模拟电子技术基础_场效应管及其放大电路

2. 结型场效应管的特性曲线及电流方程
（1）输出特性
iD f (vDS ) vGS 常数
预夹断轨迹，vGD＝VP
IDSS g-s电压 控制d-s的 等效电阻
可 变 电 阻 区 恒
VGS
iD几乎仅决 定于vGS
ΔiD
流
区
击
穿 区
低频跨导：
gm iD vGS
VDS 常量
夹断区（截止区）
-
vGS 2VT
VDSQ VDD I DQ ( Rs Rd ) （3）
vGS 2 vGS 1 vGS VT
VT
2VT vGS
f
vO1 / V
vi
vI 2
vi
2．分压式偏置电路
R2
vi
R1
vo
vGS 2VT
fL
vGS 2
VGQ VA
VT
Rg1 Rg1 Rg 2
VT 1
vO 2 vGS vGS
大到一定 值才开启
2
VT 2 v i
反型层 耗尽层 （a）耗尽层的形成
R1
（b）导电沟道的形成
vi / V 空穴
fH vGS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。 vGS 称为开启电压， 使导电沟道刚刚形成的栅源电压 vO 2 / V
vO1 / V
-
vGS 2VT
fL
vGS 2
交流等效电路
g V V m GS ( Rd // RL ) o v g m RL Av V 2V VGS V i
T T
VT 1
f
vGS 1 vGS VT
GS
vO1 / V
Riv i
vI 2
Ro Rd
vO 2 / V
因此更加广泛地应用于大规模和超大规模集成电路之中。
vO1
3.2 场效应管放大电路
vi
3.2.1 场效应管放大电路的直流偏置和静态分析 1．自给偏压电路
VGSQ VGQ VSQ I DQ RS
R2
+
（ 1） （ 2）
fL
I DQ I DSS (1
VGSQ VP
)
2
vO
vi
R1
vo
解：（1）
VGSQ VGQ VSQ

vi
vo
Rg1 Rg1 Rg 2
V I DQ RS 1 v DDR
2
150 2 0.5 I 15v DQ 5 0.5 I DQ 150 300
（ 1）
VT
I DQ I DO (
VGSQ
VDSQ
VT 2 VDD I DQ ( Rs Rd ) 15 .5 I DQ vO5 1 /V
vDS
夹断电压
不同型号的管子VP、IDSS将不同。
vO1
（2）转移特性
vi
iD f (vGS ) vDS 常数
vi
场效应管工作在恒流区，因而vGS＞VP且vGD＜VP。
vDS vGS VP
f
漏极饱 和电流
N
夹断 电压
VP
vGS 2 iD I DSS (1 ) VP f v
i
L
vGS
fH
f
V
VT 1
vi
vi
f
R2
vGS
vO 2
vI
vi
N
fL
VT 2
VT 1
V v2 R1 P
vGS
v2
vi / V
vO 2 / V vi
fH
v DS
f
vI 2
vO 2 / V vO1 / V vi
VZ
3.1.2 绝缘栅场效应管
绝缘栅型场效应管的栅极与源极、栅极与漏极之间均采用 SiO2绝缘层隔离，因此而得名。 又因为绝缘栅型场效应管中各电极为金属铝，绝缘层为氧化 物，导电沟道为半导体，故又称为金属—氧化物—半导体场 效应管，简称为MOS管—Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）。
vi
vGS 1 v GS 1 （b）转移特性 v VT vGS VT GS
f
/V
vO1 / V v i
2．N沟道耗尽型MOS管
小到一定 值才夹断
vGS=0时就存在 导电沟道
加正离子
耗尽型MOS管在 vGS＞0、 vGS ＜0、 vGS ＝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 vGS＞0时仍保持g-s间电阻非常大的特点。
3.1.1 结型场效应管
N 沟 道 结 符号 型 （） 场 效 应 管
