第四章 场效应管(FET)及基本放大电路

第四章 场效应管（FET ）及基本放大电路
§4.1 知识点归纳
一、场效应管（FET ）原理
·FET 分别为JFET 和MOSFET 两大类。

每类都有两种沟道类型，而MOSFET 又分为增强型和耗尽型（JFET 属耗尽型），故共有6种类型FET （图4-1）。

·JFET 和MOSFET 内部结构有较大差别，但内部的沟道电流都是多子漂移电流。

一般情况下，该电流与GS v 、DS v 都有关。

·沟道未夹断时，FET 的D-S 口等效为一个压控电阻（GS v 控制电阻的大小），沟道全夹断时，沟道电流D i 为零；沟道在靠近漏端局部断时称部分夹断，此时D i 主要受控于GS v ，而DS v 影响较小。

这就是FET 放大偏置状态；部分夹断与未夹断的临界点为预夹断。

·在预夹断点，GS v 与DS v 满足预夹断方程：
耗尽型FET 的预夹断方程：P GS DS V v v -=（P V ——夹断电压） 增强型FET 的预夹断方程：T GS DS V v v -=（T V ——开启电压）
·各种类型的FET ，偏置在放大区（沟道部分夹断）的条件由表4-4总结。

表4-4 FET 放大偏置时GS v 与DS v 应满足的关系
·偏置在放大区的FET ，GS v ~D i 满足平方律关系：
耗尽型：
2
)
1(P GS DSS D V v I i -
=（DSS I ——零偏饱和漏电流）
增强型：2
)(T GS D V v k i -=*
· FET 输出特性曲线反映关系
参变量
GS V
DS D v f i )(=，该曲线将伏安平面分为可变电阻区
（沟道未夹断），放大区（沟道部分夹断）和截止区（沟道全夹断）；FET 转移特性曲线反映在放大区的关系)(GS D v f i =（此时参变量DS V 影响很小），图4-17画出以漏极流向源极的沟道电流为参考方向的6种FET 的转移特性曲线，这组曲线对表4-4是一个很好映证。

二、FET 放大偏置电路
·源极自给偏压电路（图4-18）。

该电路仅适用于耗尽型FET 。

有一定稳Q 的能力，求解该电路工作点的方法是解方程组：
22() [FET ()]GS D DSS d GS T P GS S D v i I v i k v V V v R i
⎧
=-=-⎪⎨
⎪=-⎩对于增强型,用关系式
·混合偏压电路（图4-20）。

该电路能用于任何FET ，在兼顾较大的工作电流时，稳Q
的效果更好。

求解该电路工作点的方法是解方程组：
⎪⎩⎪
⎨⎧-+=D s CC GS i R R R R V v 212平方律关系式
以上两个偏置电路都不可能使FET 全夹断，故应舍去方程解中使沟道全夹断的根。

三、FET 小信号参数及模型
·迭加在放大偏置工作点上的小信号间关系满足一个近似的线性模型（图4-22低频模
型，图4-23高频模型）。

·小信号模型中的跨导
Q GS
D
m v i g ∂∂=
m g 反映信号gs v 对信号电流d i 的控制。

m g 等于FET 转移特性曲线上Q 点的斜率。

m g 的估算：耗尽管
D
DSS P m I I V g ||2
=
增强管D m kI g 2=
·小信号模型中的漏极内阻
Ds
ds D
Q
v r i ∂=
∂
ds r 是FET “沟道长度调效应”的反映，ds r 等于FET 输出特性曲线Q 点处的斜率的倒
数。

