第四章 场效应管及其基本放大电路

第4章场效应管及其

基本放大电路14.1引言场效应管的优点输入阻抗高抗干扰能力强功耗小分类：结型场效应管JFET

绝缘栅型场效应管IGFET又称为MOSFETN沟道场效应管

P沟道场效应管24.2场效应管4.2.1绝缘栅场效应管种类：增强型（沟道从无到有）NP

耗尽型（沟道从有到无）NP3

1.结构一、

N沟道增强型MOS管4

N沟道增强型MOS管的符号如上图所示。左面的一个衬底在内部与源极相连，右面的一个没有连接，使用时需要在外部连接。N沟道增强型MOS管的符号5

2.N沟道增强型MOS管的工作原理

分两个方面进行讨论：一是栅源电压UGS对沟道产生的影响，从而对漏极电流ID产生影响；二是漏源电压UDS对沟道产生影响，从而对漏极电流ID产生影响。6

令漏源电压UDS=0，加入栅源电压UGS以后并不断增加。

UGS带给栅极正电荷，将正对SiO2层表面下衬底中的空穴推走，从而形成负离子层，即耗尽层，用绿色的区域表示。

在栅极下的表层感生一定的电子电荷，从而在漏源之间可形成导电沟道，即反型层。反型层（1）栅源电压UGS的控制作用栅源电压的控制作用7

反型层形成后，此时若加上UDS

，就会有漏极电流ID产生。

当UGS较小时，不能形成有效的沟道，尽管加有UDS

，也不能形成ID

。当增加UGS，使ID刚刚出现时，对应的UGS称为开启电压，用UGS(th)或UT表示。

显然改变UGS就会改变沟道，从而影响ID

，这说明UGS对ID的控制作用。8

设UGS＞UGS(th)，增加UDS，此时沟道的变化如下。

漏源电压也会对沟道产生影响，因为源极和衬底相连接，所以加入UDS后，UDS将从漏到源逐渐降落在沟道内，漏极和衬底间反偏最大，PN结的宽度最大。所以加入UDS后，在漏源之间会形成一个楔形的PN结区，从而影响沟道的导电性。

2.漏源电压UDS的控制作用漏源电压的控制作用9

当UDS进一步增加时，ID会不断增加，同时，漏端的耗尽层上移，会在漏端出现夹断，这种状态称为预夹断。预夹断

当UDS进一步增加时，漏端的耗尽层向源极伸展，此时ID基本不再增加，增加的UDS基本上降落在预夹断区。漏源电压的控制作用10OV2GS=UV3+V5.3+V4+DimA/15105uDS/V恒流区.3.特性曲线（1）输出特性曲线

当UGS＞UGS(th)，且固定为某一值时，反映UDS对ID的影响，即iD=f(uDS)UGS=const这一关系曲线称为漏极输出特性曲线。曲线分五个区域：（1）可变电阻区（2）恒流区（放大区）（3）截止区（4）击穿区（5）过损耗区可变电阻区截止区击穿区过损耗区11（2）转移特性曲线转移特性曲线的斜率gm反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。gm称为跨导。单位mS（mA/V）OGSu4321/VDimA/4321UGS(th)10VDS=U12OV2GS=UV3+V5.3+V4+DimA/15105uDS/V恒流区.从漏极输出特性曲线可以得到转移特性曲线，过程如下：OuGS4321/VDimA/4321UGS(th)13二、N沟道耗尽型MOSFETN沟道耗尽型管的结构和符号SiO2中掺入正离子符号：沟道连续工作原理：导电沟道存在沟道被削弱当时，沟道消失沟道被增强

14

N沟道耗尽型场效应管的转移特性曲线如右上图所示。耗尽型场效应管的转移特性曲线也可以用下式表示夹断电压IDSS

当UGS=0时，对应的漏极饱和电流用IDSS表示。当UGS＞0时，将使ID进一步增加。UGS＜0时，随着UGS的减小漏极电流逐渐减小，直至ID=0。对应ID=0的UGS称为夹断电压，用符号UGS(off)表示，有时也用UP表示。耗尽型管的特性转移特性15

