場效應(yīng)管放大電路

5/11/2023生產(chǎn)計劃部場效應(yīng)管放大電路引言：

1.場效應(yīng)管的特點

(1)它是利用改變外加電壓產(chǎn)生的電場強度來控制其導(dǎo)電能力的半導(dǎo)體器件。

(2)它具有雙極型三極管的體積小、重量輕、耗電少、壽命長等優(yōu)點，

(3)還具有輸入電阻高、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強、噪聲低、制造工藝簡單、便于集成等特點。

(4)在大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路中得到了廣泛的應(yīng)用。

22.場效應(yīng)管的分類根據(jù)結(jié)構(gòu)和工作原理的不同，場效應(yīng)管可分為兩大類：

(1)結(jié)型場效應(yīng)管(JFET)(2)絕緣柵型場效應(yīng)管(IGFET)。

3.本章內(nèi)容

(1)結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)、工作原理、特性曲線和主要參數(shù)

(2)絕緣柵型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)、工作原理、特性曲線和主要參數(shù)

(3)場效應(yīng)管放大電路。34.1結(jié)型場效應(yīng)管

1．結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)

結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。在一塊N型半導(dǎo)體材料的兩邊各擴散一個高雜質(zhì)濃度的P+區(qū),就形成兩個不對稱的P+N結(jié)，即耗盡層。把兩個P+區(qū)并聯(lián)在一起，引出一個電極g，稱為柵極，在N型半導(dǎo)體的兩端各引出一個電極，分別稱為源極s和漏極d。4場效應(yīng)管的與三極管的三個電極的對應(yīng)關(guān)系：柵極g--基極b源極s--發(fā)射極e漏極d--集電極c夾在兩個P+N結(jié)中間的區(qū)域稱為導(dǎo)電溝道（簡稱溝道）。圖1(a)所示的管子的N區(qū)是電流的通道，稱為N溝道結(jié)型場效應(yīng)管。

56N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的電路符號如圖1(b)所示。其中，柵極上的箭頭表示柵極電流的方向（由P區(qū)指向N區(qū)）。

由結(jié)型場效應(yīng)管代表符號中柵極上的箭頭方向，可以確認溝道的類型。N溝道JFET的結(jié)構(gòu)剖面圖如圖所示

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圖中襯底和頂部的中間都是P+型半導(dǎo)體，它們連接在一起（圖中未畫出）作為柵極g。兩個N+區(qū)分別作為源極s和漏極d。三個電極s、g、d分別由不同的鋁接觸層引出。如果在一塊P型半導(dǎo)體的兩邊各擴散一個高雜質(zhì)濃度的N+區(qū)，就可以制成一個P溝道的結(jié)型場效應(yīng)管。P溝道結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖和它在電路中的代表符號如圖所示。

9102.結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理

N溝道和P溝道結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理完全相同，現(xiàn)以N溝道結(jié)型場效應(yīng)管為例，分析其工作原理。N溝道結(jié)型場效應(yīng)管工作時，需要外加如圖4所示的偏置電壓.

1112偏置電壓的要求：1.柵-源極間加一負電壓(vGS＜0)作用：使柵-源極間的P+N結(jié)反偏，柵極電流iG≈0，場效應(yīng)管呈現(xiàn)很高的輸入電阻(高達108W左右)。2.漏-源極間加一正電壓(vDS＞0)作用：使N溝道中的多數(shù)載流子電子在電場作用下由源極向漏極作漂移運動，形成漏極電流iD。在上述兩個電源的作用下,iD的大小主要受柵-源電壓vGS控制，同時也受漏-源電壓vDS的影響。因此，討論場效應(yīng)管的工作原理就是：（1）討論柵-源電壓vGS對漏極電流iD（或溝道電阻）的控制作用（2）討論漏-源電壓vDS對漏極電流iD的影響。

