第4章 貼片場(chǎng)效應(yīng)管及其放大器

第4章

場(chǎng)效應(yīng)管及其放大電路

通過(guò)這一章的學(xué)習(xí)，我們要學(xué)會(huì)：1．利用場(chǎng)效應(yīng)管來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大；2．判斷場(chǎng)效應(yīng)管的管腳；3．根據(jù)電路的需求來(lái)選擇放大器件。見(jiàn)教材P65主編：徐麗香副主編：黎旺星張正蘭小海4.1概述場(chǎng)效應(yīng)管有三個(gè)電極，分別為G（柵極）、S（源極）、D（漏極）。并且掌握幾個(gè)重要概念。場(chǎng)效應(yīng)管是利用柵源之間的電壓，即uGS的大小來(lái)控制溝道寬度，從而控制漏極電流iD的大小，是利用電壓控制電流的大小。

NPPDGSVDSVGSIDS見(jiàn)視頻主編：徐麗香副主編：黎旺星張正蘭小海場(chǎng)效應(yīng)管是僅靠半導(dǎo)體中的空穴或自由電子之一來(lái)導(dǎo)電的，它又被稱為單極性晶極管。場(chǎng)效應(yīng)管分為結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（Junctionfieldeffecttransistor,簡(jiǎn)稱JFET）和絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管（Insulatedgatefieldeffecttransistor，簡(jiǎn)稱IGFET）兩大類。絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管有增強(qiáng)型和耗盡型兩類。不論結(jié)型還是絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管，它們又可分為N溝道和P溝道兩種。主編：徐麗香副主編：黎旺星張正蘭小海4.2結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管

4.2.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的工作特性（1）柵源電壓uGS對(duì)導(dǎo)電溝道的控制作用改變uGS，可以控制耗盡區(qū)的厚薄，亦即改變導(dǎo)電區(qū)域的大小，從而達(dá)到控制漏極和源極之間的電阻大小的目的，從而來(lái)控制流過(guò)管子的工作電流iD的大小。主編：徐麗香副主編：黎旺星張正蘭小海（2）漏源電壓uDS的大小對(duì)導(dǎo)電溝道產(chǎn)生的影響如uDS=0，則不管uGS為何值，都無(wú)法產(chǎn)生iD。所以只有將uDS與uGS一起來(lái)控制導(dǎo)電溝道的寬窄。

主編：徐麗香副主編：黎旺星張正蘭小海1．結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線輸出特性可分成四個(gè)區(qū)域:（1）可變電阻區(qū)：uDS固定＜5V時(shí)，

uGS＜uGS（off）的絕對(duì)值區(qū)域。

（2）恒流區(qū)（放大區(qū)）：uDS＞uGS（off）＝5V時(shí)，iD不變。（3）擊穿區(qū)：uDS很大，iD也很大。（4）夾斷區(qū)：uGS≤uGS（off），iD＝0（5）預(yù)夾斷區(qū)：uGS＝uGS（off）（a）輸出特性曲線（b）轉(zhuǎn)移特性曲線圖4.3N型溝道場(chǎng)效應(yīng)管輸出特性曲線和轉(zhuǎn)移曲線

見(jiàn)教材P66主編：徐麗香副主編：黎旺星張正蘭小海預(yù)夾斷電壓：uGS＝uGS（off）表示溝道剛好接近消失的電壓。注意：（1）預(yù)夾斷前：uGD＞uGS（off）即uGS－uDS＞uGS（off）（2）預(yù)夾斷時(shí)：uGS＝uGS（off）即uGS－uDS＝uGS（off）（3）預(yù)夾斷后：uGD＜uGS（off）即uGS－uDS＜uGS（off）（4）夾斷時(shí)：uGS≤uGS（off），iD＝0見(jiàn)教材P67例題結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管工作在放大狀態(tài)的基本條件是：對(duì)于N溝道管，在其柵-源之間加負(fù)電壓uGS≤0V；對(duì)于P溝道管，uGS≥0V，以保證耗盡層承受反向電壓；漏-源之間要加正向電壓，以形成漏極電流iD，即uDS>0。主編：徐麗香副主編：黎旺星張正蘭小海2．轉(zhuǎn)移特性漏極電流iD與柵源電壓uGS之間的函數(shù)關(guān)系

