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1、场效应管及其放大电路在学完三极管基本放大电路后，为进一步提高放大电路的输入电阻，适应多极放大电 路的要求，学习以场效应管组成的放大电路是十分必要的。本章主要介绍场效应管组成的两 种放大电路：共源极放大电路和共漏极放大电路。本章主要内容：4.1场效应管4.2共源极放大电路4.3共漏极放大电路（源极输出器）本章小结重点：场效应管的工作原理，场效应管放大电路的组成与性能分析。难点：场效应管放大电路的分析方法。坂回目录4.1 场效应管授课思路：场效应管有哪些类型，结构是什么样的-为什么称作为场效应管？-场效应管是通过 什么方式来控制漏集电流？-与三极管相比较，它又什么特点？场效应管是一种利用输入电压控
2、制输出电流大小的新型半导体器件，分为结型场效应 管和绝缘栅型场效应管两大类。4.1.1 结型场效应管1. 结型场效应管的结构和符号结型场效应管是利用半导体内的电场效应工作的，分N沟道和P沟道两种。在一块N 型半导体的两侧分别扩散出两个P型区，形成两个PN结，将两个P型区连接后形成一个 电极G称为栅极，从N型半导体的上下两端各引出一个电极，其中S称为源极，D称为漏 极，由于D、S间存在电流通道，故称为N沟道结型场效应管。P沟道结型场效应管的结构 与 N 沟道型类似，它们的结构和电路符号如图4.1 所示。2. 工作原理闕|NGGPSS图4卫用沟道结型场效应管的丄作原理我们以N沟道结型场效应管为例来
3、说明。如图4.2所示。当在漏极D和源极S之间加 上电源E D后，则在N型沟道中产生从漏极流向源极的电流I D。由PN结的特性可知， 若在栅极G和源极S间加上负电压E G，PN结的宽度增加，且负电压越大，PN结就越 宽，造成沟道变窄，沟道电阻变大，因此只要改变偏压UGS便可控制漏极电流ID的大 小，场效应管的电压控制作用就体现于此。当 E G 增大超过 U P （预夹断电压），沟道变窄到几乎消失，此时我们称发生了夹 断。其大小受这样沿着沟道方向产生一个连续的电压降落，因此沟道各点与栅极G之间的 电位差也不相等， E D =0，通常结型场效应管的栅、源极之间总是处于反向偏置状态，因此其输入电阻很高
4、，可 达 10 6 10 8 。3. 结型场效应管的特性曲线1）转移特性曲线转移特性曲线是在一定的漏-源电压U DS下，栅-源电压U GS与漏极电流I D之间 的关系。当U GS =-1V时，此时的I D称为饱和漏极电流I DSS，使I D接近于零的 栅极电压称为夹断电压 U P 。如图4.3 所示。实验表明，在U P U GS 0的范围内（对应于输出特性曲线中的恒流区），I D和 U GS 满足如下的平方关系I D = IDSS ( 1- U GS U P ) 2 (当 U P U GS 0)其中 I DSS 为饱和漏极电流。（ 2）输出特性曲线CB|4|A：可变电甲区恒流区C：击穿区 图4
5、.4结型场效应背的输出特性曲线丿in AtAL-csrOvJ也称为漏极特性曲线，它是在U GS 一定时，U DS和I D之间的关系曲线。可分 为三个区域：可变电阻区A、恒流区B和击穿区C,如图4.4所示。可变电阻区是因为在U DS U T， I D 0。G衬极耗尽层图4.6 M洵追増强型场效应管的丄作原理可见增强型绝缘栅场效应管的漏极电流 I D 是受栅极电压 U GS 控制的，它与结型场 效应管一样是电压控制型器件，所不同的是它必须在为 U GS 正且大于 U T 时才能工作。2. N 沟道耗尽型绝缘栅场效应管N 沟道耗尽型绝缘栅场效应管与增强型相同，只是它用的 Si O 2 绝缘层中掺有大
6、量的 正离子，所以管子在U GS =0时就能在P型衬底上感应出一个N型反型层沟道，只要在 DS间加上电压U DS，就有漏极电流I D产生。如果U GS 0则沟道加宽，I D随之 增大，反之如果U GS V0则沟道变窄，I D随之减小，这体现了栅极电压U GS对漏极 电流 I D 的控制作用；如果 U GS 负到一定数值则沟道彻底消失， I D =0，所以称为耗尽 型场效应管，它在U GS为正或负时都可以工作，图4.7所示的是N沟道和P沟道两种耗 尽型绝缘栅场效应管的结构和符号。閤斗.7權尽塑絶竦梱世场效应管的结枸与符号3绝缘栅型场效应管的特性曲线由于绝缘栅型场效应管分增强型和耗尽型两种，我们仅
