第四章-场效应管放大电路课件.ppt

1、第四章第四章 场效应管放大电路场效应管放大电路第一节第一节 结型场效应管结型场效应管第二节第二节 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应管半导体场效应管第三节第三节 场效应管放大电路场效应管放大电路教学目的和要求教学目的和要求：1.1.理解结型场效应管和金属理解结型场效应管和金属-氧化物氧化物-半导体场效应管的知识。半导体场效应管的知识。2.2.掌握场效应管放大电路的原理和分析方法。掌握场效应管放大电路的原理和分析方法。教学重点与难点教学重点与难点：重点：场效应管的工作原理，场效应管放大电路分析方法。重点：场效应管的工作原理，场效应管放大电路分析方法。难点：结型场效应管的特性曲线，小信号模型分析

2、法。难点：结型场效应管的特性曲线，小信号模型分析法。场效应管场效应管是一种利用是一种利用电场效应来控制电流电场效应来控制电流的一种半导体器的一种半导体器件，件，是是仅由仅由一种一种载流子参与导电载流子参与导电的半导体器件的半导体器件。从参与导电的。从参与导电的载流子来划分，它有电子作为载流子的载流子来划分，它有电子作为载流子的N沟道器件和空穴作为沟道器件和空穴作为载流子的载流子的P沟道器件。沟道器件。场效应管：场效应管：结型结型N沟道沟道P沟道沟道 MOS型型N沟道沟道P沟道沟道增强型增强型耗尽型耗尽型增强型增强型耗尽型耗尽型第一节第一节 结型场效应管（结型场效应管（JFET）(Junctio

3、n type Field Effect Transister)利用利用半导体内的电场效应半导体内的电场效应进行工作的，也称为进行工作的，也称为体内场效应器件体内场效应器件。一、一、JFET的结构和工作原理的结构和工作原理1、结构、结构在一块在一块N型半导体材料两边扩散型半导体材料两边扩散高浓度的高浓度的P型区（型区（P+），形成），形成两个两个PN结。两边结。两边P+型区连在一型区连在一起为起为栅极栅极g，N型本体两端各引型本体两端各引出电极，分别为出电极，分别为源极源极s和和漏极漏极d。两个两个PN结中间的结中间的N型区域为导型区域为导电沟道。称为电沟道。称为N型沟道型沟道JFET高浓度高浓

4、度P型型区（区（P+）分别相当于分别相当于BJT的基极的基极b、射极射极e和集电极和集电极c JFET JFET的结构的结构N型沟道型沟道JFET的符号中箭的符号中箭头方向表示头方向表示栅结正向偏置栅结正向偏置时，栅极时，栅极电流电流的方向是由的方向是由P指向指向N。高浓度高浓度N型区型区（N+）P型沟道型沟道JFET2、工作原理、工作原理（以（以N N沟道为例）沟道为例）N 沟道沟道PN结结 N N沟道场效应管工作时，沟道场效应管工作时，在在栅极与源极栅极与源极之间加之间加负电负电压压，栅极与沟道之间的，栅极与沟道之间的PNPN结为反偏结为反偏。在在漏极、源极漏极、源极之间加之间加一定一定正

5、电压正电压，使，使N N沟道中的沟道中的多数载流子多数载流子(电子电子)由源极由源极向漏极漂移，形成向漏极漂移，形成iD。iD的的大小受大小受vGS的控制。的控制。P沟道场效应管工作时，沟道场效应管工作时，极性相反，极性相反，沟道中的多沟道中的多子为空穴。子为空穴。NPNRCRbVCCVBB+_IBICIEVo三极管：三极管：发射结正向偏置发射结正向偏置，集电结反向偏置集电结反向偏置（1）栅源电压）栅源电压vGS对对iD的控制作用的控制作用 当当VGS0时，时，PN结反偏，结反偏，耗尽层变厚，沟道变窄，耗尽层变厚，沟道变窄，沟道电阻变大，沟道电阻变大，ID减小；减小；VGS更负，沟道更窄，更负

6、，沟道更窄，ID更小；更小；直至沟道被耗尽直至沟道被耗尽层全部覆盖，沟道被夹层全部覆盖，沟道被夹断，断，ID0。这时所对应这时所对应的栅源电压的栅源电压VGS称为称为夹断夹断电压电压VP。VGS控制导电沟道的宽窄，即控制控制导电沟道的宽窄，即控制ID的大小。的大小。（2）漏源电压）漏源电压vDS对对iD的影响的影响 在栅源间加电压在栅源间加电压VGSVP，漏源间加电压漏源间加电压VDS。则因漏端则因漏端耗尽层所受的反偏电压为耗尽层所受的反偏电压为VGD=VGS-VDS，比源端耗尽层比源端耗尽层所受的反偏电压所受的反偏电压VGS大，大，(如如:VGS=-2V,VDS=3V,VP=-9V,则漏端耗

