場效應(yīng)管放大電路

第五章理論學(xué)習(xí)課程導(dǎo)學(xué)自我測試常熟理工學(xué)院電氣與自動化工程學(xué)院本章知識結(jié)構(gòu)圖本章教學(xué)要求正確理解各類場效應(yīng)管的工作原理；掌握場效應(yīng)管的特性曲線以及主要參數(shù)；熟練掌握場效應(yīng)管共漏、共源組態(tài)放大電路的工作原理、靜態(tài)工作點的求解以及中頻段各動態(tài)指標(biāo)的求解。了解FET與BJT之間的異同。本章難點重點1．場效應(yīng)管的兩種類型場效應(yīng)管主要有結(jié)型場效應(yīng)管和絕緣柵型場效應(yīng)管兩大類。結(jié)型場效應(yīng)管工作原理的實質(zhì)是PN結(jié)反向偏置，空間電荷區(qū)將變寬，因而導(dǎo)電溝道變窄，屬于耗盡型場效應(yīng)管。絕緣柵型場效應(yīng)管利用絕緣層中電場強度的變化來改變導(dǎo)電溝道的寬度，具有增強型和耗盡型兩種類型，其中耗盡型在正、負(fù)向柵源電壓均可工作。2．場效應(yīng)管的特性曲線轉(zhuǎn)移特性和漏極特性是場效應(yīng)管用來描述其中各極電流與電壓之間關(guān)系的特性曲線。轉(zhuǎn)移特性針對柵源兩極間所加的電壓對漏極電流的控制作用進(jìn)行了描述。漏極特性描述了漏極電流與漏源兩極間所加的電壓的關(guān)系，主要包括三個區(qū)域：可變電阻區(qū)、恒流區(qū)、擊穿區(qū)。場效應(yīng)管在放大電路中通常工作在恒流區(qū)。極放大電路，其中共柵極放大電路用得較少。3．場效應(yīng)管放大電路與半導(dǎo)體三極管放大電路的異同（1）FET和BJT均有三個電極，F(xiàn)ET的三個電極分別為柵極g、源極s、漏極d，分別對應(yīng)于BJT的基極b、發(fā)射極e、集電極c；（2）FET僅依靠多數(shù)載流子導(dǎo)電，也稱為單極型三極管，而BJT中兩種載流子同時參與導(dǎo)電，也稱雙極型三極管；（3）FET和BJT雖然都能組成放大電路，但實現(xiàn)放大的原理有所不同。FET是電壓控制電流型器件，通過柵源電壓來控制漏極電流，BJT是電流控制電流型器件，通過基極電流來控制集電極電流；（4）FET和BJT放大電路的靜態(tài)分析均可采用圖解法和近似估算法。但是FET放大電路中靜態(tài)工作點的設(shè)置只需合適的偏壓（不同類型的場效應(yīng)管，對偏壓的要求有所不同），而不需偏流，而BJT放大電路既需合適的偏壓，又需合適的偏流；（5）FET放大電路和BJT放大電路的動態(tài)分析均可采用小信號模型分析法，但小信號模型中受控源的控制量不同。（6）FET放大電路具有三種基本組態(tài)：共源極放大電路、共漏極放大電路、共柵極放大電路，分別對應(yīng)于BJT組成的共射極放大電路、共集電極放大電路和共基極放大電路，其中共柵極放大電路用得較少。第五章場效應(yīng)管放大電路5.1金屬—氧化物—半導(dǎo)體場效應(yīng)管5.2MOSFET放大電路5.3結(jié)型場效應(yīng)管5.4各種放大器件性能的比較僅依靠多子參與導(dǎo)電，故也稱單極型三極管場效應(yīng)管(FET——FieldEffectTransister)類型：1.結(jié)型JFET(JunctiontypeFieldEffectTransister)2.絕緣柵型IGFET(InsulatedGateFieldEffectTransister)

或金屬氧化物半導(dǎo)體三極管MOSFET（MetalOxide

SemiconductorFET）特點：易于集成(LSI、VLSI)，輸入阻抗高實質(zhì)：利用電場效應(yīng)控制電流，故為VCCS場效應(yīng)晶體三極管是由一種載流子導(dǎo)電的、用輸入電壓控制輸出電流的半導(dǎo)體器件。