四、基本组态FET 小信号放大器指标
1．基本知识
·FET 有共源（CS ）共漏（CD ）和共栅（CG ）三组放大组态。

·CS 和CD 组态从栅极输入信号，其输入电阻i R 由外电路偏置电阻决定，i R 可以很大。

·CS 放大器在其工作点电流和负载电阻与一个CE 放大器相同时，因其m g 较小，||
V A
可能较小，但其功率增益仍可能很大。

·CD 组态又称源极输出器，其1V A <。

在三种FET 组态中，CD 组态输入电阻很大，而输出电阻较小，因此带能力较强。

·由于FET 的电压电流为平方关系，其非线性程度较BJT 的指数关系弱。

因此，FET 放大器的小信号线性条件对GS v 幅度限制会远大于BJT 线性放大时对be v 的限制（be v <5mV ）。

2．CS 、CD 和CG 组态小信号指标 由表4-6归纳总结。

表4-6 FET 基本组态放大器小结
§4.2 习题解答
4-1 图P4-1中的FET 各工作在什么区？
（a ） V P =-3V （b ） V P =-5V （c ） V P =4V
图P 4-1
（a ）这是N-JFET 。

GS P V V <，∴沟道全夹断，FET 处于截止区。

（b ）这是N-JFET 。

0GS P V V >>， (6V) (1V)DS GS P
V V V >-，∴沟道部分夹断，FET 处于放大
区。

（c ）这是P-JFET 。

0GS V =， (8V) (4V)DS GS P
V V V <---，∴FET 偏置在放大区。

4-2 若某P 沟道JFET 的I DSS =-6mA ，V P =4V 。

画出该管的输出特性曲线；指出电阻区和恒流区以及它们的分界线（即预夹断轨迹）。

[解] 由原方律公式先画转移特性
22
(1)6(1)4GS GS D DSS P V V
i I V =-=--
图P4-2-1 转移特性曲线
图P4-2-2 输出特性曲线
4-3 一支P 沟道耗尽型MOSFET 的I DSS =—6mA V P =4V ，另一支P 沟道增强型MOSFET
的V T =-4V .。

试分别画出它们的输出特性曲线，标明电阻区和恒流区以及它们的分界线（即预夹断轨迹）。

[解] 曲线分别如图P4-3-1和P4-3-2所示。

图P4-3-1
图P4-3-2
4-5 设图P4-5中JFET 的I DSS 的绝对值都等于4mA ，且沟道部分夹断，求输出端的直流电压V O 。

（a ）04106V V =-=-（b ）04V V =（c ）04V V =（d ）04106V V =-+=
图P4-5
4-6 设图P4-6中的MOSFET 的P T V ,V 均为1V ，问它们各工作于什么区？
图P4-6
（a ）N 沟道耗尽型MOSFET ，1P V =-V ，(2V)
GS P V V >，且 (6V) (3V)
DS GS P
V V V >-，
∴工作于放大区。

（b ）N 沟道增强型MOSFET ，1T V =V ， (2V) (1V)GS T V V >，且 (6V) (1V)
DS GS T
V V V >-，
∴工作于放大区。

（c ）P 沟道耗尽型MOSFET ，1P V =V ， (2V) (1V)GS T
V V >，∴工作于截止区。

（d ）P 沟道增强型MOSFET ，1P V =-V ， (2V) (1V)GS T
V V >-∴工作于截止区。

4-7 JFET 自给偏压放大器如图P4-7所示。

设R D ＝12k Ω，R G ＝1M Ω，R S ＝470Ω，电源电压V DD ＝30V 。

FET 的参数：I DSS ＝3mA ，V P ＝－2.4V 。

（1） 求静态工作点V GS 、I D 和V DS 。

（2） 当漏极电阻超过何值时FET 会进入电阻区？
[解] （1） 列联立方程
2(1)GS D DSS P GS s D V i I V V R i ⎧=-⎪⎨⎪=-⎩23(1) 2.4
0.47
GS D GS D V i V i ⎧=+⎪⇒⎨⎪=-⎩
②代入①，并化简得
2
0.1151 2.17530D D i i -+= 图P4-7
∴
1.5mA 17.4mA(,)D GS P I V V ⎧==⎨
<∴⎩该值使舍去 ∴ 1.5D I =mA ，0.47 1.50.71GS V =-⨯=-V ，()11.3DS DD D D S V V I R R =-+=V
（2）当0.71 2.4 1.69DS GS P V V V =-=-+=V 时，沟道预夹断。

