第四章场效应管放大电路

1、4.1 4.1 结型场效应管结型场效应管4.2 4.2 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管4.3 4.3 场效应管的主要参数场效应管的主要参数4.4 4.4 场效应管放大电路场效应管放大电路 场效应管是场效应管是通过改变外加电压产生的电场强度来通过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。控制其导电能力的半导体器件。 它不仅具有双极型三极管的体积小、重量轻、耗电少、寿它不仅具有双极型三极管的体积小、重量轻、耗电少、寿命长等优点，而且还具有输入电阻高、热稳定性好、抗辐射命长等优点，而且还具有输入电阻高、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。因而，能力强、噪声低、

2、制造工艺简单、便于集成等特点。因而，在大规模及超大规模集成电路中得到了广泛的应用。在大规模及超大规模集成电路中得到了广泛的应用。 根据结构和工作原理不同根据结构和工作原理不同, ,场效应管可分为两大类场效应管可分为两大类: :结型场效应管结型场效应管( (JFETJFET) )和和绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管( (MOSFETMOSFET) ). . 主要内容主要内容: : (1) (1)结型场效应管的结构及工作原理结型场效应管的结构及工作原理 (2)(2)金属金属- -氧化物氧化物- -半导体场效应管的结构及工作原理半导体场效应管的结构及工作原理 学习指导学习指导学习方法学习方法 学习本

3、章内容时应特别注意学习本章内容时应特别注意使用比较和归使用比较和归纳的方法纳的方法： 1. 1.与三极管进行比较（两种管子的结构、工作原与三极管进行比较（两种管子的结构、工作原理、外特性、主要参数）。理、外特性、主要参数）。 2. 2.不同类型（结型与绝缘栅型）、不同沟道的各不同类型（结型与绝缘栅型）、不同沟道的各种场效应管之间的比较与归纳（工作原理、电种场效应管之间的比较与归纳（工作原理、电压极性、主要参数的比较等）。压极性、主要参数的比较等）。 场效应管与晶体管的区别场效应管与晶体管的区别1. 晶体管是晶体管是电流控制元件电流控制元件；场效应管是；场效应管是电压控制元件电压控制元件。2.

4、晶体管参与导电的是晶体管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； 场效应管参与导电的只有场效应管参与导电的只有一种载流子一种载流子，因此称其为单极型器件。，因此称其为单极型器件。3. 晶体管的晶体管的输入电阻较低输入电阻较低，一般，一般102104 ； 场效应管的场效应管的输入电阻高输入电阻高，可达，可达1091014 概概 述述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)结型场效应管的结构结型场效应管的结构结型场效应管

5、的工作原理结型场效应管的工作原理结型场效应管的特性曲线及参数结型场效应管的特性曲线及参数结型场效应管结型场效应管1 1、结型、结型场效应管（场效应管（JFET)JFET)结构结构P+P+NGSDN型型导电沟道导电沟道结型场效应管结型场效应管 源极源极，用用S或或s表示表示发射极发射极漏极漏极，用用D或或d表示表示集电极集电极栅极栅极，用，用G或或g表示表示基极基极2、结型、结型场效应管（场效应管（JFET)的工作原理的工作原理DP+P+NGSVDSIDVGS电源极性的安排电源极性的安排:D S间间-D接电源正端接电源正端 S接电源负端接电源负端 形成漏极电流形成漏极电流iDG S间间-S接电源

6、正端接电源正端 G接电源负端接电源负端 栅极电流栅极电流iG0, 输入电阻高达输入电阻高达107N沟道管加沟道管加负栅源电压负栅源电压， 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。 V VGSGS对沟道的控制作用对沟道的控制作用当当VGS0时时 当沟道夹断时当沟道夹断时,ID减小至减小至0 0，此，此时时对应的栅源电压对应的栅源电压VGS称为称为夹断夹断电压电压VP ( 或或VGS(off) )。对于对于N N沟道的沟道的JFETJFET，VP 0。PNPN结反偏结反偏耗尽层加厚耗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

7、， 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，在，沟道电阻最小，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漏极电流沟道内的电子定向运动形成漏极电流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 V VDSDS对沟道的控制作用对沟道的控制作用当当V VGSGS=0=0时时，VDS ID G G、D D间间PNPN结的反向电压增加，结的反向电压增加，使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟使靠

