第四章 場(chǎng)效應(yīng)管及其基本放大電路

第4章場(chǎng)效應(yīng)管及其

基本放大電路14.1引言場(chǎng)效應(yīng)管的優(yōu)點(diǎn)輸入阻抗高抗干擾能力強(qiáng)功耗小分類：結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管JFET

絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管IGFET又稱為MOSFETN溝道場(chǎng)效應(yīng)管

P溝道場(chǎng)效應(yīng)管24.2場(chǎng)效應(yīng)管4.2.1絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管種類：增強(qiáng)型（溝道從無(wú)到有）NP

耗盡型（溝道從有到無(wú)）NP3

1.結(jié)構(gòu)一、

N溝道增強(qiáng)型MOS管4

N溝道增強(qiáng)型MOS管的符號(hào)如上圖所示。左面的一個(gè)襯底在內(nèi)部與源極相連，右面的一個(gè)沒有連接，使用時(shí)需要在外部連接。N溝道增強(qiáng)型MOS管的符號(hào)5

2.N溝道增強(qiáng)型MOS管的工作原理

分兩個(gè)方面進(jìn)行討論：一是柵源電壓UGS對(duì)溝道產(chǎn)生的影響，從而對(duì)漏極電流ID產(chǎn)生影響；二是漏源電壓UDS對(duì)溝道產(chǎn)生影響，從而對(duì)漏極電流ID產(chǎn)生影響。6

令漏源電壓UDS=0，加入柵源電壓UGS以后并不斷增加。

UGS帶給柵極正電荷，將正對(duì)SiO2層表面下襯底中的空穴推走，從而形成負(fù)離子層，即耗盡層，用綠色的區(qū)域表示。

在柵極下的表層感生一定的電子電荷，從而在漏源之間可形成導(dǎo)電溝道，即反型層。反型層（1）柵源電壓UGS的控制作用柵源電壓的控制作用7

反型層形成后，此時(shí)若加上UDS

，就會(huì)有漏極電流ID產(chǎn)生。

當(dāng)UGS較小時(shí)，不能形成有效的溝道，盡管加有UDS

，也不能形成ID

。當(dāng)增加UGS，使ID剛剛出現(xiàn)時(shí)，對(duì)應(yīng)的UGS稱為開啟電壓，用UGS(th)或UT表示。

顯然改變UGS就會(huì)改變溝道，從而影響ID

，這說(shuō)明UGS對(duì)ID的控制作用。8

設(shè)UGS＞UGS(th)，增加UDS，此時(shí)溝道的變化如下。

漏源電壓也會(huì)對(duì)溝道產(chǎn)生影響，因?yàn)樵礃O和襯底相連接，所以加入U(xiǎn)DS后，UDS將從漏到源逐漸降落在溝道內(nèi)，漏極和襯底間反偏最大，PN結(jié)的寬度最大。所以加入U(xiǎn)DS后，在漏源之間會(huì)形成一個(gè)楔形的PN結(jié)區(qū)，從而影響溝道的導(dǎo)電性。

2.漏源電壓UDS的控制作用漏源電壓的控制作用9

當(dāng)UDS進(jìn)一步增加時(shí)，ID會(huì)不斷增加，同時(shí)，漏端的耗盡層上移，會(huì)在漏端出現(xiàn)夾斷，這種狀態(tài)稱為預(yù)夾斷。預(yù)夾斷

當(dāng)UDS進(jìn)一步增加時(shí)，漏端的耗盡層向源極伸展，此時(shí)ID基本不再增加，增加的UDS基本上降落在預(yù)夾斷區(qū)。漏源電壓的控制作用10OV2GS=UV3+V5.3+V4+DimA/15105uDS/V恒流區(qū).3.特性曲線（1）輸出特性曲線

當(dāng)UGS＞UGS(th)，且固定為某一值時(shí)，反映UDS對(duì)ID的影響，即iD=f(uDS)UGS=const這一關(guān)系曲線稱為漏極輸出特性曲線。曲線分五個(gè)區(qū)域：（1）可變電阻區(qū)（2）恒流區(qū)（放大區(qū)）（3）截止區(qū)（4）擊穿區(qū)（5）過(guò)損耗區(qū)可變電阻區(qū)截止區(qū)擊穿區(qū)過(guò)損耗區(qū)11（2）轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率gm反映了柵源電壓對(duì)漏極電流的控制作用。gm稱為跨導(dǎo)。單位mS（mA/V）OGSu4321/VDimA/4321UGS(th)10VDS=U12OV2GS=UV3+V5.3+V4+DimA/15105uDS/V恒流區(qū).從漏極輸出特性曲線可以得到轉(zhuǎn)移特性曲線，過(guò)程如下：OuGS4321/VDimA/4321UGS(th)13二、N溝道耗盡型MOSFETN溝道耗盡型管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)SiO2中摻入正離子符號(hào)：溝道連續(xù)工作原理：導(dǎo)電溝道存在溝道被削弱當(dāng)時(shí)，溝道消失溝道被增強(qiáng)

