(5.3)--第三章 场效应管及其放大电路.pdf

《(5.3)--第三章 场效应管及其放大电路.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《(5.3)--第三章 场效应管及其放大电路.pdf（30页珍藏版）》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、 第三章 场效应管及其放大电路 119 理理 工工 大大 学学 教教 案案 第 七 次课 教学课型：理论课 实验课 习题课 实践课 技能课 其它主要教学内容（注明：*重点#难点）：3.1 结型场效应管 3.1.1 结型场效应管的结构 3.1.2 结型场效应管的工作原理 3.1.3 结型场效应管的特性曲线 3.2 绝缘栅型场效应管 3.2.1 N 沟道增强型 MOS 场效应管 3.2.2 N 沟道耗尽型 MOS 场效应管 3.3 场效应管的主要参数及特点 3.3.1 场效应管的主要参数 3.3.2 场效应管的特点及使用注意事项 重点：1.结型场效应管的结构及其工作原理 2.N 沟道耗尽型和增强型

2、 MOS 场效应管的工作原理及二者的差异 难点：N 沟道增强型 MOS 场效应管的工作原理 教学目的要求：1.结型场效应管的结构，理解其工作原理 2.了解结型场效应管的特性曲线和主要参数 3.掌握 N 沟道增强型 MOS 场效应管结构及工作原理 4.了解 N 沟道耗尽型和增强型的特点的差异 教学方法和教学手段：教师讲授,板书,结合学生的课堂练习和课堂讨论。讨论、思考题、1.双极型三极管与场效应管的比较？2.场效应管有三个区域，工作于各区域的条件 作业：3.2 参考资料：童诗白主编 模拟电子技术基础 北京高等教育出版社 康华光主编电子技术基础模拟部分 北京高等教育出版社 第三章 场效应管及其放大

3、电路 120第三章场效应管及其放大电路 第三章场效应管及其放大电路 第二章中介绍的半导体三极管是一种电流控制器件，输入电阻比较小。由于这种三极管中参与导电的是两种极性的载流子多数载流子和少数载流子，因此又称为双极型三极管。本章要介绍的这种三极管是利用电场效应来控制电流的，故称为场效应三极管（Field Effect Transistor,缩写是 FET），简称为场效应管。场效应管只有一种极性的载流子（多数载流子）参与导电，所以又称为单极型三极管。场效应管的输入电阻高，噪声低，热稳定性好，抗辐射能力强。另外由于种类多，应用起来灵活，选择余地大，而且工艺简单，集成度高，这些优点使它从60 年代诞生

4、起就广泛地应用于各种电子电路中，已经成为当今集成电路的主流器件。本章主要介绍场效应管的工作原理、特性和主要参数，以及由场效应管组成的基本放大电路。根据结构不同，场效应管分为结型场效应管和绝缘栅型场效应管，绝缘栅型场效应管也称金属-氧化物-半导体三极管。下面首先介绍结型场效应管。3.1 结型场效应管 3.1 结型场效应管 结型场效应管（Junction Field Effect Transistor,缩写是 JFET）根据其导电沟道的不同又分为 N 沟道和 P 构道两种类型。N 沟道结型场效应管以电子作为载流子，P 构道结型场效应管以空穴作为载流子，工作时 P 构道结型场效应管与 N 沟道结型场

5、效应管的电源极性相反，但它们的工作原理类似。本书以 N 沟道结型场效应管为例，介绍它们的结构、工作原理和特性曲线。3.1.1 结型场效应管的结构 3.1.1 结型场效应管的结构 N 沟道结型场效应管的结构示意图和符号如图 3.1.1 所示。在图 3.1.1(a)中，在一块 N 型半导体的两侧，利用合金法、扩散法或其他工艺做成两个参杂浓度比较高的 P 型区，形成两个 PN 结夹着一个 N 型区域的结构。将两个 P 型区连接起来，引出一个电极即为栅极栅极(g)，N 型半导体的一端引出漏极漏极(d)，另一端引出源极源极(s)。第三章 场效应管及其放大电路 121两个 PN 结中间的 N 型区域称为导

6、电沟道导电沟道，所以这种结构叫做 N 沟道结型场效应管N 沟道结型场效应管。图 3.1.1(b)是 N 沟道结型场效应管的符号，其中箭头的方向表示栅结正向偏置时，栅极电流的方向是由 P 区指向 N 区，所以从符号上就可以判断 d、s 之间是N 沟道。(a)结构示意图 (b)符号 图 3.1.1 N 沟道结型场效应管的结构和符号 3.1.2 结型场效应管的工作原理 3.1.2 结型场效应管的工作原理 为使 N 沟道结型场效应管正常工作，应在其栅源之间加负向电压，即 uGS0，使栅源极间的 PN 结反偏，栅极电流0Gi,栅源之间内阻高达 108以上。如果在漏极和源极之间加正向电压 uDS，则 N

