电路与模拟电子技术基础（第5版）课件 第七章 场效应管及其基本放大电路

第七章场效应管放大电路与放大电路的频率响应

第七章场效应管放大电路与放大电路的频率响应7.1场效应管的外部特性7.2场效应管放大电路7.3放大电路的频率响应1第七章场效应管放大电路与放大电路的频率响应

FET

分类金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFET）即绝缘栅型场效应管（MOS管）结型场效应管（JFET）单极型三极管—仅靠半导体中的多数载流子导电噪声小、抗辐射能力强、低电压工作、低能耗场效应三极管(FET)：利用电场效应来控制其电流大小的半导体器件。FET

特点重点：增强型MOSFET2第七章场效应管放大电路与放大电路的频率响应场效应管有三个极：源极（s）、栅极（g）、漏极（d），对应于三极管的：e、b、c；有三个工作区域：截止区、恒流区、可变电阻区，对应于三极管的：截止区、放大区、饱和区。场效应管具有制造工艺简单、占用芯片面积小、器件特性便于控制等特点，从而可以用于制造高密度的超大规模集成电路。3N沟道增强型MOS管

绝缘栅型场效应管MOSFET分为

增强型

N沟道、P沟道

耗尽型

N沟道、P沟道7.1.1增强型MOS管1.结构（N沟道）7.1场效应管的外部特性图中衬底箭头方向是PN结正偏时的正向电流方向42．伏安特性曲线与电流方程特性测试电路比较5K为常数，由场效应管结构决定抛物线（1）转移特性6（2）输出特性曲线①截止区当uGS<Uth

时，导电沟道尚未形成，

iD=0，为截止工作状态，又称为夹断区。②可变电阻区

uDS≤（uGS－Uth）直线斜率的倒数为D-S间的等效电阻,改变

uGS来改变漏-源电阻的阻值(压控电阻）2．伏安特性曲线与电流方程7iD近似为电压uGS控制的电流源,与uDS基本无关，恒流区③饱和区（恒流区又称放大区）利用场效应管作放大管时，应使其工作在该区域（2）输出特性曲线87.1.2耗尽型MOS管的外部特性1．符号uGS=0时就存在导电沟道

耗尽型MOS管在

uGS＞0、uGS

＜0、uGS

＝0时均可导通，由于SiO2绝缘层的存在，在uGS＞0时仍保持g-s间电阻非常大的特点。92．伏安特性与电流方程UP101.符号JFET属于耗尽型一类。7.1.3结型场效应管（JFET）的外部特性(a)N沟道(b)P沟道11除了结型场效应管必须保证uGS≤0之外，它的特性曲线与N沟道耗尽型MOS管是相似的。

2.伏安特性与电流方程12问题：uGS=0可工作在恒流区的场效应管有哪几种？

只有uGS＞0才可能工作在恒流区的场效应管有哪几种？只有uGS＜0才可能工作在恒流区的场效应管有哪几种？工作在恒流区时g-s、d-s间的电压极性

7.1.4各种场效应管的特性比较1各种FET特性比较13各种场效应管的特性比较（1）结构类型

工作方式

电路符号

转移特性曲线

输出特性曲线

绝缘栅(MOSFET)N沟道

增强型

耗尽型

14各种场效应管的特性比较（2）结构类型

工作方式

电路符号

转移特性曲线

输出特性曲线

绝缘栅(MOSFET)P沟道

增强型

耗尽型

15各种场效应管的特性比较（3）结构类型

工作方式

电路符号

转移特性曲线

输出特性曲线

结型(JFET)N沟道耗尽型结型(JFET)P沟道

耗尽型

16结构类型

绝缘栅(MOSFET)N沟道

绝缘栅(MOSFET)P沟道

结型(JFET)N沟道

结型(JFET)P沟道

工作方式

增强型

耗尽型

增强型

耗尽型

耗尽型

耗尽型

电路符号

转移特性曲线

输出特性曲线

各种场效应管的特性比较（4）17【例7.1.1】：已知某场效应管的输出特性曲线如图所示。试分析该场效应管是什么类型的场效应管（结型、绝缘栅型、N沟道、P沟道、增强型、耗尽型）。所以，该管为N沟道增强型MOS管。解：从iD的方向或uDS、uGS可知，该管为N沟道管。从输出特性曲线可知，开启电压Uth=4>0，说明该管为增强型MOS管。

7.1.4各种场效应管的特性比较187.2.1场效应管的直流偏置及静态分析7.2场效应管放大电路根据场效应管工作在恒流区的条件，在g-s、d-s间加极性合适的电源1.基本共源放大电路19由正电源获得负偏压称为自给偏压1.自给偏压电路耗尽型FET适用20

