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1、第3章场效应管及其放大电路现在学习的是第1页，共57页教学目标了解场效应管器件基础知识，掌握结型场效应管的结构、特性和主要参数，掌握绝缘栅型场效应管的结构、特性和主要参数，理解场效应管放大电路静态分析和小信号模型分析法现在学习的是第2页，共57页下一页 3.1 3.1 结型场效应管结型场效应管3.1.1 3.1.1 结型场效应管的结构及工作原理结型场效应管的结构及工作原理3.1.2 3.1.2 结型场效应管的特性结型场效应管的特性上一页现在学习的是第3页，共57页下一页3.1.1 3.1.1 结型场效应管的结构及工作原理结型场效应管的结构及工作原理1 1 结型场效应管的结构结型场效应管的结构如
2、图3.1(a)所示，在一块N型半导体材料的两边各扩散一个高杂质浓度的P+区,就形成两个不对称的P+N结，即耗尽层。把两个P+区并联在一起，引出一个电极g，称为栅极，在N型半导体的两端各引出一个电极，分别称为源极s和漏极d。栅极、源极s和漏极d与三极管的基极b、发射极e和集电极c相对应。夹在两个PN结中间的N区是电流的通道，称为导电沟道（简称沟道）。这种结构的管子称为N沟道结型场效应管，它在电路中用图3.1(b)所示的符号表示。上一页现在学习的是第4页，共57页下一页3.1.1 3.1.1 结型场效应管的结构及工作原理结型场效应管的结构及工作原理上一页现在学习的是第5页，共57页下一页3.1.1
3、 3.1.1 结型场效应管的结构及工作原理结型场效应管的结构及工作原理如果在一块P型半导体的两边各扩散一个高杂质浓度的N+区，就可以制成一个P沟道的结型场效应管。图3.2（a）图给出了P沟道的结型场效应管的结构示意图，图3.1.2（b）图给出了它在电路中的代表符号。上一页由结型场效应管代表符号中栅极上的箭头方向，可以确认沟道的类型。现在学习的是第6页，共57页下一页3.1.1 3.1.1 结型场效应管的结构及工作原理结型场效应管的结构及工作原理2 2 结型场效应管的工作原理结型场效应管的工作原理N沟道结型场效应管工作时，在栅-源极间加一负电压(0)，使栅-源极间的P+N结反偏，栅极电流场效应管
4、呈现很高的输入电阻(高达108W左右)。在漏-源极间加一正电压(0)，使N沟道中的多数载流子电子在电场作用下由源极向漏极作漂移运动，形成漏极电流。的大小主要受栅-源电压控制，同时也受漏-源电压的影响。因此，讨论场效应管的工作原理就是讨论栅-源电压对沟道电阻及漏极电流的控制作用，以及漏-源电压对漏极电流的影响。上一页现在学习的是第7页，共57页下一页3.1.1 3.1.1 结型场效应管的结构及工作原理结型场效应管的结构及工作原理(1)对沟道电阻及 的控制作用在图3.3所示情况下，因为漏极和源极之间没有外加电源电压，即 =0，所以当 变化时虽然导电沟道随之发生变化，但漏极电流 总是等于零。（c c
5、）图3.3当=0时，对耗电层和导电沟道的影响上一页现在学习的是第8页，共57页下一页3.1.1 3.1.1 结型场效应管的结构及工作原理结型场效应管的结构及工作原理(2)对 的影响当加到该处P+N结上的反偏电压最大时，这时使得沟道两侧的耗尽层从源极到漏极逐渐加宽，沟道宽度不再均匀，而呈楔形，如图3.4(a)所示。当 增加到 ，即 (夹断电压)时，漏极附近的耗尽层即在A点处合拢，如图3.4(b)所示。若 继续增加，使 ,即 时，耗尽层合拢部分会有增加，即自A点向源极方向延伸，如图3.4(c)上一页现在学习的是第9页，共57页下一页3.1.1 3.1.1 结型场效应管的结构及工作原理结型场效应管的
6、结构及工作原理 图3.4 对 的影响上一页现在学习的是第10页，共57页下一页3.1.1 3.1.1 结型场效应管的结构及工作原理结型场效应管的结构及工作原理从结型场效应管正常工作时的原理可知：结型场效应管栅极与沟道之间的P+N结是反向偏置的，因此，栅极电流 ，输入阻抗很高。漏极电流受栅-源电压 控制，所以场效应管是电压控制电流器件。预夹断前，即 较小时，与 间基本呈线性关系；预夹断后，趋于饱和。P沟道结型场效应管工作时，电源的极性与N沟道结型场效应管的电源极性相反。上一页现在学习的是第11页，共57页下一页3.1.2 3.1.2 结型场效应管的特性结型场效应管的特性通常用转移特性转移特性和漏
