电子技术基础模拟部分课件第四章

1、第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路4 场效应管放大电路 第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路引言： 1.场效应管的特点 (1)它是利用改变外加电压产生的电场强度来控制其导电能力的半导体器件。 (2)它具有双极型三极管的体积小、重量轻、耗电少、寿命长等优点， (3)还具有输入电阻高、热稳定性好、抗辐射能力强、噪声低、制造工艺简单、便于集成等特点。 (4)(4)在大规模及超大规模集成电路中得到了广泛的应用。 第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路2.场效应管的分类根据结构和工作原理的不同，场效应管可分为两大类： (1)结型场效应管(JFET) (2) (2)绝缘栅型场

2、效应管(IGFET)(IGFET)。 3.本章内容 (1)结型场效应管的结构、工作原理、特性曲线和主要参数 (2)绝缘栅型场效应管的结构、工作原理、特性曲线和主要参数 (3)场效应管放大电路。第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路4.1 结型场效应管 1结型场效应管的结构 （1 1）N N沟道结型场效应管在一块N N型半导体材料的两边各扩散一个高杂质浓度的P+ P+ 区, ,就形成两个不对称的P+NP+N结，即耗尽层。把两个P+P+区并联在一起，引出一个电极g g，称为栅极，在N N型半导体的两端各引出一个电极，分别称为源极s s和漏极d d。第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大

3、电路第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路场效应管的与三极管的三个电极的对应关系：场效应管的与三极管的三个电极的对应关系：栅极栅极g-g- -基极基极b b源极源极s-s- -发射极发射极e e漏极漏极d-d- -集电极集电极c c 夹在两个夹在两个P+NP+N结中间的区域称为结中间的区域称为导电沟道导电沟道（简称沟道）。（简称沟道）。图图1(a)1(a)所示的管子的所示的管子的N N区是电流的通道，称为区是电流的通道，称为N N沟道结型场效沟道结型场效应管。应管。 第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路N沟道结型场效应管的电路符号如图1(b)所示。其中，栅极上的箭头表示栅极电

4、流的方向（由P区指向N区）。由结型场效应管代表符号中栅极上的箭头方向，可以确认沟道的类型。第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路N沟道沟道JFET的结构剖面图如图所示的结构剖面图如图所示第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路 图中衬底和顶部的中间都是图中衬底和顶部的中间都是P+型半导体，它们连接在一型半导体，它们连接在一起（图中未画出）作为栅极起（图中未画出）作为栅极g。 两个两个N+区分别作为源极区分别作为源极s和漏极和漏极d。 三个电极三个电极s、g、d分别由不同的铝接触层引出。分别由不同的铝接触层引出。 第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路（2）P沟道结型场效应

5、管沟道结型场效应管 如果在一块如果在一块P型半导体的两边各扩散一个高杂质浓度的型半导体的两边各扩散一个高杂质浓度的N+区，就可以制成一个区，就可以制成一个P沟道的结型场效应管。沟道的结型场效应管。P沟道结型沟道结型场效应管的结构示意图和它在电路中的代表符号如下场效应管的结构示意图和它在电路中的代表符号如下 第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路2.结型场效应管的工作原理 N N沟道和P P沟道结型场效应管的工作原理完全相同，现以N N沟道结型场效应管为例，分析其工作原理。（1 1）偏置电压N N沟道结型场效应管工作时，需要外加如图4 4所示的偏置电压. . 第四章第四章 场效应管放大电

6、路场效应管放大电路第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路a.栅栅-源极间加一负电压源极间加一负电压(vGS 0)作用：使栅作用：使栅-源极间的源极间的P+N结反偏，栅极电流结反偏，栅极电流iG0，场效应，场效应管呈现很高的输入电阻管呈现很高的输入电阻(高达高达108W左右左右)。b.漏漏-源极间加一正电压源极间加一正电压(vDS0)作用：使作用：使N沟道中的多数载流子电子在电场作用下由源极向沟道中的多数载流子电子在电场作用下由源极向漏极作漂移运动，形成漏极电流漏极作漂移运动，形成漏极电流iD。第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路 在上述两个电源的作用下在上述两个电源的作用下,

7、iD的大小主要受栅的大小主要受栅-源电压源电压vGS控制，同时也受漏控制，同时也受漏-源电压源电压vDS的影响。的影响。 因此，讨论场效应管的工作原理就是：因此，讨论场效应管的工作原理就是：a.讨论栅讨论栅-源电压源电压vGS对漏极电流对漏极电流iD（或沟道电阻）的控制作用（或沟道电阻）的控制作用b.讨论漏讨论漏-源电压源电压vDS对漏极电流对漏极电流iD的影响的影响。 第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路(2)vGS对对iD的控制作用的控制作用图图5所示电路说明了所示电路说明了vGS对沟道电阻的控制作用。为便于讨对沟道电阻的控制作用。为便于讨论，先假设漏论，先假设漏-源极间所加的电

8、压源极间所加的电压vDS=0。a. 当当vGS=0时，时，沟道较宽，其电阻较小沟道较宽，其电阻较小，如图，如图5(a)所示。所示。b. 当当VP vGS0，且其大小增加时，在这个反偏电压的作用，且其大小增加时，在这个反偏电压的作用下，两个下，两个P+N结耗尽层将加宽。由于结耗尽层将加宽。由于N区掺杂浓度小于区掺杂浓度小于P+区，因此，随着区，因此，随着|vGS| 的增加，的增加，耗尽层将主要向耗尽层将主要向N沟道中扩沟道中扩展，使沟道变窄，沟道电阻增大，展，使沟道变窄，沟道电阻增大，如图如图5(b)所示。所示。第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路 图图5 V5 VGSGS对沟道电阻的

