場效應管放大電路

第五章理論學習課程導學自我測試常熟理工學院電氣與自動化工程學院本章知識結構圖本章教學要求正確理解各類場效應管的工作原理；掌握場效應管的特性曲線以及主要參數(shù)；熟練掌握場效應管共漏、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)指標的求解。了解FET與BJT之間的異同。本章難點重點1．場效應管的兩種類型場效應管主要有結型場效應管和絕緣柵型場效應管兩大類。結型場效應管工作原理的實質(zhì)是PN結反向偏置，空間電荷區(qū)將變寬，因而導電溝道變窄，屬于耗盡型場效應管。絕緣柵型場效應管利用絕緣層中電場強度的變化來改變導電溝道的寬度，具有增強型和耗盡型兩種類型，其中耗盡型在正、負向柵源電壓均可工作。2．場效應管的特性曲線轉(zhuǎn)移特性和漏極特性是場效應管用來描述其中各極電流與電壓之間關系的特性曲線。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．場效應管放大電路與半導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)載流子導電，也稱為單極型三極管，而BJT中兩種載流子同時參與導電，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)工作點的設置只需合適的偏壓（不同類型的場效應管，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。第五章場效應管放大電路5.1金屬—氧化物—半導體場效應管5.2MOSFET放大電路5.3結型場效應管5.4各種放大器件性能的比較僅依靠多子參與導電，故也稱單極型三極管場效應管(FET——FieldEffectTransister)類型：1.結型JFET(JunctiontypeFieldEffectTransister)2.絕緣柵型IGFET(InsulatedGateFieldEffectTransister)

或金屬氧化物半導體三極管MOSFET（MetalOxide

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

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

5.1金屬—氧化物—半導體場效應管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cg(gate)為柵極，相當bs(source)為源極，相當e箭頭：PN一、結構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，不論vDS為何極性，均不能導電。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導電溝道上的漏極電流增大，表現(xiàn)為可變電阻區(qū)導電溝道的不均勻性加劇直至靠近漏極處導電溝道預夾斷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在導電溝道上形成漏極電流導電溝道上存在電位梯度導電溝道不均勻呈楔形VCCS絕緣柵型場效應管(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系①在漏極特性上,對應某一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由各交點所對應的vGS和iD值可畫出對應的轉(zhuǎn)移特性。

5.1.2N溝道耗盡型MOSFETP溝道N溝道PNPNPN一、結構與符號二、工作原理4.vGS<0，且vGS=VP感應電荷耗盡導電溝道消失漏極電流iD≈0N溝道耗盡型MOSFET在正、負柵源電壓下均能工作。

1.vGS=0

vDS

>0預埋在絕緣層中的正離子能感應出負電荷感應出的負電荷在漏源間形成導電溝道，形成漏極電流3.vGS<0

vDS

>0感應出的負電荷減少漏源間形成導電溝道變窄漏極電流iD減小2.

vGS>0

vDS

>0感應電荷增多漏源間形成導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)制效應絕緣柵場效應管N溝道增強型P溝道增強型絕緣柵場效應管

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（跨導）gm用以描述柵源電壓vGS

對漏極電流iD的控制作用，相當于轉(zhuǎn)移特性上工作點的斜率，表征FET的放大能力，相當于雙極型三極管的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。4.最大柵源電壓V(BR)GS指PN結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VGS<VT，管子截止。例題

電路如圖所示，設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管構成）。設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VDD=5V，Rd=3.9kΩ，VGS=2V，VT=1V，Kn=0.8mA/V2，λ=0.02V-1。試當管工作在飽和區(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結型場效應管JFET5.3.1結構與符號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結構與符號箭頭：PN一、VGS控制溝道寬度1.vDS=0，vGS=0時，耗盡層（較窄）由擴散形成，導電溝道較寬（阻值較?。?.vDS=0vGS<0

|vGS|上升耗盡層變寬導電溝道變窄PN結反偏阻值增大

3.vDS=0vGS=VP兩側耗盡層合攏導電溝道被夾斷

調(diào)節(jié)vGS，可改變耗盡層寬度，從而改變導電溝道寬度。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電溝道最窄源極處反偏電壓最小源極處耗盡層最窄導電溝道最寬5.vGS<0vDS>0↗

耗盡層變寬導電溝道變窄

6.vGS<0vDS>0↗且vGD=

VP漏極處兩端的耗盡層合攏導電溝道預夾斷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預夾斷前，iD

與vDS呈近似線性關系；預夾斷后，iD趨于飽和；完全夾斷時，iD近似為零。③由于柵極與導電溝道間的PN結反偏，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電溝道完全夾斷漏極電流iD達飽和，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↗

耗盡層變寬導電溝道變窄

6.vGS<0vDS>0↗且vGD=

VP漏極處兩端的耗盡層合攏導電溝道預夾斷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預夾斷前，iD

與vDS呈近似線性關系；預夾斷后，iD趨于飽和；完全夾斷時，iD近似為零。③由于柵極與導電溝道間的PN結反偏，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電溝道完全夾斷漏極電流iD≈0漏極電流iD達飽和，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.耗盡型場效應管包含了JFET和耗盡型MOSFET；2.增強型場效應管僅包含增強型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型三極管的比較

雙極型三極管

場效應管(單極型三極管)結構NPN型結型耗盡型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)