第4章 场效应管及其基本放大电路

1、第第4章章 场效应管及其基本放大电路场效应管及其基本放大电路 4.1 引言引言 4.2 场效应管场效应管 4.3 场效应管基本放大电路场效应管基本放大电路 1. 场效应管是如何通过栅源电压控制漏极场效应管是如何通过栅源电压控制漏极电流的？电流的？ 2. 场效应管的输出特性曲线和转移特性曲场效应管的输出特性曲线和转移特性曲线与双极型晶体管有何异同？线与双极型晶体管有何异同？ 3. 场效应管基本放大电路的静动态性能指场效应管基本放大电路的静动态性能指标与双极型晶体管基本放大电路有何异同？标与双极型晶体管基本放大电路有何异同？ 4. 场效应管基本放大电路的频率特性与双场效应管基本放大电路的频率特性与

2、双极型晶体管基本放大电路有何异同？极型晶体管基本放大电路有何异同？4.1 引言引言4.2场效应管场效应管场效应管：场效应管：一种载流子参与导电，利用输入回路的电场效一种载流子参与导电，利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的三极管，又称应来控制输出回路电流的三极管，又称单极型三极管。单极型三极管。场效应管分类场效应管分类结型场效应管结型场效应管绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管特点特点单极型器件单极型器件( (一种载流子导电一种载流子导电) )；输入电阻高；输入电阻高；工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低。工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低。 N沟道沟道P沟道沟道增强型增强型耗尽型耗尽型

3、N沟道沟道P沟道沟道N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)场效应管场效应管分类：分类：4.2.1绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管 MOSFETMOSFETMetal-Oxide Semiconductor Field Effect TransistorMetal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor 由金属、氧化物和半导体制成。称为由金属、氧化物和半导体制成。称为金属金属-氧化物氧化物-半半导体场效应管导体场效应管，或简称，或简称 MOS 场效应管场效应管。特点：

4、输入电阻可达特点：输入电阻可达 1010 以上。以上。类型类型N 沟道沟道P 沟道沟道增强型增强型耗尽型耗尽型增强型增强型耗尽型耗尽型UGS = 0 时漏源间存在导电沟道称时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管；耗尽型场效应管；UGS = 0 时漏源间不存在导电沟道称时漏源间不存在导电沟道称增强型场效应管。增强型场效应管。一、一、N 沟道增强型沟道增强型 MOSFET 1.结构结构P 型衬底型衬底N+N+BGSDSiO2源极源极 S漏极漏极 D衬底引线衬底引线 B栅极栅极 GN 沟道增强型沟道增强型MOSFET的结构示意图的结构示意图SGDB2. 工作原理工作原理 绝缘栅场效应管利用绝缘栅场效应

5、管利用 UGS 来控制来控制“感应电荷感应电荷”的多的多少，改变由这些少，改变由这些“感应电荷感应电荷”形成的导电沟道的状况，形成的导电沟道的状况，以控制漏极电流以控制漏极电流 ID。( (1) )栅源电压栅源电压UGS对漏极电流对漏极电流iD的控制作用的控制作用 漏源之间相当于两个背靠漏源之间相当于两个背靠背的背的 PN 结，无论漏源之间加何结，无论漏源之间加何种极性电压，种极性电压，总是不导电总是不导电。SBDUDS = 0，0 UGS UT) )导电沟道呈现一个楔形。导电沟道呈现一个楔形。漏极形成电流漏极形成电流 ID 。UDS= UGS UT， UGD = UT靠近漏极沟道达到临界开靠

6、近漏极沟道达到临界开启程度，出现预夹断。启程度，出现预夹断。UDS UGS UT， UGD UT由于夹断区的沟道电阻很大，由于夹断区的沟道电阻很大，UDS 逐渐增大时，导电逐渐增大时，导电沟道两端电压基本不变，沟道两端电压基本不变， iD因而基本不变。因而基本不变。UDS UTP 型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDDP 型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDDP 型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDD夹断区夹断区DP型衬底型衬底N+N+BGSVGGVDDP型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDDP型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDD夹断区夹断区UDS 对导电沟道的影响对导电沟道的影响

7、( (a) ) UGD UT( (b) ) UGD = UT( (c) ) UGD UGS UT时，对应于不同的时，对应于不同的uGS就有一个确定的就有一个确定的iD 。此时，此时， 可以把可以把iD近似看成是近似看成是uGS控制的电流源。控制的电流源。3. 特性曲线与电流方程特性曲线与电流方程( (2) )转移特性转移特性UGS UT 时时) )UT 2UTIDOuGS /ViD /mAO( (1) )输出特性输出特性三个区：可变电阻区、三个区：可变电阻区、恒流区恒流区( (或饱和区或饱和区) )、夹断、夹断区。区。iD/mAuDS /VOTGSUU 预夹断轨迹预夹断轨迹恒流区恒流区 可变可