7、尽层受反偏电压为则漏端耗尽层受反偏电压为-5V，源端耗尽层受反偏电压，源端耗尽层受反偏电压为为-2V),使靠近漏端的耗尽层使靠近漏端的耗尽层比源端厚，沟道比源端窄，故比源端厚，沟道比源端窄，故V VDSDS对沟道的影响是不均匀的，对沟道的影响是不均匀的，使沟道呈楔形使沟道呈楔形。当当VDS增加到使增加到使VGD=VGS-VDS=VP 时，在紧靠漏极处出现时，在紧靠漏极处出现预夹断点预夹断点，随随VDS增大，这种不均匀性越明显。增大，这种不均匀性越明显。（2 2）漏源电压）漏源电压V VDSDS对对i iD D的影响的影响当当VDS增加到使增加到使VGD=VGS-VDS=VP 时，在紧靠漏极处出

8、现预夹断点，时，在紧靠漏极处出现预夹断点，当当VDS继续增加时，预夹断点继续增加时，预夹断点向源极方向伸长为预夹断区向源极方向伸长为预夹断区。由于预夹断区电阻很大，使由于预夹断区电阻很大，使主要主要VDS降落在该区，由此产降落在该区，由此产生的强电场力能把未夹断区生的强电场力能把未夹断区漂移到其边界上的载流子都漂移到其边界上的载流子都扫至漏极，形成扫至漏极，形成漏极饱和电漏极饱和电流流IDSS。VDS夹端长度夹端长度 场强场强 ID=IDSS基本不变。基本不变。（IDSS是在是在VGS=0，VDS|VP|时的时的漏极电流）漏极电流）iD基本上不随基本上不随vDS增加而上升，漏极电流趋于饱和。增

9、加而上升，漏极电流趋于饱和。N N沟道沟道JFETJFET工作等效工作等效结论：结论：（1）JFET栅极、沟道之间的栅极、沟道之间的PN结是反向偏置结是反向偏置的，因的，因此，其此，其iG0，输入电阻很高输入电阻很高。（2）JFET是是电压控制电流电压控制电流器件，器件，iD受受vGS控制。控制。vGS愈愈负，耗尽层愈宽，沟道电阻愈大，相应的负，耗尽层愈宽，沟道电阻愈大，相应的iD就愈小。就愈小。（3）预夹断前，）预夹断前，iD与与vDS呈近似线性关系；预夹断后，呈近似线性关系；预夹断后，iD趋于饱和。趋于饱和。P沟道沟道JFET工作时，其电源极性与工作时，其电源极性与N沟道沟道JFET的的电

10、源极性相反。电源极性相反。二、二、JFET的特性曲线及参数的特性曲线及参数1、输出特性、输出特性 JFET的输出特性是指在栅源极电压的输出特性是指在栅源极电压vGS一定的情况一定的情况下，漏极电流下，漏极电流iD与漏源电压与漏源电压vDS之间的关系，即之间的关系，即常数常数CvDSDGSvfi)(1)恒流区：恒流区：(又称饱和区或放大区）又称饱和区或放大区）特点特点:a.受控性：受控性：输入电压输入电压vGS控制输出电流控制输出电流iD。（一组非等距、较平坦的平行线）（一组非等距、较平坦的平行线）012GSPPGSDSSDvVVvIib.恒流性：恒流性：输出电流输出电流iD 基本基本上不受输出

11、电压上不受输出电压vDS的影响。的影响。用途用途:可做可做放大器放大器和和恒流源恒流源。条件：条件：|VGS -VDS|VP|预夹断后预夹断后VP=VGS-VDSIDSS是在是在VGS=0，VDS|VP|时的漏极电流时的漏极电流(2)可变电阻区可变电阻区特点特点:a.a.当当vGS 为定值时为定值时,iD 是是 vDS 的线性函数，管子的漏源间的线性函数，管子的漏源间呈现为线性电阻，且其阻值受呈现为线性电阻，且其阻值受 vGS 控制。控制。b.管压降管压降vDS 很小。很小。用途：用途：做做压控线性电阻压控线性电阻和无触点和无触点 的、闭合状态的的、闭合状态的电子开关电子开关。条件：条件：源端

