第5章場效應(yīng)管及其基本放大電路

第5章場效應(yīng)管及其基本放大電路5.1場效應(yīng)管5.2場效應(yīng)管基本放大電路5.1場效應(yīng)管晶體三極管是改變輸入電流來改變輸出電流，是電流控制器件。參與導(dǎo)電的是自由電子和空穴，又稱雙極性晶體管。場效應(yīng)管(FET)是利用改變輸入電壓(利用電場效應(yīng)）來控制輸出電流，是電壓控制器件。僅靠多數(shù)載流子導(dǎo)電，又稱單極性晶體管。由于它的輸出電流決定于輸入電壓的大小，基本上不需要信號源提供電流，所以它的輸入電阻高、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強、噪聲低等優(yōu)點。場效應(yīng)管實物圖結(jié)型場效應(yīng)管(JFET)按結(jié)構(gòu)不同分絕緣柵型場效應(yīng)管(MOS)5.1.1結(jié)型場效應(yīng)管(JFET)P溝道N溝道N溝道管的結(jié)構(gòu)示意圖和符號gsdgsdP溝道管的結(jié)構(gòu)示意圖和符號耗盡層PNgsd源極柵極漏極導(dǎo)電溝道耗盡層NPgsd源極柵極漏極導(dǎo)電溝道一、結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理Ngsd為使N溝道場效應(yīng)管正常工作，應(yīng)在柵-源之間加負(fù)向電壓(UGS<0)，保證耗盡層承受反向電壓；漏-源之間加正向電壓uDS，形成漏極電流iD。改變柵-源之間的電壓uGS，就可以改變耗盡層的寬度和溝道寬度，溝道電阻隨之改變，從而改變漏極電流iD。下面討論柵-源電壓uGS和漏-源電壓uDS對導(dǎo)電溝道的影響。1、當(dāng)uDS=0時，uGS對導(dǎo)電溝道的影響NgsduDS=0，uGS=0耗盡層很窄，導(dǎo)電溝道很寬|uGS|逐漸增大時gsdVGG(uGS)耗盡層加寬，

溝道變窄，

溝道電阻增大gsdVGG(uGS)|uGS|增大到夾斷電壓UGS(off)耗盡層閉合，

溝道消失，

溝道電阻無窮大2、當(dāng)uGS為UGS(off)~0中某一個固定值時，uDS對漏極電流iD的影響(1)當(dāng)uDS=0時，導(dǎo)電溝道雖然存在，但多子不會產(chǎn)生定向移動，iD=0(2)當(dāng)uDS>0時耗盡層將出現(xiàn)楔形，靠近漏極端較寬，靠近源極端較窄。gsdVGG(uGS)VDD(uDS)iD只要不出現(xiàn)夾斷區(qū)域，溝道電阻基本決定于uGS，iD隨uDS增大線性增大。2、當(dāng)uGS為UGS(off)~0中某一個固定值時，uDS對漏極電流iD的影響(3)當(dāng)uDS增大到使uGD=UGS(off)時耗盡層一端出現(xiàn)夾斷區(qū)。gsdVGG(uGS)VDD(uDS)iD—稱uGD=UGS(off)為預(yù)夾斷gsdVGG(uGS)VDD(uDS)iD(4)當(dāng)uGD<UGS(off)時，uDS增大時，iD基本不變，僅僅決定于uGS，表現(xiàn)為恒流特性。3、當(dāng)uGD<UGS(off)

時，uGS對iD的控制作用當(dāng)uDS為一常量時，可通過改變uGS來控制iD的大小——場效應(yīng)管為電壓控制器件用低頻跨導(dǎo)gm來描述uGS

對iD的控制作用。綜合分析可得：

(1)在uGD=uGS-uDS>uGS(off)的情況下，即uDS<uGS-uGS(off)時，對應(yīng)于不同的uGS，D-S間等效成不同阻值的電阻。(2)當(dāng)uDS使uGS=uGS(off)時，D-S之間預(yù)夾斷。(3)當(dāng)uDS使uGS<uGS(off)時，iD幾乎僅僅決定于uGS