三、P沟道MOS管NP+P+

P沟道MOS管的结构与N沟道MOS管相同，只不过半导体的极性相反，电源电压、偏置电压的极性也相反。漏极电流的方向相反，夹断电压和开启电压的极性也相反。

衬底由P型改为N型；漏、源两个电极的搀杂由N+改为P+。P沟道MOSFET的结构增强型耗尽型16

场效应三极管有二种结构形式：

1.绝缘栅场效应晶体管(MOSFET)----增强型耗尽型

2.结型场效应晶体管(JFET)------只有耗尽型

4.2.2结型场效应管171.结型场效应晶体管的结构

JFET的结构与MOSFET相似，工作机理则相同。

PN结N沟道18（1）栅源电压对沟道的控制作用2.结型场效应管的工作原理

场效应管是一种电压控制电流源器件，它的漏极电流受栅源电压UGS和漏源电压UDS的双重控制。

栅源电压的控制作用UGS(off)19（2）漏源电压对沟道的控制作用预加断预加断漏源电压对沟道的控制作用20各种场效应管符号和特性曲线比较场效应管分类

2.结型场效应晶体管N沟道耗尽型

1.绝缘栅场效应晶体管P沟道耗尽型

增强型

耗尽型N沟道P沟道N沟道P沟道21

N沟道增强型MOS管，衬底箭头向里。漏、衬底和源、开，表示零栅压时沟道不通。

表示衬底在内部没有与源极连接。

N沟道耗尽型MOS管。漏、衬底和源不断开表示零栅压时沟道已经连通。

N沟道结型MOS管。没有绝缘层，只有耗尽型。如果是P沟道，箭头则向外。场效应管的符号22N沟道增强型MOSFET类型漏极输出特性曲线转移特性曲线P沟道增强型MOSFET场效应管的特性曲线23N沟道耗尽型MOSFETP沟道耗尽型MOSFET类型漏极输出特性曲线转移特性曲线24N沟道

JFET类型漏极输出特性曲线转移特性曲线P沟道

JFET25①开启电压UGS(th)(或UT)----开启电压是增强型MOS管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值,场效应管不导通。

②夹断电压UGS(off)(或UP)----夹断电压是耗尽型场效应管的参数，当UGS=UGS(off)时,漏极电流为零。

③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。1.直流参数

④输入电阻RGS----场效应三极管的栅源输入电阻的典型值，对于结型场效应三极管，反偏时RGS约大于107Ω，对于绝缘栅型场效应三极管,RGS约是109～1015Ω。4.2.3FET的参数

⑤低频跨导gm----低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用，这一点与晶体管的控制作用相似。gm可以在转移特性曲线上求取，单位是mS(毫西门子)。

⑥极间电容----场效应晶体管的三个电极之间存在电容。一般Cgs和Cgd约为1~3pF，Cds约为0.1~1pF。2.交流参数273.极限流参数

⑦

最大漏极电流IDM----场效应管正常工作时的漏极电流的上限值。

⑧

击穿电压U(BR)GS----结型场效应管栅源之间所加的反向电压使PN结击穿的电压值，或绝缘栅场效应管的栅极绝缘层击穿的电压值。

⑩最大漏极功耗PDM----最大漏极功耗可由PDM=UDSID决定，与双极型晶体管的PCM相当。

⑨

击穿电压U(BR)DS----场效应管进入恒流区，uds的增加使iD骤然增加的漏源电压值。28

4.场效应晶体管的型号

场效应三极管的型号,现行有两种命名方法。其一是与双极型晶体管相同，第三位字母J代表结型场效应管，O代表绝缘栅场效应管。第二位字母代表材料，D是P型硅，反型层是N沟道；C是N型硅P沟道。例如,3DJ6D是结型N沟道场效应晶体管，3DO6C是绝缘栅型N沟道场效应晶体管。

第二种命名方法是CS××#，CS代表场效应管，××以数字代表型号的序号，#用字母代表同一型号中的不同规格。例如CS14A、CS45G等。29几种常用的场效应管的主要参数见下表:

场效应管的参数30总结：关于和的极性（1）N沟道P沟道（2）用作增强型和极性相同用作耗尽型（包括结型FET）和极性相反（3）若正确错了相当于电阻2.工作在恒流区的条件314.2.4BJT和FET的比较BJT：CCCS内阻小双极型热稳定性差功耗大不易集成响应速度快FET：VCCS内阻大单极型热稳定性好功耗小易于集成响应速度慢32

场效应晶体管放大电路的三种组态场效应晶体管有三种不同的组态(或称为三种接法)：共源极组态，与共发射极组态对应；共漏极组态，与共集电极组态对应；共栅极组态，与共基极组态对应。(a)共源组态(b)共漏组态(c)共栅组态场效应放大电路的三种组态4.3FET基本放大电路33静态工作点偏置到具有线性特性的恒流区场效应管是电压偏置区分静态和动态，区分直流通路和交流通路在进行动态分析之前，也需要先进行静态工作点的计算场效应晶体管放大电路设置偏置的原则34

