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1、第四章场效应管放大电路本讲稿第一页，共五十二页 场效应管是通过改变外加电压产生的电场强度来控制其导电能力的半导体器件。它不仅具有双极型三极管的体积小、重量轻、耗电少、寿命长等优点，而且还具有输入电阻高、热稳定性好、抗辐射能力强、噪声低、制造工艺简单、便于集成等特点。因而，在大规模及超大规模集成电路中得到了广泛的应用。根据结构和工作原理不同,场效应管可分为两大类:结型场效应管(JFET)和绝缘栅型场效应管(IGFET).主要内容:(1)结型场效应管的结构及工作原理(2)金属-氧化物-半导体场效应管的结构及工作原理(3)场效应管放大电路的静态及动态性能分析 学习指导学习指导本讲稿第二页，共五十二页
2、学习目标：学习目标：1.正确理解各种场效应管的工作原理 2.熟练掌握各种场效应管的外特性及主要参数 3.熟练掌握共源、共漏放大电路的工作原理及直流偏置 4.会用场效应管小信号模型分析法求解共源、共漏放大电路的电压增益、输入电阻和输出电阻 本讲稿第三页，共五十二页学习方法：学习方法：学习本章内容时，应特别注意使用比较和归纳的方法：1.与三极管及其放大电路进行比较（两种管子的结构、工作原理、外特性、主要参数、小信号模型等的比较；两种器件组成的放大电路的直流偏置电路及静态、动态分析方法的比较；共射与共源、共集与共漏等放大电路性能的比较）。2.不同类型（结型与绝缘栅型）、不同沟道的各种场效应管之间的比
3、较与归纳（工作原理、电压极性、主要参数的比较等）。本讲稿第四页，共五十二页概概 述述场效应管与晶体管的区别场效应管与晶体管的区别1.晶体管是晶体管是电流控制元件电流控制元件；场效应管是；场效应管是电压控制元件电压控制元件。2.晶体管参与导电的是晶体管参与导电的是电子电子空穴空穴，因此称其为双极型器件；，因此称其为双极型器件；场效应管是电压控制元件，参与导电的只有场效应管是电压控制元件，参与导电的只有一种载流子一种载流子，因此称其为单极型器件。因此称其为单极型器件。3.晶体管的晶体管的输入电阻较低输入电阻较低，一般，一般102104；场效应管的场效应管的输入电阻高输入电阻高，可达，可达10910
4、14 场效应管的分类场效应管的分类结型场效应管结型场效应管JFETMOS型场效应管型场效应管JFET本讲稿第五页，共五十二页N沟道沟道P沟道沟道增强型增强型耗尽型耗尽型N沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道（耗尽型）（耗尽型）FET场效应管场效应管JFET结型结型MOSFET绝缘栅型绝缘栅型(IGFET)本讲稿第六页，共五十二页4.1 4.1 结型场效应管结型场效应管结型场效应管的结构结型场效应管的结构结型场效应管的工作原理结型场效应管的工作原理结型场效应管的特性曲线及参数结型场效应管的特性曲线及参数本讲稿第七页，共五十二页1 1、结型、结型场效应管（场效应管（JFET)JFET)结构结构P
5、+P+NGSD导电沟道导电沟道结型场效应管结型场效应管动画一 源极源极，用用S或或s表示表示N型导电沟道型导电沟道漏极漏极，用用D或或d表示表示P型区型区P型区型区栅极栅极，用用G或或g表示表示栅极栅极，用用G或或g表示表示符号符号符号符号本讲稿第八页，共五十二页4.1 结型结型场效应管场效应管 V VGSGS对沟道的控制作用对沟道的控制作用当当VGS0时时 当沟道夹断时当沟道夹断时,ID减小至减小至0 0，此，此时时对应的栅源电压对应的栅源电压VGS称为称为夹断夹断电压电压VP(或或VGS(off)。对于对于N N沟道的沟道的JFETJFET，VP 0。PNPN结反偏结反偏耗尽层加厚耗尽层加