。二、結(jié)型場效應(yīng)管的特性曲線1、輸出特性曲線-1ViDuDSO-2V-4V-3VUGS=0預(yù)夾斷軌跡輸出特性曲線分四個工作區(qū)：(1)可變電阻區(qū)可變電阻區(qū)固定UGS，iD隨uDS增大而線性增大，相當(dāng)于線性電阻。UGS增大，漏-源間的電阻也增大。-1ViDuDSO-2V-4V-3VUGS=0預(yù)夾斷軌跡(2)恒流區(qū)(或稱飽和區(qū))可變電阻區(qū)iD基本不隨uDS變化，僅取決于uGS

。利用場效應(yīng)管作放大管時，應(yīng)工作在此區(qū)域。恒區(qū)流(3)擊穿區(qū)擊穿區(qū)當(dāng)uDS增大到一定程度時，漏極電流驟然增大，管子被擊穿。(4)夾斷區(qū)(或稱截止區(qū))截止區(qū)當(dāng)uGS<uGS(off)時，導(dǎo)電溝道被夾斷，iD≈0。一般將iD等于很小的電流(5A)時的uGS定義為夾斷電壓UGS(off)

。2、轉(zhuǎn)移特性曲線-1ViDuDSO-2V-4V-3VUGS=0UGS(off)-1ViDuGSO-2V-4V-3VIDSS夾斷電壓漏極飽和電流恒流區(qū)iD的近似表達(dá)式為：為保證耗盡層加反向電壓，N溝道的uGS<0；P溝道的uGS>0。結(jié)型場效應(yīng)管的特點：(1)JEFT柵極、溝道之間的PN結(jié)是反向偏置的，因此，iG≈0，輸入電阻很高。(2)JEFT是電壓控制電流器件，iD受uGS控制。(3)預(yù)夾斷前，iD與uDS呈現(xiàn)線性關(guān)系；預(yù)夾斷后，iD趨于飽和。5.1.2絕緣柵型場效應(yīng)管(MOS)絕緣柵型場效應(yīng)管，有N溝道和P溝道之分，每一類又分增強型和耗盡型兩種。N溝道增強型管MOSN溝道耗盡型管P溝道增強型管P溝道耗盡型管當(dāng)uGS=0時，沒有導(dǎo)電溝道，iD=0的管子為增強型；當(dāng)uGS=0時，存在導(dǎo)電溝道，iD≠0的管子為耗盡型。前面所講的結(jié)型場效應(yīng)管均為耗盡型。一、N溝道增強型MOS管1、結(jié)構(gòu)示意圖和符號N+N+以P型硅為襯底Bdgs二氧化硅(SiO2)絕緣保護(hù)層兩端擴散出兩個高濃度的N+區(qū)N區(qū)與P型襯底之間形成兩個PN結(jié)由襯底引出電極B由高濃度的N區(qū)引出的源極s由另一高濃度N區(qū)引出的漏極d由二氧化硅層表面直接引出柵極g雜質(zhì)濃度較低，電阻率較高N+N+以P型硅為襯底Bdgs大多數(shù)管子的襯底在出廠前已和源極連在一起鋁電極、金屬（Metal）二氧化硅氧化物（Oxide）半導(dǎo)體（Semiconductor)稱MOS管因為柵極和漏極、源極之間是絕緣的，稱絕緣柵型場效應(yīng)管。柵極和襯底間相當(dāng)于電容。改變柵-源間的電壓，就可改變襯底靠近絕緣層處的感應(yīng)電荷的多少，從而控制漏極電流。不同MOS管的符號dsgB襯底N溝道增強型dsgB襯底P溝道增強型dsgB襯底N溝道耗盡型dsgB襯底P溝道耗盡型虛線表示增強型實線表示耗盡型襯底的箭頭方向表明了場效應(yīng)管是N溝道還是P溝道：箭頭向里是N溝道，箭頭向外是P溝道。2、N溝道增強型的工作原理N+N+以P型硅為襯底Bdgs(1)當(dāng)柵源極間電壓uGS=0時漏極和源極之間相當(dāng)于兩個背靠背的PN結(jié)。uGS=0PPN結(jié)PN結(jié)此時無論uDS是否為0，也無論其極性如何，總有一個PN結(jié)處于反偏狀態(tài)，因此MOS管不導(dǎo)通，iD=0。iD=0+-uDSN+N+以P型硅為襯底Bdgs(2)當(dāng)uDS=0且uGS>0時+-uGS由于SiO2絕緣層的存在，電流不能通過柵極。但金屬柵極被充電，因此聚集大量正電荷。電場力排斥空穴形成耗盡層電場吸引電子形成N形薄層（稱反型層）形成導(dǎo)電溝道二氧化硅層在uGS作用下被充電而產(chǎn)生電場N+N+以P型硅為襯底Bdgs+-uGS導(dǎo)電溝道形成時，對應(yīng)的柵-源電壓uGS稱為開啟電壓UGS(th)。uGS越大，反型層越厚，導(dǎo)電溝道電阻越小。N+N+以P型硅為襯底Bdgs+-uGS(3)當(dāng)uGS>UGS(th)時，uDS加正向電壓+-uDS外加較小的uDS時，iD隨著uDS的增大而線性增大。iD(3)當(dāng)uGS>UGS(th)時，uDS加正向電壓增大uDS，導(dǎo)電溝道出現(xiàn)梯度。直到uGD=UGS(th)即