在恒流區(qū),可以認(rèn)為，iD僅由uGS決定,隨著uGS的上升，電流iD也越來(lái)越大.恒流區(qū)中iD的近似表達(dá)式:

（UGS（off）<uGS<0）(4.2)IDSS是uGS=0情況下產(chǎn)生預(yù)夾斷（即恒流區(qū)）iD，稱為飽和漏極電流

主編：徐麗香副主編：黎旺星張正蘭小海4.2.2結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的測(cè)試1．結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的管腳識(shí)別2．判定管的溝道類型3．估測(cè)場(chǎng)效應(yīng)管的放大能力見(jiàn)教材P68主編：徐麗香副主編：黎旺星張正蘭小海4.3絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管4.3.1絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管的工作特性（a）N型溝道絕緣柵（b）符號(hào)（c）uGS大于UGS（th）

增強(qiáng)型的結(jié)構(gòu)時(shí)形成導(dǎo)電溝道

圖4.5N型溝道絕緣柵增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管PN摻雜N主編：徐麗香副主編：黎旺星張正蘭小海工作原理

（以N型溝道絕緣柵增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管為例）當(dāng)uGS＝0,即使uDS>0，由于未形成導(dǎo)電的N型反型層（導(dǎo)電溝道），源漏極間也不會(huì)有電流流過(guò).ID＝0.當(dāng)uDS>0時(shí)，uGS>0，且不斷增大時(shí),此時(shí)ID的大小由uGS決定;隨著uGS的增大，當(dāng)uGS=UGS(th)時(shí),即iD僅由uGS決定，管子就進(jìn)入恒流區(qū)。絕緣柵增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管工作時(shí)，漏極D和源極S之間要有正電壓，即uDS>0；柵源電壓也必須為正，即uGS>

UGS(th)

。主編：徐麗香副主編：黎旺星張正蘭小海增強(qiáng)型：隨uGS的增強(qiáng)，導(dǎo)電溝道橫截面增大，導(dǎo)電能力增強(qiáng)，在一定的uDS

條件下，電流ID越大主編：徐麗香副主編：黎旺星張正蘭小海耗盡型：在siO2層中摻入了大量的正離子，使得

uGS＝0時(shí)，就有垂直電場(chǎng)的存在，并吸引電子到半導(dǎo)體的表面形成N型導(dǎo)電溝道。在這種管子電路中，uGS<0,導(dǎo)電溝道被削弱，直至完全不存在，即被“耗盡”。當(dāng)然，也可以u(píng)GS>0,N溝道會(huì)更強(qiáng)。主編：徐麗香副主編：黎旺星張正蘭小海從曲線分析：主編：徐麗香副主編：黎旺星張正蘭小?！纠?.2】?jī)煞N場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性曲線分別如圖4.6(a)、(b)所示，分別確定這兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管的類型，并求其主要參數(shù)（開(kāi)啟電壓或夾斷電壓，跨導(dǎo)）。測(cè)試時(shí)電流iD的參考方向?yàn)閺穆OD到源極S。圖4.6兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性曲線(a)(b)主編：徐麗香副主編：黎旺星張正蘭小海解：（1）從圖4.6（a）圖曲線可以讀出，開(kāi)啟電壓UGS（th）＝-2V，因此是P溝道增強(qiáng)型MOS管的轉(zhuǎn)移特性曲線。平均跨導(dǎo)：（2）從圖4.6（b）圖曲線可以讀出，夾斷電壓UGS（off）＝-4V，IDSS=4mA，UGS可以工作在正值、零、負(fù)值，因此是N溝道耗盡型MOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線。平均跨導(dǎo)：主編：徐麗香副主編：黎旺星張正蘭小海4.3.2VMOS管VMOS管的結(jié)構(gòu)可以解決普通MOS管無(wú)法散發(fā)出較多的熱量的問(wèn)題。圖4.7N型溝道絕緣柵增強(qiáng)型VMOS管的結(jié)構(gòu)示意圖VMOS管的漏區(qū)散熱面積大，耗散功率可達(dá)千瓦以上；此外漏源極間擊穿電壓高，上限工作頻率高，當(dāng)漏極電流大于某一大小（如500mA）時(shí)，iD與uGS基本成線性關(guān)系。VMOS管廣泛應(yīng)用于中、大功率管中。主編：徐麗香副主編：黎旺星張正蘭小海4.3.3絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管的測(cè)試

