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1、第3章 场效应管及其放大电路分析 模拟电子技术模拟电子技术第3章 场效应管及其放大电路分析 范立南范立南 恩莉恩莉 代红艳代红艳 李雪飞李雪飞中国水利水电出版社中国水利水电出版社第3章 场效应管及其放大电路分析 第第3章章 场效应管及其放大电路分析场效应管及其放大电路分析3.1 场效应管的基本概念场效应管的基本概念3.2 场效应管放大电路的分析场效应管放大电路的分析第3章 场效应管及其放大电路分析 场效应管按照结构不同，可分为结型场效应管和绝缘栅型场效场效应管按照结构不同，可分为结型场效应管和绝缘栅型场效应管两大类；应管两大类；结型场效应管（结型场效应管（Junction Field Effe
2、ct Transistor，简称，简称JFET）按照制造工艺和材料不同，可分为）按照制造工艺和材料不同，可分为N沟道结型场效应管沟道结型场效应管和和P沟道结型场效应管两种。沟道结型场效应管两种。现以现以N沟道结型场效应管为例，介绍结型场效应管的结构、工沟道结型场效应管为例，介绍结型场效应管的结构、工作原理、特性曲线及主要参数。作原理、特性曲线及主要参数。 3.1 场效应管的基本概念场效应管的基本概念 3.1.1结型场效应管结型场效应管第3章 场效应管及其放大电路分析 1结构结构N沟道结型场效应管的结构示意图及符号如图所示：沟道结型场效应管的结构示意图及符号如图所示： 第3章 场效应管及其放大电
3、路分析 N沟道结型场效应管是在一块掺杂浓度较低的沟道结型场效应管是在一块掺杂浓度较低的N型半导体型半导体上，制作两个高浓度的上，制作两个高浓度的P型区（称为型区（称为 型区），从而形成两型区），从而形成两个个PN结。结。将两个将两个 型区连接在一起，引出一个电极，称为型区连接在一起，引出一个电极，称为栅极（用栅极（用g表示）；在表示）；在N型半导体的两端各引出一个电极，分型半导体的两端各引出一个电极，分别称为漏极（用别称为漏极（用d表示）和源极（用表示）和源极（用s表示）。表示）。两个两个PN结中间的结中间的N型区是漏极和源极之间的电流沟道，称为型区是漏极和源极之间的电流沟道，称为导电沟道。由
4、于导电沟道是导电沟道。由于导电沟道是N型区，其多子是自由电子，故型区，其多子是自由电子，故称为称为N沟道结型场效应管；沟道结型场效应管；其符号箭头方向是从栅极指向沟道，即从其符号箭头方向是从栅极指向沟道，即从P区指向区指向N区。区。 第3章 场效应管及其放大电路分析 P沟道结型场效应管的结构示意图及符号如图所示：沟道结型场效应管的结构示意图及符号如图所示： 第3章 场效应管及其放大电路分析 2工作原理工作原理（1） ， 情况情况第3章 场效应管及其放大电路分析 当当N沟道沟道JFET的栅的栅-源和漏源和漏-源之间均未加电压时，耗尽层很源之间均未加电压时，耗尽层很窄，导电沟道很宽，沟道电阻很小。
5、窄，导电沟道很宽，沟道电阻很小。当当栅栅-源源之之间间加加反反向向电电压压，漏漏-源源之之间间不不加加电电压压时时，由由于于栅栅-源源之间加反向电压，耗尽层加宽，导电沟道变窄，沟道电阻增之间加反向电压，耗尽层加宽，导电沟道变窄，沟道电阻增大，且随着外加反向电压的增大，耗尽层进一步加宽，导电大，且随着外加反向电压的增大，耗尽层进一步加宽，导电沟道随之变窄，沟道电阻随之增大。沟道随之变窄，沟道电阻随之增大。当外加反向电压增大至某一数值时，两侧的耗尽层相遇，整当外加反向电压增大至某一数值时，两侧的耗尽层相遇，整个沟道被夹断，沟道电阻趋于无穷大。此时所对应的栅个沟道被夹断，沟道电阻趋于无穷大。此时所对
