模电第九章09场效应管电路

1、(1-1) 第第9 9章章 场效应管放大电路场效应管放大电路 (1-2)场效应管与双极型晶体管场效应管与双极型晶体管导电机理导电机理不同，它是完全不同，它是完全多子多子导电，输入阻抗高，导电，输入阻抗高，温度稳定性好。温度稳定性好。电信设备多利用其良好的电信设备多利用其良好的低噪声低噪声特特性，特别是高频低噪声前端。性，特别是高频低噪声前端。 9.1 场效应晶体管场效应晶体管结型场效应管结型场效应管JFET绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管MOS场效应管有两种场效应管有两种:Field Effect Transistor(1-3)N沟道沟道P沟道沟道增强型增强型耗尽型耗尽型N沟道沟道P沟道沟道N

2、沟道沟道P沟道沟道（耗尽型）（耗尽型）FET场效应管场效应管JFET结型结型MOSFET绝缘栅型绝缘栅型(IGFET)(1-4)N基底基底 ：N型半导体型半导体PP两边是两边是P区区G(栅极栅极)S源极源极D漏极漏极 9.1.1. JEFT的结构和工作原理的结构和工作原理 导电沟道导电沟道9.1 结型场效应管结型场效应管1.结构结构(1-5)NPPG(栅极栅极)S源极源极D漏极漏极N沟道结型场效应管沟道结型场效应管DGSDGS(1-6)PNNG(栅极栅极)S源极源极D漏极漏极P沟道结型场效应管沟道结型场效应管DGSDGS(1-7)PGSDUDSUGSNN 2 .工作原理（以工作原理（以P沟道为

3、例）沟道为例）NNPN结反偏，结反偏，UGS越大则耗越大则耗尽区越宽，导尽区越宽，导电沟道越窄。电沟道越窄。UDS较小时较小时(1-8)UDS较小时较小时PGSDUDSUGSNNNN但当但当UGS较小时，耗较小时，耗尽区宽度有限，存尽区宽度有限，存在导电沟道。在导电沟道。DS间间相当于线性电阻。相当于线性电阻。UGS越大耗尽区越越大耗尽区越宽，沟道越窄，宽，沟道越窄，电阻越大。电阻越大。(1-9)PGSDUDSUGSNNUDS较小时较小时UGS达到一定值时达到一定值时（夹断电压夹断电压VP）,耗尽区碰到一起，耗尽区碰到一起，DS间被夹断，漏极间被夹断，漏极电流是电流是ID=0。(1-10)PG

4、SDUDSUGSUGSVp且且UDS较大时较大时UGDVP时耗尽区的形状时耗尽区的形状NN越靠近漏端，越靠近漏端，PN结反压越大结反压越大(1-11)PGSDUDSUGSUGSVp且且UDS较大时较大时UGDVP时耗尽区的形状时耗尽区的形状NN沟道中仍是电沟道中仍是电阻特性，但是阻特性，但是非线性电阻。非线性电阻。(1-12)GSDUDSUGSUGSVpUGD=VP时时NN漏端的沟道被夹断，漏端的沟道被夹断，称为称为予夹断。予夹断。UDS增大则被夹增大则被夹断区向下延伸。断区向下延伸。(1-13)GSDUDSUGSUGS0时时UGS足够大时足够大时（UGSVT）感应出足够多感应出足够多电子，这

5、里以电子，这里以电子导电为主电子导电为主出现出现N型的导型的导电沟道。电沟道。感应出电子感应出电子VT称为阈值电压称为阈值电压(1-27)PNNGSDUDSUGSUGS较小时，较小时，导电沟道相当导电沟道相当于电阻将于电阻将D-S连接起来，连接起来，UGS越大此电越大此电阻越小。阻越小。(1-28)PNNGSDUDSUGS当当UDS不太大不太大时，导电沟道时，导电沟道在两个在两个N区间区间是均匀的。是均匀的。当当UDS较较大时，靠大时，靠近近D区的区的导电沟道导电沟道变窄。变窄。(1-29)PNNGSDUDSUGSUDS增加，增加，UGD=VT时，靠时，靠近近D端的沟道端的沟道被夹断，称为被夹

