第5章场效应管放大电路new

1、5.1 金属金属-氧化物氧化物-半导体（半导体（MOS）场效应管）场效应管5.3 结型场效应管（结型场效应管（JFET）*5.4 砷化镓金属砷化镓金属-半导体场效应管半导体场效应管5.5 各种放大器件电路性能比较各种放大器件电路性能比较5.2 MOSFET放大电路放大电路5 场效应管放大器场效应管是电压控制器件。场效应管是电压控制器件。它具有输入阻抗高，噪声低的优点。它具有输入阻抗高，噪声低的优点。 本章是本课程的难点，但不是本课程的重点。本章是本课程的难点，但不是本课程的重点。 由于学时数少，又因为场效应管放大电路与由于学时数少，又因为场效应管放大电路与三极管放大电路有许多相同之处，所以，本

2、章学三极管放大电路有许多相同之处，所以，本章学习采用对比学习法，即将场效应管与三极管放大习采用对比学习法，即将场效应管与三极管放大电路比较，了解相同点，掌握不同点。电路比较，了解相同点，掌握不同点。第5章 场效应管放大器 1.了解FET的工作原理，熟悉其特性曲线 2.掌握Q点、AV、Ri、Ro计算 3.掌握基本概念 沟道，夹断，预夹断，自偏压，增强，耗尽等等。本章要求本章要求5 场效应管放大器三极管特点三极管特点电流控制器件（基极电流控制晶体管导电能力）电流控制器件（基极电流控制晶体管导电能力）输入阻抗不高输入阻抗不高双极型器件（两种载流子：多子少子参与导电）双极型器件（两种载流子：多子少子参

3、与导电）噪声高噪声高场效应管特点场效应管特点电压控制器件（用电压产生电场来控制材料电压控制器件（用电压产生电场来控制材料的导电能力）故称为的导电能力）故称为Field Effect Transistor输入阻抗极高输入阻抗极高单极型器件（一种载流子：多子参与导电）单极型器件（一种载流子：多子参与导电）噪声小噪声小缺点速度慢（缺点速度慢（有寄生电容效应）有寄生电容效应）5 场效应管放大器FET分类分类结型场效应管结型场效应管JFET（按导电类型）（按导电类型）P沟道沟道N沟道沟道绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管耗尽型耗尽型MOSFET(按工作方式按工作方式)增强型增强型P沟道沟道N沟道沟道P沟道

4、沟道N沟道沟道本章只介本章只介绍这两种绍这两种N沟道沟道JFET结构结构横截面示意图横截面示意图sgdP+NP+ SiO2保护层保护层5.1.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理5.3 结型场效应管（JFET）1.结构结构5.3 结型场效应管（JFET）5.1.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理1.结构结构一块一块N型半导体材料型半导体材料在两边各扩散一个高杂质浓度的在两边各扩散一个高杂质浓度的P+ 区区形成两个不对称的形成两个不对称的PN结，即耗尽层结，即耗尽层分别在分别在P+ 区上制作金属电极区上制作金属电极把两个金属电极并联在一起，引出一把两个金属电极并联在一起，引出一

5、个电极个电极g(gate)，称为栅极，称为栅极在在N型半导体的两端制作金属电极型半导体的两端制作金属电极各引出一个电极，分别称为源极各引出一个电极，分别称为源极s (source)和漏极和漏极d(drain)dP+P+NgsPN结结耗尽层耗尽层PN结结耗尽层耗尽层5.3 结型场效应管（JFET）5.1.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理1.结构结构把两个把两个PN结中间的结中间的N型区称为导型区称为导电沟道，这种结构的电沟道，这种结构的JFET我们称我们称为为N沟沟JFETdP+P+NgsPN结结耗尽层耗尽层PN结结耗尽层耗尽层N沟沟JFET符号符号dgsN沟沟JFET符号中箭头的方

6、向，符号中箭头的方向，表示栅表示栅PN结正偏时栅电流的方向结正偏时栅电流的方向5.3 结型场效应管（JFET）5.1.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理1.结构结构同理，同理，若用若用P衬底，扩散高衬底，扩散高浓度浓度N+，得到，得到 P沟沟JFETdN+N+PgsPN结结耗尽层耗尽层PN结结耗尽层耗尽层P沟沟JFET符号符号dgsP沟沟JFET符号中箭头的方向，符号中箭头的方向，表示栅表示栅PN结正偏时栅电流的方向结正偏时栅电流的方向5.3 结型场效应管（JFET）5.1.1 JFET的结构和工作原理的结构和工作原理2.工作原理工作原理N沟沟JFET与与 P沟沟JFET虽然结构不同

7、，虽然结构不同，但工作原理相同，下面以但工作原理相同，下面以N沟沟JFET讨讨论论JFET的工作原理。的工作原理。dP+P+Ngs实质上是讨论实质上是讨论栅源电压栅源电压vGS对漏极电流对漏极电流iD的的控制作用，控制作用，以及漏极电压以及漏极电压vDS对漏极电流对漏极电流iD的影响。的影响。Di v vGSGS对导电沟道的控制作用对导电沟道的控制作用当当vGS0时时 当沟道夹断时当沟道夹断时,沟道电阻沟道电阻无穷无穷大。此时大。此时对应的栅源电压对应的栅源电压vGS称为称为夹断电压夹断电压vp 。对于对于N N沟道的沟道的JFETJFET， vp vGS 0。PNPN结反偏结反偏耗尽层加厚耗