7、以 N 沟道为例介绍绝缘栅型场 效应管的特性曲线。1)转移特性曲线Ah00图4启两种NMOS的转移特性曲线耗尽型U)增强趙增强型NMOS管的转移特性曲线如图4.8 (a)所示，U GS =0时，I D =0 ；只有 当U GS U T时才能使I D 0，U T称为开启电压。耗尽型NMOS管的转移特性曲线 如图4.8 (b)所示，在U GS =0时，就有I D ；若使I D减小，U GS应为负值，当U GS = U P 时，沟道被关断， I D =0 ， U P 称为夹断电压。对于增强型MOS在U GS U T时(对应于输出特性曲线中的恒流区)，I D和U GS 的关系为 I D = I D0
8、( U GS U T -1 ) 2，其中 I D0 是 U GS =2 U T 时的 I D 值。耗尽型MOS管的转移特性与结型管的转移特性相似，所以在U P U GS 0时，结型场效应管的PN结将处于正向偏置状态而产生较大的 栅极电流，这是不允许的；耗尽型MOS管由于Si O 2绝缘层的阻隔，不会产生PN结正 向电流，而只能在沟道内感应出更多的负电荷，使 I D 更大。( 2)输出特性曲线绝缘栅型场效应管的输出特性曲线和结型场效应管类似，同样也分成三个区：可调电 阻区、恒流区(饱和区)、击穿区，含义与结型场效应管相同，跨导g m = I D U GS的 定义及其含义也完全相同。4.1.3 场
9、效应管的特点、参数及使用注意事项1. 场效应管的特点场效应管是电压控制型器件，它不向信号源索取电流，有很高的输入电阻，而且噪声 小、热稳定性好，因此宜于做低噪声放大器，特别是低功耗的特点使得在集成电路中大量采 用。2场效应管的主要参数夹断电压U P :指当U DS值一定时，结型场效应管和耗尽型MOS管的I D减小 到接近零时 U GS 的值称为夹断电压。开启电压 U T :指当 U DS 值一定时，增强型 MOS 管开始出现 I D 时的 U GS 值 称为开启电压。跨导g m :指U DS 一定时，漏极电流变化量 I D与栅-源极电压变化量 U GS之 比。最大耗散功率 P CM :指管子正
10、常工作条件下不能超过的最大可承受功率。3. 使用注意事项（1）场效应管的栅极切不可悬空。因为场效应管的输入电阻非常高，栅极上感应出的 电荷不易泄放而产生高压，从而发生击穿损坏管子。（2）存放时，应将绝缘栅型场效应管的三个极相互短路，以免受外电场作用而损坏管 子，结型场效应管则可开路保存。（3）焊接时，应先将场效应管的三个电极短路，并按源极、漏极、栅极的先后顺序焊 接。烙铁要良好接地，并在焊接时切断电源。（4）绝缘栅型场效应管不能用万用表检查质量好坏，结型场效应管则可以。4.1.4 场效应管的选择方法1. 当控制电压可正可负时，应选择耗尽型场效应管。2. 当信号内阻很高时，为得到较好的放大作用和
11、较低的噪声，应选用场效应管；而当信 号内阻很低时，应选用三极管。3. 在低功耗、低噪声、弱信号和超高频时，应选用场效应管。4. 在作为双向导电开关时应选场效应管。坂回页首4.2 共源极放大电路由于场效应管具有高输入阻抗的特点，所以特别适用于作为多极放大电路的输入级， 尤其是对于高内阻的信号源，采用场效应管才能有效地放大。由于场效应管的源极、漏极、栅极分别对应于三极管的发射极、集电极、基极，所以 两者放大电路也类似，场效应管也有共源极放大电路和共漏极放大电路（源极输出器）。在 场效应管放大电路中需要设置合适的静态工作点，否则也将造成输出信号的失真。4.2.1 场效应管的简化小信号模型在输入信号很
12、小时，如果场效应管工作于恒流区，此时 I D 大小线性的受控于 U GS ， 因此可得到场效应管的简化小信号模型如图4.9 所示。G ooo DS圈9场效应管的简化小信号模型由于场效应管是电压控制元件，是用 U GS 控制 I D 的大小，所以在组成放大电路时 必须注意这一点。4.2.2 自给偏压式放大电路图 4.10（ a ）是耗尽型绝缘栅场效应管的自给偏压电路。源极电流 I S （等于 I D ） 流经源极电阻R S，在R S上产生电压降I S R S，显然U GS = I S R S = I D R S ，该电压即为自给偏压。+C;r0C：O4+10他）耗尽型绝躱栅场效应管的自给偏压H路5 1沟道结型场效应管的自给編压电路电路中各元件的作用如下：R S 为源极电阻，由上面分析可知放大电路的静态工作点受它控制，其阻值约为几个 千欧。CS为源极交流旁路电容，容量约为几十微法。C1、C2为耦合电容。R G 为栅极电阻，构成栅极和源极之间的直流通路，但无直流通过，只用于设置栅- 源极间的偏置电压。不能太小，否则将
