场效应管及其基本放大电路

关于场效应管及其基本放大电路第一页，共六十四页，2022年，8月28日3.1结型场效应管

引言

结型场效应管的结构及类型

结型场效应管的伏安特性

结型场效应管的工作原理

结型场效应管的主要参数第二页，共六十四页，2022年，8月28日引言场效应管FET

(FieldEffectTransistor)类型：增强型耗尽型绝缘栅型场效应管(IGFET)结型场效应管(JFET)场效应管(FET)N沟道P沟道N沟道P沟道N沟道P沟道第三页，共六十四页，2022年，8月28日特点：1.单极性器件(一种载流子导电)3.工艺简单、易集成、功耗小、

体积小、成本低2.输入电阻高

(1071015，IGFET可高达1015)第四页，共六十四页，2022年，8月28日3.1结型场效应管3.1.1结型场效应管的结构及类型N沟道JFETP沟道JFET第五页，共六十四页，2022年，8月28日3.1.2结型场效应管的工作原理1.当uDS=0时，栅源电压uGS对导电沟道的控制作用

uGS=0UGS（off）<uGS<0uGS≤UGS（off）

第六页，共六十四页，2022年，8月28日2.当uGS=0时，漏源电压uDS对导电沟道的影响UGS（off）＞uDS＞0uDS=UGS（off）

uDS＞UGS（off）

第七页，共六十四页，2022年，8月28日3.当uGS﹤0、uDS﹥0时，栅源电压uGS对漏极电流iD的控制作用uGS

0，uDS

>0

此时

uGD=UGS(off)；

沟道楔型耗尽层刚相碰时称预夹断。当uDS

，预夹断点下移。第八页，共六十四页，2022年，8月28日3.1.3结型场效应管的伏安特性1.输出特性第九页，共六十四页，2022年，8月28日2.转移特性UGS(off)≤uGS≤0和管子工作在恒流区的条件下第十页，共六十四页，2022年，8月28日3.1.4结型场效应管的主要参数1.直流参数(1)夹断电压UGS（off）

指uDS=某值，使漏极电流iD

为某一小电流时的uGS

值。

结型型场效应管，当uGS=0时所对应的漏极电流。(2)饱和漏极电流IDSS第十一页，共六十四页，2022年，8月28日(3)直流输入电阻RGS(DC)

是指漏源电压为零时，栅源电压与栅极电流之比。结型场效应管的RGS(DC)一般大于107Ω。

反映了uGS对iD的控制能力，单位S(西门子)。一般为几毫西

(mS)uGS/ViD/mAQO2.交流参数(1)低频跨导gm第十二页，共六十四页，2022年，8月28日(2)极间电容CGS约为1~3pF，而CGD约为0.1~1pF

3.极限参数(1)最大漏极电流IDM(2)最大漏源电压U(BR)DS(3)最大栅源电压U(BR)GS(4)最大耗散功率PDMPDM=uDSiD，受温度限制。第十三页，共六十四页，2022年，8月28日3.2绝缘栅场效应管MOS场效应管（绝缘栅场效应管）N沟道绝缘栅场效应管P沟道绝缘栅场效应管增强型耗尽型增强型耗尽型第十四页，共六十四页，2022年，8月28日1、增强型N沟道MOSFET

(MentalOxideSemi—FET)1.结构与符号P型衬底(掺杂浓度低)N+N+用扩散的方法制作两个N区在硅片表面生一层薄SiO2绝缘层SD用金属铝引出源极S和漏极DG在绝缘层上喷金属铝引出栅极GB耗尽层S—源极SourceG—栅极Gate

D—漏极DrainSGDB3.2.1增强型MOS管第十五页，共六十四页，2022年，8月28日2.工作原理反型层(沟道)(1)导电沟道的形成uGS=0uGS>0且uGS>UGS(th)第十六页，共六十四页，2022年，8月28日1)uGS

对导电沟道的影响

(uDS=0)a.

当UGS=0

，DS间为两个背对背的PN结；b.

当0<UGS<UGS(th)(开启电压)时，GB间的垂直电场吸引

P区中电子形成离子区(耗尽层)；c.

当uGS

UGS(th)

时，衬底中电子被吸引到表面，形成导电沟道。uGS

越大沟道越厚。第十七页，共六十四页，2022年，8月28日(2)栅源电压对漏极电流的控制作用(uGS>UGS(th))

DS间的电位差使沟道呈楔形，uDS，靠近漏极端的沟道厚度变薄。预夹断(UGD=

UGS(th))：漏极附近反型层消失。预夹断发生之前：uDSiD。预夹断发生之后：uDSiD不变。第十八页，共六十四页，2022年，8月28日(1)输出特性可变电阻区uDS<uGSUGS(th)uDSiD

，直到预夹断饱和(放大区)uDS，iD

不变uDS加在耗尽层上，沟道电阻不变截止区uGS

UGS(th)

全夹断iD=0

iD/mAuDS/VuGS=2V4V6V8V截止区

饱和区可变电阻区放大区恒流区O3.伏安特性第十九页，共六十四页，2022年，8月28日(2)转移特性2464321uGS/ViD/mAUDS=10VUGS(th)当uGS>UGS(th)