13(1)．vGS對iD的控制作用圖5所示電路說明了vGS對溝道電阻的控制作用。為便于討論，先假設(shè)漏-源極間所加的電壓vDS=0。(a)當vGS=0時，溝道較寬，其電阻較小，如圖5(a)所示。(b)當vGS<0，且其大小增加時，在這個反偏電壓的作用下，兩個P+N結(jié)耗盡層將加寬。由于N區(qū)摻雜濃度小于P+區(qū)，因此，隨著|vGS|的增加，耗盡層將主要向N溝道中擴展，使溝道變窄，溝道電阻增大，如圖5(b)所示。14當|vGS|進一步增大到一定值|VP|時，兩側(cè)的耗盡層將在溝道中央合攏，溝道全部被夾斷，如圖2(c)所示。由于耗盡層中沒有載流子，因此這時漏-源極間的電阻將趨于無窮大，即使加上一定的電壓vDS，漏極電流iD也將為零。這時的柵-源電壓vGS稱為夾斷電壓，用VP表示。如圖5(c)所示。

上述分析表明:15(a)改變柵源電壓vGS的大小，可以有效地控制溝道電阻的大小。(b)若同時在漏源-極間加上固定的正向電壓vDS，則漏極電流iD將受vGS的控制，|vGS|增大時，溝道電阻增大，iD減小。(c)上述效應(yīng)也可以看作是柵-源極間的偏置電壓在溝道兩邊建立了電場，電場強度的大小控制了溝道的寬度，即控制了溝道電阻的大小，從而控制了漏極電流iD的大小。16(2)．vDS對iD的影響設(shè)vGS值固定，且VP<vGS<0。(a)當漏-源電壓vDS從零開始增大時，溝道中有電流iD流過。(b)在vDS的作用下,導(dǎo)電溝道呈楔形由于溝道存在一定的電阻，因此，iD沿溝道產(chǎn)生的電壓降使溝道內(nèi)各點的電位不再相等，漏極端電位最高，源極端電位最低。這就使柵極與溝道內(nèi)各點間的電位差不再相等，其絕對值沿溝道從漏極到源極逐漸減小，在漏極端最大(為|vGD|)，即加到該處P+N結(jié)上的反偏電壓最大，這使得溝道兩側(cè)的耗盡層從源極到漏極逐漸加寬，溝道寬度不再均勻，而呈楔形，如圖6(a)所示。

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圖5VGS對溝道電阻的控制作用

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6V6V0V2V4V

導(dǎo)電溝道中電位分布情況

圖6vDS對iD的影響

20(c)在vDS較小時，iD隨vDS增加而幾乎呈線性地增加它對iD的影響應(yīng)從兩個角度來分析：一方面vDS增加時，溝道的電場強度增大，iD隨著增加；另一方面，隨著vDS的增加，溝道的不均勻性增大，即溝道電阻增加，iD應(yīng)該下降，但是在vDS較小時，溝道的不均勻性不明顯，在漏極附近的區(qū)域內(nèi)溝道仍然較寬，即vDS對溝道電阻影響不大，故iD隨vDS增加而幾乎呈線性地增加。隨著vDS的進一步增加，靠近漏極一端的P+N結(jié)上承受的反向電壓增大，這里的耗盡層相應(yīng)變寬，溝道電阻相應(yīng)增加，iD隨vDS上升的速度趨緩。21(d)當vDS增加到vDS=vGS-VP，即vGD=vGS-vDS=VP(夾斷電壓)時，溝道預(yù)夾斷此時,漏極附近的耗盡層即在A點處合攏，如圖6(b)所示，這種狀態(tài)稱為預(yù)夾斷。與前面講過的整個溝道全被夾斷不同，預(yù)夾斷后，漏極電流iD≠0。因為這時溝道仍然存在，溝道內(nèi)的電場仍能使多數(shù)載流子(電子)作漂移運動，并被強電場拉向漏極。

22(e)若vDS繼續(xù)增加，使vDS＞vGS－VP,即vGD＜VP時，耗盡層合攏部分會有增加，即自A點向源極方向延伸，如圖6(c)，夾斷區(qū)的電阻越來越大，但漏極電流iD不隨vDS的增加而增加,基本上趨于飽和，因為這時夾斷區(qū)電阻很大，vDS的增加量主要降落在夾斷區(qū)電阻上，溝道電場強度增加不多，因而iD基本不變。但當vDS增加到大于某一極限值(用V(BR)DS表示)后，漏極一端P+N結(jié)上反向電壓將使P+N結(jié)發(fā)生雪崩擊穿，iD會急劇增加，正常工作時vDS不能超過V(BR)DS。

