晶体管及其小信号放大-场效应管放大电路

vGS
v GS 2 i D = I DSS (1 − ) VP
VDS = VDD - ID (Rd + R ) 注意：两组解， 注意：两组解，一组不合理
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二 分压式偏置电路
（两种都适用） 两种都适用）
VGS = VG − VS Rg2 VDD − I D R = Rg1 + Rg2
v GS 2 i D = I DSS (1 − ) VP
晶体管及其小信号放大
－场效应管放大电路
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场效应晶体管(FET) 场效应晶体管
电压控制器件 多子导电 输入阻抗高,噪声低 热稳定好,抗辐射 噪声低,热稳定好 抗辐射,工 输入阻抗高 噪声低 热稳定好 抗辐射 工 艺简单,便于集成 便于集成,…应用广泛 艺简单 便于集成 应用广泛
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§4 场效应晶体管及场效应管放大电路
场效应晶体管(FET) §4.1 场效应晶体管
N沟道 沟道 FET 场效应管 JFET 结型 IGFET 绝缘栅型 耗尽型 P沟道 沟道 N沟道 沟道 增强型 P沟道 沟道 N沟道 沟道 P沟道 沟道
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（耗尽型） 耗尽型）
§ 4.1.1 结型场效应管
一、结构
漏极
栅极
N沟道 沟道
源极
利用PN结反向电压对耗尽层宽度的控制来 改变导电沟道的宽度,从而控制通过的电流
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半导体三极管图片
25
半导体三极管图片
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§4.2 场效应 放大电路
组成原则： 组成原则：
(1) 静态：适当的静态工作点，使场效应管工作 静态：适当的静态工作点， 在恒流区， 在恒流区，场效应管的偏置电路相对 简单。 简单。 (2) 动态：能为交流信号提供通路。 动态：能为交流信号提供通路。
微变等效电路 g d RG RL'
ɺ Ugs
ɺ gmUgs RD RL
R1 R2 s
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RL' g RG d RD RL
ɺ Ui
R1 R2
ɺ Ugs
ɺ gmUgs
ɺ Uo
ɺ ɺ U i = U gs
s
ɺ ɺ Uo = −gm ⋅Ugs ⋅ (RD // RL )
ri = RG + R1 // R2
ID
G P
夹断电压
P
U GS (off )
UGS S
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UGS> U GS (off ) ,但UDS增加 但 到 UGS - U GS (off ),即 UGD= UGS – UDS = U GS (off ) 靠近漏极的沟道夹断. 靠近漏极的沟道夹断
预夹断
ID
UDS增大则被夹断区 向下延伸。此时， 向下延伸。此时， 电流I 电流 D由未被夹断 区域中的载流子形 基本不随U 成，基本不随 DS的 增加而增加， 增加而增加，呈恒 流特性。 流特性。 ID= IDSS
绝缘栅场效应管可以很好地解决这些问题。 绝缘栅场效应管可以很好地解决这些问题。
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绝缘栅场效应管（ § 4.1.2 绝缘栅场效应管（ IGFET)
最常见的绝缘栅型场效应管是 MOSFET( Metal Oxide Semiconductor FET)。分为 。 沟道、 沟道 增强型 → N沟道、P沟道 沟道 沟道、 沟道 耗尽型 → N沟道、P沟道 沟道
VGS（th) （
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沟道耗尽型MOSFET 二 N沟道耗尽型 沟道耗尽型
正离子
使用方便 VGS为正 沟道加宽 VGS为负 沟道变窄
夹断电压
U GS (off )
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输出特性曲线
ID
UGS>0 UGS=0 UGS<0
iD = I DSS (1 −
vGS VGS(off)
)2
转移特性曲线
0
U DS
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沟道增强型MOSFET 一 N沟道增强型 沟道增强型 1 结构
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2 工作原理
(1) VGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的 二极管，在D 二极管， 时 之间加上电压不会在D、 间形成电流 间形成电流。 、S之间加上电压不会在 、S间形成电流。 之间加上电压不会在 (2) VGS> VGS（th)>0时，形成导电沟道 时 （ VGS越大， 越大， 沟道越宽， 沟道越宽， 电阻越小。 电阻越小。
gm =
最大漏极功耗P ⑥ 最大漏极功耗 DM 最大漏极功耗可由P 决定， 最大漏极功耗可由 DM= VDS ID决定，与双极型 三极管的P 相当。 三极管的 CM相当。 22
