第3章 场效应管及其放大电路习题解

3.2 内容提要
3.1.1 场效应晶体管
1．场效应管的结构及分类 场效应管是利用输入电压产生的电场效应来控制输出电流的，是电压控制型器件。工作 过程中起主要导电作用的只有一种载流子（多数载流子） ，故又称单极型晶体管。场效应管有 两个 PN 结，向外引出三个电极：漏极 D、栅极 G 和源极 S。 场效应管的分类如下： 结型场效应管(JFET) 场效应管(FET) 绝缘栅型场效应管(IGFET) 增强型 2．场效应管的工作原理 (1) 栅源控制电压的极性 对 JFET， 为保证栅极电流小， 输入电阻大的特点， 栅源电压应使 PN 结反偏。 N 沟道 JFET： N 沟道 P 沟道 N 沟道 耗尽型 P 沟道 N 沟道 P 沟道
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UGS<0；P 沟道 JFET：UGS>0。 对增强性 MOS 管，N 沟道增强型 MOS 管，参加导电的是电子，栅源电压应吸引电子形 成反型层构成导电沟道，所以 UGS>0；同理，P 沟道增强型 MOS 管，UGS<0。 对耗尽型 MOS 管，因二氧化硅绝缘层里已经掺入大量的正离子（或负离子：N 沟道掺入 正离子；P 沟道掺入负离子） ，吸引衬底的电子（或空穴）形成反型层，即 UGS=0 时，已经存 在导电沟道，所以，栅源电压 UGS 可正可负。 (2) 夹断电压 UGS(off)和开启电压 UGS(th) 对 JFET 和耗尽型 MOS 管，当｜UGS｜增大到一定值时，导电沟道就消失（称为夹断） ， 此时的栅源电压称为夹断电压 UGS(off)。 N 沟道场效应管 UGS(off) <0； P 沟道场效应管 UGS(off) >0。 对增强型 MOS 管，当UGS增加到一定值时，才会形成导电沟道，把开始形成反型层的 栅源电压称为开启电压 UGS(th)。N 沟道增强型 MOS 管 UGS(th) >0；P 沟道增强型 MOS 管 UGS(th) <0。 (3) 栅源电压 uGS 对漏极电流 iD 的控制作用 场效应管的导电沟道是一个可变电阻， 栅源电压 uGS 可以改变导电沟道的尺寸和电阻的大 小。当 uDS=0 时，uGS 变化，导电沟道也变化但处处等宽，此时漏极电流 iD=0；当 uDS≠0 时， 产生漏极电流，iD≠0，沿沟道产生了电位梯度使导电沟道变得不等宽。 当 uGS 一定，uDS增大到一定大小时，在漏极一侧导电沟道被夹断，称为预夹断。 导电沟道预夹断前，uDS增大，iD增大，漏源间呈现电阻特性，但 uGS 不同，对应的电 阻不同。此时，场效应管可看成受 uGS 控制的可变电阻。 导电沟道预夹断后，uDS增大，iD 几乎不变。但是，随 uGS 变化，iD 也变化，对应不同 的 uGS，iD 的值不同。即 iD 几乎仅仅决定于 uGS，而与 uDS 无关。栅源电压 uGS 的变化，将有效 地控制漏极电流 iD 的变化，即体现了栅源电压 uGS 对漏极电流 iD 的控制作用。 3．效应管的伏安特性 效应管的伏安特性有输出特性和转移特性。 (1) 输出特性：指当栅源电压 uGS 为常量时，漏极电流 iD 与漏源电压 uDS 之间的关系，即
3. 用于放大时，场效应管工作在特性曲线的 A．可变电阻区 B．恒流区
4. N 沟道结型场效应管中参加导电的载流子是 A．自由电子和空穴 B，当︱uGS︱︱UGS(off)︱时，管子一定工作在 A．恒流区 B．可变电阻区 C．截止区 C
C 。 B．击穿区 。
6. 当栅源电压 uGS＝0V 时，能够工作在恒流区的场效应管有 A A．结型场效应管 B．增强型 MOS 管 A 。
3.3 判断图 T3.3 所示各电路能否进行正常放大？如果不能，指出其中错误，并加以改正。
图 T3.3
