1.4 场效应管及其基本应用

1.4.4 场效应管基本应用电路及其分析
基本应用：放大电路、电流源电路、 压控电阻、开关电路 FET 放大电路分析方法：公式法计算 Q点， 小信号模型法动态分析。
场效应管的小信号模型
4.2
下图中， RG=1MΩ ， RS=2kΩ ， RD=12kΩ ， VDD=20V 。 FET的IDSS=4mA，UGS(off)=4V，求 UGSQ、IDQ 和UDSQ 。
沟道全夹断 iD = 0
提示： 1. FET和BJT两者的饱和 区含义、特性不同。 2. 全夹断与预夹断不同。
（2) 转移特性 i D f ( uGS ) uDS 常数
饱和区时， 为一族重叠曲线
uGS 2 i I ( 1 ) 当EMOS管工作于放大区时，电流方程为 D DO U GS (th)
§1.4
场效应管概述
场效应管
1.4.1 结型场效应管的结构、工作原理及伏安特性 1.4.2 MOS场效应管的结构、工作原理及伏安特性
1.4.3 场效应管的主要参数 绝缘栅型场效应管
1.4.4 场效应管基本应用电路及其分析
场效应管概述
为何要学场效应管？ FET (Field Effect Transistor)优点： (1) 输入阻抗高 (108 以上，IGFET 可高达 1015 ) (2) 噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强、工艺简单、 功耗小、宜大规模集成。 结型 （JFET型即 (Junction Field Effect Transistor) 类 型 金属－氧化物－半导体型（MOSFET 型即 Metal－Oxide－Semiconductor type Field Effect Transistor） N沟道 P沟道 N沟道 P沟道 增强型 耗尽型 增强型 耗尽型
4 uGS /V
iD /mA uGS = – 8 V
–6V –4V –2V
iD /mA
UGS(th)
–2O
O
－ uDS /V
uGS /V
O
－
0V I 2 V DSS 4V u /V O
DS
例1.4.1 有四种场效应管，其输出特性或饱和区转移特性分别如 图所示，试判断它们各为何种类型管子？对增强型管， 求开启电压UGS(th) ；对耗尽型管，求夹断电压UGS ( off ) 和饱和漏极电流IDSS 。
1.4.1 结型场效应管的结构、工作原理及伏安特性
一、结构与符号
为耗尽型FET
NJFET
PJFET
二、工作原理
栅源电压必须使 PN结反偏，以保证 输入电阻很高。
三、伏安特性
N 沟道结型FET iD /mA uGS =0V
-1 V -2 V -3 V O
iD /mA
UGS(off)
–3 O
IDSS uGS /V
uDS /V
P 沟道结型FET
iD /mA uGS = 0 V
1V 2V 3V O － uDS /V
iD /mA IDSS
O
UGS(off)
3 uGS /V
当工作于放大区时, iD I DS S(1
uGS U GS (off)
)2
1.4.2 MOS场效应管的结构、工作原理及伏安特性
一、N 沟道增强型 MOSFET 1. 结构与符号
性曲线，判断管子类型，确定UGS(th) 、UGS(off) 、
IDSS 等参数。
作业：P87 2.12
自学： 2.3.5 场效应管伏安特性的Multisim 仿真 知识拓展
2.9a b 2.10c d
1.4.3 场效应管的主要参数
1. 开启电压 UGS(th)(增强型) 夹断电压 UGS(off)(耗尽型) IDSS
iD /mA
uGS /V
2. 饱和漏极电流 IDSS 耗尽型场效应管在 uGS = 0 时 所对应的饱和漏极电流。
UGS(off)
OU GS(th)
3. 直流输入电阻 RGS 指漏源间短路的情况下，栅、源间加一定电压时的 栅源直流电阻。
预夹断发生之前， uDS近似与 iD成正比 预夹断发生之后，当uDS增大时， iD 不变
因为预夹断发生之后： uAS为常数，且A、S间 的沟道电阻近似为常数
3. 伏安特性
(1) 输出特性
i D f ( uDS ) u
放大区(饱和区) 恒流、线性放大
GS 常数
可变电阻区（非饱和区） 压控电阻 临界线为uDS = uGS UGS(th)， uDS >uGS UGS(th),放大区， uDS <uGS UGS(th),可变电阻区。 截止区 uGS UGS(th)
例1.4.3