8、尽层加厚沟道变窄沟道变窄 vGS继续减小，沟道继续变窄继续减小，沟道继续变窄，沟道电阻沟道电阻继续继续变大变大I ID D继续变小继续变小DP+P+NGSVDSIDVGS 当当v vGSGS=0=0时，时，沟道最宽沟道最宽，沟道电阻最小，沟道电阻最小，在在v vDSDS的作用下的作用下N N沟道内的电子定向运动形成沟道内的电子定向运动形成漏极电流漏极电流I ID D, ,此时最大。此时最大。沟道电阻变大沟道电阻变大 I ID D变小变小2 2、结型、结型场效应管（场效应管（JFET)JFET)的工作原理的工作原理 正常工作时，在正常工作时，在反偏反偏条件下，条件下，N N沟道管加沟道管加负栅源

9、电压负栅源电压， P P沟道管加沟道管加正栅源电压正栅源电压，否则将会出现栅流。，否则将会出现栅流。加入加入v vGSGS使使沟道沟道变窄，该类型效应管称为耗尽型变窄，该类型效应管称为耗尽型所以栅源电压所以栅源电压vGS可以有效可以有效地控制沟道电阻的大小。地控制沟道电阻的大小。 (2)(2)漏源电压漏源电压v vDSDS对对i iD D的影响的影响 随随vDS增大，这种不均匀性越明显。增大，这种不均匀性越明显。当当vDS增加到使增加到使vGD=vGS-vDS =vp 时，在时，在紧靠漏极处出现预夹断点。紧靠漏极处出现预夹断点。 当当vDS继续增加时，预夹断区向源极方向伸长继续增加时，预夹断区

10、向源极方向伸长。电阻电阻增增大，把大，把vDS增加不能使漏极增加不能使漏极电流电流 iD也增大，也增大，漏极电流漏极电流 iD 趋于饱和（恒流）趋于饱和（恒流）。在栅源间加在栅源间加v vGSGS( (Vp0.0. 由于由于漏源间有一电位梯度漏源间有一电位梯度v vDSDS漏端耗尽层所受的反偏电压为漏端耗尽层所受的反偏电压为vGD=vGS- -vDS源端耗尽层所受的反偏电压为源端耗尽层所受的反偏电压为vGD=vGS 使靠近漏端的耗尽层比源端厚，使靠近漏端的耗尽层比源端厚，沟道比源端窄，故沟道比源端窄，故vDS对沟道的影对沟道的影响是不均匀的，使沟道呈楔形，响是不均匀的，使沟道呈楔形，对对iD有

11、阻碍作用，有阻碍作用， vDS较小时沟道较小时沟道靠近靠近D区仍较宽，区仍较宽，阻碍作用小，阻碍作用小， iD 与与vDS 近似呈线性关系。近似呈线性关系。v vGSGS和和v vDSDS同时作用时同时作用时当当vpvGS0 时，时，导电沟道更容易夹断，导电沟道更容易夹断， 对于同样的对于同样的vDS ， ID的值的值比比vGS=0时的值要小。时的值要小。在预夹断处在预夹断处vGD=vGS- -vDS =v p2 2、结型、结型场效应管（场效应管（JFET)JFET)的工作原理的工作原理DP+P+NGSVDSIDVGS在预夹断前在预夹断前vGD=vGS- -vDS v p综上分析可知综上分析可

12、知 沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电，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。所以场效应管也称为单极型三极管。 JFETJFET是电压控制电流器件，是电压控制电流器件，i iD D受受v vGSGS控制控制 预夹断前预夹断前i iD D与与v vDSDS呈近似线性关系；预夹断后，呈近似线性关系；预夹断后， i iD D趋于饱和。趋于饱和。 JFET JFET栅极与沟道间的栅极与沟道间的PNPN结是反向偏置的，因结是反向偏置的，因 此此i iG G 0 0，输入电阻很高。，输入电阻很高。 JFETJFET是利用是利用PNPN结反向电压对耗尽层厚度的控制，来

13、结反向电压对耗尽层厚度的控制，来改变导电沟道的宽窄，从而控制漏极电流的大小。改变导电沟道的宽窄，从而控制漏极电流的大小。5.1 结型场效应管（JFET）由于场效应管的输入电流由于场效应管的输入电流iG 0，讨论其输入特性没有意义，讨论其输入特性没有意义，故场效应管的伏安特性用故场效应管的伏安特性用输出特性输出特性和和转移特性转移特性描述。描述。5.1.2 JFET的特性曲线的特性曲线GSvDSvGiDi+输出特性输出特性 CvDSDGS)|f(vi 转移特性转移特性 CvSDS)|f(vi DG输出特性和转移特性表述的是同一个物理特性输出特性和转移特性表述的是同一个物理特性 1)输出特性输出特

14、性24061020PGSVvmA/DiV0GSvV5 . 0 VDS/vPGSDSVvvV5 . 1 V0 . 1 V0 . 2 可变电阻区可变电阻区放大区放大区截止区截止区5.1 结型场效应管（JFET）CvDSDGS)|f(vi(1) 可变电阻区可变电阻区图中黄线预夹断轨迹的左侧图中黄线预夹断轨迹的左侧 各区的特点：各区的特点：24061020PGSVvmA/DiV0GSvV5 . 0 VDS/vPGSDSVvvV5 . 1 V0 . 1 V0 . 2 可变电阻区可变电阻区5.1 结型场效应管（JFET）特点特点: : (1)(1)当当VGS 为定值时为定值时, 管子的漏源间管子的漏源间呈