解：图 T3.3（a） 、 （c）电路能进行正常放大； （b） 、 （d）两电路均不能进行正常放大。 图 T3.3（b）放大器件是 P 沟道结型场效应管，漏源电压应为负值。修改后如图解 T3.3 （a）所示。 图 T3.3（d）放大器件是 P 沟道增强型 MOS 管，栅源电压应为正值才能工作，该电路采 用自给偏置方式，栅源偏压实际为负值，使管子处于截止状态。为了使栅源电压为正值，可
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(2) 转移特性：指当漏源电压 uDS 为常量时，漏极电流 iD 与栅源电压 uGS 之间的关系，即
iD f (u GS ) uDS 常数
（3-2）
转移特性表示栅源电压 uGS 对漏极电流 iD 的控制作用。 4．场效应管的主要参数 (1) 直流参数：夹断电压 UGS（off） ；开启电压 UGS(th)；饱和漏极电流 IDSS ；直流输入电阻 RGS(DC)。 (2) 交流参数：低频跨导 gm ；极间电容。 (3) 极限参数：最大漏极电流 IDM ；最大漏源电压 U(BR)DS ； 最大栅源电压 U(BR)GS ；最 大耗散功率 PDM。
第3章
场效应管及其基本放大电路
3.1 教学内容与要求
本章介绍了场效应管的结构、类型、主要参数、工作原理及其基本放大电路。教学内容 与教学要求如表 1.1 所示。
表 3.1 第 3 章教学内容与要求
教学要求 教学内容 熟练掌 握 结构与类型 工作原理 场效应管 伏安特性与主要参数 场效应管工作在恒流区的外部条件 场效应管与晶体管的异同点 场效应管的微变等效电路 图解法 场效应管放大 电路 动态分析 两种基本放大电路的特点及应用场合 √ √ 静态分析 估算法 √ √ √ √ √ √ 重点：场效应管放大电路的静态与动 态分析 难点：图解法确定静态工作点 √ 正确理 解 一般了 解 √ 重点与难点：场效应管的工作原理 重点与难点
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采用分压式偏置电路。修改后如图解 T3.3（b）所示。
-VDD RD + VT . Uo RG RS _
+ + . Ui _
C
(a) 图解 T3.3
(b)
3.4 场效应管的特性曲线如图 T3.4 所示。指出它们属于哪种场效应管？
图 3.4
解：图 T3.4（a）为 N 沟道结型场效应管的特性曲线， （b）为 N 沟道增强型 MOS 管的特 性曲线， （c）为 N 沟道耗尽型 MOS 管的特性曲线， （d）为 P 沟道增强型 MOS 管的特性曲线， （e）为 P 沟道结型场效应管的特性曲线， （f）为 P 沟道耗尽型 MOS 管的特性曲线。 3.5 已知某场效应管的输出特性曲线如图 T3.5 所示，试判断场效应管的类型并画出它在 恒流区的转移特性。
(a) 场效应管的微变等效电路 图 3-1
(b) 场效应管简化的微变等效电路
场效应管的微变等效电路
2．场效应管放大电路 场效应管有三个电极：栅极、漏极和源极，在组成放大电路时也有三种接法，即共栅放 大电路、共漏放大电路和共源放大电路。但共栅放大电路很少使用。 (1) 直流偏置与静态分析 场效应管放大电路常用的偏置方式有两种：自给偏置和分压式偏置。 场效应管放大电路的静态分析可采用图解法和公式计算法。图解法是利用场效应管的特 性曲线和直流负载线确定静态工作点；公式计算法是利用转移特性方程和偏置电路的线性方 程联立求解确定静态工作点。 (2) 动态分析 场效应管放大电路的动态分析步骤：画交流通路→将交流通路中的 FET 用交流小信号模
际方向，并说明管子导通的条件。 解：与图 3-18(b)对应的 P 沟道耗尽型 MOS 管共源放大电路如图解 T3.6，静态电流的实 际方向如图中所示。管子导通的条件是：UGSUGS(off） ，UDSUGSUGS(off)。
IDQ +
+
+
图解 T3.6
