第9讲 FET及其放大电路

2.6、 场效应管放大电路
内容：1、场效应管放大电路Q点的设置及估算 2、场效应管放大电路的动态分析 一、场效应管放大电路Q点的设置及估算 1. 基本共源放大电路
U GSQ VGG I DQ I DO ( VGSQ U GS(th) 1) 2
Rg uI VGG uO +VDD Rd
U DSQ VDD I DQ R d
导电沟道
uGS
空穴
②、漏-源电压uDS对漏极电流iD的影响
uDS
uGS uDS uGS uGS uDS
uGD﹥UGS（th）
uGD＝UGS（th） 预夹断
uGD﹤UGS（th） uDS↑→iD不变
uDS↑→iD↑
③、uGS对iD的控制作用 预夹断前： uGS～→ iD基本不变 预夹断后： uGS↑→沟道宽度↑→ iD↑
FET交流等效模型
gm求法：
⑴、图解法：见右图
u GS 1) 2 ⑵、计算法： i D I DO ( U GS(th)
i D gm u G S
2 U GS th
↓ △iD ↑ →← △uGS
U DS
2I DO u G S 1 U G Sth U G S th
RO
1 R S // gm
求RO的电路
← ↓
7.1、复合管
复合管的组成：多只管子合理连接等效成一只管子。 目的：增大β，减小前级驱动电流;改变管子的类型。
1 2
NPN —NPN
NPN
PNP—NPN
PNP
一、复合管的等效ß
i E i B1 (1 1 )(1 2 )
二、复合管类型
1 2
复合管类型决定于T1管类型。
三、复合管组成的原则： ⑴、在合适的外加电压下，每只管子的电流都有合 适的通路，才能组成复合管。
⑵、为实现电流放大，T1的c(d)或e(s)和T2的b相连
例1：判断下列各图是否能组成复合管
例2：求电路的Ri 和 Ro
R i R b ∥{rbe1 (1 1 )[rbe2 (1 2 )( R e ∥R L )]}
⑵、栅源之间 PN 结反偏，IG ≈0 ，因此Ri很高。
3、特性曲线
⑴. 转移特性( N 沟道JFET )
ID
IDSS
i D f (u GS ) UDS 常数
uG S i D I DSS 1 U G S Off
2
UGS(Off)
O UGS
恒流区转移特性
2. 自给偏压电路
U GQ 0 U SQ I DQ R s
+VDD Rd
｛
U GSQ U GQ U SQ I DQ R s
I D Q I DSS (1 U GSQ U GS(off) )
2
uI
I D I DSS (1
U GSQ U GS(off) Rs
)2
P 沟道
uGS = 0 时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管；
JFET属于耗尽型场效应管；
uGS = 0 时漏源间不存在导电沟道称增强型场效应管。
1、增强型N MOS管
⑴、结构和类型
增强型N MOS管
高掺杂
耗尽层
∕
衬底
SiO2绝缘层
增强型P MOS管
⑵、工作原理
：
①、栅-源电压uGS对导电沟 道宽度的控制作用 uGS=0：无导电沟道。 0﹤uGS﹤UGS(th)：空穴下移 uGS﹥ UGS(th)：形成导电沟道。 uGS↑→导电沟道变宽 UGS(th)：开启电压（﹥0）
CGS、 CGD：1～3P CDS: 0.1～1P
单位：mS
U DS 常数
3、极限参数 ⑴、最大漏极电流IDM ⑵、漏极最大允许耗散功率PDM
⑶、击穿电压 U(BR)DS 、U(BR)GS
五、场效应管与三极管的比较
1、电极d、g、s和c、b、e相对应；
2、场效应管: 电压控制器件。uGS控制iD；
NMOS: U GS (th) ﹥ 0 ⑶、UGS（th）： 仅适用于增强型。 ｛ PMOS: U GS (th) ﹤ 0 ⑷、RGS（DC）:｛ JFET: RGS﹥ 107 MOS: RGS﹥ 1010
2、交流参数 ΔI D ⑴、 低频跨导 gm: g m ΔU GS ⑵、 极间电容:
（UGS(off)≤uGS≤0）
两个重要参数
夹断电压 UGS(Off)(使ID = 0 时的 UGS) 饱和漏极电流 IDSS(UGS = 0 时的 ID)
⑵、输出特性： i D f (u DS ) UGS 常数 ①可变电阻区 特点：uDS↑→iD↑
IDSS
可 变 电 阻 区
预夹断轨迹
uGS↑→iD基本不变 ΔiD →RDS↓ 即：FET相当于一个受uGS 控制的可变电阻 ②恒流区
di D i D u GS du GS
U DS
i D u DS
du DS
U GS
1 I d g m U gs U ds rds
1 I d g m U gs U ds rds
式中： g m
i D u GS
U DS
—FET的跨导
rds: FET的输出电阻，几百KΩ，可忽略
1) 2
uI
Rg1
Rg3
RL uO Rs
解联立方程求得：IDQ、UGSQ
U DSQ VDD I DQ ( R d R s )
适用范围：可用于增强型、耗尽型。 为什么要加Rg3？ Rg3大些好还是小些好？
二、场效应管放大电路的动态分析 1、FET低频小信号交流等效模型 输入端：IG=0 输出端： iD=(uGS、uDS )
N型硅棒
S 源极
D D P
N+ 型 沟 道 N+
G
G
S
S P 沟道结型FET结构图 P沟道结型符号
2、工作原理 ： uGS 控制iD ⑴、栅-源电压uGS对导电沟道宽度的控制作用
