第3章场效应晶体管放大电路

1、3.13.1、结型场效应管、结型场效应管3.3 3.3 场效应管的主要参数场效应管的主要参数3.4 3.4 场效应管放大电路场效应管放大电路场效应管场效应管FET与三极管与三极管BJT的区别的区别1. BJT: 是是 电流控制元件电流控制元件； FET: 是是电压控制元件电压控制元件。2. BJT 参与导电的是参与导电的是电子电子空穴空穴，因此称其为双极型器件；，因此称其为双极型器件； FET 是电压控制元件，参与导电的只有是电压控制元件，参与导电的只有一种载流子一种载流子，称为单级型器件。，称为单级型器件。3. BJT 输入电阻较低输入电阻较低，一般，一般102104 ；FET 输入电阻高输

2、入电阻高，可达，可达1091014 场效应管的分类场效应管的分类结型场效应管结型场效应管JFETMOS型场效应管型场效应管MOSFET 双极型三极管双极型三极管 场效应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3.13.1、结型场效应管、结型场效应管3.1.1、结构与

3、工作原理、结构与工作原理漏极漏极 D 集电极集电极 C栅极栅极 G 基极基极 B源极源极 S 发射极发射极 E导通条件：导通条件： UGS 0 UBE 0 UDS 0 UBC 01) 在一定在一定UDS作用下作用下, 栅源极电压栅源极电压 为为负负, 栅源极勾道通栅源极勾道通, UGS决定电流决定电流 iD 的的大小大小2) 沟道中只有一种截流子沟道中只有一种截流子 单极单极型晶体管型晶体管1、结构、结构2. 2. JFETJFET工作原理工作原理 N沟道沟道结型场效应三极管只能工作在结型场效应三极管只能工作在负栅压负栅压区，区，P沟道沟道的的只能工作在只能工作在正栅压正栅压区，当区，当UGS

4、=0时，时， 沟道较宽沟道较宽，在，在UDS的作用的作用下下N沟道内的电子定向运动形成漏极电流沟道内的电子定向运动形成漏极电流ID。当。当UGS0时，时，PN结反偏，结反偏，PN结加宽，漏源间的结加宽，漏源间的沟道将变窄沟道将变窄，ID将减小将减小，当，当UGS继续向负方向增加，沟道继续变窄，继续向负方向增加，沟道继续变窄，ID继续减小直至为继续减小直至为0。当当漏极电流为零漏极电流为零时，所对应的时，所对应的栅源电压栅源电压UGS称为称为夹断电压夹断电压UP。P+P+NGSDUDSIDDP+P+NGSUDSIDUGS预夹断预夹断UGS=UP夹断状态夹断状态ID=0导电沟道导电沟道3.1.2

5、3.1.2 JFETJFET特性曲线特性曲线UP转移特性曲线转移特性曲线输出特性曲线输出特性曲线)(DSDUfi const GSU1. 输出特性曲线：输出特性曲线：l 可变电阻区可变电阻区 l 线性放大区线性放大区 ID=gm UGSl 击穿区击穿区IDSS：饱和栅极漏极电流：饱和栅极漏极电流, UGS=0UP： 预夹断电压预夹断电压, iD=0 UT： 开启电压开启电压, 不通转通不通转通2. 转移特性曲线转移特性曲线：2PGSDSSD)(1UUIIUT3.2.1. N3.2.1. N沟道沟道增强型增强型MOSMOS场效应管场效应管漏极漏极D集电极集电极C源极源极S发射极发射极E栅极栅极G

6、基极基极B衬底衬底B电极电极金属金属绝缘层绝缘层氧化物氧化物基体基体半导体半导体称之为称之为MOS管管类型：类型： N沟道沟道 增强型增强型 P沟道沟道 耗尽型耗尽型退出退出1. 结构和工作原理 当当UGS较小较小时，虽然在时，虽然在P型衬底表面形成型衬底表面形成 一层一层耗尽层耗尽层，但负离子不能导电。，但负离子不能导电。 当当UGS=UT时时, 在在P型衬底表面形成一层型衬底表面形成一层 电子层电子层，形成，形成N型导电沟道型导电沟道 在在UDS的作用下形成的作用下形成ID。UDSID+ +- -+-+- - -UGS反型层反型层 当当UGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的时，漏源之间相

