1、场效应管和基本放大电路 作业习题 3-3、3-4、3-7、3-11注：删除图3-25中漏极电阻 重点 理解场效应管的工作原理；掌握场效应管的外特性及主要参数；掌握场效应管放大电路静态工作点与动态参 数（Au、Ri、Ro）的分析方法。难点 通过外部电压对导电沟道的控制作用来说明结型场效应管及绝缘栅型场效应管的工作原理。重点和难点3.1场效应晶体管 场效应管(FET)：是利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件。输入回路内阻很高(1071012)，热稳定性好，噪声低，比晶体管耗电小，应用广泛。单极型结型场效应管1.结型场效应管的结构 N沟道结型场效应管是在同一块N型半导体上制作两个
2、高掺杂的P区，将它们连接在一起引出电极栅极g。N型半导体分别引出漏极d、源极s，P区和N区的交界面形成耗尽层。源极和漏极之间的非耗尽层称为导电沟。N沟道结构示意图SiO2N源极S栅极G漏极D NNPPN 沟道和P沟道 结型场效应管的符号N沟道符号dsgdsgP沟道符号 正常工作时 在栅-源之间加负向电压，(保证耗尽层承受反向电压)漏-源之间加正向电压，(以形成漏极电流）这样既保证了栅源之间的电阻很高，又实现了ugs对沟道电流iD的控制。2.工作原理电压控制作用（以N沟道为例）耗尽层sgP+N导电沟道结构示意图 1)、间和、间短路 )、间加负电压和、间短路耗尽区很窄,导电沟道宽|UGS|增加到某
3、一数值,耗尽区相接,沟道消失,沟道电阻趋于无穷大，沟道夹断|UGS|增大，耗尽区增宽，沟道变窄，沟道电阻增大。此时GS的值为UGS（off）UDS的作用产生漏极电流ID，使沟道中各点和栅极间的电压不再相等，近漏极电压最大，近源极电压最小。导电沟道宽度不再相等，近漏极沟道窄，近源极沟道宽。dsgUDSiD3)、间短路，、间加正向电压随着UDS 的增加，ID近似线性增加,d-s间呈电阻特性。随着UDS 增加ID增大。沟道在漏极处，越来越窄。UGD=UGS-UDS=UDS 当UDS增加到|UGS(off)|漏极附近的耗尽区相接，称为预夹断。UDS再增加，夹断区长度增加（AA）。预夹断时，导电沟道内仍
4、有电流ID，且UDS增大时ID几乎不变，此时的ID称为“饱和漏极电流IDSS”dsgUDSiDUDSdsgAIDA、间的负电压使导电沟道变窄（等宽）、间的正电压使沟道不等宽 UGS 增加，导电沟道变窄，沟道电阻增大，同样UDS的产生的ID减小。3)、间加负向电压，、间加正向电压dsgUDSUGSID 由于UDS的增加几乎全部落在夹断区，漏极电流ID基本保持不变。ID可以认为仅仅决定于UGS，表现出恒流特性。称场效应管为 电压控制元件。dsgUDSUGSID夹断区恒流区可变电阻区 输出特性和转移特性 因场效应管栅极电流几乎为零，不讨论输入特性。（1）输出特性曲线 ID=f(UDS)|UGS =常
5、数3.结型场效应管的特性 1)夹断区（截止区）：导电沟道全部夹断 条件：UGSUGS（off）UGS UGS（off）特点：ID 0 2)可变电阻区：预夹断轨迹左边区域。条件：UGD UGS（off）特点：可通过改变UGS大小来改变漏源间电阻值。预夹断轨迹：通过连接各曲线上UGD=UGS（off）的点而成。3)恒流区：预夹断轨迹右边区域。条件：UGD0，UDS=0此时的栅-源电压称为开启电压UGS(th)UGS越大，反型层越厚，导电沟道电阻越小，同样的UDS产生的电流ID越大 UDS作用产生漏极电流ID。沟道各点对栅极电压不再相等，导电沟道宽度不再相等，沿源-漏方向逐渐变窄。UGD=UGS-U
6、DS UGS(th），UDS 0P衬底BN+N+SGD 随着UDS的继续增大，UGD减小，当UGD=UGS(th）时，导电沟道在漏极一端产生夹断,称为预夹断。UDS继续增大，夹断区延长，漏电流ID几乎不变，管子进入恒流区，ID几乎仅仅决定于UGS。此时可以把ID近似看成UGS控制的电流源。P衬底BN+N+SGD（3）特性曲线4321051015UGS=5V6V4V3V2ViD/mAUDS=10VN沟道增强型 MOS 管的特性曲线 0123恒流区击穿区可变电阻区246uGS/VUGs(th)输出特性转移特性 uDS/ViD/mA夹断区UDS=10V0123246UGS/VUGs(th)ID/mA