时：uGS=2UGS(th)

时的

iD值开启电压O第二十页，共六十四页，2022年，8月28日二、耗尽型N沟道MOSFETSGDBSio2

绝缘层中掺入正离子在uGS=0时已形成沟道；在DS间加正电压时形成iD，uGS

UGS(off)

时，全夹断。第二十一页，共六十四页，2022年，8月28日输出特性uGS/ViD/mA转移特性IDSSUGS(off)夹断电压饱和漏极电流当uGS

UGS(off)

时，uDS/ViD/mAuGS=4V2V0V2VOO第二十二页，共六十四页，2022年，8月28日三、P沟道MOSFET增强型耗尽型SGDBSGDB第二十三页，共六十四页，2022年，8月28日N沟道增强型SGDBiDP沟道增强型SGDBiD2–2OuGS/ViD/mAUGS(th)SGDBiDN沟道耗尽型iDSGDBP沟道耗尽型UGS(off)IDSSuGS/ViD/mA–5O5FET符号、特性的比较第二十四页，共六十四页，2022年，8月28日OuDS/ViD/mA5V2V0V–2VuGS=2V0V–2V–5VN沟道结型SGDiDSGDiDP沟道结型uGS/ViD/mA5–5OIDSSUGS(off)OuDS/ViD/mA5V2V0VuGS=0V–2V–5V第二十五页，共六十四页，2022年，8月28日3.1.3场效应管的主要参数开启电压UGS(th)(增强型)

夹断电压

UGS(off)(耗尽型)

指uDS=某值，使漏极电流iD为某一小电流时的uGS

值。UGS(th)UGS(off)2.饱和漏极电流IDSS耗尽型场效应管，当uGS=0时所对应的漏极电流。IDSSuGS/ViD/mAO第二十六页，共六十四页，2022年，8月28日UGS(th)UGS(off)3.直流输入电阻RGS

指漏源间短路时，栅、源间加

反向电压呈现的直流电阻。JFET：RGS>107

MOSFET：RGS=109

1015IDSSuGS/ViD/mAO第二十七页，共六十四页，2022年，8月28日4.低频跨导gm

反映了uGS对iD的控制能力，单位S(西门子)。一般为几毫西

(mS)uGS/ViD/mAQO第二十八页，共六十四页，2022年，8月28日PDM=uDSiD，受温度限制。5.漏源动态电阻rds6.最大漏极功耗PDM第二十九页，共六十四页，2022年，8月28日3.2.3场效应管与晶体管的比较管子名称晶体管场效应管导电机理利用多子和少子导电利用多子导电控制方式电流控制电压控制放大能力高较低直流输入电阻小约几kΩ大JFET可达107Ω以上,MOS可达1010Ω稳定性受温度和辐射的影响较大温度稳定性好、抗辐射能力强噪声中等很小结构对称性集电极和发射极不对称，不能互换漏极和源极对称，可互换使用适用范围都可用于放大电路和开关电路等第三十页，共六十四页，2022年，8月28日

【例3-1】已知某场效应管的转移特性曲线如图3-15

所示，试确定场效应管的类型。UGS（th）=2V为N沟道增强型MOS管。第三十一页，共六十四页，2022年，8月28日【例3-2】电路如图3-16(a)所示，场效应管的输出特性如图3-16(b)所示，分析当uI＝3V、8V、12V三种情况下场效应管分别工作在什么区域。

解：UGS（th）=5VuGS＝uI

第三十二页，共六十四页，2022年，8月28日

当uI＝3V时，uGS小于开启电压，即uGS<UGS(th)，故场效应管截止。第三十三页，共六十四页，2022年，8月28日

当uI＝8V时，uGS>UGS(th)，场效应管导通，假设场效应管工作在恒流区，根据输出特性可知iD≈0.6mA，则管压降

uDS≈VDD﹣iDRd=12﹣0.6×3.3≈10V第三十四页，共六十四页，2022年，8月28日uGS﹣UGS(th)=8V﹣5V=3V，所以，uDS>uGS﹣UGS(th)，说明假设成立，即场效应管工作在恒流区。因为：uDS≈10V第三十五页，共六十四页，2022年，8月28日当uI＝12V时，uGS>UGS(th)，场效应管导通，假设场效应管工作在恒流区可知，当UGS=12V时iD≈4mA第三十六页，共六十四页，2022年，8月28日则：uDS=VDD﹣iDRd=12﹣4×3.3≈﹣1.2V而电路实际的uDS>0

所以：假设不正确，实际的iD小于4mA故场效应管工作在可变电阻区。第三十七页，共六十四页，2022年，8月28日【例3-3】图3-17所示电路，已知RD=3.3k，RG=100k，VDD=10V，VGG=2V，场效应管的UGS(off)=﹣5V，IDSS=3mA，试分析场效应管工作在什么区域。解：UGSQ=﹣VGG=﹣2V>UGS(off)场效应管导通假设场效应管工作在恒流区

