第4章贴片场效应管及其放大器

1、第第4 4章章 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路 通过这一章的学习，我们要学会：通过这一章的学习，我们要学会：v1利用场效应管来实现信号放大；利用场效应管来实现信号放大；v2判断场效应管的管脚；判断场效应管的管脚；v3根据电路的需求来选择放大器件。根据电路的需求来选择放大器件。见教材见教材P654.1 4.1 概述概述v场效应管有三个电极，分别为场效应管有三个电极，分别为G（栅极）、（栅极）、S（源极）、（源极）、D（漏极）（漏极） 。并且掌握几个重要概念并且掌握几个重要概念。场效应管是利用栅源之间的电压，即场效应管是利用栅源之间的电压，即uGS的大小来控制沟道宽度，的大小来控制沟道宽

2、度，从而控制漏极电流从而控制漏极电流iD的大小，是的大小，是利用电压控制电流利用电压控制电流的大小。的大小。 NPPDGSVDSVGSIDS见视频见视频v场效应管是仅靠半导体中的空穴或自由电子之一来场效应管是仅靠半导体中的空穴或自由电子之一来导电的，它又被称为导电的，它又被称为单极性晶极管单极性晶极管。v场效应管分为场效应管分为结型结型场效应管（场效应管（Junction field effect transistor,简称简称JFET）和）和绝缘栅型绝缘栅型场效应管场效应管（Insulated gate field effect transistor，简称，简称IGFET）两大类）两大类 。

3、v绝缘栅型场效应管有绝缘栅型场效应管有增强型增强型和和耗尽型耗尽型两类。不论结两类。不论结型还是绝缘栅型场效应管，它们又可分为型还是绝缘栅型场效应管，它们又可分为N沟道沟道和和 P沟道沟道两种。两种。 4.2 4.2 结型场效应管结型场效应管v4.2.1 结型场效应管的工作特性结型场效应管的工作特性（1 1）栅源电压）栅源电压u uGSGS对导电沟道的控制作用对导电沟道的控制作用改变改变uGS，可以控制，可以控制耗尽区耗尽区的厚薄，亦即改变导电区域的大小，的厚薄，亦即改变导电区域的大小，从而达到控制漏极和源极之间的电阻大小的目的，从而来控制从而达到控制漏极和源极之间的电阻大小的目的，从而来控制

4、流过管子的工作电流流过管子的工作电流iD的大小。的大小。v（2）漏源电压）漏源电压uDS的大小对导电沟道产生的影响的大小对导电沟道产生的影响 如如uDS=0，则不管，则不管uGS为何值，都无法产生为何值，都无法产生iD。所以。所以只有将只有将uDS与与uGS一起来控制导电沟道的宽窄。一起来控制导电沟道的宽窄。 1 1结型场效应管的特性曲线结型场效应管的特性曲线v输出特性可分成四个区域输出特性可分成四个区域:v（1）可变电阻区：）可变电阻区： uDS固定固定5V时，时， uGS uGS（off）v 的绝对值区域。的绝对值区域。 v（2）恒流区（放大区）：）恒流区（放大区）： uDS uGS（of

5、f） 5V 时，时， iD不变。不变。v（3）击穿区：）击穿区： uDS 很大很大， iD也很大也很大。v（4）夹断区：）夹断区：uGS uGS（off），）， iD0v（5）预夹断区：）预夹断区： uGS uGS（off）（a）输出特性曲线）输出特性曲线 （b）转移特性曲线）转移特性曲线图图4.3 N型沟道场效应管输出特性曲线和转移曲线型沟道场效应管输出特性曲线和转移曲线 见教材见教材P66v预夹断电压：预夹断电压：uGS uGS（off）表示沟道刚好接近消失的电压。表示沟道刚好接近消失的电压。注意：（注意：（1）预夹断前：）预夹断前： uGD uGS（off） 即即uGS uDS uGS（

