第四章：场效应管及放大电路

1、模拟电子模拟电子(1-1) 第五章第五章 场效应管放大电路场效应管放大电路模拟电子模拟电子(1-2)N沟道沟道P沟道沟道增强型增强型耗尽型耗尽型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)场效应管分类：场效应管分类：模拟电子模拟电子(1-3)4.1结型场效应管（结型场效应管（JFET)场效应管又称单极型晶体管，与双场效应管又称单极型晶体管，与双极型晶体管不同，它是多子导电，输极型晶体管不同，它是多子导电，输入阻抗高，温度稳定性好。入阻抗高，温度稳定性好。结型场效应管结型场效应管JFET绝缘栅型场效应

2、管绝缘栅型场效应管MOS场效应管有两种场效应管有两种:模拟电子模拟电子(1-4)N基底基底 ：N型半导体型半导体PP两边是两边是P区区G(栅极栅极)S源极源极D漏极漏极（1）结构）结构1. 结型场效应管的结构和工作原理结型场效应管的结构和工作原理导电沟道导电沟道模拟电子模拟电子(1-5)NPPG(栅极栅极)S源极源极D漏极漏极N沟道结型场效应管沟道结型场效应管DGS模拟电子模拟电子(1-6)PNNG(栅极栅极)S源极源极D漏极漏极P沟道结型场效应管沟道结型场效应管DGS模拟电子模拟电子(1-7)PGSDVDSVGSNN（2）工作原理（以）工作原理（以P沟道为例）沟道为例）NNPN结反偏，结反偏

3、，VGS越大则耗越大则耗尽区越宽，导尽区越宽，导电沟道越窄。电沟道越窄。VDS=0时时模拟电子模拟电子(1-8)VDS=0时时PGSDVDSVGSNNNNVGS越大耗尽区越越大耗尽区越宽，沟道越窄，宽，沟道越窄，电阻越大。电阻越大。但当但当VGS较小时，耗较小时，耗尽区宽度有限，存尽区宽度有限，存在导电沟道。在导电沟道。DS间间相当于线性电阻。相当于线性电阻。模拟电子模拟电子(1-9)PGSDVDSVGSNNVDS=0时时VGS达到一定值时达到一定值时（夹断电压夹断电压VP）,耗尽区碰到一起，耗尽区碰到一起，DS间被夹断，漏间被夹断，漏极电流是极电流是ID=0。模拟电子模拟电子(1-10)PG

4、SDVDSVGSNN越靠近漏端，越靠近漏端，PN结反压越大结反压越大UDS较小时较小时VGSVp且且VDS较大时较大时VGDVP时耗尽区的形状时耗尽区的形状模拟电子模拟电子(1-11)PGSDVDSVGSNN沟道中仍是电沟道中仍是电阻特性，但是阻特性，但是是非线性电阻。是非线性电阻。UDS较小时较小时VGSVp且且VDS较大时较大时VGDVP时耗尽区的形状时耗尽区的形状模拟电子模拟电子(1-12)GSDVDSVGSNN漏端的沟道被夹断，漏端的沟道被夹断，称为称为预夹断。预夹断。VDS增大则被夹增大则被夹断区向下延伸。断区向下延伸。VDS增大时增大时模拟电子模拟电子(1-13)GSDVDSVGS

5、VGS0时时VGS足够大时足够大时（VGSVT）感应出足够多感应出足够多电子，这里以电子，这里以电子导电为主电子导电为主出现出现N型的导型的导电沟道。电沟道。感应出电子感应出电子VT称为阈值电压称为阈值电压模拟电子模拟电子(1-28)VGSPNNGSDVDSVGS较小时，较小时，导电沟道相当导电沟道相当于电阻将于电阻将D-S连接起来，连接起来，VGS越大此电越大此电阻越小。阻越小。模拟电子模拟电子(1-29)VGSPNNGSDVDS当当VDS不太大不太大时，导电沟时，导电沟道在两个道在两个N区区间是均匀的。间是均匀的。当当VDS较较大时，靠大时，靠近近D区的区的导电沟道导电沟道变窄。变窄。模拟

6、电子模拟电子(1-30)VGSPNNGSDVDSVDS增加，增加，VGD=VT时，时，靠近靠近D端的沟端的沟道被夹断，道被夹断，称为称为预预夹断。夹断。夹断后夹断后ID呈呈恒流特性。恒流特性。ID模拟电子模拟电子(1-31)分析分析:（1）栅极电压）栅极电压vGS正偏；利用正偏；利用vGS大小改变大小改变半导体表面感生电荷的多少，从而控制半导体表面感生电荷的多少，从而控制iD的大小。的大小。vGS=0时时vGS0 到到vGS VT时时无沟道无沟道 iD=0导电沟道形成导电沟道形成iD 0 vGS 沟道变宽沟道变宽 iD vGS 沟道变窄沟道变窄 iD 模拟电子模拟电子(1-32)（2）漏极电压

