1、第3章场效应晶体管及其放大电路3.1场效应晶体管3.2场效应晶体管放大电路3.3多级放大电路场效应管（Field Effect Transistor，简称FET）本章教学要求本章教学要求了解场效应晶体管的结构、工作原理，了解场效应晶体管的结构、工作原理，掌握场效应晶体掌握场效应晶体管的外特性及主要参数；管的外特性及主要参数；掌握场效应晶体管的共源、共漏极放大电路分析方法；掌握场效应晶体管的共源、共漏极放大电路分析方法；理解多级放大器的级联方式及其特点，理解多级放大器的级联方式及其特点，掌握多级放大器掌握多级放大器的放大倍数、输入电阻、输出电阻的计算方法的放大倍数、输入电阻、输出电阻的计算方法。
2、1.结型场效应晶体管的结构和符号a)N沟道结构示意图b)N沟道图形符号c)P沟道结构示意图d)P沟道图形符号3.1场效应晶体管3.1.1结型场效应晶体管G:栅极栅极S:源极源极D:漏极漏极2.结型场效应晶体管的工作原理N沟道结型场效应晶体管直流偏置电路加压原则：加压原则：在栅源极之间加电压，在栅源极之间加电压，使栅使栅-源极间的源极间的PN结反偏，结反偏，栅极电流栅极电流iG0。在漏在漏-源极之间加电压，源极之间加电压，使沟道使沟道中的多数载流子在电场作用下由中的多数载流子在电场作用下由源极向漏极作定向移动源极向漏极作定向移动，形成漏，形成漏极电流极电流iD。(1)当uDS0V时，uGS对导电
3、沟道的控制作用a）uGS=0V b）UGS(off)uGS0V c）uGSUGS(off)UGS(off)：夹断电压：夹断电压(2)当UGS(off)uGS0V时，uDS对漏极电流iD的影响a）uGS-uDS UGS(off)b）uGS-uDS=UGS(off)c）uGS-uDSUGS(off)小结：1)结型场效应晶体管栅极与沟道之间的PN结是反向偏置，因此，栅极电流iG0，输入阻抗很高。2)漏极电流iD受栅-源电压uGS控制，所以场效应晶体管是电压控制电流型器件。3)预夹断前，即uDS较小时，iD与uDS间基本呈线性关系；预夹断后，iD趋于饱和。(1)输出特性曲线 1)可变电阻区2)恒流区(
4、饱和区、放大区)3)击穿区4)截止区(夹断区)3.结型场效应晶体管的特性曲线(2)转移特性曲线a)转移特性曲线b)输出特性曲线iDIDSSUuGS(off)GS21 （UGS(off)uGS0）(1)结构a)N沟道增强型MOS管结构示意图b)N沟道增强型MOS管符号c)P沟道增强型MOS管符号3.1.2绝缘栅型场效应晶体管1.N沟道增强型MOS管（2）增强型）增强型FET加压原则：加压原则：在栅源极之间加电压，使沟道在栅源极之间加电压，使沟道开启开启在漏在漏-源极之间加电压，源极之间加电压，使沟道使沟道中的多数载流子在电场作用下由中的多数载流子在电场作用下由源极向漏极作定向移动源极向漏极作定向
5、移动，形成漏，形成漏极电流极电流iD。1)uGS对iD及沟道的控制作用。a)耗尽层的形成b)导电沟道的形成(3)工作原理UGS(th)：开启电压：开启电压，指开始形成沟道时的栅，指开始形成沟道时的栅-源极电压。源极电压。2)uDS对iD及沟道的控制作用。a）uDSuGS-UGS(th)(3)特性曲线a)输出特性曲线b)转移特性曲线iDID01GS(th)GS2Uu2.N沟道耗尽型MOS管a)N沟道耗尽型MOS管结构示意图b)N沟道耗尽型MOS管图形符号c)P沟道耗尽型MOS管图形符号DSuiD0GS=0u0uGSuiD0UGS(off)gdsN沟道耗尽型沟道耗尽型MOS的特性曲线的特性曲线1.
