模电第3章

3. 2 场效应管放大电路
一. 直流偏置电路 保证管子工作在饱和区，输出信 号不失真 1.自偏压电路
+ VDD Rd
d
计算Q点：UGS 、 ID 、UDS
已知UP ，由
+ uo
C1 + ui
—
g
T
s
C2
UGS =
- IDR
Rg
ID
R
C
—
U GS 2 I D I DSS (1 ) UP
可解出Q点的UGS 、 ID
+ VDD C2 +
UGS
Rg2 Rg1 + Rg2
2. 极间电容
这是场效应管三个电极之间的等效电容，包括 CGS、 CGD、CDS。 极间电容愈小，则管子的高频性能愈好。一 般为几个皮法。
三、极限参数
1.最大漏极电流 IDM 漏极电流的上限值 2. 漏源击穿电压 U(BR)DS 当漏极电流 ID 急剧上升产生雪崩击穿时的 UDS 。 3. 栅源击穿电压U(BR)GS 场效应管工作时，若UGS > U(BR)GS ，PN结将被击穿。 4. 最大耗散功率PDM 由场效应管允许的温升决定。漏极耗散功率转化为 热能使管子的温度升高。
夹断电压
不同型号的管子UGS（off）、IDSS将不同。
二、绝缘栅型场效应管
由金属、氧化物和半导体制成，称为金属-氧化物半导体场效应管，或简称 MOS 管。
特点：输入电阻可达 109 以上，用于大规模集成电路。 N 沟道
类型 增强型 耗尽型 增强型 耗尽型
P 沟道
UGS = 0 时漏源间不存在导电沟道称增强型场效应管. UGS = 0 时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管.
-0. 5V
-1V -1. 5V
即uGS＞UGS（off）且uGD＜UGS（off） 特点：
0
-2V
VDS /V
ID只受VGS控制，而与VDS近似无关。 数学模型：
VGS I D I DSS 1 V GS(off)
2
截止区 沟道全夹断的工作区 条件： VGS < VGS(off) 特点： IG≈0，ID=0 击穿区
NMOS管输出特性曲线
非饱和区
ID= f ( VDS )
VGS = 常数
沟道预夹断前对应的工作区。
VGS > VGS(th) 条件： V DS < VGS–VGS(th) 特点： ID同时受VGS与VDS的控制。
ID/mA VDS = VGS –VGS(th) VGS =5V 4.5V 4V 3.5V 0 VDS /V
ID/mA VDS = VGS –VGS(off)
VGS =0V
-0. 5V -1V -1. 5V 0 -2V VDS /V
线性电阻:

恒流（饱和）区(放大区)
条件： VGS > VGS(off) V DS > VGS–VGS(off)
ID/mA VDS = VGS –VGS(off) VGS =0V
管号 结型 T1 MOS T2 MOS T3 UGS(off)或UGS(th) -3 4 -3 US 3 -2 0 UG -1 3 0 UD 10 -1.2 10
T1为N沟道结型场效应管，工作在截止区。 T2为增强型N沟道MOS管，工作在可变电阻区。 T3为耗尽型N沟道MOS管，工作在恒流区。
例：已知场效应管的输出特性曲线如图,分析当uI＝4V、 8V、12V三种情况下场效应管分别工作在什么区域。
iD gm uGS
U DS 常量
ΔiD
ΔuGS
3、伏安特性曲线
（2）转移特性 iD f (uGS ) U
DS 常量
管子工作在恒流区，满足uGS＞UGS（off）且uGD＜UGS（off） 转移特性曲线为：
漏极饱和电流
恒流区中iD的表达式为：
uGS 2 iD I DSS (1 ) (UGS(off) uGS 0) U GS(off)
ID/mA VDS = VGS –VGS(th)
条件： VGS < VGS(th)
沟道未形成时的工作区 特点： IG≈0，ID≈0 相当于MOS管三个电极断开。 击穿区
0
VGS =5V
4.5V 4V 3.5V VDS /V
• VDS增大到一定值时漏衬PN结雪崩击穿 ID剧增。 • VDS沟道 l 对于l 较小的MOS管穿通击穿。
绝缘 增 栅型 强 N 沟道 型
G
S
UGS
O
+ + +
ID
O UGS(off) UGS
UGS = UGS(th)
o
+ + + +
S D
UGS(off) O
O

