第9讲 场效应管放大电路

第九讲场效应管放大电路1.4场效应三极管只有一种载流子参与导电，且利用电场效应来控制电流的三极管，称为场效应管，也称单极型三极管。场效应管分类结型场效应管绝缘栅场效应管特点单极型器件(一种载流子导电)；输入电阻高；工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低。DSGN符号1.4.1结型场效应管一、结构图1.4.1

N沟道结型场效应管结构图N型沟道N型硅棒栅极源极漏极P+P+P型区耗尽层(PN结)在漏极和源极之间加上一个正向电压，N型半导体中多数载流子电子可以导电。导电沟道是N型的，称N沟道结型场效应管。P沟道场效应管图1.4.2

P沟道结型场效应管结构图N+N+P型沟道GSD

P沟道场效应管是在P型硅棒的两侧做成高掺杂的N型区(N+)，导电沟道为P型，多数载流子为空穴。符号GDS二、工作原理

N沟道结型场效应管用改变UGS大小来控制漏极电流ID的。GDSNN型沟道栅极源极漏极P+P+耗尽层*在栅极和源极之间加反向电压，耗尽层会变宽，导电沟道宽度减小，使沟道本身的电阻值增大，漏极电流ID减小，反之，漏极ID电流将增加。

*耗尽层的宽度改变主要在沟道区。

1.设UDS=0，在栅源之间加负电源VGG，改变VGG大小。观察耗尽层的变化。ID=0GDSN型沟道P+P+

(a)

UGS=0UGS=0时，耗尽层比较窄，导电沟比较宽UGS由零逐渐增大，耗尽层逐渐加宽，导电沟相应变窄。当UGS=UGS(off)，耗尽层合拢，导电沟被夹断，夹断电压UGS(off)为负值。ID=0GDSP+P+N型沟道

(b)

UGS<0VGGID=0GDSP+P+(c)

UGS

=UGS(off)VGG

2.在漏源极间加正向VDD，使UDS>0，在栅源间加负电源VGG，观察UGS变化时耗尽层和漏极ID

。GDSP+NISIDP+P+VDDVGG

UGS<0，ID较小。GDSNISIDP+P+VDD注意：当UDS>0时，耗尽层呈现楔形。(a)(b)

UGS=0，

ID较大。GDSP+NISIDP+P+VDDVGGUGS<0,|

UGD|=|UGS(off)|,ID更小,预夹断UGS≤UGS(off),ID0,夹断GDSISIDP+VDDVGGP+P+(1)

改变UGS，改变了PN结中电场，控制了ID

，故称场效应管；(2)结型场效应管栅源之间加反向偏置电压，使PN反偏，栅极基本不取电流，因此，场效应管输入电阻很高。(c)(d)三、特性曲线1.转移特性(N沟道结型场效应管为例)O

UGSIDIDSSUGS(off)图1.4.6转移特性UGS=0，ID最大；UGS

愈负，ID愈小；UGS=UGS(off)，ID0。两个重要参数饱和漏极电流

IDSS(UGS=0时的ID)夹断电压UGS(off)

(ID=0时的UGS)UDSIDVDDVGGDSGV+V+UGS图1.4.5特性曲线测试电路+mA1.转移特性OuGS/VID/mAIDSSUP图1.4.6转移特性2.输出特性当栅源之间的电压UGS不变时，漏极电流ID与漏源之间电压UDS

的关系，即结型场效应管转移特性曲线的近似公式：IDSS/VID/mAUDS/VOUGS=0V-1-2-3-4-5-6-7预夹断轨迹恒流区击穿区可变电阻区漏极特性也有三个区：可变电阻区、恒流区和击穿区。2.输出特性UDSIDVDDVGGDSGV+V+UGS图1.4.5特性曲线测试电路+mA图1.4.6(b)

漏极特性场效应管的两组特性曲线之间互相联系，可根据漏极特性用作图的方法得到相应的转移特性。UDS=常数ID/mA0-0.5-1-1.5UGS/VUDS=15V5ID/mAUDS/V0UGS=0-0.4V-0.8V-1.2V-1.6V101520250.10.20.30.40.5结型场效应管栅极基本不取电流，其输入电阻很高，可达107以上。如希望得到更高的输入电阻，可采用绝缘栅场效应管。图1.4.7