23從結(jié)型場效應(yīng)管正常工作時的原理可知：①

結(jié)型場效應(yīng)管柵極與溝道之間的P+N結(jié)是反向偏置的，因此，柵極電流iG≈0，輸入阻抗很高。②

漏極電流受柵-源電壓vGS控制，所以場效應(yīng)管是電壓控制電流器件。③

預(yù)夾斷前，即vDS較小時，iD與vDS間基本呈線性關(guān)系；預(yù)夾斷后，iD趨于飽和。P溝道結(jié)型場效應(yīng)管工作時，電源的極性與N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的電源極性相反。

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3.結(jié)型場效應(yīng)管的特性曲線

由于結(jié)型場效應(yīng)管的柵極輸入電流iG≈0，因此很少應(yīng)用輸入特性曲線，常用的特性曲線有輸出特性曲線和轉(zhuǎn)移特性曲線。

(1)輸出特性曲線輸出特性曲線用來描述vGS取一定值時，電流iD和電壓vDS間的關(guān)系，即它反映了漏-源電壓vDS對iD的影響。

N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的輸出特性曲線如圖7所示

25結(jié)型場效應(yīng)管的工作狀態(tài)可劃分為四個區(qū)域。(a)可變電阻區(qū)可變電阻區(qū)位于輸出特性曲線的起始部分，它表示vDS較小、管子預(yù)夾斷前，電壓vDS與漏極電流iD間的關(guān)系。26在此區(qū)域內(nèi)有VP＜vGS≤0，vDS＜vGS－VP。當vGS一定，vDS較小時，vDS對溝道影響不大，溝道電阻基本不變，iD與vDS之間基本呈線性關(guān)系。若|vGS|增加，則溝道電阻增大，輸出特性曲線斜率減小。所以，在vDS較小時，源-漏極間可以看作是一個受vGS控制的可變電阻，故稱這一區(qū)域為可變電阻區(qū)。這一特點常使結(jié)型場效應(yīng)管被作為壓控電阻而廣泛應(yīng)用。

27(b)飽和區(qū)(恒流區(qū)、線性放大區(qū))當VP＜vGS≤0且vDS≥vGS－VP時，N溝道結(jié)型場效應(yīng)管進入飽和區(qū)，即圖中特性曲線近似水平的部分。它表示管子預(yù)夾斷后，電壓vDS與漏極電流iD間的關(guān)系。飽和區(qū)的特點是iD幾乎不隨vDS的變化而變化，iD已趨于飽和，但它受vGS的控制。增加，溝道電阻增加，iD減小。場效應(yīng)管作線性放大器件用時，就工作在飽和區(qū)。圖1中左邊的虛線是可變電阻區(qū)與飽和區(qū)的分界線，是結(jié)型場效應(yīng)管的預(yù)夾斷點（vDS=vGS-VP）的軌跡。顯然，預(yù)夾斷點隨vGS改變而變化，vGS愈負，預(yù)夾斷時的vDS越小。

28(c)擊穿區(qū)管子預(yù)夾斷后，若vDS繼續(xù)增大，當柵-漏極間P+N結(jié)上的反偏電壓vGD增大到使P+N結(jié)發(fā)生擊穿時，iD將急劇上升，特性曲線進入擊穿區(qū)。管子被擊穿后再不能正常工作。

(d)截止區(qū)(又稱夾斷區(qū))當柵-源電壓∣vGS∣>Vp

時，溝道全部被夾斷，iD≈0，這時場效應(yīng)管處于截止狀態(tài)。截止區(qū)處于輸出特性曲線圖的橫座標軸附近(圖1中未標注)。

29（2）轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線用來描述vDS取一定值時，iD與vGS間的關(guān)系的曲線，即:由于轉(zhuǎn)移特性和輸出特性都是用來描述vGS、vDS及iD間的關(guān)系的，所以轉(zhuǎn)移特性曲線可以根據(jù)輸出特性曲線繪出。作法如下：在圖7所示的輸出特性中作一條vDS=10V的垂線，將此垂線與各條輸出特性曲線的交點A、B和C所對應(yīng)的iD、vGS的值轉(zhuǎn)移到iD-vGS直角坐標系中，即可得到轉(zhuǎn)移特性曲線，如圖8(a)所示。改變vDS的大小，可得到一族轉(zhuǎn)移特性曲線，如圖8(b)所示。它反映了柵-源電壓vGS對iD的控制作用。

