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1、模拟电子技术模拟电子技术第三章第三章场效应晶体管及其放大电路应用场效应晶体管及其放大电路应用主讲主讲谢榕谢榕 开课单位：电气与电子工程学院电工教学基地开课单位：电气与电子工程学院电工教学基地1第三章第三章 场效应晶体管及其放大电路应用场效应晶体管及其放大电路应用3.3 场效应管放大电路场效应管放大电路 3.1 场效应管概述场效应管概述3.2 绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管23.1 场效应管概述场效应管概述场效应管场效应管（FET）结型结型（JFET）（属于耗尽型属于耗尽型）绝缘栅型绝缘栅型（MOSFET）增加型增加型耗尽型耗尽型N沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道33
2、.2.1 N3.2.1 N3.2.1 N3.2.1 N沟道增加型沟道增加型沟道增加型沟道增加型MOSMOSMOSMOS管管管管3.2绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管(a)结构示意图结构示意图(b)电路符号电路符号P型半导体为衬底型半导体为衬底 g栅极栅极d漏极漏极s源极源极1.结构结构42.工作原理工作原理绝缘栅场效应管是通过变更栅绝缘栅场效应管是通过变更栅-源电压源电压uGS的大小，从的大小，从而变更衬底靠近绝缘层处感应电荷的多少，即变更感应电而变更衬底靠近绝缘层处感应电荷的多少，即变更感应电荷形成的导电沟道的状况，达到限制漏极电流荷形成的导电沟道的状况，达到限制漏极电流iD之目的。之目的。1）
3、导电沟道的建立导电沟道的建立(a)uGS=0，无导电沟道无导电沟道(b)uGSUGS(th)，建立导电沟道建立导电沟道UGS(th)称为开启电压称为开启电压52.工作原理工作原理2）uDS对对iD的影响的影响(c)uDS uGS-UGS(th)(a)uDS较小较小(b)uDS=uGS-UGS(th)漏、源间呈可变漏、源间呈可变电阻特性电阻特性 处于预夹断状态处于预夹断状态 具有恒流源特性具有恒流源特性 6 当漏源之间接上当漏源之间接上+VDS+VDS时，从源时，从源-沟道沟道-漏组成的型半漏组成的型半导体区域内产生了一个横向的电位梯度：源区为零电位，导体区域内产生了一个横向的电位梯度：源区为零
4、电位，漏区为漏区为+VDS+VDS，而沟道的电位则从源端向漏端渐渐上升。在，而沟道的电位则从源端向漏端渐渐上升。在沟道在不同位置上，沟道厚度不同，源端最厚，漏端最薄，沟道在不同位置上，沟道厚度不同，源端最厚，漏端最薄，当当VDSVDS增大到栅增大到栅-漏电位差漏电位差VGSVGSVDSVDSVGS(th)VGS(th)时，漏端预夹时，漏端预夹断。这个夹断区成了漏源间电流通路上电阻最大的区。断。这个夹断区成了漏源间电流通路上电阻最大的区。VDSVDS的任何进一步增加就必定会集中降在这里，使夹断区具有的任何进一步增加就必定会集中降在这里，使夹断区具有很强的电场。由于现在被夹的只是漏端的一个小区域，
5、在很强的电场。由于现在被夹的只是漏端的一个小区域，在夹断区左边还有沟道，这些自由电子仍可在沟道中漂移，夹断区左边还有沟道，这些自由电子仍可在沟道中漂移，在到达夹断区时，就受夹断区强电场的吸引，滑入漏区。在到达夹断区时，就受夹断区强电场的吸引，滑入漏区。所以，在漏端夹断后，漏源之间仍有漏极电流所以，在漏端夹断后，漏源之间仍有漏极电流IDID。此种情此种情形与形与NPNNPN型半导体三极管在集电结反偏时仍能把电子拉过耗型半导体三极管在集电结反偏时仍能把电子拉过耗尽区基本上是相像的。尽区基本上是相像的。场效应管在漏端夹断后，为什么还有漏电？场效应管在漏端夹断后，为什么还有漏电？7MOS管在正常工作状
6、况下，管在正常工作状况下，uDS、UGS(th)是确定的，是确定的，则则3）uGS对对iD的限制作用的限制作用式中式中：IDO为为uGS=2UGS(th)时的时的iD值值在满足上式的状况下，只要变更在满足上式的状况下，只要变更uGS的值，就有一的值，就有一个确定的个确定的iD与之对应，从而实现与之对应，从而实现uGS对对iD的限制。的限制。2.工作原理工作原理8MOS管在正常工作状况下，管在正常工作状况下，uDS、UGS(th)是确定的，是确定的，则则(a)转移特性转移特性(b)输出特性输出特性 3.特性曲线特性曲线9场效应管与晶体管的比较场效应管与晶体管的比较（1 1）导电机理）导电机理场效
7、应管利用多子导电，而晶体管则利用多子和少子导电。场效应管利用多子导电，而晶体管则利用多子和少子导电。（2 2）结构对称性）结构对称性场效应管的结构具有对称性，假如绝缘栅型管的衬底在电路场效应管的结构具有对称性，假如绝缘栅型管的衬底在电路内部事先不与源极相连，场效应管的源极和漏极可以互换。而晶内部事先不与源极相连，场效应管的源极和漏极可以互换。而晶体管的结构不对称，集电极与放射极是不能互换的。体管的结构不对称，集电极与放射极是不能互换的。（3 3）控制方式）控制方式场效应管工作在放大状态时，漏极电流场效应管工作在放大状态时，漏极电流 基本上只随栅基本上只随栅源极间电压的变化而变化。所以，常称其为