6、断，称为予夹断。予夹断。夹断后夹断后ID呈呈恒流特性。恒流特性。ID(1-30)4321051015UGS =5V6V4V3V2VID /mAUDS =10V增强型增强型 MOS 管的特性曲线管的特性曲线 0123饱和区饱和区击穿区击穿区可变电阻区可变电阻区246UGS / VUGs(th)输出特性输出特性转移特性转移特性 UDS / VID /mA 可变电阻区：可变电阻区：UGS不变，不变，ID与与UDS成正比，漏成正比，漏源之间相当于一个可变电阻。源之间相当于一个可变电阻。(1-31)4321051015UGS =5V6V4V3V2VID /mAUDS =10V增强型增强型 NMOS 管的

7、特性曲线管的特性曲线 0123饱和区饱和区击穿区击穿区可变电阻区可变电阻区246UGS / V3. 特性曲线特性曲线UGs(th)输出特性输出特性转移特性转移特性 UDS / VID /mA(1-32)4321051015UGS =5V6V4V3V2VID /mAUDS =10V增强型增强型 NMOS 管的特性曲线管的特性曲线 0123饱和区饱和区击穿区击穿区可变电阻区可变电阻区246UGS / V3. 特性曲线特性曲线UGs(th)输出特性输出特性转移特性转移特性 UDS / VID /mA击穿区：击穿区：UDS过大，过大，ID急剧增加。急剧增加。(1-33)4321051015UGS =5

8、V6V4V3V2VID /mAUDS =10V增强型增强型 NMOS 管的特性曲线管的特性曲线 0123饱和区饱和区击穿区击穿区可变电阻区可变电阻区246UGS / V3. 特性曲线特性曲线UGs(th)输出特性输出特性转移特性转移特性 UDS / VID /mA转移特性：转移特性： ID=f（ UGS ）| u=常数常数(1-34)（3） N沟道增强型沟道增强型MOS管的特性曲线管的特性曲线转移特性曲线转移特性曲线0IDUGSVT(1-35)耗尽型耗尽型N沟道沟道MOS管的特性曲线管的特性曲线耗尽型的耗尽型的MOS管管UGS=0时就有导电沟道，时就有导电沟道，加反向电压才能夹断。加反向电压才

9、能夹断。转移特性曲线转移特性曲线0IDUGSVT2)1 (pGSVVDDSDIi(1-36)输出特性曲线输出特性曲线UGS=0VU DS （V）ID（mA）01324UGS=+1VUGS=+2VUGS=-1VUGS=-2V夹断电压夹断电压UP=-2V固定一个固定一个U DS，画出，画出ID和和UGS的关系曲线，称为转移特性的关系曲线，称为转移特性曲线曲线9.3.1 9.3.1 场效应三极管的参数和型号场效应三极管的参数和型号(1) (1) 场效应三极管的参数场效应三极管的参数 开启电压开启电压V VGS(th) GS(th) ( (或或V VT T) ) 开启电压是开启电压是MOSMOS增强型

10、管的参数，栅源电压增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值小于开启电压的绝对值, , 场效应管不能导通场效应管不能导通。 夹断电压夹断电压V VGS(off) GS(off) ( (或或V VP P) ) 夹断电压是耗尽型夹断电压是耗尽型FETFET的参数，当的参数，当V VGSGS= =V VGS(off) GS(off) 时时, ,漏极电流为零。漏极电流为零。 饱和漏极电流饱和漏极电流IDSS 耗尽型场效应三极管耗尽型场效应三极管, , 当当V VGSGS=0=0时所对应的漏极时所对应的漏极电流。电流。(1-38) 输入电阻输入电阻R RGSGS 场效应三极管的栅源输入电阻的典型值场效