7、）漏极电压vDS对对iD有影响有影响vDS=0时，导电沟道等宽。时，导电沟道等宽。vDS 0时，导电沟道不等宽。时，导电沟道不等宽。夹断条件夹断条件vGD=VT(开启电压）开启电压）夹断前：夹断前： vDS iD 管子呈现恒阻性管子呈现恒阻性夹断后：夹断后： vDS iD 几乎不变几乎不变 管子呈现恒流性管子呈现恒流性压控电阻压控电阻放大区放大区模拟电子模拟电子(1-33)（3）耗尽型）耗尽型MOSFET特点特点事先在绝缘层与衬底加一定的正电荷或负电荷，事先在绝缘层与衬底加一定的正电荷或负电荷，使外加的使外加的vGS可正可负。可正可负。模拟电子模拟电子(1-34)2. 增强型增强型N沟道沟道M

8、OS管的特性曲线管的特性曲线转移特性曲线转移特性曲线0iDvGSVT模拟电子模拟电子(1-35)输出特性曲线输出特性曲线iDv DS0vGS0模拟电子模拟电子(1-36)耗尽型耗尽型N沟道沟道MOS管的特性曲线管的特性曲线耗尽型的耗尽型的MOS管管VGS=0时就有导电沟道，时就有导电沟道，加反向电压才能夹断。加反向电压才能夹断。转移特性曲线转移特性曲线0iDvGSVT模拟电子模拟电子(1-37)输出特性曲线输出特性曲线iDv DS0vGS=0vGS0模拟电子模拟电子(1-38)总结场效应管的特点：总结场效应管的特点：场效应管为压控电流器件。场效应管为压控电流器件。输入电阻很高输入电阻很高 J型

9、型106109 J型型1015 只有一种载流子导电只有一种载流子导电 N沟道为电子沟道为电子 P沟道为空穴沟道为空穴称单极型晶体管，故热稳定性好。称单极型晶体管，故热稳定性好。模拟电子模拟电子(1-39)制造工艺简单，易于集成。制造工艺简单，易于集成。栅极面积大，高频特性不好。栅极面积大，高频特性不好。模拟电子模拟电子(1-40)4.3场效应管的主要性能参数场效应管的主要性能参数1.直流参数：直流参数：VP-耗尽型耗尽型(夹断电压夹断电压)VT-增强型增强型(开启电压开启电压)IDSS-耗尽型耗尽型(饱和漏电流饱和漏电流)RGS (直流输入电阻直流输入电阻)V(BR)DSV(BR)GS反向电压

10、反向电压PDM=iD vDS(功耗功耗)模拟电子模拟电子(1-41)2.动态参数：动态参数：Cvvig DSGSDm)V1(V2PGSPDSSVI CDDSdGS vivr互导互导动态电阻动态电阻值很大值很大极间电容极间电容噪声系数噪声系数模拟电子模拟电子(1-42)3.使用时应注意的问题使用时应注意的问题J型型vGS不能接反。不能接反。IG型型存放时三个电极不能开路。存放时三个电极不能开路。焊接时不能带电（烙铁外皮必须接地）。焊接时不能带电（烙铁外皮必须接地）。IG型衬底的处理应妥善：型衬底的处理应妥善：N衬底接高电平衬底接高电平P衬底接低电平衬底接低电平外接好的，外接好的，与源极相连与源极

11、相连模拟电子模拟电子(1-43)4.4 场效应管放大电路场效应管放大电路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，使静态：适当的静态工作点，使FET工作在恒流工作在恒流区，场效应管的偏置电路相对简单。区，场效应管的偏置电路相对简单。 (2).动态动态: 能为交流信号提供通路。能为交流信号提供通路。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。分析方法分析方法模拟电子模拟电子(1-44)场效应管放大电路分场效应管放大电路分共源极放大电路共源极放大电路共漏极放大电路共漏极放大电路共栅极放

