第4章 场效应管及其放大电路

可变电阻区
预夹断
恒流区
3. 特性曲线 (1) 输出特性曲线
iD = f (uDS ) U GS =常量
(2) 转移特性曲线
iD = f (uGS ) U DS =常量
i D / mA 4 3 2 1 O a 2 b 4 5 6 u GS /V c d U DS=10V
在恒流区时，有
uGS iD = I DO ( − 1) 2 U GS(th)
第四章 场效应管及其基本放大电路
4.1 引言 4.2 场效Hale Waihona Puke Baidu管 4.3 场效应管基本放大电路

4.1 引言
场效应管(FET)是利用输入回路的电场效应来控制输出回 路电流的一种半导体器件，属于电压控制型器件。


特点 1 电压控制电流源器件（VCCS) 3 输入电阻高 4 体积小 耗电省 易于集成 分类 结型场效应晶体管
VDD Rd C1 C2
VT
RL uo
VT
RL uo
Rs us
ui Rg R −
Rs us
ui Rg R −
Cs
Cs
N沟道结型场效应管自给偏压电路 N沟道耗尽型绝缘栅场效应管自给偏压电路 场效应管共源自给偏压电路
场效应管的微变等效电路
g + d + gs g mU
U gs
− s
rds U ds
夹断 电压
uGS(off)
gm =
2 I DSS ⋅ I D U GS( off )
二、绝缘栅型场效应管
N沟道增强型管
金属铝
高掺杂
衬底 SiO2绝缘层
耗尽层
(1) uDS = 0，uGS对导电沟道的控制作用
大到一定 值才开启
衬底 耗尽层
空穴
反型层
uGS=0 相当于两个背靠背 的PN结，没有导电 沟道
/V
gm =
2 I DO ⋅ I D U GS(th )
开启电压 UGS(th)
N沟道耗尽型MOS管
小到一定 值才夹断 uGS=0时就存在 导电沟道 加正离子
耗尽型MOS管在 uGS＞0、 uGS ＜0、 uGS ＝0时均可导 通，且与结型场效应管不同，由于SiO2绝缘层的存在，在 uGS＞0时仍保持g-s间电阻非常大的特点。
2. 特性曲线 (1) 输出特性曲线
iD = f (uDS ) U GS =常量
iD / mA
(2) 转移特性曲线
iD = f (uGS ) U DS =常量
可变 电阻区
U GS
1V
恒流区
I DSS
3
2
U GS=0V
U GS U GS 1V 4V
1
O 5 10
截止区
u DS /V
15
20
在恒流区时，有
开启电压 UGS(th)
IDO是uGS=2UGS(th)时对应的iD。
3. 特性曲线 (2) 转移特性曲线
iD = f (uGS ) U DS =常量
i D / mA 4 3 2 1 O a 2 b c d
U DS=10V
iD = I DO (
uGS − 1) 2 U GS(th)
4 5 6
u GS
− 1) 2
R g2
R
+
RL
U o −
一般应使UGS>0。
U DSQ = VDD − I DQ ( Rd + R )
CS
※ 在求静态工作点解方程式时，需从两组解中挑选一组
合理的解。
自给偏压电路
由于栅流等于0，所以栅极电位等于0。适用于耗尽型 绝缘栅场效应管和结型场效应管基本放大电路
VDD Rd C1 C2
−6
−4
−2
0
uGS/V
N沟道 耗尽型MOSFET
P沟道 耗尽型MOSFET
三、场效应管参数
场效应晶体管的参数分为直流参数、交流参数和极限 参数三类： 1. 直流参数 ① 开启电压UGS(th) (或UT)----开启电压是增强型MOS管的参 数，栅源电压小于开启电压的绝对值，场效应管不导通。 ② 夹断电压UGS(off) (或UP)----夹断电压是耗尽型场效应管的 参数，当UGS=UGS(off) 时，漏极电流为零。 ③ 饱和漏极电流IDSS----耗尽型或结型场效应管, 当UGS=0V 时所对应的漏极电流。 ④ 输入电阻RGS----场效应管栅源之间的电阻，对于结型场 效管，反偏时RGS约大于107Ω，对于绝缘栅型场效应管， RGS约是109～1015Ω。
G + Rg
D
d I
R g1
C1
RD
VT
+
+