15、线性电阻，且其阻值受呈线性电阻，且其阻值受 VGS 控制控制 。 |vGS|越小，沟道越宽，沟道电阻越小，曲线斜越小，沟道越宽，沟道电阻越小，曲线斜率越大。率越大。 （2）管压降管压降VDS 很小。很小。条件：条件：源端与漏端沟道都不夹断源端与漏端沟道都不夹断0 GSPVVVVVVPDSGSGD (2) 放大区放大区放大区也称为饱和区、恒流区。放大区也称为饱和区、恒流区。图中黄线预夹断轨迹的右侧图中黄线预夹断轨迹的右侧 (2) (2) 受控性：受控性：i iD D只受只受v vGSGS的控制。的控制。24061020PGSVvmA/DiV0GSvV5 . 0 VDS/vV5 . 1 V0 .

16、1 V0 . 2 放大区放大区5.1 结型场效应管（JFET）条件条件: (1)源端沟道未夹断源端沟道未夹断(2)漏端沟道夹断漏端沟道夹断0 VVGSPVVVVPDSGSGD 用途用途: 可做可做放大器放大器和和恒流源恒流源。 21PGSDSSDVVIi 特点特点:(1) 恒流性：恒流性：曲线近似为曲线近似为一组平行于横轴的直线，一组平行于横轴的直线，输出输出电流电流 iD 基本上不受输出电压基本上不受输出电压 VDS 的影响。的影响。a. vGSVP (3) 截止区截止区b.沟道完全夹断沟道完全夹断c. iD0，场效应管截止，场效应管截止24061020PGSVvmA/DiV0GSvV5 .

17、 0 VDS/vPGSDSVvvV5 . 1 V0 . 1 V0 . 2 截止区截止区5.1 结型场效应管（JFET）2)转移特性转移特性表示场效应管的表示场效应管的vGS对对iD的控制特性。的控制特性。定义定义转移特性曲线可由输出特性曲线得到转移特性曲线可由输出特性曲线得到CVSGDSD)|f(vi 5.1 结型场效应管（JFET） （1）对于不同的对于不同的vDS，所对应的转移特性曲线不同。所对应的转移特性曲线不同。曲线特点：曲线特点：（2）当管子工作于恒流区时，转移特性曲线基本重合。当管子工作于恒流区时，转移特性曲线基本重合。0GS3vGS1vPvDiGSv0GS2v10VDS/vDiV

18、0GSvGS1vGS2vGS3vGS4v5.1 结型场效应管（JFET）2PGSDSSD1)Vv(Ii（3）电流方程与饱和漏极电流）电流方程与饱和漏极电流IDSS或称为零偏漏极电流或称为零偏漏极电流PDSGSV0DDSSVvviIDSSIGS4v5.1.3 结型场效应管的主要参数结型场效应管的主要参数 (1) 夹断电压夹断电压VP (2)饱和漏极电流饱和漏极电流I IDSS （也称为零偏漏极电流）（也称为零偏漏极电流）)(I)(VvVA50V10GSPDDS测试值测试值常数常数0DDSSGSPDSV)V(ViI常数常数5.1 结型场效应管（JFET）(3) 跨导跨导gm 也称为互导。其定义为：

19、也称为互导。其定义为： 常数常数DSGSDmddVvig当管子工作在放大区时，由于当管子工作在放大区时，由于求解管子的跨导求解管子的跨导2PGSDSSD1)Vv(IiGSDmddvig)Vv(Idvd2PGSDSSGS1DQDSSP2IIV可见，可见，gm与与IDQ有关。有关。IDQ越大，越大，gm也就越大也就越大5.1.3 结型场效应管的主要参数结型场效应管的主要参数 (5) 直流输入电阻直流输入电阻RGS (4)输出电阻输出电阻rd (6) 最大漏源电压最大漏源电压V(BR)DSJFET发生击穿时对应的漏源电发生击穿时对应的漏源电压称为压称为V(BR)DS最大漏源电压。最大漏源电压。 )(

20、V)(VIVRV10V0GGSGSGSDS常数常数常数常数5.1 结型场效应管（JFET）(7) 最大栅源电压最大栅源电压V(BR)GSCVDDSdGSivr 当栅源电压增大，栅极与沟道的当栅源电压增大，栅极与沟道的PN结反向击穿，栅极电流结反向击穿，栅极电流急剧上升时的栅源电压称为急剧上升时的栅源电压称为V(BR)GS最大栅源电压。最大栅源电压。5.1.3 结型场效应管的主要参数结型场效应管的主要参数 JFET的极限参数，当漏极功耗超过最大漏极功耗的极限参数，当漏极功耗超过最大漏极功耗PDM时，时，管子发热，温度过高导致器件损坏。管子发热，温度过高导致器件损坏。(8) 最大漏极功耗最大漏极功

21、耗PDM5.1 结型场效应管（JFET）(9) 极间电容极间电容栅源电容栅源电容Cgs栅漏电容栅漏电容Cgd漏源电容漏源电容Cds例例 在图示电路中，已知场效应管的在图示电路中，已知场效应管的 ；问在下；问在下列三种情况下，管子分别工作在那个区？列三种情况下，管子分别工作在那个区？VVP5 V4,V3DSGS vv（b）V1,V3DSGS vv（c）4V ,8VDSGS vv（a）5.1 结型场效应管（JFET）GDSGRDDVDiDSvGSvDSvGiGGV DRSi解（解（a）因为）因为vGS0较小时，则栅极和较小时，则栅极和衬底之间的衬底之间的SiO2绝缘层中绝缘层中便产生一个电场。其电