6、应的栅-源源电压称为夹断电压。电压称为夹断电压。第3章 场效应管及其放大电路分析 （2） ， 情况情况第3章 场效应管及其放大电路分析 当当栅栅-源源之之间间加加反反向向电电压压，漏漏-源源之之间间加加正正向向电电压压时时，由由于于栅栅-源之间加反向电压，耗尽层加宽，导电沟道变窄，沟道电阻源之间加反向电压，耗尽层加宽，导电沟道变窄，沟道电阻增大；增大；设栅设栅-源之间所加反向电压为范围内的某一固定值。此时由源之间所加反向电压为范围内的某一固定值。此时由于漏于漏-源之间加正向电压，就有从漏极到源极的漏极电流产源之间加正向电压，就有从漏极到源极的漏极电流产生。由于漏极电流在流经导电沟道时会产生电压
7、降，使得沟生。由于漏极电流在流经导电沟道时会产生电压降，使得沟道上各点与栅极之间的电压不再相等，从而导致沟道中耗尽道上各点与栅极之间的电压不再相等，从而导致沟道中耗尽层的宽度进一步变得不等宽。层的宽度进一步变得不等宽。第3章 场效应管及其放大电路分析 由于漏极电流在流经导电沟道时产生的电压降从漏极到源极由于漏极电流在流经导电沟道时产生的电压降从漏极到源极逐渐增大，沟道上各点的电位从漏极到源极逐渐减小，即漏逐渐增大，沟道上各点的电位从漏极到源极逐渐减小，即漏极处的电位最大；源极处的电位最小为零，所以沟道上各点极处的电位最大；源极处的电位最小为零，所以沟道上各点与栅极之间的电压从漏极到源极逐渐减小
8、，使得漏极处的耗与栅极之间的电压从漏极到源极逐渐减小，使得漏极处的耗尽层最宽，从漏极到源极耗尽层宽度逐渐减小，从而沟道宽尽层最宽，从漏极到源极耗尽层宽度逐渐减小，从而沟道宽度从漏极到源极逐渐增大，沟道电阻从漏极到源极逐渐减度从漏极到源极逐渐增大，沟道电阻从漏极到源极逐渐减小。小。随着的进一步增大，沟道在漏极处发生预夹断，即漏极处两随着的进一步增大，沟道在漏极处发生预夹断，即漏极处两侧的耗尽层相遇，如图示。此后继续增大，只是夹断区沿沟侧的耗尽层相遇，如图示。此后继续增大，只是夹断区沿沟道进一步加长，漏极电流不再增加，达到饱和。道进一步加长，漏极电流不再增加，达到饱和。 第3章 场效应管及其放大电
9、路分析 3特性曲线特性曲线 转移特性曲线是用于描述漏转移特性曲线是用于描述漏-源电压一定情况下，漏极电流源电压一定情况下，漏极电流与栅与栅-源电压之间关系的曲线，即源电压之间关系的曲线，即 。 N沟道沟道JFET的转移特性曲线如图所示。的转移特性曲线如图所示。第3章 场效应管及其放大电路分析 输出特性曲线是用于描述栅输出特性曲线是用于描述栅-源电压一定情况下，漏极电流源电压一定情况下，漏极电流与漏与漏-源电压之间关系的曲线，即源电压之间关系的曲线，即 。N沟道沟道JFET的输出特性曲线如图所示。的输出特性曲线如图所示。第3章 场效应管及其放大电路分析 4主要参数主要参数（1）直流参数）直流参数
10、夹夹断断电电压压：是是指指漏漏-源源电电压压为为某某定定值值时时，使使漏漏极极电电流流为为0或或某一微小数值（如某一微小数值（如10）时的栅）时的栅-源电压值。源电压值。饱饱和和漏漏电电流流：是是指指栅栅-源源电电压压 时时，管管子子发发生生预预夹夹断时所对应的漏极电流值。断时所对应的漏极电流值。直直流流输输入入电电阻阻：是是指指在在漏漏-源源之之间间短短路路时时，栅栅-源源电电压压与与栅栅极电流的比值。一般极电流的比值。一般 。第3章 场效应管及其放大电路分析 （2）交流参数）交流参数低低频频跨跨导导：是是指指漏漏-源源电电压压为为某某定定值值时时，漏漏极极电电流流的的变变化化量与对应栅量与