具体的偏置电路形式：场效应晶体管放大电路的电压偏置有两种形式，分压偏置和自给栅偏压。

对于不同类型的场效应管：

对于MOS增强型N沟道管放大电路，UGS>0，UGS<0截止;

对于MOS增强型P沟道管放大电路，UGS<0，UGS>0截止。

对于MOS耗尽型N沟道管放大电路，UGS<0，也可UGS>0;

对于MOS耗尽型P沟道管放大电路，UGS>0，也可UGS<0。对于结型场效应管放大电路，N沟道管放大电路为UGS<0；P沟道管放大电路为UGS>0。35

场效应管放大电路分压偏置分压偏置电路(b)采用耗尽型管(a)采用增强型管由于没有栅流，栅极电位仅由Rg1和Rg2分压确定，所以分压偏置既可以得到正偏压，又可以得到负偏压。对于图

(a)也可以采用结型场效应管。36

场效应管放大电路自给栅偏压自给栅偏压自给偏压场效应管放大电路如图所示。该电路因为栅流等于0，所以，栅极电位等于0。所以只能N沟道管建立负偏压；P沟道管建立正偏压。所以图示电路UG=0VUS=IDR

UGSQ=-IDQR37

4.3.1

共源放大电路N沟道结型场效应管分压偏置电路一、静态分析——1.分压偏置电路结型场效应管和耗尽型场效应管38

因IDQ是二次方程，需要从中确定一个合理的解。一般可根据静态工作点是否合理，栅源电压是否超出了夹断电压，漏源电压是否进入饱和区等情况来确定。注意以上计算是针对由耗尽型场效应管构成的放大电路，若放大电路采用的是增强型场效应晶体管，则应采用下式计算漏极电流式中：IDO是uGS=2UGS(th)

时所对应的iD。N沟道增强型绝缘栅场效应管分压偏置电路39自给偏压共源组态场效应管放大电路如图所示。建立正确的偏压就是建立正确的静态工作点，图示电路中的场效应管应该采用N沟道JFET。因为栅流等于0，所以UG=0V、US=IDR，UGSQ=-IDQR

。根据场效应管的转移特性曲线，静态工作点Q应位于第二象限。漏极电流自给偏压共源放大电路管压降

UDSQ=VDD－IDQ(Rd+R)ID一、静态分析——2.自给偏压电路40

与双极型晶体管一样，可以用一个线性模型来代替场效应管，条件仍然是工作在恒流区，或是微变信号。与双极型晶体管相比，因为场效应管的栅源之间的输入电阻十分大，可视为开路。输出回路是一个受控源，即电压控制电流源VCCS，大小是。电流源还并联了一个输出电阻rds，在双极型晶体管的简化模型中，因输出电阻rce>>RL可视为开路，在此对于rds也应根据具体情况决定取舍。场效应管h参数等效电路

场效应管简化的微变等效电路如图所示，这个模型也仅适用低频和中频频段。开路VCCS二、动态分析——1.FET的微变等效电路41根据微变等效电路进行求解h参数中频微变等效电路因，所以式中R'L=rds//Rd//RL。如果有信号源内阻Rs时，源电压增益为Ri为输入电阻2.动态分析——（1）电压放大倍数rds42（2）输入电阻h参数中频微变等效电路根据微变等效电路，有场效应晶体管具有输入电阻高的特点，但是由于偏置电阻并联的影响，其输入电阻并不一定高。采用图示电路可以提高场效应管放大电路的输入电阻。43

图a)电路的栅极分压电阻Rg1和Rg2经过一个较大的电阻Rg接到栅极，因栅流等于0，Rg的串入不影响栅极电位。而交流信号则经过耦合电容器直接接到栅极，它的微变等效电路如图b)所示。图a)共源放大电路图b)微变等效电路由微变等效电路可知SD++--rdRLdI&oU&gsU&G-+Rg1Rg2RgiU&mgRd44

（3）输出电阻

根据输出电阻的定义，令源电压等于0，负载电阻开路，并在输出端加一个测试电源，可得求输出电阻的微变等效电路，如图b）所示。此时受控源相当开路。然后计算输出电阻，于是=

rds∥Rd

图a）共源放大电路图b）求输出电阻的微变电路45由以上分析可知，共源组态放大电路与共射组态放大电路有相同的基本特点：１.电压放大倍数较大。２.输出电压的相位与输入电压的相位相反。

3.共源组态放大电路的输入电阻由偏置电路决定，采用一定的偏置电路方式可以获得高的输入电阻，这一点与共射组态放大电路有所不同。共源放大电路的特点４.共源组态放大电路的输出电阻近似等于漏极负载电阻。46讲解例题：例4