6、厚沟道变窄沟道变窄 VGS继续减小，沟道继续变窄，继续减小，沟道继续变窄，I ID D继续变小继续变小DP+P+NGSVDSIDVGS 当当V VGSGS=0=0时，时，沟道最宽沟道最宽，沟道电阻最小，在，沟道电阻最小，在V VDSDS的的作用下作用下N N沟道内的电子定向运动形成漏极电流沟道内的电子定向运动形成漏极电流I ID D,此时最大。此时最大。沟道电阻变大沟道电阻变大 I ID D变小变小2 2、结型、结型场效应管（场效应管（JFET)JFET)的工作原理的工作原理 根据其结构，它只能工作在根据其结构，它只能工作在反偏反偏条件下，条件下，N N沟道管加沟道管加负栅负栅源电压源电压，P
7、 P沟道管加沟道管加正栅源电压正栅源电压，否则将会出现栅流。，否则将会出现栅流。动画二本讲稿第九页，共五十二页4.1 结型结型场效应管场效应管 V VDSDS对沟道的控制作用对沟道的控制作用当当V VGSGS=0=0时时，VDS ID G G、D D间间PNPN结的反向电压增加，结的反向电压增加，使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，从上至下呈楔形分布。道变窄，从上至下呈楔形分布。当当VDS增加到使增加到使VGD=VP 时，在时，在紧靠漏极处出现预夹断。紧靠漏极处出现预夹断。此时此时VDS 夹断区延长夹断区延长沟道电阻沟道电阻 ID基本不变基本不变2 2、结型、结型场
8、效应管（场效应管（JFET)JFET)的工作原理的工作原理DP+P+NGSVDSIDVGS本讲稿第十页，共五十二页4.1 结型结型场效应管场效应管V VGSGS和和V VDSDS同时作用时同时作用时当当VP VGSVT时时,沟道加厚，沟道电沟道加厚，沟道电阻减少，阻减少，在相同在相同VDS的作用下，的作用下，iD将将进一步增加。进一步增加。开始时无导电沟道，当在开始时无导电沟道，当在VGS VT时才形成沟道时才形成沟道,这种这种类型的管子称为类型的管子称为增强型增强型MOSMOS管管动画六一一方方面面 MOSFETMOSFET是利用栅源电压是利用栅源电压的大小，来改变半导体表的大小，来改变半导
9、体表面感生电荷的多少，从而面感生电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。控制漏极电流的大小。本讲稿第二十页，共五十二页 当当V VGSGSV VT T，且固定为某一值时，来分析漏源电压，且固定为某一值时，来分析漏源电压V VDSDS的不同的不同变化对导电沟道和漏极电流变化对导电沟道和漏极电流I ID D的影响。的影响。VDS=VDGVGS =VGDVGS VGD=VGSVDS 当当V VDSDS为为0 0或较小时，或较小时，相当相当 V VGDGDV VT T,此时此时V VDSDS 基本均匀降落在基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。在沟道中，沟道呈斜线分布。在V VDSDS作用下形成作用下形成
10、I ID D增强型增强型MOSMOS管管4.2 MOS场效应管场效应管另一方面另一方面，漏源电压漏源电压V VDSDS对漏极电流对漏极电流I ID D的的控制作用控制作用本讲稿第二十一页，共五十二页当当VDS增加到使增加到使VGD=VT时，时，当当VDS增加到增加到VGD VT时，时，增强型增强型MOSMOS管管 这相当于这相当于V VDSDS增加使漏极处沟道缩减到刚增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为刚开启的情况，称为预夹断预夹断。此时的。此时的漏极漏极电流电流I ID D 基本饱和。基本饱和。此时预夹断区域加长，伸向此时预夹断区域加长，伸向S S极。极。V VDSDS增加的部分基本降