− g mU gs
C2
+
Rs + Us −
+ U i − R g2
ID
+
+
i U
R g1 − R g2
+
rd
Rd
RL
o U
−
Rg
R
RL
U o −
S
CS
Ri = Rg +
R g1 R g2 R g1 + R g2
(3) 输出电阻 根据输出电阻的定义，令源电压等于0，负载电阻开 路，并在输出端加一个测试电源，可得求输出电阻的微变 等效电路。此时受控源相当开路。
−
这个模型仅适用于低频段和中频段。
共源基本放大电路的动态分析
VDD R g1 C1 Rd C2
I i Rs
g + +
d
VT
RL uo
I o +
Rs us
ui R g2 − R
Cs
R + U i g1 U S − −
Rg2
U gs
g mU gs
Rd U o
−
RL
− s
(1) 电压放大倍数
I i
U i
U gs
I o
g mU gs
U S
U o
(2) 输入电阻
U Ri = i = Rg1 / / Rg2 I i
场效应晶体管具有输入电阻高的特点，但是由于偏置电 阻并联的影响，其输入电阻并不一定高。 可采用下图所示电路提高场效应管放大电路的输入电阻。
V DD
uGS=0V uGS<0V uGS=UGS(off)
UGS（off）
沟道最宽 （上下等宽）
沟道变窄
沟道消失 称为夹断
uGS可以控制导电沟道的宽度。为什么g-s必 须加负电压？
uGS＞UGS（off）且不变，uDS对iD的影响
uGD>UGS（off） 漏极处耗尽层变宽，沟道 变窄，沟道呈楔形分布 uDS增大，iD增大。
=U U i gs
= −g U U o m gs ( Rd // RL )
U ′ Au = o = − g m ( Rd // RL ) = − g m RL Ui U U U g m R' L Ri o o i Aus = = × =− Ri + Rs Us Us Ui
uGS iD = I DO ( − 1) 2 U GS(th)
gm = 2 I DO ⋅ I D U GS( th )
2单极性晶体管 5热稳定性好 噪声低
N沟道耗尽型 P沟道耗尽型 N沟道 增强型 P沟道 N沟道 耗尽型 P沟道
绝缘栅场效应晶体管
4.2 场效应管 一、结型场效应管（ N沟道）
结构示意图 漏极 符号
栅极 导电 沟道
源极
三个极：源极（s）、栅极（g）、漏极（d），对应于晶体 管的e、b、c；
uDS=0，uGS对导电沟道宽度的控制作用
一 场效应管共源基本放大电路
分压偏置电路 由于没有栅流，栅极电位仅由Rg1和Rg2分压确定，分压 偏置既可得到正偏压又可得到负偏压，适合任何类型的场效 应管放大电路。
VDD R g1 C1 Rd C2 R g1 C1 RL ui R g2 − R Cs uo Rd C2 VDD
VT
VT
RL uo
Rs us
增强型场效应管
gm =
2 I DO ⋅ I D U GS(th )
⑥ 极间电容----场效应晶体管的三个电极之间存在电容。一 般Cgs和Cgd约为1~3pF， Cds约为0.1~1pF。
3. 极限参数 ⑦最大漏极电流IDM----场效应管正常工作时的漏极电流的上 限值。 ⑧击穿电压U(BR)GS----结型场效应管栅源之间所加的反向电 压使PN结击穿的电压值，或绝缘栅场效应管的栅极绝缘层 击穿的电压值。 ⑨击穿电压U(BR)DS----场效应管进入恒流区， uds的增加使 iD骤然增加的漏源电压值。 ⑩最大漏极功耗PDM----最大漏极功耗可由PDM= UDS ID决定， 与双极型晶体管的PCM相当。
+
Uo
_
+ Ui _
R R Sd
VT
d
_
_
_
(a) 共源组态
(b) 共漏组态 场效应放大电路的三种组态
(c) 共栅组态
场效应管放大电路设置偏置的原则：
⎧ ⎧ N沟道(uGS＜0，uDS＞0) ⎪结型⎨ ⎩P沟道(uGS＞0，uDS＜0) ⎪ ⎪ ⎧ ⎧ N沟道(uGS＞0，uDS＞0) ⎪ 场效应管⎨ ⎪增强型⎨ ⎩P沟道(uGS＜0，uDS＜0) ⎪ ⎪ ⎪绝缘栅型⎨ ⎧ N沟道(uGS极性任意，uDS＞0) ⎪ ⎪ 耗尽型⎨ ⎪ ⎪ ⎩P沟道(uGS极性任意，uDS＜0) ⎩ ⎩
