场效应管及其放大电路

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1、3. 场效应管及其放大电路 （文字材料）本章概要本章首先介绍结型场效应管和绝缘栅型场效应管的结构、放大原理、伏安特性以及主要电参 数，然后讨论了场效应管的微变等效电路，分析了场效应管和晶体管的特点，并讨论了场效应管 组成的共源极、共漏极和共栅极三种基本放大电路的工作原理、特性分析及参数计算。本章内容的组成及结构J结型场效应管类型i绝缘栅型场效应管结构、类型（N沟道、P沟道）、符号 结型円工作原理I伏安特性、主要参数场效应管及其放大电路场效应管（FET）绝缘栅型结构类刑J按工作方式：增强型、耗尽型结构、类型丫按导电沟道：n沟道、P沟道 工作原理伏安特性、主要参数场效应管的小信号模型（微变等效电路

2、）场效应管与晶体管的比较场效应管基本放大电路场效应管的偏置及静态分析J共源极放大电路 三种基本放大电路的动态分析共漏极放大电路 共栅极放大电路学习目标1）熟练掌握场效应管的伏安特性；2）熟练掌握场效应管的微变等效电路；3）熟练掌握场效应管组成的三种基本放大电路的组成、工作原理及静态和动态分析4）了解三种放大电路的各自特点及应用场合；5）了解场效应管与双极型三极管的异同点。重难点指导重点:1）结型及 MOS 型场效应管的工作原理及伏安特性；2）共源极和共漏极放大电路的静态及动态参数计算； 难点：（1）场效应管跨导的概念以及微变等效电路；（2）场效应管放大电路的静态与动态主要指标计算。本章导学1.

3、场效应管1场效应管（FET）有结型场效应管（JFET）和绝缘栅型场效应管（IGFET）两大类型。它们都 有N沟道和P沟道两类。IGFET又分为增强型和耗尽型；JFET只有耗尽型。IGFET大多制成金属一 氧化物一半导体结构，简称为MOSFET。2场效应管与半导体三极管的区别1.半导体三极管（晶体管）是一种电流控制器件，有两种载流子参与导电，属于双极型器件， 因此又常称半导体三极管为双极型晶体管；场效应管只靠一种载流子（多数载流子）导电，属于 单极型器件，因此又常称场效应管为单极型晶体管，它是一种电压控制器件，0,具有输入电 阻高的特点。3场效应管的工作原理a. 控制漏极电流的基本原理：通过控制

4、电压的变化改变场效应管导电沟道的宽度，以改变 其电阻的大小来控制漏极电流。b. JFET和MOSFET在控制漏极电流方式上的区别：JFET通过控制电压的变化改变耗尽层 的宽度来控制漏极电流；MOSFET利用半导体表面的电场效应，直接改变作为导电沟道的反型层 宽度，以达到控制漏极电流的目的。4. 场效应管的伏安特性由于FET的 存0所以只给出输出特性和由它派生的转移特性。各类FET的输出特性曲线如 表3.1中所示。a. 输出特性L = f UDS）lGS 一定由输出特性曲线可见，FET有三个工作区：可变电阻区沟道尚未出现予夹断，管子可看作是一个由电压控制的可变电阻。在不同的uGS 下，曲线上升的

5、斜率不同，电阻值也不同。恒流区一一沟道出现予夹断，只受uGS控制，几乎不随uDS的改变而变化，输出特性曲线 几乎成为水平的直线。恒流区又称饱和区或放大区。夹断区一一管子处于沟道完全夹断的情况，怎0夹断区也称为截止区。b. 转移特性：iD = f UGS） |DS 一定它描述了场效应管的uGS对iD的控制能力。5. 场效应管的主要参数a. 直流参数：开启电压UGS（七小（适用于增强型MOSFET ）;夹断电压UGS（off?零偏漏极电流 IDSS （适用于耗尽型FET）。b. 交流参数：极间电容Cgs、Cds、Cgd ；跨导gm （也称互导），它是管子在保持UDS定时， 漏极电流微变量与栅源极间

6、电压微变量duGS的比值，即：g 产（3.1）m dUuds-定GSc.极限参数:漏极最大允许耗散功率Pdsm，相当于双极型晶体管的PCM；最大漏极电流/Dsm， 是管子在工作时允许的漏极电流最大值，相当于双极型晶体管的/cm ；栅源击穿电压U（br）gs及漏 源击穿电压U（br）ds。6.场效应管的小信号模型:场效应管的小信号模型，即微变等效电路如图3.1 所示。（ a ） FET 的微变等效电路 （ b ） FET 简化的微变等效电路（ c） FET 的高频小信号模型2. 基本放大电路（1）场效应管的直流偏置a. 自给偏置：由于耗尽型场效应管在UGS=0时就有漏极电流/D流过管子，利用这一

7、电流在 源极电阻RS上的电压降就可以给管子提供直流偏置电压。称这种直流偏置方式为自给偏置，产生 的偏置电压称为自给偏压。自给偏置只适用于结型或耗尽型场效应管，即JFET和耗尽型FET。b. 分压式偏置：在源极电阻RS上产生自给偏压的基础上，再通过栅极电阻分压提供一定的 栅极电位，使ugsq有可能小于零、也有可能大于零，以适合不同类型场效应管对直流偏置的要求， 使之工作于恒流区，称这种直流偏置方式为分压式偏置。产生的偏置电压称为分压式自给偏压。 分压式偏置既适用于耗尽型FET，也适用于增强型FET。（2）三种基本放大电路：场效应管基本放大电路也有三种基本组态：共源极、共漏极及共栅 极。它们的组态