11、落在随之加长的夹增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上，断沟道上，I ID D基本趋于不变。基本趋于不变。4.2 MOS场效应管场效应管另一方面另一方面，漏源电压漏源电压V VDSDS对漏极电流对漏极电流I ID D的的控制作用控制作用VGD=VGSVDS本讲稿第二十二页，共五十二页三、三、N N沟道沟道增强型增强型MOSMOS场效应管特性曲线场效应管特性曲线增强型增强型MOSMOS管管i iD D=f f(v vGSGS)v vDSDS=C=C 转移特性曲线转移特性曲线i iD D=f f(v vDSDS)v vGSGS=C=C 输出特性曲线输出特性曲线vDS(V)iD(mA)当当v vG
12、SGS变化时，变化时，R RONON将将随之变化，因此称之随之变化，因此称之为为可变电阻区可变电阻区恒流区恒流区(饱和区饱和区)：v vGSGS一定时，一定时，i iD D基本不随基本不随v vDSDS变化而变化。变化而变化。vGS/V本讲稿第二十三页，共五十二页一、一、N N沟道沟道耗尽型耗尽型MOSMOS场效应管结构场效应管结构耗尽型耗尽型MOSMOS场效应管场效应管+耗尽型耗尽型MOS管存在管存在原始导电沟道原始导电沟道4.2 MOS场效应管场效应管本讲稿第二十四页，共五十二页耗尽型耗尽型MOSMOS管管二、二、N N沟道沟道耗尽型耗尽型MOSMOS场效应管工作原理场效应管工作原理 当当
13、VGS=0时，时，VDS加正向电压，产生漏加正向电压，产生漏极电流极电流iD,此时的漏极电流称为此时的漏极电流称为漏极饱和漏极饱和电流电流，用，用IDSS表示。表示。当当VGS0时时,将使将使iD进一步增加。进一步增加。当当VGS0时，随着时，随着VGS的减小漏极电流的减小漏极电流逐渐逐渐减小减小，直至，直至iD=0，对应，对应iD=0的的VGS称称为夹断电压，用符号为夹断电压，用符号VP表示。表示。VGS(V)iD(mA)VP4.2 MOS场效应管场效应管N N沟道沟道耗尽型耗尽型MOSMOS管可工作在管可工作在V VGSGS 0 0或或V VGSGS0 0 N N沟道沟道增强型增强型MOS
14、MOS管只能工作在管只能工作在V VGSGS00本讲稿第二十五页，共五十二页耗尽型耗尽型MOSMOS管管三、三、N N沟道沟道耗尽型耗尽型MOSMOS场效应管特性曲线场效应管特性曲线输出特性曲线输出特性曲线4.2 MOS场效应管场效应管VGS(V)iD(mA)VP转移特性曲线转移特性曲线本讲稿第二十六页，共五十二页各类绝缘栅场效应三极管的特性曲线各类绝缘栅场效应三极管的特性曲线绝缘栅场效应管N沟道增强型P沟道增强型4.2 MOS场效应管场效应管本讲稿第二十七页，共五十二页绝缘栅场效应管N沟道耗尽型P沟道耗尽型4.2 MOS场效应管场效应管本讲稿第二十八页，共五十二页4.3 4.3 场效应管的主
15、要参数场效应管的主要参数2.夹断电压夹断电压VP：是耗尽型：是耗尽型FET的参数，当的参数，当VGS=VP 时时,漏极电流为零。漏极电流为零。3.饱和漏极电流饱和漏极电流IDSS 耗尽型场效应三极管当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。1.开启电压开启电压VT：MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值压的绝对值,场效应管不能导通。场效应管不能导通。4.2 MOS场效应管场效应管4.直流输入电阻直流输入电阻RGS:栅源间所加的恒定电压栅源间所加的恒定电压VGS与流过栅极电流与流过栅极电流IGS之比。结型之比。结型:大于
