号;（e）P沟道耗尽型符号dN＋N＋P型硅衬底sgUGGUDDiD

图4.3.2N沟道增强型MOS管工作原理2.工作原理NN＋＋＋＋＋＋＋SD耗尽层N沟道P铝电极gUGGUDD

3.特性曲线

N沟道增强型绝缘栅场效应管的输出特性曲线如图4.3.3(a)所示。

N沟道增强型绝缘栅场效应管的转移特性曲线如图4.3.3(b）所示。在uGS≥UT时,ID与uGS的关系可用下式表示:

2)1(-=UuIiTGSDOD

其中ID0是uGS=2UT时的ID值。

(4.3.1)/V(a)(b)01234i5V4V3V24681012141618

4321iD

/mA02468uGS

/VuDS＝10VUT＝3V图4.3.3N沟道增强型场效应管(MOSFET)特性曲线（a）输出特性;（b）转移特性iD

/mAuDS

/V4.3.2.N沟道耗尽型MOSFET

图4.3.4为N沟道耗尽型场效应管的结构图。其结构与增强型场效应管的结构相似,不同的是这种管子在制造时,就在二氧化硅绝缘层中掺入了大量的正离子。在uGS≥UT时,iD与uGS的关系可用下式表示:u2T)1(UIiGSDSSD-=sgdN＋N＋P型硅衬底衬底引线＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋

图4.3.4N沟道耗尽型MOS管结构

N沟道耗尽型场效应管特性曲线（a）转移特性;（b）输出特性

－5－4－3－2－1024681012uDS=常数uGS/ViD/mAUTIDSS0246810121416－2V－1V－3VuGS=2V1V24681012uDS/V(a)(b)iD/mA0V4.3.3各种场效应管特性比较及注意事项1.各种场效应管特性比较表4.3.1表4.3.1各种类型的场效应管的特性表4.3.1各种类型的场效应管的特性2.使用注意事项

（1）有些场效应晶体管将衬底引出,故有4个管脚,这种管子漏极与源极可互换使用。（2)

源极和漏极的互换（3）使用场效应管时各极必须加正确的工作电压。

(4)焊接时,须注意.4.4场效应管放大电路

与三极管一样,根据输入、输出回路公共端选择不同,将场效应管放大电路分成共源、共漏和共栅三种组态。本节主要介绍常用的共源和共漏两种放大电路。

4.4.1FET的直流偏置电路及静态分析1.直流偏置电路自偏压电路;

如图4.4.1(a)分压式自偏压电路;

如图4.4.1(b)Rd＋Cb2＋UDD－uo＋Rs＋CsRg＋Cb1＋－ui如图4.4.1FET的偏压电路

(a)自偏压电路;

Rd＋Cb2＋UDD－uo＋Rs＋CsRg1Rg3Rg2＋Cb1＋－ui

Rg1，Rg2：栅极

分压电阻使栅极获

得合适的工作电压

栅极电阻：用来

提高输入电阻

图4.4.1FET偏压电路

(b)分压式自偏压电路2.静态工作点的确定u2P)1(UIiGSDSSD-=RIUDGS-=RIURRRUUUDDDgggSGGS-+=-=212(4.4.2)(4.4.1)例4.4.14.4.2FET放大电路的小信号模型分析法FET的小信号模型图4.4.2所示

dg＋－udsidsdsg＋－udsidsgmugs＋－ugs＋ugs－

图4.4.2场效应管微变等效电路gsr2.应用小信号模型法分析FET放大电路图4.4.3所示的共源电路

(1)中频电压增益

(2)输入电阻

(3)输出电阻图4.4.3场效应管共源放大电路

(a)电路图Rd＋Cb2＋UDD－uo＋RsRg1Rg3Rg2＋Cb1＋－ui

Rg1，Rg2：栅极

分压电阻使栅极获

得合适的工作电压

栅极电阻：用来

提高输入电阻Rg1Rg2Rg3ri＋－ui＋ugs－ggmugsrdRd＋－uorods

图4.4.3共源放大电路的微变等效电路（b)小信号等效电路R

图4.4.3源极具有电阻的电路

(ａ)电路;(b)等效电路;(c)变换电路;(d)求Ro电路

（1）电压放大倍数:(4.4.5)（2）输入电阻:

)//(213RRRRgggi+≈(4.4.6)

（3）输出电阻:

RRdo≈(4.4.7)例:4.4.2共漏放大电路

共漏放大电路又称源极输出器。电路如图4.4.4所示。由图4.4.4(b)可得:gRRRRRRRgRguuAuRguuuRUgiumsogggiLmLmiougsLmogsiLgsmo1//)//(1)1(321''''=+=+==+=+==(4.4.8)(4.4.10)(4.4.9)Ui＋－RGR＋－UgsRL＋－