測(cè)試時(shí)，最好采用專門(mén)測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)量。如果必須采用手工方式用萬(wàn)用表來(lái)測(cè)試，一定要充分做好防靜電措施。1．測(cè)試注意事項(xiàng)2．判定電極及類型（1）首先判定柵極（2）判定管子類型及區(qū)分漏極與源極主編：徐麗香副主編：黎旺星張正蘭小海4.4場(chǎng)效應(yīng)管的應(yīng)用

4．4．1場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)及使用注意事項(xiàng)1、主要參數(shù)（1）直流參數(shù)：開(kāi)啟電壓UGS（th）(增強(qiáng)型mos）、夾斷電壓UGS（off）（結(jié)型和耗盡型mos）、飽和漏極電流IDSS（結(jié)型）、直流輸入電阻RGS（DC）

（2）交流參數(shù)：跨導(dǎo)gm

極間電容：Cgs和Cgd約為1~3pF

（3）極限參數(shù)：最大漏源電流IDM、漏源擊穿電壓U（BR）DS、柵源擊穿電壓U（BR）GS、最大耗散功率PDM

主編：徐麗香副主編：黎旺星張正蘭小海2、MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管使用注意事項(xiàng)使用時(shí)應(yīng)注意以下規(guī)則：（1）MOS器件出廠時(shí)通常裝在黑色的導(dǎo)電防靜電泡沫塑料袋中，切勿自行隨便拿個(gè)塑料袋裝。也可用錫紙包裝。（2）MOSFET應(yīng)防止柵極懸空，以免產(chǎn)生高的感應(yīng)電壓而擊穿絕緣層，故在保存時(shí)應(yīng)將柵源極間短接。（3） JFET的柵源極之間必須加反偏電壓，以保證有高的輸入電阻。（4）取出的MOS器件要放置在防靜電的容器中，如金屬盤(pán)等，而不能存放在非防靜電的塑料盒上。（5）焊接用的電烙鐵必須良好接地。（6）MOSFET焊接時(shí)所用電烙鐵外殼必須接地，應(yīng)在焊接時(shí)將烙鐵拔離交流電源后再焊接。（7）在焊接前最好把電路板的電源線與地線短接，完成后在分開(kāi)電源線與地線。（8）MOS器件各引腳的焊接順序是漏極、源極、柵極。拆機(jī)時(shí)順序相反。（9）安裝有MOS器件的電路板在與機(jī)器的接線端子連接之前，最好要用接地的線夾子去碰一下機(jī)器的各接線端子，再與電路板相連接?？傊谶\(yùn)輸、使用MOS器件時(shí)，要嚴(yán)格遵守防靜電的操作規(guī)范。主編：徐麗香副主編：黎旺星張正蘭小海4.4.2場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的放大電路構(gòu)成放大電路的基本條件是場(chǎng)效應(yīng)管的工作點(diǎn)位于特性曲線的恒流區(qū)，所以必須給場(chǎng)效應(yīng)管管子提供合適的直流偏置，建立一個(gè)合適而穩(wěn)定的靜態(tài)工作點(diǎn)，使管子工作在放大區(qū)。。場(chǎng)效應(yīng)管的放大電路有自偏壓電路和分壓式自偏壓電路。自偏壓電路：柵偏壓UGS是依靠場(chǎng)效應(yīng)管自身電流iD產(chǎn)生的。僅適用于耗盡型MOS管和結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，而不能用于uGS≥UGS(th)時(shí)才有漏極電流的增強(qiáng)型MOS管。主編：徐麗香副主編：黎旺星張正蘭小海自偏壓電路原理：由于Rg上沒(méi)有電流，所以沒(méi)有電壓，即UG＝0，因此UGS＝