8、变电阻区电阻区夹断区夹断区UGS增加增加二、二、N 沟道耗尽型沟道耗尽型 MOSFETP型衬底型衬底N+N+BGSD+制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子，制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子，这些正离子电场在这些正离子电场在 P 型衬底中型衬底中“感应感应”负电荷，形成负电荷，形成“反反型层型层”。即使。即使 UGS = 0 也会形成也会形成 N 型导电沟道。型导电沟道。+UGS = 0，UDS 0，产生，产生较大的漏极电流；较大的漏极电流；UGS 0；UGS 正、负、正、负、零均可。零均可。iD/mAuGS /VOUP( (a) )转移特性转移特性IDSS耗尽型耗尽型 MO

9、S MOS 管的符号管的符号SGDB( (b) )输出特性输出特性iD/mAuDS /VO+1VUGS=0- -3 V- -1 V- -2 V432151015 20N 沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET三、三、P沟道增强型和耗尽型沟道增强型和耗尽型MOSFETP沟道增强型沟道增强型MOS管管的开启电压的开启电压UGS(th) 0当当UGS UGS(th) ，漏漏-源之间应加负电源电压源之间应加负电源电压管子才导通管子才导通,空穴导电空穴导电。P沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管管的夹断电压的夹断电压UGS(off)0UGS 可在正、负值的一定范围内实现对可在正、负值的一定范围内实现对iD的控制的控制

10、，漏漏-源之间应加负电源电压。源之间应加负电源电压。SGDBP沟道沟道SGDBP沟道沟道DSGN符符号号4.2.2结型场效应管结型场效应管Junction Field Effect Transistor1.结构结构N 沟道结型场效应管结构图沟道结型场效应管结构图N型型沟沟道道N型硅棒型硅棒栅极栅极源极源极漏极漏极P+P+P 型区型区耗尽层耗尽层( (PN 结结) )在漏极和源极之间加在漏极和源极之间加上一个正向电压，上一个正向电压，N 型半型半导体中多数载流子导体中多数载流子电子电子可可以导电。以导电。导电沟道是导电沟道是 N 型的，型的，称称 N 沟道结型场效应管沟道结型场效应管。P 沟道场

11、效应管沟道场效应管P 沟道结型场效应管结构图沟道结型场效应管结构图N+N+P型型沟沟道道GSD P 沟道场效应管是在沟道场效应管是在 P 型硅棒的两侧做成高掺型硅棒的两侧做成高掺杂的杂的 N 型区型区( (N+) )，导电沟导电沟道为道为 P 型型，多数载流子为，多数载流子为空穴。空穴。符号符号GDS2. 工作原理工作原理 N 沟道结型场效应管沟道结型场效应管用改变用改变 UGS 大小来控制漏极电大小来控制漏极电流流 ID 的。的。(VCCS)GDSNN型型沟沟道道栅极栅极源极源极漏极漏极P+P+耗尽层耗尽层*在栅极和源极之间在栅极和源极之间加反向电压，耗尽层会变加反向电压，耗尽层会变宽，导电

12、沟道宽度减小，宽，导电沟道宽度减小，使沟道本身的电阻值增大，使沟道本身的电阻值增大，漏极电流漏极电流 ID 减小，反之，减小，反之，漏极漏极 ID 电流将增加。电流将增加。 *耗尽层的宽度改变耗尽层的宽度改变主要在沟道区。主要在沟道区。（1） 栅源电压栅源电压uGS 对漏极电流对漏极电流iD的控制作用的控制作用ID = 0GDSN型型沟沟道道P+P+ ( (a) ) UGS = 0UGS = 0 时，耗尽时，耗尽层比较窄，导电沟层比较窄，导电沟比较宽比较宽UGS 由零逐渐减小，耗尽由零逐渐减小，耗尽层逐渐加宽，导电沟相层逐渐加宽，导电沟相应变窄。应变窄。当当 UGS = UGS（Off)，耗尽