vO1 / V
结构示意图
栅极 v
O1
漏极
P 沟 道 结 型 场 效 应 管
导电 沟道
R2
vi
源极
vO 2
vI
vO1 / V
P
N
vi
v2 R1 v2
VT
vi / V
(c )
1. 工作原理 （1） vGS 对导电沟道宽度及漏极电流 iD 的控制作用
一般约为几十千欧到几百千欧。 场效应管的三个电极之间均存在极间电容。在低频情 况 下，它们的影响可以忽略不计，在高频情况下，必须予 以考虑。
3．极限参数
（1）最大漏极电流 I DM
是管子正常工作时允许的最大漏极电流。
（2）最大耗散功率 PDM
是管子正常工作时允许损耗的最大功率。
（3）最大漏源电压V( BR) DS
vi
2VT vGS
vGS 1 vGS 1 vGS VT vGS V
vO1 / V v i
iD I DO (
vGS 1) 2 VT


v 2 I DO ( GS 1) VT VT
2 iD I DO VT I DO
vGS iD 2 ( 1) VT I DO
v iD ( GS 1) VT I DO
VDD
VGSQ VGQ VSQ
vO1 / V
2VT vGS
vGS 1 vGS VT
f
Rg1 Rg1 Rg 2
VDD I DQ RS
（ 1）
I DQ I DO (
vi
VGSQ VT
vI 2
1) 2
（ 2）
（ 3）
vO 2 ) /V VDSQ VDD I DQ ( Rs R d
3.1.3 场效应管的主要参数 1．直流参数 （1）开启电压 VT 是增强型MOS管的参数。是使漏极电流大于零 所需要的最小栅源电压。 （2）夹断电压 VP (VGS (off ) ) 是结型场效应管和耗尽型MOS管的参数。 （3）饱和漏电流 I DSS 是结型场效应管和耗尽型MOS管的参数。 当栅源电压等于零，而漏源电压大于夹断电压时 的漏极电流，称为饱和漏极电流。
很大，因此只在特殊需要时才互换。
（5）场效应管比晶体管的种类多，特别是耗尽型MOS 管，栅源电压可正、可负、可为零，均能控制漏极电流。
因而在组成放大电路时比晶体管有更大的灵活性。
（6）场效应管和晶体管均可用于放大电路和开关电路， 它们均可构成品种繁多的集成电路。但由于场效应管集成
工艺更简单，且具有功耗小、工作电源电压范围宽等优点，
vO1
例3.2.1 在如图所示电路中，已知VDD=15V，Rg1=150kΩ， Rg2=300kΩ， Rg3=1MΩ， Rd= RL=5kΩ，Rs=0.5kΩ，MOS 管的VT=2V， IDO=2mA 。 试求解： （1）电路的静态工作点；R （2）电路的电压放大倍数、输入 电阻和输出电阻;
2
vI
是指漏源间所能承受的最大电压。
（4）最大栅源电压V( BR)GS
是指栅源间所能承受的最大电压。
3.1.4 场效应管与晶体三极管的比较
（1）场效应管是电压控制器件，用栅源电压控制漏极电 流。栅极基本不取电流，输入电阻很高。而晶体管工作时需 要信号源为基极提供一定的电流，输入电阻较小。因此，要 求输入电阻高的电路应选用场效应管，如果信号源可以提供 一定的电流，可选用晶体管。 （2）场效应管只有多子参与导电，晶体管内既有多子又 有少子参与导电，而少子受温度、辐射等因素影响较大，因
而场效应管比晶体管的温度稳定性好、抗辐射能力强。所以
在环境条件变化很大的情况下应选用场效应管。 （3）场效应管的噪声系数很小，所以低噪声放大器的输
入级及要求信噪比较高的电路应选用场效应管。当然也可选
用特制的低噪声晶体管。
（4）场效应管的漏极与源极可以互换使用，互换后特 性变化不大。而晶体管的发射极与集电极互换后特性差异
2 VT
2 VT
I DO iD
I DO I DQ
iD gm vGS
VDS
vGS ( I DO ( 1) 2 ) VT vGS
2 gm VT
I DO I DQ
I DSS I DQ
2 对结型管： g m VP
i
2．共源极放大电路的动态分析
