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1、模拟电子技术,第3章 场效应管及其基本放大电路,学习目标,了解场效应管的结构和类型 掌握绝缘栅型场效应管及结型场效应管的工作原理、特性和主要参数 掌握场效应管的小信号模型，掌握共源极、共漏极两种基本场效应管放大电路的工作原理、静态和动态分析方法,3.1 场效应管基本知识 3.2 场效应管的主要参数 3.3 场效应管放大电路组成原理 3.4 场效应管与晶体管的比较 *3.5 电路仿真实例,3.1 场效应管基本知识,场效应管利用输入回路的电场效应（电压）来控制输出回路电流的一种半导体器件。 主要特点： 输入电阻高（1071012欧姆） 仅靠多数载流子导电，即单极型晶体管。 优点： 具备双极型晶体管
2、体积小、重量轻、寿命长等优点 输入内阻高、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强、制作工艺简单,3.1.1 绝缘栅型场效应管,绝缘栅型场效应管（MetalOxideSemiconductor） ，简称为MOSFET。其输入电阻很高，可达1015以上。,（1）结构和符号,1.N沟道增强型MOS场效应管,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 栅源电压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。,加正的栅压时（当UGS0时），栅
3、源电压UGS对 导电沟道有控制作用：,当UGS0V时纵向电场 将靠近栅极下方的空穴向下排斥耗尽层。,再增加UGS纵向电场 将P区少子电子聚集到 P区表面形成导电沟道，如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流id。,定义： 开启电压（ UGS(th)）刚刚产生沟道所需的 栅源电压UGS。,N沟道增强型MOS管的基本特性： UGS UGS(th) ，管子截止， UGS UGS(th) ，管子导通。 UGS 越大，沟道越宽，在相同的漏源电压UDS作用下，漏极电流iD越大。,漏源电压UDS对沟道导电能力的影响,当UGS UGS（th）且固定为某值的情况下,（1） UDS iD ； 同时沟道靠漏区变窄,
4、沟道呈锥形分布.,（2）当UDS增加到使UGD= UGS(th)时，沟道靠漏区夹断，称为预夹断。,（3） UDS再增加，预夹断区 加长， UDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上， iD基本不变。,（3）特性曲线,输出特性曲线,（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,转移特性曲线,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， iD与UGS的近似关系为：,【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，uO分别为多少？,解(1)uGSuI0V，管子处于夹断状态，iD
5、0，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=3/(110-3)=3000,（1）结构和符号 耗尽型
6、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型场效应管。,2.N沟道耗尽型MOS场效管,（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。此时的uGS值称为夹断电压 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
7、尽型MOS管可以在负栅压、零栅压和正栅压下工作。 结论：栅极电压对导电沟道有控制作用。同样，电压uGS固定时，电压uDS对导电沟道的影响类似增强型MOS管。,（3）特性曲线 研究表明，uGS与iD的近似关系为：,3.P沟道MOS场效应管,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MOS场效应管的特性曲线,P沟道耗尽型MOS场效管的符号及特性曲线,3.1.2 结型场效应管（JFET）,1结构和符号,N
8、型导电沟道,2工作原理,uGS= 0V时，沟道最宽，沟道电阻最小 。,uGSuGS(off) 栅源之间加上负的栅压后，两个PN结均为反偏，空间电荷区变宽，沟道变窄。 uGS= uGS(off)时，两侧的耗尽区逐渐变宽而合拢，使导电沟道消失。,0uGS 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，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，栅极电压uGS对沟道电流iD的控制作用类似MOS管。,当栅源之间的电压为满足0 uGS
9、 uGS（off）的某个固定值时，有uDS电压就产生沟道电流iD 。此时在uDS电压的作用下，耗尽层是上宽下窄，导电沟道呈现为倒楔形 。,当uDS增加到使uDS = uGS - uDS = uGS（off）时，在紧靠漏极处出现预夹断点。,当uDS继续增加时，预夹断点向源极方向伸长为预夹断区。此时沟道电流iD基本维持不变。即漏源电压uDS对iD的影响和MOSFET类似。,JFET也有四个工作区 夹断区（截止区） 可变电阻区（预夹断前） 恒流区也称饱和区（预夹断后） 击穿区,3特性曲线,（1）输出特性曲线,N沟道JFET输出特性曲线,（2）转移特性,在恒流区，JFET的转移特性方程与耗尽型MOSF
10、ET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。,4. P沟道结型场效应管,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 ） u
11、DSuGSUGS(off) =0(4)4V uDS VDDuo =VDDiDR L， UomaxVDD48V， 输出电压范围为08V，则 RLuo/IDSS=02 K,3.1.3各种场效应管特性比较,1、MOS管与JFET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：,4、各种场效应管的符号和对应的转移特性和输出特性见
12、下表,3.2 场效应管的主要参数,3.2.1 直流参数 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 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。 饱和漏极电流 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。 直流输入电阻 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。结型为107 左右，MOS管可达
13、1015以上。,3.2.2 交流参数,低频跨导gm:,gm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， gm为的曲线的斜率。 在输出特性曲线上也可求出gm。,输出电阻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。 极间电容 场效应管三个电极之间也有电容效应，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。,3.2.3 极限参数,漏极最大允许耗散功率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 。 漏源击穿电压
14、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。 栅源击穿电压 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值称为栅源击穿电压。,3.2.4 场效应管使用时的注意事项,1.不要使栅极悬空 2.结型场效应管栅压不能接反 3.绝缘栅管不能用万用表直接去测三个电极,应该用接地良好的专门仪器才能测试管子的好坏。 4.场效应管S和D极可以互换使用，但有些产品出厂时，已把S极和衬底连在一起，这时D、S就不能互换。,3.3 场效应管放大电路组成原理,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。
15、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)。,3.3.1 场效应管的小信号等效模型,输入回路:开路,输出回路:电流源gmuGS,3.3.2 场效应管放大电路的组成原理及分析,1 、静态工作点与偏置电路 (1)自给偏压电路,静态分析,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)分压式偏置电路,联立解出UGSQ，IDQ。,静态分析,2、共源放大电路的交流分析,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：,可见，
16、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（较小）；输出电压与输入电压反相；输入电阻较大。,3、共漏放大电路（源极输出器）,上式表明共漏极放大电路的电压放大倍数小于1，无电压放大能力。若 ，则共漏极放大电路放大倍数约为1。,（1）电压放大倍数,（2）输入电阻 （3）输出电阻,可见共漏极放大电路输出电阻较小。 结论：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1、输入电阻高、输出电阻低。,式中,3.3.3 场效应管的其它应用举例,1、阻抗变换电路 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 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 场效应管与晶体管的
