第三章场效应管放大电路讲解

起来。
d
结构图
B衬底 g
s
电路符号
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因此在栅源电压为零时，在正的vDS作用下，也有较大的漏极电流iD由漏极流向源极。
当vGS>0时，由于绝缘层的存在，并不会产生栅极电流 iG ，而是在沟道中感应出更多的负电荷，使沟道变宽。在vDS作用下，iD将具有更大的数值。
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3.1.2 N沟道耗尽型MOSFET
⒈ 结构和工作原理简述这种管子在制造时，
SiO2绝缘层中掺有大量
正离子
由于二氧化硅绝缘层中掺
有大量的正离子，即使在
vGS= 0时，由于正离子的作用，也和增强型接入正
N型沟道
栅源电压并使vGS>VTh时相似，能在P型衬底上感应出较多的电子，形成N型沟道，将源区和漏区连通
② 可变电阻区（vDS≤vGS-VTh ）
iD Kn 2 vGS VTh vDS vD2S
iD/mA
可变电阻区饱和区
电导常数Kn单位是mA/V2。
8 6
在特性曲线原点附近，vDS很 4
7V A
6V B
5V C
4V
小，则
2
D
vGS=3V
iD 2Kn vGS VTh vDS
E 截止区
5 10 15 20 vDS/V
电压vGS对漏极电流iD的控制
特性，即 iD f vGS vDS常数
由于饱和区内，iD受vDS的影
iD/mA 8
A
B
6 VDS =10V C
4
D
响很小，因此饱和区内不同vDS 下的转移特性基本重合。
2
E
VT O 1 2 3 4 5 6 7 vGS/V
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金属(Metal)-氧化物(Oxide)-半导体(SemiConductor)场效应管(MOSFET),FET只有一种载流子(电子或空穴)导电，它为单极型器件，而三极管是双极性。
MOS场效应管
三极管
源极(S) 栅极(G) 漏极(D)
发射极(E) 基极(B) 集电极(C)
电路符号及电流流向
D
ID
D
ID
D
ID
U
G
G
U G
U G
S NEMOS
转移特性
ID
S NDMOS
ID
S PEMOS
ID
D
ID
U
S PDMOS
ID
O VGS(th) VGS
VGS(th) O VGS
VGS(th) O VGS
OVGS(th VGS
)
第 3 章场效应管
饱和区(放大区)外加电压极性及数学模型
VDS 极性取决于沟道类型 N 沟道：VDS > 0， P 沟道：VDS < 0
g
B
s
电路符号
P沟道耗尽型结构
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为正常工作，PMOS管外加的vDS必须是负值，开启电压VＴ也是负值，实际的电流方向为流出漏极。
P沟道增强型MOS管沟道产生的条件为：vGS≤VＴ。
可变电阻区与饱和区的界线为：vDS = vGS-VＴ。
在可变电阻区内：vGS≤VＴ，vDS≥vGS-VＴ，电流的假
定正向为流入漏极时，则iD为
在饱和区内：vGS≤VＴ，iD Kp 2 vGS VT vDS vD2S
vDS≤vGS-VＴ，电流iD为
iD

I DO
vGS VT
12
IDO KpVT2
P沟道增强型MOS管特性曲线
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时的iD。
E 截止区
O
5 10 15 20 vDS/V
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⑵ 转移特性
iD/mA
可变电阻区饱和区
由于栅极输入端基本无电 8 流，故讨论它的输入特性没 6
7V A
6V B
5V
有意义。
4
C 4V
所谓转移特性是在漏源电 2 压vDS一定的条件下，栅源 O
D
vGS=3V
耗尽型MOSFET的重要特点之一：可在正或负的栅源电压下工作，且基本上无栅流。
⒉ V-I 特性曲线及大信号特性方程
iD/mA可变 vDS=vGS-VP
电阻区饱和区
8
4V
2V
iD/mA 8
6
vGS=0V
4
-2V
6 4 IDSS
2
-4V
2
截止区
O 3 6 9 12 15 vDS/V 输出特性曲线
VP -6 -4 -2 0 2 4 vGS/V vDS>(vGS-VP)时的转移特性
行修正。例N沟道增强型MOS管考虑沟道调制效应后：
2
iD