22、场便产生一个电场。其电场方向垂直于半导体表面，方向垂直于半导体表面，由栅极指向衬底的电场。由栅极指向衬底的电场。由于由于v vGSGS数值较小，吸引电数值较小，吸引电子的能力不强时，漏源极子的能力不强时，漏源极之间仍无导电沟道出现，之间仍无导电沟道出现，管子仍不能导通，处于截管子仍不能导通，处于截止状态，止状态，i iD D00。 。 在电场的作用下空穴被排在电场的作用下空穴被排斥而电子被吸引。使栅极斥而电子被吸引。使栅极附近的附近的P型衬底中剩下不能型衬底中剩下不能移动的受主离子移动的受主离子(负离子负离子)，形成耗尽层。形成耗尽层。电场排斥空穴电场排斥空穴形成耗尽层形成耗尽层iDPN+SG

23、DN+5.2 绝缘栅型场效应管（MOSFET） 5.2.2 N沟道增强型沟道增强型MOSFET的工作原理的工作原理GSvDSv+(1) vGS对沟道的控制作用对沟道的控制作用, vDS=0当当vGSVT时，电场增强时，电场增强将将P衬底的电子吸引到表衬底的电子吸引到表面，这些电子在栅极附面，这些电子在栅极附近的近的P衬底表面便形成一衬底表面便形成一个个N型薄层，称为型薄层，称为反型层反型层形成导电沟道形成导电沟道出现反型层出现反型层且与两个且与两个N+区相连通，区相连通，在漏源极间形成在漏源极间形成N型导电型导电沟道沟道。iD把把开始形成反型层的开始形成反型层的V VGSGS值值称为该管的称为

24、该管的开启开启电压电压V VT T5.2 绝缘栅型场效应管（MOSFET） 5.2.2 N沟道增强型沟道增强型MOSFET的工作原理的工作原理(1) vGS对沟道的控制作用对沟道的控制作用, vDS=0vGS越大，作用于半导越大，作用于半导体表面的电场就越强，体表面的电场就越强，吸引到吸引到P衬底表面的电衬底表面的电子就越多，导电沟道子就越多，导电沟道越厚，沟道电阻越小。越厚，沟道电阻越小。PN+SGDN+GSvDSv+导电沟道增厚导电沟道增厚沟道电阻减小沟道电阻减小iD5.2 绝缘栅型场效应管（MOSFET） 5.2.2 N沟道增强型沟道增强型MOSFET的工作原理的工作原理(1) vGS对

25、沟道的控制作用对沟道的控制作用, vDS=0综上所述：综上所述：N沟道沟道MOS管在管在vGSVT时，时，不能形成导电沟道，管子不能形成导电沟道，管子处于截止状态。处于截止状态。这种必须在这种必须在vGSVT时才能时才能形成导电沟道的形成导电沟道的MOS管称管称为为增强型增强型MOS管管。只有当只有当vGSVT时，方能形时，方能形成沟道。成沟道。PN+SGDN+GSvDSv+沟道形成以后，在漏沟道形成以后，在漏-源极源极间加上正向电压间加上正向电压vDS，就有，就有漏极电流漏极电流iD产生产生,管子开启。管子开启。 iD V VGSGS值越大，沟道内自由电子越多，沟道电阻越小，在同样值越大，沟

26、道内自由电子越多，沟道电阻越小，在同样 V VDSDS 电压作用下，电压作用下，i iD D 越大。这样，越大。这样，就实现了输入电压就实现了输入电压 V VGS GS 对输出电流对输出电流 i iD D 的控制的控制。5.2 绝缘栅型场效应管（MOSFET） 5.2.2 N沟道增强型沟道增强型MOSFET的工作原理的工作原理(2) vDS对对iD的影响的影响当当vGSVT且为一确定且为一确定值时，漏值时，漏-源电压源电压vDS对对导电沟道及电流导电沟道及电流iD的影的影响与结型场效应管相响与结型场效应管相似。似。PN+SGDN+GSvDSv+当在漏源之间施加正当在漏源之间施加正向电压向电压v

27、DS0，且且v vDSDS较较小时，小时，则源区的自由则源区的自由电子将沿着沟道漂移电子将沿着沟道漂移到漏区，到漏区，将产生漏极将产生漏极电流电流iD。iDiD(2) vDS对对iD的影响，的影响，PN+SGDN+GSvDSv+随着随着v vDSDS 增大增大，使得栅，使得栅极与沟道间的电压分极与沟道间的电压分布不均匀布不均匀。靠近源极靠近源极一端的电压最大、一端的电压最大、为为V VGSGS ，由此感生的沟道，由此感生的沟道最最厚，厚，离开源极端，离开源极端，越向漏极端靠近，则越向漏极端靠近，则栅栅沟间的电压线性沟间的电压线性下降，由它们感生的下降，由它们感生的沟道越来越浅；沟道越来越浅；到