在漏极特性上用作图法求转移特性1.4.2绝缘栅型场效应管由金属、氧化物和半导体制成。称为金属-氧化物-半导体场效应管，或简称MOS场效应管。特点：输入电阻可达109以上。类型N沟道P沟道增强型耗尽型增强型耗尽型UGS=0时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管；UGS=0时漏源间不存在导电沟道称增强型场效应管。绝缘栅型场效应管

uGS增大，反型层（导电沟道）将变厚变长。当反型层将两个N区相接时，形成导电沟道。增强型管SiO2绝缘层衬底耗尽层空穴高掺杂反型层大到一定值才开启2.工作原理绝缘栅场效应管利用uGS

来控制“感应电荷”的多少，改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道的状况，以控制漏极电流iD。工作原理分析(1)uGS=0漏源之间相当于两个背靠背的PN结，无论漏源之间加何种极性电压，总是不导电。SBD图1.4.9(2)

uDS=0，0<uGS<UGS(th)P型衬底N+N+BGSD

P型衬底中的电子被吸引靠近SiO2

与空穴复合，产生由负离子组成的耗尽层。增大UGS

耗尽层变宽。VGG---------(3)

uDS=0，uGS≥UGS(th)由于吸引了足够多的电子，会在耗尽层和SiO2之间形成可移动的表面电荷层——---N型沟道反型层、N型导电沟道。UGS升高，N沟道变宽。因为uDS=0，所以iD=0。UGS(th)

为开始形成反型层所需的uGS，称开启电压。(4)

uDS

对导电沟道的影响(uGS

>UGS(th))导电沟道呈现一个楔形。漏极形成电流iD

。（可变电阻区，iD

随着uDS增加而增加）b.uDS=uGS–UGS(th)，

UGD=UGS(th)靠近漏极沟道达到临界开启程度，出现预夹断。c.uDS

>uGS–UGS(th)，

UGD<UGS(th)由于夹断区的沟道电阻很大，uDS

逐渐增大时，导电沟道两端电压基本不变，iD

因而基本不变。(恒流条件)a.uDS<uGS–UGS(th)，即uGD=uGS–uDS>UGS(th)DP型衬底N+N+BGSVGGVDDP型衬底N+N+BGSDVGGVDDP型衬底N+N+BGSDVGGVDD夹断区图1.4.11

uDS

对导电沟道的影响(a)

uGD>UGS(th)(b)

uGD=UGS(th)(c)

uGD<UGS(th)增强型MOS管uDS对iD的影响

用场效应管组成放大电路时应使之工作在恒流区。N沟道增强型MOS管工作在恒流区的条件是什么？

iD随uDS的增大而增大，可变电阻区

uGD＝UGS（th）,预夹断

iD几乎仅仅受控于uGS，恒流区刚出现夹断uGS的增大几乎全部用来克服夹断区的电阻3.特性曲线(a)转移特性(b)输出特性ID/mAUDS/VO预夹断轨迹恒流区击穿区可变电阻区uGS<UGS(th)，iD=0；

uGS

≥

UGS(th)，形成导电沟道，随着uGS

的增加，iD

逐渐增大。(当uGS

>UGS(th)

时)三个区：可变电阻区、恒流区(或饱和区)、击穿区。UT2UTIDOUGS/VID/mAO图1.4.12(a)图1.4.12(b)二、N沟道耗尽型MOS场效应管P型衬底N+N+BGSD++++++制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子，这些正离子电场在P型衬底中“感应”负电荷，形成“反型层”。即使uGS=0也会形成N型导电沟道。++++++++++++

uGS=0，uDS>0，产生较大的漏极电流；

uGS<0，绝缘层中正离子感应的负电荷减少，导电沟道变窄，iD

减小；

UGS=-UGS(off),感应电荷被“耗尽”，iD

0。UGS(off)