Kn
vGS
VT
2
1

λvDS

I
DO

vGS VT
1
1 λvDS
对于典型器件：λ 0.1 V1 ，L单位为 μm。
L
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第 3 章场效应管
3.1.5 四种 MOS 场效应管比较
(铝层)和P型硅片相当于以二氧化硅为介质的平板电容
器，在vGS作用下，介质中便产生了一个垂直于半导体
表面的由栅极指向P型衬底的电场。该电场排斥空穴而吸引电子， s
VGS g
diD=0
留下不能移动的负离子，形成
耗尽层。当vGS达到一定数值时，电子在栅极附近的P型硅
表面便形成了一个N型薄层，
即反型层，它组成了源漏两极
⑶ 可变电阻区和饱和区的形成机制
当vGS=VGS>VTh，外加较小的vDS时，漏极电流iD将随
vDS上升迅速增大，图示OA段。
VDS
iD
iD/mA
可变电阻区饱和区
s
VGS g
d
迅速
增
大
vDS≤VGS-VTh vDS≥VGS-VTh B
A 预夹断点
vGS=VGS>VTh
截止区 vGS<VT
O
vDS/V
如果所加的vGS为负，则沟道中感应的电子减少，沟道变窄，从而使漏极电流减小。
当vGS为负电压到达某值时，以至感应的电子消失，耗尽区扩展到整个沟道，沟道完全被夹断。这时即使有漏极电压vDS，也不会有漏极电流iD，此时的栅源电压称为夹断电压（截止电压）VP 。
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3.1.4 沟道长度调制效应
在理想情况下，当MOSFET工作于饱和区时，漏极
电流iD与漏源电压vDS无关。而实际MOS管在饱和区的输出特性曲线还应考虑vDS
对沟道长度L的调制作用，当vGS固定，vDS增加时，iD 会有所增加。即输出特性的每根曲线会向上倾斜，因
此，常用沟道长度调制参数λ对描述输出特性的公式进
3.1.3 P沟道MOSFET
P沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完全相同，只不过导电的载流子不同，供电电压极性不同
而已。这如同双极型三极管有NPN型和PNP型一样。
SiO2 绝缘层
SiO2绝缘层中掺有负离子
d
g
B
s
电路符号
加电压才形成 P型导电沟道
P沟道增强型结构
d
予埋了P型导电沟道
MOS场效应管可变电阻区
饱和区/恒流区截止区
三极管
饱和区放大区截止区
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3.1.1 N沟道增强型MOSFET
⒈ 结构
源极S 栅极G 漏极D
栅极与源极、漏铝电极
SiO2绝缘层
极均无电接触，
故称绝缘栅极。
动画N沟道
d
增强型
g
U(衬底)
MOSFET
s 电路符号
预夹断的临界条件
为vGD=vGS-vDS=VTh 或vDS=vGS-VTh
的分界线。
iD/mA
可变电阻区饱和区
① 截止区
8
当vGS<VTh时，导电沟道尚未形成，iD= 0，为截止工作状态。
6 4 2
7V A
6V
B 5V
C 4V
D
vGS=3V
E 截止区
O
5 10 15 20 vDS/V
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第三章场效应管及放大电路
3.1 金属-氧化物-半导体(MOS)场效应管 3.2 MOSFET放大电路 3.3 结型场效应管(JFET)
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3.1 金属-氧化物-半导体场效应管
场效应管是一种利用电场效应来控制其电流大小的半导体器件。它不仅体积小、重量轻、耗电省、寿命长，且输入阻抗高、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强、制造工艺简单，因而应用广泛。
场效应管按结构分为：MOSFET和JFET。
MOSFET从导电载流子的带电极性看，有N(电子型)沟道和P(空穴型)沟道MOSFET；
按导电沟道形成机理不同，NMOS管和PMOS管又各有增强型(E型)和耗尽型(D型)。
MOSFET有四种：E型NMOS管、 D型NMOS管、
E型PMOS、D型PMOS。
间的N型(感生)导电沟道。
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vGS越大，则吸引到P型硅表面的电子就愈多，感生沟道将愈厚，沟道电阻的阻值将愈小。

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3-1 MOS场效应管(北邮)

在vDS由零增大时，S源区(N+ 区）的多数载流子(自由电子)漂移过导电沟道,
流向D漏区，形成电流 iD 。
vDS>0使栅、漏极间电压vGD=( vGS-vDS )＜vGS，使得导电沟道靠近漏极D
一侧吸引的电子少于源极S一侧。使导电沟道呈楔型状。
在导电沟道处于贯通的情况下，漏极电流 iD 与漏源电压vDS 呈二次函数关系。
夹断点向S源区方向移动。沟道长度有所缩短，源S、漏D间的耗尽区有所增长。
在vDS的作用下，自由电子由源区沿沟道向漏区方向运动，到达耗尽层夹断区，被耗尽层内电场作用继续向漏区方向漂移，形成漏极电流iD 。
预夹断后再增加vDS ，vDS主要降在夹断沟道的、呈高电阻的耗尽层部分，在剩余的沟道部分上的电场强度增加不多，因而，当vDS增大时，电流 iD 基本不变，略有增加。此状态对应输出特性曲线的饱和区。
vGS=定值(较小)
vDS
vDS
vGS
iD
S N＋
G
D
N＋
P型衬底
12
(2) 可变电阻区
iD
可
（近似线形区）、(三极管区)
变电
阻
导电沟道形成、楔形、预夹断前。区
饱和区
vGS=定值
(较大) 击穿区
vGS＞Vth , vGD＞Vth , vDS＜vGS-Vth
0
iD
=
kp 2
W L
[2(vGS
源极S 栅极G
漏极 D
铝
SiO2绝缘层
t 厚度 ox
耗尽层
N+
L
P 型衬底
衬底
N+
沟 W宽道度
B 衬底极
沟道长度