7、沟道中的多数载流子电子会由源极向漏极运动，形成漏极电流 iD，iD的大小受 uGS的控制。下面通过栅源电压 uGS对 iD控制作用和漏源电压 uDS对 iD的影响，来说明结型场效应管的工作原理。1.栅源电压对 iD的控制作用 为讨论方便，先假设 uDS=0，在栅源之间加负向电压，观察导电沟道随 uGS由零向负值增大时的变化情况。当 uGS=0 时，由图 3.1.2(a)可见，耗尽层比较窄，而导电沟道比较宽。当 uGS0 时，由图 3.1.2(b)可见，由于栅源之间加负向电压，所以耗尽层的宽度增大，则漏源间的导电沟道变窄，沟道电阻增大。只要保证 UGS(off)uGS0，第三章 场效应管及其放大

8、电路 122导电沟道仍然会存在。当 uGS增大到某一数值，即 uGS=UGS(off)时，两侧的耗尽层将合拢在一起，导电沟道全部被夹断，如图 3.1.2(c)所示。此时漏源间的沟道电阻趋于无穷大，所对应的栅源电压称为夹断电压夹断电压 UGS(off)。以上分析表明，改变 uGS的大小，可以控制漏源间的沟道电阻的大小。如果在漏源之间加上正向电压，即 uDS0 时，则漏极电流 iD将受栅源电压的控制。当 uGS负向增大时，沟道电阻增大，iD将减小。（a）uGS=0 （b）UGS(off)uGS0 （c）uGS=UGS(off)图 3.1.2 当 uDS=0 时，uGS对导电沟道的影响 2.漏源电压

9、对 iD的影响 在栅源之间加一定的负向电压，且()0GS offGSUu，在漏源之间加正向电压，观察uDS变化时对导电沟道和漏极电流iD的影响。当uDS=0时，导电沟道如图 3.1.2(b)所示，但iD=0。当uDS0时，由图 3.1.3(a)可见，将形成漏极电流iD，从而导致沟道各点与栅极间的电压不再相等，而是沿沟道从源极到漏极逐渐增大。造成靠近漏极一边的耗尽层比靠近源极一边的宽，沟道呈楔形分布。因为栅漏电压uGDuGSuDS，所以当uDS从零逐渐增大时，uGD逐渐减小，靠近漏极一边的导电沟道会随之变窄。但是，在uDS较小时，只要栅漏间不出现夹断区域，沟道电阻和漏极电流iD基本上仍由栅源电压

10、uGS决定，电流iD将随uDS的升高几乎成正比地增大，漏源之间呈现电阻特性。第三章 场效应管及其放大电路 123当uDS继续增加，一旦uGD=UGS(off)，则漏极边的耗尽层就会相遇，出现夹断区，如图 3.1.3(b)所示，称uGD=UGS(off)为预夹断预夹断。沟道预夹断后，随着uDS继续增大，则耗尽层闭合部分将沿沟道向源极方向延伸，即夹断区加长，沟道电阻增加。但由于夹断处电场也增大，仍能将电子快速从窄缝中拉过来，形成漏极电流。总的来说，预夹断后，沟道电阻增加使iD几乎不再随着uDS而增大，漏极电流趋于饱和。当uDS过高时，则PN结将由于反向电压过高被击穿，使场效应管受到损害。（a）uD

11、S较小，uGDUGS(off)（b）uGD=UGS(off)，预夹断 （c）uGDUGS(off)图 3.1.3 当()0GS offGSUu时，uDS对导电沟道和 iD的影响 第三章 场效应管及其放大电路 124综上分析可知：（1）结型场效应管栅源之间的PN结反向偏置，因此，其0Gi，输入电阻很高。（2）结型场效应管是电压控制电流的器件，即iD受uGS的控制。（3）预夹断前，iD与uDS基本呈线性关系；预夹断后，iD趋于饱和。3.1.3 结型场效应管的特性曲线 3.1.3 结型场效应管的特性曲线 利用场效应管的输出特性曲线和转移特性曲线，可以较直观的描述场效应管电流和电压之间的关系。1.输出

12、特性 输出特性是当栅源电压uGS为常量时，漏极电流iD与漏源电压uDS之间的关系，即()|GSDDSuif u常数 （3.1.1）图 3.1.4（a）所示为一 N 沟道结型场效应管的输出特性曲线。由图可见，管子的输出特性与双极型三极管共射组态的输出特性曲线很相似，输出特性也可以划分为三个区，下面分别对这三个区进行讨论。（1）可变电阻区：图 3.1.4（a）中的虚线为预夹断轨迹，它由各条曲线上的预夹断点（uGD=UGS(off)）连接而成。预夹断轨迹的左边区域称为可变电阻区可变电阻区，该区域中的曲线近似为不同斜率的直线,直线斜率的倒数即为漏源间的等效电阻。栅源电压越负，输出特性越倾斜，漏源间的等