12、与漏端沟道都不夹断。源端与漏端沟道都不夹断。（3）夹断区（截止区）夹断区（截止区）特点：特点：iD=0用途：用途：做无触点的、接通状态的做无触点的、接通状态的电子开关电子开关。条件：条件：整个沟道都夹断。整个沟道都夹断。vGS|VP|时时 ID=IDSS 饱和漏极电流饱和漏极电流夹断电压夹断电压特点：特点：iD/vGS 常数常数=gm 即：即：iD=gm vGS（放大原理）（放大原理）0vGS(v)-4 -3 -2 -1(mA)54321VPIDSSN型型JFET的转移曲线的转移曲线iD互导放大互导放大3 3、JFETJFET的主要参数的主要参数（1）夹断电压夹断电压VP：手册给出是：手册给出

13、是iD为一微小值时的为一微小值时的VGS。（2）饱和漏极电流饱和漏极电流IDSS：在在 vGS=0的情况下，当的情况下，当vDS VP 时的漏极电流时的漏极电流ID称为称为饱和漏电流饱和漏电流IDSS。（3)最大漏源电压最大漏源电压V(BR)DS:指发生雪崩击穿、指发生雪崩击穿、iD开始急剧上升时的开始急剧上升时的vDS值。值。（4）最大栅源电压最大栅源电压V(BR)GS:指输入指输入PN结反向电流开始急剧增加时的结反向电流开始急剧增加时的vGS值。值。（5）直流输入电阻直流输入电阻RGS:在漏源之间短路条件下，栅源之间加一定电压时的栅源在漏源之间短路条件下，栅源之间加一定电压时的栅源直流电阻

14、。直流电阻。（6）低频互导低频互导（跨导）（跨导）gm：当当vDS等于常数时，漏极电流的微变量和引起这个变化等于常数时，漏极电流的微变量和引起这个变化的栅源的栅源电压的微变量之比。电压的微变量之比。互导互导是表征是表征FET放大能力放大能力的一个重要参数，单位为的一个重要参数，单位为mS或或S。互导反映了互导反映了栅源电压对漏极电流的控制能力栅源电压对漏极电流的控制能力，相当，相当于于转移特性转移特性上工作点的上工作点的斜率斜率。近似估算：近似估算：DSvGSDmvig01212GSPPPGSDSSGSPGSDSSmvVVVvIdvVvIdg（7）输出电阻输出电阻 rd：说明了说明了vDS对对

15、iD的影响，是输出特性某一点上切线的影响，是输出特性某一点上切线斜率的斜率的倒数倒数。在饱和区（线性放大区），。在饱和区（线性放大区），iD随随vDS改变很小，改变很小，rd的的数值很大数值很大。（8）最大耗散功耗）最大耗散功耗PDM：耗散功率等于耗散功率等于vDS与与iD的乘积，即的乘积，即PDM=vDS iD。应限制其耗散功率不超过应限制其耗散功率不超过PDM。GSVDDSdivr结型场效应管结型场效应管的的特性小结特性小结结型场效应管 N沟道耗尽型P沟道耗尽型第二节第二节 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应管半导体场效应管MOSFET(Metal Oxide Semiconductor

16、 FET)是一种利用半是一种利用半导体导体表面表面的电场效应，由的电场效应，由感应电荷的多少改变导电沟道感应电荷的多少改变导电沟道来来控制漏极电流的器件，也称为控制漏极电流的器件，也称为表面场效应器件表面场效应器件。它的栅极与半导体之间是它的栅极与半导体之间是绝缘绝缘的（不导电），其输入电阻的（不导电），其输入电阻可大为提高，最高可达可大为提高，最高可达1015。增强型增强型：VGS=0时，漏源之间没有导电沟道，时，漏源之间没有导电沟道，iD=0。耗尽型耗尽型：VGS=0时，漏源之间存在导电沟道，时，漏源之间存在导电沟道，iD0。N沟道沟道 P沟道沟道 增强型增强型N沟道沟道 P沟道沟道 耗尽

17、型耗尽型一、一、N沟道增强型沟道增强型MOSFET 1、结构：、结构：N沟道增强型沟道增强型MOSFET拓拓扑结构左右对称，是在一扑结构左右对称，是在一块浓度较低的块浓度较低的P型硅型硅上生上生成一层成一层SiO2 薄膜绝缘层薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的高掺杂的N型区型区，从，从N型型区引出电极作为区引出电极作为漏极漏极d和和源极源极s,在绝缘层上镀一层在绝缘层上镀一层金属铝并引出一个电极作金属铝并引出一个电极作为为栅极栅极g。PN+N+gsdP型基底型基底两个两个N+区区SiO2绝缘层绝缘层导电沟道导电沟道（感生沟道）（感生沟道）金属铝金属铝gsdN沟道增