11、对应栅-源电压的变化量的比值，单位为源电压的变化量的比值，单位为S。极极间间电电容容：场场效效应应管管的的三三个个电电极极间间存存在在着着极极间间电电容容，即即栅栅源电容、栅漏电容和漏源电容。源电容、栅漏电容和漏源电容。输输出出电电阻阻：是是指指在在恒恒流流区区内内，当当栅栅-源源电电压压为为某某定定值值时时，漏漏-源源电电压压的的变变化化量量与与漏漏极极电电流流的的变变化化量量的的比比值值。是是用用于于反反映映漏漏-源源电电压压对对漏漏极极电电流流的的影影响响的的参参数数，体体现现在在输输出出特特性曲线上，即是曲线上某点切线斜率的倒数。性曲线上，即是曲线上某点切线斜率的倒数。第3章 场效应管
12、及其放大电路分析 （3）极限参数）极限参数最最大大漏漏电电流流：是是指指管管子子正正常常工工作作时时所所允允许许通通过过的的漏漏极极电电流流的最大值。的最大值。最最大大耗耗散散功功率率：是是决决定定管管子子温温升升的的参参数数，超超过过此此值值时时，管管子会因过热而被烧坏。子会因过热而被烧坏。漏漏源源击击穿穿电电压压：是是指指随随着着漏漏-源源电电压压的的增增加加，使使得得漏漏极极电电流流急急剧剧增增加加是是的的漏漏-源源电电压压值值。正正常常工工作作时时，若若超超过过此此值值，管子将会被击穿。管子将会被击穿。栅栅源源击击穿穿电电压压：是是指指栅栅源源间间所所能能承承受受的的最最大大电电压压。
13、正正常常工工作时，若超过此值，栅极和沟道间的作时，若超过此值，栅极和沟道间的PN结将会被击穿。结将会被击穿。第3章 场效应管及其放大电路分析 3.1.2 绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管MOS管按照制造工艺和材料不同，可分为管按照制造工艺和材料不同，可分为N沟道和沟道和P沟道；沟道；MOS管按照工作方式不同，又可分为增强型和耗尽型；管按照工作方式不同，又可分为增强型和耗尽型；因此因此MOS管可分为管可分为N沟道增强型、沟道增强型、P沟道增强型、沟道增强型、 N沟道耗沟道耗尽型和尽型和P沟道耗尽型四种。沟道耗尽型四种。增强型增强型MOS管与耗尽型管与耗尽型MOS管的区别是：增强型管的区别是：增强
14、型MOS管在管在栅栅-源之间未加电压时，无导电沟道；只有当栅源之间未加电压时，无导电沟道；只有当栅-源之间加上源之间加上电压后，才能产生导电沟道。而耗尽型电压后，才能产生导电沟道。而耗尽型MOS管在栅管在栅-源之间源之间未加电压时，已经存在导电沟道。未加电压时，已经存在导电沟道。以以N沟道增强型沟道增强型MOS管为例，介绍管为例，介绍MOS管的结构、工作原管的结构、工作原理及特性曲线。理及特性曲线。第3章 场效应管及其放大电路分析 1结构结构增强型增强型NMOS管的结构示意图如图所示。管的结构示意图如图所示。第3章 场效应管及其放大电路分析 增强型增强型NMOS、 PMOS管的符号如图所示。管
15、的符号如图所示。 第3章 场效应管及其放大电路分析 耗尽型耗尽型NMOS、 PMOS管的符号如图所示。管的符号如图所示。 第3章 场效应管及其放大电路分析 2工作原理工作原理（1） 情况情况当栅当栅-源之间未加电压时，漏源之间未加电压时，漏-源之间是一对背靠背的源之间是一对背靠背的PN结，结，所以无论漏所以无论漏-源之间加正向电压还是反向电压，总有一个源之间加正向电压还是反向电压，总有一个PN结是截止的，漏结是截止的，漏-源之间没有导电沟道，也没有漏极电流产源之间没有导电沟道，也没有漏极电流产生，如图示。生，如图示。第3章 场效应管及其放大电路分析 （2） ， 情况情况当漏当漏-源之间不加电压