uDS=uGS－UGS(th)時，溝道在漏極一側(cè)出現(xiàn)夾斷點，稱為預(yù)夾斷。N+N+以P型硅為襯底Bdgs+-uGS+-uDSiD(3)當(dāng)uGS>UGS(th)時，uDS加正向電壓在uDS>uGS－UGS(th)時，溝道夾斷區(qū)延長，iD達(dá)到最大且恒定，管子進(jìn)入飽和區(qū)。N+N+以P型硅為襯底Bdgs+-uGS+-uDSiDNMOS管工作過程的動畫演示：3、N溝道增強型的特性曲線和電流方程iDuGSOIDOUGS(th)轉(zhuǎn)移特性2UGS(th)iDuDS2UGS(th)輸出特性O(shè)IDO預(yù)夾斷軌跡iD的近似表達(dá)式為：IDO：uGS=2UGS(th)的iD截止區(qū)恒流區(qū)可變電阻區(qū)二、N溝道耗盡型MOS管1、結(jié)構(gòu)示意圖和符號N+N+P型襯底Bdgs+++++++++SiO2絕緣層中摻有正離子預(yù)埋了N型導(dǎo)電溝道dsgB襯底N溝道耗盡型2、N溝道耗盡型的工作原理N+N+P型襯底Bdgs+++++++++由于耗盡型場效應(yīng)管預(yù)埋了導(dǎo)電溝道，所以在uGS=0時，若漏–源之間加上一定的電壓uDS，也會有漏極電流iD產(chǎn)生。此時的漏極電流用

IDSS表示，稱為飽和漏極電流。當(dāng)uGS>0時，使導(dǎo)電溝道變寬，iD增大；當(dāng)uGS<0時，使導(dǎo)電溝道變窄，iD減?。划?dāng)uGS達(dá)到一定負(fù)值時，溝道消失，iD=0。此時的uGS稱為夾斷電壓UGS(off)。3、N溝道耗盡型的輸出特性和轉(zhuǎn)移特性曲線iDuDSUGS=0輸出特性O(shè)UGS>0UGS<0iDuGSOUGS(off)轉(zhuǎn)移特性IDSS5.1.3場效應(yīng)管的主要參數(shù)(1)開啟電壓UGS(th)：是增強型MOS管的參數(shù)(2)夾斷電壓UGS(off)：(3)飽和漏電流IDSS：是結(jié)型管和耗盡型MOS管的參數(shù)1、直流參數(shù)(4)直流輸入電阻RGS(DC)2、交流參數(shù)(1)低頻跨導(dǎo)gm：表示uGS對iD控制作用的強弱。(2)極間電容3、極限參數(shù)(1)最大漏極電流IDM(2)擊穿電壓U(BR)DS

(3)最大耗散功率PDM=IDUDS例1已知某管子的輸出特性如圖所示。試分析該管是什么類型的場效應(yīng)管(結(jié)型、絕緣柵型、N溝道、P溝道、增強型、耗盡型)？*判斷管子的類型，主要是看iD、uDS和uGS的正負(fù)。N溝道增強型MOS管iD/mAuDS/V8VO10V6V4V0.25123V6V9V12V練習(xí)：