從參與導(dǎo)電的載流子來劃分，它有自由電子導(dǎo)電的N溝道器件和空穴導(dǎo)電的P溝道器件。

5.1金屬—氧化物—半導(dǎo)體場效應(yīng)管IGFET（MOSFET）5.1.1N溝道增強型(Enhancement-mode)MOSFET5.1.2N溝道耗盡型(depletion-mode)MOSFET5.1.3P溝道MOSFET5.1.4溝道長度調(diào)制效應(yīng)5.1.5MOSFET的主要參數(shù)5.1.1N溝道增強型MOSFET

d(drain)為漏極，相當(dāng)cg(gate)為柵極，相當(dāng)bs(source)為源極，相當(dāng)e箭頭：PN一、結(jié)構(gòu)與符號摻雜較低柵極跟其他電極間無電接觸二、工作原理1.vGS=0時，漏源間形成兩個反向的PN結(jié)，不論vDS為何極性，均不能導(dǎo)電。2.

vDS=0,vGS>開啟電壓

VT在二氧化硅和耗盡層間形成N型反型層漏源極間形成導(dǎo)電溝道，也稱為感生溝道。此時漏極電流為0增強型MOSFET的重要參數(shù)vGS的大小決定了導(dǎo)電溝道的寬度溝道變形

4.vGS＞0，vDS＞0

且逐漸增大到vGD=

vGS-vDS=VT導(dǎo)電溝道上的漏極電流增大，表現(xiàn)為可變電阻區(qū)導(dǎo)電溝道的不均勻性加劇直至靠近漏極處導(dǎo)電溝道預(yù)夾斷5.vDS繼續(xù)增大使vGD=

vGS-vDS＜VT夾斷區(qū)由漏極向源極處并逐漸變大漏極電流不隨vDS變化，表現(xiàn)為飽和區(qū)3.vGS≥VT

vDS＞0

vDG＞VT在導(dǎo)電溝道上形成漏極電流導(dǎo)電溝道上存在電位梯度導(dǎo)電溝道不均勻呈楔形VCCS絕緣柵型場效應(yīng)管(圖)可變電阻區(qū)(resistiveregion)恒流區(qū)（constantcurrentregion）——放大區(qū)夾斷區(qū)（cutoffrigion）——截止區(qū)1.輸出特性三、特性曲線vGD=vGS-vDS=VTIDO為vGS=2VT時的漏極電流iD可變電阻區(qū)飽和區(qū)電導(dǎo)常數(shù)柵極氧化層單位面積電容反型層中的電子遷徙率本征導(dǎo)電因子W：溝道寬度L：溝道長度①vGS<VT時，iD=0；②vGS≥VT時，iD隨vGS增大而增大。2、轉(zhuǎn)移特性3、轉(zhuǎn)移特性與漏極特性間的關(guān)系①在漏極特性上,對應(yīng)某一vDS,作一垂直線；②該垂線與各漏極特性相交得到一組交點；③由各交點所對應(yīng)的vGS和iD值可畫出對應(yīng)的轉(zhuǎn)移特性。

5.1.2N溝道耗盡型MOSFETP溝道N溝道PNPNPN一、結(jié)構(gòu)與符號二、工作原理4.vGS<0，且vGS=VP感應(yīng)電荷耗盡導(dǎo)電溝道消失漏極電流iD≈0N溝道耗盡型MOSFET在正、負(fù)柵源電壓下均能工作。

1.vGS=0

vDS

>0預(yù)埋在絕緣層中的正離子能感應(yīng)出負(fù)電荷感應(yīng)出的負(fù)電荷在漏源間形成導(dǎo)電溝道，形成漏極電流3.vGS<0

vDS

>0感應(yīng)出的負(fù)電荷減少漏源間形成導(dǎo)電溝道變窄漏極電流iD減小2.

vGS>0

vDS

>0感應(yīng)電荷增多漏源間形成導(dǎo)電溝道變寬漏極電流iD增大1.輸出特性三、特性曲線2.轉(zhuǎn)移特性零柵壓時的飽和漏極電流

5.1.3P溝道MOSFET一、符號二、特性曲線vGS<VT1、可變電阻區(qū)2、飽和區(qū)

5.1.4溝道長度調(diào)制效應(yīng)絕緣柵場效應(yīng)管N溝道增強型P溝道增強型絕緣柵場效應(yīng)管

N溝道耗盡型P溝道耗盡型5.1.5MOSFET的主要參數(shù)一、直流參數(shù)

