場效應管放大電路模板

場效應管放大電路模板第一頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期日2.結型場效應管（1）結型場效應管的結構（如圖1.4.1所示）

源極S漏極D柵極G符號P型區(qū)N型導電溝道圖1.4.1第二頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期日（2）結型場效應管的工作原理（如圖1.4.2所示）HomeNextBack①vDS=0時，

vGS

對溝道的控制作用當vGS＜0時，PN結反偏，|vGS|耗盡層加厚溝道變窄。vGS繼續(xù)減小，溝道繼續(xù)變窄，當溝道夾斷時，對應的柵源電壓vGS稱為夾斷電壓VP

（或VGS(off)）。對于N溝道的JFET，VP<0。②vGS=(VGS(off)~0)的某一固定值時，vDS對溝道的控制作用當vDS=0時，iD=0；vDSiD，同時G、D間PN結的反向電壓增加，使靠近漏極處的耗盡層加寬，溝道變窄，從上至下呈楔形分布。當vDS增加到使vGD=VP時，在緊靠漏極處出現(xiàn)預夾斷。此時vDS夾斷區(qū)延長溝道電阻iD基本不變，表現(xiàn)出恒流特性。第三頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期日③當vGD<VGS(off)時，vGS對iD的控制作用當vGD=vGS-

vDS<VGS(off)

時，即vDS>vGS-

VGS(off)>0，導電溝道夾斷，iD不隨vDS變化

；

但vGS

越小，即|vGS|越大，溝道電阻越大，對同樣的vDS，iD的值越小。所以，此時可以通過改變vGS

控制iD的大小，iD與vDS

幾乎無關，可以近似看成受vGS

控制的電流源。由于漏極電流受柵-源電壓的控制，所以場效應管為電壓控制型元件。綜上分析可知：(a)

JFET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；(b)

JFET柵極與溝道間的PN結是反向偏置的，因此輸入電阻很高；(c)

JFET是電壓控制電流器件，iD受vGS控制；(d)預夾斷前iD與vDS呈近似線性關系；預夾斷后，iD趨于飽和。第四頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期日（3）結型場效應管的特性曲線②轉(zhuǎn)移特性①輸出特性VP圖1.4.3夾斷區(qū)第五頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期日3.絕緣柵型場效應管IGFET（InsulatedGateFieldEffectTransistor）MOS（MetalOxideSemiconductor）vGS=0，iD=0，為增強型管；vGS=0，iD0，為耗盡型管。（一）N溝道增強型MOS管（其結構和符號如圖1.4.4所示）圖1.4.4第六頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期日（1）N溝道增強型MOS管的工作原理①vDS=0時，

vGS

對溝道的控制作用當vDS=0且vGS>0時，因SiO2的存在，iG=0。但g極為金屬鋁，因外加正向偏置電壓而聚集正電荷，從而排斥P型襯底靠近g極一側(cè)的空穴，使之剩下不能移動的負離子區(qū)，形成耗盡層。如圖1.4.5所示。當vGS=0時，漏-源之間是兩個背靠背的PN結，不存在導電溝道，無論vDS

為多少，iD=0。圖1.4.5第七頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期日當vGS進一步增加時，一方面耗盡層增寬，另一方面襯底的自由電子被吸引到耗盡層與絕緣層之間，形成一個N型薄層，稱之為反型層，構成了漏-源之間的導電溝道（也稱感生溝道），如圖1.4.6所示。圖1.4.6

使溝道剛剛形成的柵-源電壓稱之為開啟電壓VGS(th)。vGS越大，反型層越寬，導電溝道電阻越小。②vGS>VGS(th)

的某一固定值時，vDS對溝道的控制作用當vDS=0時，iD=0；vDSiD，同時使靠近漏極處的耗盡層變窄。當vDS增加到使vGD=VGS(th)時，在緊靠漏極處出現(xiàn)預夾斷。此時vDS夾斷區(qū)延長溝道電阻iD基本不變，表現(xiàn)出恒流特性。如圖1.4.7所示。第八頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期日圖1.4.7（2）N溝道增強型MOS管的特性曲線與電流方程

N溝道增強型MOS管的轉(zhuǎn)移特性曲線與輸出特性曲線如圖1.4.8所示，與JFET一樣，可分為四個區(qū)：可變電阻區(qū)、恒流區(qū)、夾斷區(qū)和擊穿區(qū)。第九頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期日②轉(zhuǎn)移特性①輸出特性VGS(th)圖1.4.8夾斷區(qū)2VGS(th)第十頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期日（二）N溝道耗盡型MOS管（其結構和符號如圖1.4.9所示）圖1.4.9與N溝道增強型MOS管不同的是，N溝道耗盡型MOS管的絕緣層中參入了大量的正離子，所以，即使在vGS=0時，耗盡層與絕緣層之間仍然可以形成反型層，只要在漏-源之間加正向電壓，就會產(chǎn)生iD。第十一頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期日若vDS為定值，而vGS>0，vGS

iD；若vGS<0，vGS

iD，當vGS減小到一定值時，反型層消失，導電溝道被夾斷，iD=0。此時的vGS稱為夾斷電壓VGS(off)。若vGS>VGS(off)，且為定值，則iD隨vDS

的變化與N溝道增強型MOS管的相同。但因VGS(off)<0，所以vGS在正、負方向一定范圍內(nèi)都可以實現(xiàn)對iD的控制。其轉(zhuǎn)移特性曲線與輸出特性曲線見教材P44。（三）P溝道MOS管