28、漏到漏极一端电压最小，其极一端电压最小，其值为值为V VGDGD=v=vGSGSv vDSDS，因而，因而沟道最薄。沟道最薄。iDiDvGSVT为定值为定值沿沟道有电位梯度沿沟道有电位梯度vDS可见，在可见，在V VDSDS作用下导电沟道的深度是不作用下导电沟道的深度是不均匀的，沟道呈均匀的，沟道呈楔形楔形分布。分布。5.2 绝缘栅型场效应管（MOSFET） 5.2.2 N沟道增强型沟道增强型MOSFET的工作原理的工作原理(2) vDS对对iD的影响的影响随着随着vDS的增大，靠近的增大，靠近漏极的沟道越来越薄。漏极的沟道越来越薄。当当vDS增加到使增加到使VGD=vGSvDS=VT时，时，

29、沟道在漏极一端出现沟道在漏极一端出现预夹断。预夹断。 vGSVT为定值为定值PN+SGDN+GSvDSv+iDiD在预夹断处：在预夹断处：vGDGD= =vGSGS- -vDSDS = =V VT TP5.2 绝缘栅型场效应管（MOSFET） 5.2.2 N沟道增强型沟道增强型MOSFET的工作原理的工作原理(2) vDS对对iD的影响的影响再继续增大再继续增大vDS，vGSvDSVT为定值为定值N+SGDN+GSvDSv+iDiD管子进入饱和区管子进入饱和区iD达到最大值达到最大值由于由于v vDSDS的增加部分几乎的增加部分几乎全部降落在夹断区，故全部降落在夹断区，故i iD D几乎不随几

30、乎不随v vDSDS增大而增增大而增加，管子进入饱和区，加，管子进入饱和区，i iD D几乎仅由几乎仅由v vGSGS决定决定 。而而vGS为定值，为定值，沟道中的沟道中的电场力基本不变，电场力基本不变，i iD D基本基本不变不变（3） vDS和和vGS同时作用时同时作用时 vDSDS一定，一定，vGSGS变化时变化时 给定一个给定一个vGSGS ，就有一条不，就有一条不同的同的 iD D vDSDS 曲线曲线。5.2 绝缘栅型场效应管（MOSFET）与与JFET一样，一样，MOS管的伏安特性用管的伏安特性用输出特性输出特性和和转移特性转移特性描述描述5.2.3 MOSFET的特性曲线的特性

31、曲线输出特性输出特性 CvDSDGS)|f(vi转移特性转移特性 CvSDS)|f(vi DG输出特性曲线也分为输出特性曲线也分为可变电阻区可变电阻区、饱和区饱和区、截止区截止区和和击穿区击穿区几部分。几部分。GSvDSvGiDi+a输出特性输出特性TGSVv TGSVv 5.2 绝缘栅型场效应管（MOSFET）5.2.3 MOSFET的特性曲线的特性曲线CvDSDGS)|f(vi 24061020mA/DiVDS/vTGSDSVvv 可变电阻区可变电阻区放大区放大区截止区截止区击穿区击穿区TGSVv TGSVv 24061020mA/DiVDS/vTGSDSVvv 5.2 绝缘栅型场效应管（

32、MOSFET）a输出特性输出特性5.2.3 MOSFET的特性曲线的特性曲线截止区截止区 截止区截止区当当vGSVT时，导电沟道尚时，导电沟道尚未形成，未形成，iD0，为截止工，为截止工作状态。作状态。vDS较小，沟道尚未夹断较小，沟道尚未夹断管子相当于受管子相当于受vGS控制的控制的压控电阻压控电阻a输出特性输出特性TGSVv TGSVv 24061020mA/DiVDS/vTGSDSVvv 可变电阻区可变电阻区5.2 绝缘栅型场效应管（MOSFET）5.2.3 MOSFET的特性曲线的特性曲线 可变电阻区可变电阻区 )( DSDSTGSnD22vvv VKi由于由于vDS较小，可近似为较小

33、，可近似为DSTGSnD )(vvVKi 2常数常数 GSDDSdsovvdidr)(TGSnVK v21vDS（vGSVT）rdso是一个受是一个受vGS控制的可变电阻控制的可变电阻 3. V-I 特性曲线及大信号特性方程特性曲线及大信号特性方程（1）输出特性及大信号特性方程）输出特性及大信号特性方程 可变电阻区可变电阻区 DSTGSnD )(vvVKi 2)(TGSndsoVKr v21 n ：反型层中电子迁移率：反型层中电子迁移率Cox ：栅极（与衬底间）氧：栅极（与衬底间）氧化层单位面积电容化层单位面积电容本征电导因子本征电导因子oxnnC K LWLWKK22oxnnnC 其中其中T

34、GSVv TGSVv 24061020mA/DiVDS/va. 沟道出现夹断沟道出现夹断c. iD几乎与几乎与vDS无关无关d. iD只受只受vGS的控制的控制TGSVv TGSVv 24061020mA/DiVDS/vTGSDSVvv 放大区放大区a输出特性输出特性5.2.3 MOSFET的特性曲线的特性曲线5.2 绝缘栅型场效应管（MOSFET） 饱和区饱和区（恒流区又称放大区）（恒流区又称放大区）b. vGSGS V VT T ，且，且vDSDS（v vGSGSV VT T）2)(TGSnDVKi v221)(TGSTn VVKv21)(TGSDO VIvV V- -I I 特性：特性：

35、vGS = 2vT 时的时的 iD 值值0VGS/vVV2T VVv2TGS 24061020mA/DiVDS/vTGSDSVvv 转移特性曲线转移特性曲线Vv3GS Vv4GS V3V4mA/DiVv10DS 输出特性曲线输出特性曲线5.2 绝缘栅型场效应管（MOSFET）5.2.3 MOSFET的特性曲线的特性曲线21)(TGSDOD VIivCvSGDSD)|f(vi 5.2.4 耗尽型耗尽型MOS管管 1). 耗尽型耗尽型MOS管管结构示意图结构示意图sgdN+N+ SiO2 Alb耗尽层耗尽层（导电沟道）（导电沟道）反型层反型层P5.2 绝缘栅型场效应管（MOSFET）耗尽型耗尽型M

