第三章场效应晶体管及其放大电路

1、第三章 场效应晶体管及其放大电路一、教学要求知识点教学要求学分掌握理解了解场效应管场效应管的结构与类型V场效应管的工作原理V场效应管的伏安特性及主要参数V场效应管的微变等效电路V场效应管放大电路的静态分析V场效应官放大电路场效应管放大电路的动态分析V场效应管三种基本放大电路V二、重点和难点 本章的重点是： 场效应管（JFET、MOSFE）的伏安特性、主要参数，放大电路的组成及主要动态指标的微变等效电路分析法。本章的难点是：场效应管的工作原理及伏安特性。三、教学内容3.1场效应管1. 场效应管的结构与类型PN结，器场效应管是一种半导体器件，与第二章介绍的晶体管类似，器件内部也有两个 件外部也有三

2、个电极（源极 S、栅极g和漏极d）。场效应管按照结构和控制电场的形式，有结型和绝缘栅型两大类型。结型的栅极与硅材料直接接触，控制电场是PN结的内电场；绝缘栅型的栅极与硅材料之间隔有绝缘层（SiO2）,不直接接触，控制电场是外电压产生的表面电场。场效应管按照工作方式，有耗尽型和增强型之分。耗尽型：在外加电压为零时， 管内有固定的导电沟道，随外加电压的绝对值增大，导电沟道逐渐消失（耗尽）；增强型：在外加电 压为零时，管内没有导电沟道，当外加电压的绝对值增大到一定程度后，导电沟道逐渐形成（增强）。场效应管按照导电沟道的掺杂类型，有N沟道和P沟道。两者的外加电压极性相反。结型CJFET）C属于耗恳型）

3、7；P宙道场效应官（FET耗尽型N沟道 P沟道绝缘栅型CMOSFET）*N沟道 P沟道2. 场效应管的工作原理学习场效应管的工作原理时应正确理解以下几个概念：a）控制漏极电流的基本原理场效应管的导电沟道是一个可变电阻，外加电压改变导电沟道的几何尺寸，以改变导电沟道电阻的大小，从而达到控制漏极电流的目的。b）外加电压对导电沟道的影响当漏源电压等于零时， 栅源电压变化，导电沟道处处宽度相等； 当漏源电压不等于零时，导电沟道呈楔状，靠近漏极处沟道较窄。C）夹断电压和开启电压对耗尽型管，当栅源电压的绝对值增大到某一数值时，导电沟道就消失一一称为夹断,把这一状态时的栅源电压称为夹断电压OS（ofi）。N

4、沟道GS（off） 0, P沟道 %國0。对增强型管，当栅源电压的绝对值增大到某一数值时，导电沟道就出现一一称为开启,把这一状态时的栅源电压称为开启电压讯阻）。N沟道 %恤）0，P沟道 %恤）0。d）预夹断和全夹断预夹断当定，讯增大到一定大小时，漏极端的沟道开始夹断。全夹断一一导电沟道从源极端到漏极端全部夹断，漏极电流为零。 e）预夹断前后的导电情况当栅源极之间电压不% 数值增大，夹断预夹断前，漏源极之间电压变化，漏极电流随之变化，类似电阻。 同时，漏源极之间的等效电阻不同，称为可变电阻区”。预夹断后，漏源极之间电压变化，漏极电流近似等于常数。因为区由漏极向源极延伸，沟道电阻增大，使ds数值的

5、增加为沟道压降的增加抵消，漏极电流基本不变，称为 恒流区”。但是，对应于不同的 関，漏极电流的恒值不同。也就是说,%对漏极电流有控制作用，所以又称为放大区”。3. 场效应管的特性各种不同类型场效应管的特性如表3.1所列。表3.1各种场效应管的特性P沟進増强型MOS耗尽型MOSJFET増强型M8托呈型MOSJFET或+导谨条件C A CEfoiGS U SsSWGS U如+工作在阻区的条件r/ps r/g -r/pw 1CE放大器四、典型例题场效应管的基本概念例3-1例3-2场效应管放大电路分析例3-5例3-6gm rds 11 RL1 + gm rds 11 RL小于1，同相放大器IdsII丄

6、止丄gm gm，较小决定于甩，A1CC放大器例3-3 例3-4例3-7a： gm Rl （条件.rds）RL ）大，同相放大器R L + rds1 + gmRL（条件:r dsrds，最大A %（则管子工作在放大区。(3)因为do =氓-% h 1 - （-3） = 4V 4 %（画管子工作在可变电阻区。【例3-2】测得某放大电路中三个 MOS管的三个电极的电位及其开启电压如表1所示。试分析各管的工作状态(截止区、恒流区、可变电阻区 )，并填入表内。表1管号Ugs（th） NUs/VUg/VUd/V工作状态Ti4513T243310T3 4605【相关知识】场效应管的伏安特性。【解题思路】根据