16、，栅源之间不加电压，栅-源之间加正向电压时，由于栅极源之间加正向电压时，由于栅极和衬底之间相当于以绝缘层为介质的平板电容器，在栅和衬底之间相当于以绝缘层为介质的平板电容器，在栅-源源正向电压的作用下，栅极表面会积累正电荷，该正电荷能够正向电压的作用下，栅极表面会积累正电荷，该正电荷能够吸引衬底中的少子自由电子，排斥衬底中的多子空穴，使得吸引衬底中的少子自由电子，排斥衬底中的多子空穴，使得栅极附近的栅极附近的P型衬底中留下不能移动的负离子，形成耗尽型衬底中留下不能移动的负离子，形成耗尽层。层。随着外加栅随着外加栅-源电压的增加，耗尽层将继续加宽，当增加至源电压的增加，耗尽层将继续加宽，当增加至一
17、定值时，自由电子将被吸引到绝缘层与耗尽层之间，形成一定值时，自由电子将被吸引到绝缘层与耗尽层之间，形成一个一个N型薄层，称为反型层，这个反型层即是漏型薄层，称为反型层，这个反型层即是漏-源之间的导源之间的导电沟道。开始形成反型层时的栅电沟道。开始形成反型层时的栅-源电压，称为开启电源电压，称为开启电压。形成反型层后，继续增加，反型层将加宽，沟道电阻将压。形成反型层后，继续增加，反型层将加宽，沟道电阻将减小。如图示。减小。如图示。第3章 场效应管及其放大电路分析 第3章 场效应管及其放大电路分析 （3） ，且为定值，且为定值， 情况情况设栅设栅-源之间所加电压为的某一固定值，漏源之间所加电压为的
18、某一固定值，漏-源之间加正向电源之间加正向电压。由于压。由于 ，所以漏，所以漏-源之间的导电沟道已经形成，源之间的导电沟道已经形成，又由于漏又由于漏-源电压源电压 ，所以有从漏极到源极的漏极电，所以有从漏极到源极的漏极电流产生。由于漏极电流在流经导电沟道时会产生电压降，使流产生。由于漏极电流在流经导电沟道时会产生电压降，使得沟道上各点与栅极之间的电压不再相等，从而导致沟道宽得沟道上各点与栅极之间的电压不再相等，从而导致沟道宽度进一步变得不等宽。如图示。度进一步变得不等宽。如图示。第3章 场效应管及其放大电路分析 第3章 场效应管及其放大电路分析 由于漏极电流在流经导电沟道时产生的电压降从漏极到
19、源极由于漏极电流在流经导电沟道时产生的电压降从漏极到源极逐渐增大，沟道上各点的电位从漏极到源极逐渐减小，所以逐渐增大，沟道上各点的电位从漏极到源极逐渐减小，所以沟道上各点与栅极之间的电压从漏极到源极逐渐增大，从而沟道上各点与栅极之间的电压从漏极到源极逐渐增大，从而沟道宽度从漏极到源极逐渐增大，沟道电阻从漏极到源极逐沟道宽度从漏极到源极逐渐增大，沟道电阻从漏极到源极逐渐减小。渐减小。随着的进一步增大，增至使随着的进一步增大，增至使 时，沟道在漏极处时，沟道在漏极处发生预夹断。此后发生预夹断。此后 继续增大，只是夹断区沿沟道进一步继续增大，只是夹断区沿沟道进一步加长，漏极电流不再增加，达到饱和。加
20、长，漏极电流不再增加，达到饱和。第3章 场效应管及其放大电路分析 3特性曲线特性曲线增强型增强型NMOS的转移和输出特性曲线如图所示。的转移和输出特性曲线如图所示。 第3章 场效应管及其放大电路分析 耗尽型耗尽型NMOS管的结构示意图如图所示。管的结构示意图如图所示。第3章 场效应管及其放大电路分析 其转移特性曲线及输出特性曲线如图所示。其转移特性曲线及输出特性曲线如图所示。第3章 场效应管及其放大电路分析 4主要参数主要参数MOS管的主要参数与管的主要参数与JFET的参数基本相同，所不同的是：的参数基本相同，所不同的是：夹断电压是夹断电压是JFET和耗尽型和耗尽型MOS管的参数；对于增强型管