18、强型沟道增强型电极电极金属金属绝缘层绝缘层氧化物氧化物基体基体半导体半导体因此称之为因此称之为MOS管管N沟道增强型：沟道增强型：箭头向里，衬箭头向里，衬底断开。底断开。N 沟道耗尽型沟道耗尽型PN+N+gsd预埋了导电沟道预埋了导电沟道（绝缘层掺大量的正（绝缘层掺大量的正离子）离子）gsd2、工作原理、工作原理 JEFT是利用是利用PN结反向电压结反向电压对对耗尽层厚度耗尽层厚度的控制，来改的控制，来改变变导电沟道的宽窄导电沟道的宽窄，从而控制漏极电流的大小。，从而控制漏极电流的大小。MOSFET是利用是利用栅源电压栅源电压的大小，来改变的大小，来改变半导体表面半导体表面感生电荷的多少感生电

19、荷的多少，从而控制漏极电流的大小。，从而控制漏极电流的大小。N型沟道型沟道JFETN型沟道增强型型沟道增强型MOSFET2、工作原理（、工作原理（以以N 沟道增强型为例沟道增强型为例）PN+N+gsdVDSVGSVGS=0时时漏源之间被两个漏源之间被两个背靠背的背靠背的 PN结结隔离隔离ID=0对应截止区对应截止区绝缘栅极绝缘栅极（栅极与（栅极与 源极、源极、漏极均无电接触）漏极均无电接触）PN+N+gsdVDSVGSVGS0时时VGS足够大时足够大时（VGSVT）感应出）感应出足够多电子，这里足够多电子，这里出现以电子导电为出现以电子导电为主的主的N型导电沟道型导电沟道（感生沟道感生沟道）。

20、感应出电子感应出电子VT称为开启（阈值）电压称为开启（阈值）电压介质中产生一个垂直于介质中产生一个垂直于半导体表面的由半导体表面的由栅极指栅极指向向P型衬底型衬底的的电场电场VGS较小时，导电沟较小时，导电沟道相当于电阻将漏道相当于电阻将漏区区d和源区和源区s连接起连接起来。来。VGS越大，电场越强，越大，电场越强，感生沟道越厚，此感生沟道越厚，此沟道电阻越小。沟道电阻越小。PN+N+gsdVDSVGS当当VGS较小较小时，虽然在时，虽然在P型衬底型衬底表面形成一层表面形成一层耗尽层耗尽层，但负离，但负离子不能导电。子不能导电。当当VGS=VT（开启电压）时（开启电压）时,在在P型衬底表面形成

21、一层型衬底表面形成一层电子电子层层，形成，形成N型导电沟道，在型导电沟道，在VDS的作用下形成的作用下形成ID。VDSID+-+-+-VGS反型层反型层(感生沟道感生沟道)当当VGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的时，漏源之间相当两个背靠背的PN结，结，VDS之之间加上电压也不会在间加上电压也不会在D、S间形成电流间形成电流ID,即即ID0.当当VGSVT时时,沟道加厚，沟道电阻减少，沟道加厚，沟道电阻减少，在相同在相同VDS的作的作用下，用下，ID将进一步增加。将进一步增加。开始无导电沟道，当在开始无导电沟道，当在VGS VT时才形成沟道时才形成沟道,这种类型的管子称为这种类型的管子称为增

22、强型增强型MOS管管PN+N+gsdVDSVGS当当VDS不太大时，不太大时，导电沟道在两个导电沟道在两个N区间是均匀的。区间是均匀的。当当VDS较大时，较大时，靠近漏区的导电靠近漏区的导电沟道变窄。沟道变窄。PN+N+gsdVDSVGS夹断后，夹断后，VDS 继续增加，将继续增加，将形成一夹断区，形成一夹断区，ID趋于饱和，趋于饱和，呈恒流特性呈恒流特性。IDVDS增加，增加，VGD=VT 时，时，靠近漏端的沟道被夹断，靠近漏端的沟道被夹断，称为预夹断。称为预夹断。MOSFET是利用栅源电压的大小，来是利用栅源电压的大小，来改变半导体表面感生电荷改变半导体表面感生电荷的多少的多少，从而控制漏