∂iD ∂vGS
VDS
二 场效应三极管的型号
场效应三极管的型号, 现行有两种命名方法。 场效应三极管的型号 现行有两种命名方法。 其一是与双极型三极管相同，第三位字母 代 其一是与双极型三极管相同，第三位字母J代 表结型场效应管， 代表绝缘栅场效应管 代表绝缘栅场效应管。 表结型场效应管，O代表绝缘栅场效应管。第二位 字母代表材料， 是 型硅 反型层是N沟道 型硅， 沟道； 是 字母代表材料，D是P型硅，反型层是 沟道；C是 N型硅 沟道。例如 型硅P沟道 是结型N沟道场效应三 型硅 沟道。例如,3DJ6D是结型 沟道场效应三 是结型 极管， 是绝缘栅型N沟道场效应三极管 极管，3DO6C是绝缘栅型 沟道场效应三极管。 是绝缘栅型 沟道场效应三极管。 第二种命名方法是CS×× ， 代表场效应管 代表场效应管， 第二种命名方法是 ××#，CS代表场效应管， ×× ××以数字代表型号的序号 以数字代表型号的序号， 用字母代表同一型号 ××以数字代表型号的序号，#用字母代表同一型号 中的不同规格。例如CS14A、CS45G等。 中的不同规格。例如 、 等
反 型 层
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(3) VGS> VGS（th)>0时， VDS>0 时 （
VDS较小时， ID随之线性上升 较小时，
VDS稍大后，产生横向电位梯度 稍大后，
VGD=VGS－VDS ＝ VGS（th)时发生预夹断 时发生预夹断 （ 时发生
出现预夹断后，随着 继续增大，夹断点向源极方向移动， 出现预夹断后，随着VDS继续增大，夹断点向源极方向移动， ID略有增加
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几种常用的场效应三极管的主要参数
参数 型 号 3D J2D 3D J7E 3D J15H 3DO2E CS11C PDM m W 100 100 100 100 100 IDSS m A <0.35 <1.2 6～ 11 0.35～ 1.2 0.3～ 1 VRDS VRGS V V >20 >20 >20 >20 >20 >20 >12 >25 -25 VP gm V m V A/ -4 2 ≥ -4 3 ≥ -5.5 ≥ 8 -4 2 ≥ fM Mz H 300 90 1000
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输入电阻R ④ 输入电阻 GS
场效应三极管的栅源输入电阻的典型值， 场效应三极管的栅源输入电阻的典型值，对于结型 场效应三极管，反偏时R 约大于10 场效应三极管，反偏时 GS约大于 7 ，对于绝缘 栅型场效应三极管, 约是10 栅型场效应三极管 RGS约是 9～1015 。 低频跨导g ⑤ 低频跨导 m 低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用， 低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用， 这一点与电子管的控制作用相似。 这一点与电子管的控制作用相似。gm可以在 转移特性曲线上求取， 转移特性曲线上求取，也可由电流方程求得
UGS
5
UDS>0但较小 但较小: 但较小
ID随UDS的增加
而线性上升。 而线性上升。 (UGS固定)
ID
UGS
6
UGS负到一定值时 耗尽 负到一定值时,耗尽 区碰到一起， 间被夹 区碰到一起，DS间被夹 这时，即使U 断，这时，即使 DS ≠ 0V，漏极电流 D=0A。 ，漏极电流I 。
D N
分析方法： 分析方法：
静态分析： 静态分析： 估算法、图解法。 估算法、图解法。 微变等效电路法。 微变等效电路法。 动态分析： 动态分析：
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4.2.2 场效应管的直流偏置电路及静态分析
一 自偏压电路
（适用于耗尽型） 适用于耗尽型） Q点： VGS 、 ID 、 VDS 点 vGS = - iDR
4
沟道为例） 二、工作原理（以N沟道为例） 工作原理（ 沟道为例
正常工作: 正常工作 UGS<=0,
PN结反偏，|UGS|越 结反偏， 结反偏 大则耗尽层越宽， 大则耗尽层越宽， 导电沟道越窄， 导电沟道越窄，电 阻越大。 阻越大。
UDS>0V
ID
ID受UGS 和UDS的控制
初始就有沟道， 初始就有沟道， 是耗尽型。 是耗尽型。
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P沟道 沟道MOSFET 沟道
P沟道MOSFET的工作原理与N沟 道MOSFET完全相同，只不过导电 的载流子不同，供电电压极性不同 而已。这如同双极型三极管有NPN 型和PNP型一样。
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2.2.5 双极型和场效应型三极管的比较 双极型三极管
结构 NPN型 PNP型
场效应三极管
结型（耗尽型）N沟道 P沟道 绝缘栅增强型 N沟道 P沟道 绝缘栅耗尽型 N沟道 P沟道
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三、特性曲线和电流方程
1. 输出特性 2. 转移特性
iD = f ( vDS ) vGS = const. iD = f ( vGS ) vDS = const.