21、的参数；对于增强型MOS管来说，由于在未加栅源电压时，无导电沟道，只有当栅源管来说，由于在未加栅源电压时，无导电沟道，只有当栅源之间加上正向电压时，才会产生导电沟道，所以其参数应该之间加上正向电压时，才会产生导电沟道，所以其参数应该是开启电压。是开启电压。开启电压：是指漏开启电压：是指漏-源电压为某定值时，使漏极电流产生的源电压为某定值时，使漏极电流产生的所需的的最小值。所需的的最小值。第3章 场效应管及其放大电路分析 例：转移特性曲线如图所示。试判断：（例：转移特性曲线如图所示。试判断：（1）该管为何种类）该管为何种类型？（型？（2）从该曲线可以求出该管的夹断电压还是开启电）从该曲线可以求出
22、该管的夹断电压还是开启电压？值是多少？压？值是多少？解解：该该管管为为N沟沟道道结结型型场场效效应应管管，从从该该曲曲线线上上可可以以求求出出该该管管的夹断电压，其值是的夹断电压，其值是-4V。第3章 场效应管及其放大电路分析 【例例3-2】输出特性曲线如图所示。试判断该管为何种类输出特性曲线如图所示。试判断该管为何种类型？型？解：该管为解：该管为N沟道增强型沟道增强型MOS管。管。第3章 场效应管及其放大电路分析 3.2 场效应管放大电路的分析场效应管放大电路的分析按照输入输出回路公共端的不同，场效应管放大电路也分为按照输入输出回路公共端的不同，场效应管放大电路也分为共源、共漏和共栅三种组态
23、。共源、共漏和共栅三种组态。分析步骤为：分析步骤为：（1）求静态工作点）求静态工作点画直流通路；画直流通路；求静态工作点。求静态工作点。（2）求交流性能）求交流性能画交流通路；画交流通路；画交流等效电路；画交流等效电路；求交流性能。求交流性能。第3章 场效应管及其放大电路分析 3.2.1 共源放大电路的分析共源放大电路的分析1自偏压电路自偏压电路第3章 场效应管及其放大电路分析 直流通路：直流通路：第3章 场效应管及其放大电路分析 NMOS管的低频小信号简化等效电路如图所示。管的低频小信号简化等效电路如图所示。 第3章 场效应管及其放大电路分析 画交流通路画交流通路 第3章 场效应管及其放大电
24、路分析 画交流等效电路画交流等效电路 第3章 场效应管及其放大电路分析 求交流性能。求交流性能。第3章 场效应管及其放大电路分析 2分压式自偏压电路分压式自偏压电路分压式自偏压共源放大电路如图示。分压式自偏压共源放大电路如图示。第3章 场效应管及其放大电路分析 （1）求静态工作点）求静态工作点画直流通路画直流通路 第3章 场效应管及其放大电路分析 第3章 场效应管及其放大电路分析 （2）求交流性能）求交流性能画交流通路画交流通路 第3章 场效应管及其放大电路分析 画交流等效电路画交流等效电路 第3章 场效应管及其放大电路分析 求交流性能。求交流性能。第3章 场效应管及其放大电路分析 3.2.2
25、 共漏放大电路的分析共漏放大电路的分析基本共漏放大电路基本共漏放大电路 如图示：如图示：第3章 场效应管及其放大电路分析 （1）求静态工作点）求静态工作点画直流通路画直流通路 第3章 场效应管及其放大电路分析 第3章 场效应管及其放大电路分析 （2）求交流性能）求交流性能画交流通路画交流通路 第3章 场效应管及其放大电路分析 画交流等效电路画交流等效电路 第3章 场效应管及其放大电路分析 求交流性能求交流性能 第3章 场效应管及其放大电路分析 例：电路如图所示，已知例：电路如图所示，已知 ， ，管子的管子的 ， 。试求：（。试求：（1）静态工作）静态工作点；（点；（2）交流性能。）交流性能。第3章 场效应管及其放大电路分析 解：（解：（1）求静态工作点）求静态工作点画直流通路画直流通路第3章 场效应管及其放大电路分析 第3章 场效应管及其放大电路分析 （2）求交流性能）求交流性能画交流通路画交流通路 第3章 场效应管及其放大电路分析 画交流等效电路画交流等效电路 第3章 场效应管及其放大电路分析 求交流性能。求交流性能。