13、效电阻越大。因此，在该区域中，场效应管可看作一个受栅源电压uGS控制的可变电阻。(2)恒流区(也称饱和区)恒流区(也称饱和区)：图 3.1.4（a）中预夹断轨迹的右边较平坦区域为恒流区。可以看出，在此区域，各条输出特性曲线近似为水平的直线，漏极电流iD基本上不随uDS而变化，仅受uGS的控制。当组成场效应管放大电路时，场效应管就工作在该区域。(3)击穿区：当uDS增大到一定值时，由于加到栅漏间 PN 结上的反向偏置电压过高，导致 PN 结发生雪崩击穿，iD急剧增大，管子不能正常工作，甚至被烧坏。第三章 场效应管及其放大电路 125所以，场效应管不能工作在此区域。实际上，在输出特性的最下面靠近横

14、轴的部分还有一个区域称为截止区。在此区域，由于uGSUGS(off)，导电沟道被夹断，0Di。（a）输出特性 （b）转移特性 图 3.1.4 N 沟道结型场效应管的特性曲线 2.转移特性 转移特性是当漏源电压uDS为常量时，漏极电流iD与栅源电压uGS之间的关系，即()|DSDGSuif u常数 （3.1.2）转移特性体现了栅源电压uGS对漏极电流iD的控制作用。图 3.1.4（b）所示为一 N 沟道结型场效应管的转移特性曲线。由于输出特性和转移特性都是反映场效应管工作的同一物理过程，因此，可以用作图的方法由输出特性得到转移特性。如图 3.1.5 所示，在输出特性上，取uDS为某一常量并作一条

15、垂直线，该直线与各条输出特性相交，根据这些交点，可以得到多个uGS值所对应的iD的大小。改变uDS，可得一族转移特性曲线。由图 3.1.4（b）可见，当uGS=0时，iD值最大，iD随uGS越负越小。在uGS=UGS(off)处，0Di。iD随uGS变化的关系可近似用下面的公式表示：2()(1)GSDDSSGS offuiIU ()(0)GS offGSUu当时 （3.1.3）iD/mA uDS/V O UGS=0V-1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 击穿区击穿区 预夹断轨迹预夹断轨迹 恒流区恒流区 可变可变 电阻区电阻区 O uGS/V iD/mA IDSS UGS(off)第三章 场

16、效应管及其放大电路 126式中 IDSS是 uGS=0 时所对应的 iD值，称为饱和漏极电流饱和漏极电流。图 3.1.5 在输出特性上用作图法求转移特性【练习与思考】【练习与思考】3.1.1 场效应管有哪些类型，它们在结构和特性上各有什么异同点？3.1.2 为什么结型场效应管的输入电阻比双极型三极管的高得多？3.1.3 结型场效应管的栅源电压能用正向偏置吗？3.1.4 夹断与预夹断有何区别？在预夹断时，为什么漏极电流还比较大？3.2 绝缘栅型场效应管 3.2 绝缘栅型场效应管 绝缘栅型场效应管的栅极被绝缘层（如 SiO2）隔离，因此而得名。又因绝缘栅型场效应管由金属、氧化物和半导体做成，所以又

17、称为金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应管半导体场效应管（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor,缩写是 MOSFET），简称MOS场效应管场效应管。由于它的栅极处于绝缘状态，所以输入电阻更高，可达910 以上。而且MOS场效应管比结型场效应管温度稳定性好、集成化时工艺简单，因而广泛用于大规模和超大规模集成电路之中。与结型场效应管相同，MOS管也有N沟道和P沟道两种类型，其中每一类又分为增强型和耗尽型两种。本节主要介绍N沟道增强型MOS场效应管的结构、工作原理和特性曲线。3.2.1 N 沟道增强型 MOS 场效应管 3.2.1 N 沟

18、道增强型 MOS 场效应管 所谓增强型场效应管是指当 uGS=0时无导电沟道，只有依靠栅源电压 uGS的作用才能形成导电沟道的场效应管。UDS=常数常数iD/mA0 0.5 1 1.5uGS/V5iD/mAuDS/V 0UGS=0 0.4 V 0.8 V 1.2 V 1.6 V 10 15 20250.10.20.30.40.5 第三章 场效应管及其放大电路 1271.结构 N沟道增强型MOS场效应管的结构示意图如图3.2.1(a)所示。它以块掺杂浓度较低的P型硅片作为衬底，利用扩散的方法制作两个高掺杂的N+区，并引出两个铝电极，分别为源极s和漏极d。然后在P型硅表面覆盖一层二氧化硅（SiO2