4.直流輸入電阻RGS在漏源短路的情況下，柵源間加一定電壓時的柵極直流電阻，約為109～1015Ω。3.飽和漏極電流IDSS

（耗盡型）

vGS=0，|vDS|

>|VP|時對應(yīng)的漏極電流。2.夾斷電壓VP（耗盡型）

vDS一定時，使漏極電流iD下降至微小電流的vGS。1.開啟電壓VT（增強型）

vDS一定時，使漏極電流iD等于微小電流的vGS。二、交流參數(shù)2.低頻互導(dǎo)（跨導(dǎo)）gm用以描述柵源電壓vGS

對漏極電流iD的控制作用，相當(dāng)于轉(zhuǎn)移特性上工作點的斜率，表征FET的放大能力，相當(dāng)于雙極型三極管的β。單位:mS或μS1.輸出電阻rd用以描述漏源電壓vDS對漏極電流iD的影響，相當(dāng)于漏極特性上某點切線斜率的倒數(shù)。飽和區(qū)輸出電阻很大，一般為幾十到幾百千歐。三、極限參數(shù)3.最大漏源電壓V(BR)DS指發(fā)生雪崩擊穿時，漏極電流iD急劇上升時的vDS。與vGS有關(guān)。4.最大柵源電壓V(BR)GS指PN結(jié)電流開始急劇增大時的vGS。1.最大漏極電流IDM指管子正常工作時漏極電流允許的上限值。2.最大耗散功率PDM由PDM=VDS

ID決定，在管子內(nèi)部將變成熱能，使管子的溫度升高，為了使管子溫度不致升的太高，限制其耗散功率不能超過PDM。5.2MOSFET放大電路5.2.1簡單的共源極放大電路5.2.2帶源極電阻的NMOS共源極放大電路5.2.1簡單的共源極放大電路一、靜態(tài)工作點的計算注意：通過判斷VDS是否大于VGS-VT，來確定管子工作在飽和區(qū)還是可變電阻區(qū)。當(dāng)VGS<VT，管子截止。例題

電路如圖所示，設(shè)Rg1=60kΩ，Rg2=40kΩ，Rd=15kΩ，VDD=5V，VT=1V，Kn=0.2mA/V2。試計算電路的靜態(tài)漏極電流IDQ和漏源電壓VDSQ。5.2.2帶源極電阻的NMOS共源極放大電路一、靜態(tài)工作點的計算源極電阻也具有穩(wěn)定靜態(tài)工作點的作用例題

電路如圖所示，設(shè)VT=1V，Kn=500μA/V2，VDD=5V，-VSS=-5V，Rd=10kΩ，R=0.5kΩ，ID=0.5mA。若流過Rg1和Rg2的電流是ID的1/10，試確定Rg1和Rg2的值。例題

電路如圖所示，由電流源提供偏置（可由其它MOS管構(gòu)成）。設(shè)NMOS管的參數(shù)為Kn=160μA/V2，VT=1V，VDD=VSS=5V，IDQ=0.25mA，VDQ=2.5V。試求電路參數(shù)。二、小信號模型產(chǎn)生諧波或非線性失真漏極信號電流λ=0λ≠0例題

電路如圖所示，設(shè)VDD=5V，Rd=3.9kΩ，VGS=2V，VT=1V，Kn=0.8mA/V2，λ=0.02V-1。試當(dāng)管工作在飽和區(qū)時，試確定電路的小信號電壓增益。共源極放大電路例題

電路如圖所示，設(shè)Rg1=150kΩ，Rg2=47kΩ，VT=1V，Kn=500μA/V2，λ=0，VDD=5V，-VSS=-5V，Rd=10kΩ，R=0.5kΩ，Rs=4kΩ。電路的電壓增益和源電壓增益、輸入電阻和輸出電阻。例題

電路如圖所示，耦合電容對信號頻率可視為交流短路，場效應(yīng)管工作在飽和區(qū)，rds很大，可忽略。試畫出小信號等效電路，求出輸入電阻、小信號電壓增益、源電壓小信號增益和輸出電阻。共漏極放大電路（源極跟隨器）5.3結(jié)型場效應(yīng)管JFET5.3.1結(jié)構(gòu)與符號5.3.2工作原理與特性曲線5.3.3JFET放大電路的小信號模型分析法5.3.1結(jié)構(gòu)與符號箭頭：PN一、VGS控制溝道寬度1.vDS=0，vGS=0時，耗盡層（較窄）由擴(kuò)散形成，導(dǎo)電溝道較寬（阻值較?。?.vDS=0vGS<0

|vGS|上升耗盡層變寬導(dǎo)電溝道變窄PN結(jié)反偏阻值增大

3.vDS=0vGS=VP兩側(cè)耗盡層合攏導(dǎo)電溝道被夾斷

調(diào)節(jié)vGS，可改變耗盡層寬度，從而改變導(dǎo)電溝道寬度。此時由于vDS=0，故漏極電流iD=0。5.3.2工作原理二、VDS控制溝道形狀4.vDS>0，vGS=0時，存在漏極電流iD。導(dǎo)電溝道并不處處相等，呈楔形，在漏極處最窄，在源極處最寬。vDS>0產(chǎn)生iD