36、OS管管在在vGS=0时，漏源极间时，漏源极间已有导电沟道产生，已有导电沟道产生，通过施加负的栅源电通过施加负的栅源电压（夹断电压）使沟压（夹断电压）使沟道消失，耗尽型道消失，耗尽型NMOS截止；截止；增强型增强型MOS管管在在vGSVT时才出现导电时才出现导电沟道。沟道。5.2.4 耗尽型耗尽型MOS管管 1). 耗尽型耗尽型MOS管管结构示意图结构示意图sgdN+N+ SiO2 Alb耗尽层耗尽层（导电沟道）（导电沟道）反型层反型层P5.2 绝缘栅型场效应管（MOSFET）N沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管表示符号管表示符号 P沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管表示符号管表示符号 GSDGSD5.2

37、.4 耗尽型耗尽型MOS管管 2). 耗尽型耗尽型MOS管原理管原理sgdN+N+ SiO2 Alb耗尽层耗尽层（导电沟道）（导电沟道）反型层反型层P5.2 绝缘栅型场效应管（MOSFET）造成的原因是：造成的原因是：制造制造N沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管时，在管时，在SiO2绝缘层中掺入了大量绝缘层中掺入了大量的正离子的正离子 (制造制造P沟沟道耗尽型道耗尽型MOS管时管时掺入负离子掺入负离子)，在这，在这些正离子产生的电场些正离子产生的电场作用下，漏源极间的作用下，漏源极间的P型衬底表面已感应型衬底表面已感应生成生成N沟道。沟道。只要加上正向电压只要加上正向电压vDS，就有电流，就有电流i

38、D。5.2.4 耗尽型耗尽型MOS管管 sgdN+N+ SiO2 Alb耗尽层耗尽层（导电沟道）（导电沟道）反型层反型层P5.2 绝缘栅型场效应管（MOSFET）N沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管管当当vGS为负时，沟道变窄，为负时，沟道变窄，沟道电阻变大，沟道电阻变大，iD减小。减小。当当vGS负向增加到某一数负向增加到某一数值时，导电沟道消失，值时，导电沟道消失，iD趋于零，管子截止；趋于零，管子截止；使沟道消失时的栅源电使沟道消失时的栅源电压称为压称为夹断电压，仍用夹断电压，仍用VP表示。表示。2). 耗尽型耗尽型MOS管原理管原理SGDB在在 VGS = 0 时，已形成沟道时，已形成沟道;

39、 在在DS间加正电压时，形成间加正电压时，形成 iD当当 VGS VP 时，全夹断时，全夹断输出特性输出特性vGS /ViD /mA转移特性转移特性IDSSVP饱和漏饱和漏极电流极电流夹断夹断电压电压uDS /ViD /mAvGS = 4V 2V0V2V在在 VGS 0 时，沟道变厚时，沟道变厚5.2.4 耗尽型耗尽型MOS管管 在饱和区内，耗尽型在饱和区内，耗尽型MOS管的电流方程与结型场效应管的电管的电流方程与结型场效应管的电流方程相同，即流方程相同，即 3). 耗尽型耗尽型MOS管电流方程管电流方程2PGSDSSDVv1Ii PGSVv 5.2.4 耗尽型耗尽型MOS管管 N沟道耗尽型沟

40、道耗尽型MOS管管与与N沟道沟道JFET相同，相同，N沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管的夹断电管的夹断电压压VP也为负值。也为负值。但是，但是，JFET只能在只能在vGS0，VPvGS VT ，否则工作在截止区，否则工作在截止区再假设工作在可变电阻区再假设工作在可变电阻区)(TGSDSVVV 即即dDDDDSRIVV DSTGSnD )(vvVKI 2假设工作在饱和区假设工作在饱和区满足满足)(TGSDSVVV 假设成立，结果即为所求。假设成立，结果即为所求。解：解：V2V5406040 DDg2g1g2GSQ VRRRVmA2 . 0mA)12)(2 . 0()(22TGSnDQ VVKIV2V

41、)15)(2 . 0(5dDDDDSQ RIVV例：例：设设Rg1=60kW W，Rg2=40kW W，Rd=15kW W，220V/mA.n K试计算电路的静态漏极电流试计算电路的静态漏极电流IDQ和漏源和漏源电压电压VDSQ 。VDD=5V， VT=1V，5.2.1 MOSFET放大电路放大电路1. 直流偏置及静态工作点的计算直流偏置及静态工作点的计算（2）带源极电阻的）带源极电阻的NMOS共源极放大电路共源极放大电路2)(TGSnDVVKI 饱和区饱和区需要验证是否满足需要验证是否满足)(TGSDSVVV SGGSVVV )RR(I)VV(V dDSSDDDS)(SSSSDDg2g1g2