14

N溝道耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性曲線如右上圖所示。耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性曲線也可以用下式表示夾斷電壓IDSS

當(dāng)UGS=0時(shí)，對(duì)應(yīng)的漏極飽和電流用IDSS表示。當(dāng)UGS＞0時(shí)，將使ID進(jìn)一步增加。UGS＜0時(shí)，隨著UGS的減小漏極電流逐漸減小，直至ID=0。對(duì)應(yīng)ID=0的UGS稱為夾斷電壓，用符號(hào)UGS(off)表示，有時(shí)也用UP表示。耗盡型管的特性轉(zhuǎn)移特性15

三、P溝道MOS管NP+P+

P溝道MOS管的結(jié)構(gòu)與N溝道MOS管相同，只不過(guò)半導(dǎo)體的極性相反，電源電壓、偏置電壓的極性也相反。漏極電流的方向相反，夾斷電壓和開啟電壓的極性也相反。

襯底由P型改為N型；漏、源兩個(gè)電極的攙雜由N+改為P+。P溝道MOSFET的結(jié)構(gòu)增強(qiáng)型耗盡型16

場(chǎng)效應(yīng)三極管有二種結(jié)構(gòu)形式：

1.絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)----增強(qiáng)型耗盡型

2.結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(JFET)------只有耗盡型

4.2.2結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管171.結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)

JFET的結(jié)構(gòu)與MOSFET相似，工作機(jī)理則相同。

PN結(jié)N溝道18（1）柵源電壓對(duì)溝道的控制作用2.結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理

場(chǎng)效應(yīng)管是一種電壓控制電流源器件，它的漏極電流受柵源電壓UGS和漏源電壓UDS的雙重控制。

柵源電壓的控制作用UGS(off)19（2）漏源電壓對(duì)溝道的控制作用預(yù)加斷預(yù)加斷漏源電壓對(duì)溝道的控制作用20各種場(chǎng)效應(yīng)管符號(hào)和特性曲線比較場(chǎng)效應(yīng)管分類

2.結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管N溝道耗盡型

1.絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管P溝道耗盡型

增強(qiáng)型

耗盡型N溝道P溝道N溝道P溝道21

N溝道增強(qiáng)型MOS管，襯底箭頭向里。漏、襯底和源、開，表示零柵壓時(shí)溝道不通。

表示襯底在內(nèi)部沒有與源極連接。

N溝道耗盡型MOS管。漏、襯底和源不斷開表示零柵壓時(shí)溝道已經(jīng)連通。

N溝道結(jié)型MOS管。沒有絕緣層，只有耗盡型。如果是P溝道，箭頭則向外。場(chǎng)效應(yīng)管的符號(hào)22N溝道增強(qiáng)型MOSFET類型漏極輸出特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線P溝道增強(qiáng)型MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線23N溝道耗盡型MOSFETP溝道耗盡型MOSFET類型漏極輸出特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線24N溝道

JFET類型漏極輸出特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線P溝道

JFET25①開啟電壓UGS(th)(或UT)----開啟電壓是增強(qiáng)型MOS管的參數(shù)，柵源電壓小于開啟電壓的絕對(duì)值,場(chǎng)效應(yīng)管不導(dǎo)通。

②夾斷電壓UGS(off)(或UP)----夾斷電壓是耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管的參數(shù)，當(dāng)UGS=UGS(off)時(shí),漏極電流為零。

③飽和漏極電流IDSS----耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管,當(dāng)UGS=0時(shí)所對(duì)應(yīng)的漏極電流。1.直流參數(shù)

④輸入電阻RGS----場(chǎng)效應(yīng)三極管的柵源輸入電阻的典型值，對(duì)于結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管，反偏時(shí)RGS約大于107Ω，對(duì)于絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)三極管,RGS約是109～1015Ω。4.2.3FET的參數(shù)

⑤低頻跨導(dǎo)gm----低頻跨導(dǎo)反映了柵壓對(duì)漏極電流的控制作用，這一點(diǎn)與晶體管的控制作用相似。gm可以在轉(zhuǎn)移特性曲線上求取，單位是mS(毫西門子)。

⑥極間電容----場(chǎng)效應(yīng)晶體管的三個(gè)電極之間存在電容。一般Cgs和Cgd約為1~3pF，Cds約為0.1~1pF。2.交流參數(shù)273.極限流參數(shù)

