模擬電路基礎：第三四章 場效應晶體管和場效應晶體管放大器

第三章場效應管及其放大電路場效應管，簡稱FET(FieldEffectTransistor)。(a)

輸入電阻高，可達107~1015W。(b)

起導電作用的是多數（一種）載流子，又稱為單極型晶體管。(c)

體積小、重量輕、耗電省、壽命長。(d)

噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強和制造工藝簡單。(e)

在大規(guī)模集成電路制造中得到了廣泛的應用。場效應管的主要特點3.1MOS場效應管的工作原理結型場效應管（JFET）N-溝道P-溝道MOS管增強型耗盡型N-溝道P-溝道N-溝道P-溝道場效應管3.1.1場效應管的分類3.1增強型MOSFET(Metal

OxideSemiconductorFET)DBSG傳統(tǒng)符號1.

N溝道增強型MOSFET結構和電路符號DSG氧化物（Oxide）P型硅襯底源極S柵極G漏極D襯底引線BN+N+金屬（Metal）半導體（Semiconductior）襯底3.1.2MOS電容結構（b）負柵壓偏置的MOS電容器（P型襯底）（a）平板電容器（c）有空穴累積層的MOS電容器（P型襯底）空穴積累層（a）正柵壓偏置的MOS電容器（P型襯底）（b）中等程度的正柵壓偏置的MOS電容器（P型襯底）空間電荷區(qū)（c）較大正柵壓偏置的MOS電容器（P型襯底）空間電荷區(qū)電子反型層正柵壓形成反型層金屬電極源極襯底漏源柵3.1.3N溝道增強型MOS場效應管的工作原理SiO2結構示意圖P型硅襯底耗盡層襯底引線BN+N+SGDUDSID

=0

D與S之間是兩個PN結反向串聯，無論D與S之間加什么極性的電壓，總有一個PN結是反向偏置，漏極電流均接近于零。(1)

UGS=0,UDS>0P型硅襯底N++BSGD。耗盡層ID=0(2)

0<UGS

<VTN

由柵極指向襯底方向的電場使空穴向下移動，在P型硅襯底的上表面形成耗盡層。仍然沒有漏極電流。UGSN+N+UDSVTN：使

NMOS管產生溝道的開啟電壓。柵極和P型硅片相當于以二氧化硅為介質的平板電容器P型硅襯底N++BSGD。UDS耗盡層ID

柵極下P型半導體表面形成N型導電溝道，當D、S加上正向電壓后可產生漏極電流ID。

(3)

UGS>VTNN型導電溝道N+N+UGS

通過控制UGS來控制導電溝道的寬度，從而控制電流ID。(a)當

uDS>0但接近于0

uDSIDDBuGSuDSP襯底N+N+SG(b)0<uDS<uGS-VTNIDDBuGSuDSP襯底N+N+SG

uDS

uDS固定UGSGBuDSP襯底N+N+SD(c)

uDS=uDS(sat)=uGS-VTNIDuDS(sat)

uDSuGSIDDBP襯底N+N+SG(d)

uDS>uGS-VTNuDS(sat)

uDS恒流區(qū)uDSuGS4321051015UGS

=5V6V4V3V2V增強型

NMOS

管的特性曲線

飽和區(qū)擊穿區(qū)非飽和區(qū)3.1.4E型場效應管的特性曲線輸出特性iD/mA0123246uGS

/

VVTN轉移特性

uDS/ViD/mA截止區(qū)UDS=10V工作在飽和區(qū)（恒流區(qū)）的伏安關系工作在非飽和區(qū)（可變電阻區(qū)）的伏安關系uDS>uGS-VTN使增強型NMOS工作在飽和區(qū)的偏置條件ChannelLengthModulationParameterDraincharacteristicofanN-channelMOSFETChannelLengthModulation3.1.5N溝道EMOS用于放大的原理斜率gm時間t時間tUGSQuGSMOS管放大電路原理Vthui共源放大電路UDSuGSuouiVGGuGSuDSuiuoSiO2結構示意圖N型硅襯底源極S柵極G漏極D襯底引線BP+P+DBSG符號3.1.6

