第3章 场效应管及其放大电路

1、第第3章章 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路场效应管场效应管3.1场效应管放大电路场效应管放大电路3.23.1 3.1 场效应管场效应管场效应管也称单极型晶体管场效应管也称单极型晶体管 具有具有噪声小、抗辐射能力强、噪声小、抗辐射能力强、输入阻抗高等优点。输入阻抗高等优点。场效应管有三个极：场效应管有三个极：源极（源极（s s）、栅极（栅极（g g）、）、漏极（漏极（d d），），对应于晶体管的对应于晶体管的e e、b b、c c；有有三个工作区域：三个工作区域：截止区、恒流区、可变电阻区，对应于截止区、恒流区、可变电阻区，对应于晶体晶体管的截止区、放大区、饱和区。管的截止区、放大区、

2、饱和区。管沟道耗尽型管沟道耗尽型管耗尽型管沟道增强型管沟道增强型管增强型管）绝缘栅场效应管（沟道结型场效应管沟道结型场效应管结型场效应管场效应管分类：MOSPMOSNMOSMOSPMOSNMOSMOSPN符号符号结构示意图结构示意图栅极栅极漏极漏极源极源极导电导电沟道沟道3.1.1 结型场效应管结型场效应管P沟沟道道结结型型场场效效应应管管N沟沟道道结结型型场场效效应应管管 （1） 对导电沟道宽度及漏极电流对导电沟道宽度及漏极电流 的控制作用的控制作用GSv沟道最宽沟道最宽沟道变窄沟道变窄沟道消失沟道消失称为夹断称为夹断VGS（off）1. 1. 工作原理工作原理Di0GSv0GSPvVPGS

3、Vv)(offGSVPV夹断电压常用夹断电压常用 或或 表示。表示。 （2） 对导电沟道宽度及漏极电流对导电沟道宽度及漏极电流 的影响的影响DSvDivGDVPvGSVP且不变，且不变，vDS增大，增大，iD增大增大。PDSGSVvvDSGSGDvvvPGSDSVvvvGDVPPGSDSVvv预夹断预夹断设设 为固定值，且为固定值，且 。设设 为固定值，且为固定值，且 。GSv0GSPvVGSv0GSPvVGSv0GSPvVvGDVPPGSDSVvv预夹断预夹断vGDVPPGSDSVvv vDS的增大，几乎全部用来克服沟道的的增大，几乎全部用来克服沟道的电阻，电阻，iD几乎不变，进入恒流区，几

4、乎不变，进入恒流区，iD几乎几乎仅仅决定于仅仅决定于vGS。2. 结型场效应管的特性曲线及电流方程结型场效应管的特性曲线及电流方程（1）输出特性）输出特性常数GSvvfi)(DSDg-s电压电压控制控制d-s的的等效电阻等效电阻常量DSGSDmvvig预夹断轨迹，预夹断轨迹，vGDVP可可变变电电阻阻区区恒恒流流区区iD几乎仅决几乎仅决定于定于vGS击击穿穿区区夹断区（截止区）夹断区（截止区）夹断电压夹断电压IDSSiD 不同型号的管子不同型号的管子VP、IDSS将不同。将不同。低频跨导：低频跨导：饱和漏极电流饱和漏极电流（2）转移特性）转移特性常数DSvvfi)(GSD场效应管工作在恒流区，

5、因而场效应管工作在恒流区，因而vGSVP且且vGDVP。PGSDSVvvZVPV GSv 夹断夹断电压电压漏极饱漏极饱和电流和电流2D)1 (PGSDSSVvIiZVDSv GSV ZVPV GSv 3.1.2 绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管绝缘栅型场效应管的绝缘栅型场效应管的栅极栅极与与源极源极、栅极栅极与与漏极漏极之间均采用之间均采用SiO2绝缘层隔离绝缘层隔离，因此而得名。，因此而得名。 又因为绝缘栅型场效应管中各电极为又因为绝缘栅型场效应管中各电极为金属铝金属铝，绝缘层为，绝缘层为氧化氧化物物，导电沟道为，导电沟道为半导体半导体，故又称为，故又称为金属金属氧化物氧化物半导体半导体场场效应

6、管，简称为效应管，简称为MOS管管Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）。）。 管沟道耗尽型管沟道耗尽型管耗尽型管沟道增强型管沟道增强型管增强型管）绝缘栅场效应管（MOSPMOSNMOSMOSPMOSNMOSMOS1N沟道增强型沟道增强型MOS管管衬底衬底SiO2绝缘层绝缘层高高掺杂掺杂漏极漏极栅极栅极源极源极结结构构示示意意图图电路符号电路符号ZVGSv ZVGSv （1）工作原理）工作原理 （a）耗尽层的形成）耗尽层的形成（b）导电沟道的形成）导电沟道的形成 对导电沟道宽度及漏极电流对导电沟道宽度及漏极电流 的控制作用的控制作用

