場(chǎng)效應(yīng)管放大電路-模電講義

4場(chǎng)效應(yīng)管放大電路

場(chǎng)效應(yīng)管是以半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電的，因此，又叫做單極型晶體管。屬電壓控制器件。按結(jié)構(gòu)的不同分結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JFET)和金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管（MOS)兩大類。4.1 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管

4.1.1JFET的結(jié)構(gòu)和工作原理

1.結(jié)構(gòu)

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(JFET)，分為N溝道和P溝道兩種。結(jié)構(gòu)和電路符號(hào)如圖4.1.1和圖4.1.2所示。

2.工作原理

由于兩種管子的工作原理相同，下面以N溝道為例分析其工作原理。N溝道JFET工作時(shí)，在柵極與源極之間需加一負(fù)電壓（vGS<

0），使柵極、溝道間的

PN結(jié)反偏，柵極電流iG

0，輸入電阻很高（>107

）。在漏極與源極之間加一正電壓（vDS>

0），使N溝道中的多數(shù)載流子（電子）在電場(chǎng)作用下由源極向漏極運(yùn)動(dòng)，形成電流iD。iD的大小受vGS控制。因此，討論JFET的工作原理就是討論vGS對(duì)iD的控制作用和vDS對(duì)iD的影響。

(1)

vGS對(duì)

iD

的控制作用

當(dāng)vGS=Vp時(shí)，溝道完全消失（夾斷），溝道電阻趨于無窮大，相應(yīng)的柵源電壓稱為夾斷電壓

Vp。如在漏源之間加上固定電壓，將有電流iD，改變|vGS|，可以有效的控制溝道電阻的大小，從而控制iD大小，|vGS|越大，iD越小。

先假定vDS=

0，改變

vGS

的大小，導(dǎo)電溝道隨著改變，導(dǎo)電溝道隨|vGS|的增大而變窄，溝道電阻變大，

(2)

vDS

對(duì)

iD的影響

首先從vGS=0開始討論。

a)

vDS=0,iD=0

b)0<vDS<|vP|,iD0并隨vDS增加而增大。但近漏端溝道隨vDS增加變窄。

c)

vDS=|vP|,近漏端溝道夾斷稱為預(yù)夾斷，iD=IDSS。

d)

vDS>|vP|,iD=IDSS

近漏端溝道夾斷區(qū)增加。(a)(b)(c)(d)

G、S

間加負(fù)電壓，耗盡層加寬，導(dǎo)電溝道變窄；D、S

間加正電壓，導(dǎo)電溝道變得不等寬。根據(jù)vGD=vGSvDS=VP

可知，vGS

越負(fù)，發(fā)生預(yù)夾斷所需的

vDS

就越小。相反，在同樣的

vDS作用下，vGS越負(fù)，耗盡層越寬，溝道電阻越大，漏極電流

iD

就越小，iD

隨vDS變化曲線下移，圖.1.5(b)示出了不同

vGS下，所得的iD~vDS曲線。vGS越負(fù)，iD

越小，體現(xiàn)了柵源電壓

vGS對(duì)漏極電流

iD的控制作用。

由上述分析可繪出時(shí)的iD~vDS

特性曲線

綜上分析，可得如下結(jié)論：JFET柵極、溝道之間的PN結(jié)是反向偏置的，因此，輸入電阻很高。JFET是電壓控制電流器件，iD受vGS控制。預(yù)夾斷前，iD與vDS呈近似線性關(guān)系；預(yù)夾斷后，iD趨于飽和,其大小僅隨vGS變化。P溝道JFET工作時(shí)，其電源極性與N溝道JFET的電源極性相反。

4.1.2特性曲線及參數(shù)

1輸出特性

分為四個(gè)區(qū)：

I區(qū)：可變電阻區(qū)

溝道電阻受柵源電壓控制。

II區(qū)：恒流區(qū)或飽和區(qū)，也稱為線性放大區(qū)。III區(qū)：擊穿區(qū)（V(BR)DS

）IV區(qū)：截止區(qū)，VGS<VP,iD

=0

2.轉(zhuǎn)移特性

在恒流區(qū)

內(nèi)，有

3.主要參數(shù)

