1、第第3章章 场效应管及其基本放大电路场效应管及其基本放大电路学习目标 了解场场效应应管的结构结构和类类型 掌握绝缘栅绝缘栅型场场效应应管及结结型场场效应应管的工作原理、特性和主要参数参数 掌握场场效应应管的小信号号模型，掌握共源极极、共漏极两种极两种基本场场效应应管放大电电路的工作原理、静态静态和动态动态分析方法3.13.1 场效应管基本知识场效应管基本知识3.23.2 场效应管的主要参数场效应管的主要参数3.33.3 场效应管放大电路组成原理场效应管放大电路组成原理3.43.4 场效应管与晶体管的比较场效应管与晶体管的比较* *3.5 3.5 电路仿真实例电路仿真实例3.1 场场效应应管基本
2、知识识 场场效应应管利用输输入回路的电场电场效应应（电压电压）来来控制输输出回路电电流的一种种半导导体器件。 主要特点： 输输入电电阻高（1071012欧欧姆） 仅仅靠多数载数载流子导电导电，即单极单极型晶体管。 优优点： 具备双极备双极型晶体管体积积小、重量轻轻、寿寿命长长等优优点 输输入内内阻高、噪声声低、热稳热稳定性好、抗辐辐射能力强、制作工艺简单艺简单3.1.1 绝缘栅绝缘栅型场场效应应管绝缘栅绝缘栅型场场效应应管（MetalOxideSemiconductor） ，简称为MOSFET。其输入电阻很高，可达1015以上。绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管增强型增强型耗尽型耗尽型N沟道沟道P沟
3、道沟道N沟道沟道P沟道沟道（1）结构结构和符号号1.N沟沟道增强型MOS场场效应应管 箭头方向是表示由P（衬底）指向N（沟道），符号中的断线表示当UGS=0 时，导电沟道不存在。（2）工作原理栅栅源电压电压UGS的控制作用 无栅压时：当UGS=0时，漏源之间相当两个背靠背的二极管，因此，即使在D、S之间加上电压, 在D、S间也不可能形成电流，即管子截止。 当当UGS0V时时纵向电场纵向电场将靠近栅极下方的空穴向将靠近栅极下方的空穴向下排斥下排斥耗尽层。耗尽层。 再增加UGS纵纵向电场电场将将P区区少子电电子聚集到P区区表面形成导电沟导电沟道，如果此时时加有漏源电压电压，就可以形成漏极电极电流i
4、d。 定义：定义： 开启电压（开启电压（ UGS(th)）刚刚产生沟道所需的刚刚产生沟道所需的栅源电压栅源电压UGS。 N沟道增强型沟道增强型MOS管的基本特性：管的基本特性： UGS UGS(th) ，管子截止，管子截止， UGS UGS(th) ，管子导通。，管子导通。 UGS 越大，沟道越宽，在相同的漏源电压越大，沟道越宽，在相同的漏源电压UDS作作用下，漏极电流用下，漏极电流iD越大。越大。漏源电压电压UDS对沟对沟道导电导电能力的影响响当当UGS UGS（th）且固定为某值的情况下且固定为某值的情况下（1） UDS iD ；（2）当）当UDS增加到使增加到使UGD= UGS(th)时
5、，沟道靠漏区夹断，称为预夹时，沟道靠漏区夹断，称为预夹断。断。（3） UDS再增加，预夹断区再增加，预夹断区加长，加长， UDS增加的部分基本增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道降落在随之加长的夹断沟道上，上， iD基本不变。基本不变。（3）特性曲线线输输出特性曲线线（a）夹断区（截止区）（b）可变电阻区（预夹断前） （c）恒流区也称饱和区（预夹 断后）（d）击穿区转转移特性曲线线 转移特性能更好的体现栅极电压对漏极电流的控制作用。 研究表明， 与UGS的近似关系为： 2()1GSDDOGS thuiIU【例3.1】电路和场效应管的传输特性如图3.1.6所示，试分析uI为0V、8V和10V时
6、，uO分别为多少？解(1)uGSuI0V，管子处于夹断状态，iD0，uOuDSVDDiDRD=15V。(2)uGSuI8V,管子处于恒流区状态， iD1mA， uOuDSVDDiDRD=10V；可以看到（ uGS ， uDS ）（8，10）仍在恒流区 。（需要反向复核，即恒流和可变电阻区是由uGS和 uDS共同确定，需先假设一种状态，再验证）(3)uGSuI10V,假设工作在恒流区， iD2.2mA 。则uOuDSVDDiDRD=4V .而 uGS10V时的预夹断电压uDS uGSUGS(off)=10-4=6V， （ uGS ， uDS ）（10，6）说明应在可变电阻区。则RdsuDS/iD