7、GSvDi耗尽层耗尽层空穴空穴大到一定大到一定值才开启值才开启反型层反型层 vGS增大，反型层（导电沟道）将变厚变长。当反型增大，反型层（导电沟道）将变厚变长。当反型层将两个层将两个N区相接时，形成导电沟道。区相接时，形成导电沟道。使导电沟道刚刚形成的栅源电压使导电沟道刚刚形成的栅源电压 称为开启电压称为开启电压，GSv用用VT表示，有时也用表示，有时也用VGS(th)表示。表示。 对导电沟道宽度及漏极电流对导电沟道宽度及漏极电流 的控制作用的控制作用DSvDi设设 且为定值。且为定值。TGSVv0,0DDSiv时变化随时，DSDTGSDSviVvv时，产生预夹断TGSDSVvvTGDVv饱和

8、时，DTGSDSiVvv刚出现夹断刚出现夹断iD几乎仅仅受控于几乎仅仅受控于vGSvDS的的增大几乎全部用增大几乎全部用来克服夹断区的电阻来克服夹断区的电阻（2）特性曲线和电流方程）特性曲线和电流方程GSv VvDS/ （a）输出特性）输出特性 （b）转移特性）转移特性 开启开启电压电压2D) 1(TGSDOVvIi电流方程：电流方程： 耗尽型耗尽型MOS管在管在 vGS0、 vGS 0、 vGS 0时均可导时均可导通，且与结型场效应管不同，由于通，且与结型场效应管不同，由于SiO2绝缘层的存在，在绝缘层的存在，在vGS0时仍保持时仍保持g-s间电阻非常大的特点。间电阻非常大的特点。加正离子加

9、正离子小到一定小到一定值才夹断值才夹断vGS=0时就存在时就存在导电沟道导电沟道2N沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管管3P沟道沟道MOS管管P沟道沟道MOS管是在管是在N型衬底表面生成型衬底表面生成P型反型层型反型层作为导电沟道。作为导电沟道。P沟道沟道MOS管与管与N沟道沟道MOS管的管的结构和工作原理类似，并且也有增强型和耗尽型结构和工作原理类似，并且也有增强型和耗尽型两种。使用时，栅源电压两种。使用时，栅源电压 和漏源电压和漏源电压 的极的极性与性与N沟道沟道MOS管相反。管相反。 GSvDSv)0(P)0(N)00(P)00(N)00(P)00(NDSGSDSGSDSGSDSGSDSGSD

10、SGS极性任意，沟道极性任意，沟道耗尽型，沟道，沟道增强型绝缘栅型，沟道，沟道结型场效应管vvvvvvvvvvvv3.1.3 场效应管的主要参数场效应管的主要参数1直流参数直流参数（1）开启电压开启电压 TV是增强型是增强型MOS管的参数。是使漏极电流大于零管的参数。是使漏极电流大于零所需要的最小栅源电压。所需要的最小栅源电压。（2）夹断电压夹断电压 )()(offGSPVV是结型场效应管和耗尽型是结型场效应管和耗尽型MOS管的参数。管的参数。 是结型场效应管和耗尽型是结型场效应管和耗尽型MOS管的参数。管的参数。当栅源电压等于零，而漏源电压大于夹断电压时当栅源电压等于零，而漏源电压大于夹断电

11、压时的漏极电流，称为饱和漏极电流。的漏极电流，称为饱和漏极电流。（3）饱和漏极电流饱和漏极电流 DSSI（4）直流输入电阻直流输入电阻 )(DCGSR结型管的结型管的 大于大于 ，MOS管的管的 大于大于 。)(DCGSR)(DCGSR7109102交流参数交流参数（1）低频跨导低频跨导 mg常量DSvGSDmvig（2）输出电阻输出电阻 dsr常量GSvDDSdsivr一般约为几十千欧到几百千欧。一般约为几十千欧到几百千欧。 （3）极间电容极间电容 场效应管的三个电极之间均存在极间电容。在低频情况场效应管的三个电极之间均存在极间电容。在低频情况下，它们的影响可以忽略不计，在高频情况下，必须予

12、下，它们的影响可以忽略不计，在高频情况下，必须予以考虑。以考虑。3极限参数极限参数（1）最大漏极电流最大漏极电流 DMI是管子正常工作时允许的最大漏极电流。是管子正常工作时允许的最大漏极电流。 （2）最大耗散功率最大耗散功率 DMP是管子正常工作时允许损耗的最大功率。是管子正常工作时允许损耗的最大功率。 （3）最大漏源电压最大漏源电压 DSBRV)(是指漏源间所能承受的最大电压。是指漏源间所能承受的最大电压。 （4）最大栅源电压最大栅源电压 GSBRV)(是指栅源间所能承受的最大电压。是指栅源间所能承受的最大电压。 3.1.4 场效应管与晶体三极管的比较场效应管与晶体三极管的比较（1）场效应管