P溝道增強型MOSDSG（a）正柵壓偏置的MOS電容器（N型襯底）（b）中等負柵壓偏置的MOS電容器（N型襯底）（c）較大負柵壓偏置的MOS電容器（N型襯底）工作在恒流區(qū)（飽和區(qū)）的伏安關系工作在非飽和區(qū)（可變電阻區(qū)）的伏安關系使得增強型PMOS工作在飽和區(qū)的偏置條件E型PMOS管和NMOS管

的UGS和UDS電壓極性相

反，iD方向也相反。輸出

特性曲線的形狀相似輸出特性曲線處于第三象限E型PMOSFET工作原理VTN是增強型NMOS開始形成反型層所需的uGS值，稱為開啟電壓。對E型NMOS管，VTN為正值，對E型PMOS管，VTP為負值。反型層出現后，SD極間出現導電溝道，UGS越大，導電溝越厚，載流子濃度越大，導電能力越強，溝道電阻越小。結構示意圖P型硅襯底源極S漏極D柵極G襯底引線B耗盡層3.1.7N溝道耗盡型MOSFETN+N+正離子N型溝道SiO2DBSG傳統(tǒng)符號

在二氧化硅絕緣層中摻入大量的正離子，形成原始導電溝道簡化符號D型NMOSFET工作原理D型NMOS管

和E型NMOS

管結構基本相

同，區(qū)別僅在

于導電溝道事

先存在，在

UGS=0的時候，

iD也不等于0。

當UGS=VP

時，導電溝道

消失，iD=0。vGS=0時iD>0恒流區(qū)D型MOSFET的伏安方程，VTN為負值工作在非飽和區(qū)（可變電阻區(qū)）的伏安關系uDS>uGS-VTN耗盡型p-溝道MOSFETCMOS（ComplementaryMOSFET）多晶硅：由大量結晶方向不相同的硅單晶體組成的硅晶體幾乎不導電使用MOSFET的注意事項因為MOS管的柵極與襯底表面的絕緣層很薄，當帶電體或人體接觸柵極時，由于會在柵極與襯底上產生感生電荷，而柵極與襯底間的平板電容器容量又小，感生電荷累積會產生很高的電壓，極易導致絕緣層的擊穿而損壞管子，保存時應將各電極短接。N溝道EMOS直流分析（1）.假設MOS管工作在恒流區(qū)，則有UGS>VTN

，UDS>UDS（sat）（2）.用工作在恒流區(qū)的伏安關系分析電路（3）.估計管子的偏置情況，如果與（1）中假設相符，則初始的假設正確。如果UGS<VTN

，則管子工作在截止區(qū)；如果UDS<UDS（sat）,則管子工作在可變電阻區(qū)。（4）.如果假設錯誤，應重新假設管子的工作區(qū)，然后重復（3）

[例]電路如圖所示，T的輸出特性如圖(a)(b)所示，分析當uI＝4V、8V、12V三種情況下場效應管分別工作在什么區(qū)域。解：根據輸出特性可知，其開啟電壓為5V，根據電路可知所以uGS＝uI。當uI＝4V時，uGS小于開啟電壓，故T截止當uI＝12V時，由于VDD

＝12V，必然使T工作在可變電阻區(qū)當uI＝8V時，設T工作在恒流區(qū)，根據輸出特性可知iD≈0.6mA，管壓降

uDS≈VDD－iDRd≈10V因此，uGD＝uGS－uDS≈－2V，小于開啟電壓，說明假設成立，即T工作在恒流區(qū)。+VDDR3C2TR1R2R4UGS

=

R1VDDR2R2+–ID

R4C1+-DCUDS

=

VDD–ID(R3+R4)OiDuGSUGS

=

R1VDDR2R2+–ID

R4IDQUGSQGraphicalAnalysis3ViD

/

mA02450.4Q0.2612N1M0.30.139uDS/VDCLoadLineUGS=3VUDS

=

VDD–ID(R3+R4)+VR3C2TR1R2R4C1+-3.2結型場效應管（JFET）

結型場效應管有三個極：源極（s）、柵極（g）、漏極（d），有三個工作區(qū)域：截止區(qū)、恒流區(qū)、可變電阻區(qū)。N溝道結型場效應管符號結構示意圖柵極漏極源極導電溝道柵-源電壓對導電溝道寬度的控制作用溝道最寬溝道變窄溝道消失稱為夾斷

