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4 场效应管放大电路 场效应晶体管简称 FET (Field Effect Transistor)，是一种电压控制器件，能够以输入电压控制输出电流；与双极晶体管场相比，效应管的输入输出电阻要高得多，而且几乎不索取输入电流。按照结构，场效应晶体管可分为结型和MOS两大类。 4.1 结型场效应晶体管 结型场效应管简称JFET (Junction FET)，其结构如下,2. 结型场效应管的工作原理 结型场效应管中的导电沟道由杂质半导体构成，导通时电阻较小。对于N沟道结型场效应管，工作时常常在栅极和源极之间施加负电压（ vGS 0），这样一方面使得结型场效应管具有很高的输入电阻，另一方面又加强了栅极与沟道之间的耗尽层。当栅极电压较小时，导电沟道的电阻随负栅压的增长而变化。,当栅极电压 vGS 达到一定阈值时，导电沟道被扩大的耗尽层夹断，称此时的栅极电压为夹断电压VP。夹断后的场效应管源极和漏极表现出很大的电阻，对漏极加有的电压表现出恒流特性；夹断后的漏极电流主要由栅压 vGS 确定。,时结型场效应管中的电压控制作用表现为栅源电压 vGS 对漏极电流 iD 的控制；因此在场效应晶体管在放大电路中就是把输入的电压信号送入栅极，控制漏极电流并在漏极电阻上产生放大的电压信号。,除了栅压 vGS 对漏极电流的控制作用，漏极到源极的电压 vDS 也会对漏极电流 iD 产生影响，这是因为漏源电压 vDS 随导电沟道的分布会使栅极相对于沟道的电位也产生分布，当漏源电压改变时栅极对沟道的电位分布也相应改变，从而影响漏极电流。,当栅源电压固定时（比如 vGS = 0），随着漏极电压的加大，漏极电流逐渐增长；但沟道中各点电压也逐渐变大，而栅极相对沟道的电压也逐渐减小，且以漏极附近的电压差最小，而漏极附近的导电沟道最窄。,随着漏源电压的增长，漏极附近的导电沟道逐渐缩小直至出现夹断，称为预夹断；在夹断点处，有：,出现夹断后，漏极电流到达饱和而呈现恒流特性，此后漏极电压的增加会使夹断区加大，但漏源电压主要降落在夹断区，夹断区内的电场变化不大，因此漏极电流基本不变。当漏极电压增加到一定程度会导致结型场效应管击穿。,4.1.2 JFET的特性曲线及参数 1. 输出特性。JFET的输出特性定义为栅源电压取固定值时漏极电流与漏源电压的关系,结型场效应管的输出特性分为三个区域，分别称为可变电阻区，恒流区和击穿区。恒流区是场效应管出现夹断时所处的区域，此时的漏极电流主要由栅源电压决定，即表现出栅源电压对漏极电流的控制作用；恒流区也称为饱和区或放大区。,2. 转移特性。 结型场效应管的转移特性定义为当漏源电压取固定值时漏极电流与栅源电压的关系：,转移特性直接反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。当栅源电压处于范围 VP vGS 0 时，转移特性可近似表示为,其中 IDSS 是特定漏源电压下的饱和漏电流。当漏源电压较大时，转移特性曲线基本重合，因此可以近似以一条典型特性曲线来分析JFET的转移特性。,3. 结型场效应管的主要参数 （1）夹断电压 VP （2）饱和漏极电流 IDSS ：当栅源电压 vGS = 0时的漏极电流 （3）最大漏源电压V(BR)DS （4）最大栅源电压V(BR)GS （5）直流输入电阻 RGS （6）低频互导 gm：也称为跨导，定义为漏极电流对栅源电压的偏微商：,跨导反映了栅源电压对漏极电流的控制强度；跨导可以从转移特性曲线求出，它等于工作点处曲线的斜率，也可以按照模型从定义式算出。,（7）输出电阻 rd ：定义为漏源电压对漏极电流的偏微商,（8）最大耗散功率PDM,4.3 MOS场效应管 MOS管全称金属-氧化物-半导体场效应管（Metal-Oxide Semiconductor FET）；MOS管的栅极完全绝缘，输入电阻比结型管更高，也称为绝缘栅场效应管（Insulated Gate FET）。MOS管可分为增强型和耗尽型。 4.3.1 N沟道增强型MOSFET,对于增强型MOS管，当正向的栅源电压大于开启电压（vGS VT），会在 P 型衬底表面形成一层 N 型的导电沟道将源漏贯通，称为反型层。此时源漏之间施加电压则可以出现漏极电流。,当漏源电压较低时，反型层的形状随漏源电压而变化，沟道电阻也随之改变，漏极电流迅速增加；当漏极电压达到一定电压时（vGD = vGS vDS VT），在漏极附近的沟道开始出现夹断，这时的漏极电流开始表现出恒流特性，即不再随漏源电压的增长而增长，而主要受栅源电压的控制；这正是放大时所利用的特性。,增强型MOS管的输出特性和转移特性,在恒流区，MOS管的漏极电流可以近似地表示为,4.3.2 N沟道耗尽型MOSFET 在MOS管中的氧化物绝缘层中掺入正离子杂质，使得栅源电压为零时仍然存在导电沟道，这种类型的MOS管就是耗尽型的MOS管；工作时其栅源电压可以是负电压。,4.4 场效应管放大电路 4.4.1 直流偏置电路及静态分析 1. 自偏压电路：在源极到地之间增加一个源极电阻，其通过电流产生压降而抬高源极电位，从而形成负的偏置电压。,由图可知,图中FET的静态工作点可用图解法求出，也可以解以下联立方程：,2. 分压式偏置电路：除了采用源极电阻外，栅极电压由电阻分压取得。对于N沟道增强型MOS管，可以采用这种电路以获得正的偏置电压。,对于图中的FET，其静态点可以图解得到，也可以联立方程：,4.4.2 场效应管放大电路的小信号模型分析 场效应管的等效电路如下,2. 放大电路分析 对于下图中的共源极放大电路，作出其等效电路,其输入和输出电压分别为：,因此电压增益为：,由于场效应管的输入电阻和输出电阻都相当大，因此共源极放大电路中的输入、输出电阻主要由偏置电阻和漏极