UGSQ﹣UGS(off)=﹣2﹣(﹣5)=3VUDSQ>UGSQUGS(off)

假设正确第三十八页，共六十四页，2022年，8月28日3.3

场效应管放大电路3.3.2场效应管放大电路的动态分析3.3.1场效应管放大电路的直流偏置与静态分析第三十九页，共六十四页，2022年，8月28日3.2.1场效应管放大电路三种组态：共源、共漏、共栅特点：输入电阻极高，噪声低，热稳定性好

1.固定偏压放大电路一、电路的组成（1）合适的偏置（2）能输入能输出+VDDRDC2+C1+uiRGGDRL+UoVGG三种组态：共源、共漏、共栅三种组态：共源、共漏、共栅三种组态：共源、共漏、共栅第四十页，共六十四页，2022年，8月28日第四十一页，共六十四页，2022年，8月28日栅极电阻RG的作用：(1)为栅偏压提供通路(2)泻放栅极积累电荷源极电阻RS的作用：提供负栅偏压漏极电阻RD的作用：把iD的变化变为uDS的变化+VDDRDC2CS+++uoC1+uiRGRSGSDUGS+VDDRD0C1RGRSGSDIDUDSRL

2.自给偏压放大电路第四十二页，共六十四页，2022年，8月28日

UDSQ=VDD–

IDQ(RS+RD)

UGS+VDDRDRGRSGSDIDUDSUGSQ

=–IDQRS二、静态分析1.估算法第四十三页，共六十四页，2022年，8月28日2.图解法①在输出特性上作直流负载线②作负载转移特性曲线

③作输入回路的直流负载线

④确定静态工作点转移特性曲线与输入回路的直流负载线的交点即为静态工作点Q，Q点对应的横坐标值即为UGSQ，纵坐标值即为IDQ，再根据IDQ在输出特性曲线上求出静态工作点Q，确定UDSQ。第四十四页，共六十四页，2022年，8月28日(a)转移特性曲线(b)输出特性曲线图自给偏压电路Q点的图解第四十五页，共六十四页，2022年，8月28日1.场效应管的等效电路三、动态分析—场效应管电路小信号等效电路分析法第四十六页，共六十四页，2022年，8月28日移特性可知，gm是转移特性在静态工作点Q处gm为低频跨导，反映了管子的放大能力，从转切线的斜率.第四十七页，共六十四页，2022年，8月28日rds为场效应管的共漏极输出电阻，为输出特性在Q点处的切线斜率的倒数，如图所示，通常rds在几十千欧到几百千欧之间。第四十八页，共六十四页，2022年，8月28日从输入端口看入，相当于电阻

rgs()。从输出端口看入为受

ugs控制的电流源。id=gmugs小信号模型根据rgs

Sidgmugs+ugs+udsGDrds第四十九页，共六十四页，2022年，8月28日2.场效应管放大电路的微变等效电路RLRD+uo+uiGSD+ugsgmugsidiiRG3.计算放大电路的动态指标注意：自给偏压电路只适用耗尽型场效应管放大电路第五十页，共六十四页，2022年，8月28日3.2.2分压式自偏压放大电路调整电阻的大小，可获得：UGSQ>0UGSQ=0UGSQ<0RL+VDDRDC2CS+++uoC1+uiRG2RSGSDRG1一、电路组成二、静态分析第五十一页，共六十四页，2022年，8月28日

UDSQ=VDD–

IDQ(RS+RD)

三、动态分析RLRD+uo+uiRG2GSDRG1+ugsgmugsidii第五十二页，共六十四页，2022年，8月28日四、改进电路目的：为了提高输入电阻有CS时：RL+VDDRDC2CS+++uoC1+uiRG2RSGSDRG1RG3RLRD+uo+uiRG2GSDRG3RG1+ugsgmugsidii无CS

时：RSRi、Ro不变第五十三页，共六十四页，2022年，8月28日共漏放大电路RL+VDDC2++uoC1+uiRG2RSGSDRG1RG3RLRS+uo+uiRG2GSDRG3RG1+ugsgmugsiiioRo第五十四页，共六十四页，2022年，8月28日例耗尽型N沟道MOS管，RG=1M，

RS

=2k，RD=12k

，VDD=20V。

IDSS=4mA，UGS(off)

=–4V，求iD和uO。iG=0uGS=iDRS第五十五页，共六十四页，2022年，8月28日iD1=4mAiD2=1mAuGS=–8V<UGS(off)增根uGS=–2V

uDS=VDD–

iD(RS+RD)=20–14=6(V)

uO=VDD–

iD

RD=20–14=8(V)在放大区例已知UGS(off)=0.8V，IDSS=0.18mA，

1.求“Q”。2.求AU,Ri,RO第五十六页，共六十四页，2022年，8月28日解方程得：IDQ1=0.69mA，UGSQ=–

2.5V(增根，舍去)

IDQ2=0.45mA，

UGSQ=–

0.4V

RLRDC2CS+++uoC1+uiRG2GSDRG1RG310k10k200k64k1M2k5k+24V第五十七页，共六十四页，2022年，8月28日例gm=0.65mA/V，ui

=20sin