7、=3/(110-3)=3000VRRRuddsdsO6 . 515533（1）结构结构和符号号 耗尽型MOS场效应管与增强型MOS场效应管的结构基本相同。区别在于，耗尽型MOS管在SiO2绝缘层中掺有大量正离子。因此，在uGS0时，这些正离子已经感应出反型层，有了导电沟道。这种无外加电压时已有导电沟道的场效应管称为耗尽尽型场场效应应管。2.N沟沟道耗尽尽型MOS场场效管（2 2）工作原理 当uGS为负值，抵消掉部分正离子的影响，沟道变窄，在相同的uDS作用下，iD减小。之所以称为耗尽型,是因为当uGS为负,将使沟道中感应电荷减少(即耗尽的意思)。随着uGS的减小， iD逐渐减小，直至iD =0
8、。此时的uGS值称为夹断电压夹断电压 UGS（off）。 当uGS为正值，沟道变宽，在相同的uDS作用下，iD增加。所以耗尽型MOS管可以在负栅压、零栅压和正栅压下工作。 结论结论：栅极电压对导电沟栅极电压对导电沟道有控制作用。同样样，电压电压u uGSGS固定时时，电压电压u uDSDS对导电沟对导电沟道的影响类响类似增强型MOSMOS管。 （3）特性曲线线研究表明，uGS与iD的近似关系为：21GSDDSSGS offuiIuGSGS offUu3.P沟沟道MOS场场效应应管 左图为P沟道增强型MOS场效应管的符号。 由于和N沟道增强型MOS场效应管是对偶结构，所以使用时所加栅源电压的极性
9、与N沟道增强型MOS管相反，同时漏极电流的参考方向仍选取流入漏极，所以漏极电流为负。除此之外，这两者特性均相同。P沟道增强型沟道增强型MOS场效应管的特性曲线场效应管的特性曲线 P沟道耗尽型沟道耗尽型MOS场效管的符号及特性曲线场效管的符号及特性曲线 3.1.2 结结型场场效应应管（JFET）1结构结构和符号号 N型导电沟道型导电沟道 2工作原理uGS= 0V时，沟道最宽，沟道电阻最小 。 uGSuGS uGS(off)且为某个固定值时，在源极与漏极之间存在导电沟道。当有uDS电压，就会有沟道电流。 当uDS电压为某个固定值时，改变uGS的大小，可以控制iD的大小。 uGS反压增加，耗尽层变宽
10、，沟道变窄，则iD减少，反之则耗尽层变窄，沟道变宽，则iD增加。因此，栅栅极电压极电压uGS对沟对沟道电电流iD的控制作用类类似MOS管。当栅当栅源之间间的电压为满电压为满足0 uGS uGS（off）的某个个固定值时值时，有uDS电电压压就产产生沟沟道电电流iD 。此时时在uDS电压电压的作用下，耗尽层尽层是上宽宽下窄，导导电沟电沟道呈现为现为倒楔形 。 当当uDS增加到使uDS = uGS - uDS = uGS（off）时时，在紧紧靠漏极处极处出现预现预夹断夹断点。 当当uDS继续继续增加时时，预夹预夹断断点向源极极方向伸长为长为预夹断区预夹断区。此时沟时沟道电电流iD基本维维持不变变。
11、即漏源电压电压uDS对对iD的影响响和MOSFET类类似。JFET也有四个工作区 夹断区夹断区（截止区区） 可变电变电阻区区（预夹断预夹断前） 恒流区区也称饱称饱和区区（预夹断预夹断后） 击击穿区区 3特性曲线线（1）输输出特性曲线线 N沟道JFET输出特性曲线（2）转转移特性在恒流区，JFET的转移特性方程与耗尽型MOSFET相似，仍可近似表示为： 上式必须满足条件0 uGS uGS（off） 。IDSS为uGS = 0时的饱和漏极电流。21GSDDSSGS offUIIU4. P沟沟道结结型场场效应应管P沟道结型场效应管的结构和N沟道结型场效应管对称。由于和N沟道结型场效应管是对偶结构，所
12、以输出特性曲线除了电压和电流极性不同，其它均相同。相同的道理，转移特性曲线也类似，只是相对纵轴对称。 P P沟道结型场效应管的特性曲线沟道结型场效应管的特性曲线 【例3.2】场效应管的夹断电压UGS(off)=-4V，饱和漏极电流IDSS4mA。试问：为保证负载电阻RL上的电流为恒流， RL的取值范围应为多少？解：UGS0，因而iDIDSS4mA，则预夹断点（即恒流区最小的uDS ）uDSuGSUGS(off) =0(4)4VuDS VDDuo =VDDiDR L，UomaxVDD48V，输出电压范围为08V，则RLuo/IDSS=02 K3.1.3各种场种场效应应管特性比较较1、MOS管与J
