電子技術第七講(場管放大)xin

第3章場效應管放大電路3.1結型場效應管第5講3.2絕緣柵型場效應管3.3場效應管放大電路1場效應管（FET）：

是一種具有PN結的有源半導體器件，利用電場效應來控制輸出電流的大小。場效應管的特點：①輸入電阻高；②內(nèi)部噪聲??；③功耗低；④熱穩(wěn)定性及抗輻射能力強；⑤工藝簡單、易于集成化。輸入端PN結一般工作反偏或絕緣狀態(tài)。場效應管的分類：結型FET（JFET）：MOSFET（IGFET）：N溝道、P溝道增強型：耗盡型：N溝道、P溝道N溝道、P溝道2N§3.1結型場效應管（JFET）一、JFET的結構和符號#符號中的箭頭方向表示什么？表示柵結正向偏置時，電流方向是由P指向N。PP+P+DSGDGSN溝道JFET的結構和符號柵極

漏極

源極

NPNBIBDGSP溝道JFETN+N+CEBCEPNPIBBCEBCE3二、JFET的工作原理※N溝道JFET工作時，必須在柵極和源極之間加一個負電壓——uGS<0.GNP+P+DS柵極—溝道間的PN結反偏，柵極電流iG0柵極輸入阻抗高達107以上。在D-S間加一個正電壓uDS>0,N溝道中的多子（電子）由S向D運動，形成漏極電流iD。iDiG主要討論uGS對iD的控制作用以及uDS對iD的影響。電子iDuGSuDS輸入電阻很高只有一種類型的多數(shù)載流子參與導電4GNP+P+DS1、UGS對iD對控制作用①

UDS=0，uGS

對導電溝道的影響GNP+P+DSuGS=0導電溝道較寬|uGS|=|UGS(off)||uGS|<|UGS(off)|導電溝道由于耗盡層的加寬而變窄。導電溝道由于耗盡層的合攏而被夾斷。GNP+P+DSUGS(off)——夾斷電壓。當uGS由零向負值增大時

溝道電阻rDS↑

|uGS|↑當|uGS|=UGS（off）時，溝道夾斷，iD=0。

→溝道電阻rDS→iD↓夾斷電壓

↑5耗盡層合攏的電壓條件PN結兩端電壓=夾斷電壓UGS(off)GDSNuDSuGSP+P+AA點電壓=uDG

=UGS(off)=uDS

-uGSuDS=uGS-UGS(off)uDS<uGS-UGS(off)耗盡層合攏的電壓條件耗盡層不合攏的電壓條件uGS

<夾斷電壓UGS(off)6GDSN②

uDS對iD的影響uGS=0

；導電溝道較寬；當uDS較小時(uDS<uGS-UGS(off))，iD隨uDS的增大成正比增大；uDSiD0uDS↑導電溝道由于DS間的電位梯度呈契形；uDSuDS<uGS-UGS(off)uGS→iD↑uDS產(chǎn)生一個沿溝道的電位梯度

iDuGS=0uDS↑P+P+ADSuDS→rDS↑很小，幾乎不變→iD↑7②

uDS對iD的影響兩耗盡層在A點相遇此時，A點耗盡層兩邊的電位差為：uDSiD0飽和漏電流uGD=UGS(off)|UGS(off)|IDSSDGP+P+SNA當uDS=

|UGS（off）|時，靠近漏極出現(xiàn)溝道合攏，兩耗盡層在A點相遇

稱為預夾斷狀態(tài)GNP+P+DSuGS

=

UGS(off)uGS=0=uGS-uDSuDS=uGS-UGS(off)8②

uDS對iD的影響溝道預夾斷后，uDS>uGS-UGS(off)GP+P+DSNuDS夾斷區(qū)長度外電壓的增量主要降落在夾斷區(qū)上。uDS=uGS-UGS(off)溝道預夾斷時，uGS=0uDS=-UGS(off)飽和漏電流uDSiD0|UGS(off)|IDSSuGS=0→rDS↑大1kΩ1Vi=1mA4V3kΩi=1mA1V4VΔV9②

uDS對iD的影響GP+P+DSNuDS=uGS-UGS(off)溝道預夾斷時，uGS=0uDS=-UGS(off)溝道預夾斷后，uDS>uGS-UGS(off)uDS夾斷區(qū)長度外電壓的增量主要降落在夾斷區(qū)上。iD基本不隨uDS的增加而上升，iD趨于飽和。在強電場作用下PN結雪崩擊穿，iD急劇增大。飽和漏電流uDSiD0|UGS(off)|IDSSuGS=0若uDS>BUDS，。uDS10GDSNuDSuDS<uGS-UGS(off)uGSiDP+P+uGS≠0,uDS