13、是电压控制器件，用栅源电压控制漏极电）场效应管是电压控制器件，用栅源电压控制漏极电流。栅极基本不取电流，输入电阻很高。而晶体管工作时需流。栅极基本不取电流，输入电阻很高。而晶体管工作时需要信号源为基极提供一定的电流，输入电阻较小。因此，要要信号源为基极提供一定的电流，输入电阻较小。因此，要求输入电阻高的电路应选用场效应管，如果信号源可以提供求输入电阻高的电路应选用场效应管，如果信号源可以提供一定的电流，可选用晶体管。一定的电流，可选用晶体管。（2）场效应管只有多子参与导电，晶体管内既有多子又）场效应管只有多子参与导电，晶体管内既有多子又有少子参与导电，而少子受温度、辐射等因素影响较大，因有少子

14、参与导电，而少子受温度、辐射等因素影响较大，因而场效应管比晶体管的温度稳定性好、抗辐射能力强。所以而场效应管比晶体管的温度稳定性好、抗辐射能力强。所以在环境条件变化很大的情况下应选用场效应管。在环境条件变化很大的情况下应选用场效应管。（3）场效应管的噪声系数很小，所以低噪声放大器的输）场效应管的噪声系数很小，所以低噪声放大器的输入级及要求信噪比较高的电路应选用场效应管。当然也可选入级及要求信噪比较高的电路应选用场效应管。当然也可选用特制的低噪声晶体管。用特制的低噪声晶体管。（4）场效应管的漏极与源极可以互换使用，互换后特）场效应管的漏极与源极可以互换使用，互换后特性变化不大。而晶体管的发射极与

15、集电极互换后特性差异性变化不大。而晶体管的发射极与集电极互换后特性差异很大，因此只在特殊需要时才互换。很大，因此只在特殊需要时才互换。（5）场效应管比晶体管的种类多，特别是耗尽型）场效应管比晶体管的种类多，特别是耗尽型MOS管，栅源电压可正、可负、可为零，均能控制漏极电流。管，栅源电压可正、可负、可为零，均能控制漏极电流。因而在组成放大电路时比晶体管有更大的灵活性。因而在组成放大电路时比晶体管有更大的灵活性。（6）场效应管和晶体管均可用于放大电路和开关电路，）场效应管和晶体管均可用于放大电路和开关电路，它们均可构成品种繁多的集成电路。但由于场效应管集成它们均可构成品种繁多的集成电路。但由于场效

16、应管集成工艺更简单，且具有功耗小、工作电源电压范围宽等优点，工艺更简单，且具有功耗小、工作电源电压范围宽等优点，因此因此更加广泛地应用于大规模和超大规模集成电路之中。更加广泛地应用于大规模和超大规模集成电路之中。3.2 场效应管放大电路场效应管放大电路3.2.1 场效应管放大电路的直流偏置和静态分析场效应管放大电路的直流偏置和静态分析1自给偏压电路自给偏压电路SQGQGSQVVVSDQRI2DQ)1 (PGSQDSSVVII（2） （1） )(dsDQDDDSQRRIVV（3） 2分压式偏置电路分压式偏置电路TV2iv ov DDgggAGQVRRRVV211SDQDDgggSQGQGSQRI

17、VRRRVVV211（1） 2) 1(TGSQDODQVVII（2） )(dsDQDDDSQRRIVV（3） 3.2.2 场效应管放大电路的动态分析场效应管放大电路的动态分析1场效应管的交流等效模型场效应管的交流等效模型近似分析时可认近似分析时可认为其为无穷大！为其为无穷大！DSGSDmVvig根据根据iD的表达式或转移特性可求得的表达式或转移特性可求得gm。2) 1(TGSDODVvIiDODTGSIiVv2) 1(DODTGSIiVv ) 1(DSVGSDmvigGSTGSDOvVvI) 1(2) 1(2TGSDOTVvIVDODDOTIiIV2DDOTiIV2DQDOTIIV2DQDOT

18、mIIVg2DQDSSPmIIVg2对结型管：对结型管：2共源极放大电路的动态分析共源极放大电路的动态分析交流等效电路交流等效电路iovVVAgsLdgsmVRRVg)/(LmRggiRR doRR 例例3.2.1 在如图所示电路中，已知在如图所示电路中，已知VDD=15V，Rg1=150k，Rg2=300k， Rg3=1M， Rd= RL=5k，Rs=0.5k，MOS管的管的VT=2V， IDO=2mA 。 试求解：试求解：（1 1）电路的静态工作点；）电路的静态工作点； （2 2）电路的电压放大倍数电路的电压放大倍数、输入、输入 电阻和输出电阻电阻和输出电阻; TV2iv ov 解：（解：（1 1）SDQDDgggSQGQGSQRIVRRRVVV211（1） 22) 12(2) 1(GSQTGSQDODQVVVII（2） DQdsDQDDDSQIRRIVV5 . 515)(（3） DQDQII5 . 055 . 015300150150VVGSQ4mAIDQ2VVDSQ4联立以上三式求解可得：联立以上三式求解可得：（2 2）TV2iv ov mSVmAIIVgDQDOTm2/)2222(2gsiVV)/(LdgsmoRRVgVi