放大电路基础(3)-场效应管放大电路

1.3 分压式自偏压电路
VGSQ = VG − VS
= Rg2 Rg1 + Rg2 VDD − I DQ R
模拟电子技术第四讲(3)
计算Q点：已知VP，由
VGSQ = Rg2 Rg1 + Rg2 VDD − IDQR
Rd Rg1 C1 + vi Rg2
_
+ VDD C2 +
vo
d g
T
s
VP 可解出Q点的VGSQ 、 IDQ
vo = g m vgs ( R // RL )
得
vo g m ( R // RL ) Av = = vi 1 + g m ( R // RL )
vS -
Rg3 Rg2
C2 + vo R -
RL
画交流小信号等效电路
g
≈1
（2）输入电阻
RS
+
+
vi
-
Rg3
v gs
—
+
d
g mv gs
+
Ri ≈ Rg3 + ( Rg1 // Rg2 )
模拟电子线路第四讲(3) 放大电路基础之三
—场效应管放大电路
内容纲要
1 放大电路的静态分析 1 FET FET 放大电路的静态分析
2 放大电路的动态分析 2 FET FET 放大电路的动态分析
课本参考章节：5.2，5.3
模拟电子技术第四讲(3)
1 FET放大电路的静态分析
场效应管栅-源极间输入电阻很大，通常可达107~1015Ω，故可以认为栅-源极间开路，栅极电流Ig≈0。
VSQ = I DQ Rs
栅-源电压 VGSQ = VGQ − VSQ = 增强型MOS管的伏安方程

第3章场效应管

2阻区
0
放大区
10
20
截止区
电子技术基础
各区的特点：
6
可
变
① 可变电阻区
电4
阻
区2
a. uDS较小，沟道尚未夹断
0
10
b. uDS ＜ uGS- |UGS(th)|
c.管子相当于受uGS控制的压控电阻
2020年4月13日星期一
第 3章
20
电子技术基础
第 3章
② 放大区(饱和区、恒流区)
a. 沟道予夹断
2020年4月13日星期一
电子技术基础
第 3章
2. N沟道增强型管的工作原理
由结构图可见，N+型漏区和N+型源区之间被P型
衬底隔开，漏极和源极之间是两个背靠背的PN结。
S
D
当栅源电压UGS = 0 时，不管漏极和源极之间所加电压的极性如何，其中总有一个PN结是反向偏置的，反向电阻很高，漏极电流近似为零。
8(1
UGS 4
)2
C1 +
+
T
ui _
RG
+UGS_ RS
uo IS +CS _
解出 UGS1 = –2V、UGS2 = –8V、ID1=2mA、ID2=8mA 因UGS2 <UGS(off) 故舍去，
所求静态解为UGS = –2V ID=2mA、 UDS= 20 – 2（ 3 + 1 ）= 12 V
–
S
–
+G
+
D
iD>0
N+
N+
2020年4月13日星期一
uDS
P

电子技术基础第三章场效应管及其放大电路

• JFET是利用PN结反向电压对耗尽层厚度的控制，来改变导电沟道的宽窄，从而控制漏极电流的大小。
• 预夹断前iD与vDS呈近似线性关系；预夹断后， iD趋于饱和。
2019/10/20
思考：为什么JFET的输入电阻比BJT高得多？
场效应管的应用小结
• 一是当作压控可变电阻，即非线性电阻来使用， VGS的绝对值越大，导电沟道就越窄，对应的导电沟道电阻越大，即电压 V电G阻S控使制用电时阻，的导大电小沟，道管还子没工有作出在现可预变夹电断阻；区，当作压控可变
2019/10/20
场效应管的分类
场效应管 FET
结型
JFET
IGFET ( MOSFET ) 绝缘栅型
N沟道 P沟道增强型
耗尽型
2019/10/20
N沟道 P沟道
N沟道 P沟道
第二节结型场效应管(JFET)的结构和工作原理
一、结型场效应管的结构
二、结型场效应管的工作原理
三、结型场效应管的特性曲线及参数
UDS（sat） ≤│Up│。
JFET的三个状态
• 恒流区（放大区、饱和区） • 可变电阻区 • 截止区
2019/10/20
小结
• 沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电，所以场效应管也称为单极型三极管。
• JFET栅极与沟道间的PN结是反向偏置的，因此 iG0，输入电阻很高。
• JFET是电压控制电流器件，iD受vGS控制。
第一节场效应管概述第二节结型场效应管的结构和工作原理第三节绝缘栅场效应管的结构和工作原理第四节场效应管放大电路
2019/10/20
• 3-1 • 3-4 • 3-6 • 3-12
作业
2019/10/20