9、控制作用对沟道电阻的控制作用 第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路 C. C.当当V VGSGS V VP P时，两侧的耗尽层将在沟道中央合拢，沟道全时，两侧的耗尽层将在沟道中央合拢，沟道全部被夹断，部被夹断，如图如图5(c)5(c)所示。由于耗尽层中没有载流子，因此这所示。由于耗尽层中没有载流子，因此这时漏时漏- -源极间的电阻将趋于无穷大，即使加上一定的电压源极间的电阻将趋于无穷大，即使加上一定的电压v vDS，漏极电流漏极电流i iD也将为零。这时的栅也将为零。这时的栅- -源电压源电压v vGS称为称为夹断电压夹断电压，用，用V VP表示。如图表示。如图5(c)5(c)所示。

10、所示。 第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路 图图5 V5 VGSGS对沟道电阻的控制作用对沟道电阻的控制作用 第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路上述分析表明上述分析表明: :(a)(a)改变栅源电压改变栅源电压v vGSGS的大小，可以有效的大小，可以有效控制沟道电阻的大小控制沟道电阻的大小. .(b)(b)若同时在漏源若同时在漏源- -极间加上固定的正向电压极间加上固定的正向电压v vDSDS，则漏极电流，则漏极电流i iD D将受将受v vGSGS的控制，的控制，|v|vGSGS| |增大时，沟道电阻增大，增大时，沟道电阻增大，i iD D减小减小。(c)(c)上述

11、效应也可以看作是栅上述效应也可以看作是栅- -源极间的偏置电压在沟道两边源极间的偏置电压在沟道两边建立了电场，电场强度的大小控制了沟道的宽度，即控制了建立了电场，电场强度的大小控制了沟道的宽度，即控制了沟道电阻的大小，从而控制了漏极电流沟道电阻的大小，从而控制了漏极电流i iD D的大小。的大小。 第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路(3)(3) v vDSDS对对i iD D的影响的影响 设设v vGSGS值固定，且值固定，且V VP PvvGSGS0 V Vp p 时，时，沟道全部被夹断，沟道全部被夹断，i iD D00，这时场效应管处于截止状态。，这时场效应管处于截止状态。截止

12、区处于输出特截止区处于输出特性曲线图的横座标轴附近性曲线图的横座标轴附近( (图图1 1中未标注中未标注) )。 第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路常数DSVGSDvfi)(由于转移特性和输出特性都是用来描述由于转移特性和输出特性都是用来描述v vGSGS、v vDSDS及及i iD D间的关系的，所以转间的关系的，所以转移特性曲线可以根据输出特性曲线绘出。移特性曲线可以根据输出特性曲线绘出。 作法如下：在图作法如下：在图7 7所示的输出特性中作一条所示的输出特性中作一条v vDSDS=10V=10V的垂线，将此垂线与的垂线，将此垂线与各条输出特性曲线的交点各条输出特性曲线的交点A

13、 A、B B和和C C所对应的所对应的i iD D、v vGSGS的值转移到的值转移到i iD D-v-vGSGS直角坐直角坐标系中，即可得到转移特性曲线，如图标系中，即可得到转移特性曲线，如图8(a)8(a)所示。改变所示。改变v vDSDS的大小，可得到的大小，可得到一族转移特性曲线，如图一族转移特性曲线，如图8(b)8(b)所示。所示。它反映了栅它反映了栅- -源电压源电压v vGS对对i iD的控制作用。的控制作用。 （2 2）转移特性曲线）转移特性曲线 转移特性曲线用来描述转移特性曲线用来描述vDSvDS取一定值时，取一定值时，iDiD与与vGSvGS间的关系的曲间的关系的曲线，即线

14、，即: :第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路作法如下作法如下：在图：在图7 7所示的输出特性中作一条所示的输出特性中作一条v vDSDS=10V=10V的垂线，将此垂线的垂线，将此垂线与各条输出特性曲线的交点与各条输出特性曲线的交点A A、B B和和C C所对应的所对应的i iD D、v vGSGS的值转移到的值转移到i iD D-v-vGSGS直角坐标系中，即可得到转移特性曲线，如图直角坐标系中，即可得到转移特性曲线，如图8(a)8(a)所示。改变所示。改变v vDSDS的的大小，可得到一族转移特性曲线，如图大小，可得到一族转移特性曲线，如图8(b)8(b)所示。所示。注：书中注

15、：书中162页图页图4.1.6第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路vGSiDIDSS(a)(b)图图8 N沟道沟道JFET转移特性转移特性vGSiDVGS=20V10V5V1VvGSiD第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路(VPvGS0)式中式中I IDSSDSS为为v vGSGS=0=0，v vDSDS00时的漏极电流，称为饱和漏极电流。时的漏极电流，称为饱和漏极电流。 )1 (pGSDSSDVvIi 由此图可以看出，当由此图可以看出，当v vDSDS大于一定的数值后大于一定的数值后( (图中为图中为v vDSDS5V5V）后，）后，不同不同v vDSDS下的转移特性曲线