11、应三极管的栅源输入电阻的典型值，对于结型场效应三极管，反偏时对于结型场效应三极管，反偏时R RGSGS约大于约大于10107 7，对于绝缘栅型场效应三极管，对于绝缘栅型场效应三极管, , R RGSGS约约是是10109 910101515。 低频跨导gm 低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用，这一点与电子管的控制作用相似。gm可以在转 移特性曲线上求取，单位是mS(毫西门子)。 (1-39)跨导跨导gmUGS=0VU DS （V）ID（mA）01324UGS=+1VUGS=+2VUGS=-1VUGS=-2V= ID / UGS =（3-2）/（1-0）=1/1=1mA/V UGS ID(1

12、-41) 双极型三极管 场效应三极管噪声噪声 较大较大 较小较小温度特性温度特性 受温度影响较大受温度影响较大 较小，可有零温度系数点较小，可有零温度系数点输入电阻输入电阻 几十到几千欧姆几十到几千欧姆 几兆欧姆以上几兆欧姆以上静电影响静电影响 不受静电影响不受静电影响 易受静电影响易受静电影响集成工艺集成工艺 不易大规模集成不易大规模集成 适宜大规模和超大规模集成适宜大规模和超大规模集成(1-42) 各种类型各种类型MOS管的符号及特性对比管的符号及特性对比u 给出各种给出各种N沟道和沟道和P沟道场效应管的符号。沟道场效应管的符号。u 给出各种场效应管的转移特性和输出特性。给出各种场效应管的

13、转移特性和输出特性。各种管子的输出特性形状是一样的，只是控各种管子的输出特性形状是一样的，只是控制电压制电压UGS不同。不同。(1-43) 各种场效应管的符号对比各种场效应管的符号对比(1-44) 各种场效应管的符号对比各种场效应管的符号对比(1-45) 关于场效应管符号的说明：DGSBDGSBDGSBSGD表示衬底表示衬底在内部没在内部没有与源极有与源极连接连接。N沟道耗沟道耗尽型尽型MOS管。漏、管。漏、衬底和源衬底和源不断开表不断开表示零栅压示零栅压时沟道已时沟道已经连通。经连通。(1-46) 各种场效应管的转移特性对比各种场效应管的转移特性对比 转移特性转移特性(1-47)各种场效应管

14、的输出特性对比各种场效应管的输出特性对比输出特性输出特性 9.3.3 9.3.3 伏安特性曲线伏安特性曲线 场效应三极管的特性曲线类型比较多，场效应三极管的特性曲线类型比较多，根据导电沟道的不同，以及是增强型还是耗根据导电沟道的不同，以及是增强型还是耗尽型可有四种转移特性曲线和输出特性曲线，尽型可有四种转移特性曲线和输出特性曲线，其电压和电流方向也有所不同。如果按统一其电压和电流方向也有所不同。如果按统一规定正方向，特性曲线就要画在不同的象限。规定正方向，特性曲线就要画在不同的象限。为了便于绘制，将为了便于绘制，将P P沟道管子的正方向反过沟道管子的正方向反过来设定。有关曲线绘于图来设定。有关

15、曲线绘于图02.1802.18之中。之中。(1-49) 各类场效应三极管的特性曲线绝缘栅场效应管N沟道增强型P沟道增强型(1-50)绝缘栅场效应管 N沟道耗尽型P 沟道耗尽型(1-51)结型场效应管 N沟道耗尽型P沟道耗尽型(1-52) 9.3.4 场效应管与晶体管的比较场效应管与晶体管的比较1.晶体管是流控元件晶体管是流控元件,场效应管是压控元件场效应管是压控元件,栅极不栅极不取电流，但放大倍数较低。取电流，但放大倍数较低。2.场效应管是多子导电，单极型，温度稳定性好。场效应管是多子导电，单极型，温度稳定性好。3.场效应管噪声系数小。场效应管噪声系数小。4.场效应管漏、源极可以互换。场效应管