(1)夾斷電壓VP其定義前面已經(jīng)提到，絕對(duì)值在2~10V之間。

(2)飽和漏極電流IDSS

其定義前面已經(jīng)提到，數(shù)值在0.3~15mA之間。

(3)最高漏源電壓V(BR)DS

指擊穿前漏源之間能加的電壓最大(絕對(duì))值。小功率管一般為二三十伏，大功率管可達(dá)幾百伏。

(4)最高柵源電壓V(BR)GS

指擊穿前柵源之間能加的電壓最大(絕對(duì))值。

(5)低頻跨導(dǎo)gm

它的定義是(6)輸出電阻rd在放大區(qū)內(nèi)，其值很大，一般在幾十千歐到幾百千歐之間。(7)

最大耗散功率PDM

其定義同晶體管，小功率管為100~200mW，大功率管可達(dá)百瓦以上。(8)

噪聲系數(shù)NF

其定義與晶體管相同。一般的場(chǎng)效應(yīng)管其NF值為5dB以下。優(yōu)質(zhì)場(chǎng)效應(yīng)管的NF值可低于1dB，且工作頻率可高達(dá)幾萬兆赫，常用于衛(wèi)星接收系統(tǒng)的前置放大級(jí)

4.3金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管

MOSFET利用半導(dǎo)體表面電場(chǎng)效應(yīng)進(jìn)行工作的，也稱為表面場(chǎng)效應(yīng)器件。柵極是絕緣的，輸入電阻很高。有N溝道和P溝道兩類。增強(qiáng)型（VGS=0時(shí)，沒有導(dǎo)電溝道，iD

=0）耗盡型

（VGS=0時(shí)，存在導(dǎo)電溝道，iD

0）

4.3.1N溝道增強(qiáng)型MOSFET1.結(jié)構(gòu)及符號(hào)

2工作原理

圖4.3.2為N溝道增強(qiáng)型MOSFET的工作原理示意圖

(a)vGS=0時(shí)，沒有導(dǎo)電溝道(b)vGS>VT

時(shí)，出現(xiàn)N型溝道出現(xiàn)夾斷時(shí)或預(yù)夾斷處

vGD=vGSvDS=VT(c)vDS

較小時(shí)，iD迅速增大(d)vDS較大出現(xiàn)夾斷時(shí)，iD趨于飽和3特性曲線

在恒流區(qū)內(nèi)，轉(zhuǎn)移特性可近似表示為

4參數(shù)

MOSFET的參數(shù)與JFET的基本相同，不同的是MOS增強(qiáng)型管不用夾斷電壓VP,而用開啟電壓VT表征管子的特性。

4.3.2N溝道耗盡型MOSFET結(jié)構(gòu)與增強(qiáng)型相似，不同的是在二氧化硅絕緣層中摻入了大量的正離子，這樣，VGS=0時(shí)，存在導(dǎo)電溝道，iD

0耗盡型管子的柵源電壓可正可負(fù)，參數(shù)是夾斷電壓VP。4.4場(chǎng)效應(yīng)管放大電路4.1.1直流偏置電路及靜態(tài)分析

1直流偏置電路Q:

偏置電路的形式有兩種。1）自偏壓電路僅適用于結(jié)型和耗盡型管子。

4.1.1

2）分壓式自偏壓電路

不僅僅適用于結(jié)型和耗盡型管子，也適用增強(qiáng)型管子。4.1.12.靜態(tài)工作點(diǎn)的確定

FET放大電路靜態(tài)分析可用圖解法和公式法。下面討論公式法計(jì)算靜態(tài)工作點(diǎn)。和公式法就是利用恒流區(qū)中iD與vGS的近似關(guān)系式

以及由直流通路中線性部分列出的電壓電流方程聯(lián)立求解可計(jì)算出靜態(tài)工作點(diǎn)。

例如對(duì)于圖4.4.1a電路:聯(lián)立求解可求出VGS和

ID再由輸出回路列方程，可得

4.4.2FET放大電路的小信號(hào)模型分析法

1FET小信號(hào)模型低頻簡(jiǎn)化模型2應(yīng)用小信號(hào)模型分析放大電路

圖4.4.3a的小信號(hào)等效電路如圖b。

+-o(1)中頻電壓增益(2)輸入電阻(3)輸出電阻

例4.4.2

求圖4.4.4a所示共漏電路—源極輸出器的中頻電壓增益、輸入電阻和輸出電阻。

解：中頻小信號(hào)等效電路如圖4.4.4b所示。

(1)中頻電壓增益

由圖4.4.4b可得(2)輸入電阻

(3)輸出電阻

圖4.4.5為求輸出電阻的等效電路，由圖有具有和共集電路一樣的特點(diǎn)，但輸入電阻更高。

3三種基本放大電路的性能比較