uGS 2 iD = I DSS (1 − ) U GS(off)
(2) 转移特性曲线
iD = f (uGS ) U DS =常量
uGS 2 iD = I DSS (1 − ) U GS(off)
∂iD gm = ∂uGS
U DS = const
漏极饱 和电流
I DSS
2 I DSS uGS (1 − ) =− U GS(off) U GS(off)
)2
一般应使UGS<0。
U DSQ = VDD − I DQ ( Rd + R )
增强型绝缘栅场效应管放大电路
VDD
R g1
VT
U GSQ = U G − U S =
VDD Rg2 Rg1 + Rg2
− I DQ R
Rd
+
C2
C1
+ U i −
+
+
I DQ = I DO (
U GSQ U GS(th)
′ U Ro = o = Rd ′ I o
I i
Rs g d
′ I o
g mU gs
Rd U ′ o RL
U s
Rg1 Rg2 U i
U gs
s
【4-2】两个场效应管的转移特性曲线分别如图所示，分别确定这 两个场效应管的类型，并求其主要参数（开启电压或夹断电压， 低频跨导）。测试时电流iD的参考方向为从漏极D到源极S。
uGS>0，较小 出现反型层，但不 足以形成导电沟道
uGS>UGS(th) uGS增加，反型层变厚变 长，形成N型导电沟道。
uGS>UGS(th)，uDS对iD的影响
uGD=uGS-uDS>UGS(th)
iD随uDS的增大而增大
uGD=UGS(th)
漏极处出现夹断区
uGD<UGS(th)
uGS的增大几乎全部 用来克服夹断区的电阻, iD仅受控于uGS。
uGD＝UGS（off） 漏极处出现夹断 区，发生预夹断。
uGD<UGS（off） 夹断区向源极方向延 长，uDS的增大几乎全部 用于克服夹断区电阻。 iD几乎不变，几乎仅 仅决定于uGS。
可变电阻区
预夹断
恒流区
场效应管工作在恒流区的条件是什么？
特性曲线
(1) 输出特性曲线
iD = f (uDS ) U GS =常量
uGS 2 iD = I DSS (1 − ) U GS(off)
N沟道 JFET
N沟道 增强型MOSFET
N沟道 耗尽型MOSFET
场效应管的符号和特性曲线对比
N沟道 JFET
P沟道 JFET
N沟道 增强型MOSFET
UDS = -10V
P沟道 增强型MOSFET
iD / mA 4 3 2 1
2. 交流参数 ⑤ 低频跨导gm ----低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作 用。gm可以在转移特性曲线上求取，单位是mS(毫西门子) 耗尽型场效应管
∂i gm = D ∂uGS
U DS = const
2I u = − DSS (1 − GS ) U GS(off) U GS(off)
2 I DSS ⋅ I D gm = − U GS ( off )
Rs us
ui R g2 − R
Cs
N沟道结型场效应管分压偏置电路 N沟道增强型绝缘栅场效应管分压偏置电路 场效应管共源分压偏置电路
静态分析
UG =
Rg1 Rg1 + Rg2
⋅ VDD
U S = I DQ R U GSQ = U G − I DQ R
I DQ = I DSS (1 −
U GSQ U GS(off)
双极型晶体管和场效应管的比较
4.3 场效应管基本放大电路
场效应管有三种不同的组态(或称为三种接法)： 共源极组态，与共发射极组态对应； 共漏极组态，与共集电极组态对应； 共栅极组态，与共基极组态对应。
VT d
+ Ui _ g s Rd RL +
Uo
g VT s + RL
Uo
+
Ui
s
d g Rd RL
预夹断条件，uGD＝UGS(off)
恒流区 iD仅决 定于uGS
gs电压控制ds 的等效电阻
截止区 uGS<UGS(off)
特性曲线
(2) 转移特性曲线
iD = f (uGS ) U DS =常量
漏极饱 和电流
I DSS
转移特性描述uGS 对iD的控制作用。 在恒流区时，有
夹断 电压
uGS(off)