此时，0()16.9DD D S V I R R -+= 30 1.69
18.870.4718.41.5D S R R k -=
-=-=Ω
∴18.4D R k >Ω时，FET 进入电阻区。

4-8 在图P4-8所示电路中，已知JFET 的I DSS ＝1mA ，
V P ＝－1V 。

如果要求漏极到地的静态电压V DQ ＝10V ，求电阻R 1的阻值。

[解]
2410
0.2556DD DQ
D D
V V I R --=
=
=mA
① ②
由原方律关系
2
(1)GS D DSS P V I I V =-
20.25(1)GS V =+
∴10.5GS V ==-V
由1GS D V I R =-，∴
0.5
20.25GS D V R k I =-
==Ω 图P4-8
4-9 已知FET 的输出特性如图P4-9所示。

（1）判断该管类型，并确定V P 和I DSS 的数
值（2）求V DS ＝10V ，I D ＝2mA 处的跨导g m 。

图P4-9
图P4-10
[解] （1） 0Ds V <，∴为P 沟道FET
又 5V 0V GS V >>，GS V 与DS V 反极性，故为JFET 结论：P 沟道JFET ，5P V =V ，4DDS I mA
（2
）
1.13m g =
ms 。

4-10 FET 放大电路图P4-10所示。

FET 参数为：I DSS ＝2mA ，V P ＝－4V ，r ds 可忽略不
计。

试估算静态工作点，并求A V 、R i 和R o 之值。

[解]
（1）估算工作点： 0GS V =， ∴2D DSS I I ==mA ，
20416DS DD D D V V I R =-=-=V
（2）画出交通通路，组态为CS 放大器。

图
P4-10-1
∴ ////v m ds D L A g r R R =-⋅
2//||DSS
D L
P I R R V =-
⋅
1.43=-。

5i G R R M ==Ω，0//2ds D D R r R R k ==Ω 。

4-11 在图P4-11所示共源放大器中，JFET 的参数为：I DSS ＝4.5mA ，V P ＝－3V ，r ds 可
忽略不计。

试求：（1）静态工作点V GS 、I D 和V DS ；（2）中频段端电压增益A V 、输入电阻R i 和输出电阻R o 。

[解] （1）
11100
183600G DD R V V R R =
=⨯=+V
联立24.5(1)332GS D
GS D V i V i ⎧=+⎪⎨
⎪
=-⎩
设2
213180D D i i -+=
∴2D I =mA （ 4.5D I =mA 舍去），1GS V =-V 图P4-11
()1827.6 2.8DS DD D D S V V I R R =-+=-⨯=（V ）
（上式满足DS GS P V V V >-，即放大区条件）
（2
）
2m g =（ms ）
∴//2 2.8 5.6v m D L A g R R =-⋅=-⨯=- 312// 2.083M i R R R R =+=Ω 0 5.6D R R k ==Ω
4-12 N 沟道JFET 共漏放大器如图P4-12所示，电路参数为：R 1＝40k Ω，R 2＝60k Ω，
R 3＝2M Ω，R 4＝20k Ω，负载电阻R L ＝80k Ω，电源电压V DD ＝30V ，信号源内阻R S ＝200k Ω。

JFET 的I DSS ＝4mA ，V P ＝－4V ，r ds =40k Ω。

试计算增量跨导g m ，并求端电压增益A V 、电流增益A i 、输入电阻R i 和输出电阻R o 。

[解]
（1）求D I 并计算m g ：
2126
3018V 10G DD R V V R R =
=⨯=+
联立24(1)41820GS D GS D V i V i ⎧
=+⎪⎨
⎪
=-⎩
得2
1.21mA(10022112001mA D D D i i i ⎧-+=⇒=⎨
⎩舍去)
∴
1m g =
=（ms ）。