7、2)()1(thGSGSDODUUII 制造时,在sio2绝缘层中掺入大量的正离子,即使UGS=0，在正离子的作用下，源-漏之间也存在导电沟道。只要加正向，就会产生ID。只有当小于某一值时，才会使导电沟道消失，此时的称为夹断电压。2.N沟道耗尽型MOS管结构示意图P源极S漏极D 栅极GBN+N+正离子反型层SiO2DBSGN沟道符号DBSGP沟道符号耗尽层特性曲线432104812UGS=1V2V3V输出特性转移特性1230V1012123 UGS/VIDUGSUGs(off)UDS/VUDS=10VID/mAID/mAN沟道耗尽型MOS管的特性曲线 场效应管的符号及特性(p76）结型N沟道结
8、型P沟道NMOS增强型NMOS耗尽型PMOS增强型PMOS耗尽型（+）（+）（+）（-）（-）（-）（-）N沟道 夹断区：恒流区：可变电阻区：P沟道 夹断区：恒流区：可变电阻区：三个工作区域的判断UGS UGS（off）UGS UGS（off），UGD UGS（off）UGS UGS（off），UGD UGS（off）UGS UGS（off）UGS UGS（off），UGD UGS（off）UGD UGS（off）UGS UGS（off），注意：结型场效应管G-S电压必须反偏 测得某电路中三个MOS管的三个电极的电位及它们的开启电压如表所示。试分析各管的工作状态（截止区、恒流区、可变电阻区）。
9、管号管号U UGS(GS(thth)/V/VUs/VUs/VU UG G/V/VU UD D/V/V工作状态工作状态T14-513T2-43310T3-4605恒流区夹断区可变电阻区 1、直流参数（1）开启电压UGS(th)UDS为固定值能产生漏极电流ID所需的栅-源电压UGS的最小值。增强型MOS管的参数 NMOS管为正，PMOS管为负场效应管的主要参数（2）夹断电压 UGS(off)UDS为固定值使漏极电流近似等于零时所需的栅-源电压。结型场效应管和耗尽型MOS管的参数 NMOS管为负，PMOS管为正（3）饱和漏极电流IDSS对于耗尽型MOS管，在UGS=0情况下产生 预夹断时的漏极电流。
10、（4）直流输入电阻RGS（DC）栅-源电压与栅极电流的比值，其值很高,一般为107-1010左右。2、交流参数（1）低频跨导 gm 管子工作在恒流区并且 UDS为常数时，漏极电流的微变量与引起这个变化的栅-源电压的微变量之比称为低频跨导,即 gm=iD/uGS UDS=常数 gm是衡量栅-源电压对漏极电流控制能力的一个重要参数。（2）交流输出电阻rds rds反映了uDS对iD的影响，是输出特性曲线上Q点处切线斜率的倒数。rds在恒流区很大。GSDSdsDUuri常数 3、极限参数（1）最大漏极电流IDM（2）最大漏源电压U DS(BR)（3）最大栅源电压U GS(BR)（4）最大耗散功率P
11、DM场效应管与双极型晶体管的比较 场效应管的栅极g、源极s、漏极d分别对应于晶体管的基极b、发射极e、集电极c1）FET是电压控制元件，输入阻抗很高；BJT 是电流控制元件，输入阻抗较小；2）FET（单极型）多子参与导电，温度稳定性好，抗辐射能力强，FET噪声系数小；BJT为多子和少子同时参与导电，性能较差；3）FET漏极与源极可以互换使用；BJT的发射极与集电极一般不能互换使用；FET比BJT的种类多，组成电路更灵活；4）FET工艺简单，功耗小，电源范围宽，更多用于大规模和超大规模集成电路；)管的栅极绝缘，外界感应电荷不易泄放。例 已知某管的输出特性曲线如图所示。试分析该管是什么类型的场效应
12、管。开启电压UGS(th)=4V N沟道增强型MOS管。2105101510V8V6V uDS/ViD/mA4V 例 电路及管子的输出特性如图所示。试分析uI为0、8V和10V三种情况下uO分别为几伏。2105101510V8V6V uDS/ViD/mA4VVVRiVuuiuuDDDDDDDSODIGS15,00)1(，因而时，管子处于夹断状态当VVRiVuumAiVuuDDDDDSODIGS10)5115(,18)2(的时，管子工作在恒流区当2105101510V8V6V uDS/ViD/mA4V（3）当UGS(th)=10V时，若认为 T工作在恒流区，则iD为2.2mA,Uo=4V,而UG