23、极电流的大小。，从而控制漏极电流的大小。JFET是利用是利用PN结反向电压对耗尽层厚度的控制，来结反向电压对耗尽层厚度的控制，来改变导电改变导电沟道的宽窄沟道的宽窄，从而控制漏极电流的大小。，从而控制漏极电流的大小。3、特性曲线、特性曲线VDS可变电阻区可变电阻区截止区截止区ID=0NMOS的的输出特性曲线输出特性曲线2.0V4.0V6.0VVGS=8.0V VA A ID恒恒流流区区0击击穿穿区区VDS=5VVGSVID A0 2 4 6 82001501005020015010050NMOS的的转移特性曲线转移特性曲线值值。时时的的是是式式中中DTGSD0TGSTGSD0D)(iVvIVv

24、VvIi212二、二、N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET N沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管，它是在栅极下方的管，它是在栅极下方的SiO2绝缘层绝缘层中掺入了大量的中掺入了大量的金属正离子金属正离子，在管子制造过程中，这些正，在管子制造过程中，这些正离子已经在漏源之间的离子已经在漏源之间的P型衬底表面型衬底表面感应出反型层感应出反型层，形成，形成了了导电沟道导电沟道。因此，使用时因此，使用时无须加开启电压（无须加开启电压（VGS=0），），只要加漏源电压，就会有漏极电流。只要加漏源电压，就会有漏极电流。耗尽型的耗尽型的MOS管管VGS=0时就时就有导电沟道，有导电沟道，加反向电压才加反向电压才能夹

25、断。能夹断。VGS0时，使沟道中感应的负电荷减少；随着时，使沟道中感应的负电荷减少；随着VGS 的减的减小小ID 逐渐减小，直至逐渐减小，直至 ID=0。与。与JFET相类似，称为耗尽型。相类似，称为耗尽型。对应对应ID=0 的的 VGS 值为值为夹断电压夹断电压 VP。当当VGS0 时，将使时，将使ID进一步增加。进一步增加。N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET可以在可以在正或负的栅源电压下工作，而正或负的栅源电压下工作，而且基本上无栅流，是耗尽型且基本上无栅流，是耗尽型MOSFET的一个重要特点。的一个重要特点。各种类型各种类型MOS管的特性曲线管的特性曲线绝缘栅场效应管N沟道增强型P沟道增

26、强型绝缘栅场效应管 N沟道耗尽型P 沟道耗尽型各种类型各种类型MOS管的特性曲线管的特性曲线三、说明：三、说明：（1）MOS管由管由四种基本类型四种基本类型；（2）MOS管的特性与结型场效应管的特性类似；管的特性与结型场效应管的特性类似；（3）增强型的）增强型的MOS管的管的VGS必须超过一定的值以使必须超过一定的值以使沟道沟道形形成；成；耗尽型的耗尽型的MOS管管预埋了导电沟道预埋了导电沟道，VGS可正可负；可正可负；（4）MOS管的管的输入阻抗特高输入阻抗特高；（5）衡量场效应管的）衡量场效应管的放大能力放大能力用跨导表示用跨导表示 单位：单位：msDSGSDmVVIg四、四、MOS管的有

27、关问题管的有关问题1、主要参数、主要参数（1）直流参数直流参数开启电压开启电压VGS(th)指增强型的指增强型的MOS管管夹断电压夹断电压VGS(off)指耗尽型的指耗尽型的MOS管管饱和漏电流饱和漏电流IDSS直流输入电阻：直流输入电阻：通常很大通常很大107左右左右GGSDCGSIVR)(（2）交流参数交流参数低频跨导：低频跨导：极间电容：栅源电容极间电容：栅源电容CGS，栅漏电容栅漏电容CGD，漏源电容漏源电容CDS（3）极限参数极限参数 最大漏极电流最大漏极电流IDM，最大耗散功率，最大耗散功率P0M，漏源击穿电压，漏源击穿电压V(BR)DS栅源击穿电压栅源击穿电压VBR)GS三三 极

28、极 管管场场 效效 应应 管管导电机构双极性器件单极性器件导电方式载流子的扩散与漂移漂移控制方式电流控制电压控制类 型NPN 型、PNP 型P、N 沟道，增强、耗尽型放大参数=30100gm=16ms输入电阻1021041071015抗辐射能力差好噪 声大小热稳定性差好制造工艺复杂简单、成本低；便于集成灵活性C、E 不能互换D、S 可以互换2、场效应管与三极管的比较、场效应管与三极管的比较3、使用注意事项、使用注意事项（1）结型场效应管的栅源电压不能接反，但可在开路状态）结型场效应管的栅源电压不能接反，但可在开路状态下保存；下保存；（2）MOSFET管在不使用时，须将各个管在不使用时，须将各个

