(1-1)

第9章

場(chǎng)效應(yīng)管放大電路

(1-2)場(chǎng)效應(yīng)管與雙極型晶體管導(dǎo)電機(jī)理不同，它是完全多子導(dǎo)電，輸入阻抗高，溫度穩(wěn)定性好。電信設(shè)備多利用其良好的低噪聲特性，特別是高頻低噪聲前端。

§9.1場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管JFET絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管MOS場(chǎng)效應(yīng)管有兩種:FieldEffectTransistor(1-3)N溝道P溝道增強(qiáng)型耗盡型N溝道P溝道N溝道P溝道（耗盡型）FET場(chǎng)效應(yīng)管JFET結(jié)型MOSFET絕緣柵型(IGFET)場(chǎng)效應(yīng)管分類(lèi)：(1-5)NPPG(柵極)S源極D漏極N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管DGSDGS(1-6)PNNG(柵極)S源極D漏極P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管DGSDGS(1-7)PGSDUDSUGSNN2.工作原理（以P溝道為例）NNPN結(jié)反偏，UGS越大則耗盡區(qū)越寬，導(dǎo)電溝道越窄。UDS較小時(shí)(1-9)PGSDUDSUGSNNUDS較小時(shí)UGS達(dá)到一定值時(shí)（夾斷電壓VP）,耗盡區(qū)碰到一起，DS間被夾斷，漏極電流是ID=0。(1-10)PGSDUDSUGSUGS<Vp且UDS較大時(shí)UGD<VP時(shí)耗盡區(qū)的形狀NN越靠近漏端，PN結(jié)反壓越大(1-11)PGSDUDSUGSUGS<Vp且UDS較大時(shí)UGD<VP時(shí)耗盡區(qū)的形狀NN溝道中仍是電阻特性，但是非線性電阻。(1-13)GSDUDSUGSUGS<VpUGD=VP時(shí)NN此時(shí)，電流ID由未被夾斷區(qū)域中的載流子形成，基本不隨UDS的增加而增加，呈恒流特性。(1-14)（3）特性曲線UGS0IDIDSSVP飽和漏極電流夾斷電壓轉(zhuǎn)移特性曲線一定UDS下的ID-UGS曲線(1-15)予夾斷曲線IDUDS2VUGS=0V1V3V4V5V可變電阻區(qū)夾斷區(qū)恒流區(qū)輸出特性曲線0(1-17)輸出特性曲線IDUDS0UGS=0V-1V-3V-4V-5VN溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線-2v(1-18)

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的缺點(diǎn)：1.柵源極間的電阻雖然可達(dá)107以上，但在某些場(chǎng)合仍嫌不夠高。3.柵源極間的PN結(jié)加正向電壓時(shí)，將出現(xiàn)較大的柵極電流。絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管可以很好地解決這些問(wèn)題。2.在高溫下，PN結(jié)的反向電流增大，柵源極間的電阻會(huì)顯著下降。(1-19)9.3金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管

MOSFET

（1）結(jié)構(gòu)和電路符號(hào)PNNGSDP型基底兩個(gè)N區(qū)SiO2絕緣層Metal-Oxide-SimiconductorFieldEffectTransistor(1-21)N溝道耗盡型PNNGSD予埋了導(dǎo)電溝道GSD(1-22)NPPGSDGSDP溝道增強(qiáng)型(1-23)P溝道耗盡型NPPGSDGSD予埋了導(dǎo)電溝道(1-25)PNNGSDUDSUGSUGS=0時(shí)D-S間相當(dāng)于兩個(gè)反接的PN結(jié)ID=0對(duì)應(yīng)截止區(qū)(1-26)PNNGSDUDSUGSUGS>0時(shí)UGS足夠大時(shí)（UGS>VT）感應(yīng)出足夠多電子，這里以電子導(dǎo)電為主出現(xiàn)N型的導(dǎo)電溝道。感應(yīng)出電子VT稱(chēng)為閾值電壓(1-27)PNNGSDUDSUGSUGS較小時(shí)，導(dǎo)電溝道相當(dāng)于電阻將D-S連接起來(lái)，UGS越大此電阻越小。(1-29)PNNGSDUDSUGSUDS增加，UGD=VT時(shí)，靠近D端的溝道被夾斷，稱(chēng)為予夾斷。夾斷后ID呈恒流特性。ID(1-30)4321051015UGS