8、近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，从上至下呈楔形分布。道变窄，从上至下呈楔形分布。 当当VDS增加到使增加到使VGD=VP 时，时，在紧靠漏极处出现在紧靠漏极处出现预夹断。预夹断。此时此时VDS 夹断区延长夹断区延长沟道电阻沟道电阻 ID基本不变基本不变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DP+P+NGSVDSIDVGSV VGSGS和和V VDSDS同时作用时同时作用时当当VP VGSVT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VDS的作用下，的作用下，iD将进一将进一步增加。步增加。开始时无导电沟道，当在开始时无导电沟道，

9、当在VGS VT时才形成沟道时才形成沟道, ,这种这种类型的管子称为类型的管子称为增强型增强型MOSMOS管管一一方方面面 MOSFETMOSFET是利用栅源电压的大是利用栅源电压的大小，来改变半导体表面感生电小，来改变半导体表面感生电荷的多少，从而控制漏极电流荷的多少，从而控制漏极电流的大小。的大小。 当当V VGSGSV VT T，且固定，且固定为某一值时，来分析为某一值时，来分析漏源电压漏源电压V VDSDS的不同变的不同变化对导电沟道和漏极化对导电沟道和漏极电流电流I ID D的影响。的影响。增强型增强型MOSMOS管管另一方面另一方面，漏源电压漏源电压V VDSDS对漏极电流对漏极电

10、流I ID D的控制作用的控制作用三、三、N N沟道沟道增强型增强型MOSMOS场效应管特性曲线场效应管特性曲线增强型增强型MOSMOS管管i iD D= =f f( (v vGSGS) ) v vDSDS=C =C 转移特性曲线转移特性曲线i iD D= =f f( (v vDSDS) ) v vGSGS=C =C 输出特性曲线输出特性曲线vDS(V)iD(mA)vGS/V一、一、N N沟道沟道耗尽型耗尽型MOSMOS场效应管结构场效应管结构+ + + + + + + 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耗尽型耗尽型MOS场效应管场效应管各类绝缘栅场效应三极管的特性曲线各类

11、绝缘栅场效应三极管的特性曲线绝缘栅场效应管N沟道增强型P沟道增强型绝缘栅场效应管 N沟道耗尽型P 沟道耗尽型2. 夹断电压夹断电压VGS(0ff)：是耗尽型：是耗尽型FET的参数，当的参数，当VGS=VP 时时,漏极电流为零。漏极电流为零。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VGS=0时所对应的漏极电流。时所对应的漏极电流。1. 开启电压开启电压VGS(th)：MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值绝对值,场效应管不能导通。场效应管不能导通。4.2 MOS场效应管场效应管4. 直流输入电阻直流输入电阻

12、RGS:栅源间所加的恒定电压栅源间所加的恒定电压VGS与流过栅极电流与流过栅极电流IGS之之比。结型比。结型:大于大于107，绝缘栅，绝缘栅:1091015。5. 漏源击穿电压漏源击穿电压V(BR)DS: 使使ID开始剧增时的开始剧增时的VDS。6.栅源击穿电压栅源击穿电压V(BR) GSJFET：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场效应管的主要参数场效应管的主要参数7. 低频跨导低频跨导gm ：反映了栅源压对漏极电流的控制作用。：反映了栅源压对漏极电流的控制作用。CVGSDmDSdvdig4.2 MOS场效应管场效

13、应管8. 输出电阻输出电阻rdsCVDDSdGSdidvrs9. 极间电容极间电容Cgs栅极与源极间电容栅极与源极间电容Cgd 栅极与漏极间电容栅极与漏极间电容Csd 源极与漏极间电容源极与漏极间电容 场效应管放大电路场效应管放大电路场效应管偏置电路场效应管偏置电路三种基本放大电路三种基本放大电路FETFET小信号模型小信号模型一、场效应管偏置电路一、场效应管偏置电路1 1、自给偏置电路、自给偏置电路场效应管偏置电路的场效应管偏置电路的关键关键是如何是如何提供栅源控制电压提供栅源控制电压UGS自给偏置电路：自给偏置电路：适合结型场效应管和耗尽型适合结型场效应管和耗尽型MOS管管外加偏置电路：外