R2
+ vO
vi
R1
vo
N沟道增强型MOS管 增强型MOS管 P沟道增强型MOS管 绝缘栅场效应管（ MOS管） 耗尽型MOS管N沟道耗尽型MOS管 P沟道耗尽型MOS管
1．N沟道增强型MOS管
源极
结 构 示 意 图
衬底
漏极 栅极 SiO2绝缘层
高掺杂
电路符号
i
（1）工作原理 ① vGS 对导电沟道宽度及漏极电流 iD 的控制作用
vGS vDS VP
vDS vGS VP
vGS＞VP且不变，VDD增大，iD增大。
vGD＝VP 预夹断
vDS vGS VP
vGD＝VP 预夹断
vDS vGS VP
vGD<VP
vDS vGS VP
VDD的增大，几乎全部用来克服沟道的 电阻，iD几乎不变，进入恒流区，iD几乎 仅仅决定于vGS。
VGS（off）
vGS 0
沟道最宽
VP vGS 0
vGS VP
沟道变窄
沟道消失 称为夹断
夹断电压常用 VGS (off ) 或 VP 表示。
（2）vDS 对导电沟道宽度及漏极电流iD 的影响 设 vGS 为固定值，且 VP vGS 0 。
vGD>VP
vGD vGS vDS
（4）直流输入电阻 RGS ( DC )
结型管的 RGS ( DC )大于 10 Ω， 9 10 R MOS管的 GS ( DC )大于 Ω。
7
2．交流参数 （1）低频跨导 g m
iD gm vGS
vDS 常量
（2）输出电阻 rds （3）极间电容
vDS rds iD
vGS 常量
用VT表示，有时也用 VGS(th)表示。 vi
② vDS 对导电沟道宽度及漏极电流 iD 的控制作用 设 vGS VT 且为定值。
vDS 0时, iD 0
vDS vGS VT时，iD随vDS 变化
刚出现夹断
vDS vGS VT时，产生预夹断
vDS vGS VT时，iD饱和
3.2.2 场效应管放大电路的动态分析
R2
1．场效应管的交流等效模型
R2
vI
vI
V GS
vi vi
V GS vo
g mV GS
vo
g mV GS
v2 R1 v2
v2 R1
近似分析时可认 为其为无穷大！
VT
U DS
iD gm uGS
vO1 / V
2VT vV GS T
根据iD的表达式或转移特性可求得gm。
N沟道结型场效应管 结型场效应管 P沟道结型场效应管 N沟道增强型MOS管 场效应管分类： 增强型MOS管 P沟道增强型MOS管 绝缘栅场效应管（ MOS管） N沟道耗尽型MOS管 耗尽型 MOS 管 P沟道耗尽型MOS管
vBiblioteka BaiduD VT
iD几乎仅仅受控于vGS
vGS的增大几乎全部用 来克服夹断区的电阻
（2）特性曲线和电流方程
R2
vGS
vGS
I
开启 电压
vT vGS 2V GS 2VT vGS 2
2
R1
v DS / V
v DS / V
vGS 2
（a）输出特性
VT
VT 2VT vGS 2VT v GS
vGS 2 i I ( 1 ) 电流方程： D DO VT
第3章 场效应管及其放大电路
3.1 3.2 场效应管 场效应管放大电路
3.1 场效应管
场效应管也称单极型晶体管∶具有噪声小、抗辐射能力强、 输入阻抗高等优点。
场效应管有三个极：源极（s）、栅极（g）、漏极（d）， 对应于晶体管的e、b、c；
有三个工作区域：截止区、恒流区、可变电阻区，对应于 晶体管的截止区、放大区、饱和区。
3．P沟道MOS管 P沟道MOS管是在N型衬底表面生成P型反型层
作为导电沟道。P沟道MOS管与N沟道MOS管的
结构和工作原理类似，并且也有增强型和耗尽型 两种。使用时，栅源电压 vGS 和漏源电压 vDS 的极 性与N沟道MOS管相反。
N沟道(vGS＜0，vDS＞0) 结型 P沟道(vGS＞0，vDS＜0) N沟道(vGS＞0，vDS＞0) 场效应管 增强型 P沟道(vGS＜0，vDS＜0) 绝缘栅型 N沟道(vGS极性任意，vDS＞0) 耗尽型 P沟道(vGS极性任意，vDS＜0)