1、模拟电子技术基础 第五章 场效应管及其放大电路第五章 场效应管及其放大电路5.1 5.1 场效应管场效应管5.2 5.2 场效应管基本放大电路场效应管基本放大电路5.1 场效应管一、结型场效应管一、结型场效应管二、绝缘栅型场效应管二、绝缘栅型场效应管三、场效应管的分类三、场效应管的分类只有一种载流子参与导电，且利用电场效应来控制只有一种载流子参与导电，且利用电场效应来控制电流的三极管，称为电流的三极管，称为场效应管场效应管，也称，也称单极型三极管。单极型三极管。场效应管分类场效应管分类结型场效应管结型场效应管绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管特点特点单极型器件单极型器件(一种载流子导电一种载流子导电
2、)；输入电阻高；输入电阻高；工艺简单、易集成、功耗小、体积小、工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低。成本低。绝缘栅型场效应管（绝缘栅型场效应管（MOSFET）由金属、氧化物和半导体制成。称为由金属、氧化物和半导体制成。称为金属金属-氧化物氧化物-半半导体场效应管导体场效应管，或简称，或简称 MOS 场效应管场效应管。特点：输入电阻可达特点：输入电阻可达 109 以上。以上。类型类型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uGS=0 时漏源间存在导电沟道称时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管；耗尽型场效应管；uGS=0 时漏源间不存在导电沟道称时漏源间不存在导
3、电沟道称增强型场效应管。增强型场效应管。一、一、N 沟道增强型沟道增强型 MOS 场效应管场效应管1.结构和符号结构和符号P 型衬底型衬底N+N+BgsdSiO2源极源极 s漏极漏极 d衬底引线衬底引线 B栅极栅极 gsgdB2.特性曲线特性曲线(a)转移特性转移特性(b)漏极特性漏极特性uGS UGS(th)，iD=0；uGS UGS(th)，形成导，形成导电沟道，随着电沟道，随着 uGS 的增加，的增加，iD 逐渐增大。逐渐增大。2GSDDO()(1)GS thuiIU(uGS UGS(th)三个区：可变电阻区、三个区：可变电阻区、恒流区、截止区。恒流区、截止区。iD/mAUGS(th)2
4、UGS(th)IDOuGS/VOiD/mAuDS/VOGSGS(th)uU预夹断轨迹预夹断轨迹恒流区恒流区 可变可变电阻区电阻区夹断区夹断区()GSDSGS thuuU二、二、N 沟道耗尽型沟道耗尽型 MOS 场效应管场效应管SGDB0沟道加宽，沟道加宽，iD 增大增大即使即使 uGS=0，漏源间也会形成导电沟道。，漏源间也会形成导电沟道。N 沟道耗尽型沟道耗尽型 MOS 管特性管特性工作条件：工作条件：uDS 0；uGS 正、负、正、负、零均可。零均可。iD/mAuGS/VOUGS(off)(a)转移特性转移特性IDSS(b)漏极特性漏极特性iD/mAuDS/VO+1VuGS=0 3 V 1
5、 V 2 V432151015 20uGS=UGS(off),感应电荷被感应电荷被“耗尽耗尽”，漏源间失去导，漏源间失去导电沟道，电沟道，iD 0。UGS(off)称为夹断电压称为夹断电压IDSS称为称为饱和漏极电流饱和漏极电流 场效应管的主要参数场效应管的主要参数一、直流参数一、直流参数1.饱和漏极电流饱和漏极电流 IDSS2.夹断电压夹断电压 UGS（off）3.开启电压开启电压 UGS(th)4.直流输入电阻直流输入电阻 RGS为耗尽型场效应管的一个重要参数。为耗尽型场效应管的一个重要参数。为增强型场效应管的一个重要参数。为增强型场效应管的一个重要参数。为耗尽型场效应管的一个重要参数。为