VGG (uGS )
VGG (uGS )
uGS = 0 时 沟道最宽
|uGS | ↑ 沟道变窄
Hale Waihona Puke uGS=UGS(Off) (<0) 沟道夹断
1.4 场效应管(FET)
内容： 1、概述 2、结型场效应管（JFET）
3、绝缘栅场效应管(IGFET) 4、场效应管的主要参数
5、场效应管与晶体管的比较
一、概述
只有一种载流子导电，利用输入回路电场效应来控制输 出回路电流的器件，称为场效应管，也称单极型三极管。
1、分类：
N沟 道 结 型 P沟 道 N沟 道 场效应管 增 强 型 P沟 道 绝 缘 栅 型 N沟 道 耗尽型 P沟 道
2 2
I DO
2 2 u GS I DO i D I DO I DQ 1 U U GS th U GS th GS th
2. 共源放大电路的动态分析
+VDD Rd Rg ui VGG uO
R U I o d d A g m R d u Ui U gs Ri Ro Rd
△iD=gm △uGS
i D gm u GS
U DS 常量
— 低频跨导
⑶、特性曲线
开启 电压
u GS 在恒流区时， i D I DO ( 1) 2 U GS(th) 式中I DO为u GS 2U GS(th) 时的i D
２、耗尽型NMOS管
夹断 电压
iD
2V
IDSS
UGS（off） uGS
Rg
RL
uO
解联立方程求得：IDQ、UGSQ
U DSQ VDD I DQ ( R d R s )
适用范围：仅适用于耗尽型。
3. 分压式偏置电路
+VDD
｛
U GSQ
R g1 R g1 R g2
VDD I DQ R S
Rg2
Rd
I D I DO (
U GSQ U GS(th)
rbe2 Ro Re∥ rbe1 R b ∥R s 1 1 1 2
作业：P72
1.16
2.15 2.18
P142 2.14
－2V －4V
特点：uGS = 0 时，存在导电沟道，iD≠０
﹥0 uGS ｛﹤0 ＝0
四、场效应管的主要参数
1、直流参数
⑴、IDSS： UGS = 0 时的 ID（恒流区）仅适用于耗尽型。 ⑵、U GS (off) ： ｛ NMOS: U GS (off) ﹤0 PMOS: U GS (off) ﹥0 仅适用于耗尽型。
单极型器件(一种载流子导电)； 2、特点 输入电阻高: Ri=107～1012Ω ； 工艺简单、易集成、功耗小、体积小、 成本低。
二、结型场效应管（JFET）
1、结构和符号
D
P 型区 漏极
耗尽层 (PN 结)
栅极 G
P+
N 型 沟 道
N 沟道结型符号
P+ N
在D和S之间加正压， N 沟道中多子电子导电。
三极管 ：电流控制器件。iB控制iC； 3、场效应管: Ri大； 三极管 三极管 : Ri小； 4、场效应管: 噪声小，温度稳定性好； ：噪声大，温度稳定性差。
FET工作在恒流区时g-s、d-s间的电压极性
N沟道(u GS ＜0，u DS＞0) 结型 P沟道(u GS＞0，u DS ＜0) N沟道(u GS＞0，u DS＞0) 场效 应管 增强 型 P沟道(u GS ＜0，u DS ＜0) 绝缘 栅型 u DS＞0) N沟道(u GS 极性 任意 ， 耗尽 型 u DS ＜0) P沟道(u GS 极性 任意 ，
↓ △uGS ↑
恒
击 穿 区
流
区
夹断区（截止区）
夹断电压
特点：uGS↑→iD↑ △iD=gm △uGS
uDS↑→iD基本不变
③夹断区 uGD＜U GS (off) 特点： iD=0 ④击穿区
可根据漏极特性用作图法得到转移特性。
ID/mA UDS = 15 V ID/mA 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 5 10 15 20 25 UDS = 常数 UGS = 0 0.4 V
交流等效电路
3. 共漏放大电路的动态分析
+VD D
Rg ui VGG
Rs
uo
R U I gmRs o d s Au U i U gs I d R s 1 g m R s Ri
交流等效电路
UO UO IO - Id gmUO RS RS
⑵、漏-源电压uDS对漏极电流iD的影响
VDD (uDS)
VGG (uGS )
uGD﹥UGS（off）
uGD＝UGS（off）
预夹断
uGD<UGS（off） uDS↑→iD不变
uDS↑→iD↑。
⑶、uGS对iD的控制作用
预夹断前： uGS～→ iD基本不变
预夹断后： uGS↑→沟道宽度↑→ iD↑
0.8 V 1.2 V 1.6 V
UDS /V
1.5 1 0.5 0
UGS /V
三、绝缘栅型场效应管(IGFET)
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 1010 以上。 增强型 耗尽型 增强型 耗尽型
N 沟道
类型
△iD=gm △uGS
i D gm u GS
U DS 常量
— 低频跨导
结论：⑴、预夹断 前（uGD＞U GS(off ) ）: uDS↑→iD↑ uGS↑→iD不变 ⑵、预夹断 后（uGD＜U GS (off) ) ：uDS↑→iD不变
uGS↑→iD↑
即：iD可看成受uGS控制的电流源 ⑶、当uGS=UGS(Off) 时，沟道全夹断。 iD=0 注意： ⑴、 N沟道JFET: uGS≤0 P沟道JFET: uGS≥0