42、VVVRRR )(SSDVRI 5.2.1 MOSFET放大电路放大电路1. 直流偏置及静态工作点的计算直流偏置及静态工作点的计算静态时，静态时，vI0 0，VG 0 0，ID I电流源偏置电流源偏置 VS VG VGS VGS 2TGSnD)VV(KI （饱和区）（饱和区） VD VDD ID RDVDS VD VS（3）电流源偏置的）电流源偏置的NMOS共源极放大电路共源极放大电路TnDGSVKIV 5.2.1 MOSFET放大电路放大电路2. 图解分析图解分析由于负载开路，交流负由于负载开路，交流负载线与直流负载线相同载线与直流负载线相同 dDDDDSRIVV 如果输入信号很小，我们可以

43、小范围内把如果输入信号很小，我们可以小范围内把FET的特的特性曲线用直线来代替；这样就把性曲线用直线来代替；这样就把FET组成的非线性电路组成的非线性电路（和晶体管一样），转化为线电路性电路来处理。（和晶体管一样），转化为线电路性电路来处理。 gsdgsmvgdsrGSv+DSv+小信号模型小信号模型5.2.1 MOSFET放大电路放大电路3. 小信号模型分析小信号模型分析5.2.1 MOSFET放大电路放大电路3. 小信号模型分析小信号模型分析2TGSnD)(VKi v2TgsGSQn)(VVK v2gsTGSQn)(v VVK2gsngsTGSQn2TGSQn)(2)(vvKVVKVVK

44、（1）模型）模型 工作在饱和区的漏极电流为工作在饱和区的漏极电流为:DQI gsmvg 2gsnvK 静态值静态值（直流）（直流）动态值动态值（交流）（交流）非线性非线性失真项失真项 当当，vgs 2( 2(VGSQ- - VT ) )时，时，DQDIi gsmvg dDQiI 5.2.1 MOSFET放大电路放大电路3. 小信号模型分析小信号模型分析（1）模型）模型DQDIi gsmvg dDQiI gsmdvgi =0=0时时高频小信号模型高频小信号模型0 Gi0时时3. 小信号模型分析小信号模型分析解：例解：例5.2.25.2.2的直流分析已的直流分析已求得：求得： mA5 . 0DQ

45、IV2GSQ VV75. 4DSQ VV/mA1 V/mA)12(5 . 02 )(2TGSQnm VVKg（2）放大电路分析）放大电路分析（例（例5.2.5）s3. 小信号模型分析小信号模型分析（2）放大电路分析）放大电路分析（例（例5.2.5）dgsmoRg vv )1()(mgsgsmgsiRgRg vvvvRgRgAmdmio1 vvvg2g1i/ RRR doRR SiiSiioSosRRRAA vvvvvvvvs3. 小信号模型分析小信号模型分析（2）放大电路分析）放大电路分析（例（例5.2.6）)/()/)(dsgsmgsdsgsmiorRgrRgAvvvvvv 1)/(1)/(

46、dsmdsm rRgrRg)()/(1)/( SiidsmdsmSiioSosRRRrRgrRgA vvvvvvv共漏共漏3. 小信号模型分析小信号模型分析（2）放大电路分析）放大电路分析g2g1i/RRR mdsmdstto1/ 111grRgrRiR v5.3.2 FET放大电路的小信号模型分析法放大电路的小信号模型分析法1. FET小信号模型小信号模型（1）低频模型）低频模型（2）高频模型）高频模型2. 动态指标分析动态指标分析（1 1）中频小信号模型）中频小信号模型2. 动态指标分析动态指标分析（2）中频电压增益）中频电压增益（3）输入电阻）输入电阻（4）输出电阻）输出电阻忽略忽略 r

47、ds， ivgsvRggsmv )1(mgsRg v ovdgsmRg v mvARgRgmdm1 /iiRR 由输入输出回路得由输入输出回路得则则giiiRv )/(g2g1g3RRR )/()1(g2g1g3mgsgsRRRRgrr 通常通常则则)/(g2g1g3iRRRR doRR Rgrr)1(mgsgs gsgsgsmgsgsgs)(rRgrvvvv *5.4 砷化镓金属砷化镓金属- -半导体半导体场效应管场效应管本节不做教学要求，有兴趣者自学本节不做教学要求，有兴趣者自学5.5 各种放大器件电路性能比较各种放大器件电路性能比较5.5 各种放大器件电路性能比较各种放大器件电路性能比较

48、组态对应关系：组态对应关系：共射共射晶体管晶体管场效应管场效应管共源共源共极共极共漏共漏共基共基共栅共栅电压增益：电压增益：晶体管晶体管场效应管场效应管beLc)/(rRR b b)/)(1()/()1(LebeLeRRrRRb bb b beLc)/(rRR b b)/(LddsmRRrg )/(1)/(LdsmLdsmRRrgRRrg dsLdLddsm/1)/)(1(rRRRRrg 共射共射共极共极共基共基共源共源共漏共漏共栅共栅beb/rR输出电阻：输出电阻：cR )/)(1(/LebebRRrRb b b b 1)/(/bebserRRRb b 1/beerRcR输入电阻：输入电阻：

49、很高很高m1/gR很高很高dds/ Rrmds1/gRrdds/ Rr5.5 各种放大器件电路性能比较各种放大器件电路性能比较晶体管晶体管场效应管场效应管共射共射共极共极共基共基共源共源共漏共漏共栅共栅共射共射共极共极共基共基共源共源共漏共漏共栅共栅 解：解：画中频小信号等效电路画中频小信号等效电路例题例题放大电路如图所示。已知放大电路如图所示。已知，mS 18m g，100 b b 试求电路的中频试求电路的中频增益、输入电阻和输出电。增益、输入电阻和输出电。，W W k 1ber例题例题 gsmVg iV gsV2gsmRVg bIbIb bbIb b oVcgsmcbRVgRI b b M

50、VA2mcm1RgRg 6 .128 giRR coRR W W M 5则电压增益为：则电压增益为：sgiRRR ioVV由于由于则则W W k 20sosMVVAV iosiVVVV MisiVARRR 6 .128M VA根据电路有：根据电路有：1) 固定偏压电路固定偏压电路因为因为5.4 场效应管放大电路5.5.2 场效应管的直流通路及静态估算分析场效应管的直流通路及静态估算分析+_gRdRDDVTGSQVDQIDSQV+_+GGV_iv+_ov+1C2C0 GIGGGSQVV 所以有所以有21 PGGDSSDQVVIIdDQDDDSQRIVV 直流负载线方程直流负载线方程求得求得?V?