7、极特性漏极特性来描述场效应管的电流和电压之间的关系。测试场效应管特性曲线的电路图如图3.5所示 图3.5 场效应管特性曲线测试电路上一页现在学习的是第12页，共57页下一页3.1.2 3.1.2 结型场效应管的特性结型场效应管的特性1 1 转移特性转移特性 当场效应管的漏源之间的电压 保持不变时，漏极电流 与栅源之间电压的关系称为转移特性转移特性，其表达式如下：(3.1.1)愈负，则 愈小。当 等于夹断电压 时，。从转移特性上还可以得到场效应管的两个重要参数：夹断电压夹断电压 也可用 表示，即转移特性与横坐标轴交点处的电压。饱和漏极电流饱和漏极电流用表示，即转移特性与纵坐标轴交点处的电流。上一
8、页现在学习的是第13页，共57页下一页3.1.2 3.1.2 结型场效应管的特性结型场效应管的特性图3.6(a)中结型场效应管的转移特性曲线可近似用以下公式表示：(3.1.2)由图3.6可知 与 之间不是线性关系，而是平方律关系。故JFET也是一种非线性器件。当 为不同值时，可得一簇转移特性曲线，但由于工作在II区即恒流区，几乎与 无关。各曲线基本重合。上一页现在学习的是第14页，共57页下一页3.1.2 3.1.2 结型场效应管的特性结型场效应管的特性III区IDSSI区II区6V(a)图3.6(a)的转移特性(b)的漏极特性 上一页现在学习的是第15页，共57页下一页3.1.2 3.1.2
9、 结型场效应管的特性结型场效应管的特性2 2 漏极特性漏极特性场效应管的漏极特性漏极特性表示当栅源之间的电压不变时，漏极电流与漏源之间的电压的关系，即（3.1.3）N沟道结型场效应管的漏极特性曲线如图3.6(b)所示。可以看出，它们与双极型三极管的共射输出特性曲线很相似。但二者之间有一个重要区别，即场效应管的漏极特性以栅源之间的电压作为参变量，而双极型三极管输出特性曲线的参变量是基极电流。图3.6(b)中场效应管的漏极待性可以划分为三个区：可变电阻区、恒流区和击穿区。上一页现在学习的是第16页，共57页下一页3.2 3.2 绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管 绝缘栅场效应管由金属、氧化物和半导体
10、制成，所以称为金金属属-氧化物氧化物-半导体场效应管半导体场效应管，或简称MOSMOS场效应管场效应管。从导电沟道来分，绝缘栅场效应管分为N N沟道型P P沟道型无论N沟道或P沟道，又都可以分为增强型和耗尽型两种。所谓耗尽型就是当时，存在导电沟道。所谓增强型就是 时，没有导电沟道，即 。例如、N沟道增强型，只有当 时才有可能开始有 。P沟道和N沟道MOS管的工作原理相似。上一页现在学习的是第17页，共57页下一页3.2 3.2 绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管3.2.1 N3.2.1 N沟道增强型沟道增强型MOSMOS场效应管场效应管3.2.2 N3.2.2 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSMOS
11、场效应管场效应管3.2.3 3.2.3 场效应管的主要参数及几种场效应管的主要参数及几种MOSMOS场效应管特性比较场效应管特性比较上一页现在学习的是第18页，共57页下一页3.2.1 N3.2.1 N沟道增强型沟道增强型MOSMOS场效应管场效应管1 N1 N沟道增强型沟道增强型MOSMOS场效应管的结构场效应管的结构 N沟道增强型MOS场效应管的结构示意图见图3.7场效应管由金属、氧化物和半导体组成。上一页现在学习的是第19页，共57页下一页3.2.1 N3.2.1 N沟道增强型沟道增强型MOSMOS场效应管场效应管2 2 工作原理工作原理 绝缘栅场效应管的工作原理与结型的有所不同。结型场