6、耗尽型场效应管的一个重要参数。输入电阻很高。结型场效应管一般在输入电阻很高。结型场效应管一般在 107 以上，绝以上，绝缘栅场效应管更高，一般大于缘栅场效应管更高，一般大于 109 。二、交流参数二、交流参数1.低频跨导低频跨导 gm2.极间电容极间电容 用以描述栅源之间的电压用以描述栅源之间的电压 uGS 对漏极电流对漏极电流 iD 的控的控制作用。制作用。DSDmGSuigu常数单位：单位：iD 毫安毫安(mA)；uGS 伏伏(V)；gm 毫西门子毫西门子(mS)这是场效应管三个电极之间的等效电容，包括这是场效应管三个电极之间的等效电容，包括 CGS、CGD、CDS。极间电容愈小，则管子的
7、高频性能愈好。一般极间电容愈小，则管子的高频性能愈好。一般为几个皮法。为几个皮法。三、极限参数三、极限参数1.漏极最大允许耗散功率漏极最大允许耗散功率 PDM2.漏源击穿电压漏源击穿电压 U(BR)DS3.栅源击穿电压栅源击穿电压U(BR)GS 由场效应管允许的温升决定。由场效应管允许的温升决定。漏极耗散功率转化为漏极耗散功率转化为热能使管子的温度升高。热能使管子的温度升高。当漏极电流当漏极电流 iD 急剧上升产生雪崩击穿时的急剧上升产生雪崩击穿时的 uDS。场效应管工作时，栅源间场效应管工作时，栅源间 PN 结处于反偏状态，若结处于反偏状态，若uGS U(BR)GS，PN 将被击穿，这种击穿
8、与电容击穿的情将被击穿，这种击穿与电容击穿的情况类似，属于破坏性击穿。况类似，属于破坏性击穿。种种 类类符符 号号转移特性转移特性漏极特性漏极特性 结型结型N 沟道沟道耗耗尽尽型型 结型结型P 沟道沟道耗耗尽尽型型 绝缘绝缘栅型栅型 N 沟道沟道增增强强型型sgdsgdiDuGS=0V+uDS+o osgdBuGSiDOUT各类场效应管的符号和特性曲线各类场效应管的符号和特性曲线+uGS=UTuDSiD+OiDuGS=0V uDSOuGSiDUPIDSSOuGSiD/mAUPIDSS0种种 类类符符 号号转移特性转移特性漏极特性漏极特性绝缘绝缘栅型栅型N 沟道沟道耗耗尽尽型型绝缘绝缘栅型栅型P
9、 沟道沟道增增强强型型耗耗尽尽型型iDsgdBuDSiD_uGS=0+_OiDuGSUPIDSSOsgdBiDsgdBiDiDuGSUTOiDuGSUPIDSSO_ _iDuGS=UTuDS_ _o o_ _uGS=0V+_ _iDuDSo o+两种半导体放大器件比较两种半导体放大器件比较双极型半导体三极管双极型半导体三极管(晶体三极管晶体三极管 BJT)单极型半导体三极管单极型半导体三极管(场效应管场效应管 FET)两种载流子导电：双极性器件两种载流子导电：双极性器件多数载流子导电：单极性器件多数载流子导电：单极性器件内因：发射区高参杂、内因：发射区高参杂、基区薄、集电区面积大基区薄、集电区
10、面积大外因：发射结正偏、集电结反偏外因：发射结正偏、集电结反偏一、放大条件一、放大条件BJT栅源电压改变沟道宽度从而控制漏极电流栅源电压改变沟道宽度从而控制漏极电流FET二、电极相对应：二、电极相对应：场效应管的场效应管的s、g、d电极其功能与晶体管的电极其功能与晶体管的e、b、c相对应。相对应。三、三、控制作用控制作用BJT：基极电流控制集电极电流并实现放大基极电流控制集电极电流并实现放大iC=iB 电流控制器件电流控制器件FET：栅源之间的电压控制漏极电流：栅源之间的电压控制漏极电流并实现放大并实现放大iD=gm uGS 电压控制器件电压控制器件 场效应管栅极基本不取电流，而晶体管基极总要