13、FET的电流控制原理不同。JFET利用耗尽层的宽度改变导电沟道的宽度来控制沟道电流，MOSFET则是利用半导体表面的电场效应， 由感应电荷改变沟道来控制电流。2、对结型FET而言，其输入电阻是是PN结的反向电阻，结型FET的输入电阻远比MOSFET低。3、由于场效应管的类型较多，现将各种FET管工作时的偏置电压的极性总结如下：GSDSGSDSGSDSGSDSGSDSGSDSN(00)P(00)N(00)P(00)N(0)P(0)uuuuuuuuuuuu沟道 ，结型沟道 ，沟道 ，场效应管增强型沟道 ，绝缘栅型沟道极性任意，耗尽型沟道极性任意，4、各种场效应管的符号和对应的转移特性和输出特性见下
14、表3.2 场场效应应管的主要参数参数3.2.1 直流参数参数 开启电压开启电压UGS(th):是uDS当一定时（如uDS =10V）, 漏极电流ID达到某一数值(如10A)时，所需加的栅源电压uGS值。 夹断电压夹断电压 UGS(off):当uDS一定时（如uDS =10V）,使漏极电流ID减小到某一个微小电流(如1A)时,所需的栅源电压uGS值。 饱饱和漏极电极电流 IDSS: 栅源之间的电压uGS等于零, 而漏、源之间的电压大于夹断电压UGS(off)时对应的漏极电流。 直流输输入电电阻 RGS: 在漏极和源极短路时，栅源之间的电阻就是RGS 。由于栅极几乎不索取电流, 因此输入电阻很高。
15、结型为107 左右，MOS管可达1015以上。3.2.2 交流参数参数 低频频跨导导gm:DSDmuGSigu常数gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。 在转移特性曲线上，在转移特性曲线上， gm为的曲线的斜率。为的曲线的斜率。在输出特性曲线上也可求出在输出特性曲线上也可求出gm。1(mA)DSu=6V=3VuuGS(V)1D624i43=5V(mA)243iDGS210V(V)uGSiDGSuiD 输输出电电阻rd 反映漏源电压uDS对漏极电流iD的控制能力。场效应管的输出电阻很大，一般为几十到几百千欧。 极间电极间电容 场效应管三个电极之间
16、也有电容效应，极间电容包括CGS、CGD和CDS等。极间电容的大小一般为几个pF，在低频小信号时可以忽略其影响。GSDSdUDuri常数3.2.3 极极限参数参数 漏极极最大允许许耗散功率PDM PDM 该功率转化为热能, 使管子的温度升高，PDM决定于场效应管允许的最高温度限制。该参数相当于晶体管的PCM 。 漏源击击穿电压电压 U(BR)DS U(BR)DS 当uDS过大使漏极产生雪崩击穿，从而使电流iD急剧上升时的uDS ，称为漏源击穿电压。 栅栅源击击穿电压电压 U(BR)GS U(BR)GS 当栅源极间的反向电压过高时，将使PN结反向击穿，使栅极电流急剧上升，此时的uGS值称为栅源击
17、穿电压。 3.2.4 场场效应应管使用时时的注意事项项1.不要使栅极悬栅极悬空2.结结型场场效应应管栅压栅压不能接反3.绝缘栅绝缘栅管不能用万用表直接去测测三个电极个电极,应该应该用接地良好的专门仪专门仪器才能测试测试管子的好坏。4.场场效应应管S和D极极可以互换换使用，但有些产产品出厂厂时时，已把S极极和衬衬底连连在一起，这时这时D、S就不能互换换。3.3 场场效应应管放大电电路组组成原理 场效应管也能够实现对信号的控制，因此能够组成放大电路。场效应管放大电路也有三种组态：共源极放大电路 (CS)，共漏极放大电路 (CD)，共栅极放大电路 (CG)。共源放大电路共漏放大电路共栅放大电路3.3
18、.1 场场效应应管的小信号号等效模型输入回路:开路 输出回路:电流源gmuGS3.3.2 场场效应应管放大电电路的组组成原理及分析1 、静态静态工作点与与偏置电电路(1)自给给偏压电压电路l 静态静态分析0GSQGQSQDQSUUUIR21GSQDQDSSGS offUIIU 联立解出UGSQ，IDQ。注意只有满足(0 UGSQ UGS(off)的根才是方程的解。(2)分压压式偏置电电路112gGQDDggRUVRR112gGSQGQSQDDDQSggRUUUVIRRR 21GSQDQDOGS thUIIU联立解出UGSQ，IDQ。l 静态静态分析2、共源放大电电路的交流分析iGSUU/ /G