称为夹断电压图1.4.13N沟道耗尽型MOS管特性工作条件：uDS>0；uGS

正、负、零均可。ID/mAUGS/VOUP(a)转移特性IDSS图1.4.15

MOS管的符号SGDBSGDB(b)漏极特性ID/mAUDS/VO+1VUGS=0-3V-1V-2V43215101520图1.4.14特性曲线1.4.3场效应管的主要参数一、直流参数饱和漏极电流

IDSS2.夹断电压UGS(off)3.开启电压UGS(th)4.直流输入电阻RGS为耗尽型场效应管的一个重要参数。为增强型场效应管的一个重要参数。为耗尽型场效应管的一个重要参数。输入电阻很高。结型场效应管一般在107以上，绝缘栅场效应管更高，一般大于109。种类符号转移特性漏极特性

结型N沟道耗尽型

结型P沟道耗尽型

绝缘栅型

N沟道增强型SGDSGDIDUGS=0V+UDS++oSGDBUGSIDOUT表1-2各类场效应管的符号和特性曲线+UGS=UTUDSID+++OIDUGS=0V---UDSOUGSIDUPIDSSOUGSID/mAUPIDSSO种类符号转移特性漏极特性绝缘栅型N沟道耗尽型绝缘栅型P沟道增强型耗尽型IDSGDBUDSID_UGS=0+__OIDUGSUPIDSSOSGDBIDSGDBIDIDUGSUTOIDUGSUPIDSSO_IDUGS=UTUDS_o_UGS=0V+_IDUDSo+2.7场效应管放大电路2.7.1场效应管的特点1.场效应管是电压控制元件；

2.栅极几乎不取用电流，输入电阻非常高；

3.一种极性的载流子导电，受外界温度及辐射影响小；

4.制造工艺简单，有利于大规模集成；

5.

跨导较小，电压放大倍数一般比三极管低。2.7.2共源极放大电路图2.7.3共源极放大电路原理电路VDD+uOiDVT~+uIVGGRGSDGRD与双极型三极管对应关系bG,eS,cD为了使场效应管工作在恒流区实现放大作用，应满足：图示电路为N沟道增强型MOS

场效应管组成的放大电路。一、静态分析VDD+uOiDVT~+uIVGGRGSDGRD图2.7.3共源极放大电路原理电路两种方法近似估算法图解法(一)

近似估算法

MOS管栅极电流为零，当uI=0时UGSQ=VGG而iD

与uGS

之间近似满足(当uGS>UGS(th))式中

IDO为uGS=2UGS(th)时的值。则静态漏极电流为

(二)

图解法图2.7.4用图解法分析共源极放大电路的Q

点VDDIDQUDSQQ利用式uDS=VDD

-

iDRD

画出直流负载线。图中IDQ、UDSQ

即为静态值。二、动态分析iD

的全微分为上式中定义：——场效应管的跨导(毫西门子mS)。——场效应管漏源之间等效电阻。1.微变等效电路二、动态分析如果输入正弦信号，则可用相量代替上式中的变量。成为：根据上式做等效电路如图所示。图2.7.5场效应管的微变等效电路++——GDS由于没有栅极电流，所以栅源是悬空的。微变参数

gm

和rDS

(1)

根据定义通过在特性曲线上作图方法中求得。(2)

用求导的方法计算

gm在Q

点附近，可用IDQ

表示上式中iD，则一般gm约为0.1至20mS。rDS

为几百千欧的数量级。当RD比rDS

小得多时，可认为等效电路的rDS

开路。2.共源极放大电路的动态性能VDD+uOiDVT~+uIVGGRGSDGRD图2.7.6共源极放大电路的微变等效电路将

rDS

开路而所以输出电阻Ro=RDMOS管输入电阻高达109

。-D++-GSRG+-2.7.3分压—自偏压式共源放大电路一、静态分析(一)近似估算法根据输入回路列方程图2.7.7分压-自偏式共源放大电路+VT+RGSDGRDR2VDD+RLRSR1C1CSC2+++解联立方程求出UGSQ

和IDQ。+VT+RGSDGRDR2VDD+RLRSR1C1CSC2+++图2.7.7分压-自偏式共源放大电路列输出回路方程求UDSQUDSQ=VDD–IDQ(RD+RS)(二)图解法由式可做出一条直线，另外，iD

与