11、取一定的场效应管栅极基本不取电流，而晶体管基极总要取一定的电流，所以在只允许从信号源取极小量电流时，应选用场效应电流，所以在只允许从信号源取极小量电流时，应选用场效应管，而在允许取一定量电流时，选用晶体管进行放大可以得到管，而在允许取一定量电流时，选用晶体管进行放大可以得到比场效应管较高的电压放大倍数。比场效应管较高的电压放大倍数。四、温度稳定性四、温度稳定性BJT：差：差FET：好好BJTBJT：利用多子和少子导电：利用多子和少子导电FETFET：利用多子导电：利用多子导电在环境变化比较剧烈的情况下，采在环境变化比较剧烈的情况下，采用场效应管比较合适。用场效应管比较合适。五、场效应管的漏源极
12、可以互换，耗尽型绝缘栅管的栅五、场效应管的漏源极可以互换，耗尽型绝缘栅管的栅 极电压可正可负，灵活性比晶体管好。极电压可正可负，灵活性比晶体管好。六、噪声六、噪声BJT：大：大FET：小小七、集成度：七、集成度：FET高高八、输入电阻八、输入电阻BJT：小：小FET：大大5.2 5.2 场效应管基本放大电路一、场效应管静态工作点的设置方法一、场效应管静态工作点的设置方法二、场效应管放大电路的动态分析二、场效应管放大电路的动态分析三、场效应管放大电路的频率响应三、场效应管放大电路的频率响应一、场效应管静态工作点的设置方法 根据场效应管工作在恒流区的条件，在根据场效应管工作在恒流区的条件，在g-s
13、、d-s间间加极性合适的电源加极性合适的电源dDQDDDSQ2GS(th)BBDODQBBGSQ)1(RIVUUVIIVU1.基本共源放大电路2.自给偏压电路sDQSQGQGSQsDQSQGQ0RIUUURIUU，2GS(off)GSQDSSDQ)1(UUII)(sdDQDDDSQRRIVU+由正电源获得负偏压由正电源获得负偏压称为自给偏压称为自给偏压3.分压式偏置电路sDQSQDDg2g1g1AQGQRIUVRRRUU+2GS(th)GSQDODQ)1(UUII)(sdDQDDDSQRRIVU+即典型的即典型的Q点稳定电路点稳定电路二、场效应管放大电路的动态分析 (N沟道增强型MOS管)DS
14、GSDmUuig近似分析时可认近似分析时可认为其为无穷大！为其为无穷大！根据根据iD的表达式或转移特性可求得的表达式或转移特性可求得gm。与晶体管的与晶体管的h参数等效模型类比：参数等效模型类比：1.场效应管的交流等效模型用求导的方法计算用求导的方法计算 gmGS(th)DOGSDmDO DGSGS(th)GS(th)2d2(1)dIuigIiuUUU在在 Q 点附近，可用点附近，可用 IDQ 表示上式中表示上式中 iD，则则mDODQGS(th)2gIIU一般一般 gm 约为约为 0.1 至至 20 mS。rDS 为几百千欧的数量级。为几百千欧的数量级。当当 Rd 比比 rDS 小得多时，可
15、认为等效电路的小得多时，可认为等效电路的 rDS 开路开路。2GSDDOGS(th)(1)uiIU2.基本共源放大电路的动态分析doidmgsddioRRRRgURIUUAu3.基本共漏放大电路的动态分析+ismsmsdgssdio1RRgRgRIURIUUAu基本共漏放大电路输出电阻的分析msomsooooo1gRUgRUUIUR+求解场效应管放大电路的步骤求解场效应管放大电路的步骤(归纳归纳)1.首先利用图解法或近似估算法确定放大电路首先利用图解法或近似估算法确定放大电路的静态工作点的静态工作点 Q，2.求出静态工作点处的微变等效电路参数。求出静态工作点处的微变等效电路参数。3.画出放大电路的微变等效电路。画出放大电路的微变等效电路。4.列出电路方程并求解动态性能指标。列出电路方程并求解动态性能指标。mDODQGS(th)2gIIUDQIGSQUDSQU