=5V6V4V3V2VID/mAUDS=10V增強(qiáng)型

MOS

管的特性曲線

0123飽和區(qū)擊穿區(qū)可變電阻區(qū)246UGS

/

VUGs(th)輸出特性轉(zhuǎn)移特性UDS/VID/mA

可變電阻區(qū)：UGS不變，ID與UDS成正比，漏源之間相當(dāng)于一個(gè)可變電阻。(1-31)4321051015UGS

=5V6V4V3V2VID/mAUDS=10V增強(qiáng)型

NMOS

管的特性曲線

0123飽和區(qū)擊穿區(qū)可變電阻區(qū)246UGS

/

V3.特性曲線UGs(th)輸出特性轉(zhuǎn)移特性UDS/VID/mA(1-32)4321051015UGS

=5V6V4V3V2VID/mAUDS=10V增強(qiáng)型

NMOS

管的特性曲線

0123飽和區(qū)擊穿區(qū)可變電阻區(qū)246UGS

/

V3.特性曲線UGs(th)輸出特性轉(zhuǎn)移特性UDS/VID/mA擊穿區(qū)：UDS過(guò)大，ID急劇增加。(1-33)4321051015UGS

=5V6V4V3V2VID/mAUDS=10V增強(qiáng)型

NMOS

管的特性曲線

0123飽和區(qū)擊穿區(qū)可變電阻區(qū)246UGS

/

V3.特性曲線UGs(th)輸出特性轉(zhuǎn)移特性UDS/VID/mA轉(zhuǎn)移特性：

ID=f（

UGS）|

u=常數(shù)(1-34)（3）N溝道增強(qiáng)型MOS管的特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線0IDUGSVT(1-35)耗盡型N溝道MOS管的特性曲線耗盡型的MOS管UGS=0時(shí)就有導(dǎo)電溝道，加反向電壓才能夾斷。轉(zhuǎn)移特性曲線0IDUGSVT(1-36)輸出特性曲線UGS=0VUDS（V）ID（mA）01324UGS=+1VUGS=+2VUGS=-1VUGS=-2V夾斷電壓UP=-2V固定一個(gè)UDS，畫(huà)出ID和UGS的關(guān)系曲線，稱(chēng)為轉(zhuǎn)移特性曲線

9.3.1場(chǎng)效應(yīng)三極管的參數(shù)和型號(hào)

(1)場(chǎng)效應(yīng)三極管的參數(shù)

①開(kāi)啟電壓VGS(th)(或VT)

開(kāi)啟電壓是MOS增強(qiáng)型管的參數(shù)，柵源電壓小于開(kāi)啟電壓的絕對(duì)值,場(chǎng)效應(yīng)管不能導(dǎo)通。

②夾斷電壓VGS(off)(或VP)

夾斷電壓是耗盡型FET的參數(shù)，當(dāng)VGS=VGS(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)三極管,當(dāng)VGS=0時(shí)所對(duì)應(yīng)的漏極電流。(1-38)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。

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)與電子管的控制作用相似。gm可以在轉(zhuǎn)移特性曲線上求取，單位是mS(毫西門(mén)子)。

(1-39)跨導(dǎo)gmUGS=0VUDS（V）ID（mA）01324UGS=+1VUGS=+2VUGS=-1VUGS=-2V=

ID/

UGS=（3-2）/（1-0）=1/1=1mA/V

UGS

ID9.3.2雙極型和場(chǎng)效應(yīng)型三極管的比較

雙極型三極管

場(chǎng)效應(yīng)三極管結(jié)構(gòu)NPN型結(jié)型耗盡型N溝道P溝道

PNP型絕緣柵增強(qiáng)型N溝道P溝道絕緣柵耗盡型N溝道P溝道

C與E一般不可倒置使用D與S有的型號(hào)可倒置使用載流子多子擴(kuò)散少子漂移多子漂移輸入量電流輸入電壓輸入控制電流控制電流源CCCS(β)電壓控制電流VCCS(gm)(1-41)