（2）由共漏放大器公式
44////20//40//800.92
1////120//40//80m d s L
v m d s L g r R R A g r R R ⋅=
==+⋅+
312// 2.024M i R R R R =+=Ω
00441
//////40//1//20930()ds m
R R R r R g '====Ω
0/0.922024
23.3/80
L i I V i i L v R R A A v R R ⨯=
===
4-13 在图P4-13所示的共漏放大器电路中，若MOSFET 的2
/5.0V mA k -=，V T ＝－3V ，r ds =20k Ω，假定40=q kT ，I D ＝－5.85mA 。

试求共漏放大电路中频段电压增益A V 和输出电阻R o 。

[解]
3.42m g =（ms ）
33//// 3.42//20//1//2
1////1 3.42//20//1//2m ds L V m ds L g r R R A g r R R ⋅=
=
+⋅+ 2.20650.6881 2.2065==+
031
////20//0.292//1
ds m
R r R g == 224()=Ω
图P4-13
4-14 在图P4-7的CS 放大器中，输入信号v i 为正弦电压。

试借助i D ～v GS 的平方律关系式分析：要使输出电压v o 的二次谐波振幅小于基波振幅的十分之一，输入电压最大振幅V im 是多少？
[解] 由图P4-7，取cos i im v V t ω=，∴cos GS GS im V V V t ω=+ 由平方律关系：
图
P4-12
2
cos (1)GS im D DSS P
V V t i I V ω+=-2
222cos cos (1)(1)GS im GS im DSS DSS DSS P P P P V V t V V t I I I V V V V ωω=---+
上式中D i 的基波电流振幅
12(1)DSS im GS m P P
I V V
I V V =
-
D i 的二次谐波电流振幅
2
22
2DSS im m
P I V I V =
由题设，令210.1m m I I ≤可得
0.4||im P GS V V V ≤-
上式可改写为
0.4|
i m V V ≤若12D DSS I I =
，2P V =-V
，则max 0.4566i V =⨯（mV ）
该题表明：FET 放大器的非线性远不如BJT 放大器严重，故满足小信号条件所容许的gs
v 远大于be v
4-15 图P4-15是CD-CB 组合放大电路。

T 1和 T 1的小信号参数分别为g m ，r ds 和β，
r be 。

画出放大器中频段小信号等效电路并求A V 的表达式。

[解] 中频交流通路如图P4-15-1所示。

小信号模型如图P4-15-2所示： 列方程
0C b v R i β=
① i gs be b
v V r i =+
②
be be m gs b b b b ds E
r r g v i i i i r R β=++
+ ③
③代入②消去
gs
v 图P4-15
(1)b be be i b b be b
m m ds m E
i r r
v i i r i g g r g R β+=
+++ ④
∴
011C m C
V be be be be i be be m
m m ds m E ds E
v R g R A r r r r v r r g g g r g R r R ββββ===
++++++++
[](1)m C ds E
ds E be E ds m ds E g R r R r R r R r g r R ββ=
++++
该题也可直接用公式计算：22////1////m E ds i C
V m E ds i be g R r R R A g R r R r β⎛⎫⎛⎫⋅= ⎪
⎪
+⋅⎝⎭⎝⎭，其中
21be i r
R β=+。

图P4-15-1
图P4-15-2
4-16 图P4-16是漏-栅反馈型FET 偏置电路。

已知图中N 沟道增强型MOSFET 的参数
V T =2V ，k=0.25mA/V 2。

问：
（1）要使I D =1mA ，漏极电阻R D 应取多大？
（2）这种偏置电路能否用于JFET 和耗尽型MOSFET ？为什么？ [解]
（1）该FET 是N 沟道增强型MOST ，
DS GS GS T V V V V =>-
∴该电路肯定工作在放大区。

∴2
()D GS T i k v V =-
将1D I =mA 代入上式，求得4GS V =V 图P4-16 由偏置电路()GS D D DD DS V R I V V =-+= 将
4V 1mA
GS D V I =⎧⎨
=⎩代入上式，求得16D R k =Ω。