7、管子工作在不同区域的特点，判断管子的工作状态。MOS管。判断管子的工作状态【解题过程】因为三只管子均有开启电压，所以它们均为增强型“GD 冃“G NGS（k）l，heS M% 一蚣 sstth） 时，管子处于恒流区;gd Hg “d 卜Igs地)1,时，管子处于可变电阻区;hos 一她 N GS(th)，管子处于截止区。由此可判断出它们各自的工作状态如表2所示。表2管号Ugs (th) NUs/VUg/VUd/V工作状态T14513恒流区T243310截止区T34605 1可变电阻区【例3-3】 两个场效应管的转移特性曲线分别如图（a）、（b）所示，分别确定这两个场效应管的类型，并求其主要参数

8、（开启电压或夹断电压，低频跨导）。测试时电流iD的参考方向(b)【相关知识（1）（2）【解题思路为从漏极D到源极S。】场效应管的转移特性。 场效应管的电参数。】根据场效应管的转移特性确定其开启电压或夹断电压，及在某一工作点处的跨导。【解题过程】（a）图曲线所示的是 P沟道增强型 MOS管的转移特性曲线。其开启电压Ugs（th）=2V , Idq= -1mA在工作点（Ugs= 5V , Id = 2.25mA ）处，跨导鋅輕=_1.5讯如f)4V, d4mA在工作点(Ugs=- 2V , Id = 1mA)处，跨导凸r/【例3-4】电路如图(a)所示，管子T的输出特性曲线如图(b)所示。(1)

9、场效应管的开启电压 Ugs(th)和Ido各为多少？(2) Ui为0 V、8 V两种情况下Uo分别为多少？(3) Ui为10 V时在可变电阻区内g - s间等效电阻rDS为多少？【相关知识】场效应管的主要参数，场效应管的工作状态。【解题思路】(1) 从图(b)中读出场效应管的主要参数Ugs(th)和Ido。(2) 列输出回路方程，用作图法确定Ui为不同电压值时Uo的值。(3) 求解对应Ugs= 10 V的输出特性曲线的可变电阻区的等效电阻。【解题过程】(1)从图(b)可知 Ugs (th) = 4 V , Ido 为 Ugs= 2 Ugs (th) = 8 V 时的 Id，为 1 mA。DD

10、-(2)当 Ugs= ui = 0 V 时，管子处于夹断状态，因而 iD = 0。UO= UDS=VDD - iD Rd= VDD15 V。当Ugs= Ui = 8 V时，从输出特性曲线可知，管子工作在恒流区时的iD= 1 mA , 所以Uo = Uds= Vdd - iD Rd=( 15- 1X12) V = 3 VUgd = Ug - Ud =( 8 - 3) V Ugs (th)，故管子工作在可变电阻区。此时g - s间等效为一个电阻rDS,与Rd分压得到输出电压。从输出特性中，在Ugs= 8V的曲线的可变电阻区内取一点，读出坐标值，如(2, 0.5),可得等效电阻张=字讯(A)kQ二

11、4kG所以输出电压4坯二；a乔扩叩SVDS(3)在Ugs= 10 V的曲线的可变电阻区内取一点，读出坐标值，如(3, 1)，可得等效电阻与UGS= 8V的等效电阻相比，在可变电阻区，UGS增大，等效电阻rDS减小，体现出UGS对DS的控制作用。图(b)用d13 kQ7缶PI5V)(a)fro/mAl210 V【例3-5】电路如图示。其中傀=1MQ，去D = 3kQ , &二IkQ，耳二30V，场效应管的输出特性如图(b)所示。试求电路的静态工作点kQ、dQ和仍Q之值。图(b)图(a)【相关知识】结型场效应管及其外特性，自给偏压电路，放大电路的直流通路、解析法、图解法。【解题思路】根据放大电路的

12、直流通路，利用解析法或图解法可求得电路的静态工作点。【解题过程】由场效应管的输出特性可知管子的仏=7mA，%画8V由式4q = 2,9mA叫乱+即“84Y与双极型晶体管放大电路类似，分析场效应管放大电路的静态工作点，也有两种方法, 解析法和图解法【另一种解法】(1)在输出特性曲线上，根据输出回路直流负载线方程=昨5 址(& +Rd)作直流负载线 MN，如图(d)所示。MN与不同SS的输出特性曲线有不同的交点。点应该在MN上。/mAh6f -4 |-2 0 叱JV 014仝 2a76/p/mA-2V-4V=6V常0$20 30iVy/v图(c)图(d)(2)由交点对应的D、GS值在 i出 坐标上