8、判别和特点分别如表3.2和表 3.3。表3.2场效应管三种基本组态的判别电路组态输入信号所接电极输出信号所接电极共源极栅极（g）漏极（d）共漏极栅极（g）源极（s）共栅极源极（S）漏极（d）表 3.3 场效应管三种基本放大电路性能比较性能共源极共漏极共栅极u.与u相位关系反相同相同相电压放大能力有无有输入电阻R.大大小输出电阻R较大小较大电压极性转移特性输出特性UGS(off)或 UGS(th)作式工方耗尽型 增强型绝缘栅型N沟道0U GS =0、P沟道的 uDS0时，若uGS=0，沟道已经导通，流过沟道的电流为IDSS，称为零偏漏极电流；若uGS=UGS(off)， 流过沟道的电流几乎为零，

9、沟道完全夹断。称UGS(off)(或记作q)为夹断电压，N沟道耗尽型 FET 的 UGS(off)0o增强型MOSFET的工作特点：uGS=0时，导电沟道尚未形成；只有当uGS达到一定值时，在 漏极和源极之间才出现反型层，形成导电沟道，相当于管子开启，故称这一电压为开启电压，记 作 UGS(th)(或 UT)o N 沟道增强型 MOSFET 的 UGS(th)0，P 沟道增强型 MOSFET 的 UGS(th)0、P沟道的uDS 0时，uDS值从零开始增加，ZD值几乎随之线性增大；uDS值增大到一定数值时，靠近漏极处的 沟道出现夹断(称为予夹断)，iD值几乎不再随uDS的增大而改变。出现予夹断

10、时的uDS值称为予 夹断电压，uGS值不同时对应的予夹断电压也不同。3. 场效应管的非线性场效应管是非线性器件，若 Q 点设置不合理或输入信号幅度过大，动态时工作点将进入可变 电阻区或进入截止区，也会产生非线性失真将使输出波形畸变，甚至出现输出波形的顶部或底部 被削平。4. 场效应管的小信号模型 场效应管是非线性器件，当输入信号比较小时，可以用近似的线性电路(微变等效电路)替代非线性的场效应管。但当输入信号幅度较大时，只能采用图解法分析电路。场效应管的微变等效电路与第2 章学习的晶体管微变等效电路不同，它是电压控制电流源，输 入回路的u的控制输出电流id值。gsd相关电路分析与计算1 场效应管

11、1) FET 予夹断轨迹的函数表达式a. 耗尽型uDS=uGSUGS(off)( 3.2)b. 增强型uDS=uGSUGS(th)( 3.3)它们是判断FET工作于可变电阻还是恒流区的依据。2) FET工作于恒流区时，转移特性的数学表达式a.耗尽型iD 二側-少2(3.4)UGS(off)b.增强型3.6)3.7)（a）图 3.2 场效应管的直流偏置电路（a）自给偏置 （b）分压式偏置Jb）1）自给偏置：解方程组2GS(off)3.8a)UGSQ= IDQRS可得两组解，舍去其中不合实际的一组解，即可求得/DQ、UGSQ ；再求UDSQ=VDDIDQ（RD+RS）3.8b)3.9)2）分压式偏

12、置a.耗尽型：解方程组JDQ - /OSS和2U GS(off)3.10a)iD 二仁严-INU GS(th)式中的IDO为UGS=2UGS（th）时的iD值。3）跨导： FET 工作于恒流区时，跨导可通过对转移特性数学表达式的求导得到 a.耗尽型冷卩-沖=宀:EGS(off)GS(off)GS(off)b.增强型g=2JJgm | J| I DODQ| U GS(th) |2. 场效应管两种直流偏置电路的静态计算场效应管两种常用的直流偏置电路如图3.2所示。RU =工 V I RGSQ r + r DD DQ SRG1 十 RG2可得两组解，舍去其中不合实际的一组解，即可求得/DQ、UGSQ

13、 b.增强型：解方程组DQ 二人。4 - INUGS(th)3.11a)RU =G2_ V I RGSQ r + r DD DQ SRG1 十 RG2可得两组解，舍去其中不合实际的一组解，即可求得/DQ、Ugsq。 分压式偏置电路的UDSQ计算与自给偏置电路相同，可用公式（3.9） 3场效应管基本放大电路的动态计算3.11b)进行。（a）共源极放大电路（b）微变等效电路 （c）求尺。的等效电路1）共源极放大电路（放大电路及其微变等效电路如图3.3 所示）二 U 二-gm(RD RL)二gmR Li3.12a)3.12b)R= UO7-U=o = RdRl3.12c)2）共漏极放大电路（放大电路及其微变等效电路如图3.4 所示）（ a）（ b）（ c）图 3.4 共漏极放大电路动态分析（a）共漏极放大电路（b）微变等效电路 （c）求尺。的等效电路A = Uo = gm（ RS R） = 土U U 1 + gm（RS RL）1 + gmR L R = U=RgiR= U0 I=Rs 丄 u i=ogmRl=g3）共栅极放大电路（放大电路及其微变等效电路如图3.5 所示）U0 = gm（Rd Rl）= gmR3.13b）3