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1、第四章 场效应管放大电路4.1 结型场效应管 411 结构结型场效应管有两种结构形式：N型沟道结型场效应管和P型沟道结型场效应管。如图（1） 图（1）结型场效应管的结构示意图和符号 412 工作原理在D、S间加上电压UDS，则源极和漏极之间形成电流ID，我们通过改变栅极和源极的反向电压UGS，就可以改变两个PN结阻挡层的（耗尽层）的宽度，这样就改变了沟道电阻，因此就改变了漏极电流ID。1. UGS对导电沟道的影响 假设Uds=0：当Ugs由零向负值增大时，PN结的阻挡层加厚，沟道变厚，电阻增大。如图（2）中（a）（b）所示。若Ugs的负值再进一步增大，当Ugs=Up时两个PN结的阻挡层相遇，沟
2、道消失，我们称为沟道被“夹断“了，Up称为夹断电压，此时Id=0，如图（2）中（c）所示。 图（2）当UDS=0时UGS对导电沟道的影响示意2. ID与UDS、UGS之间的关系 假定栅，源电压|Ugs|Up|，如Ugs=-1V，而Up=-4V，当漏，源之间加上电压Uds=2V时，沟道中将所有的电流Id通过。此电流将沿着沟道的方向产生一个电压降，这样沟道上各点的电位就不同，因而沟道内各点的栅极之间的电位差也就各不相等。漏电端与栅极之间的反向电压最高，如Udg=Uds-Ugs=2 -（-1）=3V，沿着沟道向下逐渐降低，使源极端沟道较宽，而靠近漏极端的沟道较窄。如图（3）中（a）。此时，若增大Ud
3、s，由于沟道电阻增大较慢，所以Id随之增加。当Uds进一步怎家到使栅，漏间电压Ugd等于Up时，即 Ugd=Ugs-Uds=Up则在D极附近，两个PN结的阻挡层相遇，如图（3）（b）所示，我们称为预夹断。如果继续升高Uds，就会使夹断区向源极端方向发展，沟道增加。由于沟道电阻的增长速率与Uds的增加速率基本相同，故这一期间Id趋于恒定值，不随Uds的增大而增大，此时，漏极电流的大小仅取决于Ugs的大小。Ugs越负，沟道电阻越大，Id便越小，直到Ugs=Up，沟道被完全夹断，Id=0，如图（3）（c）所示。 图 （3）UDS对导电沟道和ID的影响 4.1.3 特性曲线 1.输出特性曲线 输出特性
4、是指栅源电压uGS一定, 漏极电流iD与漏极电压uDS之间的关系, 即根据工作情况, 输出特性可划分为4个区域, 即: 可变电阻区、 恒流区、击穿区和截止区。 2转移特性在uDS一定时, 漏极电流iD与栅源电压uGS之间的关系称为转移特性。 即在UGS(off)uGS0的范围内, 漏极电流iD与栅极电压uGS的关系为由输出特性画转移特性4.2 绝缘栅场效应管 1. 增强型绝缘栅场效应管的结构及工作原理1） 结构及符号绝缘栅场效应管也有两种结构形式，它们是N沟道型和P沟道型。无论是什麽沟道，它们又分为增强型和耗尽型两种。图 （4）增强型MOS管结构及符号图 (a) N沟道结构图; (b) N沟道
5、符号; (c) P沟道符号2) 工作原理它是利用UGS来控制“感应电荷”的多少，以改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道的状况，然后达到控制漏极电流的目的。3) 特性曲性（1）N沟道增强型绝缘栅场效应管的转移特性曲线。如图（5）(a)所示。 在uGSUGS（th）时, iD与uGS的关系可用下式表示: 4-11其中ID0是uGS=2UGS（th）时的iD值。 （2） N沟道增强型绝缘栅场效应管的输出特性曲线。如图（5）（b）所示。 图（5）N沟道增强型场效应管特性曲线 （a） 转移特性; （b） 输出特性2. 耗尽型绝缘栅场效应管的结构及工作原理 图（6）为N沟道耗尽型场效应管的结构图。 其结构
6、与增强型场效应管的结构相似, 不同的是这种管子在制造时, 就在二氧化硅绝缘层中掺入了大量的正离子。 图（6）耗尽型MOS管结构及符号图(a) N沟道结构图; （b） N沟道符号; （c） P沟道符号在uGS UGS（off）时, iD与uGS的关系可用下式表示: 4-22图（7）N沟道耗尽型场效应管特性曲线 （a） 转移特性; （b） 输出特性图（7）MOS场效应管电路符号 表4-1 各种场效应管的符号和特性曲线 类型符号和极性转移特性输出特性uGSOIDSSiDUPuGSOIDSSiDUPi uDSOuGS0 V1 VD2 V3 VuGSUP4 VuDSOuGS0 V1 ViD2 V3 Vu