19、）绝缘层，在绝缘层上引出铝电极，作为栅极g，这样就形成了N沟道增强型增强型MOS场效应管场效应管。一般衬底通过引线B与源极接在一起。N沟道增强型MOS场效应管的符号如图3.2.1(b)所示。箭头方向表示由P（衬底）指向N（沟道）。（a）结构示意图 （b）符号 图 3.2.1 N 沟道增强型 MOS 场效应管的结构示意图和符号 2.工作原理 绝缘栅型场效应管与结型场效应管的导电机理和对电流控制的原理均不相同。前面已介绍，结型场效应管是通过 uGS来控制PN结耗尽层的宽度，从而改变导电沟道的宽度，来控制漏极电流 iD的大小。而绝缘栅型场效应管则是利用 uGS来控制感应电荷的多少，从而控制漏极电流

20、iD。下面来分析N沟道增强型MOS场效应管的工作原理。当栅源之间不加电压，即 uGS=0时，由于漏源之间是两个背靠背的PN结，因此即使漏源之间加电压，也不导电。当栅源之间加上电压，且 uGS0时，先假设 uDS=0，如图3.2.2所示。由于栅极和衬底各相当于一个极板，中间是二氧化硅绝缘层，则形成电容。在正的栅源 第三章 场效应管及其放大电路 128电压作用下，便产生了一个由栅极指向衬底的电场，此电场排斥空穴而吸引电子。图 3.2.2 uDS=0时，uGS对导电沟道的影响 因此栅极附近 P 型衬底中的空穴被排斥，留下不能移动的负离子形成耗尽层，同时，P 型衬底中的少子电子被吸引到栅极下方靠近二氧

21、化硅的一侧。当 uGS增大到一定值时，由于吸引了足够多的电子，便在耗尽层和二氧化硅之间形成导电沟道，将漏极和源极沟通如图 3.2.2 所示。由于这些电子是在 P 型半导体中形成的 N型电荷层，因此称为反型层反型层。另外，反型层是由于栅源正电压感应产生的，所以也称为感生沟道。开始形成导电沟道时的 uGS用 UGS(th)表示，称作开启电压开启电压。随着uGS增加，导电沟道变宽。当 uGSUGS(th)时，在漏源之间加正向电压 uDS，且()DSGSGS thuuU，即()GDGSDSGS thuuuU时。由于漏源之间已有导电沟道，所以将有 iD流过导电沟道，从而使得沟道上各点电位不同，沟道的宽度

22、不均匀。靠近源极处导电沟道最宽；而靠近漏极处导电沟道最窄，导电沟道呈现楔形分布，如图3.2.3（a）所示。当 uDS较小时，iD随 uDS线性增大。当 uDS增大到()DSGSGS thuuU，即()GDGSDSGS thuuuU时，沟道在漏极一侧出现夹断点，称为预夹断预夹断，如图3.2.3(b)所示。如果 uDS继续增大，则夹断区会延长，如图3.2.3(c)所示。沟道被夹断后，uDS增大的部分基本降在随之加长的夹断沟道上，iD几乎不随 uDS的增大而变化，iD趋于饱和。第三章 场效应管及其放大电路 129 （a）uGDUGS(th)（b）uGD=UGS(th)（c）uGDUGS(th)图 3

23、.2.3 uDS对导电沟道的影响 3.特性曲线 N沟道增强型MOS场效应管的输出特性和转移特性分别如图3.2.4(a)、(b)所示。与结型场效应管一样，N沟道增强型MOS场效应管的输出特性也分为三个工作区域：可变电阻区、恒流区及击穿区，如图3.2.4(a)所示。图中左边虚线表示预夹断轨迹，即该虚线与输出特性的交点均满足 uGD=UGS(th)。输出特性反映了当 uGSUGS(th)，且为某一固定值时，uDS对 iD的影响。(a)输出特性 (b)转移特性 图 3.2.4 N 沟道增强型 MOS 场效应管的特性曲线 uGS对漏极电流 iD的控制关系可用转移特性曲线来描述，如图3.2.4(b)所示。

24、当uGSUGS(th)时，没形成导电沟道，所以 iD为零；当uGD=UGS(th)时，开始形成导电沟道，产生 iD；然后导电沟道随着 uGS增加而变宽，iD随之增大。转移特性可近似用下面公式表示：第三章 场效应管及其放大电路 1302()(1)GSDDOGS thuiIU()()GSGS thuU当时 (3.2.1)式中 IDO为 uGS=2UGS(th)时的 iD值。3.2.2 N 沟道耗尽型 MOS 场效应管 3.2.2 N 沟道耗尽型 MOS 场效应管 N 沟道耗尽型 MOS 场效应管耗尽型 MOS 场效应管的结构与N沟道增强型管子不同的是，在制造 MOS场效应管时，在SiQ2绝缘层中掺

25、入大量正离子，因此即使 uGS=0，在正离子作用下P型衬底表层也存在反型层，产生N型导电沟道。只要在漏源间加正向电压，就会产生漏极电流，如图3.2.5（a）所示。N 沟道耗尽型MOS场效应管的符号如图3.2.5（b）所示。（a）结构示意图 （b）符号 图 3.2.5 N 沟道耗尽型 MOS 场效应管的结构示意图和符号 如果 uGS0时，感应电荷增多，导电沟道变宽，沟道电阻变小，iD增大；反之，若 uGS0时，感应电荷减少，导电沟道变窄，iD减小。而当 uGS从零减小到一定值时，漏源之间导电沟道消失，iD接近于零，这就是导电沟道的夹断，此时的uGS=UGS(off)，称为夹断电压夹断电压。与N沟