12、效应管是利用 来控制PN结耗尽层的宽窄，从而改变导电沟道的宽度，以控制漏极电流 。绝缘栅场效应管则是利用来控制“感应电荷”的多少，以改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道的状况，然后达到控制漏极电流的目的。(1)对 及沟道的控制作用上一页现在学习的是第20页，共57页下一页 图3.8 对 及沟道的影响(a)=0；(b)0 0的情况下工作。此时，导电沟道比 =0时更宽，因而 更大。由图3.12(a)和(b)所示的N沟道耗尽型MOS场效应管的转移特性和漏极特性可见，当 0时，增大；当 0时，减小。上一页现在学习的是第28页，共57页下一页3.2.2 N3.2.2 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSMOS场
13、效应管场效应管N沟道MOS场效应管的符号见图3.13(a)和(b)。图(a)表示增强型，图(b)表示耗尽型。P沟道MOS场效应管的工作原理与N沟道的类似，此处不再叙述。它们的符号也与N沟道MOS管相似，但衬底B上箭头的方向相反。上一页现在学习的是第29页，共57页下一页3.2.3 3.2.3 场效应管的主要参数及几种场效应管的主要参数及几种MOSMOS场效应管特性比较场效应管特性比较1 1 直流参数直流参数饱和漏极电流、夹断电压、开启电压、直流输人电阻 2 2 交流参数交流参数低频跨导 、极间电容3 3 极限参数极限参数（1）漏极最大允许耗散功率（2）漏源击穿电压（3）栅源击穿电压各种场效应管
14、的符号和特性曲线如表3.1.1所示。上一页现在学习的是第30页，共57页下一页3.3 3.3 场效应管放大电路分析场效应管放大电路分析3.3.1 3.3.1 场效应管的直流偏置电路及静态分析场效应管的直流偏置电路及静态分析3.3.2 3.3.2 微变等效电路法微变等效电路法3.3.3 3.3.3 共漏级放大电路共漏级放大电路上一页现在学习的是第31页，共57页下一页3.3.1 3.3.1 场效应管的直流偏置电路及静态分析场效应管的直流偏置电路及静态分析1 1 自偏压电路自偏压电路在源极接入源极电阻 ，就可组成如图3.14所示的自偏压电路。图 3.14 自给偏压电路 上一页现在学习的是第32页，
15、共57页下一页3.3.1 3.3.1 场效应管的直流偏置电路及静态分析场效应管的直流偏置电路及静态分析a、图解法：图 3.15 求自给偏压电路Q点的图解 上一页现在学习的是第33页，共57页下一页3.3.1 3.3.1 场效应管的直流偏置电路及静态分析场效应管的直流偏置电路及静态分析首先，在静态时有关系式 说明 与 成线性关系，可以用一条直线表示，如图3.15所示，同时，与 之间又必须符合转移特性曲线的规律，因此二者的交点即是静态工作点Q，如图3.15所示。根据转移特性曲线上Q点的位置可求得静态时的 和 。由输出回路的电压电流方程,即直流负载方程 在漏极特性曲线上可得直流负载曲线，直流负载线与
16、 的一条漏极特性的交点确定了漏极特性上Q点的位置，由此可得静态时的 和 ，如图3.15所示。上一页现在学习的是第34页，共57页下一页3.3.1 3.3.1 场效应管的直流偏置电路及静态分析场效应管的直流偏置电路及静态分析b、计算法(3.3.1)解以上两个联立方程，即可得到和，然后根据得到。举例：如例1上一页现在学习的是第35页，共57页图 3.16 图解法确定工作点(例1)现在学习的是第36页，共57页现在学习的是第37页，共57页下一页3.3.1 3.3.1 场效应管的直流偏置电路及静态分析场效应管的直流偏置电路及静态分析2 2 分压分压-自偏压式共源放大电路自偏压式共源放大电路分压式偏置
17、电路如图3.17所示。该电路适合于增强型和耗尽型MOS管和结型场效应管。为了不使分压电阻 、对放大电路的输入电阻影响太大,故通过 与栅极相连。该电路栅、源电压为（3.3.2）利用图解法求Q点时,此方程的直线不通过 与 坐标系的原点,而是通过 =0,点,其它过程与自偏电路相同。上一页现在学习的是第38页，共57页下一页3.3.1 3.3.1 场效应管的直流偏置电路及静态分析场效应管的直流偏置电路及静态分析利用计算法求解时,需联立解下面方程组 图3.17 分压式偏置电路 上一页现在学习的是第39页，共57页下一页3.3.2 3.3.2 微变等效电路法微变等效电路法 小信号等效模型也称为微变等效模型