【例7.2.1】

场效应管偏置电路及其转移特性曲线如图所示。试求IDQ、UGSQ及UDSQ的值。解：由图(b)可读得：IDSS=2.3mA、UP=－3V。列方程组解方程组得到两个解：IDQ1=1.01mA、IDQ2=8.9mA，其中IDQ2>IDSS，不合实际，舍去(?)。1.自给偏压电路21

故1.自给偏压电路解方程组得到两个解：IDQ1=1.01mA、IDQ2=8.9mA，其中IDQ2>IDSS，不合实际，舍去。(UGSQ<0才合理)22

自给偏压电路中源极电阻越大，电路静态工作点越稳定。但是源极电阻太大会使偏置太大，电路的工作点将接近截止点，使得gm和Au随之减小。增强型场效应管只有栅-源电压先达到某个开启电压Uth时才有漏极电流iD，因此对增强型场效应管不能使用自偏压电路。分压式偏置电路可克服此缺点。7.2场效应管放大电路23即典型的Q点稳定电路适合任何类型的场效应管构成的放大电路。为什么加Rg3?其数值应大些小些？2.分压式偏置电路242.分压式偏置电路A25

【例7.2.4】

图示电路中N沟道增强型MOSFET的参数为：Uth=1V，K=0.5mA/V2。求UGSQ，UDSQ，IDQ。解：假设场效应管的工作在恒流区解得：2.分压式偏置电路26

解得：因为是N沟道增强型MOSFET，舍去负值得：2.分压式偏置电路UDS>(UGS−Uth)=1.65V，所以假设成立。271．场效应管的微变等效电路输入回路中，由于栅-源极之间呈现很高的电阻，基本不从信号源索取电流，故可认为栅-源间近似开路。因而可认为输出回路是一个电压控制的电流源。rds它是输出特性曲线在静态工作点上斜率的倒数，相当于三极管的rce，其数值通常比较大，可以认为是开路。在输出回路中，漏极电流仅仅决定于栅-源电压，满足id=gmugs7.2.2场效应管的微变等效电路282．场效应管线性化模型的交流参数①对于耗尽型管在静态工点处，用IDQ代入得

根据iD的表达式或转移特性可求得gm。(1)低频互导gm292．场效应管线性化模型的交流参数

②对于增强型管可见，gm与Q点密切相关，与三极管放大电路一样，Q点不仅影响电路是否会产生失真，而且影响着电路的动态参数。①对于耗尽型管302．场效应管线性化模型的交流参数输出特性曲线上某一点切线斜率的倒数体现了uDS对iD的影响(3)极限参数①最大漏极电流IDM场效应管正常工作时漏极电流的上限值②击穿电压最大漏-源电压U(BR)DS最大栅-源极电压U(BR)GS

(2)交流输出电阻rds317.2.3共源放大电路的动态分析32

【例7.2.4】在图(a)所示电路中，已知Uth=2V，MOS管的K=0.5mA/V2解：（1）首先画出直流通路如图(b)所示：7.2.3共源放大电路的动态分析（1）求静态工作点Q；（2）求33

解：联立求解，得出舍去负值，得出合理解为7.2.3共源放大电路的动态分析34低频等效跨导为（2）画出放大电路的微变等效电路357.2.3共源放大电路的动态分析【例7.2.5】参数同例7.2.4，但没有旁路电容CS，电路如图(a)所示求解：微变等效电路如图(b)所示367.2.4共漏极放大电路的动态分析(1)静态工作点的计算方法与共源电路类似共漏放大电路也称为源极输出器或源极跟随器。377.2.4共漏极放大电路的动态分析(2)动态分析,画出微变等效电路共漏放大电路也称为源极输出器或源极跟随器。38由于共漏极放大电路的特点与共集电极放大电路相似.外施电源法求输出电阻(3)求输出电阻采用外加电源法求输出电阻，将输入端短路，在输出端加交流电压源397.2.4共漏极放大电路的动态分析【例7.2.6】电路如图(a)所示，已知Uth=1.6V，Kn=4mA/V2，λ=0.01V−1，求解：(1)直流分析解出合理解为：407.2.4共漏极放大电路的动态分析(2)画出微变等效电路如图(b):417.2.4共漏极放大电路的动态分析(3)动态分析427.3放大电路的频率响应7.3.1三极管的高频等效模型