26、道结型场效应管相同，N沟道耗尽型MOS管的夹断电压也为负值。但是，N沟道结型场效应管只能工作在 uGS0的情况下，而N沟道耗尽型MOS场效应管的 uGS在一定范围内可正、可负。N沟道耗尽型MOS场效应管的转移特性和输出特性分别如图3.2.6（a）、(b)第三章 场效应管及其放大电路 131所示。（a）转移特性 （b）输出特性 图 3.2.6 N 沟道耗尽型 MOS 场效应管的特性曲线 P沟道MOS场效应管的工作原理与N沟道基本类似，但由于P沟道MOS场效应管的载流子是空穴，因此，衬底材料和各极电源极性都要改变。为便于学习，现将各种场效应管的符号和特性曲线列下图 第三章 场效应管及其放大电路 1

27、32 【练习与思考】【练习与思考】3.2.1 为什么绝缘栅型场效应管的输入电阻比结型场效应管的还要高？第三章 场效应管及其放大电路 1333.2.2 增强型场效应管和耗尽型场效应管有何不同？3.2.3 结型场效应管和绝缘栅型场效应管在恒流区的电流方程如何？3.2.4 绝缘栅型场效应管工作于三个区域的条件？3.3 场效应管的主要参数及特点 3.3 场效应管的主要参数及特点 场效应管的参数是其特性的定量描述，也是实际工作中选用器件的主要依据。各种器件的参数可通过查阅手册得到。场效应管的主要参数可以分为直流参数、交流参数和极限参数三类，下面分别进行介绍。3.3.1 场效应管的主要参数 3.3.1 场

28、效应管的主要参数 1.直流参数(1)饱和漏极电流 IDSS 是指耗尽型场效应管在栅源电压uGS为零，而漏源电压uDS大于夹断电压UGS(off)时所对应的漏极电流，是耗尽型场效应管的重要参数。(2)夹断电压 UGS(off)它是结型场效应管和耗尽型场效应管的重要参数。定义为当 uDS为常数时，使漏极电流 iD减小到某一微小电流时的栅源电压 uGS的值。(3)开启电压 UGS(th)UGS(th)是当 uDS为常数时，使漏极电流 iD达到某一微小电流时所需的 uGS的最小值。是增强型MOS场效应管的重要参数。(4)直流输入电阻 RGS 是指栅源电压与栅极电流之比。由于栅极电流很小，所以场效应管的

29、输入电阻很高。结型场效应管的 RGS一般在107以上，而绝缘栅场效应管的 RGS更高，可达109以上。2.交流参数(1)低频跨导 gm gm体现了栅源电压 uGS对漏极电流 iD的控制能力。当场效应管工作于恒流区且 uDS为常数时，iD的变化量与 uGS的变化量之比，即 第三章 场效应管及其放大电路 134|DSDmuGSigu常数 （3.3.1）低频跨导是反映场效应管放大能力的一个重要参数，是转移特性曲线上某一点的切线的斜率，可通过对式 3.1.3 或式 3.2.1 求导得到。gm与切点的位置相关较大，由于转移特性曲线的非线性，所以 iD越大，gm也越大。如果 iD的单位是毫安（mA）,uG

30、S的单位是伏（V）,则 gm的单位是毫西门子（mS）。(2)极间电容 场效应管的三个极之间均存在极间电容，栅源电容 Cgs、栅漏电容 Cgd和漏源电容 Cds。极间电容越小，管子的高频性能越好,一般为几个皮法。3.极限参数(1)最大漏极电流 IM IM是管子正常工作时漏极电流的上限值。(2)漏源击穿电压 U(BR)DS U(BR)DS是管子进入恒流区后，当发生雪崩击穿，从而使 iD急剧上升时的 uDS值。工作时外加的漏源电压不能超过此值。(3)栅源击穿电压 U(BR)GS U(BR)GS是指输入PN结反向电流开始急剧增加时的 uGS值。结型场效应管正常工作时，栅源间的PN结反向偏置，如果 uG

31、S过高，PN结将被击穿。绝缘栅场效应管的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，会将二氧化硅绝缘层击穿，而且这种击穿是不可逆的，从而使栅极与衬底短路，烧坏管子。(4)漏极最大允许耗散功率 PDM 场效应管的 PDM等于漏极电流与漏源电压的乘积，即DMDDSPiu。这些耗散在管子中的功率将转化为热能，使管子的温度升高。漏极最大允许耗散功率决定于场效应管允许的温升。3.3.2 场效应管的特点及使用注意事项 3.3.2 场效应管的特点及使用注意事项 场效应管的栅极 g、源极 s 和漏极 d 对应于双极型三极管的基极 b、发射极e、集电极c，它们的作用类似。但与双极型三极管相比较，

