第四章 場效應管及其基本放大電路

第4章場效應管及其

基本放大電路14.1引言場效應管的優點輸入阻抗高抗干擾能力強功耗小分類：結型場效應管JFET

絕緣柵型場效應管IGFET又稱為MOSFETN溝道場效應管

P溝道場效應管24.2場效應管4.2.1絕緣柵場效應管種類：增強型（溝道從無到有）NP

耗盡型（溝道從有到無）NP3

1.結構一、

N溝道增強型MOS管4

N溝道增強型MOS管的符號如上圖所示。左面的一個襯底在內部與源極相連，右面的一個沒有連接，使用時需要在外部連接。N溝道增強型MOS管的符號5

2.N溝道增強型MOS管的工作原理

分兩個方面進行討論：一是柵源電壓UGS對溝道產生的影響，從而對漏極電流ID產生影響；二是漏源電壓UDS對溝道產生影響，從而對漏極電流ID產生影響。6

令漏源電壓UDS=0，加入柵源電壓UGS以后并不斷增加。

UGS帶給柵極正電荷，將正對SiO2層表面下襯底中的空穴推走，從而形成負離子層，即耗盡層，用綠色的區域表示。

在柵極下的表層感生一定的電子電荷，從而在漏源之間可形成導電溝道，即反型層。反型層（1）柵源電壓UGS的控制作用柵源電壓的控制作用7

反型層形成后，此時若加上UDS

，就會有漏極電流ID產生。

當UGS較小時，不能形成有效的溝道，盡管加有UDS

，也不能形成ID

。當增加UGS，使ID剛剛出現時，對應的UGS稱為開啟電壓，用UGS(th)或UT表示。

顯然改變UGS就會改變溝道，從而影響ID

，這說明UGS對ID的控制作用。8

設UGS＞UGS(th)，增加UDS，此時溝道的變化如下。

漏源電壓也會對溝道產生影響，因為源極和襯底相連接，所以加入UDS后，UDS將從漏到源逐漸降落在溝道內，漏極和襯底間反偏最大，PN結的寬度最大。所以加入UDS后，在漏源之間會形成一個楔形的PN結區，從而影響溝道的導電性。

2.漏源電壓UDS的控制作用漏源電壓的控制作用9

當UDS進一步增加時，ID會不斷增加，同時，漏端的耗盡層上移，會在漏端出現夾斷，這種狀態稱為預夾斷。預夾斷

當UDS進一步增加時，漏端的耗盡層向源極伸展，此時ID基本不再增加，增加的UDS基本上降落在預夾斷區。漏源電壓的控制作用10OV2GS=UV3+V5.3+V4+DimA/15105uDS/V恒流區.3.特性曲線（1）輸出特性曲線

當UGS＞UGS(th)，且固定為某一值時，反映UDS對ID的影響，即iD=f(uDS)UGS=const這一關系曲線稱為漏極輸出特性曲線。曲線分五個區域：（1）可變電阻區（2）恒流區（放大區）（3）截止區（4）擊穿區（5）過損耗區可變電阻區截止區擊穿區過損耗區11（2）轉移特性曲線轉移特性曲線的斜率gm反映了柵源電壓對漏極電流的控制作用。gm稱為跨導。單位mS（mA/V）OGSu4321/VDimA/4321UGS(th)10VDS=U12OV2GS=UV3+V5.3+V4+DimA/15105uDS/V恒流區.從漏極輸出特性曲線可以得到轉移特性曲線，過程如下：OuGS4321/VDimA/4321UGS(th)13二、N溝道耗盡型MOSFETN溝道耗盡型管的結構和符號SiO2中摻入正離子符號：溝道連續工作原理：導電溝道存在溝道被削弱當時，溝道消失溝道被增強

14

N溝道耗盡型場效應管的轉移特性曲線如右上圖所示。耗盡型場效應管的轉移特性曲線也可以用下式表示夾斷電壓IDSS

當UGS=0時，對應的漏極飽和電流用IDSS表示。當UGS＞0時，將使ID進一步增加。UGS＜0時，隨著UGS的減小漏極電流逐漸減小，直至ID=0。對應ID=0的UGS稱為夾斷電壓，用符號UGS(off)表示，有時也用UP表示。耗盡型管的特性轉移特性15