6、off） （2）预夹断时：）预夹断时： uGS uGS（off）即即uGS uDS uGS（off） （3）预夹断后：）预夹断后： uGD uGS（off）即即uGS uDS uGS（off） （4）夹断时：）夹断时： uGS uGS（off），）， iD0见教材见教材P67例题例题结型场效应管工作在放大状态的基本条件是：结型场效应管工作在放大状态的基本条件是： 对于对于N沟道管，在其栅沟道管，在其栅-源之间加负电压源之间加负电压uGS0V；对于对于P沟道管，沟道管，uGS0 V，以，以保证耗尽层承受反向电压保证耗尽层承受反向电压；漏漏-源之间要加正向电压源之间要加正向电压，以形成漏极电流，以

7、形成漏极电流iD，即，即uDS0。2 2转移特性转移特性v漏极电流漏极电流iD与栅源电压与栅源电压uGS之间的函数关系之间的函数关系 ()DSDGSUif u常数在恒流区在恒流区 ,可以认为，可以认为，iD仅由仅由uGS决定决定 ,随着随着uGS的上升，电流的上升，电流iD也越来越大也越来越大 .恒流区中恒流区中iD的近似表达式的近似表达式: 21GSDDSSGS offuiIU （UGS（off）uGS 0 ，由于未形成导电的，由于未形成导电的N型反型层（导电沟道），源漏极间也不会有型反型层（导电沟道），源漏极间也不会有电流流过电流流过.ID0.v当当uDS0 时，时，uGS0，且不断增大时

8、，且不断增大时,此时此时ID的大小由的大小由uGS决定决定 ;随着随着uGS的增大，当的增大，当uGS= UGS(th) 时时 ,即即iD仅由仅由uGS决定，管子就进入恒流决定，管子就进入恒流区区。v绝缘栅增强型场效应管工作时，漏极绝缘栅增强型场效应管工作时，漏极D和源和源极极S之间要有正电压，之间要有正电压，即即uDS0；栅源电压也；栅源电压也必须为正，即必须为正，即uGS UGS(th) 。v增强型增强型：随：随uGS的增强，导电沟道横截面增大，的增强，导电沟道横截面增大，导电能力增强，在一定的导电能力增强，在一定的uDS 条件下，电流条件下，电流ID越大越大 耗尽型耗尽型：在：在siO2

9、层中掺入了大量的正离子，使得层中掺入了大量的正离子，使得 uGS0时，就有垂直电场的存在，并吸引电子时，就有垂直电场的存在，并吸引电子到半导体的表面形成到半导体的表面形成N型导电沟道。在这种型导电沟道。在这种管子电路中，管子电路中， uGS0,N沟沟道会更强。道会更强。从曲线分析：从曲线分析：v【例【例4.24.2】 两种场效应管的转移特性曲线分别如两种场效应管的转移特性曲线分别如图图 4.6(a)4.6(a)、(b)(b)所示，分别确定这两个场效应管的所示，分别确定这两个场效应管的类型，并求其主要参数（开启电压或夹断电压，跨类型，并求其主要参数（开启电压或夹断电压，跨导）。测试时电流导）。测

10、试时电流i iD D的参考方向为从漏极的参考方向为从漏极D D到源极到源极S S。图4.6 两个场效应管的转移特性曲线(a)(b)v解：（解：（1 1）从图）从图4.64.6（a a）图曲线可以读出，开启电压）图曲线可以读出，开启电压U UGSGS（thth） - 2V- 2V，因此是，因此是P P沟道增强型沟道增强型MOSMOS管的转移特性曲线。管的转移特性曲线。平均平均跨导：跨导：v （2 2）从图）从图4.64.6（b b）图曲线可以读出，夹断电压）图曲线可以读出，夹断电压U UGSGS（offoff） -4V-4V，I IDSSDSS=4mA=4mA，U UGSGS可以工作在正值、零、