13、层，耗尽层合拢，导电沟被夹断合拢，导电沟被夹断.ID = 0GDSP+P+N型型沟沟道道( (b) ) UGS(off) UGS UGS（Off) ，iD 较大较大。GDSP+NiSiDP+P+VDDVGG uGS UGS（Off) ，iD 更小。更小。GDSNiSiDP+P+VDD注意：当注意：当 uDS 0 时，耗尽层呈现楔形。时，耗尽层呈现楔形。( (a) )( (b) )uGD uGS uDS （2） 漏源电压漏源电压uDS 对漏极电流对漏极电流iD的控制作用的控制作用GDSP+NiSiDP+P+VDDVGGuGS 0,uGD = UGS(off), ,沟道变窄预夹断沟道变窄预夹断 u

14、GS 0 ,uGD uGS(off),夹断，夹断，iD几乎不变几乎不变GDSiSiDP+VDDVGGP+P+( (1) ) 改变改变 uGS ，改变了改变了 PN 结中电场，控制了结中电场，控制了 iD ，故称场效应管；，故称场效应管； ( (2) )结型场效应管栅源之间加反向偏置电压，使结型场效应管栅源之间加反向偏置电压，使 PN 反偏，栅极反偏，栅极 基本不取电流，因此，场效应管输入电阻很高。基本不取电流，因此，场效应管输入电阻很高。( (c) )( (d) )当当uGD uGS(off),时，时， , uGS 对漏极电流对漏极电流iD的控制作用的控制作用场效应管用场效应管用低频跨导低频跨

15、导gm的大小描述栅源电压对漏极电流的大小描述栅源电压对漏极电流的控制作用。的控制作用。场效应管为电压控制元件场效应管为电压控制元件(VCCS)。在在uGD uGS uDS uGS(off)情况下情况下, 即当即当uDS uGS -uGS(off) 对应于不同的对应于不同的uGS ，d-s间等效成不同阻值的电阻。间等效成不同阻值的电阻。(2)当当uDS使使uGD uGS(off)时，时，d-s之间预夹断之间预夹断(3)当当uDS使使uGD U(BR)GS ，PN 将被击穿，这种击穿与电容击将被击穿，这种击穿与电容击穿的情况类似，属于破坏性击穿。穿的情况类似，属于破坏性击穿。（1）最大漏极电流）最

16、大漏极电流IDM4. 型号型号晶体管晶体管场效应管场效应管结构结构NPN型、型、PNP型型结型耗尽型结型耗尽型 N沟道沟道 P沟道沟道绝缘栅增强型绝缘栅增强型 N沟道沟道 P沟道沟道绝缘栅耗尽型绝缘栅耗尽型 N沟道沟道 P沟道沟道C与与E一般不可倒置使用一般不可倒置使用D与与S有的型号可倒置使用有的型号可倒置使用载流子载流子 多子扩散少子漂移多子扩散少子漂移 多子运动多子运动输入量输入量 电流输入电流输入 电压输入电压输入控制控制电流控制电流源电流控制电流源CCCS()电压控制电流源电压控制电流源VCCS(gm)4.2.4 双极型晶体管和场效应管的比较双极型晶体管和场效应管的比较噪声噪声 较大

17、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，可有零温较小，可有零温度系数点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 适宜大规模和适宜大规模和超大规模集成超大规模集成晶体管晶体管场效应管场效应管场效应管场效应管1. 分类分类按导电沟道分按导电沟道分 N 沟道沟道P 沟道沟道按结构分按结构分 绝缘栅型绝缘栅型( (MOS) )结型结型按特性分按特性分 增强型增强型耗尽型耗尽型uGS = 0 时，时， iD = 0uGS =

18、 0 时，时， iD 0增强型增强型耗尽型耗尽型( (耗尽型耗尽型) )2. 特点特点栅源电压改变沟道宽度从而控制漏极电流栅源电压改变沟道宽度从而控制漏极电流输入电阻高，工艺简单，易集成输入电阻高，工艺简单，易集成由于由于 FET 无栅极电流，故采用无栅极电流，故采用转移特性转移特性和和输出特性输出特性描述描述3. 特性特性不同类型不同类型 FET 的特性比较参见的特性比较参见 图图1.4.13 第第 43-44页。页。不同类型不同类型 FET 转移特性比较转移特性比较结型结型N 沟道沟道uGS /ViD /mAO增强型增强型耗尽型耗尽型MOS 管管( (耗尽型耗尽型) )2GS(th)GSD

19、OD)1(- - UuIiIDSS开启电压开启电压UGS(th)夹断电压夹断电压UGS(off)2GS(off)GSDSSD)1(UuIi- - IDO 是是 uGS = 2UGS(th) 时的时的 iD 值值4.3场效应管基本放大电路场效应管基本放大电路场效应管是电压控制电流元件，具有高输入阻抗。场效应管是电压控制电流元件，具有高输入阻抗。场效应管放大电路的三种接法场效应管放大电路的三种接法（以（以N沟道结型场效应管为例）沟道结型场效应管为例）场效应管放大电路的三种接法场效应管放大电路的三种接法（a）共源电路（）共源电路（b）共漏电路（）共漏电路（c）共栅电路）共栅电路基本共源放大电路基本共