16、漏、源极可以互换。6.场效应管集成工艺简单，耗电省，工作电源电压场效应管集成工艺简单，耗电省，工作电源电压范围宽，应用更广泛。范围宽，应用更广泛。(1-53) 9.4 场效应管放大电路场效应管放大电路9.4.1 电路的组成原则及分析方法电路的组成原则及分析方法(1).静态：适当的静态工作点，使静态：适当的静态工作点，使FET工作在工作在恒流区，场效应管的偏置电路相对简单。恒流区，场效应管的偏置电路相对简单。 (2).动态动态: 能为交流信号提供通路。能为交流信号提供通路。组成原则组成原则静态分析：静态分析： 估算法、图解法。估算法、图解法。动态分析：动态分析：微变等效电路法。微变等效电路法。分

17、析方法分析方法(1-54)gsdgsudidsuSGDrDSgsugsmugdsu很大，可忽略。很大，可忽略。FET小信号模型小信号模型(1-55) 9.4.2 9.4.2 共源组态基本放大电路共源组态基本放大电路9.4.3 9.4.3 共漏组态基本放大电路共漏组态基本放大电路9.4.4 9.4.4 共栅组态基本放大电路共栅组态基本放大电路9.4.5 9.4.5 三种组态基本放大电路的比较三种组态基本放大电路的比较(1-56)9.4.2 9.4.2 共源组态基本放大电路共源组态基本放大电路 对于采用场效应三极管的共源基本放大对于采用场效应三极管的共源基本放大电路，可以与共射组态接法的基本放大电

18、路电路，可以与共射组态接法的基本放大电路相对应，只不过场效应三极管是电压控制电相对应，只不过场效应三极管是电压控制电流源，即流源，即VCCS。共源组态的基本放大电路。共源组态的基本放大电路 (a)采用结型场效应管(b)采用绝缘栅场效应管 共源组态接法基本放大电路共源组态接法基本放大电路 比较共源和共射放大电路，它们只是在偏置比较共源和共射放大电路，它们只是在偏置电路和受控源的类型上有所不同。只要将微变电路和受控源的类型上有所不同。只要将微变等效电路画出，就是一个解电路的问题了。等效电路画出，就是一个解电路的问题了。(1-57)(1)(1)直流分析直流分析 将共源基本放大电路的直流通道画出将共源

19、基本放大电路的直流通道画出, ,如图所示。如图所示。 共源基本放大共源基本放大 电路的直流通道电路的直流通道 图中Rg1、Rg2是栅极偏置电阻，Rs是源极电阻，Rd是漏极负载电阻。与共射基本放大电路的Rb1、Rb2，Re和Rc分别一一对应。而且只要结型场效应管栅源间PN结是反偏工作，无栅流，那么JFET和MOSFET的直流通道和交流通道是一样的。 据图据图 可写出下列方程可写出下列方程 VG= VGSQ= VGVS= VGIDQR IDQ= IDSS1(VGSQ /VGS(off)2 VDSQ= VDDIDQ(Rd+R) 于是可以解出于是可以解出VGSQ、IDQ和和VDSQ。2g1gDD2gR

20、RVR (1-58) (b) 微变等效电路微变等效电路(2)(2)交流分析交流分析画出图画出图 a电路的微变等效电路，如图电路的微变等效电路，如图b 所示。所示。 与双极型三极管相比，输入电阻无穷大，相当与双极型三极管相比，输入电阻无穷大，相当开路。开路。VCCS的电流源的电流源 还并联了一个输出电阻还并联了一个输出电阻rds，在双极型三极管的简化模型中，因输出电阻很，在双极型三极管的简化模型中，因输出电阻很大视为开路，在此可暂时保留。其它部分与双极型大视为开路，在此可暂时保留。其它部分与双极型三极管放大电路情况一样。三极管放大电路情况一样。gsmVg(a)(1-59)电压放大倍数电压放大倍数