30(VP＜vGS≤0)式中IDSS為vGS=0，vDS≥0時的漏極電流，稱為飽和漏極電流。

由此圖可以看出，當vDS≥（圖中為vDS≥5V）后，不同vDS下的轉(zhuǎn)移特性曲線幾乎重合，這是因為在飽和區(qū)內(nèi)iD幾乎不隨vDS而變。因此可用一條轉(zhuǎn)移特性曲線來表示飽和區(qū)中iD與vGS的關(guān)系。在飽和區(qū)內(nèi)iD可近似地表示為

314.結(jié)型場效應(yīng)管主要參數(shù)

(1).夾斷電壓VP當vDS為某一固定值(例如10V)，使iD等于某一微小電流(例如50mA)時，柵-源極間所加的電壓即夾斷電壓。(2).飽和漏極電流IDSS在vGS=0的條件下，場效應(yīng)管發(fā)生預(yù)夾斷時的漏極電流。IDSS是結(jié)型場效管管子所能輸出的最大電流。32(3).直流輸入電阻RGS它是在漏-源極間短路的條件下，柵-源極間加一定電壓時，柵-源極間的直流電阻。(4).低頻跨導(dǎo)gm當vDS為常數(shù)時，漏極電流的微小變化量與柵-源電壓vGS的微小變化量之比為跨導(dǎo)，即

33gm反映了柵-源電壓對漏極電流的控制能力，是表征場效應(yīng)管放大能力的一個重要參數(shù)。單位為西門子(s)，有時也用ms或?s表示。需要指出的是，gm與管子的工作電流有關(guān)，iD越大，gm就越大。在放大電路中，場效應(yīng)管工作在飽和區(qū)(恒流區(qū))，gm可由式和求得，即

344.3金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管

結(jié)型場效應(yīng)管的輸入電阻雖然可達106～109W，但在要求輸入電阻更高的場合，還是不能滿足要求。本節(jié)介紹的金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管（MOSFET）具有更高的輸入電阻，可1015歐姆。并具有是制造工藝簡單、適于集成電路的優(yōu)點。MOS管也有N溝道和P溝道之分，而且每一類又分為增強型和耗盡型兩種。增強型MOS管在vGS=0時，沒有導(dǎo)電溝道存在。而耗盡型MOS管在vGS=0時，就有導(dǎo)電溝道存在。

35引出兩個電極，分別作漏極d和源極s。然后在半導(dǎo)體表面復(fù)蓋一層很薄的二氧化硅(SiO2)絕緣層，在漏-源極間的絕緣層上再裝上一個鋁電極,作為柵極g。在襯底上也引出一個電極B，這就構(gòu)成了一個N溝道增強型MOS管。MOS管的源極和襯底通常是接在一起的(大多數(shù)管子在出廠前已連接好)。它的柵極與其它電極間是絕緣的。圖1(a)、(b)分別是它的結(jié)構(gòu)示意圖和代表符號。代表符號中的箭頭方向表示由P(襯底)指向N(溝道)。P溝道增強型MOS管的箭頭方向與上述相反，如圖1(c)所示。在一塊摻雜濃度較低的P型硅襯底上，制作兩個高摻雜濃度的N+區(qū)，并用金屬鋁4.3.1N溝道增強型MOS管的結(jié)構(gòu)

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圖1MOS管的結(jié)構(gòu)

37N溝道增強型MOS管的工作原理1．vGS對iD及溝道的控制作用

38圖2vGS對iD及溝道的控制作用

39（1）vGS=0的情況從圖1(a)看出，增強型MOS管的漏極d和源極s之間有兩個背靠背的PN結(jié)。當柵-源電壓vGS=0時，即使加上漏-源電壓vDS，而且不論vDS的極性如何，總有一個PN結(jié)處于反偏狀態(tài)，漏-源極間沒有導(dǎo)電溝道，所以這時漏極電流iD≈0。