雙極型三極管

場(chǎng)效應(yīng)三極管噪聲較大較小溫度特性受溫度影響較大較小，可有零溫度系數(shù)點(diǎn)輸入電阻幾十到幾千歐姆幾兆歐姆以上靜電影響不受靜電影響易受靜電影響集成工藝不易大規(guī)模集成適宜大規(guī)模和超大規(guī)模集成(1-42)

各種類(lèi)型MOS管的符號(hào)及特性對(duì)比

給出各種N溝道和P溝道場(chǎng)效應(yīng)管的符號(hào)。

給出各種場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性。各種管子的輸出特性形狀是一樣的，只是控制電壓UGS不同。(1-43)

各種場(chǎng)效應(yīng)管的符號(hào)對(duì)比(1-44)

各種場(chǎng)效應(yīng)管的符號(hào)對(duì)比(1-45)

關(guān)于場(chǎng)效應(yīng)管符號(hào)的說(shuō)明：N溝道增強(qiáng)型MOS管，襯底箭頭向里。漏、襯底和源、分開(kāi)，表示零柵壓時(shí)溝道不通。表示襯底在內(nèi)部沒(méi)有與源極連接。N溝道耗盡型MOS管。漏、襯底和源不斷開(kāi)表示零柵壓時(shí)溝道已經(jīng)連通。N溝道結(jié)型MOS管。沒(méi)有絕緣層。如果是P溝道，箭頭則向外。(1-46)

各種場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性對(duì)比

轉(zhuǎn)移特性(1-47)各種場(chǎng)效應(yīng)管的輸出特性對(duì)比輸出特性

9.3.3伏安特性曲線

場(chǎng)效應(yīng)三極管的特性曲線類(lèi)型比較多，根據(jù)導(dǎo)電溝道的不同，以及是增強(qiáng)型還是耗盡型可有四種轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線，其電壓和電流方向也有所不同。如果按統(tǒng)一規(guī)定正方向，特性曲線就要畫(huà)在不同的象限。為了便于繪制，將P溝道管子的正方向反過(guò)來(lái)設(shè)定。有關(guān)曲線繪于圖02.18之中。(1-49)

各類(lèi)場(chǎng)效應(yīng)三極管的特性曲線絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管N溝道增強(qiáng)型P溝道增強(qiáng)型(1-50)絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管

N溝道耗盡型P

溝道耗盡型(1-51)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管

N溝道耗盡型P溝道耗盡型(1-52)

9.3.4場(chǎng)效應(yīng)管與晶體管的比較1.晶體管是流控元件,場(chǎng)效應(yīng)管是壓控元件,柵極不取電流，但放大倍數(shù)較低。2.場(chǎng)效應(yīng)管是多子導(dǎo)電，單極型，溫度穩(wěn)定性好。3.場(chǎng)效應(yīng)管噪聲系數(shù)小。4.場(chǎng)效應(yīng)管漏、源極可以互換。6.場(chǎng)效應(yīng)管集成工藝簡(jiǎn)單，耗電省，工作電源電壓范圍寬，應(yīng)用更廣泛。(1-53)§9.4場(chǎng)效應(yīng)管放大電路9.4.1電路的組成原則及分析方法(1).靜態(tài)：適當(dāng)?shù)撵o態(tài)工作點(diǎn)，使FET工作在恒流區(qū)，場(chǎng)效應(yīng)管的偏置電路相對(duì)簡(jiǎn)單。(2).動(dòng)態(tài):能為交流信號(hào)提供通路。組成原則靜態(tài)分析：估算法、圖解法。動(dòng)態(tài)分析：微變等效電路法。分析方法(1-54)gsdSGDrDS很大，可忽略。FET小信號(hào)模型(1-55)

9.4.2共源組態(tài)基本放大電路9.4.3共漏組態(tài)基本放大電路9.4.4共柵組態(tài)基本放大電路9.4.5三種組態(tài)基本放大電路的比較(1-56)9.4.2共源組態(tài)基本放大電路

對(duì)于采用場(chǎng)效應(yīng)三極管的共源基本放大電路，可以與共射組態(tài)接法的基本放大電路相對(duì)應(yīng)，只不過(guò)場(chǎng)效應(yīng)三極管是電壓控制電流源，即VCCS。共源組態(tài)的基本放大電路(a)采用結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(b)采用絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管