已知管子的轉(zhuǎn)移特性下圖所示。試分析管子是什么類型的場效應(yīng)管(結(jié)型、絕緣柵型、N溝道、P溝道、增強型、耗盡型)？并寫出它的開啟電壓或夾斷電壓。iD/mAuGS/VO123-4-2iD/mAuGS/VO24-2-1-3iD/mAuGS/VO-112-3iD/mAuGS/VO-2-4-2-4N溝道JEFT管UGS(off)=-4VN溝道耗盡型MOS管UGS(off)=-3VP溝道耗盡型MOS管UGS(off)=2VP溝道增強型MOS管UGS(th)=-4V例2電路如圖所示，試分析UI為0V、8V和10V三種情況下Uo為大？+VDD+15V+TRd5k-uI+-uo解：當(dāng)UGS=UI=0V時，管子處于夾斷狀態(tài)，iD=0uo=VDD=15V當(dāng)UGS=UI=8V時，管子工作在恒流區(qū)時iD=1mAuo=VDD-RdID=15-5×1=10ViD/mAuDS/V8VO10V6V4V0.25123V6V9V12V15V例2iD/mAuDS/V8VO10V6V4V0.25123V6V9V12V+VDD+15V+TRd5k-uI+-uo解：當(dāng)UGS=UI=10V時，假設(shè)管子工作在恒流區(qū)，則uDS=VDD-RdiD=15-5×2.2=4ViD=2.2mA當(dāng)UGS=10V時的預(yù)夾斷電壓為：uDS=uGS-UGS(th)

=10-4=6V管子工作在可變電阻區(qū)。例2電路如圖所示，試分析UI為0V、8V和10V三種情況下Uo為大？+VDD+15V+TRd5k-uI+-uoiD/mAuDS/V8VO10V6V4V0.25123V6V9V12V15V3直流負(fù)載線：uDS=VDD-RdiD=15-5iD作出直流負(fù)載線即可判斷出工作在哪個區(qū)。5.1.4場效應(yīng)管與晶體管的比較1、場效應(yīng)管的柵極g、漏極d、源極s分別對應(yīng)于晶體管的基極b、集電極c、發(fā)射極e，它們的作用相似。2、場效應(yīng)管是電壓控制電流器件，場效應(yīng)管柵極基本上不取電流，而晶體管工作時基極總要取一定的電流。所以在只允許從信號源取極小量電流的情況下，應(yīng)該選用場效應(yīng)管；而在允許取一定量電流時，選用晶體管進(jìn)行放大可以得到比場效應(yīng)管較高的電壓放大倍數(shù)。3、場效應(yīng)管是多子導(dǎo)電，而晶體管既有多子又有少子。由于少子的濃度易受溫度、輻射等外界條件的影響，因而場效應(yīng)管比晶體管的溫度穩(wěn)定性好、抗輻射能力強。在環(huán)境條件（溫度等）變化比較劇烈的情況下，選用場效應(yīng)管比較合適。5.1.4場效應(yīng)管與晶體管的比較4、場效應(yīng)管源極和漏極可以互換使用，耗盡型絕緣柵型管的柵極電壓可正可負(fù)，靈活性比晶體管強；而晶體管的集電極與發(fā)射極互換使用時，其特性差異很大，放大倍數(shù)值將減小很多。5、場效應(yīng)管的噪聲系數(shù)較小，所以在低噪聲放大器的前級通常選用場效應(yīng)管，也可以選特制的低噪聲晶體管。6、場效應(yīng)管和晶體管都可以用于放大電路或開關(guān)電路，但場效應(yīng)管還可以作為壓控電阻使用，而且制造工藝便于集成化，具有耗電少，熱穩(wěn)定性好，工作電源電壓范圍寬等優(yōu)點，因此在電子設(shè)備中得到廣泛的應(yīng)用。5.2場效應(yīng)管放大電路場效應(yīng)晶體管具有輸入電阻高、噪聲低等優(yōu)點，常用于多級放大電路的輸入級以及要求噪聲低的放大電路。場效應(yīng)管的三種接法：共源極、共漏極和共柵極。5.2.1場效應(yīng)管放大電路靜態(tài)工作點的設(shè)置由于場效應(yīng)管是電壓控制器件，組成放大電路，應(yīng)給場效應(yīng)管設(shè)置偏壓，保證放大電路有合適的靜態(tài)工作點，使管子工作在恒流區(qū)。一、基本方法由N溝道場效應(yīng)管組成的基本共源放大電路：+VDD+TRd-uI+-uoRgVGG1、由結(jié)型場效應(yīng)管組成為使管子工作在恒流區(qū)，UGS應(yīng)在UGS(off)~0，且為負(fù)值；漏-源之間電壓足夠大。靜態(tài)工作點的計算式為：2、由增強型MOS管組成為使管子工作在恒流區(qū)，UGS應(yīng)大于開啟電壓UGS(th)