UG-US＝0-US=-ID·RS，因此UGS上的電壓由RS上的電壓來(lái)確定，其電位是相等的。這種柵極偏壓是由場(chǎng)效應(yīng)管自身ID產(chǎn)生的，故稱為自偏壓電路。1、場(chǎng)效應(yīng)管的自偏壓電路直流工作原理及其參數(shù)IDQ、UGSQ、UDEQ計(jì)算：UGGUGSUS由此得到直流偏置電壓線性方程：主編：徐麗香副主編：黎旺星張正蘭小海要求參數(shù)IDQ、UGSQ、UDSQ，首先分析Q點(diǎn)，在轉(zhuǎn)移特性曲線中，其Q點(diǎn)對(duì)應(yīng)的IDQ、UGSQ就是自偏壓的靜態(tài)工作點(diǎn)。QUGSQIDQIDUGSIDSSUGS(OFF)UGGUGSUS主編：徐麗香副主編：黎旺星張正蘭小海例題：一場(chǎng)效應(yīng)管的電路如圖所示，已知IDSS＝8mA,UGS(off)＝－4V，RD=2KΩ,UDD=12V，RS=1KΩ，求IDQ、UGSQ、UDSQ。解：解得：（舍去）主編：徐麗香副主編：黎旺星張正蘭小海4.6已知圖4.16(a)所示電路中場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性分別如圖（b）(c)所示。計(jì)算其直流工作點(diǎn)。主編：徐麗香副主編：黎旺星張正蘭小海解：從轉(zhuǎn)移曲線知：代入公式：（1）、（2）式聯(lián)立求解：解得：主編：徐麗香副主編：黎旺星張正蘭小海3．7已知圖4.17（a）所示電路中場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性如圖（b）所示。計(jì)算其直流工作點(diǎn)。解：從（a）圖得到在（b）圖上作圖得到：主編：徐麗香副主編：黎旺星張正蘭小海（2）分壓式自偏壓電路適用于各種類型的場(chǎng)效應(yīng)管一般Rg3選得很大，可取幾兆歐；靜態(tài)時(shí)，源極電位uS=iD·RS由于柵極電流為零，Rg3上沒(méi)有電壓降，故柵極電位柵偏壓：適當(dāng)選取Rg1、Rg2和RS值，就可得到各類場(chǎng)效應(yīng)管放大工作時(shí)所需的正、零或負(fù)的偏壓。主編：徐麗香副主編：黎旺星張正蘭小海（3）場(chǎng)效應(yīng)管放大電路分析【例4．3】試計(jì)算圖4.10放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)，已知：Rg1=150kΩ，Rg2=50kΩ,Rg3=1MΩ，RD=RS=10kΩ，VDD=20V，場(chǎng)效應(yīng)管的UGS（off）=-5V，IDSS=1mA。解：

聯(lián)解兩式，可得：計(jì)算得：iD=0.61mA,uGS=5-0.61×10=-1.1VuD=20-0.61×10=13.9V(對(duì)地電位)主編：徐麗香副主編：黎旺星張正蘭小海2、電壓放大原理uGS變化控制iD的變化，利用RD把電流轉(zhuǎn)化為電壓變化，圖中電路的電壓放大倍數(shù)為15。電壓放大倍數(shù)，其中RL’=RD∕∕RL，gm為場(chǎng)效應(yīng)管的跨導(dǎo)場(chǎng)效應(yīng)管路放大電路有共源極、共漏極和共柵極三種接法。主編：徐麗香副主編：黎旺星張正蘭小海4．4．3場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的恒流源電路

利用場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成恒流源。由運(yùn)算放大器LF356、大功率場(chǎng)效應(yīng)管V1、采樣電阻R2等組成。主編：徐麗香副主編：黎旺星張正蘭小海第四章學(xué)習(xí)指導(dǎo)