21、 如果有信号源内阻如果有信号源内阻RS时时 =gmRLRi / (Ri +RS) 式中式中Ri是放大电路的输入电阻。是放大电路的输入电阻。LddsLLmgsLddsgsmvLddsgsmoR/R/rRRgV)R/R/r (VgA)R/R/r (VgV vA输入电阻输入电阻 g2g1.i.iiR/RIVR (1-60)输出电阻输出电阻 为计算放大电路的输出电阻，可按双口网络为计算放大电路的输出电阻，可按双口网络计算原则将放大电路画成下图的形式。计算原则将放大电路画成下图的形式。 计算计算Ro的电路模型的电路模型 将负载电阻将负载电阻RL开路，并想象在输出端加开路，并想象在输出端加一个电源一个电源

22、 , 将输入电压信号源短路，但保将输入电压信号源短路，但保留内阻。然后计算留内阻。然后计算 ，于是，于是 ddsoooR/rI/V=R (1-61)交流参数归纳如下交流参数归纳如下电压放大倍数电压放大倍数LmiovRgVVA ddsdoooRr/R IVR 输出电阻输出电阻输入电阻输入电阻 Ri=Rg1/Rg2 或或 Ri=Rg+(Rg1/Rg2) (1-62) 例例: 静态分析和动态分析静态分析和动态分析 求求 UDS和和 ID。+UDD+20VuoRSuiCSC2C1R1RDRGR2RL150K50K1M10K10KGDS10K(1-63)设：设：UGUGS则：则：UG US而：而：IG=

23、0所以：所以：V5URRRUDD212G mA5 . 0RURUISGSSD V10)RR(IUUDSDDDDS +UDD+20VuoRSuiCSC2C1R1RDRGR2RL150K50K1M10K10KGDS10K(1-64) 动态分析：动态分析：UgsUiUgsgmUoIdrirogsiUU )R/R(UgULDgsmo LmuRgA sgR2R1RGRL dRLRD(1-65)21GiR/RRr m0375.1ro=RD=10KsgR2R1RGRL dRLRD(1-66)9.4.3 9.4.3 共漏组态基本放大电路共漏组态基本放大电路共漏组态基本放大电路如图共漏组态基本放大电路如图03.

24、3203.32所示所示图 32 共漏组态放大电路 图33 直流通道其直流工作状态和动态分析如下。其直流工作状态和动态分析如下。(1)(1)直流分析直流分析 将共漏组态基本放大电路的直流通道画将共漏组态基本放大电路的直流通道画于图于图 3333之中，于是有之中，于是有 VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2) VGSQ= VGVS= VGIDQR IDQ= IDSS1(VGSQ /VGS(off)2 VDSQ= VDDIDQR由此可以解出由此可以解出VGSQ、IDQ和和VDSQ。(1-67)LmLmLdsgsmgsLdsgsmio1)/()/(RgRgRRrVgVRRrVgVVAv(2)(2)交流

25、分析交流分析 将图将图(a)(a)的的CD放大电路的微变等效电路放大电路的微变等效电路画出，如图画出，如图(b)(b)所示。所示。(b) 共漏放大电路的微变等效电路电压放大倍数电压放大倍数。式中LLdsL/RRRRrR vA为正，表示输入与输出同相，当 gmRL1 时，vA1。比较共源和共漏组态放大电路的电压放大倍比较共源和共漏组态放大电路的电压放大倍数公式，分子都是数公式，分子都是gmRL，分母对共源放大电，分母对共源放大电路是路是1，对共漏放大电路是，对共漏放大电路是(1+ gmRL)。输入电阻输入电阻)R/R(RRg2g1gi (a)(1-68) 输出电阻输出电阻 计算输出电阻的原则与其它组态相同，计算输出电阻的原则与其它组态相同，将图将图34改画为图改画为图35。 求输出电阻的微变等效电路求输出电阻的微变等效电路mmmdsdsmdsooogsomdsogsmdsoog1/RRg1Rg)r/R(1r/R)g/1/(r/R IVRVV,)g/1/(r/RVVg)r/R(V I (1-69)交流参数归纳如下交流参数归纳如下电压放大倍数电压放大倍数LmLmi