7、当两个背靠背的PN结，无论结，无论UDS之间加上电压之间加上电压 不会在不会在 D、S间形成电流间形成电流ID,即即ID0.当当UGSUT时时, 沟道加厚，沟道电阻沟道加厚，沟道电阻 减少，减少，在相同在相同UDS的作用下的作用下 ID将进一步增加将进一步增加开始无导电沟道，当在开始无导电沟道，当在UGS UT时时才形成沟道才形成沟道,这种类型的管子称为这种类型的管子称为增强型增强型MOS管管 N N沟道沟道增强型增强型MOSMOS工作原理工作原理2.N2.N沟道沟道增强型增强型MOSMOS特性曲线特性曲线 U UDSDS一定时，一定时，U UGSGS对漏极电流对漏极电流I ID D的控制的控

8、制 关系曲线关系曲线 I ID D= =f f( (U UGSGS) ) U UDSDS=C=C 1). 1). 转移特性曲线转移特性曲线UDSUGS-UTUGS(V)ID(mA)UT转移特性曲线的斜率转移特性曲线的斜率g gm m：DSDmGSUCIgU跨导，mS（毫西门子） 21GSDDOGS thuiIUuGS=2UT时对应的iD2). 2). 输出特性曲线输出特性曲线2. 恒流区恒流区：UGS一定，一定，ID基本不随基本不随UDS变化而变变化而变3.击穿区击穿区： UDS 增加到某一值时，增加到某一值时，ID开始剧增开始剧增而出现击穿。而出现击穿。ID开始剧增时开始剧增时UDS称为称为

9、漏源击穿电压。漏源击穿电压。UGS=6VUGS=4VUGS=5VUGS=3VUGS=UT=3VUGS(V)ID(mA)U UGSGS一定时，一定时， I ID D与与U UDSDS的变化曲线，是一族曲线的变化曲线，是一族曲线 I ID D= =f f( (U UDSDS) ) U UGSGS=C =C 1.可变电阻区可变电阻区 3.2.2 N3.2.2 N沟道沟道耗尽型耗尽型MOSMOS场效应管场效应管+ + + + + + + 耗尽型耗尽型MOS管存在管存在原始导电沟道原始导电沟道1. 1. 工作原理工作原理当当UGS=0时，时， UDS加正向电压，产生漏极电流加正向电压，产生漏极电流ID,

10、此时的漏极电流称为此时的漏极电流称为漏极饱和电漏极饱和电流流 IDSS当当UGS0时，将使时，将使ID进一步增加进一步增加。当当UGS0时，时，UGS的减小漏极电流逐渐的减小漏极电流逐渐减小减小。直至。直至ID=0。对应。对应ID=0的的UGS称为夹断称为夹断电压电压 UP退出退出2.2. 特性曲线特性曲线转移特性曲线转移特性曲线UGS(V)ID(mA)UP输出特性曲线输出特性曲线ID(mA)N N沟道沟道耗尽型耗尽型MOSMOS管可工作在管可工作在 U UGSGS 0 0或或U UGSGS0 0 N N沟道沟道增强型增强型MOSMOS管只能工作在管只能工作在 U UGSGS001GSDDSS

11、PUiIU各类场效应三极管的特性曲线各类场效应三极管的特性曲线3.3 3.3 场效应管的主要参数场效应管的主要参数1. 开启电压开启电压UT MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值增强型管的参数，栅源电压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。2. 夹断电压夹断电压UP 夹断电压是耗尽型夹断电压是耗尽型FET的参数，当的参数，当UGS=UP 时时,漏极电流为漏极电流为零。零。3. 饱和漏极电流饱和漏极电流IDSS 耗尽型场效应三极管当耗尽型场效应三极管当UGS=0时所对应的漏极电流。时所对应的漏极电流。4. 直流输入电阻直流输入电阻RGS栅源间所加的恒定电压栅源间

12、所加的恒定电压UGS与流过栅极电流与流过栅极电流IGS之比之比结型场效应管，反偏时结型场效应管，反偏时RGS约大于约大于107，绝缘栅场效应管，绝缘栅场效应管RGS约是约是10910155. 漏源击穿电压漏源击穿电压BUDS 使使ID开始剧增时的开始剧增时的UDS。6.栅源击穿电压栅源击穿电压BUGSJFET：反向饱和电流剧增时的栅源电压：反向饱和电流剧增时的栅源电压 MOS：使：使SiO2绝缘层击穿的电压绝缘层击穿的电压7. 低频跨导低频跨导gm 低频跨导反映了栅压对漏极电低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用流的控制作用)1 (2PGSPDSSconstGSDmDSUUUIUIgu半导体三