32、场效应管有如下特点：第三章 场效应管及其放大电路 1351.场效应管是一种电压控制器件，它以栅源电压 uGS控制漏极电流 iD，并通过低频跨导 gm反映它的放大能力。2.由于栅极基本不取电流，因此，输入电阻非常高。3.由于场效应管的低频跨导较小，所以组成放大电路时，电压放大倍数比双极型三极管的低。4.场效应管只有一种极性的载流子(多子)参与导电，而双极型三极管既有多子又有少子参与导电，而少子数目受温度、辐射等因素影响较大，因而场效应管比双极型三极管的温度稳定性好、抗辐射能力强、噪声系数小。5.场效应管的漏极与源极可以互换使用，互换后特性变化不大。但如果制造时已将源极和衬底连在一起，则漏极与源极

33、不能互换。6.场效应管比晶体管的种类多，且制造工艺简单，适于集成化。特别是MOS场效应管电路，每个MOS管在硅片所占的面积只有双极型三极管的 5%，因而场效应管越来越多地应用于大规模和超大规模集成电路。7.场效应管不仅可用于放大电路和开关电路，而且它还可以作压控电阻使用。8.由于MOS场效应管的输入电阻很高，使栅极的感应电荷不易泄放，而且二氧化硅绝缘层很薄，栅极与衬底间的等效电容很小，感应产生的少量电荷就会产生很高的电压，将二氧化硅绝缘层击穿从而烧坏管子。因此，在进行存放和运送MOS场效应管时，避免栅极悬空，应将栅极和源极相连。焊接时，烙铁外壳应接地良好，最好断电后再焊接。不过，现在已采取一些

34、措施保护管子，如在栅源间制造输入二极管等。【练习与思考】【练习与思考】3.3.1 场效应管有哪些类型，它们在结构和特性上各有什么异同点？3.3.2 场效应管有许多类型，试总结出判断场效应管类型及电压极性的规律。3.3.3 跨导gm的含义是什么？3.3.4 在存放和运送MOS场效应管时，应注意哪些问题？第三章 场效应管及其放大电路 136山山 东东 理理 工工 大大 学学 教教 案 案 第 八 次课 教学课型：理论课 实验课 习题课 实践课 技能课 其它主要教学内容（注明：*重点#难点）：3.4 场效应管放大电路 3.4.1 共源极放大电路 3.4.2 分压自偏压式共源极放大电路 3.4.3 共

35、漏极放大电路 3.4.4 三种基本放大电路的性能比较 重点：1.共源极电路静态分析和动态分析 2.共漏极电路的静态分析和动态分析 难点：利用微变等效电路法对场效应管放大电路进行分析 教学目的要求：1.能够与三极管组成的放大电路对应学习认识场效应管放大电路 2.利用微变等效电路法对场效应管放大电路进行动态分析 教学方法和教学手段：教师讲授，结合学生的课堂练习和讨论。讨论、思考题、1.如何画场效应管放大电路微变等效电路?2.场效应管放大电路的静态和动态栅极电流为什么都为零?作业：3.6 参考资料：童诗白主编 模拟电子技术基础 北京高等教育出版社 康华光主编电子技术基础模拟部分 北京高等教育出版社

36、第三章 场效应管及其放大电路 1373.4 场效应管放大电路 3.4 场效应管放大电路 前面已经介绍，场效应管和双极型三极管一样，它们都有三个极，并且一一对应。它们都能实现能量的控制，构成放大电路。而且在组成放大电路时，场效应管也有三种接法，即共源放大电路、共漏放大电路和共栅放大电路，分析方法也基本相同。所不同的是，场效应管是通过栅源电压来控制漏极电流的，因此，它需要有合适的栅源电压。由于共栅电路很少使用，本节主要介绍由 N 沟道增强型 MOS 场效应管组成的共源和共漏两种电路。3.4.1 共源极放大电路 3.4.1 共源极放大电路 对于采用场效应管的共源极基本放大电路，可以与单管共射放大电路

37、相对应，只不过在偏置电路和受控源的类型上有所不同。单管共源极放大电路的原理电路如图 3.4.1 所示。图中 VT 是 N 沟道增强型MOS 场效应管，VGG为栅极电源，VDD为漏极电源，Rg为栅极电阻，Rd为漏极负载电阻。Rd的作用与共射放大电路中 Rc的作用相同，它将漏极电流 iD的变化转换成电压 uDS的变化，从而实现电压放大。图 3.4.1 共源极放大电路的原理电路 为了使放大电路正常工作，必须设置合适的静态工作点，以保证场效应管工作在恒流区，电源 VGG和 VDD的值应使场效应管的 uGS和 uDS满足以下条件：()GSGS thuU 第三章 场效应管及其放大电路 138()DSGSG