29、电极短接电极短接（输入电（输入电阻很高）；阻很高）；（3）焊接焊接时，电烙铁必须有外接地线，最好是断电后再焊时，电烙铁必须有外接地线，最好是断电后再焊接；接；（4）结型场效应管可用万用表定性检测管子的质量，而）结型场效应管可用万用表定性检测管子的质量，而MOS管必须用专门的仪器来检测；管必须用专门的仪器来检测；（5）若用四引线的场效应管，其衬底引线应正确连接。）若用四引线的场效应管，其衬底引线应正确连接。4 4、场效应管类型的判断、场效应管类型的判断（根据转移特性曲线）（根据转移特性曲线）沟道类型沟道类型：N型或型或P型型 N沟道沟道iD随随vGS的增加的增加逐渐增加逐渐增加；P沟道沟道iD随

30、随vGS的增加的增加逐渐减小逐渐减小。N沟道沟道耗尽耗尽型型JFETP沟道沟道增强型增强型MOSFET 耗尽型与增强型耗尽型与增强型：MOSFET增强型增强型vGS正向偏置正向偏置时存在导电沟道，有时存在导电沟道，有开启电压开启电压VT且转移曲线在且转移曲线在一个坐标象限一个坐标象限；N沟道沟道耗尽耗尽型型JFETP沟道沟道增强型增强型MOSFETN沟道沟道耗尽型耗尽型MOSFET习题：习题：P190 4.1.3 4.3.1 4.3.4JFET耗尽型耗尽型vGS反向偏置反向偏置，超过夹断电压，超过夹断电压VP可夹断导电沟道可夹断导电沟道（存在（存在IDSS和和VP），转移曲线在，转移曲线在一个

31、一个坐标象限；坐标象限；MOSFET耗尽型耗尽型vGS正反向正反向偏置均可，反偏时可夹断导电沟道偏置均可，反偏时可夹断导电沟道（存在（存在IDSS和和VP），且转移曲线在，且转移曲线在两个两个坐标象限。坐标象限。第三节第三节 场效应管放大电路场效应管放大电路(1)静态：适当的静态工作点，使场效应管工作在静态：适当的静态工作点，使场效应管工作在恒流区恒流区，场效应管的偏置电路相对简单。场效应管的偏置电路相对简单。(2)动态：能为交流信号动态：能为交流信号提供通路提供通路。组成原则：组成原则：静态分析：静态分析：估算法、图解法。估算法、图解法。动态分析：动态分析：小信号模型分析法小信号模型分析法（

32、微变等效电路法）（微变等效电路法）分析方法：分析方法：场效应管是场效应管是电压控制器件电压控制器件。它利用。它利用栅源电压来控制漏极栅源电压来控制漏极电流电流的变化。它的放大作用以的变化。它的放大作用以跨导跨导来体现，在场效应管的漏来体现，在场效应管的漏极特性（极特性（输出特性输出特性）的水平部分，漏极电流）的水平部分，漏极电流iD的值主要取决的值主要取决于于vGS，而几乎与，而几乎与vDS无关。无关。一、一、FETFET的三种工作组态的三种工作组态以以NMOS（E）为例：）为例：增强型增强型IDGRDSBVDSVGS输输入入输输出出共源共源组态：组态：输入：输入：GS输出：输出：DSGRDD

33、BVDSVGS输输入入输输出出共漏共漏组态：组态：输入：输入：GD输出：输出：SDGRDSBVDS输输入入输输出出共栅共栅组态：组态：输入：输入：SG输出：输出：DG二、二、FET的直流偏置电路及静态分析的直流偏置电路及静态分析1、直流偏置电路、直流偏置电路FET是电压控制器件，需要有是电压控制器件，需要有合适的栅极电压合适的栅极电压，保证管子，保证管子工作在恒流区，输出信号不失真。工作在恒流区，输出信号不失真。（1）自）自偏压电路偏压电路注意：该电路产生负的栅源电压，所以只能用于需要负注意：该电路产生负的栅源电压，所以只能用于需要负栅源电压的电路。（耗尽型）栅源电压的电路。（耗尽型）vGSv

34、GSvGSvGSvGSRg：使：使g与地的直流电位几乎与地的直流电位几乎相同（因上无电流）。相同（因上无电流）。R：当：当IS流过流过R时产生直流压时产生直流压降降ISR，使，使S对地有一定的电对地有一定的电压：压：VGS=ISR=IDR0（2）分压式自偏压电路：）分压式自偏压电路：增加分压电阻增加分压电阻Rg1和和Rg2SV GSVGVDDg2g1g2VRRR RID 该电路产生的栅源电压可正可负，所以适用于所该电路产生的栅源电压可正可负，所以适用于所有的场效应管电路。有的场效应管电路。2、静态工作点的确定、静态工作点的确定（1）近似估算法）近似估算法vGS=2PGSDSSD)1(VvIi