13、极管图半导体三极管图片片 参 数型 号PDM m W IDSS m A VRDS VVRGS V VP V gmmA/ V fM MHz3DJ2D 100 20 20 -4 2 3003DJ7E 100 20 20 -4 3 903DJ15H 100 6 11 20 20 -5.5 83DO2E 1000.35 1.2 12 25 1000CS11C 1000.3 1 -25 -4 2 场效应晶体管使用注意事项 不得超过极限参数，还应注意由于感应电压过高而造成击穿的问题； 在测量和使用时，必须始终保持栅-源极之间有一定的直流通路，不允许用万用表的欧姆档定性地测试MOS管； 保存这类管子时，应将

14、各电极短路； 焊接时，最好将3个电极用导线捆绕短路，并顺着源极、栅极的次序焊在电路上； 电烙铁或测试仪表与场效应晶体管接触时，均应事先接地。各种场效应管所加偏压极性小结各种场效应管所加偏压极性小结GSGSGSGSGSGSN(0)P(0)N(0)P(0)N()P()uuuuuu沟道结型沟道沟道场效应管增强型沟道绝缘栅型沟道极性任意耗尽型沟道极性任意3.4 场效应管放大电路场效应管放大电路一、一、 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，使场效应管工静态：适当的静态工作点，使场效应管工作在恒流区。作在恒流区。 (2).动态动态: 能为交流信号提供通路。能为交

15、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。分析方法分析方法N沟道绝缘栅场效应管分析沟道绝缘栅场效应管分析GSDIDUDSUGSGSDUGS=0VU DS （V）ID（mA）01324UGS=+1VUGS=+2VUGS=-1VUGS=-2VQ跨导跨导gm = ID / UGS ID = gm UGSid=gmugsID = gm UGS二、二、 场效应管的微变等效电路场效应管的微变等效电路gsuGSDdidsuSGDrdsgsugsmugdsuidrds = UDS / ID 很大，可忽略。很大，可忽

16、略。场效应管的微变等效电路场效应管的微变等效电路压控电流源压控电流源SGDgsugsmugdsuid三、三、 场效应管的直流偏置电路场效应管的直流偏置电路1、自给自给偏压电路偏压电路(只适用于耗尽型只适用于耗尽型)UGS等于等于0时，就有时，就有ID流过流过Rs,则则uGS =- IsRs = - IDRs2、分压式偏压、分压式偏压电路电路SVGSVGVDDg2g1g2VRRR RID 四、四、 场效应管放大电路分析场效应管放大电路分析1、静态分析、静态分析无输入信号时（无输入信号时（ui=0），），估算：估算：UDS和和 ID。+UDD=+20VuoRSuiCSC2C1R1RDRGR2RL1

17、50K50K1M10K10KGDS10KIDUDSR1=150k R2=50k RG=1M RD=10k RS=10k RL=10k gm =3mA/VUDD=20V设：设：UGUGS则：则：UG US而：而：IG=0mA5 . 0RURUISGSSD V10)RR(IUUDSDDDDS +UDD+20VR1RDRGR2150K50K1M10KRS10KGDS所以：所以：V5URRRUDD212G =直流通道直流通道IDUDSIG2、 动态分析动态分析微变等效电路微变等效电路+UDD=+20VuoRSuiCSC2C1R1RDRGR2RL150K50K1M10K10KGDS10KSGR2R1RG

18、DRLRDUgsgmUgsUiUoIdSGDgsugsmugdsuid 动态分析：动态分析：UgsUiUgsgmIdrirogsiUU UoSGR2R1RGRL DRLRD)R/R(UgULDgsmo = gm UiRL LmuRgA 电压放大倍数电压放大倍数负号表示输出输入反相负号表示输出输入反相电压放大倍数估算电压放大倍数估算LmuRgA R1=150k R2=50k RG=1M RS=10k RD=10k RL=10k gm =3mA/VUDD=20V=-3 （10/10）=-15RL=RD/RLro=RD =10K SGR2R1RGRL DRLRD输入电阻、输出电阻输入电阻、输出电阻=1+0.15/0.05=1.0375M R1=150k R2=50k RG=1M RD=10k RS