38、S thuuU 式中 UGS(th)是 N 沟道增强型MOS场效应管的开启电压。下面利用第二章介绍的放大电路基本分析方法对共源极放大电路进行静态和动态分析。1.静态分析 可以采用近似估算法或图解法分析共源极放大电路的静态工作点，下面分别进行介绍。（1）近似估算法 由于栅源之间是绝缘的，故栅极电流几乎为 0，所以电阻 Rg上没有电压降，在图 3.4.1 中，当输入电压为零时，栅源之间的静态偏置电压为 GSQGGUV (3.4.1)由式 3.2.1 可知，N 沟道增强型MOS场效应管的漏极电流 iD与栅源电压 uGS之间近似满足以下关系：2()(1)GSDDOGS thuiIU ()()GSGS

39、thuU当时 式中IDO为uGS=2UGS(th)时的iD值。所以，静态漏极电流iD为()2(1)GSQGS thUDQDOUII （3.4.2）由图 3.4.1 可求出静态漏源极电压为 DSQDDDQdUVIR （3.4.3）（2）图解法 图解法的原理及步骤与双极型三极管放大电路的类似。步骤如下：1 首先，根据放大电路的漏极回路列出直流负载线方程DSQDDDQdUVIR；2 然后，在场效应管输出特性曲线上画出直流负载线；第三章 场效应管及其放大电路 1393 最后，在输出特性中找到GSGSQGGuUV的那条曲线(若没有，需测试该曲线)，如图 3.4.2 所示，该曲线与直流负载线的交点就是静态

40、工作点 Q。图中IDQ、UDSQ即为静态值。图 3.4.2 用图解法分析共源极放大电路的 Q 点 2.动态分析（1）场效应管微变等效电路 场效应管也是一种非线性器件，在小信号情况下，也可以用它的小信号模型来代替，并且分析方法与双极型三极管的一样。如图 3.4.3（a）所示，将场效应管也等效为一个双端口网络。前面已经介绍，漏极电流iD是栅源电压uGS和漏源电压uDS的函数，即(,)DGSDSif uu 对上式求iD的全微分，得|DSGSDDDUGSUDSGSDSiididuduuu (3.4.4)令上式中|DSDmUGSigu 1|GSDUdsDSiru 其中gm是场效应管的跨导，rds是场效应

41、管漏源之间的等效电阻。第三章 场效应管及其放大电路 140 （a）N 沟道增强型 MOS 场效应管 （b）微变等效电路 图 3.4.3 N 沟道增强型 MOS 场效应管及其微变等效电路 对于交流小信号来说，管子的电流、电压只在Q点附近变化，因此可以认为Q 点附近的特性是线性的，gm和rds近似为常数。如果输入正弦信号，可用dI、gsU、dsU分别代替变化量Ddi、GSdu和DSdu。则式 3.4.4 可写成 1dmgsdsdsIg UUr （3.4.5）由上式可画出场效应管的微变等效电路，如图 3.4.3（b）所示。由于 N 沟道增强型MOS场效应管的栅极电流几乎为 0，输入回路栅源之间相当于

42、开路，栅源之间只有电压存在，用gsU.表示。gsmUg.是受控电流源，它体现了输入电压对输出电流的控制作用。等效电路中的gm和rds均可由场效应管的特性曲线求得。从转移特性曲线上可知，gm是UDS=UDSQ那条转移特性曲线上 Q 点处的导数，即以 Q 点为切点的切线斜率。rds是输出特性曲线UGS=UDGSQ上 Q 点处斜率的倒数，rds越大，曲线越平，rds通常在几十千欧到几百千欧之间，它一般远大于放大电路中的漏极电阻Rd，因此可忽略rds的影响，此时，输出回路只等效成一个受控电流源。求解gm的另外一种方法是由式3.2.1对uGS求导数，即()()()22(1)DGSdiDOGSmDO Dd

43、uGS thGS thGS thIugIiUUU 在Q点附近，iD近似为IDQ，上式可写为()2mDODQGS thgIIU （3.4.6）第三章 场效应管及其放大电路 141由式 3.4.6 可知，跨导gm与Q点的位置有关系，Q点越高，gm越大。一般gm的值约为0.1至20mS。所以，与双极型三极管一样，场效应管的Q点不仅影响着电路是否会产生失真，也影响着电路的动态参数。（2）用微变等效电路法分析共源极放大电路 将图（3.4.1）中共源极放大电路的场效应管用其微变等效电路来代替，直流电源短路，则可画出图（3.4.1）电路的微变等效电路，如图（3.4.4）所示，这里采用简化模型，rds已开路。