14、加偏置电路：适合增强型适合增强型MOS管管UGS = UG-US= -ISRS -IDRS2PGSDSSD)UU(1IIUGSQ和IDQUDSQ=ED-IDQ(RS+RD)GSD基本自给偏置电路基本自给偏置电路 R RS S的作用：的作用：1.1.提供栅源直流偏压。提供栅源直流偏压。2.2.提供直流负提供直流负反馈，稳定静态工作点。反馈，稳定静态工作点。R RS S越大，工作点越稳定。越大，工作点越稳定。偏置电路偏置电路改进型自给偏置电路改进型自给偏置电路大电阻（大电阻（M )，减小减小R1、R2对放大电对放大电路输入电阻的影响路输入电阻的影响D212GERRRUUGS = UG-US-IDR

15、S2PGSDSSD)UU(1IIUGSQ和IDQUDSQ=ED-IDQ(RS+RD)D212ERRR1 1、自给偏置电路、自给偏置电路R1R2提供一个提供一个正偏栅压正偏栅压UG偏置电路偏置电路2 2、外加偏置电路、外加偏置电路D212GERRRU-IDRSD212ERRRR1和和R2提供一个固定栅压提供一个固定栅压UGS = UG-US注：要求注：要求UGUS，才能提供一个正偏压，增强型管子才能，才能提供一个正偏压，增强型管子才能 正常工作正常工作二、场效应管的低频二、场效应管的低频小信号模型小信号模型 iD由输出特性：由输出特性：iD=f(vGS,vDS)DS0vDSDGS0vGSDDvv

16、ivviiGSDSDSGSDvvidsmggdsgsdvvidsmggSDgdsvgs+-+-vdsGidgmvgs三、三种基本放大电路三、三种基本放大电路1 1、共源放大电路、共源放大电路（1） 直流分析直流分析UGS = UG-US-IDRS2PGSDSSD)UU(1IIUGSQ和IDQUDSQ=ED-IDQ(RS+RD)D212ERRR基本放大电路基本放大电路IdGRGR1R2RDRLDrdsRSgmUgsSUgsUiUo未接未接Cs时时一般一般rds较大可忽略较大可忽略ioUUUA=- gmUgsRDUgs+ gmUgsRs=- gmRD1 + gmRsRD=RD/RL（2） 动态分析

17、动态分析ri=RG+(R1/R2)RG ro RDriro基本放大电路基本放大电路IdGRGR1R2RDRLDrdsRSgmUgsSUgsUiUo未接未接Cs时时UA=- gmRD1 + gmRsriri=RG+(R1/R2) RG roro RD接入接入Cs时时AU= -gm(rds/RD/RL)ri=RG+(R1/R2) RG ro =RD/rds RDRsRs的作用是提供直流栅源电压、引的作用是提供直流栅源电压、引入直流负反馈来稳定工作点。但它入直流负反馈来稳定工作点。但它对交流也起负反馈作用，使放大倍对交流也起负反馈作用，使放大倍数降低。接入数降低。接入C CS S可以消除可以消除R

18、RS S对交流对交流的负反馈作用。的负反馈作用。ri基本放大电路基本放大电路2 2、共漏放大电路、共漏放大电路GSDUiRGGUoRLRSgmUgsrdsSDioUUUA=gmUgsRSUgs+ gmUgsRs=gmRS1 + gmRsRS=rds/RS/RL RS/RL1AU1ri=RGUgs+-电压增益电压增益输入电阻输入电阻基本放大电路基本放大电路输出电阻输出电阻Ugs+-gmUgsRS+-UoIoroUiGUoSRGRLRSgmUgsrdsDUgs+-SooRUI - gmUgsUgs= -Uo=Uo(1/Rs+gm)oooIUr msg1/R1msg1/RUA=gmRS1 + gmR

19、s电压增益电压增益ri=RG输入电阻输入电阻2 2、共漏放大电路、共漏放大电路基本放大电路基本放大电路3 3、共栅放大电路、共栅放大电路SGDrdsgmUgsSGD电压增益电压增益IdId=gmUgs+Uds/rdsUds=Uo-UiUo= -IdRDUgs= -UiId= -gmUi+(- IdRD -Ui)/rds)/rR(1)U1/r(gIdsDidsmdioUUUAiDdURI)/rR(1R)1/r(gdsDDdsm当当rdsRD时时AU gmRDri输入电阻输入电阻ri =Ui/IddsmdsD1/rg/rR1rdsRDgmrds1ri 1/gmririRs/1/gm基本放大电路基本