UDS
UDS
种类 绝缘 耗 栅型 尽 N 沟道 型
符号
D ID
转移特性
ID
IDSS UGS
漏极特性
ID + UGS=0 _ _
UDS
绝缘栅型场效应管
一、结型场效应管（N沟道为例）
1、结构和符号
场效应管有三个极：源极（s）、栅极（g）、漏极 （d），对应于晶体管的发射极e、基极b、集电极c。 符号 结构示意图 栅极 导电 沟道
漏极
源极
JFET结构示意图及电路符号
D G
D
D
P+ N P+ G
G
D
N+ P N+ G
S
S S
S
N沟道JFET
P沟道JFET
2、工作原理 1)栅-源电压uGS对导电沟道宽度的控制作用
当uDS=0，uGS可以控制导电沟道的宽度。
沟道最宽
沟道变窄
沟道消失 称为夹断
当沟道消失时，uGS = UGS（off）称为夹断电压
2)漏-源电压UDS对漏极电流ID的影响
当UGS（off）<uGS<0时，uDS对漏极电流的影响。
当VGS为常数时，VDSID近似线性，表现为一种电阻特性； 当VDS为常数时，VGS ID ，表现出一种压控电阻的特性。
因此，非饱和区又称为可变电阻区。
饱和区（放大区）
沟道预夹断后对应的工作区。
ID/mA VDS = VGS –VGS(th)
VGS =5V 4.5V 4V 3.5V
4. P沟道增强型MOS管：
截止区： uGS > UGS(th) ,并且UGS(th) <0
恒流区： uGS < UGS(th) ，并且uGD > UGS(th)
可变电阻区： uGS <UGS(th) ，并且uGD <UGS(th) 注：耗尽型MOS管与结型场效应管相类似。
判断下列N沟道场效应管的管型和工作状态。
四、场效应管的工作区域判断
1. N沟道结型场效应管：
截止区（夹断区）： uGS < UGS(off) <0 恒流区： UGS(off) <uGS <0，并且uGD < UGS(off)
可变电阻区： UGS(off) <uGS <0，并且uGD >UGS(off)
2. N沟道增强型MOS管：
截止区： uGS < UGS(th), 并且UGS(th) >0
1、增强型MOS管符号和结构（N沟道为例）
符号
金属层
结构示意图
uGS＝UGS（th） 沟道开启
耗尽层
SiO2绝缘层
反型层
uGS增大，反型层（导电沟道）将变厚变长。当 反型层将两个N区相接时，形成导电沟道。
当uGS > UGS(th)时，漏源电压uDS 对iD的影响
iD随uDS的增大 而增大 (可变电阻区)
第三章 场效应管放大器
3.1 场效应管
结型场效应管