（2）vGS>0的情況若vGS＞0，則柵極和襯底之間的SiO2絕緣層中便產(chǎn)生一個電場。電場方向：垂直于半導(dǎo)體表面的由柵極指向襯底的電場。電場的作用：這個電場能排斥空穴而吸引電子。排斥空穴：使柵極附近的P型襯底中的空穴被排斥，剩下不能移動的受主離子(負離子)，形成耗盡層。40吸引電子：將P型襯底中的電子（少子）被吸引到襯底表面。導(dǎo)電溝道的形成：當vGS數(shù)值較小，吸引電子的能力不強時，漏-源極之間仍無導(dǎo)電溝道出現(xiàn)，如圖1(b)所示。vGS增加時，吸引到P襯底表面層的電子就增多，當vGS達到某一數(shù)值時，這些電子在柵極附近的P襯底表面便形成一個N型薄層，且與兩個N+區(qū)相連通，在漏-源極間形成N型導(dǎo)電溝道，其導(dǎo)電類型與P襯底相反，故又稱為反型層，如圖1(c)所示。vGS越大，作用于半導(dǎo)體表面的電場就越強，吸引到P襯底表面的電子就越多，導(dǎo)電溝道越厚，溝道電阻越小。41開始形成溝道時的柵-源極電壓稱為開啟電壓，用VT表示。結(jié)論：上面討論的N溝道MOS管在vGS＜VT時，不能形成導(dǎo)電溝道，管子處于截止狀態(tài)。只有當vGS≥VT時，才有溝道形成。這種必須在vGS≥VT時才能形成導(dǎo)電溝道的MOS管稱為增強型MOS管。溝道形成以后，在漏-源極間加上正向電壓vDS，就有漏極電流產(chǎn)生。2．vDS對iD的影響

42圖2vDS對iD的影響43

如圖2(a)所示，當vGS>VT且為一確定值時，漏-源電壓vDS對導(dǎo)電溝道及電流iD的影響與結(jié)型場效應(yīng)管相似。漏極電流iD沿溝道產(chǎn)生的電壓降使溝道內(nèi)各點與柵極間的電壓不再相等，靠近源極一端的電壓最大，這里溝道最厚，而漏極一端電壓最小，其值為vGD=vGS-vDS，因而這里溝道最薄。但當vDS較?。╲DS<vGS–VT）時，它對溝道的影響不大，這時只要vGS一定，溝道電阻幾乎也是一定的，所以iD隨vDS近似呈線性變化。隨著vDS的增大，靠近漏極的溝道越來越薄，當vDS增加到使vGD=vGS-vDS=VT(或vDS=vGS-VT)時，溝道在漏極一端出現(xiàn)預(yù)夾斷，如圖2(b)所示。44(1)輸出特性曲線N溝道增強型MOS管的輸出特性曲線如圖1(a)所示。與結(jié)型場效應(yīng)管一樣,其輸出特性曲線也可分為可變電阻區(qū)、飽和區(qū)、截止區(qū)和擊穿區(qū)幾部分。1．特性曲線和電流方程

4.3.2N溝道增強型MOS管的特性曲線、電流方程及參數(shù)

再繼續(xù)增大vDS，夾斷點將向源極方向移動，如圖2(c)所示。由于vDS的增加部分幾乎全部降落在夾斷區(qū)，故iD幾乎不隨vDS增大而增加，管子進入飽和區(qū)，iD幾乎僅由vGS決定.45(2)轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線如圖1(b)所示,由于場效應(yīng)管作放大器件使用時是工作在飽和區(qū)(恒流區(qū)),此時iD幾乎不隨vDS而變化,即不同的vDS所對應(yīng)的轉(zhuǎn)移特性曲線幾乎是重合的,所以可用vDS大于某一數(shù)值(vDS＞vGS-VT)后的一條轉(zhuǎn)移特性曲線代替飽和區(qū)的所有轉(zhuǎn)移特性曲線.