11、负值，因此是可以工作在正值、零、负值，因此是N N沟沟道耗尽型道耗尽型MOSFETMOSFET的转移特性曲线。的转移特性曲线。平均跨导：平均跨导：0( 4)1.02( 6)mgmS 4 11.50( 2)mgmS 4.3.2 VMOS4.3.2 VMOS管管vVMOS管的结构可以解决普通管的结构可以解决普通MOS管无法管无法散发出较散发出较多的热量多的热量的问题。的问题。图图4.7 N型沟道绝缘栅增强型型沟道绝缘栅增强型VMOS管的结构示意图管的结构示意图VMOS管的漏区散热面积大，耗散功率可达千瓦以上；此外漏源极间管的漏区散热面积大，耗散功率可达千瓦以上；此外漏源极间击穿电压高，上限工作频率

12、高，当漏极电流大于某一大小（如击穿电压高，上限工作频率高，当漏极电流大于某一大小（如500mA）时，时，iD与与uGS基本成线性关系。基本成线性关系。VMOS管广泛应用于中、大功率管中。管广泛应用于中、大功率管中。4.3.3 4.3.3 绝缘栅型场效应管的测试绝缘栅型场效应管的测试v测试时，最好采用专门测试仪进行测量。如果必须测试时，最好采用专门测试仪进行测量。如果必须采用手工方式用万用表来测试，一定要充分做好防采用手工方式用万用表来测试，一定要充分做好防静电措施。静电措施。v1测试注意事项测试注意事项v2判定电极及类型判定电极及类型（1）首先判定栅极）首先判定栅极（2）判定管子类型及区分漏极

13、与源极）判定管子类型及区分漏极与源极4.4 4.4 场效应管的应用场效应管的应用v441场效应管的主要参数及使用注意事项场效应管的主要参数及使用注意事项v1、主要参数、主要参数v（1）直流参数）直流参数：开启电压：开启电压UGS（th）(增强型增强型mos） 、夹断电压夹断电压UGS（off）（结型和耗尽型）（结型和耗尽型mos）、）、饱和漏极电饱和漏极电流流IDSS（结型）（结型） 、直流输入电阻、直流输入电阻RGS（DC） v（2）交流参数）交流参数：跨导：跨导gm 极间电容：极间电容：Cgs和和Cgd约为约为13pF （3）极限参数）极限参数：最大漏源电流：最大漏源电流IDM、漏源击穿电

14、压漏源击穿电压 U（BR）DS 、栅源击穿电压、栅源击穿电压U（BR）GS、最大耗散功、最大耗散功率率PDM DmUDSGSigu常数2 2、MOSMOS场效应晶体管使用注意事项场效应晶体管使用注意事项v使用时应注意以下规则：使用时应注意以下规则：（1）MOS器件出厂时通常装在黑色的导电防静电泡沫塑料袋中，切勿自行随便器件出厂时通常装在黑色的导电防静电泡沫塑料袋中，切勿自行随便 拿个塑料袋装。也可用锡纸包装。拿个塑料袋装。也可用锡纸包装。（2）MOSFET应防止栅极悬空，以免产生高的感应电压而击穿绝缘层，故在保应防止栅极悬空，以免产生高的感应电压而击穿绝缘层，故在保 存时应将栅源极间短接。存时

15、应将栅源极间短接。（3）JFET的栅源极之间必须加反偏电压，以保证有高的输入电阻。的栅源极之间必须加反偏电压，以保证有高的输入电阻。（4）取出的）取出的MOS器件要放置在防静电的容器中，如金属盘等，而不能存放在非器件要放置在防静电的容器中，如金属盘等，而不能存放在非 防静电的塑料盒上。防静电的塑料盒上。（5）焊接用的电烙铁必须良好接地。）焊接用的电烙铁必须良好接地。（6）MOSFET焊接时所用电烙铁外壳必须接地，应在焊接时将烙铁拔离交流电源焊接时所用电烙铁外壳必须接地，应在焊接时将烙铁拔离交流电源 后再焊接。后再焊接。（7）在焊接前最好把电路板的电源线与地线短接，完成后在分开电源线与地线。）在