≠0→iD↑uDS↑飽和漏電流|UGS(off)|IDSSuDSiD0uDS=uGS-UGS(off)溝道預夾斷uDS↑uDS>uGS-UGS(off)夾斷區(qū)長度iD基本不隨uDS的增加而上升，iD趨于飽和。uDS↑在強電場作用下PN結雪崩擊穿，iD急劇增大。uGS=0VuGS=-4VuGS=-8VuGD=uGS-uDS=UGS(off)11綜上分析可知：溝道中只有一種類型的多數(shù)載流子參與導電，所以場效應管也稱為單極型三極管。|UGS(off)|IDSSuDSiD0uGS=-4VuGS=-8VJFET柵極與溝道間的PN結是反向偏置的，因此iG0，輸入電阻很高。JFET是電壓控制電流器件，iD受uGS控制。預夾斷前iD與uDS呈近似線性關系；預夾斷后，iD趨于飽和。uGSGNP+P+DSiDiG電子iDuDSNGNN+N+DSiDiG空穴iDuGSuDSP12三、JFET的特性曲線及參數(shù)1.輸出特性iDuDS0

0-4-1-2-3IDSS可變電阻區(qū)恒流區(qū)擊穿區(qū)截止區(qū)①uGS↑→rds↑②恒流區(qū)（飽和區(qū)）③擊穿區(qū)④截止區(qū)（全夾斷區(qū)）uDS=uGS-UGS(off)uGS可變電阻區(qū)GNP+P+DSJFET正常放大作用區(qū)域線性放大區(qū)

BUDSuGS≤UGS(off)uDS<uGS-UGS(off)uDS>uGS-UGS(off)132.轉(zhuǎn)移特性0(當UGS(off)<uGS

<0)iDuGSuDSiD0

0-3-2uGS=-1-3-2-1在恒流區(qū)

IDSSUGS(off)143.主要參數(shù)（1）夾斷電壓UGS(off)：實測時，令uDS為某一固定值（10V），使iD0時，柵源之間所加的電壓，uGS=UGS(off)。（2）飽和漏電流IDSS：uGS=0時，-uDS=UGS(off)。uGS=0，當uDS>|UGS(off)|（10V）時的漏極電流。IDSS是JFET能輸出的最大電流。飽和漏電流IDSS|UGS(off)|uDSiD0uGS=0VuGS=-4VuGS=-8VuGD=uGS-uDS=UGS(off)uDS=uGS-UGS(off)15（3）低頻跨導gm：uDS為常數(shù)時，漏極電流的微變量與引起這個變化的柵源電壓的微變量的比。反映了柵源電壓對漏極電流的控制能力，gm可以在轉(zhuǎn)移特性曲線上求得，單位是mS(毫西門子)。GSoffGSGSDSSmduUuIdg12)(-=)()(12offGSoffGSGSDSSUUuI-=16場效應管的分類：結型FET（JFET）：MOSFET（IGFET）：N溝道、P溝道增強型：耗盡型：N溝道、P溝道N溝道、P溝道106～109Ω

絕緣柵型場效應管（MOSFET）1015Ω

增強型N溝道MOS管（E型NMOSFET）

增強型P溝道MOS管（E型PMOSFET）

耗盡型N溝道MOS管（D型NMOSFET）

耗盡型P溝道MOS管（D型PMOSFET）

17§3·2絕緣柵型場效應管（MOSFET）一、N溝道增強型MOSFET（一）結構和符號

P型襯底GB○○○○GDSB襯底引線

絕緣層SiO2

N+N+SD柵極與其他兩個電極是相互絕緣的

箭頭方向表示由P(襯底)指向N(溝道)

iGiG=0間斷線表示柵源電壓uGS=0時，F(xiàn)ET內(nèi)部不存在導電溝道

18（二）工作原理

1、UGS=0

P型襯底GB襯底引線

N+N+SD漏源間沒有導電的溝道，iD=0

19

P型襯底GBN+N+SD（二）工作原理(1)導電溝道的形成

uGS>0uGSuGS增大到某一個值時

反型層

反型層是N型半導體層

開啟電壓UGS（th）uGS<UGS（th）全夾斷狀態(tài)