三、P溝道MOS管NP+P+

P溝道MOS管的結構與N溝道MOS管相同，只不過半導體的極性相反，電源電壓、偏置電壓的極性也相反。漏極電流的方向相反，夾斷電壓和開啟電壓的極性也相反。

襯底由P型改為N型；漏、源兩個電極的攙雜由N+改為P+。P溝道MOSFET的結構增強型耗盡型16

場效應三極管有二種結構形式：

1.絕緣柵場效應晶體管(MOSFET)----增強型耗盡型

2.結型場效應晶體管(JFET)------只有耗盡型

4.2.2結型場效應管171.結型場效應晶體管的結構

JFET的結構與MOSFET相似，工作機理則相同。

PN結N溝道18（1）柵源電壓對溝道的控制作用2.結型場效應管的工作原理

場效應管是一種電壓控制電流源器件，它的漏極電流受柵源電壓UGS和漏源電壓UDS的雙重控制。

柵源電壓的控制作用UGS(off)19（2）漏源電壓對溝道的控制作用預加斷預加斷漏源電壓對溝道的控制作用20各種場效應管符號和特性曲線比較場效應管分類

2.結型場效應晶體管N溝道耗盡型

1.絕緣柵場效應晶體管P溝道耗盡型

增強型

耗盡型N溝道P溝道N溝道P溝道21

N溝道增強型MOS管，襯底箭頭向里。漏、襯底和源、開，表示零柵壓時溝道不通。

表示襯底在內部沒有與源極連接。

N溝道耗盡型MOS管。漏、襯底和源不斷開表示零柵壓時溝道已經連通。

N溝道結型MOS管。沒有絕緣層，只有耗盡型。如果是P溝道，箭頭則向外。場效應管的符號22N溝道增強型MOSFET類型漏極輸出特性曲線轉移特性曲線P溝道增強型MOSFET場效應管的特性曲線23N溝道耗盡型MOSFETP溝道耗盡型MOSFET類型漏極輸出特性曲線轉移特性曲線24N溝道

JFET類型漏極輸出特性曲線轉移特性曲線P溝道

JFET25①開啟電壓UGS(th)(或UT)----開啟電壓是增強型MOS管的參數，柵源電壓小于開啟電壓的絕對值,場效應管不導通。

②夾斷電壓UGS(off)(或UP)----夾斷電壓是耗盡型場效應管的參數，當UGS=UGS(off)時,漏極電流為零。

③飽和漏極電流IDSS----耗盡型場效應管,當UGS=0時所對應的漏極電流。1.直流參數

④輸入電阻RGS----場效應三極管的柵源輸入電阻的典型值，對于結型場效應三極管，反偏時RGS約大于107Ω，對于絕緣柵型場效應三極管,RGS約是109～1015Ω。4.2.3FET的參數

⑤低頻跨導gm----低頻跨導反映了柵壓對漏極電流的控制作用，這一點與晶體管的控制作用相似。gm可以在轉移特性曲線上求取，單位是mS(毫西門子)。

⑥極間電容----場效應晶體管的三個電極之間存在電容。一般Cgs和Cgd約為1~3pF，Cds約為0.1~1pF。2.交流參數273.極限流參數

⑦

最大漏極電流IDM----場效應管正常工作時的漏極電流的上限值。

⑧

擊穿電壓U(BR)GS----結型場效應管柵源之間所加的反向電壓使PN結擊穿的電壓值，或絕緣柵場效應管的柵極絕緣層擊穿的電壓值。

⑩最大漏極功耗PDM----最大漏極功耗可由PDM=UDSID決定，與雙極型晶體管的PCM相當。

⑨

擊穿電壓U(BR)DS----場效應管進入恒流區，uds的增加使iD驟然增加的漏源電壓值。28

4.場效應晶體管的型號

場效應三極管的型號,現行有兩種命名方法。其一是與雙極型晶體管相同，第三位字母J代表結型場效應管，O代表絕緣柵場效應管。第二位字母代表材料，D是P型硅，反型層是N溝道；C是N型硅P溝道。例如,3DJ6D是結型N溝道場效應晶體管，3DO6C是絕緣柵型N溝道場效應晶體管。

第二種命名方法是CS××#，CS代表場效應管，××以數字代表型號的序號，#用字母代表同一型號中的不同規格。例如CS14A、CS45G等。29幾種常用的場效應管的主要參數見下表:

場效應管的參數30總結：關于和的極性（1）N溝道P溝道（2）用作增強型和極性相同用作耗盡型（包括結型FET）和極性相反（3）若正確錯了相當于電阻2.工作在恒流區的條件314.2.4BJT和FET的比較BJT：CCCS內阻小雙極型熱穩定性差功耗大不易集成響應速度快FET：VCCS內阻大單極型熱穩定性好功耗小易于集成響應速度慢32

場效應晶體管放大電路的三種組態場效應晶體管有三種不同的組態(或稱為三種接法)：共源極組態，與共發射極組態對應；共漏極組態，與共集電極組態對應；共柵極組態，與共基極組態對應。(a)共源組態(b)共漏組態(c)共柵組態場效應放大電路的三種組態4.3FET基本放大電路33靜態工作點偏置到具有線性特性的恒流區場效應管是電壓偏置區分靜態和動態，區分直流通路和交流通路在進行動態分析之前，也需要先進行靜態工作點的計算場效應晶體管放大電路設置偏置的原則34