7.3.2单管共射极放大电路的频率特性分析7.3.3场效应管的频率响应7.3..4多级放大电路的频率特性43一、频率响应的有关概念放大电路对信号频率的适应程度，即信号频率对放大倍数的影响。由于放大电路中耦合电容、旁路电容、半导体器件极间电容的存在，使放大倍数为频率的函数。在使用一个放大电路时应了解其信号频率的适用范围，在设计放大电路时，应满足信号频率的范围要求。1.要研究的问题44

在低频段，随着信号频率逐渐降低，耦合电容、旁路电容等的容抗增大，使动态信号损失，放大能力下降。高通电路低通电路

在高频段，随着信号频率逐渐升高，三极管极间电容和分布电容、寄生电容等杂散电容的容抗减小，使动态信号损失，放大能力下降。2.放大电路中的频率参数下限频率上限频率45(1)模型的建立：由结构而建立，形状像Π，参数量纲各不相同。1．三极管的混合π型等效模型7.3.1三极管的高频等效模型阻值大不再是βib

gm为跨导，它不随信号频率的变化而变。46连接了输入回路和输出回路1．三极管的混合π型等效模型想办法把Cb'c分别折合到输入回路和输出回路472.混合π模型的单向化（使信号单向传递）等效变换后电流不变48所以忽略CM2Cb'e从手册中查出2.三极管简化的高频等效电路近似计算时，取中频时的值，即有：49（1）适于频率从0至无穷大的表达式3．电流放大系数β的频率响应50（2）电流放大倍数的频率特性曲线共射极截止频率51（3）电流放大倍数的波特图:采用对数坐标系

采用对数坐标系，横轴为lg

f，可开阔视野；纵轴为单位为“分贝”dB。lg

f注意折线化曲线的误差－20dB/十倍频折线化近似画法523.三极管的频率参数

使下降到1的频率为fT特征频率533.三极管的频率参数共基截止频率54共射截止频率共基截止频率特征频率集电结电容3.三极管的频率参数手册查得553.三极管的频率参数通过以上分析得出的结论：①低频段和高频段电流放大倍数的表达式；②截止频率与时间常数的关系；③波特图及其折线画法；④Cb'e的求法。手册查得56适用于信号频率从0～∞的交流等效电路中频段：Cb

短路，C

开路。低频段：考虑Cb的影响，C开路。高频段：考虑C

的影响，Cb短路。7.3.2放大电路的频率响应分析（单管共射放大电路）571.中频电压放大倍数58低通电路2.高频电压放大倍数592.

高频电压放大倍数：高频段频率响应分析。602.

高频电压放大倍数：高频段频率响应分析与RC低通电路相似幅频特性曲线在Y轴方向向上移动相频特性曲线在Y轴方向向下移动61例7.3.1设图所示电路在室温（300K）下运行，且三极管的UBEQ=0.65V ，试计算该电路的中频源电压增益及上限频率。解：先求静态电流623.低频电压放大倍数在低频段，耦合电容不能忽略，相当于RC高通电路，有下限截止频率。采用短路时间常数法求下限截止频率。R为低频等效电路中从电容C端口视入的戴维南等效电阻（其他电容全部短路，电压源短路，电流源开路）。633.低频电压放大倍数：低频段频率响应分析首先求由耦合电容Cb1决定的短路时间常数τCb1

。Cb1单独作用时，其他电容(Cb2,

Ce)短路，电压源uS也短路，从电容Cb1端口视入的等效电路如图所示。其等效电阻为其短路时间常数为对应的转折角频率643.低频电压放大倍数：低频段频率响应分析其等效电阻为其短路时间常数为对应的转折角频率然后求由耦合电容Cb2决定的短路时间常数τCb2

。Cb2单独作用时，其他电容(Cb1,

Ce)短路，电压源uS也短路，从电容Cb2端口视入的等效电路如图所示。653.低频电压放大倍数：低频段频率响应分析求由旁路电容Ce决定的短路时间常数τCe

。Ce单独作用时，其他电容(Cb1,

Cb2)短路，电压源uS也短路，从电容Ce端口视入的等效电路如图所示。其等效电阻为其短路时间常数为对应的转折角频率663.低频电压放大倍数：低频段频率响应分析下限截止频率则在低频段电压放大倍数为67例7.3.2在图所示电路中，设三极管的rbe=1.5kΩ，试估算该电路下限频率。解：

687.3.2放大电路的频率响应分析（单管共射放大电路）(1)当fL<<f<<fH时，中频段的对数幅频特性和相频特性为：中频电压放大系数697.3.2放大电路的频率响应分析（单管共射放大电路）(1)当fL≈

f时，有f/fH=0低频段的