16、大于107，绝缘栅，绝缘栅:1091015。5.漏源击穿电压漏源击穿电压V(BR)DS:使使ID开始剧增时的开始剧增时的VDS。6.栅源击穿电压栅源击穿电压V(BR)GSJFET：反向饱和电流剧增时的栅源电压：反向饱和电流剧增时的栅源电压MOS：使：使SiO2绝缘层击穿的电压绝缘层击穿的电压本讲稿第二十九页，共五十二页7.低频跨导低频跨导gm：反映了栅源压对漏极电流的控制作用。：反映了栅源压对漏极电流的控制作用。4.2 MOS场效应管场效应管8.输出电阻输出电阻rds9.极间电容极间电容Cgs栅极与源极间电容栅极与源极间电容Cgd 栅极与漏极间电容栅极与漏极间电容Csd 源极与漏极间电容源极与
17、漏极间电容本讲稿第三十页，共五十二页场效应管偏置电路场效应管偏置电路三种基本放大电路三种基本放大电路4.3 场效场效应管放大应管放大电路电路FETFET小信号模型小信号模型本讲稿第三十一页，共五十二页一、场效应管偏置电路一、场效应管偏置电路1 1、自给偏置电路、自给偏置电路场效应管偏置电路的场效应管偏置电路的关键关键是如何是如何提供栅源控制电压提供栅源控制电压UGS自给偏置电路：自给偏置电路：适合结型场效应管和耗尽型适合结型场效应管和耗尽型MOS管管外加偏置电路：外加偏置电路：适合增强型适合增强型MOS管管UGS=UG-US=-ISRS-IDRSUGSQ和IDQUDSQ=ED-IDQ(RS+R
18、D)GSD基本自给偏置电路基本自给偏置电路4.3 场效场效应管放大应管放大电路电路 R RS S的作用：的作用：1.1.提供栅源直流偏压。提供栅源直流偏压。2.2.提供直流负反馈，提供直流负反馈，稳定静态工作点。稳定静态工作点。R RS S越大，工作点越稳定。越大，工作点越稳定。本讲稿第三十二页，共五十二页偏置电路偏置电路改进型自给偏置电路改进型自给偏置电路大电阻（大电阻（M)，减小减小R1、R2对放大电对放大电路输入电阻的影响路输入电阻的影响UGS=UG-US-IDRSUGSQ和IDQUDSQ=ED-IDQ(RS+RD)4.3 场效场效应管放大应管放大电路电路1 1、自给偏置电路、自给偏置电
19、路R1R2提供一个提供一个正偏栅压正偏栅压UG本讲稿第三十三页，共五十二页偏置电路偏置电路2 2、外加偏置电路、外加偏置电路-IDRSR1和和R2提供一个固定栅压提供一个固定栅压UGS=UG-US注：要求注：要求UGUS，才能提供一个正偏压，增强型管子才能，才能提供一个正偏压，增强型管子才能 正常正常工作工作4.3 场效场效应管放大应管放大电路电路本讲稿第三十四页，共五十二页二、场效应管的低频二、场效应管的低频小信号模型小信号模型 iD由输出特性：由输出特性：iD=f(vGS,vDS)4.3 场效场效应管放大应管放大电路电路SDgdsvgs+-+-vdsGidgmvgs本讲稿第三十五页，共五十
20、二页三、三种基本放大电路三、三种基本放大电路1 1、共源放大电路、共源放大电路（1）直流分析直流分析UGS=UG-US-IDRSUGSQ和IDQUDSQ=ED-IDQ(RS+RD)4.3 场效场效应管放大应管放大电路电路本讲稿第三十六页，共五十二页基本放大电路基本放大电路IdGRGR1R2RDRLDrdsRSgmUgsSUgsUiUo未接未接Cs时时一般一般rds较大可忽略较大可忽略=-gmUgsRDUgs+gmUgsRs=-gmRD1+gmRsRD=RD/RL4.3 场效场效应管放大应管放大电路电路（2）动态分析动态分析ri=RG+(R1/R2)RGroRDriro本讲稿第三十七页，共五十二