6、直流参数(1)夹断电压夹断电压UGS(off)：当当uDS为某一固定值，使为某一固定值，使iD等于某一微等于某一微小电流，栅小电流，栅-源极间所加的电压即为夹断电压。源极间所加的电压即为夹断电压。(2)开启电压开启电压UGS(th)：当当uDS为某一固定值时，使为某一固定值时，使iD大于零所大于零所需的最小需的最小|uGS|值值(3)饱和漏极电流饱和漏极电流IDSS：在在uGS=0的条件下，场效应管发生预的条件下，场效应管发生预夹断时的漏极电流。夹断时的漏极电流。IDSS是结型场效管管子所能输出的最是结型场效管管子所能输出的最大电流。大电流。(4)直流输入电阻直流输入电阻RGS：它是在漏它是在
7、漏-源极间短路的条件下，栅源极间短路的条件下，栅-源源极间加一定电压时栅极间加一定电压时栅-源极间的直流电阻。源极间的直流电阻。JFET的的RGS一般一般大于大于 ，而，而MOS管的大于管的大于 3.1.3场效应晶体管的主要电参数及特点1061092.交流参数(1)低频跨导低频跨导gm(2)输出电阻输出电阻rd：在恒流区内，在恒流区内，iD几乎不随几乎不随uDS而变化，因此，而变化，因此，rd数值很大，一般为几十千欧数值很大，一般为几十千欧几百千欧。几百千欧。(3)极间电容极间电容CGS、CGD、CDS常数uuigDSGSDmUUUIGS(off)GSQGS(off)DQ123.极限参数(1)
8、最大漏极电流最大漏极电流IDM(2)最大漏最大漏-源电压源电压U(BR)DS(3)最大栅最大栅-源电压源电压U(BR)GS(4)漏极最大耗散功率漏极最大耗散功率PDM例3-1在图b所示电路中，场效应晶体管的输出特性曲线如图a所示，RD5k。试分析ui为0V、8V和10V三种情况下，uo分别为多少？解(1)当uGSui0V时，管子处于夹断状态，因而iD0。而uoVDD15V。(2)当uGSuI8V时，从输出特性曲线可知，管子工作在恒流区，iD1mA，所以uOuDSVDDiDRD10V。(3)当uGSuI10V时，假设管子工作在恒流区，则iD约为2.2mA，因而uO uDSVDDiDRD15V2.
9、2mA5k4V。但是，此时uDSuGSUGS(th)6V，说明管子已不工作在恒流区，而是工 作在可变电阻区。从输出特性曲线可得uGS10V时漏源间的等效电阻约 为 因而DSD3u31idsVrkmAdsdsDr5.6rRoDDuVV3.2场效应晶体管放大电路GoRu+VRDDD+SRTiu+SC1CLR+2C+a）GoRu+VDD+SRTiu+1CLR+2C+a）1.直流偏置电路(a)自给偏压电路 (b)分压式偏置电路3.2.1直流偏置电路及其静态分析2.静态工作点的确定DQSGSQ2GSQDQDSSGS(off)UI RU1IIUU=U()DSQDDDQDSIRR对图对图a:对图对图b：21
10、220VRUIRRRU1IIUU=U()GDDDQSGSQGGGSQDQDGS(th)DSQDDDQDSIRR3.2.2场效应晶体管的微变等效电路a)微变等效电路b)简化微变等效电路c)高频模型3.2.3场效应晶体管的三种基本放大电路1.共源极放大电路oUi(/)mDLUAgRRUoiiGURRI0UUIRSLoDRR共源极放大电路分析共源极放大电路分析结论：结论：具有电压放大能力具有电压放大能力输出电压与输入电压反相输出电压与输入电压反相输入电阻输入电阻Ri很大很大2.共漏极放大电路SLgsmSLgsgsm(/)ggURRR1 gR(/)URRgUUAULomuLmioiiGURRI求共漏极
11、电路的输出电阻：求共漏极电路的输出电阻：S0OmmmmSgsSSUUU11/RU1gIUUgRUggRURRSLR结论：结论：没有电压放大能力没有电压放大能力输出电压与输入电压同相输出电压与输入电压同相输入电阻高输入电阻高输出电阻低输出电阻低又称源极输出器、源极电又称源极输出器、源极电压跟随器压跟随器3.共栅极放大电路结论：结论：由于共栅极电路失去了场效应管由于共栅极电路失去了场效应管电路高输入电阻的特点，所以极电路高输入电阻的特点，所以极少使用。少使用。3.3.1多级放大电路的组成及耦合方式3.3多级放大电路1.多级放大电路的组成2.多级放大电路的耦合方式(1)阻容耦合(2)直接耦合(3)变