20、源放大电路VDD+uO- -iDT+- -uIVGGRGSDGRD与双极型三极管对应关系与双极型三极管对应关系b G , e S , c D 为了使场效应管工作为了使场效应管工作在恒流区实现放大作在恒流区实现放大作用，应满足：用，应满足：TGSDSTGS UuuUu- - N 沟道增强型沟道增强型 MOS 场效应管组成的放大电路。场效应管组成的放大电路。( (UT：开启电压：开启电压) )4.3.1 场效应管共源基本放大电路场效应管共源基本放大电路1. 分压式分压式偏置电路偏置电路分压式分压式偏置电路偏置电路+- -T+RGSDGRDR2VDD+RLRSR1C1CSC2+iUoU( (一一)Q

21、)Q点点近似估算法近似估算法根据输入回路列方程根据输入回路列方程 - - - -+ + 2TGSQDSSDQSDQDD211GSQ)1(UUIIRIVRRRU解联立方程求出解联立方程求出 UGSQ 和和 IDQ。列输出回路方程求列输出回路方程求 UDSQUDSQ = VDD IDSS(RD + RS)将将IDQ 代入，求出代入，求出UDSQ一、静态分析一、静态分析 UGSQ 、 IDQ、 UDSQQ点：点： UGSQ 、IDQ 、UDSQUGSQ =2PGSQDSSDQ)1 (UUII-UDSQ =已知已知UP 或或 UGS（Off)VDD- IDQ (Rd + R ) -IDQR可解出可解出

22、Q点的点的UGSQ、 IDQ 、 UDSQ 2. 自给偏压电路自给偏压电路JFET自给偏压共源电路自给偏压共源电路IDQMOS管的管的低频小信号等效模型低频小信号等效模型由于没有栅极电流，所以栅源是悬空的。由于没有栅极电流，所以栅源是悬空的。是一个受控源。是一个受控源。 gsmUg+gsUgsmUgdsUdIDSrgdSsgd二、动态分析二、动态分析1. 场效应管的微变等效电路场效应管的微变等效电路微变参数微变参数 gm 和和 rDS用求导的方法计算用求导的方法计算 gmDDOTTGSTDOGSDm2)1(2ddiIUUuUIuig - - 在在 Q 点附近，可用点附近，可用 IDQ 表示上式

23、中表示上式中 iD，则则DQDOTm2IIUg 一般一般 gm 约为约为 0.1 至至 20 mS。 rDS 为几百千欧的数量级。为几百千欧的数量级。当当 RD 比比 rDS 小得多时，可认为等效电路的小得多时，可认为等效电路的 rDS 开路。开路。2. 动态分析动态分析VDD+uO- -iDT+- -uIVGGRGSDGRD基本共源放大电路的等效电路基本共源放大电路的等效电路将将 rDS 开路开路gsiUU 而而DgsmDdoRUgRIU- - - - 所以所以DmioRgUUAu- - 输出电阻输出电阻Ro = RDMOS 管输入电阻高达管输入电阻高达 109 。- -D+- -gsUgs

24、mUgoUdIDRGSRG+- -iU电压放大倍数电压放大倍数4.3.2 场效应管共漏基本放大电路场效应管共漏基本放大电路源极输出器或源极跟随器源极输出器或源极跟随器共漏基本放大电路共漏基本放大电路典型电路如右图所示。典型电路如右图所示。+VT+SDGR2VDD+RLRSR1C1C2+iUOU- -RG1.静态分析静态分析分析方法与分析方法与“分压分压-自偏自偏压式共源电路压式共源电路”类似，类似，可采用估算法和图解法。可采用估算法和图解法。2.动态分析动态分析（1） 电压放大倍数电压放大倍数微变等效电路微变等效电路LsssgsmoRRRRUgU/ gssmogsiURgUUU)1( + + + + 而而所以所以SmSmio1RgRgUUAu + + . 11 1Sm uuARgA时时，当当可可见见，（2） 输入电阻输入电阻Ri = RG + ( R1 / R2 )D+- -gSUgsmUgoUSRGSiULR+GR1R2R（3）输出电阻）输出电阻微变等效电路微变等效电路在电路中，外加在电路中，外加 ，令，令 ，并使，并使 RL 开路开路OU0i UgsmSooUgRUI- - 因输入端短路，故因输入端短路