16、几乎重合，这是因为在饱和区内下的转移特性曲线几乎重合，这是因为在饱和区内i iD D几乎不随几乎不随v vDSDS而变。因此可用一条转移特性曲线来表示饱和区中而变。因此可用一条转移特性曲线来表示饱和区中i iD D与与v vGSGS的关系的关系。在饱和区内。在饱和区内i iD D可近似地表示为可近似地表示为 第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路4.4.结型场效应管主要参数结型场效应管主要参数 (1) (1) 夹断电压夹断电压V VP P 当当v vDSDS为某一固定值为某一固定值( (例如例如10V)10V)，使，使i iD D等于某一微小电等于某一微小电流流( (例如例如50mA)

17、50mA)时，栅时，栅- -源极间所加的电压即夹断电压。源极间所加的电压即夹断电压。(2) (2) 饱和漏极电流饱和漏极电流I IDSSDSS 在在v vGSGS=0=0的条件下，场效应管发生预夹断时的漏极电的条件下，场效应管发生预夹断时的漏极电流。流。 I IDSSDSS是结型场效管管子所能输出的最大电流。是结型场效管管子所能输出的最大电流。第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路(3) (3) 直流输入电阻直流输入电阻R RGSGS 它是在漏它是在漏- -源极间短路的条件下，栅源极间短路的条件下，栅- -源极间加一定电压源极间加一定电压时，栅时，栅- -源极间的直流电阻。源极间的直流

18、电阻。(4) (4) 低频跨导低频跨导g gm m 当当v vDSDS为常数时，漏极电流的微小变化量与栅为常数时，漏极电流的微小变化量与栅- -源电压源电压v vGSGS的微小变化量之比为跨导，即的微小变化量之比为跨导，即 常数DSVGSDmvig第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路 g gm m反映了反映了栅栅- -源电压对漏极电流的控制能力源电压对漏极电流的控制能力，是表征场效应管放大，是表征场效应管放大能力的一个重要参数。单位为西门子能力的一个重要参数。单位为西门子(s)(s)，有时也用，有时也用msms或或ss表示。需要表示。需要指出的是，指出的是，g gm m与管子的工作电

19、流有关，与管子的工作电流有关，i iD D越大，越大，g gm m就越大就越大。在放大电路。在放大电路中，场效应管工作在饱和区中，场效应管工作在饱和区( (恒流区恒流区) )，g gm m可由下式求得，即可由下式求得，即 第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路作业：习题4.1.3第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路4.3 4.3 金属金属- -氧化物氧化物- -半导体场效应管半导体场效应管 结型场效应管的输入电阻虽然可达结型场效应管的输入电阻虽然可达106106109W109W，但在要求输入电，但在要求输入电阻更高的场合，还是不能满足要求。阻更高的场合，还是不能满足要求。 本

20、节介绍的金属本节介绍的金属- -氧化物氧化物- -半导体场效应管（半导体场效应管（MOSFETMOSFET）具有更高）具有更高的输入电阻，可的输入电阻，可10101515欧姆。并具有是制造工艺简单、适于集成电路的欧姆。并具有是制造工艺简单、适于集成电路的优点。优点。 MOSMOS管也有管也有N N沟道和沟道和P P沟道之分，而且每一类又分为增强型和耗尽沟道之分，而且每一类又分为增强型和耗尽型两种。增强型型两种。增强型MOSMOS管在管在v vGSGS=0=0时，没有导电沟道存在。而耗尽型时，没有导电沟道存在。而耗尽型MOSMOS管在管在v vGSGS=0=0时，就有导电沟道存在。时，就有导电沟

21、道存在。 第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路 一、结构一、结构 在一块掺杂浓度较低的在一块掺杂浓度较低的P P型硅衬底上，制作两个高掺杂浓度的型硅衬底上，制作两个高掺杂浓度的N+N+区，并用金属铝引出两个电极，分别作漏极区，并用金属铝引出两个电极，分别作漏极d d和源极和源极s s。然后在半然后在半导体表面复盖一层很薄的二氧化硅导体表面复盖一层很薄的二氧化硅 (SiO2) 绝缘层，在漏绝缘层，在漏-源极间的源极间的绝缘层上再装上一个铝电极绝缘层上再装上一个铝电极,作为栅极作为栅极g。在衬底上也引出一个电极。在衬底上也引出一个电极B，这就构成了一个这就构成了一个N沟道增强型沟道增强型

22、 MOS管。管。 MOS管的源极和衬底通常管的源极和衬底通常是接在一起的是接在一起的(大多数管子在出厂前已连接好大多数管子在出厂前已连接好)。 它的栅极与其它电极间是绝缘的。其结构如下图所示：它的栅极与其它电极间是绝缘的。其结构如下图所示：4.3.1 N4.3.1 N沟道增强型沟道增强型MOSMOS管管第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路 图1 MOS管的结构 注：注：1 1）代表符号中的箭代表符号中的箭头方向表示由头方向表示由P(P(衬底衬底) )指指向向N(N(沟道沟道) )。 2 2）P P沟道增强型沟道增强型MOSMOS管的箭头方向与上述相反管的箭头方向与上述相反，如图，如图

23、 1(c)1(c)所示。所示。第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路二、工作原理二、工作原理 (以以N沟道增强型为例沟道增强型为例)1 1v vGSGS对对i iD D及沟道的控制作用及沟道的控制作用 第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路图图2 v2 vGSGS对对i iD D及沟道的控制作用及沟道的控制作用 第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路（1 1）v vGSGS=0 =0 的情况的情况从图从图1(a)1(a)看出，增强型看出，增强型MOSMOS管的漏极管的漏极d d和源极和源极s s之间有两个背靠之间有两个背靠背的背的PNPN结。结。当栅当栅- -源电压源电