18、微变等效模型。从场效应管的输出特性和转移特性表明，当场效应管工作在低频小信号条件下时，电流和电压的动态范围没有超出特性曲线的动态范围，因此，FET小信号放大电路也可以用等效电路进行分析。FET的输出特性可知，漏极电流 与漏源电压和栅源电压的关系为(3.3.3)由此式求的全微分，可得（3.3.4）上式中定义（3.3.5）上一页现在学习的是第40页，共57页下一页3.3.2 3.3.2 微变等效电路法微变等效电路法其中称为场效应管的跨导，它的单位是毫西门子。称为场效应管漏源之间的等效电阻。如果用 、分别表示 、的变化部分,则式（3.3.4）可写为（3.3.6）由式可画出场效应管的微变等效电路，如图
19、3.18所示。图3.18共源极放大电路微变等效电路上一页现在学习的是第41页，共57页下一页3.3.2 3.3.2 微变等效电路法微变等效电路法1、电压放大倍数电压放大倍数(Au)式中,2 2、输入电阻输入电阻riri3 3、输出电阻输出电阻r ro o上一页现在学习的是第42页，共57页下一页3.3.3 3.3.3 共漏级放大电路共漏级放大电路共漏极放大电路又称为源极输出器或源极跟随器图3.19给出了共漏极放大电路的典型电路。为了进行动态分析，画出了共漏极放大电路的微变等效电路，如图3.20所示。图3.20 共漏极放大电路微变等效电路图3.19共漏极放大电路图上一页现在学习的是第43页，共5
20、7页下一页3.3.3 3.3.3 共漏级放大电路共漏级放大电路1 1、电压放大倍数、电压放大倍数(A Au)u)由图可知，式中：、整理后得所以 可见，共漏极放大电路的电压放大倍数，当时，。2 2、输入电阻、输入电阻由图3.20所示，共漏极放大电路的输入电阻为上一页现在学习的是第44页，共57页下一页3.3.3 3.3.3 共漏级放大电路共漏级放大电路3 3、输出电阻、输出电阻令 =0,并使 开路，在输出端加一信号 ，则输出电流为 因输入端短路，故所以上一页现在学习的是第45页，共57页下一页3.4 3.4 场效应管和三极管性能比较场效应管和三极管性能比较下面将本章所学的场效应管和上章所学的三极
21、管性能进行比较。1、场效应管的源极s、栅极g、漏极d分别对应于三极管的发射 极e、基极b、集电极c，它们的作用相似。2、场效应管是电压控制电流器件，由 控制 ，其放大系数一般较小，因此场效应管的放大能力较差；三极管是电流控制电流器件，由（或 ）控制 。3、场效应管栅极几乎不取电流（0）；而三极管工作时基极总要吸取一定的电流。因此场效应管的输入电阻比三极管的输入电阻高。4、场效应管只有多子参与导电；三极管有多子和少子两种载流子参与导电，因少子浓度受温度、辐射等因素影响较大，所以场效应管比三极管的温度稳定性好、抗辐射能力强。在环境条件（温度等）变化很大的情况下应选用场效应管。上一页现在学习的是第4
22、6页，共57页下一页3.4 3.4 场效应管和三极管性能比较场效应管和三极管性能比较5、场效应管在源极未与衬底连在一起时，源极和漏极可以互换使用，且特性变化不大；而三极管的集电极与发射极互换使用时，其特性差异很大，值将减小很多。6、场效应管的噪声系数很小，在低噪声放大电路的输入级及要求信噪比较高的电路中要选用场效应管。7、场效应管和三极管均可组成各种放大电路和开关电路，但由于前者制造工艺简单，且具有耗电少，热稳定性好，工作电源电压范围宽等优点，因而被广泛用于大规模和超大规模集成电路中。上一页现在学习的是第47页，共57页下一页3.5 3.5 场效应管使用注意事项场效应管使用注意事项由于场效应管