16、焊接前最好把电路板的电源线与地线短接，完成后在分开电源线与地线。（8）MOS器件各引脚的焊接顺序是漏极、源极、栅极。拆机时顺序相反。器件各引脚的焊接顺序是漏极、源极、栅极。拆机时顺序相反。（9）安装有）安装有MOS器件的电路板在与机器的接线端子连接之前，最好要用接地的线器件的电路板在与机器的接线端子连接之前，最好要用接地的线夹子去碰一下机器的各接线端子，再与电路板相连接。夹子去碰一下机器的各接线端子，再与电路板相连接。总之在运输、使用总之在运输、使用MOS器件时，要严格遵守防静电的操作规范。器件时，要严格遵守防静电的操作规范。4.4.2 4.4.2 场效应管构成的放大电路场效应管构成的放大电路

17、v构成放大电路的基本条件是场效应管的工作点位于特性曲线构成放大电路的基本条件是场效应管的工作点位于特性曲线的恒流区，所以必须给场效应管管子提供合适的直流偏置的恒流区，所以必须给场效应管管子提供合适的直流偏置 ，建立一个合适而稳定的静态工作点，使管子工作在放大建立一个合适而稳定的静态工作点，使管子工作在放大区。区。 。 场效应管的放大电路有自偏压电路和分压式自偏压电路。场效应管的放大电路有自偏压电路和分压式自偏压电路。v自偏压电路自偏压电路：栅偏压：栅偏压UGS是依靠场效应管自身电流是依靠场效应管自身电流iD产生的。产生的。仅适用于耗尽型仅适用于耗尽型MOS管和结型场效应管管和结型场效应管，而不

18、能用于，而不能用于uGSUGS(th)时才有漏极电流的增强型时才有漏极电流的增强型MOS管。管。自偏压电路原理：自偏压电路原理： 由于由于Rg上没有电流，所上没有电流，所以没有电压，即以没有电压，即UG0，因此因此UGS UG - US0- US=-IDRS，因此，因此UGS上的上的电压由电压由RS上的电压来确定，上的电压来确定，其电位是相等的。这种栅其电位是相等的。这种栅极偏压是由场效应管自身极偏压是由场效应管自身ID产生的，故称为产生的，故称为自偏压自偏压电路。电路。1、场效应管的自偏压电路直流工作原理、场效应管的自偏压电路直流工作原理及其参数及其参数IDQ、UGSQ、UDEQ计算：计算：

19、UGGUGSUSGSDSUiR g由此得到直流偏置电压线性方程：由此得到直流偏置电压线性方程：要求参数要求参数I IDQDQ、U UGSQGSQ、U UDSQDSQ，首先分析首先分析Q Q点，在转移点，在转移特性曲线中，其特性曲线中，其Q Q点对点对应的应的I IDQDQ、U UGSQGSQ就是自偏就是自偏压的静态工作点。压的静态工作点。Q QU UGSQGSQI IDQDQI ID DU UGSGSI IDSSDSSU UGS(OFF)GS(OFF)GSQDSUIR g2()(1)GSDQDSSGS offUIIU ()DSQDDDDSUUIRRUGGUGSUS例题：一场效应管的电路如图所示

20、，已知例题：一场效应管的电路如图所示，已知IDSS8mA, UGS(off)4V，RD=2K,UDD=12V，RS=1K，求，求 IDQ、UGSQ、UDSQ。解：解：22()(1)8(1)4GSGSDDSSGS offUUiIU GSDSUiR g解得：解得：1228DDim Aim A （舍去）（舍去）()122(21)5DSQDDDQDSUUIRRV 2GSQDQSUIRV v4.6 4.6 已知图已知图4.16(a)4.16(a)所示电路中场效应管的转移特性和输出所示电路中场效应管的转移特性和输出特性分别如图（特性分别如图（b b）(c)(c)所示。计算其直流工作点。所示。计算其直流工作