具體的偏置電路形式：場效應晶體管放大電路的電壓偏置有兩種形式，分壓偏置和自給柵偏壓。

對于不同類型的場效應管：

對于MOS增強型N溝道管放大電路，UGS>0，UGS<0截止;

對于MOS增強型P溝道管放大電路，UGS<0，UGS>0截止。

對于MOS耗盡型N溝道管放大電路，UGS<0，也可UGS>0;

對于MOS耗盡型P溝道管放大電路，UGS>0，也可UGS<0。對于結型場效應管放大電路，N溝道管放大電路為UGS<0；P溝道管放大電路為UGS>0。35

場效應管放大電路分壓偏置分壓偏置電路(b)采用耗盡型管(a)采用增強型管由于沒有柵流，柵極電位僅由Rg1和Rg2分壓確定，所以分壓偏置既可以得到正偏壓，又可以得到負偏壓。對于圖

(a)也可以采用結型場效應管。36

場效應管放大電路自給柵偏壓自給柵偏壓自給偏壓場效應管放大電路如圖所示。該電路因為柵流等于0，所以，柵極電位等于0。所以只能N溝道管建立負偏壓；P溝道管建立正偏壓。所以圖示電路UG=0VUS=IDR

UGSQ=-IDQR37

4.3.1

共源放大電路N溝道結型場效應管分壓偏置電路一、靜態分析——1.分壓偏置電路結型場效應管和耗盡型場效應管38

因IDQ是二次方程，需要從中確定一個合理的解。一般可根據靜態工作點是否合理，柵源電壓是否超出了夾斷電壓，漏源電壓是否進入飽和區等情況來確定。注意以上計算是針對由耗盡型場效應管構成的放大電路，若放大電路采用的是增強型場效應晶體管，則應采用下式計算漏極電流式中：IDO是uGS=2UGS(th)

時所對應的iD。N溝道增強型絕緣柵場效應管分壓偏置電路39自給偏壓共源組態場效應管放大電路如圖所示。建立正確的偏壓就是建立正確的靜態工作點，圖示電路中的場效應管應該采用N溝道JFET。因為柵流等于0，所以UG=0V、US=IDR，UGSQ=-IDQR

。根據場效應管的轉移特性曲線，靜態工作點Q應位于第二象限。漏極電流自給偏壓共源放大電路管壓降

UDSQ=VDD－IDQ(Rd+R)ID一、靜態分析——2.自給偏壓電路40

與雙極型晶體管一樣，可以用一個線性模型來代替場效應管，條件仍然是工作在恒流區，或是微變信號。與雙極型晶體管相比，因為場效應管的柵源之間的輸入電阻十分大，可視為開路。輸出回路是一個受控源，即電壓控制電流源VCCS，大小是。電流源還并聯了一個輸出電阻rds，在雙極型晶體管的簡化模型中，因輸出電阻rce>>RL可視為開路，在此對于rds也應根據具體情況決定取舍。場效應管h參數等效電路

場效應管簡化的微變等效電路如圖所示，這個模型也僅適用低頻和中頻頻段。開路VCCS二、動態分析——1.FET的微變等效電路41根據微變等效電路進行求解h參數中頻微變等效電路因，所以式中R'L=rds//Rd//RL。如果有信號源內阻Rs時，源電壓增益為Ri為輸入電阻2.動態分析——（1）電壓放大倍數rds42（2）輸入電阻h參數中頻微變等效電路根據微變等效電路，有場效應晶體管具有輸入電阻高的特點，但是由于偏置電阻并聯的影響，其輸入電阻并不一定高。采用圖示電路可以提高場效應管放大電路的輸入電阻。43

圖a)電路的柵極分壓電阻Rg1和Rg2經過一個較大的電阻Rg接到柵極，因柵流等于0，Rg的串入不影響柵極電位。而交流信號則經過耦合電容器直接接到柵極，它的微變等效電路如圖b)所示。圖a)共源放大電路圖b)微變等效電路由微變等效電路可知SD++--rdRLdI&oU&gsU&G-+Rg1Rg2RgiU&mgRd44

（3）輸出電阻

根據輸出電阻的定義，令源電壓等于0，負載電阻開路，并在輸出端加一個測試電源，可得求輸出電阻的微變等效電路，如圖b）所示。此時受控源相當開路。然后計算輸出電阻，于是=

rds∥Rd

圖a）共源放大電路圖b）求輸出電阻的微變電路45由以上分析可知，共源組態放大電路與共射組態放大電路有相同的基本特點：１.電壓放大倍數較大。２.輸出電壓的相位與輸入電壓的相位相反。

3.共源組態放大電路的輸入電阻由偏置電路決定，采用一定的偏置電路方式可以獲得高的輸入電阻，這一點與共射組態放大電路有所不同。共源放大電路的特點４.共源組態放大電路的輸出電阻近似等于漏極負載電阻。46講解例題：例4