溝道上存在電位梯度溝道上點各電位不同各點的反偏電壓

不同漏極處反偏電壓

最大漏極處耗盡層最寬導(dǎo)電溝道最窄源極處反偏電壓最小源極處耗盡層最窄導(dǎo)電溝道最寬5.vGS<0vDS>0↗

耗盡層變寬導(dǎo)電溝道變窄

6.vGS<0vDS>0↗且vGD=

VP漏極處兩端的耗盡層合攏導(dǎo)電溝道預(yù)夾斷①JFET是電壓控制型放大元件，具體表現(xiàn)為通過調(diào)節(jié)vGS來控制iD

;②預(yù)夾斷前，iD

與vDS呈近似線性關(guān)系；預(yù)夾斷后，iD趨于飽和；完全夾斷時，iD近似為零。③由于柵極與導(dǎo)電溝道間的PN結(jié)反偏，柵極基本不取電流，輸入電阻很高。漏極電流iD仍增大7.vDS>0且vGD

<VP

耗盡層逐漸向源極端合攏導(dǎo)電溝道完全夾斷漏極電流iD達(dá)飽和，定義為IDSSvDS增大時，夾斷區(qū)增大，溝道電阻增大，故增大的vDS幾乎都降落在夾斷區(qū)上,因此iD不變。5.vGS<0vDS>0↗

耗盡層變寬導(dǎo)電溝道變窄

6.vGS<0vDS>0↗且vGD=

VP漏極處兩端的耗盡層合攏導(dǎo)電溝道預(yù)夾斷①JFET是電壓控制型放大元件，具體表現(xiàn)為通過調(diào)節(jié)vGS來控制iD

;②預(yù)夾斷前，iD

與vDS呈近似線性關(guān)系；預(yù)夾斷后，iD趨于飽和；完全夾斷時，iD近似為零。③由于柵極與導(dǎo)電溝道間的PN結(jié)反偏，柵極基本不取電流，輸入電阻很高。漏極電流iD仍增大7.vDS>0且vGD

<VP

耗盡層逐漸向源極端合攏導(dǎo)電溝道完全夾斷漏極電流iD≈0漏極電流iD達(dá)飽和，定義為IDSSvDS增大時，夾斷區(qū)增大，溝道電阻增大，故增大的vDS幾乎都降落在夾斷區(qū)上,因此iD不變。漏極輸出特性5.3.3特性曲線及參數(shù)1、可變電阻區(qū)2、飽和區(qū)3、截止區(qū)當(dāng)大于某值時，不同的轉(zhuǎn)移特性很接近轉(zhuǎn)移特性5.3.4JFET放大電路的小信號模型分析法一.JFET的小信號模型二、分壓器式自偏壓電路（共源極電路）1.靜態(tài)分析分壓器式自偏壓電路（共源極電路）輸出電阻輸入電阻電壓放大倍數(shù)2.小信號模型倒相電壓放大電路例題：在圖示電路中,已知Rg1=2MΩ，Rg2=47kΩ，Rg3=10MΩ，Rd=30kΩ，R=2kΩ，VDD=18V，VP=-1V，IDSS=0.5mA，且λ=0，試確定Q。5.4各種放大器件性能比較1.耗盡型場效應(yīng)管包含了JFET和耗盡型MOSFET；2.增強型場效應(yīng)管僅包含增強型MOSFET。BJT放大電路的三種組態(tài)：共發(fā)射極（CE）、共集電極（CC）、共基極（CB）。JFET和MOSFET放大電路的三種組態(tài)：

共源極（CS）、共漏極（CD）、共柵極（CG）。兩類放大元件的三種通用組態(tài)：1．反相電壓放大器：共發(fā)射極（CE）、共源極（CS）2．電壓跟隨器：共集電極（CC）、共漏極（CD）3．電流跟隨器：共基極（CB）、共柵極（CG）5.4.1各種FET的特性比較5.4.2各種放大器件電路性能比較雙極型和場效應(yīng)型三極管的比較

雙極型三極管

場效應(yīng)管(單極型三極管)結(jié)構(gòu)NPN型結(jié)型耗盡型N溝道P溝道 PNP型絕緣柵增強型N溝道P溝道絕緣柵耗盡型N溝道P溝道C與E一般不可倒置使用D與S有的型號可倒置使用載流子多子擴(kuò)散少子漂移多子漂移輸入量電流輸入電壓輸入控制電流控制電流源CCCS(β)