⑦

最大漏極電流IDM----場(chǎng)效應(yīng)管正常工作時(shí)的漏極電流的上限值。

⑧

擊穿電壓U(BR)GS----結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管柵源之間所加的反向電壓使PN結(jié)擊穿的電壓值，或絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管的柵極絕緣層擊穿的電壓值。

⑩最大漏極功耗PDM----最大漏極功耗可由PDM=UDSID決定，與雙極型晶體管的PCM相當(dāng)。

⑨

擊穿電壓U(BR)DS----場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)入恒流區(qū)，uds的增加使iD驟然增加的漏源電壓值。28

4.場(chǎng)效應(yīng)晶體管的型號(hào)

場(chǎng)效應(yīng)三極管的型號(hào),現(xiàn)行有兩種命名方法。其一是與雙極型晶體管相同，第三位字母J代表結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，O代表絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管。第二位字母代表材料，D是P型硅，反型層是N溝道；C是N型硅P溝道。例如,3DJ6D是結(jié)型N溝道場(chǎng)效應(yīng)晶體管，3DO6C是絕緣柵型N溝道場(chǎng)效應(yīng)晶體管。

第二種命名方法是CS××#，CS代表場(chǎng)效應(yīng)管，××以數(shù)字代表型號(hào)的序號(hào)，#用字母代表同一型號(hào)中的不同規(guī)格。例如CS14A、CS45G等。29幾種常用的場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)見下表:

場(chǎng)效應(yīng)管的參數(shù)30總結(jié)：關(guān)于和的極性（1）N溝道P溝道（2）用作增強(qiáng)型和極性相同用作耗盡型（包括結(jié)型FET）和極性相反（3）若正確錯(cuò)了相當(dāng)于電阻2.工作在恒流區(qū)的條件314.2.4BJT和FET的比較BJT：CCCS內(nèi)阻小雙極型熱穩(wěn)定性差功耗大不易集成響應(yīng)速度快FET：VCCS內(nèi)阻大單極型熱穩(wěn)定性好功耗小易于集成響應(yīng)速度慢32

場(chǎng)效應(yīng)晶體管放大電路的三種組態(tài)場(chǎng)效應(yīng)晶體管有三種不同的組態(tài)(或稱為三種接法)：共源極組態(tài)，與共發(fā)射極組態(tài)對(duì)應(yīng)；共漏極組態(tài)，與共集電極組態(tài)對(duì)應(yīng)；共柵極組態(tài)，與共基極組態(tài)對(duì)應(yīng)。(a)共源組態(tài)(b)共漏組態(tài)(c)共柵組態(tài)場(chǎng)效應(yīng)放大電路的三種組態(tài)4.3FET基本放大電路33靜態(tài)工作點(diǎn)偏置到具有線性特性的恒流區(qū)場(chǎng)效應(yīng)管是電壓偏置區(qū)分靜態(tài)和動(dòng)態(tài)，區(qū)分直流通路和交流通路在進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析之前，也需要先進(jìn)行靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算場(chǎng)效應(yīng)晶體管放大電路設(shè)置偏置的原則34

具體的偏置電路形式：場(chǎng)效應(yīng)晶體管放大電路的電壓偏置有兩種形式，分壓偏置和自給柵偏壓。

對(duì)于不同類型的場(chǎng)效應(yīng)管：

對(duì)于MOS增強(qiáng)型N溝道管放大電路，UGS>0，UGS<0截止;

對(duì)于MOS增強(qiáng)型P溝道管放大電路，UGS<0，UGS>0截止。

對(duì)于MOS耗盡型N溝道管放大電路，UGS<0，也可UGS>0;

對(duì)于MOS耗盡型P溝道管放大電路，UGS>0，也可UGS<0。對(duì)于結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管放大電路，N溝道管放大電路為UGS<0；P溝道管放大電路為UGS>0。35

場(chǎng)效應(yīng)管放大電路分壓偏置分壓偏置電路(b)采用耗盡型管(a)采用增強(qiáng)型管由于沒有柵流，柵極電位僅由Rg1和Rg2分壓確定，所以分壓偏置既可以得到正偏壓，又可以得到負(fù)偏壓。對(duì)于圖

(a)也可以采用結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管。36

場(chǎng)效應(yīng)管放大電路自給柵偏壓自給柵偏壓自給偏壓場(chǎng)效應(yīng)管放大電路如圖所示。該電路因?yàn)闁帕鞯扔?，所以，柵極電位等于0。所以只能N溝道管建立負(fù)偏壓；P溝道管建立正偏壓。所以圖示電路UG=0VUS=IDR