（2）这种偏置不能用于JFET 。

它不能使GS V 与DS V 极性相反。

这种偏置可用于耗尽型MOSFET ，但偏置范围受限。

4-17 由FET 和BJT 组成的混合跟随器如图P4-17所示。

设电路满足条件：稳压管D Z
的动态电阻r d ≈0 ，R D >>r be ，β>>1。

（1）证明混合跟随器的电压增益A V 为
212
1S m S m S m V R g R g R g A ββ++=
（2）求电路输入电阻R i 的表达式。

[解]
（1）画交流通路如图P4-17-1所示
D be R r >>，故可不计D R （未画出）
利用条件 d m g s i g v （不计ds r ），0
g i
列方程：0212() () b m gs S i gs m gs S b m gs S b m gs v i g v R v v g v R i g v R i g v ββ⎧=+⎪
=+++⎨⎪
=⎩
③代入①和②
∴
20
12
()()m gs m gs S V i gs m gs S m gs m gs g v g v R v A v v g v R g v g v R ββ+=
=
+++
2
12
(1)1(1)m S m S m S g R g R g R ββ+=+++
2
12
1m S m S m S g R g R g R ββ++
（2）
i i
i i o g G v v R i R ==
i G i o v R
v v =-2121i G m S i i m S m S v R g R v v g R g R ββ⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥-⎢⎥++⎣⎦
122!11111m S m S m S G
G m S m S g R g R g R R R g R g R ββ⎡⎤
++==+⎢⎥
++⎣⎦
图P4-17
图P4-17-1
§4.3 复习题解答
一、填空题
1．场效应管（FET ）依靠（ GS v ）控制漏极电流i D ,故称为（ 电压 ）控制器件。

2．FET 工作于放大区，又称为（ 饱和 ）区或（ 恒流 ）区。

此时i D 主要受（ GS v ）电压控制，而i D 几乎不随（ DS v ）电压的改变而变化。

①②③
3．N 沟道FET 放大偏置时，i D 的方向是从（ 漏 ）极到（ 源 ）极；P 沟道FET 放大偏置时，i D 的方向是从（ 源 ）极到（ 漏 ）极。

4．对偏置于放大区的六种类型的FET ，试填写下表：
5．写出FET 各个工作区域对应的沟道状态。

6．符号I DSS 的含义是（ 零偏（0GS V =）饱和漏电流 ）。

7．沟道预夹断是指沟道在（ 靠近漏极端 ）位置刚好消失的状态。

此时，v DS 与v GS 满足的关系式称为（ 预夹断 ）方程。

8．耗尽 型FET 的小信号跨导定义为g m =（ D GS
Q i v ∂∂放大区
）。

对于耗尽型管g m ≈
（ ）或（ 21||
DSS GS P P I V V V ⎡⎤
-⎢⎥
⎣⎦ ）；对于增强型管g m ≈（ ）。

9．在放大区，耗尽型管转移特性曲线近似满足的平方律关系式为（
2
1GS D DSS
P v i I V ⎡⎤
=-⎢⎥⎣⎦ ），而增强型管的平方律关系式为（ 2
()D GS T i k v V =- ）。

10．根据FET 在放大区的外特性，它的栅极、源极和漏极分别与BJT 的（ 基 ）极、
（ 发射 ）极和（ 集电 ）极相似。

11．在FET 分立元件放大电路中，常采用的偏置电路是（ 源极自给偏压 ）电路和（ 混
合偏置 ）电路。

但（源极自偏）电路不能用于增强型MOSFET 。

12．FET 的基本放大组态：CS 组态、CD 组态和CG 组态，其放大特性分别与BJT 的（ CE ）组态、（ CC ）组态和（ CB ）组态相似。

13．FET 的（ 沟道长度调制 ）效应与BJT 的基区宽调效应相似。

基区宽调效应使集电结反偏电压变化对各极电位有影响，而FET 的该反应使（ DS v ）电压的变化对i D 产生影响。

14．FET 的小信号参数（ ds r ）是沟道调制效应的反映。

二、纠错题
1．BJT 的饱和状态与FET 的饱和状态相似。

纠错：FET 的饱和状态对应BJT 的放大偏置状态。

2．P 沟道FET 的i
D 是从源极S 流向漏极D 的，因此在画该类型FET 的小信号等效电路时，受控电流源g m v gs 的指向应该从S 指向D ，如图F4-1。