(1)

iD與vGS的近似關(guān)系與結(jié)型場效應(yīng)管相類似。在飽和區(qū)內(nèi),iD與vGS的近似關(guān)系式為

46式中IDO是vGS=2VT時的漏極電流iD。2.參數(shù)MOS管的主要參數(shù)與結(jié)型場效應(yīng)管基本相同，只是增強型MOS管中不用夾斷電壓VP，而用開啟電壓VT表征管子的特性。4.3.3N溝道耗盡型MOS管

471.基本結(jié)構(gòu)

圖１（a）N溝道耗盡型MOS管的基本結(jié)構(gòu)（b）P溝道管的符號（c）N溝道管的符號

結(jié)構(gòu)：N溝道耗盡型MOS管與N溝道增強型MOS管基本相似。區(qū)別：耗盡型MOS管在vGS=0時，漏－源極間已有導(dǎo)電溝道產(chǎn)生增強型MOS管要在vGS≥VT時才出現(xiàn)導(dǎo)電溝道。

48原因：制造N溝道耗盡型MOS管時，在SiO2絕緣層中摻入了大量的堿金屬正離子Na+或K+(制造P溝道耗盡型MOS管時摻入負離子)，如圖1(a)所示，因此即使vGS=0時，在這些正離子產(chǎn)生的電場作用下，漏－源極間的P型襯底表面也能感應(yīng)生成N溝道(稱為初始溝道)，只要加上正向電壓vDS，就有電流iD。如果加上正的vGS，柵極與N溝道間的電場將在溝道中吸引來更多的電子，溝道加寬，溝道電阻變小，iD增大。反之vGS為負時，溝道中感應(yīng)的電子減少，溝道變窄，溝道電阻變大，iD減小。當vGS負向增加到某一數(shù)值時，導(dǎo)電溝道消失，iD趨于零，管子截止，故稱為耗盡型。49溝道消失時的柵-源電壓稱為夾斷電壓，仍用VP表示。與N溝道結(jié)型場效應(yīng)管相同，N溝道耗盡型MOS管的夾斷電壓VP也為負值，但是，前者只能在vGS<0的情況下工作。而后者在vGS=0，vGS>0，VP<vGS<0的情況下均能實現(xiàn)對iD的控制，而且仍能保持柵-源極間有很大的絕緣電阻,使柵極電流為零。這是耗盡型MOS管的一個重要特點。圖1(b)、(c)分別是N溝道和P溝道耗盡型MOS管的代表符號

50（2）電流方程在飽和區(qū)內(nèi)，耗盡型MOS管的電流方程與結(jié)型場效應(yīng)管的電流方程相同，即4.3.4各種場效應(yīng)管特性比較各類FET的特性如下表所示

5152534.3.5使用場效應(yīng)管的注意事項

1．從場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)上看，其源極和漏極是對稱的，因此源極和漏極可以互換。但有些場效應(yīng)管在制造時已將襯底引線與源極連在一起，這種場效應(yīng)管的源極和漏極就不能互換了。542．場效應(yīng)管各極間電壓的極性應(yīng)正確接入，結(jié)型場效應(yīng)管的柵-源電壓vGS的極性不能接反。3．當MOS管的襯底引線單獨引出時，應(yīng)將其接到電路中的電位最低點（對N溝道MOS管而言）或電位最高點（對P溝道MOS管而言），以保證溝道與襯底間的PN結(jié)處于反向偏置，使襯底與溝道及各電極隔離。4．MOS管的柵極是絕緣的，感應(yīng)電荷不易泄放，而且絕緣層很薄，極易擊穿。所以柵極不能開路，存放時應(yīng)將各電極短路。焊接時，電烙鐵必須可靠接地，或者斷電利用烙鐵余熱焊接，并注意對交流電場的屏蔽。