20、放大电路电压增益电压增益AU gmRD输入电阻输入电阻ri 1/gmriRs/1/gmSGDrdsgmUgs输出电阻输出电阻roro =rdsro=rds/RD RD电压增益高，输入电阻很低，输出电阻高，输出电压与输电压增益高，输入电阻很低，输出电阻高，输出电压与输入电压同相入电压同相3 3、共栅放大电路、共栅放大电路组态对应关系：组态对应关系：CEBJTFETCSCCCDCBCGBJTFET电压增益：电压增益：beLc)/(rRR )/)(1()/()1(LebeLeRRrRR beLc)/(rRR CE：CC：CB：)/(LdmRRg )/(1)/(LmLmRRgRRg )/(LdmRRg

21、CS：CD：CG：三种基本放大电路的性能比较三种基本放大电路的性能比较beb/rR输出电阻：输出电阻：cR )/)(1(/LebebRRrR 1)/(/bebserRRR 1/beerRcRBJTFET输入电阻：输入电阻：CE：CC：CB：CS：CD：CG：)/(g2g1g3RRR m1/gR)/(g2g1g3RRR CE：CC：CB：CS：CD：CG：dRm1/gRdR三种基本放大电路的性能比较三种基本放大电路的性能比较 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 试求电路的中频增益、输入电阻和输出电阻。试求

22、电路的中频增益、输入电阻和输出电阻。， k 1berVOIbViVgSVSRSRgR2rbeRcgmVgS+_+_Ib+_+_ gsmVg iV gsV2gsmRVg bIbI bI oVcbRI MVA2mcm1RgRg 6 .128 giRR coRR M 5sgRR 例题例题 ioVV由于由于则则 sMVA soVV iosiVVVV k 20 MisiVARRR6 .128M VAVOIbViVgSVSRSRgR2rbeRcgmVgS+_+_Ib+_+_RiRo比较内容比较内容 场效应管场效应管 三极管三极管 导电机理导电机理 只依靠一种载流子（多只依靠一种载流子（多子）参与导电，为单

23、极子）参与导电，为单极型器件。型器件。 两种载流子（多子和少子）两种载流子（多子和少子）参与导电，为双极型器件。参与导电，为双极型器件。 放大原理放大原理 输入电压控制输出电流，输入电压控制输出电流，g gm m=0.1ms20ms =0.1ms20ms 输入电流控制输出电流，输入电流控制输出电流，例如，例如， =20100 =20100 特特 点点 1.1.制造工艺简单，便于制造工艺简单，便于大规模集成。大规模集成。2.2.热稳定性好，噪声低。热稳定性好，噪声低。 3.3.输入电阻高，栅极电输入电阻高，栅极电流流i iG G00。 4.4.g gm m小，放大能力较低。小，放大能力较低。 1

24、.1.受温度等外界影响较大，受温度等外界影响较大，噪声大。噪声大。 2.2.输入电阻低（因发射结输入电阻低（因发射结正偏）。正偏）。 3.3. 较大，放大能力强较大，放大能力强 小小 结结 由于结构和工作原理的不同，使场效应管具有一些不同于三极管的特点。将两者结合使用，取长补短，可改善和提高放大电路的某些性能指标。 小小 结结 按照结构的不同，场效应管分为按照结构的不同，场效应管分为结型和绝缘栅型结型和绝缘栅型两种类型，两种类型，MOSMOS管属于绝缘栅型。每一类型均有管属于绝缘栅型。每一类型均有N N沟道和沟道和P P沟道沟道两种，两者两种，两者的主要区别在于电压的极性和电流的方向不同。的主要区别在于电压的极性和电流的方向不同。MOSMOS管又分为管又分为增强型和耗尽型增强型和耗尽型两种形式。两种形式。 正确理解场效应管工作原理的关键是掌握电压正确理解场效应管工作原理的关键是掌握电压v vGSGS及及v vDSDS对导对导电沟道和电流电沟道和电流i iD D的不同作用，的不同作用，掌握预夹断与夹断这两个状态掌握预夹断与夹断这两个状态的区别和条件。转移特性