21、点。v解：从转移曲线知：解：从转移曲线知：代入公式：代入公式：（1）、（）、（2）式联立求解：）式联立求解：解得：解得：VUmAoffGS4,4I)(DSS) 1 ()41 (4)1 (Ii22)(DD GSoffGSGSSSUUU）（2RiUSDGS 04i 5iD2D（舍去），mA4imA1iD21Dv3 37 7 已知图已知图4.174.17（a a）所示电路中场效应管的转移特性如图）所示电路中场效应管的转移特性如图（b b）所示。计算其直流工作点。）所示。计算其直流工作点。解：从（解：从（a）图得到）图得到 在（在（b）图上作图得到：）图上作图得到：,3UGSVV510115RIVUm

22、A1IdDQDDDSQDQ，（2 2）分压式自偏压电路）分压式自偏压电路v适用于各种类型的场效应管适用于各种类型的场效应管v一般一般Rg3选得很大，可取几兆欧；选得很大，可取几兆欧；v静态时，源极电位静态时，源极电位uS=iDRS由于由于 栅极电流为零，栅极电流为零，Rg3上没有电上没有电 压降，故栅极电位压降，故栅极电位g2GDDg1g2gRuuVRR栅偏压栅偏压 ：g2sGSDDg1g2GSDRuuiuVRRR适当选取适当选取Rg1、Rg2和和RS值，就可得到各类场效值，就可得到各类场效应管放大工作时所需的应管放大工作时所需的正、零或负的偏压。正、零或负的偏压。（3 3）场效应管放大电路分

23、析）场效应管放大电路分析v【例【例43 】试计算图】试计算图4.10放大电路的静态工作点，已知：放大电路的静态工作点，已知：Rg1=150k，Rg2=50k,Rg3=1M，RD=RS=10k，VDD=20V，场效应管的，场效应管的UGS（off）=-5V，IDSS=1mA。v解：解： g2sGSDDg1g25020 105 1015050GSDDDRuuiiiuVRRR22211 (1)(1)55GSGSGSDDSSGS offuuuiIU 联解两式，可得：联解两式，可得：25 10(1)5DDii计算得：计算得：iD=0.61mA, uGS=5-0.6110=-1.1VuD=20-0.611

24、0=13.9V(对地电位对地电位)2、电压放大原理、电压放大原理uGS变化控制变化控制iD的变化，利用的变化，利用RD把电流转化为电压变化，图中把电流转化为电压变化，图中电路的电压放大倍数为电路的电压放大倍数为15。电压放大倍数，电压放大倍数，其中其中RL=RDRL，gm为场效应为场效应管的跨导管的跨导 oumLiuA =-gRu&v场效应管路放大电路有共源极、共漏极和共栅极三种接法场效应管路放大电路有共源极、共漏极和共栅极三种接法 。4 44 43 3 场效应管构成的恒流源电路场效应管构成的恒流源电路v利用场效应管构成恒流源。由运算放大器利用场效应管构成恒流源。由运算放大器LF356

25、、大功率场效应管大功率场效应管V1、采样电阻、采样电阻R2等组成。等组成。第四章第四章 学习指导学习指导v场效应管是电压控制器件，用栅场效应管是电压控制器件，用栅- -源电压源电压u uGSGS控制漏控制漏极电流极电流i iD D，栅极的电流基本为零，这是与晶体三极，栅极的电流基本为零，这是与晶体三极管最大的差别。场效应晶体管由于输入阻抗高，极管最大的差别。场效应晶体管由于输入阻抗高，极易被静电击穿，使用时要特别注意防静电。易被静电击穿，使用时要特别注意防静电。v场效应管是仅靠半导体中的一种载流子导电，它又场效应管是仅靠半导体中的一种载流子导电，它又被称为单极性晶极管，分为结型场效应管（被称为