UGS=UGS(th)時，導電溝道開始形成20N+

P型襯底GBN+SDuGSuGS>uGS(th)uGS↑→導電溝道↑uGB↑→rDS↓21(2)

iD和導電溝道隨uGS和uDS的變化

N+

P型襯底GBN+SDuGSuDSuGS=常數(shù)>UGS（th）

電位S←D低←高寬

←窄

S←D有導電溝道的條件uGD>UGS（th）

uGD=uGS-uDS

>UGS（th）

uDS<uGS-UGS（th）uDS↑→rDS↑(慢)→iD↑iDuDSiDOAuDS↑導電溝道開始形成uGD=uGS-uDS=UGS（th）

導電溝道開始夾斷uGD=uGS-uDS=UGS（th）

uDS=uGS-UGS（th）

預夾斷uDS=

uGS-UGS（th）預夾斷后

預夾斷uDS>uGS-UGS（th）

uDS↑預夾斷后△uDS幾乎都降落在夾斷區(qū)上，而未夾斷溝道中的電壓基本維持不變。

iD幾乎不變略有增大uDS↑→反向擊穿SDuDSuGS-uDS<UGS（th）

uGD=B溝道部分夾斷

223．輸出特性曲線

uDSiD0uGS=5VuGS=4VuGS=3VuGS=2VuGS=UGS(th)截止區(qū)uGS>uGS(th)N+

P型襯底GBN+SDuGS→導電溝道↑uGS↑→rDS↓uDS→iD

↑預夾斷曲線uDS=

uGS-UGS（th）

uDS=uGS-UGS(off)uGSiDuDS0

0-4-1-2-3uGS=UGS(off)uGS=UGS(th)23三、增強

NMOSFET的輸出特性曲線

1.輸出特性iDuDS0

5432可變電阻區(qū)恒流區(qū)擊穿區(qū)截止區(qū)①uGS↓→rds↑②恒流區(qū)（飽和區(qū)）③擊穿區(qū)④截止區(qū)（全夾斷區(qū)）uDS=uGS-UGS(th)uGS可變電阻區(qū)MOSFET正常放大作用區(qū)域線性放大區(qū)

BUDSuGS≤UGS(th)uDS<uGS-UGS(th)uDS>uGS-UGS(th)UGS(th)242.轉(zhuǎn)移特性0iDuGSuDSiD0

523uGS=42345IDO25轉(zhuǎn)移特性曲線

ENMOSFET0iDuGSIDSSUGS(off)(當UGS(off)<uGS

<0)0iDuGSIDOUGS(th)NJFET26二、N溝道耗盡型MOS管1、結構和符號○○○○GDSBN+

P型襯底GN+SDBuGSuGS↓→導電溝道

↓→

UGS(off)夾斷電壓272．輸出特性曲線

uDSiD0uGS=0.2VuGS=0.1VuGS=0VuGS=-0.2VuGS=UGS(off)截止區(qū)預夾斷曲線uDS=

uGS-UGS（off）

N+

P型襯底GN+SDBuGSuDS283.轉(zhuǎn)移特性iDuGS-0.4-0.200.2UGS(off)0iDuGSIDOUGS(th)E型

NMOSFETD型

NMOSFET29P溝道MOSFET，除了外加電壓極性和漏極電流方向與N溝道MOSFET相反外工作原理完全相同

uGSiDUGS（off）UGS（th）JFET耗盡型MOST增強型MOSTuGSiDUGS（off）UGS（th）JFET耗盡型MOST增強型MOST(a)N溝道FET(b)P溝道FET30§3.3場效應管放大電路3.3.1電路的組成原則及分析方法(1).靜態(tài)：適當?shù)撵o態(tài)工作點，使場效應管工作在恒流區(qū)(2).動態(tài):能為交流信號提供通路組成原則靜態(tài)分析：估算法、圖解法。動態(tài)分析：微變等效電路法。分析方法313.3.1