554.3.6場效應(yīng)管與三極管的性能比較

1．場效應(yīng)管的源極s、柵極g、漏極d分別對應(yīng)于三極管的發(fā)射極e、基極b、集電極c，它們的作用相似。2．場效應(yīng)管是電壓控制電流器件，由vGS控制iD，其放大系數(shù)gm一般較小，因此場效應(yīng)管的放大能力較差；三極管是電流控制電流器件，由iB（或iE）控制iC。3．場效應(yīng)管柵極幾乎不取電流（ig?0）；而三極管工作時基極總要吸取一定的電流。因此場效應(yīng)管的輸入電阻比三極管的輸入電阻高。4．場效應(yīng)管只有多子參與導(dǎo)電；三極管有多子和少子兩種載流子參與導(dǎo)電，因少子濃度受溫度、輻射等因素影響較大，所以場效應(yīng)管比三極管的溫度穩(wěn)定性好、抗輻射能力強。在環(huán)境條件（溫度等）變化很大的情況下應(yīng)選用場效應(yīng)管。565．場效應(yīng)管在源極未與襯底連在一起時，源極和漏極可以互換使用，且特性變化不大；而三極管的集電極與發(fā)射極互換使用時，其特性差異很大，b值將減小很多。6．場效應(yīng)管的噪聲系數(shù)很小，在低噪聲放大電路的輸入級及要求信噪比較高的電路中要選用場效應(yīng)管。7．場效應(yīng)管和三極管均可組成各種放大電路和開關(guān)電路，但由于前者制造工藝簡單，且具有耗電少，熱穩(wěn)定性好，工作電源電壓范圍寬等優(yōu)點，因而被廣泛用于大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路中。

574.4場電路的直流偏置電路效應(yīng)管放大由場效應(yīng)管組成放大電路時，也要建立合適的靜態(tài)工作點Q，而且場效應(yīng)管是電壓控制器件，因此需要有合適的柵-源偏置電壓。常用的直流偏置電路有兩種形式，即自偏壓電路和分壓式自偏壓電路。

1.自偏壓電路1.1效應(yīng)管放大器的自偏壓電路58場效應(yīng)管放大器的自偏壓電路如圖1(a)所示。其中場效應(yīng)管的柵極通過電阻Rg接地，源極通過電阻R接地。

圖1場效應(yīng)管放大器的自偏壓電路

591.2工作原理這種偏置方式靠漏極電流ID在源極電阻R上產(chǎn)生的電壓為柵-源極間提供一個偏置電壓VGS，故稱為自偏壓電路。靜態(tài)時，源極電位VS=IDR。由于柵極電流為零，Rg上沒有電壓降，柵極電位VG=0，所以柵源偏置電壓VGS=VG–VS=–IDR。耗盡型MOS管也可采用這種形式的偏置電路。圖1(b)所示電路是自偏壓電路的特例，其中VGS=0。顯然，這種偏置電路只適用于耗盡型MOS管，因為在柵源電壓大于零、等于零和小于零的一定范圍內(nèi)，耗盡型MOS管均能正常工作。增強型MOS管只有在柵-源電壓達到其開啟電壓VT時，才有漏極電流ID產(chǎn)生，因此圖1所示的自偏壓電路增強型MOS管。

602．分壓式偏置電路2.1電路分壓式偏置電路是在自偏壓電路的基礎(chǔ)上加接分壓電路后構(gòu)成的，如圖2所示。

圖2

611.2工作原理靜態(tài)時，由于柵極電流為零，Rg3上沒有電壓降，所以柵極電位由Rg2與Rg1對電源VDD分壓得到，即源極電位VS=IDR，因此柵源直流偏置電壓VGS=VG-VS

。這種偏置方式同樣適用于結(jié)型場效應(yīng)管或耗盡型MOS管組成的放大電路。

622.場效應(yīng)管放大電路的靜態(tài)分析

2.1估算法求靜態(tài)工作點

對場效應(yīng)管放大電路的靜態(tài)分析也可以采用圖解法或公式估算法，圖解法的步驟與雙極型三極管放大電路的圖解法相似。這里僅討論用公式估算法求靜態(tài)工作點。工作在飽和區(qū)時，結(jié)型場效應(yīng)管和耗盡型MOS管的漏極電流

63求靜態(tài)工作點時，對于圖1(a)所示的自偏壓電路，可求解方程組

增強型MOS管的漏極電流

64得到ID和VGS。管壓降

對于圖2所示電路，可求解方程組

65得到ID和VGS。管壓降VDS=VDD–ID(Rd+R)圖一圖二66

3.場效應(yīng)管的小型號模型3.1場效應(yīng)管的端口伏安關(guān)系

場效應(yīng)管也是非線性器件，在輸入信號電壓很小的條件下，也可將其用小信號模型等效。與建立雙極型三極管小信號模型相似，將場效應(yīng)管也看成一個兩端口網(wǎng)絡(luò)，以結(jié)型場效應(yīng)管為例，柵極與源極之間為輸入端口，漏極與源極之間為輸出端口，如圖1（a）所示。