习题 3.1 电路如图 P3.1 所示。已知 RD=3.3k，RG=100k，｜VDD｜=10V，｜VGG｜=2V，VT1 的 UGS(th)=3V，VT2 的 UGS(off)=3V，IDSS=－5mA，VT3 的 UGS(off)=2V，IDSS=－2mA，试分析场 效应管分别工作在什么区域。
iD f (u DS ) uGS 常数
场效应管有四个工作区域： 可变电阻区：导电沟道预夹断前，此时场效应管是一个受 uGS 控制的可变电阻。
（3-1）
恒流区：导电沟道预夹断后，此时漏极电流 iD 仅决定于 uGS，场效应管相当于一个栅源电 压控制的电流源。场效应管作为放大器件应用时，都工作在该区域。 截止区：导电沟道被全部夹断，iD≈0。 击穿区：uDS太大，靠近漏区的 PN 结被击穿，iD 急剧增加，很快会烧毁管子。不允许 场效应管工作在击穿区。
，Ri 和 Ro。 型代替→计算 gm 和 rds→利用微变等效电路然后计算动态性能指标 A u
(3) 场效应管工作状态的判断 导通：N 沟道 JFET 和 N 沟道耗尽型 MOS 管：UGS>UGS(off) ，N 沟道增强型 MOS 管： UGS>UGS(th) P 沟道 JFET 和 P 沟道耗尽型 MOS 管：UGS<UGS(off) ，P 沟道增强型 MOS 管：
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iD/mA 2.25
1 0.25 2 4 6 8 10 uGS/V
图解 T3.5
解：该场效应管为 N 沟道增强型 MOS 管。在场效应管的恒流区作横坐标的垂线，读出其 与各条曲线交点的纵坐标值及 UGS 值，建立 iD＝f（uGS）坐标系，描点，连线，即可得到转移 特性曲线，如图解 3.5T 所示。 3.6 试画出与图 3-18(b)对应的 P 沟道耗尽型 MOS 管共源放大电路，标出静态电流的实
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UGS<UGS(th) 恒流区与非恒流区的判断方法： (1) 先假设 FET 工作在恒流区。 (2) 根据 FET 的类型，选择工作在恒流区 FET 的转移特性方程。 (3) 根据直流通路写出静态时 UGSQ 和 IDQ 之间的关系。 (4) 联立求解上述方程。根据 FET 类型选择合理的一组解。 (5) 判断工作模式 若UDS>UGS﹣UGS(off) 或UDS>UGS﹣UGS(th) ，则 FET 工作在恒流区，假设成立。 若UDS<UGS﹣UGS(off) 或UDS<UGS﹣UGS(th) ，则假设不成立，FET 工作在可变电阻 区。 (4) 三种基本放大电路的特点 共源放大电路：有电压放大能力；输出电压与输入电压反相；场效应管共源放大电路的 输入电阻较高而电压放大倍数较小。 共漏放大电路：电压放大倍数小于 1，且输出电压与输入电压同相，输出电阻很小。 共栅放大电路：输入电阻小，输出电阻大，放大倍数大，输入与输出同相。 自测题 3.1 判断下列说法是否正确，用“√”和“”表示判断结果填入空内 1. 结型场效应管外加栅源电压 uGS 应使栅源间的耗尽层承受反偏电压，才能保证其输入 电阻 RG 大的特点。 （ √ ） 2. 耗尽型 MOS 管在栅源电压 uGS 为正或为负时均能实现压控电流的作用。 （ √ ） 3. 若耗尽型 N 沟道 MOS 管的栅源电压 uGS 大于零，则其输入电阻会明显变小。 （ ） 4. 工作于恒流区的场效应管，低频跨导 gm 与漏极电流 IDQ 成正比。 （ ） 5. 增强型 MOS 管采用自给偏压时，漏极电流 iD 必为零。 （ √ ） 3.2 选择填空 1. 场效应管的栅-源之间的电阻比晶体管基-射之间的电阻 A．大 2. 场效应管是通过改变 A．栅源电压 D．电压 A B．小 来改变漏极电流的。所以是 B．漏源电压 E．电流 B 。 C．截止区 B 。 C．空穴 D A 。 C．差不多 控制型器件。 C．栅极电流