場效應管的直流偏置及靜態(tài)分析

（1）

自偏壓共源放大電路

SDGC1RSCSRsRGRDEDC2RL+uo-+uS-SDGRSRGRDED+US-IDIG=0IG=

-US=

-IDRS

UGS=UG-USURG=0即UG=0。+URG-UGS與UDS極性相反，（即UGS為負偏壓），所以，自給偏壓電路只適用于JFET和耗盡型MOSFET

UGS=

-IDRS

自給偏壓電路不適用于增強MOS型管

漏源電壓為UDS=ED-ID（RD+RS）

US=IS

RS↑→UGS=-IS

RS↓

→ID

↓T↑→ID

↑→

RS穩(wěn)定工作點

RS↑→穩(wěn)定

↑uGSiD32（2）分壓式自偏壓電路DSRSCSRsGC1R2RDEDC2RL+uo-+uS-R1R3RS↑→穩(wěn)定性

↑RS↑→ID

↓UGS=UG-US

EDDSRSGR2RDR1R3UG+URS-gm↓→Au

↓適用于JFET和耗盡型MOSFET，又適合于增強型MOSFETUDS=ED-ID（RD+RS）

IDIG33例．如圖R1=2MΩ，R2=47kΩ，R3=10MΩ，RD=30kΩ

RS=2kΩ,ED=18V,FET的UGS（off）=-1V，IDSS=0.5mA

試確定Q點。

EDDSRSGR2RDR1R3UGIDUDS=ED-ID（RD+RS）

解出ID1=1.59mAID2=0．3mA

>IDSS=0．5mA不合理舍去故ID==8.1V343.3.2場效應管的動態(tài)分析GSDSGDrDSidrDS=

UDS/

ID很大，可忽略。場效應管微變等效電路35場效應管的微變等效電路壓控電流源SGDid36例題分析無輸入信號時（ui=0），估算：UDS和ID。+UDD=+20VuoRSuiCSC2C1R1RDRGR2RL150K50K1M10K10KGDS10KIDUDSR1=150kR2=50kRG=1MRD=10kRS=10kRL=10kgm=3mA/VUDD=20V37設：UG>>UGS則：UGUS而：IG=0+UDD+20VR1RDRGR2150K50K1M10KRS10KGDS所以：=直流通道IDUDSIG383.3.4動態(tài)分析微變等效電路+UDD=+20VuoRSuiCSC2C1R1RDRGR2RL150K50K1M10K10KGDS10KSGR2R1RGDRLRDUgsgmUgsUiUoIdSGDid39動態(tài)分析：UgsUiUgsgmIdriroUoSGR2R1RGRLDRLRD=–gmUiRL

電壓放大倍數(shù)負號表示輸出輸入反相40電壓放大倍數(shù)估算R1=150kR2=50kRG=1MRS=10kRD=10kRL=10kgm=3mA/VUDD=20V=-3（10//10）=-15RL=RD//RL41ro=RD=10KSGR2R1RGRLDRLRD輸入電阻、輸出電阻=1+0.15//0.05=1.0375MR1=150kR2=50kRG=1MRD=10kRS=10kRL=10kgm=3mA/VUDD=20Vrirori=RG+R1//R2423.3.5源極輸出器uo+UDD+20VRSuiC1R1RGR2RL150K50K1M10KDSC2G10KR1=150kR2=50kRG=1MRS=10kRL=10kgm=3mA/VUDD=20V43靜態(tài)工作點:=USUGUDS=UDD-US=20-5=15V44uo+UDD+20VRSuiC1R1RGR2RL150K50K1M10KDSC2G10K微變等效電路：45微變等效電路：riro

rogR2R1RGsdRLRSUi=Ugs+UoUo

=Id(RS//RL)=gm

Ugs

RL46求rigR2R1RGsdRLRSriri=RG+R1//R247求ro加壓求流法ro

ro=RS1+gmRSIogR2R1RGsRS48ri=RG+R1//R2uo+UDD+20VRSuiC1R1RGR2RL150K50K1M10KDSC2G10KR1=150kR2=50kRG=1MRS=10kRL=10kgm=3mA/VUDD=20VAu=gmRL1+gmRL=[3(10//