P溝道MOS管與N溝道MOS管的結構相同，只是摻雜的類型剛好相反，所以其電壓和電流的極性與N溝道MOS管的相反。其轉(zhuǎn)移特性曲線與輸出特性曲線見教材P44。第十二頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期日Home

VMOS管與普通MOS管只是制造工藝上的差別，原理上并沒什么不同。但其性能與普通MOS管相比，VMOS管的漏區(qū)散熱面積大，耗散功率可達kW以上；其漏-源擊穿電壓高，上限工作頻率高，線性好。（四）VMOS管4.場效應管的主要參數(shù)（一）直流參數(shù)①開啟電壓VGS(th)：對增強型MOS管，當VDS為定值時，使iD剛好大于0時對應的VGS值。②夾斷電壓VGS(off)

（或VP）：對耗盡型MOS管或JFET，當VDS為定值時，使iD剛好大于0時對應的VGS值。第十三頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期日③飽和漏極電流IDSS：對耗盡型MOS管或JFET，VGS=0時對應的漏極電流。④直流輸入電阻RGS：對于結型場效應三極管，RGS大于107Ω，MOS管的RGS大于109Ω，。（二）交流參數(shù)①低頻跨導gm：低頻跨導反映了vGS對iD的控制作用。gm可以在轉(zhuǎn)移特性曲線上求得。第十四頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期日HomeNextBack極間電容：Cgs和Cgd約為1~3pF，和Cds約為0.1~1pF。高頻應用時，應考慮極間電容的影響。（三）極限參數(shù)①最大漏極電流IDM：管子正常工作時漏極電流的上限值。擊穿電壓V(BR)DS、V(BR)GS：管子漏-源、柵-源擊穿電壓。③

最大耗散功率PDM：決定于管子允許的溫升。注意

：對于MOS管，柵-襯之間的電容容量很小，RGS很大，感生電荷的高壓容易使很薄的絕緣層擊穿，造成管子的損壞。因此，無論是工作中還是存放的MOS管，都應為柵-源之間提供直流通路，避免柵極懸空；同時，在焊接時，要將烙鐵良好接地。③輸出電阻rd：第十五頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期日HomeNextBack5.場效應管與晶體管的比較

①場效應管的漏極d、柵極g和源極s分別對應晶體管的集電極c、基極b和發(fā)射極e，其作用類似。

②場效應管以柵-源電壓控制漏極電流，是電壓控制型器件，且只有多子參與導電，是單極性晶體管；三極管以基極電流控制集電極電流，是電流控制型器件，晶體管內(nèi)既有多子又有少子參與導電，是雙極性晶體管。

場效應管的輸入電阻遠大于晶體管的輸入電阻，其溫度穩(wěn)定性好、抗輻射能力強、噪聲系數(shù)小。

場效應管的漏極和源極可以互換，而互換后特性變化不大；晶體管的集電極和發(fā)射極互換后特性相差很大，只有在特殊情況下才互換使用。但要注意的是，場效應管的某些產(chǎn)品在出廠時，已將襯底和源極連接在一起，此時，漏極和源極不可以互換使用。第十六頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期日

場效應管的種類多，柵-源電壓可正、可負，使用更靈活。

場效應管集成工藝更簡單、功耗小、工作電源電壓范圍寬，使之更多地應用于大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路中。

一般情況下，由晶體管構成的放大電路具有更高的電壓放大倍數(shù)和輸出功率。思考題場效應管符號中的箭頭方向表示什么？為什么FET的輸入電阻比BJT的高得多？為什么MOSFET比JFET的輸入電阻高？場效應管正常放大時，導電溝道處于什么狀態(tài)？使用MOS管應注意些什么？第十七頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期日例題

例1.4.1

已知各場效應管的輸出特性曲線如圖1.4.10所示。試分析各管子的類型。圖1.4.10例1.4.1圖第十八頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期日解:(a)iD>0（或vDS>0），則該管為N溝道；vGS0，故為JFET（耗盡型）。

(b)iD<0（或vDS<0），則該管為P溝道；vGS<0，故為增強型MOS管。

(c)iD>0（或vDS>0），則該管為N溝道；vGS可正、可負，故為耗盡型MOS管。提示：場效應管工作于恒流區(qū)：（1）N溝道增強型MOS管：VDS>0,VGS>VGS(th)>0；P溝道反之。（2）N溝道耗盡型MOS管：VDS>0,VGS可正、可負，也可為0；P溝道反之。（3）N溝道JFET：VDS>0,VGS<0；P溝道反之。第十九頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期日圖1.4.11例1.4.2圖

例1.4.2

電路如圖1.4.11(a)所示，場效應管的輸出特性如圖1.4.11(b)所示。試分析當uI=2V、8V、12V三種情況下，場效應管分別工作于什么區(qū)域。第二十頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期日

(c)當uI=10V

時，假設管子工作于恒流區(qū)，此時iD=2mA，故uO=uDS=VDD-iD

Rd=18-28=2V，uDS-VGS(th)=2-6=-4V，顯然小于uGS=10V時的預夾斷電壓，故假設不成立，管子工作于可變電阻區(qū)。此時，RdsuDS/iD=3V/1mA=3k，故解:(a)當uI=2V

時，uI=uGS<VGS(th)

，場效應管工作于夾斷區(qū)，iD=0，故uO=VDD-iD

Rd=VDD=18V。

(b)當u