19、SomDLUg URR / /oumDLiUAgRRU iiGiURRI0iLoDURRR 画出自给偏压放大电路的微变等效电路如图，并求出交流参数： 画出分压偏置共源放大电路的微变等效电路如图，并求出交流参数：iGSUU/ /GSomDLUg URR / /oumDLiUAgRRU 312/ /iiGGGiURRRRI0iLoDURRR 可见，这两个共源放大电路除输入电阻不同，其余交流参数均相同。 与共射放大电路类似，共源放大电路有电压放大能力与共射放大电路类似，共源放大电路有电压放大能力（较小）；输出电压与输入电压反相；输入电阻较大。（较小）；输出电压与输入电压反相；输入电阻较大。3、共漏放
20、大电电路（源极输极输出器） 上式表明共漏极放大电路的电压放大倍数小于共漏极放大电路的电压放大倍数小于1，无电压，无电压放大能力。若放大能力。若 ，则共漏极放大电路放大倍数约为，则共漏极放大电路放大倍数约为1。（1）电压电压放大倍数数 / /GSomSLUg URRiGSoUUU1GSomLmLumLiGSGSmLg URg RUAg RUUg UR 1mLg R（2）输输入电电阻（3）输输出电电阻iiGiURRI222221GSmmmSSSUUIg Ug UgURRR2211/ /1oSmmSURRgIgR 可见共漏极放大电路输出电阻较小。结论：结论：共漏极放大电路的特点与共集放大电路相同，即
21、电压共漏极放大电路的特点与共集放大电路相同，即电压放大倍数近似等于放大倍数近似等于1、输入电阻高、输出电阻低。、输入电阻高、输出电阻低。4 5200.95114 521mLumLg RAg R / /5kLSLRRR式中5M111/ / /100.25k44iGoSmRRRRg 3.3.3 场场效应应管的其它应它应用举举例1、阻抗变换电变换电路 利用场效应管组成的源极输出器的输入阻抗为1M，而其输出阻抗仅有十几千欧，它完全起到了阻抗变换电路的隔离作用。2、感应试电笔应试电笔 用这种感应试电笔可准确测出绝缘导线内部的断线位置。3.4 场场效应应管与与晶体管的比较较*3.5 电电路仿真实真实例【例
22、3.4】分析共源极极放大电电路解：利用解：利用Multisim软件仿真如图软件仿真如图3.30所示电路。所示电路。 首先进入首先进入Multisim10.0软件软件开发界面，然后按图开发界面，然后按图3.30画出电路，接着调整函数信号发生器，使其输出画出电路，接着调整函数信号发生器，使其输出频率为频率为1KHz，幅度为，幅度为15mV的正弦信号，最后进行仿真得到如图的正弦信号，最后进行仿真得到如图3.31的分的分析结果。析结果。【仿真图仿真图】 图图3.30图图 3.31小结 本章内内容主线线：MOS管的结构、原理及特性曲线结型场效应管的结构、原理及特性曲线场效应管的小信号模型场效应管放大电路
23、的分析方法及应用。1、场效应管按结构可分为绝缘栅型场效应管和结型场效应管。按照导电沟道又分为N沟道和和P沟道两种。而同一种沟道的MOSFET又分别有增强型和耗尽型两种。场效应管具有输入阻抗高的特点，同时受温度和辐射影响较小，体积小、便与集成化，广泛应用于各种电子电路。2、场效应管和三极管都是放大电路的核心器件，其结构也类似。场效应管有三个极：源极（s）、栅极（g）、漏极（d），分别对应于晶体管的e、b、c；有三个工作区域：截止区、恒流区、可变电阻区，对应于晶体管的截止区、放大区、饱和区。 当场效应管工作在恒流区时，栅源电压 产生的电场控制导电沟道的宽窄，从而控制沟道电阻，进而控制沟道电流。可以
24、将沟道电流 看成栅源电压 控制的电流源，转移特性曲线描述了这种控制关系。输出特性曲线则描述了 、 和 之间的关系。 3、场效应管的主要参数为IDSS、UGS(0ff) 、U GS(th) 和gm。需要注意的是场效应管类型不同，其电流方程不同，故静态工作点的计算以及gm的计算方法也略有不同。4、与晶体管类似，场效应管放大电路也有三种组态：共源极放大电路、共漏极放大电路 、共栅极放大电路，常用的是共源极放大电路和共漏极放大电路。GSuDiGSuGSuDSuDi 场效应管放大电路的分析方法仍需遵循先直流、后交流的原则；根据选用的场效应管不同，其直流偏置电路有自给偏压式（适用于耗尽型FET）和分压式偏置电路（适用于增强型和耗尽型FET）两种；根据场效应管的微变等效电路模型，作出场效应管放大电路的交流等效电路，则可方便的计算出动态性能指标 、 和 。 共源和共漏放大电路分别对应于晶体管共射和共集放大电路，但与晶体管相比，具有输入电阻高、噪声系数低、电压放大倍数低的特点，适合用于做电压放大电路的输入级。uAiRoR