26、单极性晶极管，分为结型场效应管（JFETJFET）和绝缘栅场效应管（和绝缘栅场效应管（MOSMOS管），每一种分为管），每一种分为N N沟道和沟道和P P沟道两种类型，绝缘栅场效应管又分为增强型和沟道两种类型，绝缘栅场效应管又分为增强型和耗尽型两种，它们的特性都不同，在测试或使用时耗尽型两种，它们的特性都不同，在测试或使用时要特别注意分清楚。详细比较可参照表要特别注意分清楚。详细比较可参照表4.14.1。在测。在测试判定电极及类型或管子试判定电极及类型或管子的好坏时，要注意了解场的好坏时，要注意了解场效应管的内部结构。效应管的内部结构。v场效应管与晶体三极管一样，可以构成放大场效应管与晶体三极

27、管一样，可以构成放大电路和开关电路。构成放大电路的基本条件电路和开关电路。构成放大电路的基本条件是场效应管的工作点位于特性曲线的恒流区，是场效应管的工作点位于特性曲线的恒流区，通过通过u u GSGS变化控制变化控制i iD D的变化来实现。场效应管的变化来实现。场效应管放大电路的分析方法与三极管构成放大电路放大电路的分析方法与三极管构成放大电路的分析方法相似，主要是首先保证直流偏置的分析方法相似，主要是首先保证直流偏置正常，这一点通过静态分析法分析；其次是正常，这一点通过静态分析法分析；其次是交流通过分析，依输入与输出的公共端不同，交流通过分析，依输入与输出的公共端不同，分为共源、共漏、共栅

28、三种放大电路形式。分为共源、共漏、共栅三种放大电路形式。实验四实验四 结型场效应管放大器结型场效应管放大器v一、实验目的一、实验目的v1 1了解结型场效应管的可变电阻特性；了解结型场效应管的可变电阻特性；v2 2掌握共源极放大器的特点。掌握共源极放大器的特点。v二、实验仪器二、实验仪器v名称名称数量数量v双踪示波器双踪示波器 1 1台台v函数发生器函数发生器 1 1台台v晶体管毫伏表晶体管毫伏表1 1台台v数字万用表数字万用表 1 1台台v直流稳压电源直流稳压电源 1 1台台v实验板实验板 结型场效应管放大器结型场效应管放大器 1 1块块v三、实验原理三、实验原理 1实验电路实验电路本电路是一

29、种自偏压本电路是一种自偏压电路。其中，一些开电路。其中，一些开关和接线柱是为便于关和接线柱是为便于进行有关实验内容而进行有关实验内容而设置的，实验电路如设置的，实验电路如图图4.184.18所示。图中有所示。图中有 图图 4.184.18一些开关一些开关K K，根据测试的目的，读者判断对应每一项，根据测试的目的，读者判断对应每一项测试应接通的开关是哪一个。测试应接通的开关是哪一个。v2 2工作原理工作原理v（1 1）结型场效应管用做可变电阻）结型场效应管用做可变电阻。v场效应管的工作状态可以分为三个区：可变电阻区场效应管的工作状态可以分为三个区：可变电阻区（I I区）；恒流区（区）；恒流区（I

30、III区）；击穿区（区）；击穿区（IIIIII区）。区）。v在在I I区内区内i iD D与与u u DSDS的关系近似于线性关系的关系近似于线性关系 。v测量测量r rDSDS电路电路 221DSDDVVrRiV图图 4.19（2 2）自偏压共源极放大器）自偏压共源极放大器v在图在图4.18中，若中，若K2、K3和和K4断开，断开，K1闭合，即为自偏压共闭合，即为自偏压共源极放大器。源极放大器。v当当 ，有有v可以得到静态工作点：可以得到静态工作点： 、 、v电压放大倍数电压放大倍数v输入电阻输入电阻 v输出电阻输出电阻 0GuSDsui R2()(1)GSDDSSGS offuiIUGSuDiDSu(/)OumDLiuAgRRu /igsGRrRODRRv四、实验内容四、实验内容v1 1测量结型场效应管的可变电阻测量结型场效应管的可变电阻v（1 1）按图）按图4.184.18接线。其中，接线。其中， 为为10100mV10100mV，f f =1000Hz