7、GSUP4 VuDSOuGS5 ViD3 VuGSUT2 V4 VuGSiDOUTGSD+iD+GSD+iD+GSD+iD+BJFETP沟道JFETN沟道增强型N MOSuGSOiDUPIDSSiDOUTuGSuGSOIDSSiDUPuDSOuGS0 ViD2 VuGSUP4 V2 ViD5 VuGSUT3 VO uDS4 VuGS6 V iD2 VuGSUP4 VO uDS2 VuGS0 VGSD+iDB+GSD+iD+BGSD+iDB+耗尽型N MOS增强型P MOS耗尽型P MOS4.3 场效应管的主要参数 4.3.1 直流参数1. 饱和漏极电流IDSS IDSS是耗尽型和结型场效应管的
8、一个重要参数, 它的定义是当栅源之间的电压UGS等于零, 而漏、源之间的电压UDS大于夹断电压UP时对应的漏极电流。 2. 夹断电压UP UP也是耗尽型和结型场效应管的重要参数, 其定义为当UDS一定时,使ID减小到某一个微小电流(如1A, 50A)时所需的UGS值。 3. 开启电压UT UT是增强型场效应管的重要参数, 它的定义是当UDS一定时, 漏极电流ID达到某一数值(例如10A)时所需加的UGS值。 4. 直流输入电阻RGS RGS是栅、源之间所加电压与产生的栅极电流之比。由于栅极几乎不索取电流, 因此输入电阻很高。 结型为106 以上, MOS管可达1010以上。 4.3.2 交流参
9、数1. 低频跨导gm 它是描述栅、源电压对漏极电流的控制作用。 跨导gm的单位是mA/V。它的值可由转移特性或输出特性求得。 根据场效应管的特性曲线求gm 2极间电容场效应管三个电极之间的电容,包括CGS、CGD和CDS。这些极间电容愈小, 则管子的高频性能愈好。 一般为几个pF。 4.3.3 极限参数1.漏极最大允许耗散功率PDmPDm与ID、UDS有如下关系: 这部分功率将转化为热能, 使管子的温度升高。PDm决定于场效应管允许的最高温升。 2.漏、源间击穿电压BUDS 在场效应管输出特性曲线上, 当漏极电流ID急剧上升产生雪崩击穿时的UDS。工作时外加在漏、源之间的电压不得超过此值。3.
10、 栅源间击穿电压BUGS 结型场效应管正常工作时, 栅、源之间的PN结处于反向偏置状态, 若UGS过高, PN结将被击穿。 对于MOS场效应管, 由于栅极与沟道之间有一层很薄的二氧化硅绝缘层, 当UGS过高时, 可能将SiO2绝缘层击穿, 使栅极与衬底发生短路。这种击穿不同于PN结击穿, 而和电容器击穿的情况类似, 属于破坏性击穿, 即栅、 源间发生击穿, MOS管立即被损坏。 4.4 场效应管的特点(1) 场效应管是一种电压控制器件, 即通过UGS来控制ID。 (2) 场效应管输入端几乎没有电流, 所以其直流输入电阻和交流输入电阻都非常高。(3) 由于场效应管是利用多数载流子导电的, 因此,
11、 与双极性三极管相比, 具有噪声小、受幅射的影响小、热稳定性较好而且存在零温度系数工作点等特性。 (4) 由于场效应管的结构对称, 有时漏极和源极可以互换使用, 而各项指标基本上不受影响, 因此应用时比较方便、 灵活。 (5) 场效应管的制造工艺简单, 有利于大规模集成。 场效应管的零温度系工作点 (6) 由于MOS场效应管的输入电阻可高达1015, 因此, 由外界静电感应所产生的电荷不易泄漏, 而栅极上的SiO2绝缘层又很薄, 这将在栅极上产生很高的电场强度, 以致引起绝缘层击穿而损坏管子。(7) 场效应管的跨导较小, 当组成放大电路时, 在相同的负载电阻下, 电压放大倍数比双极型三极管低。 栅极过压保护电路 4.5 场效应管放大电路 4.5.1 静态工作点与偏置电路 1.图解法由漏极回路写出方程图（8）自给偏压电路 求自给偏压电路Q点的图解2.计算法 场效应管的Id和Ugs之间的关系：IDSS为饱和漏极电流,UP为夹断电压, 可由手册查出。 【例1】 电路如图（8）所示, 场效应管为3DJG, 其输出特性曲线如图4 - 18所示。已知RD=2 k, RS=1.2 k,UDD=15V, 试用图解法确定该放大器的静态工作点。解 写出输出回路的电压电流方程, 即直流负载线