(1)輸入端口無論是哪種類型的場效應(yīng)管，均可以認為柵極電流為零，輸入端口視為開路（即視），柵-源極間只有電壓存在。

(2)輸出端口在輸出端口，漏極電流iD是vGS和vDS的函數(shù)，即

67在介紹場效應(yīng)管參數(shù)時已經(jīng)講過

研究電壓、電流間的微變關(guān)系時，要用全微分表示，即

68稱為低頻跨導(dǎo)，表征vGS對iD的控制能力。

（rd為場效應(yīng)管的輸出電阻），表明vDS對iD的影響程度。

分別用gm和代入did的表達式，則得

69結(jié)論：由此式可見，場效應(yīng)管的輸出端口可用一個電流源gmvgs和輸出電阻rd的并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)等效。電流源gmvgs是受電壓vgs控制的，稱為壓控電流源，其方向由vgs的極性決定。

當輸入信號為幅值較小的正弦波信號，管子的電壓、電流只在Q點附近變化時，上式中的diD、dvGS、diDS可用電流、電壓的交流分量代替，于是得到

703.2場效應(yīng)管的低頻小信號模型

在低頻小信號條件下，場效應(yīng)管可用圖1(b)所示的模型等效。圖1(c)是場效應(yīng)管小信號模型的另一種形式，其輸出回路用電壓控制的電壓源和輸出電阻串聯(lián)的形式表示。當場效應(yīng)管工作在高頻小信號條件下時，其極間電容的影響不能忽略，這時場效應(yīng)管要用如圖1(d)所示的高頻小信號模型等效。

714.共源極放大電路及其小信號模型分析法

與雙極型三極管放大電路相對應(yīng)，場效應(yīng)管放大電路也有三種基本組態(tài)，即共源極、共漏極和共柵極放大電路（由于共柵連接時，柵極與溝道間的高阻未能發(fā)揮作用，故共柵電路很少使用）。用場效應(yīng)管小信號模型分析其放大電路的步驟，與三極管放大電路的小信號模型分析法的步驟相同。

共源極放大電路

中頻小信號等效電路

721．中頻電壓增益場效應(yīng)管的輸出電阻rd通常在幾百千歐數(shù)量級，比電阻Rd、RL大得多，因此可將rd作開路處理，于是圖1(b)中式中負號表示共源極放大電路的輸出電壓與輸入電壓相位相反，即共源放大電路屬于反相電壓放大電路。

73

3．輸出電阻應(yīng)用前面介紹過的求放大電路輸出電阻的方法，可求得圖1所示電路的輸出電阻為。

2．輸入電阻由于場效應(yīng)管柵極幾乎不取信號電流，柵-源極間的交流電阻可視為無窮大，因此，圖1所示共源極放大電路的輸入電阻為

74由上述分析可知，與共射極放大電路類似，共源極放大電路具有一定的電壓放大能力，且輸出電壓與輸入電壓反相，故被稱為反相電壓放大器。共源極放大電路的輸入電阻很高，輸出電阻主要由漏極電阻Rd決定。適用于作多級放大電路的輸入級或中間級。共漏極放大電路75共漏極放大電路如圖1(a)所示，其中頻小信號等效電路如圖1(b)所示。由于輸出電壓從源極取出，又稱其為源極輸出器。

1．中頻電壓增益由圖1(b)可知

所以76由此式可知，共漏極放大電路的中頻電壓增益，輸出電壓與輸入電壓相位相同。當時，，因此，共漏極放大電路又稱為源極電壓跟隨器。2．輸入電阻Ri3．輸出電阻Ro將圖1(b)中的信號源短路，即令，保留其內(nèi)阻Rs，將負載電阻RL開路，在輸出端加一測試電壓，由此可畫出求共漏極放大電路輸出電阻Ro的電路，如圖1(c)所示。由于柵極電流，于是有

77即共漏極電路的輸出電阻Ro等于源極電阻R和跨導(dǎo)的倒數(shù)相并聯(lián)，所以，輸出電阻Ro較小。不過，由于一般情況下gm較小，因而使共漏電路的輸出電阻比共集電路的輸出電阻高。由以上分析可