，為正值；

漏-源之間電壓足夠大。靜態(tài)工作點的計算式為：+VDD+TRd-uI+-uoRgVGG3、由耗盡型MOS管組成由于耗盡型MOS管，柵-源間的電壓大于0、等于0、小于0均可使管子工作在恒流區(qū)，故輸入回路可不加直流電壓；漏-源之間電壓足夠大。靜態(tài)工作點的計算：+VDD+TRd-uI+-uoRg在輸出特性上查得UGS=0時的IDQ二、自給偏壓電路——適用于結(jié)型場效應(yīng)管和耗盡型MOS管由結(jié)型場效應(yīng)管組成的自給偏壓電路+VDDTRd+-uoRgC1+-uI+C2+RsCsRL直流通路+VDDTRdRgRs靜態(tài)分析由于柵極電流IG=0+VDDTRdRgRsIDIS+-UGS+-UDSVG=0ID≈IS又VG=UGS+RsIS=0則有：UGS=-RsIS≈-RsIDUGS是由場效應(yīng)管自身的電流提供的，故稱自給偏壓。聯(lián)立解出IDQ、UGSQ。注意：增強型MOS管因UGS=0時，ID0，故不能采用自給偏壓式電路。例1自給偏壓電路中，已知VDD=20V，Rd=3k，Rs=1k，Rg=500k，UGS(off)=–4V，IDSS=8mA。試求靜態(tài)工作點。解：UGS=–

Rs

ID

=–1IDUDS=VDD–(Rs+Rd)ID=20–

2×(3+1)=12V解得：因UGS2<UGS(off)故舍去，所求靜態(tài)值為UGS=

–2V，ID=2mAUGS1=–2VID1=

2mAUGS2=–8VID2=

8mA三、分壓式偏置電路——適用于任何類型的場效應(yīng)管直流通路+VDDRd+-uoRg1C1+-ui+C2+RsCsRLRg2TRg3g+VDDRdRg1RsRg2TRg3g靜態(tài)分析由于柵極電流IG=0IDIS+-UGS+-UDS+VDDRdRg1RsRg2TRg3gA聯(lián)立解出IDQ、UGSQ。5.2.2場效應(yīng)管的交流等效模型gsdgsd由于柵-源極間的電阻很大，柵-源極間近似開路gsd+-rdsugsgmugs漏極電流受ugs控制，用電壓控制電流源來反映。對于結(jié)型場效應(yīng)管：5.2.2場效應(yīng)管的交流等效模型gsd+-rdsugsgmugs對于結(jié)型場效應(yīng)管：對于增強型MOS管：gm除了取決于管子自身參數(shù)外，還與靜態(tài)工作點有關(guān)。rds：場效應(yīng)管的輸出電阻，其值很大，可忽略。5.2.3共源放大電路的動態(tài)分析分壓式偏置放大電路+VDDRd+-uoRg1C1+-ui+C2+RsCsRLRg2TRg3gRd+-uoRg2+-uiRLRg1TgdsRg3交流通路RdRg2+-RLRg1gdsRg3+-+-Rd+-uoRg2+-uiRLRg1TgdsRg3微變等效電路電壓放大倍數(shù)：輸入電阻：輸出電阻：例2如圖所示分壓式偏壓放大電路中，已知VDD=15V，Rg1=150k，Rg2=300k，Rg3=2M，

Rd=5k，Rs=500，RL=5k，UGS(th)=2V，IDO=2mA。試求：(1)靜態(tài)工作點；(2)、Ri、Ro。+VDDRd+-uoRg1C1+-ui+C2+RsCsRLRg2TRg3g例2解：(1)求靜態(tài)工作點IDIS+-UGS+-UDS+VDDRdRg1RsRg2TRg3gA解得：UGS1=

4VID1=

2mAUGS2=–4VID2=

18mA因UGS2<UGS(th)故舍去，所求靜態(tài)值為UGS=4V，ID=2mAUDS=VDD–(Rs+Rd)ID=