uGS可以控制導電溝道的寬度。為什么g-s必須加負電壓？VP漏-源電壓對漏極電流的影響uGS＞VP且不變，VDD增大，iD增大。預夾斷uGD＝VP

VDD的增大，幾乎全部用來克服溝道的電阻，iD幾乎不變，進入恒流區(qū)，iD幾乎僅僅決定于uGS。場效應管工作在恒流區(qū)的條件是什么？uGD>VpuGD<VP轉移特性場效應管工作在恒流區(qū)，因而uGS＞VP且uGD＜VP。uDS>uGS-VPVP漏極飽和電流夾斷電壓g-s電壓控制d-s的等效電阻輸出特性預夾斷軌跡，uGD＝VP可變電阻區(qū)恒流區(qū)iD幾乎僅決定于uGS擊穿區(qū)夾斷區(qū)（截止區(qū)）夾斷電壓IDSSΔiD不同型號的管子VP、IDSS將不同。低頻跨導：工作在恒流區(qū)時g-s、d-s間的電壓極性uGS=0可工作在恒流區(qū)的場效應管有哪幾種？uGS＞0才可能工作在恒流區(qū)的場效應管有哪幾種？uGS＜0才可能工作在恒流區(qū)的場效應管有哪幾種？MOS基本共源放大電路的工作原理一、電路的組成及各元件的作用二、設置靜態(tài)工作點的必要性三、波形分析四、放大電路的組成原則一、電路的組成及各元件的作用VG：使UGS＞Vth。VDD：使UDS>UGS-Vth，同時作為負載的能源。RD：將ΔiD轉換成ΔuDS(uo)。動態(tài)信號作用時：

輸入電壓ui為零時，晶體管各極的電流、G-S間的電壓、管壓降稱為靜態(tài)工作點Q，記作IDQ、UGSQ、UDSQ。RDT+VDDuoVGui二、設置靜態(tài)工作點的必要性

輸出電壓必然失真！

設置合適的靜態(tài)工作點，首先要解決失真問題，但Q點幾乎影響著所有的動態(tài)參數！

為什么放大的對象是動態(tài)信號，卻要晶體管在信號為零時有合適的直流電流和極間電壓？RDT+VDDuoVGuiRDT+VDDuouiuGSiDVth三、基本共源放大電路的波形分析輸出和輸入反相！動態(tài)信號馱載在靜態(tài)之上與iD變化方向相反

要想不失真，就要在信號的整個周期內保證晶體管始終工作在放大區(qū)！飽和失真底部失真tuDSUDSQVDDO截止失真頂部失真tuDSUDSQVDDORDT+VDDuoVGui0tui0（a）ui的波形0uGStUGSQugs(t)（b）uGS的波形0iDtIDQid(t)（c）iD的波形0uo（e）uo的波形tUDSQuds(t)uDS（d）uDS的波形組成放大電路的規(guī)則：1.場效應管工作在恒流區(qū)2.

對于FET管，輸入信號能加在柵源上3.放大后的信號電流能傳輸到負載上3.4場效應管放大電路3.4.1場效應管放大電路的組成原理VGGRDVDDUGS>VthUGD<VthSGD+VDDRDRG2RG1SDGRG1VG

=VDDRG2RG2+1.場效應管工作在恒流區(qū)+VDDRDC1C2RLRG2++uiRG1SDG+耦合電容：

電解電容，有極性。數值一般為1F~100F作用：能使交流信號順利輸入輸出，同時隔離輸入輸出與電路的直流聯系。3.放大后的信號電流能傳輸到負載上2.

對于FET管，輸入信號能加在柵源上

組成放大電路的基本點：

1.

設置合適的直流通路（靜態(tài)工作點、偏置電路）

2.設置合適的交流通路

組成放大電路的核心：具有線性（或準線性）控制作用的FET交流通路：只考慮交流信號的分電路直流通路：只考慮直流信號的分電路RDC1C2RLRG2++uiRG1SDG+uit+VDDuGStuDtiDtuot+ui直流通路：只考慮直流信號的分電路RDC1C2RLRG2++uiRG1SDG++uo+VDD+VDDRDRG2RG1SDG3.4.2直流和交流通路輸入信號置零，電容開路+-RL//RDRG1//RG2uiuo交流通路：只考慮交流信號的分電路共源放大電路，交流通路中源極為公共參考端電容短路，直流電源置零RDC1C2RLRG2++uiRG1SDG++uo+VDD共漏放大電路uoui3.4.3直流偏置電路與靜態(tài)工作點的估計靜態(tài)：當信號源ui=0，管子工作在直流狀態(tài)，稱為靜態(tài)靜態(tài)時晶體管各極的電壓、電流值對應伏安特性曲線上的一點，稱為靜態(tài)工作點(QuiescentPoint,QPoint/Operationpoint，直流通路中求解Q點）偏置電路：可以使放大電路獲得靜態(tài)工作點RDRG2RG1SDG+VDDQ點IDQiDugs(t)uGSidRDRG2RG1SDG+VDD1.估算法求靜態(tài)工作點RG1UGS