24、压v vGSGS=0=0时，即使加上漏时，即使加上漏- -源电压源电压v vDSDS，而且不论，而且不论v vDSDS的的极性如何，极性如何，总有一个总有一个PNPN结处于反偏状态结处于反偏状态，漏漏- -源极间没有导电沟源极间没有导电沟道，所以这时漏极电流道，所以这时漏极电流i iD D00。 （2 2）v vGSGS0 0 的情况的情况若若v vGSGS0 0，则栅极和衬底之间的，则栅极和衬底之间的SiOSiO2 2绝缘层中便产生一个电场。绝缘层中便产生一个电场。电场方向电场方向：垂直于半导体表面的由栅极指向衬底的电场。：垂直于半导体表面的由栅极指向衬底的电场。电场的作用电场的作用：这个电

25、场能排斥空穴而吸引电子。：这个电场能排斥空穴而吸引电子。排斥空穴排斥空穴：使栅极附近的：使栅极附近的P P型衬底中的空穴被排斥，剩下不能移型衬底中的空穴被排斥，剩下不能移动的受主离子动的受主离子( (负离子负离子) )，形成耗尽层。，形成耗尽层。第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路吸引电子吸引电子：将：将 P型衬底中的电子（少子）被吸引到衬底表面。型衬底中的电子（少子）被吸引到衬底表面。导电沟道的形成导电沟道的形成： 当当vGS数值较小，吸引电子的能力不强时，漏数值较小，吸引电子的能力不强时，漏-源极之间仍无导电沟道出源极之间仍无导电沟道出现，现，如图如图1(b)所示。所示。 vGS

26、增加时，增加时，吸引到吸引到P衬底表面层的电子就衬底表面层的电子就增多增多，当当vGS达到某一数值达到某一数值VT时，时，这些电子在栅极附近的这些电子在栅极附近的P衬底表面便形成一个衬底表面便形成一个N型薄层，且与两个型薄层，且与两个N+区相连通，区相连通，在漏在漏-源极间形成源极间形成N型导电沟道，其导电类型与型导电沟道，其导电类型与P衬底相反，故衬底相反，故又称为反型层，又称为反型层，如图如图1(c)所示所示。vGS越大，越大，作用于半导体表面的电场就越强作用于半导体表面的电场就越强，吸引到，吸引到P衬底表面的电子就越多，衬底表面的电子就越多，导电沟道越厚，沟道电阻越小导电沟道越厚，沟道电

27、阻越小。 开始形成沟道时的栅开始形成沟道时的栅-源极电压称为源极电压称为开启电压开启电压，用，用VT表示表示第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路结论：结论： N N沟道沟道MOSMOS管在管在v vGSGSV VT T时，不能形成导电沟道，管子处于截时，不能形成导电沟道，管子处于截止状态。止状态。只有当只有当v vGSGSVVT T时，才有沟道形成。这种必须在时，才有沟道形成。这种必须在v vGSGSVVT T时才能形成导电沟道的时才能形成导电沟道的MOSMOS管称为管称为增强型增强型MOSMOS管。管。 沟道形成以后，在漏沟道形成以后，在漏- -源极间加上正向电压源极间加上正向电压

28、v vDSDS，就有漏极，就有漏极电流产生。电流产生。 第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路图图 2 vDS对对iD的影响的影响2 2v vDS对对i iD的影响的影响 当当vGSVT且为一确定值时，且为一确定值时，VDS对导电沟道及电流对导电沟道及电流iD的影响与结型场效应管相似。的影响与结型场效应管相似。第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路 i iD D沿沟道产生的电压降使沟道内各点与栅沿沟道产生的电压降使沟道内各点与栅极间的电压不再相等，靠近源极一端的电压极间的电压不再相等，靠近源极一端的电压最大，这里沟道最厚，而漏极一端电压最小，最大，这里沟道最厚，而漏极一端电压最

29、小，其值为其值为v vGDGD=v=vGSGS-v-vDSDS，因而这里沟道最薄。但当，因而这里沟道最薄。但当v vDSDS较小时较小时 （v vDSDSvvGSGSVVT T） ，它对沟道的影响，它对沟道的影响不大，这时只要不大，这时只要v vGSGS一定，沟道电阻几乎也是一定，沟道电阻几乎也是一定的，一定的，所以所以i iD D随随v vDSDS近似呈线性变化近似呈线性变化第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路 随着随着v vDSDS的增大，靠近漏极的增大，靠近漏极的沟道越来越薄，当的沟道越来越薄，当v vDSDS增加到增加到使使v vGDGD=v=vGSGS-v-vDSDS=V=

30、VT T( (或或v vDSDS=v=vGSGS-V-VT T) )时，沟道在漏极一端出现预夹时，沟道在漏极一端出现预夹断，如图断，如图2(b)2(b)所示。所示。第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路 再继续增大再继续增大v vDSDS，夹断，夹断点将向源极方向移动，如点将向源极方向移动，如图图2(c)2(c)所示。由于所示。由于v vDSDS的增的增加部分几乎全部降落在夹加部分几乎全部降落在夹断区，故断区，故i iD D几乎不随几乎不随v vDSDS增增大而增加，管子进入饱和大而增加，管子进入饱和区，区，i iD D几乎仅由几乎仅由v vGSGS决定决定. .第四章第四章 场效应管