場(chǎng)效應(yīng)管是電壓控制器件，用柵-源電壓uGS控制漏極電流iD，柵極的電流基本為零，這是與晶體三極管最大的差別。場(chǎng)效應(yīng)晶體管由于輸入阻抗高，極易被靜電擊穿，使用時(shí)要特別注意防靜電。場(chǎng)效應(yīng)管是僅靠半導(dǎo)體中的一種載流子導(dǎo)電，它又被稱為單極性晶極管，分為結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JFET）和絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管（MOS管），每一種分為N溝道和P溝道兩種類型，絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管又分為增強(qiáng)型和耗盡型兩種，它們的特性都不同，在測(cè)試或使用時(shí)要特別注意分清楚。詳細(xì)比較可參照表4.1。在測(cè)試判定電極及類型或管子的好壞時(shí)，要注意了解場(chǎng)效應(yīng)管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。主編：徐麗香副主編：黎旺星張正蘭小海場(chǎng)效應(yīng)管與晶體三極管一樣，可以構(gòu)成放大電路和開(kāi)關(guān)電路。構(gòu)成放大電路的基本條件是場(chǎng)效應(yīng)管的工作點(diǎn)位于特性曲線的恒流區(qū)，通過(guò)uGS變化控制iD的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)。場(chǎng)效應(yīng)管放大電路的分析方法與三極管構(gòu)成放大電路的分析方法相似，主要是首先保證直流偏置正常，這一點(diǎn)通過(guò)靜態(tài)分析法分析；其次是交流通過(guò)分析，依輸入與輸出的公共端不同，分為共源、共漏、共柵三種放大電路形式。主編：徐麗香副主編：黎旺星張正蘭小海實(shí)驗(yàn)四結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管放大器

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．了解結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的可變電阻特性；2．掌握共源極放大器的特點(diǎn)。二、實(shí)驗(yàn)儀器名稱 數(shù)量雙蹤示波器 1臺(tái)函數(shù)發(fā)生器 1臺(tái)晶體管毫伏表 1臺(tái)數(shù)字萬(wàn)用表 1臺(tái)直流穩(wěn)壓電源 1臺(tái)實(shí)驗(yàn)板 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管放大器 1塊主編：徐麗香副主編：黎旺星張正蘭小海三、實(shí)驗(yàn)原理

1．實(shí)驗(yàn)電路本電路是一種自偏壓電路。其中，一些開(kāi)關(guān)和接線柱是為便于進(jìn)行有關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容而設(shè)置的，實(shí)驗(yàn)電路如圖4.18所示。圖中有圖4.18一些開(kāi)關(guān)K，根據(jù)測(cè)試的目的，讀者判斷對(duì)應(yīng)每一項(xiàng)測(cè)試應(yīng)接通的開(kāi)關(guān)是哪一個(gè)。主編：徐麗香副主編：黎旺星張正蘭小海2．工作原理（1）結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管用做可變電阻。場(chǎng)效應(yīng)管的工作狀態(tài)可以分為三個(gè)區(qū)：可變電阻區(qū)（I區(qū)）；恒流區(qū)（II區(qū)）；擊穿區(qū)（III區(qū)）。在I區(qū)內(nèi)iD與uDS的關(guān)系近似于線性關(guān)系。測(cè)量rDS電路

圖4.19主編：徐麗香副主編：黎旺星張正蘭小海（2）自偏壓共源極放大器在圖4.18中，若K2、K3和K4斷開(kāi)，K1閉合，即為自偏壓共源極放大器。當(dāng)，有可以得到靜態(tài)工作點(diǎn)：、、電壓放大倍數(shù)輸入電阻輸出電阻

主編：徐麗香副主編：黎旺星張正蘭小海四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1．測(cè)量結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的可變電阻（1）按圖4.18接線。其中，為10~100mV，f=1000Hz的正弦波信號(hào)。（2）令，調(diào)節(jié)，使萬(wàn)用