纠错：小信号模型中的受控电流源g m v gs 是增量电流。

只要增量电压
gs v ，对任何FET ，增量电流g m v gs 一定是
从漏极流向源极。

图F4-1
3．既然结型FET 的源极S 和漏极D 相对于栅极G 是一种对称结构，S 和D 可以交换使用。

那么漏极输出（CS 放大器）和源极输出（CD 放大器）性能就应该相同。

纠错：CS 放大器的输入电压i v 加在GS 之间，而CD 放大器i v 加在GD 之间，二者当然不能等同。

4．当导电沟道在近漏端被夹断后，沟道电流应该为零。

纠错：只有沟道全夹断，D i 才会为零。

当沟道从未夹断向靠近漏级端夹断过渡时，D i 是递增的。

当近漏端刚好夹断时，D i 达到一个饱和值，而不是零。

5．当CE 放大器的负载电阻和工作点电流与CS 放大器相同时，CE 放大器的电压增益总是大于CS 放大器，因此CE 放大器的功率增益会比CS 放大器高。

纠错：CS 放大器向信号源吸收的功率可能很小，故功率增益不会小。

6．图F4－2所示CS-CC 放大器有4处错误，试指明并在图上改正。

纠错：（1）G R 应接在栅极和地之间。

（2）2T 改为NPN 管。

（3）2T 的基极没有直流通路，应补充上、下偏置电路。

（4）C R 多余，应短路去掉。

改正以后的电路如图F4-2-1所示。

图F4-2
图F4-2-1
7．既然图F4-3中I G =0，R G 可任意选择，那么R G 开路也是可
以的。

纠错：G R 开路，栅极便不能得到偏置电压。

G R 使S R 上的电压加到GS 之间。

三、单选题
1．FET 沟道电流的性质是（ A ）。

A. 多子漂移电流
B. 少子漂移电流
图F4-3
C. 多子扩散电流
D. 少子扩散电流
2．图F4－4是（ D ）MOSFET 的输出特性曲线。

A. N 沟道耗尽型 B. P 沟道耗尽型 C. N 沟道增强型 D. P 沟道增强型
理由： 0DS v <，故为P 沟道， 3GS v <-V ，才存在沟道，故为增强型MOST 。

3．N 沟道JFET 工作于放大区的条件是（ B ）。

A.V P >V GS >0，V DS >V GS －V P B. V P <V GS <0，V DS >V GS －V P C. V P <V GS <0，V DS <V GS －V P
D. V P >V GS >0，V DS <V GS －V P
图 F4-4
4．采用BJT 和场效应管FET 两级级联放大器。

要求：① 输出电压稳定（即当负载变化时，输出电压变化减小）；② R i 大；③ 反相放大器。

以下四种组态中，（ A ）最能满足此条件。

A. CS-CC
B. CB-CD
C. CE-CD
D. CG-CC 理由：（1）CC 组态作输出级，其输出电阻小，使负载变化时，输出电压的变化小； （2）CS 组态的输入电阻由偏置电路决定，可以做得很大；
（3）CS 是反相放大器，CC 是同相放大器，∴CS-CC 级联为反相放大器。

5．下面4个FET 小信号放大电路中，电路（ B ）不可能有信号输出。

图 F4-5
理由：（b ）中FET 是N 沟道增强型MOSFET ，而增强型MOSFET 不能采用源极自偏电路。

6．图F4-5中FET 的参数I DSS =1mA ，V P =－4V 。

该电路中的FET 工作于（ B ）。

A. 截止区
B. 放大区
C. 可变电阻区
D. 恒压区
理由：图示FET 是N 沟道耗尽型MOSFET 。

0GS V =， 图F4-6
∴1D DSS I I ==mA ，∴10515DS V =-⨯=V 满足(5V) (4V)DS GS T
V V V >-，∴FET 工作在放大区。