12、压器耦合(1)阻容耦合阻容耦合两级放大电路(2)变压器耦合变压器耦合多级放大电路(3)直接耦合直接耦合两级放大电路3.3.2多级放大器技术指标的计算1.电压放大倍数：2.输入电阻：3.输出电阻：4.带宽:12AAAAuuunu1iiRRR1iiRRoonRRffffffkkkBWBWHHLL例3-5在图3-20所示电路中，设静态工作点合适，其中各电容器的电容量均足够大，场效应晶体管和晶体管的gm、rbe已知。试求该放大电路的 、Ri和Ro的值。Au解画出该电路的微变等效电路o1u1Di2miU(/)gARRU CLou2bei2(/)RRUArU 12uuuAA ARiRG3+RG1/RG2R
13、oRC例：电路如图所示，试求放大倍数、输入电阻和输出电阻。已知例：电路如图所示，试求放大倍数、输入电阻和输出电阻。已知T1管管gm0.8mA/V，T2管管rbe=1.2k，=100。例：请用三极管（例：请用三极管（=100，=300，UBEQ=0.7V）设计一个两级放大电）设计一个两级放大电路，要求输入电阻路，要求输入电阻Ri2k，输出电阻，输出电阻Ro100，并且当，并且当ui=0.1sintV，要求输出电压要求输出电压uo=sintV，已知电源电压，已知电源电压VCC=15V，负载电阻，负载电阻RL=100。要求说明各级电路设计过程，并给出完整的电路图。要求说明各级电路设计过程，并给出完整
14、的电路图。本章小结本章小结1.场效应管有结型和绝缘栅型两种类型，它们都有场效应管有结型和绝缘栅型两种类型，它们都有N沟道和沟道和P沟道两类。沟道两类。绝缘栅型场效应管又分为增强型和耗尽型。结型场效应管只有耗尽型。绝缘栅型场效应管又分为增强型和耗尽型。结型场效应管只有耗尽型。2.场效应管是电压控制型器件场效应管是电压控制型器件，而半导体三极管是电流控制型器件，区，而半导体三极管是电流控制型器件，区别在于场效应管是通过栅别在于场效应管是通过栅-源电压源电压uGS控制漏极电流控制漏极电流iD，体现这种控制作体现这种控制作用的是跨导用的是跨导gm。3.场效应管可以工作于三种状态：可变电阻区、恒流区和截
15、止区。场效应管可以工作于三种状态：可变电阻区、恒流区和截止区。4.场效应管正常工作时栅极几乎没有电流通过，故输入电阻很大，适合场效应管正常工作时栅极几乎没有电流通过，故输入电阻很大，适合作为多级放大电路的输入级。作为多级放大电路的输入级。5.场效应管的直流偏置方式有自给偏压式和分压偏置式两种，前者只适场效应管的直流偏置方式有自给偏压式和分压偏置式两种，前者只适用于耗尽型用于耗尽型FET。FET静态工作点的估算有图解法和公式估算法两种，常静态工作点的估算有图解法和公式估算法两种，常用估算法。用估算法。6场效应管有共源极放大电路、共漏极放大电路（源极输出器）和共栅场效应管有共源极放大电路、共漏极放
16、大电路（源极输出器）和共栅极放大电路三种组态。共源极放大电路具有电压放大能力，输出电阻较高；极放大电路三种组态。共源极放大电路具有电压放大能力，输出电阻较高；共漏极放大电路没有电压放大能力，输出电阻低。这两种电路都具有很高共漏极放大电路没有电压放大能力，输出电阻低。这两种电路都具有很高的输入电阻。共栅极电路较少使用的输入电阻。共栅极电路较少使用。7.多级放大器的极间多级放大器的极间耦合方式有阻容耦合、直接耦合和变压器耦合耦合方式有阻容耦合、直接耦合和变压器耦合三种方三种方式。阻容耦合各级式。阻容耦合各级Q点独立，便于调试但不利于集成化；直接耦合点独立，便于调试但不利于集成化；直接耦合Q点互点互相牵扯，不利于调试但利于集成化。相牵扯，不利于调试但利于集成化。多级放大器的放大倍数是各级放大倍多级放大器的放大倍数是各级放大倍数的成绩。数的成绩。