35、VDS=已知已知VP，由，由VDD-ID(Rd+R)-iDR可解出可解出Q点的点的VGS、ID、VDS Q点：点：VGS、ID、VDS自自偏压电路偏压电路SGGSVVVRIVRRRDDDg2g1g221)(PGSDSSDVvIIVDS=VDD-ID(Rd+R)可解出可解出Q点的点的VGS、ID、VDS 计算计算Q点：点：已知已知VP、IDSS，由，由RIVRRRVDDDg2g1g2GS直流通路直流通路分压式分压式自自偏压电路偏压电路例（例（4.4.1）：Rg1=2M，Rg2=47k,Rd=30k,R=2k,VDD=18V,FET的的VP=-1V,IDSS=0.5mA,试试确定确定Q点点。mAv

36、i2GSD)11(5.0解：解：mAii2DD)24.01(5.0mAi)64.095.0(D解之：解之：因因iD不应大于不应大于IDSS，所以：，所以：VRRIVVvViVvmAIidDDDDSQDSDGSQGSDQD1.822.024.031.0VivDGS24720001847（2）图解法图解法确定静态工作点确定静态工作点Q（以自偏压电路为例以自偏压电路为例）1）由输出回路：）由输出回路：VDD=VDS+ID(RD+RS)在输出特性（在输出特性（ID=f(VDS)|VGS）上作出）上作出直流负载线直流负载线；在转移特在转移特性上作性上作源源极负载线极负载线。VDD3）由输入回路：）由输入

37、回路：VGS=VGVS=IDRSsdDDRRV2）作）作负载转移特性负载转移特性；GSSDVRi1VDSVGSIDVGS=0vVDSiD3v1.5v-3v-1.5vVGSiD-3 1.5 0 1.5 3交点交点对应对应Q点点（VDS、VGS、ID）；（1）根据）根据VDD=VDS+ID（RD+RS）在输在输出特性上作出特性上作直流负载线直流负载线；（2）作）作负载转移特性负载转移特性；（3）作）作源极负载线源极负载线；（4）决定）决定静态工作点静态工作点；（5）在转移特性和输出特性上求出）在转移特性和输出特性上求出Q。UGS=0vVDSiD3v1.5v-3v-1.5vVGSiD-3 1.5 0

38、 1.5 3VDDsdDDRRVGSSDVRi1VDSVGSID步骤步骤：三、三、FET放大电路的小信号模型分析法放大电路的小信号模型分析法1、FET的小信号模型的小信号模型GSD),(DSGSDvvfi DSvDSDGSvGSDDdvvidvvidiGSDSdsDSgsmvrvg1GSDmvig跨导：跨导：反映了栅源电压对漏极电流的控制反映了栅源电压对漏极电流的控制能力，相当于转移特性中工作点处的斜率。能力，相当于转移特性中工作点处的斜率。DDSDSivr漏极输出电阻：漏极输出电阻：（很大，常可以看作（很大，常可以看作开路）；它是输出特性工作点处的切开路）；它是输出特性工作点处的切线斜率的倒

39、数。线斜率的倒数。vGSiDvDS三、三、FET放大电路的小信号模型分析法放大电路的小信号模型分析法 与双极型晶体管一样，场效应管也是一种与双极型晶体管一样，场效应管也是一种非线性器件非线性器件，而在交流，而在交流小信号情况下，也可以由它的线性等效电路小信号情况下，也可以由它的线性等效电路交流小信号模型来代替。交流小信号模型来代替。其中：其中：rgs是输入电阻，理论值为无穷大。是输入电阻，理论值为无穷大。rgs=gmvgs是是压控电流源压控电流源，它体现了，它体现了输入电压对输出电流的控制作用输入电压对输出电流的控制作用。gm称为称为低频跨导低频跨导。rd为输出电阻，类似于双极型晶体管的为输出

40、电阻，类似于双极型晶体管的rce。rd =低频模型低频模型高频模型高频模型2、应用小信号模型法分析、应用小信号模型法分析FET放大电路放大电路1）共源放大电路（共源放大器）共源放大电路（共源放大器）对于采用场效应三极管的共源基本放大电路，对于采用场效应三极管的共源基本放大电路，可以与可以与共射共射组态接法的基本放大电路相对应，只不组态接法的基本放大电路相对应，只不过场效应三极管是过场效应三极管是电压控制电流源电压控制电流源，即，即VCCS。(a)采用结型场效应管采用结型场效应管(b)采用绝缘栅场效应管采用绝缘栅场效应管共源组态接法基本放大电路共源组态接法基本放大电路 比较共源和共射放大电路，它