13、作曲线，称为控制特性，如图(c)所示。(3)在控制特性上，根据输入回路直流负载线方程代入鸟ikQ，可作出输入回路直流负载线。该负载线过原点，其斜率为控制特性曲线的交点站为静态工作点。由此可得 如=3血 %qSU(4)根据血，在输出回路直流负载线上可求得工作点必，再由Q)点可得%Q - 17V。【例3-6】有一个场效应管放大电路如图(a)所示，已知Idss= 4mA、Ugs= 2V、Up= UGs(off)=-4V、VDD = 20V。试求：(1) 静态漏极电流Idq ；(2) Rs1和Rs2最大值；Ro7(3) 中频电压放大倍数；(4) 输入电阻和输出电阻。Ro卜GI3 +I跖耳图(a)【相关

14、知识】场效应管放大电路的静态、动态分析。【解题思路(1)(2)(3)【解题过程(1)】根据放大电路的直流通路确定其静态工作点。根据放大电路工作于线性区的条件去确定 Rsi和Rs2的最大值。 根据放大电路的交流通路确定其电压放大倍数、输入电阻和输出电阻。】根据电路图场效应三极管的符号，是N沟道结型场效应管，采用自给偏压电路(耗尽型结型场效应 三极管)。由公式妇论1-紗Up可以求出lD=1mA(2)电路采用自偏压所以，解出Rsi = 2kQRs2越大，Uds越小，大到一定程度，就不能保证工作在线性区(场效应管特性曲线相当 双极型三极管的 放大区”称为饱和区，相当双极型三极管的饱和区”称为可变电阻区

15、)。进入饱和区的条件是漏端电压达到夹断电压以上，即卩GD二卩OS _ % 3 %阈二-2 + 4 = 2V岭D =人 +陰+&J+UDSni妬沁=0M)-耳湎)仏卜Rd - &1 = 6kQ(3)要求电压放大倍数，应先求跨导2D /I gSRnRu图(b)-0+4=-= -1.11+弘(知+坨(4)求输入电阻和输出电阻4尺住1 -1 + 1皿(斶 + 甩1)1 +1)(2 +6)上式在变换过程中，使用了 卢番+弘4區1 +血)这一关系，略去了 li在Rs2上的压降。= lOkGgm注：对于增强型场效应管，跨导由增强型场效应管的转移特性曲线方程式求导得到-0 = / A詁DQestth)GS(t

16、h)【例3-7】现有基本放大电路:A.共射电路D.共源电路B.共集电路C.共基电路E.共漏电路输入电阻为Ri,电压放大倍数的数值为|九|,输出电阻为Roo根据要求选择合适电路组成两级放大电路。(1)要求Ri为1 k Q3 k Q, |Ai| 104，第一级应采用,第二级应米用(2)要求 Ri大于10 MQ , |41|为500左右，第一级应采用,第二级应米用(3)要求Ri约为150 k Q, |九|约为100,第一级应采用,第二级应采用(4)要求|A1|约为10, Ri大于10MQ , Ro小于100 Q,第一级应采用，第二级应采用I m(5)设信号源为内阻很大的电压源,要求将输入电流转换成输

17、出电压，且|l4ii冃，第二级应米用1000, Ro小于100 Q,第一级应采用【相关知识】晶体管及场效应管放大电路三种接法的性能特点，单级放大电路组成多级放大电路后 动态参数的相互影响。【解题思路】(1)通常，实用的(非原理性)基本放大电路动态参数的数量级如下表所示，仅供参 考，有些情况也可能超出此范围。表 实用基本放大电路动态参数的数量级(空载情况下)基本接法|A|ARiRo共射 1003 (几十至几百)几百欧至几千欧几百欧至十几千欧共基 100a( 1)最小可达十几欧几百欧至十几千欧共集 11 + 3 (几十至几百)几十千欧至100千欧以上最小可达十几欧共源几至十几1兆欧以上几百欧至十几千欧共漏 104,第二级也应采用 共射放大电路。同样具有较强的电压放大能力，为什么第二级不能选用共基放大电路呢？因为共基放 大电路的输入电阻很小， 使第一级的电压放大倍数变得很小，甚至完全不能放大， 所以若采用共基电路，则不能满足电压放大倍数的要求。(2)由于Ri大于10MO，第一级应采用场效应管放大电路，若采用共漏放大电路，只第二级电路具有电压放大能力， 则难于实现|儿|为500左右，故第一级应采用共源放大电路， 第二级应米用共射放大电路(3)由于Ri约为应采用共射放大电路。(4)由于Ri大于二级应采用共集放大电路;150 k0,第一级应采用共集放大电路；由于|儿|约为100,第二级10