13、S=10V时的产生预夹断电压为uDS=6V说明管子工作在可变电阻区。2105101510V8V6V uDS/ViD/mA4V33/31 103155.653dsDSDdsODDdsDRuikRuVVVRR 等效电阻 场效应管放大电路的直流偏置及静态分析 场效应管组成的放大电路与双极型晶体管一样，必须建立合适的静态工作点。保证场效应管工作在恒流区。3.2 场效应管放大电路 1、自给偏压电路 静态工作点分析 栅极电流为02)()1(offGSGSQDSSDQsDQSQGQGSQUUIIRIUUU此电路只适用于耗尽型器件、分压式偏置电路 静态工作点分析栅极电流为0sDQDDGGGSQGQGSQRIV
14、RRRUUU2122)()1(thGSGSDODUUIiDQGSQIU)(SDDQDDDSQRRIVU 例 自给偏压电路中,已知场效应管的输出特性,RG=10M，RS=2k，RD=18k，VDD=20V，用图解法确定Q点。根据输出回路方程 作直流负载线MNDDSDDDSVRRiu)(根据直流负载线与各输出曲线的交点a、b、c、d、e所对应的iD和uGS的值作转移特性。根据输入回路方程 作源极负载线OL SDGSRiu 源极负载线与转移特性曲线的交点为Q点 例 图示电路中,RG1=2M,RG2=47k,RG=10M,RD=30k,VDD=18V,场效应管UGS(off)=-1V,IDSS=0.5
15、mA,求静态工作点。22)()11(5.0)1(GSQoffGSGSQDSSDQUUUIIsDQDDGGGSQGQGSQRIVRRRUUU212DQGSQGSQDQIUUI24.0)1(5.02,)64.095.0(mAIDQVUVUmAIIIDSGSQDQDSSDQ1.8,22.031.0，所以不应大于用微变等效电路法分析场效应管放大电路的动态参数1.场效应管的交流低频小信号模型),(DSGSDuufi dsdsgsmddsUDSDmUGSDUrUgIruiguiGSDS11则令DSUDSDGSUGSDDuuiuuiiGSDSddd求全微分低频小信号模型 rds（或rds RL）简化交流等效
16、模型为 增强型：耗尽型（结型）：2()(1)GSDDOGS thuiIu()2mDODQGS thgIIU2()(1)GSDDSSGS offUiIU()2mDSSDQGS offgIIU 2.应用微变等效电路分析法分析场效应管放大电路（）共源放大电路(/)mgsLOdLumLmDLigsgsg U RUI RAg RgRRUUU GiRR DoRR 例 图示电路RG1=300k,RG2=100k,RG=2M,RD=10k，gm=1mS，计算AU，Ri，Ro 解：3.31DmDmSgsmgsDgsmiOuRgRgRUgURUgUUAkRRRRGGGi075.2/21kRRDo10共源电路的电压
17、增益比共射电路小，输入电阻大（）共漏放大电路 电压增益Au1,源极跟随器 输入电阻/1mgsLomLuLLSmLigsmgsLg URUg RARRRg RUUg UR，其中21/GGGiiiRRRIUR 输出电阻 断开负载，输入信号短路，输出端加电压，得到求输出电阻的电路。ogsUU)1(SmoSogsmoRgURUUgImSSmooogRRgIUR1/11输出电阻较小 例 电路如图，RG1=91k,RG2=10k,RG=5M,RS=2k，RL=2k，IDSS=5mA,UGS(off)=-4V,VDD=10V。求：静态工作点IDQ和UGSQ；计算Au、Ri和Ro 解：22()(1)5(1)4
18、GSQGSQDQDSSGS offUUIIU2121 2GGSQGQSQDDDQSDQGGRUUUVIRIRR mAImAIDQDQ37.4,43.121解得11 2 1.431.86GSQUV （）21 2 4.377.74GSQUV （）)()(舍去offGSUmSUUUIgoffGSGSQoffGSDSSm34.1)1(2)()(57.034.1134.11LmLmuRgRgAkRRRRGGGi5/215431/mSogRR 场效应管的三种基本接法:共源、共漏和共栅分别与双极型晶体管的共射、共集和共基对应，相应的输出量与输入量之间的大小和相位关系一致，可以实现反相电压放大、电压跟随、电流跟随的功能。重点 理解场效应管的工作原理；掌握场效应管的外特性及主要参数；掌握场效应管放大电路静态工作点与动态参 数（Au、Ri、Ro）的分析方法。难点 通过外部电压对导电沟道的控制作用来说明结型场效应管及绝缘栅型场效应管的工作原理。重点和难点