31、放大电路场效应管放大电路三、三、特性曲线、电流方程特性曲线、电流方程iD/mAvDS/VvGS=3V4V5V1区区2区区3区区a 输出特性输出特性vGS/ViD/mAvDS=10Vb 转移特性转移特性第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路1.1.输出特性曲线输出特性曲线( (iD与与vGS的近似关系的近似关系)如图如图1(a)1(a)所示。与结型场效应管一样所示。与结型场效应管一样, ,其输出特性曲线也可分为可变电其输出特性曲线也可分为可变电阻区、饱和区、截止区和击穿区几部分。阻区、饱和区、截止区和击穿区几部分。 与结型场效应管相类似。在饱和区内与结型场效应管相类似。在饱和区内,iD与

32、与vGS的近似关系式为的近似关系式为)(TTGSDDVvVVIiGS20( 1式中式中IDO是是vGS=2VT时的漏极电流时的漏极电流iD。 第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路2. 2. 转移特性曲线转移特性曲线 如图如图 1(b)1(b)所示所示, ,由于场效应管作放大器件使用时是工作在饱由于场效应管作放大器件使用时是工作在饱和区和区( (恒流区恒流区),),此时此时i iD D几乎不随几乎不随v vDSDS而变化而变化, ,即不同的即不同的v vDSDS所对应的转所对应的转移特性曲线几乎是重合的移特性曲线几乎是重合的, ,所以可用所以可用v vDSDS大于某一数值大于某一数值(

33、v(vDSDSv vGSGS-V-VT T) )后的一条转移特性曲线代替饱和区的所有转移特性曲线后的一条转移特性曲线代替饱和区的所有转移特性曲线.第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路 第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路1. 1. 基本结构基本结构 图（图（a a）N N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSMOS管的基本结构（管的基本结构（b b）P P沟道管的符号沟道管的符号（c）N沟道管的符号沟道管的符号 结构：结构：N N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSMOS管与管与N N沟道增强型沟道增强型MOSMOS管基本相似。管基本相似。区别：耗尽型区别：耗尽型MOSMOS管在管在v vGSG

34、S=0=0时，漏源极间已有导电沟道产生，时，漏源极间已有导电沟道产生， 增强型增强型MOSMOS管要在管要在v vGSGSVVT T时才出现导电沟道。时才出现导电沟道。 4.3.2 N4.3.2 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSMOS管管 第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路 原因：制造原因：制造N N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSMOS管时，在管时，在SiOSiO2 2绝缘层中掺入了大量的碱绝缘层中掺入了大量的碱金属正离子金属正离子Na+Na+或或K+(K+(制造制造P P沟道耗尽型沟道耗尽型MOSMOS管时掺入负离子管时掺入负离子) )，如图，如图1(a)1(a)所所示，因此示，因此即使

35、即使v vGSGS=0=0时，在这些正离子产生的电场作用下，漏源极间的时，在这些正离子产生的电场作用下，漏源极间的P P型衬底表面也能感应生成型衬底表面也能感应生成N N沟道沟道( (称为初始沟道称为初始沟道) )，只要加上正向电压只要加上正向电压v vDSDS，就有电流就有电流i iD D。 如果加上正的如果加上正的v vGSGS，栅极与，栅极与N N沟道间的电场将在沟道中吸引来更多的沟道间的电场将在沟道中吸引来更多的电子，沟道加宽，沟道电阻变小，电子，沟道加宽，沟道电阻变小，i iD D增大增大。 反之反之v vGSGS为负时为负时，沟道中感应的电子减少，沟道变窄，沟道电阻变大，沟道中感应

36、的电子减少，沟道变窄，沟道电阻变大，i iD D减小减小。当当v vGSGS负向增加到某一数值时，导电沟道消失，负向增加到某一数值时，导电沟道消失，i iD D趋于零，管子趋于零，管子截止，故称为耗尽型。截止，故称为耗尽型。沟道消失时的栅沟道消失时的栅-源电压称为源电压称为夹断电压夹断电压，仍用，仍用VP表示。表示。第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路 与与N N沟道结型场效应管相同，沟道结型场效应管相同，N N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSMOS管的夹断电管的夹断电压压V VP P也为负值，但是，前者只能也为负值，但是，前者只能在在v vGSGS000，V VP PvvGSGS00的情

37、况下均能实现对的情况下均能实现对i iD D的控制，的控制，而且仍能保持栅而且仍能保持栅- -源极间有很大的绝缘电阻源极间有很大的绝缘电阻, ,使栅极电流为零使栅极电流为零。这是耗尽型。这是耗尽型MOSMOS管管的一个重要特点。的一个重要特点。第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路2 2电流方程电流方程 在饱和区内，耗尽型在饱和区内，耗尽型MOSMOS管的电流方程与结型场效应管的管的电流方程与结型场效应管的电流方程相同，即电流方程相同，即第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路4.3.44.3.4各种场效应管特性比较各种场效应管特性比较 各类各类FETFET的特性如下表所示的特性