=VDDRG2RG2+得到兩組解，去掉一組不合理的解UDS

=VDD-IDRD分壓式自偏壓共源極放大電路+VDDRDC1C2RLuo

RG2RS+CS++uiRG1RGSGDRG1UG

=VDDRG2RG2+UGS=UG–

US

=RG1VDDRG2RG2+–ID

RSID=VG–UGSRSUDS

=VDD

–ID

(

RD

+RS)ID=–UGS()VthKn2圖解法適用于大信號、純電阻的場合，主要用來討論放大電路的非線性失真與靜態(tài)工作點位置的關系2.圖解法求靜態(tài)工作點uGSiDIDQRG1UGS

=VDDRG2RG2+UGS3.4.4放大電路的動態(tài)分析放大電路有輸入信號(ui

0)時的工作狀態(tài)稱為動態(tài)。1.用圖解法進行動態(tài)分析步驟：（1）.畫出放大電路的交流通路；（2）.在輸入特性上作圖，確定uGS和iD

的變化范圍；（3）.在輸出特性上作直流負載線(放大器輸出端開路時)

或交流負載線(放大器輸出端接負載時)，根據uGS的

變化范圍，確定iD

和uDS的的變化范圍；（4）求電壓放大倍數 。tUGS

/V03=uGS

=

UGSQ+ui=UGSQUim

sin

t+=3

+

0.02sin

t(V)ugs

+tui

/V00.02–

0.02(ugs/V)直流分量交流分量瞬時值tuGS/V023.022.98ugs

UGSQ

RDT+VDDuoUGSQuiuo

=

UDSQ+udsUGSQRDT+VDDUDSQIDQudsuiRDTiduds

=–

idRD0uGS/VQ0.30.20.1000.30.20.12.9833.02IDQUGSQttiD

/mAiDidui

=

ugsuGS/ViD

/mAiD

/mAiD

/

mA02450.4Q0.2612N1Mt000.30.10.30.20.1iDuds

(uo)39uDS/VuDS/Vt369

交流負載線uds=

–idRL根據畫出交流負載線UGS=3VABiD

/mAiD

/

mA02450.4Q0.2612N1Mt000.30.10.30.20.1iduds

(uo)39uDS/VuDS/Vt369交流負載線無負載RLUGS=3VRDT+VDDuoUGSQuiRLuds=

–id(RD//RL)有負載RL（1）Q-點位置高非線性失真飽和失真iD

/mAiD

/mA03V4V6V0.20.40.6t00uds

(uo)

UGS=5VuDS/VuDS

/VQuo61239N2VMiduDS=uGS-VthtABuGS/V0Qidui0tt0iD/mAiD/mAuGS/V（2）Q-點位置低t1t2t1t20UGS=2.13560.60.26t000.40.150.15uds(uo)39400.050.05t截止失真QiD

/mAiD

/mAuDS/VuDS/Viduo（2）Q點位置低（3）輸入信號幅度過大tiD

/mAiD

/mA0346123t00uds

(uo)5uDS/VuDS

/VQ61239N2MuoiduDS=uGS-VTN輸出信號最大不失真的擺幅tiD

/mA0346123t05uDS/VuDS

/VQ61239N2M為保證無截止失真uDS=uGS-VTNuDS(sat)=uGS-Vth為保證無飽和失真min{IDQR’L,UDSQ-uDS(sat)}UDSQIDQ輸出信號最大不失真的擺幅

結論（1）共源組態(tài)的輸出電壓和輸入反相（2）交流信號是迭加在直流上的（3）有合適的工作點Q（否則產生非線性失真：飽和或截止失真）。（4）在分析時可單獨求交流量圖解法的