UGSQ=-IDQR37

4.3.1

共源放大電路N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管分壓偏置電路一、靜態(tài)分析——1.分壓偏置電路結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管和耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管38

因IDQ是二次方程，需要從中確定一個(gè)合理的解。一般可根據(jù)靜態(tài)工作點(diǎn)是否合理，柵源電壓是否超出了夾斷電壓，漏源電壓是否進(jìn)入飽和區(qū)等情況來(lái)確定。注意以上計(jì)算是針對(duì)由耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的放大電路，若放大電路采用的是增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管，則應(yīng)采用下式計(jì)算漏極電流式中：IDO是uGS=2UGS(th)

時(shí)所對(duì)應(yīng)的iD。N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管分壓偏置電路39自給偏壓共源組態(tài)場(chǎng)效應(yīng)管放大電路如圖所示。建立正確的偏壓就是建立正確的靜態(tài)工作點(diǎn)，圖示電路中的場(chǎng)效應(yīng)管應(yīng)該采用N溝道JFET。因?yàn)闁帕鞯扔?，所以UG=0V、US=IDR，UGSQ=-IDQR

。根據(jù)場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性曲線，靜態(tài)工作點(diǎn)Q應(yīng)位于第二象限。漏極電流自給偏壓共源放大電路管壓降

UDSQ=VDD－IDQ(Rd+R)ID一、靜態(tài)分析——2.自給偏壓電路40

與雙極型晶體管一樣，可以用一個(gè)線性模型來(lái)代替場(chǎng)效應(yīng)管，條件仍然是工作在恒流區(qū)，或是微變信號(hào)。與雙極型晶體管相比，因?yàn)閳?chǎng)效應(yīng)管的柵源之間的輸入電阻十分大，可視為開路。輸出回路是一個(gè)受控源，即電壓控制電流源VCCS，大小是。電流源還并聯(lián)了一個(gè)輸出電阻rds，在雙極型晶體管的簡(jiǎn)化模型中，因輸出電阻rce>>RL可視為開路，在此對(duì)于rds也應(yīng)根據(jù)具體情況決定取舍。場(chǎng)效應(yīng)管h參數(shù)等效電路

場(chǎng)效應(yīng)管簡(jiǎn)化的微變等效電路如圖所示，這個(gè)模型也僅適用低頻和中頻頻段。開路VCCS二、動(dòng)態(tài)分析——1.FET的微變等效電路41根據(jù)微變等效電路進(jìn)行求解h參數(shù)中頻微變等效電路因，所以式中R'L=rds//Rd//RL。如果有信號(hào)源內(nèi)阻Rs時(shí)，源電壓增益為Ri為輸入電阻2.動(dòng)態(tài)分析——（1）電壓放大倍數(shù)rds42（2）輸入電阻h參數(shù)中頻微變等效電路根據(jù)微變等效電路，有場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有輸入電阻高的特點(diǎn)，但是由于偏置電阻并聯(lián)的影響，其輸入電阻并不一定高。采用圖示電路可以提高場(chǎng)效應(yīng)管放大電路的輸入電阻。43

圖a)電路的柵極分壓電阻Rg1和Rg2經(jīng)過(guò)一個(gè)較大的電阻Rg接到柵極，因柵流等于0，Rg的串入不影響柵極電位。而交流信號(hào)則經(jīng)過(guò)耦合電容器直接接到柵極，它的微變等效電路如圖b)所示。圖a)共源放大電路圖b)微變等效電路由微變等效電路可知SD++--rdRLdI&oU&gsU&G-+Rg1Rg2RgiU&mgRd44

（3）輸出電阻

根據(jù)輸出電阻的定義，令源電壓等于0，負(fù)載電阻開路，并在輸出端加一個(gè)測(cè)試電源，可得求輸出電阻的微變等效電路，如圖b）所示。此時(shí)受控源相當(dāng)開路。然后計(jì)算輸出電阻，于是=

rds∥Rd

圖a）共源放大電路圖b）求輸出電阻的微變電路45由以上分析可知，共源組態(tài)放大電路與共射組態(tài)放大電路有相同的基本特點(diǎn)：１.電壓放大倍數(shù)較大。２.輸出電壓的相位與輸入電壓的相位相反。

3.共源組態(tài)放大電路的輸入電阻由偏置電路決定，采用一定的偏置電路方式可以獲得高的輸入電阻，這一點(diǎn)與共射組態(tài)放大電路有所不同。共源放大電路的特點(diǎn)４.共源組態(tài)放大電路的輸出電阻近似等于漏極負(fù)載電阻。46講解例題：例4