38、如下表所示 第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路4.3.5 4.3.5 使用场效应管的注意事项使用场效应管的注意事项 1从场效应管的结构上看，其源极和漏极是对称的，因此从场效应管的结构上看，其源极和漏极是对称的，因此源源极和漏极可以互换极和漏极可以互换。但有些场效应管在制造时已将衬底引线与源。但有些场效应管在制造时已将衬底引线与源极连在一起，这种场效应管的源极和漏极就不能互换了。极连在一起，这种场效应管的源极和漏极就不能互换了。第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路2 2场效应管各极间电压的极性应正确接入，结型场效应管的场效应管各

39、极间电压的极性应正确接入，结型场效应管的栅栅- -源电压源电压v vGSGS的极性不能接反的极性不能接反。3 3当当MOSMOS管的衬底引线单独引出时，应将其接到电路中的电管的衬底引线单独引出时，应将其接到电路中的电位最低点（对位最低点（对N N沟道沟道MOSMOS管而言）或电位最高点（对管而言）或电位最高点（对P P沟道沟道MOSMOS管而言），以管而言），以保证沟道与衬底间的保证沟道与衬底间的PNPN结处于反向偏置，使衬结处于反向偏置，使衬底与沟道及各电极隔离。底与沟道及各电极隔离。4 4MOSMOS管的栅极是绝缘的，感应电荷不易泄放，而且绝缘层管的栅极是绝缘的，感应电荷不易泄放，而且绝缘

40、层很薄，极易击穿。所以栅极不能开路，存放时应将各电极短很薄，极易击穿。所以栅极不能开路，存放时应将各电极短路。焊接时，电烙铁必须可靠接地，或者断电利用烙铁余热路。焊接时，电烙铁必须可靠接地，或者断电利用烙铁余热焊接，并注意对交流电场的屏蔽。焊接，并注意对交流电场的屏蔽。 第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路4.3.6 4.3.6 场效应管与三极管的性能比较场效应管与三极管的性能比较 1 1场效应管的源极场效应管的源极s s、栅极、栅极g g、漏极、漏极d d分别对应于三极管的发射极分别对应于三极管的发射极e e、基极、基极b b、集电极、集电极c c，它们的，它们的作用相似。作用相似

41、。 2 2场效应管是场效应管是电压控制电流器件电压控制电流器件，由由v vGSGS控制控制i iD D，其放大系数，其放大系数g gm m一般较小一般较小，因此场效应管的放大能力较差；三极管是，因此场效应管的放大能力较差；三极管是电流控制电流器件，电流控制电流器件，由由i iB B（或（或i iE E）控制）控制i iC C。3 3场效应管栅极几乎不取电流场效应管栅极几乎不取电流（ig=0ig=0）；而三极管工作时基极总要；而三极管工作时基极总要吸取吸取一定的电流一定的电流。因此场效应管的。因此场效应管的输入电阻输入电阻比三极管的输入电阻比三极管的输入电阻高高。4 4场效应管只有多子参与导电；

42、三极管有多子和少子两种载流子参与导场效应管只有多子参与导电；三极管有多子和少子两种载流子参与导电，因少子浓度受温度、辐射等因素影响较大，所以场效应管比三极管的电，因少子浓度受温度、辐射等因素影响较大，所以场效应管比三极管的温度稳定性好、抗辐射能力强。在温度稳定性好、抗辐射能力强。在环境条件（温度等）变化很大的情况下环境条件（温度等）变化很大的情况下应选用场效应管应选用场效应管。第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路5 5场效应管在源极未与衬底连在一起时，场效应管在源极未与衬底连在一起时，源极和漏极可以互换使用，且源极和漏极可以互换使用，且特性变化不大特性变化不大；而三极管的集电极与发射

43、极互换使用时，其特性差异很大；而三极管的集电极与发射极互换使用时，其特性差异很大，值将减小很多。值将减小很多。6 6场效应管的噪声系数很小，场效应管的噪声系数很小，在低噪声放大电路的输入级及要求信噪比在低噪声放大电路的输入级及要求信噪比较高的电路中要选用场效应管。较高的电路中要选用场效应管。7 7场效应管场效应管和三极管均可组成各种放大电路和开关电路，但由于前者和三极管均可组成各种放大电路和开关电路，但由于前者制制造工艺简单造工艺简单，且具有耗电少，热稳定性好，工作电源电压范围宽等优点，且具有耗电少，热稳定性好，工作电源电压范围宽等优点，因而被因而被广泛用于大规模和超大规模集成电路中。广泛用于

44、大规模和超大规模集成电路中。 第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路4.4.1 4.4.1 场电路的直流偏置电路及静态分析场电路的直流偏置电路及静态分析 由场效应管组成放大电路时，也要建立合适的静态工作由场效应管组成放大电路时，也要建立合适的静态工作点点Q，而且场效应管是电压控制器件，因此需要有合适的栅，而且场效应管是电压控制器件，因此需要有合适的栅-源偏置电压。源偏置电压。 常用的直流偏置电路有两种形式，即自偏压电路和分常用的直流偏置电路有两种形式，即自偏压电路和分压式自偏压电路。压式自偏压电路。 4.4 4.4 场效应管放大电路场效应管放大电路第四章第四章 场效应管放大电路场效应管