44、图 3.4.4 共源极放大电路的微变等效电路 1 电压放大倍数uA 由图（3.4.4）可知，由于栅极电流几乎为 0，gR上无压降，因此 igsUU oddmgsdUI Rg U R 所以共源极放大电路的电压放大倍数 oumdiUAg RU （3.4.7）2 输入电阻 图（3.4.4）中共源极放大电路的输入电阻近似等于场效应管栅源间的电阻，对于MOS场效应管来说，输入电阻在1010以上。3 输出电阻 如果认为rds开路，则共源极放大电路的输出电阻为 第三章 场效应管及其放大电路 142odRR （3.4.8）例 3.4.1 在图 3.4.1 所示的单管共源极放大电路中，已知VGG=6V，VDD=

45、15V，Rd=3K，场效应管的开启电压UGS(th)=4V，IDO=10mA。(1)试估算静态工作点Q；(2)求电压放大倍数uA和输出电阻Ro。解：(1)估算静态工作点Q 已知VGG=6V，VDD=15V，则6GSQGGUVV，由式 3.4.2 和 3.4.3 可得()226(1)10(1)2.54GSQGS thUDQDOUIImAmA(152.5 3)7.5DSQDDDQdUVIRVV(2)电压放大倍数uA 在计算uA之前，应先求出场效应管跨导gm，由式 3.4.6 可得()22(10 2.5)2.54mDODQGS thgIImSmSU 所以电压放大倍数 2.5 37.5oumdiUAg

46、 RU 输出电阻 3odRRK 其实，在实用电路中多采用下面介绍的分压-自偏压式共源极电路。因为它采用单电源供电，这样就可以使信号源与放大电路“共地”。3.4.2 分压自偏压式共源极放大电路 3.4.2 分压自偏压式共源极放大电路 图 3.4.5(a)所示的电路实际上也是共源极放大电路，与图 3.4.1 所示的原理电路相比，此电路更为实用。电路中的R1和R2是分压电阻，通过它们对电源VDD 第三章 场效应管及其放大电路 143分压来设置栅极偏置电压，故称分压自偏压式共源极放大电路。电路中引入Rs主要是为了稳定静态工作点，接入大电阻Rg主要是为了提高放大电路的输入电阻。(a)分压自偏压式共源放大

47、电路 （b）直流通路 图 3.4.5 分压自偏压式共源放大电路及直流通路 1.静态分析 静态时，直流通路如图 3.4.5(b)所示，由于栅极电流为 0，所以电阻Rg上的电流为 0，栅极电位 112GQDDRUVRR 从而可得栅源电压表达式，再与式 3.4.2 联立()1122(1)GSQGS thGSQDDDQsUDQDOURUVIRRRII （3.4.9）可求出UGSQ和IDQ，再根据图 3.4.5(b)的输出回路可求得()DSQDDDQdsUVIRR （3.4.10）图解法求解时与前面介绍的单管共源极放大电路的原理电路类似，此处不再重复。2动态分析 如果图 3.4.5（a）所示分压自偏压式

48、共源极放大电路中的电容C1、C2、Cs 第三章 场效应管及其放大电路 144都足够大，则其微变等效电路如图 3.4.6 所示。图 3.4.6 分压自偏压式共源放大电路的微变等效电路 由图 3.4.6 可知 igsUU oddmgsdUI Rg U R 其中/ddLRRR 所以电压放大倍数 oumdiUAg RU （3.4.11）输入电阻为 12(/)igRRRR （3.4.12）输出电阻为 odRR （3.4.13）3.4.3 共漏极放大电路 3.4.3 共漏极放大电路 共漏极放大电路如图 3.4.7（a）所示，从交流通路看，输入信号和输出信号的公共端是漏极，交流信号由栅极输入，源极输出，所以

49、该电路又称为源极输出器。它与双极型三极管组成的射极输出器具有类似的特点，因此，应用比较广泛。图 3.4.7（b）是共漏极放大电路的微变等效电路。第三章 场效应管及其放大电路 145 (a)电路图 （b）微变等效电路 图 3.4.7 共漏极放大电路 1.静态分析 分析共漏极放大电路的静态工作点时可以采用近似估算法或图解分析法，具体做法与前两节中介绍的方法类似，此处不再重复。2.动态分析 由图 3.4.7（b）共漏极放大电路的微变等效电路可得 odsmgssUI Rg U R 其中/ssLRRR 而(1)igsomsgsUUUg R U 所以电压放大倍数 1omsuimsUg RAUg R （3.

50、4.14）由上式可见，共漏极放大电路的电压放大倍数恒小于 1。如果1msg R，则1uA。共漏极放大电路的输入电阻 12(/)igRRRR （3.4.15）在分析输出电阻时，将输入端短路，使负载RL开路，在输出端外加交流电压oU，如图3.4.8所示。第三章 场效应管及其放大电路 146 图 3.4.8 共漏极放大电路Ro的等效电路 由图可得 oomgssUIg UR 由于输入端短路，故 gsoUU 那么 1()oomomossUIg UgURR 所以 11/1oosommsURRIggR （3.4.16）可见，共漏极放大电路的输出电阻较小。例 3.4.2 在图 3.4.7（a）所示的共漏极放大