iD = I DSS (1 −
vGS VGS(off)
)2
(VGS(off) ≤ vGS ≤ 0)
UGD U GS (off ) =
（饱和区）
夹断区
U GS (off )
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结型场效应管的缺点： 结型场效应管的缺点：
1. 栅源极间的电阻虽然可达 7以上，但在 栅源极间的电阻虽然可达10 以上， 某些场合仍嫌不够高。 某些场合仍嫌不够高。 2. 在高温下，PN结的反向电流增大，栅源 在高温下， 结的反向电流增大 结的反向电流增大， 极间的电阻会显著下降。 极间的电阻会显著下降。 3. 栅源极间的 结加正向电压时，将出现 栅源极间的PN结加正向电压时 结加正向电压时， 较大的栅极电流。 较大的栅极电流。
= 1.0375 M Ω
ro=RD=10kΩ Ω
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ɺ A = −gm ⋅ R'L u
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4.2.2 场效应管的低频小信号等效模型
iD D G uGS S uDS
iD = f (uGS , u DS ) ∂iD ∂iD ຫໍສະໝຸດ BaiduiD = ⋅ ∆uGS + ⋅ ∆uDS ∂uGS ∂uDS
= gm ⋅ ∆uGS + 1
跨导 漏极输出电阻
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rDS
⋅ ∆uDS
∂iD gm = ∂uGS
rDS
C与E一般不可倒置使用 载流子 输入量 控制 多子扩散少子漂移 电流输入 电流控制电流源CCCS(β)
D与S一般可倒置使用 多子漂移 电压输入 电压控制电流源VCCS(gm)
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§ 4.1.4 场效应管的参数和型号 一 场效应管的参数
开启电压V ① 开启电压 GS(th) (或VT) 或 开启电压是MOS增强型管的参数，栅源电压小于开 增强型管的参数， 开启电压是 增强型管的参数 启电压的绝对值, 场效应管不能导通。 启电压的绝对值 场效应管不能导通。 夹断电压V ② 夹断电压 GS(off) (或VP) 或 夹断电压是耗尽型FET的参数，当VGS=VGS(off) 时,漏 的参数， 夹断电压是耗尽型 的参数 漏 极电流为零。 极电流为零。 饱和漏极电流I ③ 饱和漏极电流 DSS 耗尽型场效应三极管, 耗尽型场效应三极管 当VGS=0时所对应的漏极电流 时所对应的漏极电流
∂u DS = ∂i D
∂iD gm = ∂uGS
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场效应管的微变等效电路为： 场效应管的微变等效电路为：
iD D G uGS S uDS
G
ugs
D
gmugs rDS uds
G
ugs
D
gmugs uds
S
很大， 很大， 一般可忽略
JFET相同
S
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4.2.3 共源极放大电路
UDD=20V R1 C1 150k G RG ui 1M R2 50k S RS 10k 10k RL CS uo RD 10k C2 D
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3 N沟道增强型 沟道增强型MOS管的特性曲线 沟道增强型 管的特性曲线
输出特性曲线 ID=f(VDS)VGS=const
VGD=VGS（th) （
（饱和区）
夹断区
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转移特性曲线
ID=f(VGS)VDS=const
vGS iD = I DO ( − 1) 2 VGS(th)
I DO 即 vGS = 2VGS (th ) 时的值