8、电压控制型器件。源极间电压的变化而变化。所以，常称其为电压控制型器件。晶体管工作在放大状态时，集电极电流晶体管工作在放大状态时，集电极电流基本上只随基基本上只随基极电流极电流的变化而变化，习惯上称其为电流控制型器件。但的变化而变化，习惯上称其为电流控制型器件。但基极电流基极电流又受基极与发射极间电压的控制，实质上仍然是又受基极与发射极间电压的控制，实质上仍然是电压控制型器件。电压控制型器件。10（6 6）放大能力）放大能力场效应管因跨导场效应管因跨导 较小较小 ，而放大能力较弱；晶体管因电流而放大能力较弱；晶体管因电流放大系数放大系数较大而放大能力较强较大而放大能力较强。（4 4）直流输入电阻
9、）直流输入电阻场效应管的直流输入电阻大（结型：一般大于场效应管的直流输入电阻大（结型：一般大于 ，绝绝缘栅型：一般大于缘栅型：一般大于）；而晶体管直流输入电阻较小）；而晶体管直流输入电阻较小（发射结正偏）。（发射结正偏）。（5 5）稳定性及噪声）稳定性及噪声场效应管具有较好的温度稳定性、抗辐射性和低噪声性能；场效应管具有较好的温度稳定性、抗辐射性和低噪声性能；晶体管则受温度和辐射的影响较大，这些都与导电机理有关。晶体管则受温度和辐射的影响较大，这些都与导电机理有关。113.5场效应管放大电路场效应管放大电路(1)静态：适当的静态工作点，使场效应管工作在恒流区静态：适当的静态工作点，使场效应管工
10、作在恒流区(放大区放大区)，场效应管的偏置电路相对简洁。，场效应管的偏置电路相对简洁。(2)动态：能为沟通信号供应通路。动态：能为沟通信号供应通路。静态分析：静态分析：估算法估算法、图解法。、图解法。动态分析：动态分析：微变等效电路法。微变等效电路法。分析方法：分析方法：场效应管是电压限制器件。它利用栅源电压来限制漏极场效应管是电压限制器件。它利用栅源电压来限制漏极电流的变更。它的放大作用以跨导来体现，在场效应管的漏电流的变更。它的放大作用以跨导来体现，在场效应管的漏极特性的水平部分，漏极电流极特性的水平部分，漏极电流iDiD的值主要取决于的值主要取决于uGSuGS，而几，而几乎与乎与uDSu
11、DS无关。无关。123.5场效应管放大电路场效应管放大电路动态分析：动态分析：微变等效电路法微变等效电路法(a)包括包括rds在内的微变等效电路在内的微变等效电路(b)简化的微变等效电路简化的微变等效电路133.3.1共源极放大电路共源极放大电路(b)沟通通沟通通路路(a)共源极放大电路共源极放大电路1.静态分析静态分析(UGSQ,IDQ,UDSQ)1)解解析法析法2）图解法图解法P84-85143.3.1共源极放大电路共源极放大电路2.动态分析动态分析1）电压放大倍数电压放大倍数2）输入电阻输入电阻3）输入电阻和输出电阻输入电阻和输出电阻153.3.1共源极放大电路共源极放大电路3.自给偏压
12、电路自给偏压电路自给偏压共源极放大电路自给偏压共源极放大电路(a)N沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管放大电路管放大电路(b)N沟道结型场效应管放大电路沟道结型场效应管放大电路163.3.1共源极放大电路共源极放大电路4.举例分析举例分析 例：例：设上页图设上页图（a）所示共源极放大电路中，场效应管的所示共源极放大电路中，场效应管的UGS(off)=-1V,IDSS=0.5mA，UDD=18V,R1=47k，R2=2M，Rg=10M，Rs=2k，Rd=30k，RL=30k。1）求放大电路的静态工作点；求放大电路的静态工作点；2）求放大电路的电压放大倍数、输入电阻、输出电阻。求放大电路的电压放大倍数、
13、输入电阻、输出电阻。解解1）依据电路的直流通路，有）依据电路的直流通路，有:IDQ1=1.6mA舍去舍去 ；IDQ2=0.32mA=IDQUGSQ=-0.23VUDSQ=7.76V解得：解得：173.3.1共源极放大电路共源极放大电路例：设图例：设图（a）所示共源极放大电路中，场效应管的所示共源极放大电路中，场效应管的UGS(off)=-1V,IDSS=0.5mA，UDD=18V,R1=47k，R2=2M，Rg=10M，Rs=2k，Rd=30k，RL=30k。2）求放大电路的电压放大倍数、输入电阻、输出电阻。求放大电路的电压放大倍数、输入电阻、输出电阻。解：解：2)先求先求gm18本章小结本章
14、小结1.场效应管是一种电压限制器件；场效应管是一种电压限制器件；2.和半导体三极管相比，场效应管由多数载流子参与导电，所以和半导体三极管相比，场效应管由多数载流子参与导电，所以温度稳定性好、抗辐射实力强、噪声低。温度稳定性好、抗辐射实力强、噪声低。3.场效应管主要优点有输入电阻特别高；场效应管主要优点有输入电阻特别高；4.场效应管分为结型和绝缘栅型两类，每类都有场效应管分为结型和绝缘栅型两类，每类都有N沟道和沟道和P沟道两沟道两种。对于绝缘栅型场效应管，还有增加型和耗尽型两种形式；种。对于绝缘栅型场效应管，还有增加型和耗尽型两种形式；5.场效应管有可变电阻区、恒流区、截止区三个工作区，当组成场效应管有可变电阻区、恒流区、截止区三个工作区，当组成放大电路时，应工作在恒流区放大电路时，应工作在恒流区；6.本章主要要驾驭场效应管放大电路有共源形式。本章主要要驾驭场效应管放大电路有共源形式。7.19