图示场效应管放大电路中，us =20sinωt mV，场效应 管的IDSS=4mA，UGS(off)= 4V，电容CS对输入交流信 号可视为短路，试求交流输出电压uo的表达式。
（1）求 IDQ 、gm 解： 该电路的直流通路及其 参数与例2.3.2中相同，故 IDQ＝1mA 由耗尽型场效应管 gm计算公式得
零
零
当场效应管工作于饱和区时，对于耗尽型管有
uGS 2 i D I DSS (1 ) U GS(of f )
gm
对于增强型管有
2
U GS(off)
I DSS I DQ
uGS iD I DO ( 1)2 U GS (th)
gm
2 U GS(th)
I DO I DQ
IDO是 uGS = 2UGS(th) 时的 iD 值
IDQ＝1mA UGSQ = (1×2)V = 2V
例1.4.2 解续：
由电路可得 由于 UDSQ =[20 1×(12+2)]V= 6V UDSQ＞ UGSQ UGS(off) = 2V+4V = 2V
因此假设正确，计算结果有效，故 UGSQ = 2V ，IDQ＝1mA ，UDSQ = 6V
8. 最大漏极功耗 PDM
PD = uDS iD
*FET小结
FET 是利用栅源电压改变导电沟道的宽窄来控 制漏极电流的。由于输入电流极小，故称为电压控制
型器件，而BJT则称为电流控制型器件。
FET有耗尽型和增强型之分，耗尽型存在原始导
电沟道，而增强型只有在栅源电压绝对值大于开启电
压绝对值后，才会形成导电沟道。各类场效应管均有 N沟道和P 沟道之分，故共有六种类型场效应管。注 意比较它们的符号、伏安特性、工作电压极性要求。
uGS 取正、负、零都可以，因此使用更方便。
三、P 沟道 MOSFET
P 沟道增强型 iD G D B S 结构对偶 N 沟道耗尽型 iD G S P 沟道耗尽型
iD
G
D
B
S
N 沟道增强型 S G D N+ N+
D
B
iD G
D
B S
P型衬底 B
MOSFET 伏安特性的比较
N 沟道增强型MOSFET iD /mA iD /mA uGS = 8 V 6V U GS(th)
2. 工作原理
（1) uGS 对输出电流iD 的控制作用 a. uGS = 0 ，无导电沟道。 b. uGS 加正电压，当uGS UGS(th) 时，栅极表面层形成导电沟道 开始形成导电沟道所需的栅源电压称为开启电压（ UGS(th) ） c. 增大uGS ，则导电沟道加宽。 改变uGS可控制导电沟道的宽窄， 从而控制输出电流iD的大小。
2 U GS(th)
I DO I DQ
IDO是 uGS = 2UGS(th) 时的 iD 值
1.4.3 场效应管的主要参数
5. 漏源动态电阻 rds
rds
duDS d id uGS 常 数
饱和时 rds 一般为几十千欧 ～几百千欧 6. 漏源击穿电压U(BR)DS
7. 栅源击穿电压U(BR)GS
例1.4.1 解：
N沟道DMOS管 UGS( off ) = 4V，IDSS＝2mA
P沟道EMOS管 UGS( th) = 2V
例1.4.1 解续：
N沟道结型场效应管
UGS( off) = 4V，IDSS＝4mA
N沟道DMOS管 UGS( off) = 4V， IDSS＝2mA
作业： P87
简称NEMOS管
栅极绝缘，输入电阻很 高，输入电流为零。
2. 工作原理
（1) uGS 对输出电流iD 的控制作用 a. uGS = 0 ，无导电沟道。 b. uGS 加正电压，当uGS UGS(th) 时，栅极表面层形成导电沟道 开始形成导电沟道所需的栅源电压称为开启电压（ UGS(th) ） c. 增大uGS ，则导电沟道加宽。 +
4V 2V O
N 沟道耗尽型MOSFET iD /mA uGS = 2 V
0V -2 V -4 V
O
iD /mA
UGS(off) IDSS
– 4 O u /V GS
uDS /V
2 uGS /V
uDS /V
P 沟道增强型MOSFET
P 沟道耗尽型MOSFET iD /mA uGS = – 2 V iD /mA UGS(off)
> 108
1.4.3 场效应管的主要参数
4. 低频跨导 gm iD /mA
gm
diD duGS
Q
uDS 常数
uGS /V O
反映了uGS 对 iD 的控制能力， 单位 S(西门子)，一般为几毫西 (mS)。 耗尽型管放大工作时
gm
2 U GS(off)
I DSS I DQ
增强型管放大工作时 g m
DS 间的电位差使沟道呈锥形， 靠近漏极端的沟道最窄。
当uGD = UGS(th) 时，漏极附近 反型层消失，称为预夹断。