共源組態(tài)接法基本放大電路

比較共源和共射放大電路，它們只是在偏置電路和受控源的類(lèi)型上有所不同。只要將微變等效電路畫(huà)出，就是一個(gè)解電路的問(wèn)題了。(1-57)(1)直流分析

將共源基本放大電路的直流通道畫(huà)出,如圖所示。

共源基本放大電路的直流通道

圖中Rg1、Rg2是柵極偏置電阻，Rs是源極電阻，Rd是漏極負(fù)載電阻。與共射基本放大電路的Rb1、Rb2，Re和Rc分別一一對(duì)應(yīng)。而且只要結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管柵源間PN結(jié)是反偏工作，無(wú)柵流，那么JFET和MOSFET的直流通道和交流通道是一樣的。

據(jù)圖可寫(xiě)出下列方程

VG=

VGSQ=VG－VS=VG－IDQR

IDQ=IDSS[1－(VGSQ/VGS(off))]2

VDSQ=VDD－IDQ(Rd+R)

于是可以解出VGSQ、IDQ和VDSQ。(1-58)(b)微變等效電路(2)交流分析畫(huà)出圖a電路的微變等效電路，如圖b所示。

與雙極型三極管相比，輸入電阻無(wú)窮大，相當(dāng)開(kāi)路。VCCS的電流源還并聯(lián)了一個(gè)輸出電阻rds，在雙極型三極管的簡(jiǎn)化模型中，因輸出電阻很大視為開(kāi)路，在此可暫時(shí)保留。其它部分與雙極型三極管放大電路情況一樣。(a)(1-59)①電壓放大倍數(shù)

如果有信號(hào)源內(nèi)阻RS時(shí)

=－gmR'LRi/(Ri+RS)

式中Ri是放大電路的輸入電阻。②輸入電阻

(1-60)③輸出電阻

為計(jì)算放大電路的輸出電阻，可按雙口網(wǎng)絡(luò)計(jì)算原則將放大電路畫(huà)成下圖的形式。

計(jì)算Ro的電路模型

將負(fù)載電阻RL開(kāi)路，并想象在輸出端加一個(gè)電源,將輸入電壓信號(hào)源短路，但保留內(nèi)阻。然后計(jì)算

，于是

(1-61)交流參數(shù)歸納如下①電壓放大倍數(shù)③輸出電阻②輸入電阻Ri=Rg1//Rg2

或

Ri=Rg+(Rg1//Rg2)

(1-62)

例:靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析求UDS和ID。+UDD+20VuoRSuiCSC2C1R1RDRGR2RL150K50K1M10K10KGDS10K(1-63)設(shè)：UG>>UGS則：UGUS而：IG=0所以：+UDD+20VuoRSuiCSC2C1R1RDRGR2RL150K50K1M10K10KGDS10K(1-64)

動(dòng)態(tài)分析：UgsUiUgsgmUoIdrirosgR2R1RGRLdRLRD(1-65)ro=RD=10KsgR2R1RGRLdRLRD(1-66)9.4.3共漏組態(tài)基本放大電路共漏組態(tài)基本放大電路如圖03.32所示圖32共漏組態(tài)放大電路圖33直流通道其直流工作狀態(tài)和動(dòng)態(tài)分析如下。(1)直流分析

將共漏組態(tài)基本放大電路的直流通道畫(huà)于圖33之中，于是有

VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2)

VGSQ=VG－VS=VG－IDQR

IDQ=IDSS[1－(VGSQ/VGS(off))]2

VDSQ=VDD－IDQR由此可以解出VGSQ、IDQ和VDSQ。(1-67)(2)交流分析

將圖(a)的CD放大電路的微變等效電路畫(huà)出，如圖(b)所示。(b)共漏放大電路的微變等效電路①電壓放大倍數(shù)比較共源和共漏組態(tài)放大電路的電壓放大倍數(shù)公式，分子都是gmR'L，分母對(duì)共源放大電路是1，對(duì)共漏放大電路是(1+gmR'L)。②輸入電阻(a)(1-68)

③輸出電阻