12、大电路共栅极放大电路重点介绍重点介绍模拟电子模拟电子(1-45)1. 场效应管的直流偏置电路及静态分析场效应管的直流偏置电路及静态分析(1) 共源极共源极JFET直流偏置电路直流偏置电路 自偏压电路自偏压电路 +-vi+-vo+Cb2C+Cb1gdsRg0.01uF10M R2k 47uF30k Rd4.7uFVDD18V直流通路图直流通路图+gdsRg10M R2k 30k RdVDD18V模拟电子模拟电子(1-46)+gdsRg10M R2k 30k RdVDD18V直流通路图直流通路图电路特点电路特点: 栅电压是自给的（只适用栅电压是自给的（只适用于耗尽型），即不外加电于耗尽型），即不外

13、加电压时也有一定的漏电流。压时也有一定的漏电流。很很大大，相相当当于于开开路路，gR)(0G栅极不吸取电流栅极不吸取电流 VRIV DGS模拟电子模拟电子(1-47)分压器式自偏压电路分压器式自偏压电路+VDDvoRviCCb2Cb1Rg1RdRg3Rg22M 47k 10M 30k 2k gds18V+0.01uF47uF4.7uF+-+-+VDDRRg1RdRg3Rg22M 47k 10M 30k 2k gds18V直流通路图直流通路图模拟电子模拟电子(1-48)电路特点电路特点: 栅极电压是通过分压获得的栅极电压是通过分压获得的,适用于耗尽型和增强型。适用于耗尽型和增强型。00g3 RV

14、，故故栅栅极极电电流流为为DDg2g1g2GVRRRV RIVRRRVDDDg2g1g2GS +VDDRRg1RdRg3Rg22M 47k 10M 30k 2k gds18V直流通路图直流通路图 DDg2g1g2DVRRRRI模拟电子模拟电子(1-49)(2)静态工作点的确定静态工作点的确定 公式计算法公式计算法2PGSDSSD1 VvIi+VDDRRg1RdRg3Rg22M 47k 10M 30k 2k gds18V直流通路图直流通路图RIVRRRVDDDg2g1g2GS 根据根据求得求得VGS、ID和和VDS模拟电子模拟电子(1-50)dsg+-vGS+-vDSiD),(DSGSDvvfi

15、 若场效应管工作在小信号若场效应管工作在小信号状态，则对该式取全微分：状态，则对该式取全微分：DSVDSDGSVGSDDGSDSdvvidvvidi 为无限小的信号增量，将它为无限小的信号增量，将它们用有限增量代替们用有限增量代替idvgsvds2. 场效应管放大电路的小信号模型分析法场效应管放大电路的小信号模型分析法(1)小信号模型小信号模型 模拟电子模拟电子(1-51)dsg+-vGS+-vDSiDdsdgsmd1vrvgi dsdgsmd1VrVgI DSVDSDGSVGSDDGSDSdvvidvvidi idvgsvdsdDSD1rvi mGSDgvi 跨导跨导漏极输漏极输出电阻出电阻

16、模拟电子模拟电子(1-52)dsg+-vGS+-vDSiDdsdgsmd1vrvgi dsdgsmd1VrVgI gsV+-dsV+-rdsgdgsVgmdIFET低频小信号模型低频小信号模型模拟电子模拟电子(1-53)(2)应用小信号模型法分析场效应管放大电路应用小信号模型法分析场效应管放大电路共源极共源极JFET电路组成电路组成小信号模型小信号模型sgdRdRg2Rg1Rg3iV+-oV+-dIrdgsmVggsV+-R+VDDvoRviCb2Cb1Rg1RdRg3Rg2gds+-+-模拟电子模拟电子(1-54)sgdRdRg2Rg1Rg3iV+-oV+-dIrdgsmVggsV+-Rdg

17、smoRVgV RgRgAmdmVm1 )1(mgsgsmgsiRgVRVgVV 中频电压增益中频电压增益输入与输出反相输入与输出反相模拟电子模拟电子(1-55)sgdRdRg2Rg1Rg3iV+-oV+-dIrdgsmVggsV+-R输入电阻输入电阻)/(g2g1g3iRRRR 输出电阻输出电阻doRR 模拟电子模拟电子(1-56)共漏极共漏极JFET电路组成电路组成小信号模型小信号模型+VDDvoRviCb2Cb1Rg1Rg3Rg2gds+-+RLRs-+vssgdRLRg2Rg1Rg3iV+-oV+-gsmVggsV+-RRs-+vs模拟电子模拟电子(1-57)sgdRLRg2Rg1Rg3iV+-oV+-gsmVggsV+-RRs-+vs)/(LgsmoRRVgV 中频电压增益中频电压增益)/)(LoimoRRVVgV )/(1)/(LmLmioVmRRgRRgVVA 时时当当