23、的结构比较特殊，所以在使用上有一些存在注意事项：1、从场效应管的结构上看，其源极和漏极是对称的，因此源极和漏极可以互换。但有些场效应管在制造时已将衬底引线与源极连在一起，这种场效应管的源极和漏极就不能互换了。2、场效应管各极间电压的极性应正确接入，结型场效应管的栅-源电压的极性不能接反。3、当MOS管的衬底引线单独引出时，应将其接到电路中的电位最低点（对N沟道MOS管而言）或电位最高点（对P沟道MOS管而言），以保证沟道与衬底间的PN结处于反向偏置，使衬底与沟道及各电极隔离。上一页现在学习的是第48页，共57页下一页3.5 3.5 场效应管使用注意事项场效应管使用注意事项4、MOS管的栅极是绝
24、缘的，感应电荷不易泄放，而且绝缘层很薄，极易击穿。所以栅极不能开路，存放时应将各电极短路。焊接时，电烙铁必须可靠接地，或者断电利用烙铁余热焊接，并注意对交流电场的屏蔽。场效应晶体管的好坏的判断先用万用表R*100K挡（内置有15V电池），把负表笔（黑）接栅极（G），正表笔（红）接源极（S）。给栅、源极之间充电，此时万用表指针有轻微偏转。再该用万用表R*1挡，将负表笔接漏极（D），正表笔接源极（S），万用表指示值若为几欧姆，则说明场效应管是好的。上一页现在学习的是第49页，共57页下一页 3.6 3.6 场效应管场效应管MultismMultism仿真实例仿真实例1.1.利用利用Multisim
25、Multisim测试测试MOSMOS场效应管的转移特性曲线场效应管的转移特性曲线场效应管的转移特性曲线描述栅源电压对漏极电流的控制作用，其表达式为采用最基本的逐点测试法。在Multisim中构建测试电路如图3.21（a）所示。场效应管的栅极回路接入一个电压源，漏极回路中的虚拟仪表测量漏极电流，漏源之间电压保持不变。改变栅源电压的大小，电路仿真后测出相应的值，测试结果如下：0 1 2 2.5 3 3.5 4 4.5 51.776 1.776 1.776 126.121 500.933 1126 2002 3126 4501/上一页现在学习的是第50页，共57页下一页3.6 3.6 场效应管场效应
26、管MultismMultism仿真实例仿真实例根据测得的数据即可画出该场效应管的转移特性曲线，如图3.21（b）所示。由图可知，该场效应管的开启电压 =2V,在 =4V附近的跨导为采用逐点测试法需要逐一改变 的值，然后进行仿真，再测出 值，最后还要用手工方法画出转移特性曲线，过程比较繁琐。实际上，利用Multisim的直流扫描分析功能或利用虚拟仪器，可以快速、直接的测出二极管、双极性三极管以及场效应管的特性曲线，现在只做软件的基本练习。上一页现在学习的是第51页，共57页下一页3.6 3.6 场效应管场效应管MultismMultism仿真实例仿真实例(a)电路图(b)转移特性 图3.21 M
27、OS场效管仿真电路 上一页现在学习的是第52页，共57页下一页3.6 3.6 场效应管场效应管MultismMultism仿真实例仿真实例2 2场效管放大电路的场效管放大电路的MultisimMultisim仿真仿真在Multisim中构建分压-自偏压式共源极放大电路如图3.22(a)所示，电路中增强型MOS场效应管的开启电压=2V，工作点处的跨导 =1.38mS。利用Multisim的直流工作点分析功能测量图3.22(a)电路的静态工作点，分析结果如表3.6.1所示。表3.6.1 分压-自偏压式共源极放大电路静态工作点测试结果 上一页现在学习的是第53页，共57页下一页3.6 3.6 场效应
28、管场效应管MultismMultism仿真实例仿真实例由上可得：加上正弦输入电压，在虚拟示波器上可观察到输入和输出的波形如图3.22（b）所示，可见两者反相。在图3.22（b）的仿真电路中可测得，当 时,则当负载电阻 开路时,可测得 =66.705Mv则上一页现在学习的是第54页，共57页下一页3.6 3.6 场效应管场效应管MultismMultism仿真实例仿真实例（a）仿真电路上一页现在学习的是第55页，共57页下一页3.6 3.6 场效应管场效应管MultismMultism仿真实例仿真实例（b）输入输出波形 图3.22 共源极放大电路上一页现在学习的是第56页，共57页返回上一页现在学习的是第57页，共57页