51、V?IQDSGSDQQQ2) 自偏压电路自偏压电路IDQVSQ= IDQ RSVGSQ= -IDQ RS自偏压原理自偏压原理+_gRSRdRDDV TGSQVDQIDSQV+_5.4 场效应管放大电路5.5.2 场效应管的直流通路及静态估算分析场效应管的直流通路及静态估算分析1C_ov+2C_iv+0GI因为因为SDQSDQsGGSQRIRIVVV021 PGGDSSDQVVII直流负载线方程直流负载线方程)SR(RIVVdDQDDDSQ 2) 自偏压电路自偏压电路+_gRSRdRDDV TGSQVDQIDSQV+_5.4 场效应管放大电路5.5.2 场效应管的直流通路及静态估算分析场效应管的

52、直流通路及静态估算分析1C_ov+2C_iv+SDQSDQsGGSQRIRIVVV021 PGGDSSDQVVII)SR(RIVVdDQDDDSQ 求得求得?V?V?IQDSGSDQQQ3) 分压式自偏压电路分压式自偏压电路5.4 场效应管放大电路5.5.2 场效应管的直流通路及静态估算分析场效应管的直流通路及静态估算分析+_g1RSRdRDDV TGSQVDQIDSQV+_1C_ov+2C_iv+sCg2Rg3R 它是在自偏压的基础它是在自偏压的基础上，加上分压电阻上，加上分压电阻Rg1、Rg2、Rg3构成供给栅极的构成供给栅极的电压。电压。 直流偏置栅压是靠直流偏置栅压是靠Rg1、Rg2、

53、Rg3的分压和的分压和Rs上的自偏压共同建立的。上的自偏压共同建立的。 3) 分压式自偏压电路分压式自偏压电路5.4 场效应管放大电路5.5.2 场效应管的直流通路及静态估算分析场效应管的直流通路及静态估算分析+_g1RSRdRDDV TGSQVDQIDSQV+_1C_ov+2C_iv+sCg2Rg3R0GI因为因为DDgggGVRRRV212 SDDDgggSGGSRIVRRRVVV 212Q21 PGGDSSDQVVII)SR(RIVVdDQDDDSQ 3) 分压式自偏压电路分压式自偏压电路5.4 场效应管放大电路5.5.2 场效应管的直流通路及静态估算分析场效应管的直流通路及静态估算分析

54、+_g1RSRdRDDV TGSQVDQIDSQV+_1C_ov+2C_iv+sCg2Rg3R对于对于n沟沟JFET应工作在负电压，即应工作在负电压，即 0 GSV即使即使 DDgggsDVRRRRI212 该直流偏置电路适该直流偏置电路适用于各种类型的用于各种类型的FET管。管。因为可通过调节电路参因为可通过调节电路参数，使数，使VGS可正可负。因可正可负。因此该电路应用很广。此该电路应用很广。5.5.3 场效应管的小信号模型分析法场效应管的小信号模型分析法5.4 场效应管放大电路 如果输入信号很小，我们可以小范围内把如果输入信号很小，我们可以小范围内把FET的特的特性曲线用直线来代替；这样

55、就把性曲线用直线来代替；这样就把FET组成的非线性电路组成的非线性电路（和晶体管一样），转化为线电路性电路来处理。（和晶体管一样），转化为线电路性电路来处理。 GSvDSvGiDi+gsdgsmvgdsrGSv+DSv+小信号模型小信号模型5.5.3 场效应管的小信号模型分析法场效应管的小信号模型分析法5.4 场效应管放大电路GSvDSvGiDi+gsdgsmvgdsrGSv+DSv+gsdgsmvgGSv+DSv+简化模型简化模型5.5.3 场效应管的小信号模型分析法场效应管的小信号模型分析法5.4 场效应管放大电路1) 共源极放大电路共源极放大电路小信号模型小信号模型ii_iv+gRgsd

56、GSv+gsmvgdR_ov+LR+_gRSRdRDDV TGSQVDQIDSQV+_1C_ov+2C_iv+LR5.5.3 场效应管的小信号模型分析法场效应管的小信号模型分析法5.4 场效应管放大电路1) 共源极放大电路共源极放大电路小信号模型小信号模型+_g1RSRdRDDV TGSQVDQIDSQV+_1C_ov+2C_iv+sCg2Rg3RLRii_iv+g3RgsdGSv+gsmvgdR_ov+LRg1Rg2R5.5.3 场效应管的小信号模型分析法场效应管的小信号模型分析法5.4 场效应管放大电路1) 共源极放大电路共源极放大电路ii小信号模型小信号模型_iv+g3RgsdGSv+gsmvgdR_ov+LRg1Rg2Ra. 求电压