45、放大电路N N沟道耗尽型结型沟道耗尽型结型场效应管放大器的自偏压电路如图场效应管放大器的自偏压电路如图1(a)1(a)所示。所示。其中场效应管的栅极通过电阻其中场效应管的栅极通过电阻RgRg接地，源极通过电阻接地，源极通过电阻R R接地。接地。 场效应管放大器的自偏压电路场效应管放大器的自偏压电路 一、直流偏置电路一、直流偏置电路1.自偏压电路自偏压电路第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路工作原理工作原理 这种偏置方式靠漏极电流这种偏置方式靠漏极电流ID在源极电阻在源极电阻R上产生的电压上产生的电压为栅为栅-源极间提供一个偏置电压源极间提供一个偏置电压VGS，故称为自偏压电路。，故称

46、为自偏压电路。静态时，源极电位静态时，源极电位VS=IDR。由于。由于栅极电流为零栅极电流为零，Rg上没有上没有电压降，栅极电位电压降，栅极电位VG=0，所以栅源偏置电压，所以栅源偏置电压VGS=VGVS=IDR 。耗尽型耗尽型MOS管管也可采用这种形式的偏也可采用这种形式的偏置电路。置电路。第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路 图图1(b)1(b)所示电路是自偏压电路的所示电路是自偏压电路的特例特例，其中，其中V VGSGS=0=0。显然这。显然这种偏置电路只种偏置电路只适用于耗尽型适用于耗尽型MOSMOS管管，因为在栅源电压大于零、等，因为在栅源电压大于零、等于零和小于零的一定范

47、围内，耗尽型于零和小于零的一定范围内，耗尽型MOSMOS管均能正常工作。管均能正常工作。 增强型增强型MOSMOS管只有在栅管只有在栅- -源电压达到其开启电压源电压达到其开启电压V VT T时，才有时，才有漏极电流漏极电流I ID D产生，因此图产生，因此图1 1所示的自偏压电路非增强型所示的自偏压电路非增强型MOSMOS管。管。 第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路2 2分压器式自偏压电路分压器式自偏压电路 分压器式自偏压电路是在自偏压电路的基础上加接分压电分压器式自偏压电路是在自偏压电路的基础上加接分压电路后构成的，如图路后构成的，如图2 2所示。所示。 图 2 第四章第四章

48、场效应管放大电路场效应管放大电路工作原理工作原理：静态时，由于栅极电流为零，静态时，由于栅极电流为零，Rg3上没有电压降，所以栅极上没有电压降，所以栅极电位由电位由Rg2与与Rg1对电源对电源VDD分压得到，即分压得到，即 源极电位源极电位 VS=IDR，因此栅源直流偏置电压因此栅源直流偏置电压 VGS=VG-VS 。适用范围适用范围：这种偏置方式同样适用于：这种偏置方式同样适用于结型场效应管或耗尽结型场效应管或耗尽型型MOSMOS管管组成的放大电路，还适用于组成的放大电路，还适用于增强型增强型管电路。管电路。 DDgggGVRRRV212第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路二、静态

49、工作点的确定二、静态工作点的确定 1 1估算法求静态工作点估算法求静态工作点 对场效应管放大电路的静态分析也可以采用图解法或对场效应管放大电路的静态分析也可以采用图解法或公式估算法，图解法的步骤与双极型三极管放大电路的图公式估算法，图解法的步骤与双极型三极管放大电路的图解法相似。这里仅讨论用公式估算法求静态工作点。解法相似。这里仅讨论用公式估算法求静态工作点。 第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路工作在饱和区时，结型场效应管和耗尽型工作在饱和区时，结型场效应管和耗尽型MOS管的漏极电流管的漏极电流 增强型增强型MOSMOS管的漏极电流管的漏极电流 第四章第四章 场效应管放大电路场效应

50、管放大电路求静态工作点时，对于图求静态工作点时，对于图1(a)1(a)所示的自偏压电路，可求解方程组所示的自偏压电路，可求解方程组 得到得到I ID D和和V VGSGS管压降管压降 第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路对于图对于图2 2所示电路，可求解方程组所示电路，可求解方程组 管压降管压降 V VDS=V=VDDIID( R( Rd + R ) + R ) 第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路图一图二RSRg1Rg2Rg3Rd第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路例例1 下图电路中，设场效应管为下图电路中，设场效应管为JFET，已知，已知Rg1=300K ，R

51、g2=150K ，VDD=18V，Rd=3K ，RS=3K ，Rg3=1M ，ID0=2.5mA，VT=-2.5V，试用估算法求解静态工作点。，试用估算法求解静态工作点。CsRLC1C2RSRg1Rg2Rg3Rd+vi-+v0-第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路RSRg1Rg2Rg3Rd解解： （1）画出电路的直流通路。如下图所示）画出电路的直流通路。如下图所示第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路（2）写出输入、输出回路方程）写出输入、输出回路方程V VDS=V=VDDIID( R( Rd + R ) + R ) 将已知条件代入上式得：将已知条件代入上式得：VmAviiv

52、VivGSDDDSDGS25215261836).(.)()(第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路（3）联立求解得：）联立求解得：应舍去）,(.,.PGSGSVVvVv5255225021mAiD072.VvDS585.所以：所以：VvVGSGSQ22501.mAiIDDQ072.VvVDSDSQ585.第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路 4.4.2 场效应管放大电路的的小信号模型分析法场效应管放大电路的的小信号模型分析法 一、场效应管的小信号模型一、场效应管的小信号模型 1. 1. 场效应管也是非线性场效应管也是非线性器件，在输入信号电压很小器件，在输入信号电压很小的条