21、页基本放大电路基本放大电路IdGRGR1R2RDRLDrdsRSgmUgsSUgsUiUo未接未接Cs时时=-gmRD1+gmRsriri=RG+(R1/R2)RGroroRD接入接入Cs时时AU=-gm(rds/RD/RL)ri=RG+(R1/R2)RGro=RD/rdsRDRsRs的作用是提供直流栅源电压、引入的作用是提供直流栅源电压、引入直流负反馈来稳定工作点。但它对交直流负反馈来稳定工作点。但它对交流也起负反馈作用，使放大倍数降低。流也起负反馈作用，使放大倍数降低。接入接入C CS S可以消除可以消除R RS S对交流的负反馈作用。对交流的负反馈作用。4.3 场效场效应管放大应管放大电
22、路电路本讲稿第三十八页，共五十二页ri基本放大电路基本放大电路2 2、共漏放大电路、共漏放大电路GSDUiRGGUoRLRSgmUgsrdsSD=gmUgsRSUgs+gmUgsRs=gmRS1+gmRsRS=rds/RS/RLRS/RL1AU1ri=RGUgs+-电压增益电压增益输入电阻输入电阻4.3 场效场效应管放大应管放大电路电路本讲稿第三十九页，共五十二页基本放大电路基本放大电路输出电阻输出电阻Ugs+-gmUgsRS+-UoIoroUiGUoSRGRLRSgmUgsrdsDUgs+-gmUgsUgs=-Uo=Uo(1/Rs+gm)=gmRS1+gmRs电压增益电压增益ri=RG输入电
23、阻输入电阻4.3 场效场效应管放大应管放大电路电路2 2、共漏放大电路、共漏放大电路本讲稿第四十页，共五十二页基本放大电路基本放大电路3 3、共栅放大电路、共栅放大电路SGDrdsgmUgsSGD电压增益电压增益IdId=gmUgs+Uds/rdsUds=Uo-UiUo=-IdRDUgs=-UiId=-gmUi+(-IdRD-Ui)/rds当当rdsRD时时AUgmRDri输入电阻输入电阻ri=Ui/IdrdsRDgmrds1ri1/gmririRs/1/gm4.3 场效场效应管放大应管放大电路电路本讲稿第四十一页，共五十二页基本放大电路基本放大电路电压增益电压增益AUgmRD输入电阻输入电阻
24、ri1/gmriRs/1/gmSGDrdsgmUgs输出电阻输出电阻roro=rdsro=rds/RDRD电压增益高，输入电阻很低，输出电阻高，输出电压与输入电压同相电压增益高，输入电阻很低，输出电阻高，输出电压与输入电压同相4.3 场效场效应管放大应管放大电路电路3 3、共栅放大电路、共栅放大电路本讲稿第四十二页，共五十二页组态对应关系：组态对应关系：CEBJTFETCSCCCDCBCGBJTFET电压增益：电压增益：CE：CC：CB：CS：CD：CG：4.3 场效场效应管放大应管放大电路电路三种基本放大电路的性能比较三种基本放大电路的性能比较本讲稿第四十三页，共五十二页输出电阻：输出电阻：
25、BJTFET输入电阻：输入电阻：CE：CC：CB：CS：CD：CG：CE：CC：CB：CS：CD：CG：4.3 场效场效应管放大应管放大电路电路三种基本放大电路的性能比较三种基本放大电路的性能比较本讲稿第四十四页，共五十二页 解：解：画中频小信号等效电路画中频小信号等效电路例题例题放大电路如图所示。已知放大电路如图所示。已知试求电路的中频增益、输入电阻和输出电阻。试求电路的中频增益、输入电阻和输出电阻。VOIbViVgSVSRSRgR2rbeRcgmVgS+_+_Ib+_+_本讲稿第四十五页，共五十二页例题例题由于由于则则VOIbViVgSVSRSRgR2rbeRcgmVgS+_+_Ib+_+