41、们只是在比较共源和共射放大电路，它们只是在偏置电路偏置电路和和受控源的类型受控源的类型上有所不同。只要上有所不同。只要将微变等效电路画出，就是一个解电路的问将微变等效电路画出，就是一个解电路的问题了。题了。分析：分析：（1）画出共源放大电路的交流小信号等效电路。画出共源放大电路的交流小信号等效电路。（2）求电压放大倍数）求电压放大倍数（3）求输入电阻）求输入电阻（4）求输出电阻）求输出电阻忽略忽略 rd iVgsVRVggsm)1(mgsRgV oVdgsmRVg VARgRgmdm1 由输入输出回路得由输入输出回路得则则则则)/(g2g1g3iRRRR doRR 由于由于rgs=Rd一般在几

42、千欧到几十千欧，输出电阻较高。一般在几千欧到几十千欧，输出电阻较高。Rg3为栅极电阻，用以构成栅源极间的直流通路为栅极电阻，用以构成栅源极间的直流通路，Rg3不能太小，否则影响放大电路的输入电阻不能太小，否则影响放大电路的输入电阻，其阻值约为，其阻值约为200K10M欧欧 反相电压放大电路反相电压放大电路 中频电压增益中频电压增益 输入电阻输入电阻 iVgsV)/(LgsmRRVg oV)/(LgsmRRVgVA)/(1)/(LmLmRRgRRg 得得)/(g2g1g3iRRRR 分析：分析：画画交流小信号等效电路。交流小信号等效电路。由由ioVV1 2）共漏放大电路（共漏放大电路（源极输出器

43、）源极输出器）电压跟随器电压跟随器 输出电阻输出电阻OIRIgsmVg RVT gsVTV oRm11gR 所以所以OTIVgsmVg m1/gR 直流电源除源，输出直流电源除源，输出端接检测电压源端接检测电压源TV共漏电路的输出电阻共漏电路的输出电阻RoRo等于源极电阻等于源极电阻R R和跨导的倒数和跨导的倒数1/gm1/gm相并联，所以相并联，所以输出电阻较小输出电阻较小。3)3)共栅放大电路共栅放大电路（选讲）（选讲）小信号模型小信号模型动态分析动态分析EDRESRdRLvigmvgsgdviRdRLsRI总IiRgRIvmii1RgRIvRmiii11、电压放大倍数电压放大倍数vo=I

44、d=gmvgsLRvi=vgsLR Au=vo/vi=gm2、输入电阻输入电阻 vi=I总R=(Ii+gmvgs)R =(Iigmvi)R得得3、输出电阻输出电阻 Ro=Rd场效应管放大电路小结场效应管放大电路小结(1)场效应管放大器场效应管放大器输入电阻输入电阻很大。很大。(2)场效应管场效应管共源极放大器共源极放大器(漏极输出漏极输出)输入输出输入输出反相反相，电压放大倍数绝对值电压放大倍数绝对值大于大于1；输出电阻；输出电阻=RD。(3)场效应管场效应管共漏极放大电路共漏极放大电路（源极跟随器）源极跟随器）输入输入输出输出同相同相，电压放大倍数，电压放大倍数小于小于1且且约等于约等于1；

45、输出电输出电阻小阻小。例：例：图示电路，已知V20DDU，10DRk，10SRk，10LRk，1GRM，200G1Rk，51G2Rk，。所用的场效应管为 N 沟道、耗尽型，其参数 IDSS=0.9mA，UP=4V，mA/Vm5.1g，求静态工作点及电压放大倍数uA、输入电阻 Ri和输出电阻 Ro。RGRG1RG2RSRDRL+UDDC1C2CS+ui+uoGDSV+V42010)51200(105133DDG2G1G2GURRRU解解：（：（1）由电路图可知）由电路图可知DDSGGSIIRUU310104并可列出联立上列两式：联立上列两式：DGSIU31010423)41(109.0GSDSSDUII2)1(PGSDSSDUUII表示：转移特性可近似用下式管的范围内，耗尽型场效应在0GSPUU5.755.1LmRgAuV10)1010(50020)(SDDDDDSRRIUU解之得：解之得：mAI5.0DVU1GS并由此得：并由此得：（2）电压放大倍数电压放大倍数为：为：kRRR51010101010/10/LDL输入电阻输入电阻：输出电阻输出电阻：10DoRRK151/200101/6G2G1GRRRRiM第四章第四章 结束结束