53、件下，也可将其用小信的条件下，也可将其用小信号模型等效。号模型等效。与建立双极型与建立双极型三极管小信号模型相似，将三极管小信号模型相似，将场效应管也看成一个两端口场效应管也看成一个两端口网络，以结型场效应管为例，网络，以结型场效应管为例，栅极与源极之间为输入端口，栅极与源极之间为输入端口，漏极与源极之间为输出端口，漏极与源极之间为输出端口，如图如图1 1（a a）所示。）所示。 +vGS-vDS第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路(1)(1)输入端口输入端口无论是哪种类型的场效应管，均可以认为栅极电流为零，无论是哪种类型的场效应管，均可以认为栅极电流为零，输入端口视为开路，栅输入端

54、口视为开路，栅-源极间只有电压存在。源极间只有电压存在。 (2)输出端口输出端口在输出端口，漏极电流在输出端口，漏极电流i iD是是v vGS和和v vDS的函数，即的函数，即 第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路（1 1）互导）互导g gm m2.2.研究电压、电流间的微变关系时，要用全微分表示研究电压、电流间的微变关系时，要用全微分表示，即，即 在介绍场效应管参数时已经讲过在介绍场效应管参数时已经讲过常数DSVGSDmvigg gm m称为低频跨导，表征称为低频跨导，表征v vGSGS对对i iD D的控制能力。的控制能力。 DSvDSDGSvGSDDdvvidvvidiGSDS

55、第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路（r rd d为场效应管的输出电阻），表明为场效应管的输出电阻），表明v vDSDS对对i iD D的影响程度。的影响程度。 分别用分别用g gm和和r rd d代入代入d diD D的表达式，则得的表达式，则得 （2）输出电阻）输出电阻rdGSVDDSdivrGSdGSmDdvrdvgdi1第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路（3）小信号参数）小信号参数dmrg 称为电压放大系数，是一个无量纲的数。称为电压放大系数，是一个无量纲的数。DDDIgsdsIGSDSIGSDSvvvvvv 第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路3. 3

56、. 场效应管的低频小信号模型场效应管的低频小信号模型 （1）在低频小信号条件下，场效应管可用图）在低频小信号条件下，场效应管可用图 (b)所示的模型等效所示的模型等效+vGS-vDSVGS rgsrdV0gmVgs（b）低频模型）低频模型第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路（2 2）高频小信号模型）高频小信号模型（c）高频模型）高频模型第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路 1. 1.共源极放大电路及其小信号模型分析法共源极放大电路及其小信号模型分析法 与双极型三极管放大电路相对应，场效应管放大电与双极型三极管放大电路相对应，场效应管放大电路也有三种基本组态，即共源极、共漏极

57、和共栅极放大路也有三种基本组态，即共源极、共漏极和共栅极放大电路（由于共栅连接时，栅极与沟道间的高阻未能发挥电路（由于共栅连接时，栅极与沟道间的高阻未能发挥作用，故共栅电路很少使用）。用场效应管小信号模型作用，故共栅电路很少使用）。用场效应管小信号模型分析其放大电路的步骤，与三极管放大电路的小信号模分析其放大电路的步骤，与三极管放大电路的小信号模型分析法的步骤相同。型分析法的步骤相同。 二、应用小信号模型法分析二、应用小信号模型法分析FETFET放大电路放大电路第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路C1C2RSRg1Rg2Rg3Rd+vi-+v0-Td共源电路及其小信号等效电路共源电路

58、及其小信号等效电路第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路+Vi-+V0-Rg3Rg2Rg1RSrgsrdRdIdgmVgsgds共源极电路低频小信号模型共源极电路低频小信号模型第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路+Vi-+V0-Rg3Rg2Rg1RSrgsRdIdgmVgsgds中频小信号模型中频小信号模型 场效应管的输出电阻场效应管的输出电阻rd通常在几百千欧数量级，比电阻通常在几百千欧数量级，比电阻Rd、RL大得多，因此可将大得多，因此可将rd作开路处理，作开路处理，第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路1 1中频电压增益中频电压增益式中负号表示共源极放大电路的输

59、出电压与输入电压相位相式中负号表示共源极放大电路的输出电压与输入电压相位相反，即共源放大电路属于反相电压放大电路。反，即共源放大电路属于反相电压放大电路。 )(SmgsSgsmgsiRgVRVgVV1dgsmORVgVsmdmVmRgRgA1第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路3输出电阻输出电阻 应用前面介绍过的求放大电路输出电阻的方法，可求得图应用前面介绍过的求放大电路输出电阻的方法，可求得图1 1所示电路的输出电阻为所示电路的输出电阻为 2输入电阻输入电阻 由于场效应管栅极几乎不取信号电流，栅由于场效应管栅极几乎不取信号电流，栅- -源极间的交流电源极间的交流电阻阻r rgsgs

60、可视为无穷大，因此，图可视为无穷大，因此，图1 1所示共源极放大电路的输入电阻所示共源极放大电路的输入电阻为为 )/(213gggiRRRRdddORrRR/第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路 由上述分析可知，与共射极放大电路类似，共源由上述分析可知，与共射极放大电路类似，共源极放大电路具有一定的电压放大能力，且输出电压与极放大电路具有一定的电压放大能力，且输出电压与输入电压反相，故被称为反相电压放大器。共源极放输入电压反相，故被称为反相电压放大器。共源极放大电路的输入电阻很高，输出电阻主要由漏极电阻大电路的输入电阻很高，输出电阻主要由漏极电阻R Rd d决定。适用于作多级放大电路