26、_RiRo本讲稿第四十六页，共五十二页比较内容比较内容 场效应管场效应管 三极管三极管 导电机理导电机理 只依靠一种载流子（多只依靠一种载流子（多子）参与导电，为单极子）参与导电，为单极型器件。型器件。两种载流子（多子和少子）两种载流子（多子和少子）参与导电，为双极型器件。参与导电，为双极型器件。放大原理放大原理输入电压控制输出电流，输入电压控制输出电流，g gm m=0.1ms20ms=0.1ms20ms 输入电流控制输出电流，例输入电流控制输出电流，例如，如，=20100=20100 特特 点点 1.1.制造工艺简单，便于制造工艺简单，便于大规模集成。大规模集成。2.2.热稳定性好，噪声低
27、。热稳定性好，噪声低。3.3.输入电阻高，栅极电输入电阻高，栅极电流流i iG G00。4.4.g gm m小，放大能力较低。小，放大能力较低。1.1.受温度等外界影响较大，受温度等外界影响较大，噪声大。噪声大。2.2.输入电阻低（因发射结正输入电阻低（因发射结正偏）。偏）。3.3.较大，放大能力强较大，放大能力强 小小 结结由于结构和工作原理的不同，使场效应管具有一些不同于三极管的特点。将两者结合使用，取长补短，可改善和提高放大电路的某些性能指标。本讲稿第四十七页，共五十二页小小 结结 按照结构的不同，场效应管分为按照结构的不同，场效应管分为结型和绝缘栅型结型和绝缘栅型两种类型，两种类型，M
28、OSMOS管属于绝缘栅型。每一类型均有管属于绝缘栅型。每一类型均有N N沟道和沟道和P P沟道沟道两种，两者的主要区别两种，两者的主要区别在于电压的极性和电流的方向不同。在于电压的极性和电流的方向不同。MOSMOS管又分为管又分为增强型和耗尽型增强型和耗尽型两种两种形式。形式。正确理解场效应管工作原理的关键是掌握电压正确理解场效应管工作原理的关键是掌握电压v vGSGS及及v vDSDS对导电沟道对导电沟道和电流和电流i iD D的不同作用，的不同作用，掌握预夹断与夹断这两个状态的区别和条件。掌握预夹断与夹断这两个状态的区别和条件。转移特性和输出特性曲线描述了转移特性和输出特性曲线描述了v v
29、GSGS、v vDSDS和和i iD D三者间的关系。与三极管三者间的关系。与三极管类似，场效应管有截止区类似，场效应管有截止区(即夹断区即夹断区)、恒流区、恒流区(即放大区即放大区)和可变电阻和可变电阻区三个工作区域。区三个工作区域。在恒流区，可将在恒流区，可将i iD D看成受电压看成受电压v vGSGS控制的电流源。控制的电流源。g gm m、V VP P（或（或V VT T）、）、I IDSSDSS、I IDMDM、P PDMDM、V V(BR)DS(BR)DS和极间电容是场效应管的主要参数。和极间电容是场效应管的主要参数。本讲稿第四十八页，共五十二页小小 结结 为了保证场效应管工作在
30、放大区，电压vGS、vDS的极性和vDS的大小应如下表所示。本讲稿第四十九页，共五十二页小小 结结 场效应管放大电路主要有场效应管放大电路主要有共源、共栅和共漏共源、共栅和共漏三种基本组态放大三种基本组态放大器。器。静态偏置电路主要有自给偏置电路和外置偏置电路两种。自静态偏置电路主要有自给偏置电路和外置偏置电路两种。自给偏置电路适用于结型和耗尽型场效应管。而增强型场效应管给偏置电路适用于结型和耗尽型场效应管。而增强型场效应管只能采用外置偏置电路。只能采用外置偏置电路。静态分析可采用计算法和图解法静态分析可采用计算法和图解法。动态分析主要采用小信号模型法动态分析主要采用小信号模型法。本讲稿第五十页，共五十二页重点难点重点难点重点重点：(1)(1)结型和绝缘栅型场效应管的结型和绝缘栅型场效应管的工作原理及外特性。工作原理及外特性。(2)(2)用小信号模型分析法计算场效应管放大电路的动态指用小信号模型分析法计算场效应管放大电路的动态指标。标。难点难点：结型和绝缘栅型场效应管的结构和工作原理结型和绝缘栅型场效应管的结构和工作原理本讲稿第五十一页，共五十二页作业作业4.1.34.3.1、4.3.34.4.3、4.4.4、4.4.5本讲稿第五十二页，共五十二页