绝缘栅场效应管
3.2 场效应管放大电路


效应管放大器的静态偏置
效应管放大器的交流小信号模型 效应管放大电路
3.1、场效应管
只有一种载流子参与导电，且利用电场效应来控制电 流的三极管，称为场效应管，也称单极型三极管。
场效应管分类 结型场效应管 增强型 耗尽型 单极型器件(一种载流子导电)； 特点 输入电阻高(107 1015 )； 工艺简单、易集成、功耗小、体积小、 成本低。
UGS =- IDR
再求： UDS =VDD- ID (Rd + R )
注意：该电路产生负的栅源电压，所以只能用于需要负栅源电压的电路。
2.分压式自偏压电路
UGS UG US
Rg2 Rg1 + Rg2 VDD I D R
计算Q点：
已知UP ，由
Rd Rg1 C1 + ui Rg2
—
恒流区： uGS > UGS(th) ，并且uGD < UGS(th) 可变电阻区： uGS > UGS(th) ，并且uGD >UGS(th)
注：耗尽型MOS管与结型场效应管相类似。
五、场效应管的工作区域判断
3. P沟道结型场效应管：
截止区（夹断区）： uGS > UGS(off) >0
恒流区： 0 <uGS < UGS(off) ，并且uGD > UGS(off) 可变电阻区： 0 <uGS <UGS(off) ，并且uGD <UGS(off)
VGS > VGS(th) 条件： V DS > VGS–VGS(th) 特点：
0
VDS /V
ID只受VGS控制，而与VDS近似无关，表现出类 似三极管的正向受控作用。 考虑到沟道长度调制效应，输出特性曲线随 VDS的增加略有上翘。
注意：饱和区（又称有源区）对应三极管的放大区。
截止区
ID=0以下的工作区域。
VGS = 常数
VDS = 常数
3、伏安特性曲线 （1）NJFET输出特性
非恒流（饱和）区(可变 电阻区) VGS > VGS(off) 条件： V DS < VGS–VGS(off) 即 uGS＞UGS（off）且uGD＞UGS（off） 特点： ID同时受VGS与VDS的控制。
2 VGS(off) 1 Ron 2 I DSS VGS VGS(off)
G
B
S
D ID
UGS(off) O
UGS(th)O ID UGS
O
G S
B
IDSS
_
+ +
ID
O
o
绝缘 栅型 P 沟道 耗 尽 型
G S
B
ID
D
UGS(off) UGS
_ _ _
增 强 型
o
三、场效应管的主要参数
一、直流参数
1. 开启电压 UGS(th) 为增强型MOS管的一个重要参数。 2. 夹断电压 UGS(off) 为结型场效应管和耗尽型MOS管的一个重要参数。 3. 饱和漏极电流 IDSS
N沟道耗尽型MOS管
夹断 电压
耗尽型MOS管与结型场效应管的转移特性 方程相类似。
表 1.4.13
种类
各类场效应管的符号和特性曲线
符号
D
转移特性
ID /mA IDSS UGS
ID
漏极特性
UGS= 0V
Hale Waihona Puke Baidu
结型 耗 尽 N 沟道 型 G
结型 耗 尽 P 沟道 型 G
S
D
IDSS ID B O UGS(th) ID
uGD＝UGS（th） 预夹断，电 流趋于饱和
iD几乎仅仅 受控于uGS (恒流区)
N沟道增强型MOS管工作在恒流区的条件是什么？
2、耗尽型MOS管符号和结构（N沟道为例）
符号 结构示意图
uGS＝UGS（off） <0，沟道夹断
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。
解：由T的输出特性可知其开启电压为5V，图示电路 uGS＝uI。
当uI＝4V时，uGS小于开启电压，故T截止。 当 uI ＝ 8V 时，设 T 工作在恒流区 ，由输出特性得 iD≈0.6mA，管压降 uDS≈VCC－iDRd≈10V uGD＝uGS－uDS≈－2V 小于开启电压，假设成立 即T工作在恒流区。 当uI＝12V时，假设T工作在恒流区，由iD ≈3.8mA得： uDS≈-0.54V， uGD≈12.54V大于开启电压，T工作在 可变电阻区。
为结型场效应管的一个重要参数。
4. 直流输入电阻 RGS 输入电阻很高。结型场效应管一般在 107 以上， MOS管更高，一般大于 109 。
二、交流参数
1. 低频跨导 gm
用以描述栅源之间的电压 uGS 对漏极电流 iD 的控制作用。
单位：iD 毫安(mA)；uGS 伏(V)；gm 毫西门子(mS)
沟道为楔型， 电流增大 （可变电阻区）
预夹断，电流趋 于饱和 uGD＝UGS（off）
电流达到饱和
（恒流区）
场效应管工作在恒流区的条件是什么？
伏安特性
由于JFET场效应管正常工作 时栅极电流为零，故不讨论 输入特性曲线。 共源组态特性曲线：
输出特性：
转移特性：
ID= f ( VDS ) ID= f ( VGS )
ID/mA VDS = VGS –VGS(off) VGS =0V -0. 5V -1V
-1. 5V
0 -2V VDS /V
VDS 增大到一定值时 近漏极PN结雪崩击穿
造成 ID剧增。
VGS 越负 则VGD 越负 相应击穿电压V(BR)DS越小
输出特性 低频跨导gm：用来描述动态的栅-源电压uGS对漏极 电流iD的控制作用（恒流区）