第三章场效应管及其放大电路

第三章场效应管及其放大电路1. JEFT 有两种类型，分别是N 沟道结型场效应管和P 沟道结型场效应管2. 在JFET 中：（1）沟道夹断：假设0=DS v ，如图所示。

由于 0=DS v ，漏极和源极间短路，使整个沟道内没有压降，即整个沟道内的电位与源极的相同。

令反偏的栅-源电压GS v 由零向负值增大，使PN 结处于反偏状态，此时，耗尽层将变宽；由于在结型场效应管制作中，P 区的浓度远大于N 区的浓度，所以，耗尽层主要在N 沟道内变宽，随着耗尽层宽度加大，沟道变窄，沟道内的电阻增大。

继续反响加大GS v ，耗尽层将在沟道内合拢，此时，沟道电阻將变的无穷大，这种现象成为沟道夹断（2）在DS v 较小时，DS v 的加大虽然会增大沟道内的电阻，但这种影响不是很明显，沟道仍处于比较宽的状态，即沟道的电阻在DS v 比较小的时候基本不变，此时加大DS v ，会使D i 迅速增加，D i 与DS v 近似为线性关系。

加大DS v ，沟道内的耗尽层会逐渐变宽，沟道电阻增加，D i 随DS v 的上升，速度会变缓。

当||P DSV v =时，楔形沟道会在A 点处合拢，这种现象称为预夹断。

3. 解：（1）（a ）为N 沟道场效应管（b ）为P 沟道场效应管（2）（a ）V V P4-= （b ）V V P 4= （3）（a ）A I DSS 5= （b ）A I DSS 5-=（4）电压DS v 与电流D i 具有相同的极性且与GS v 极性相反，因而，电压DS v 的极性可根据D i 或GS v 的极性判断4.解：当JFET 工作在饱和区时，有关系式：2)1(PGS DSS D V V I i -= 5. 解：在P 沟道JFET 中，要求栅-源电压GS v 极性为正，漏源电压DS v 的极性为负，夹断电源P V 的极性为正6. 解：MOS 型场效应管的详细分类7. 解：耗尽型是指，当0=GS v 时，即形成沟道，加上正确的GS v 时，能使对数载流子流出沟道，因而“耗尽”了载流子，使管子转向截止。

MOS场效应管放大电路解读

2.67K
五、应用举例
•
• 3、计算电压放大倍数 Au 。
•
Au
gmRS // RL
0.258 //1000
1 gmRS // RL 1 0.258 //1000
0.67
注意事项
(1)在使用场效应管时，要注意漏源电压 UDS、漏源电流ID、栅源电压UGS及耗散功率等值不能超过最大允许值。
• 从表中可以看出，rgs和rds数值很大，可以忽略；跨接在g~d之间的电容Cgd可以用与晶体管分析相同的方法折合到输入和输出回路：
•
•
Cgs Cgs (1 K )Cgd , (K gm RL )
•
Cds
Cds
K
•
1
C
gd
,
K
•
(K gm RL )
场效应管的高频等效模型
• 由于输出回路的时间常数比输入回路小得多，可忽
1.08
0
解之，得：ID1 1.52mA, ID2 0.535mA
由于I D1
1.52mA
I
，
DSS
不合
题意，舍去。故：
IDQ 0.535mA
UGSQ 1.08V
U DSQ VDD I DQ (RD RS )
16 0.535 (10 8) 6.37V
五、应用举例
• 2、计算输入电阻Ri和输出电阻RO Ri RG RG1 // RG2 1 0.16 // 0.04 1.03M RO RD 10K
(2)场效应管从结构上看漏源两极是对称的，可以互相调用，但有些产品制作时已将衬底和源极在内部连在一起，这时漏源两极不能对换用。
(3)结型场效应管的栅源电压UGS不能加正向电压，因为它工作在反偏状态。通常各极在开路状态下保存。

第三章放大电路-Q点稳定分析和五种组态

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3.2 放大电路的稳定偏置
设置静态工作点的电路称放大电路的偏置电路。设置静态工作点的电路称放大电路的偏置电路。对偏置电路的要求：对偏置电路的要求：提供合适的静态工作点Q 提供合适的静态工作点 Q，保证器件工作在放合适的静态工作点大模式。大模式。当环境温度等因素变化时，稳定电路的当环境温度等因素变化时，能稳定电路的Q点。电路的Q 当Q点过高或过低时，输出波形有可能产生饱和点过高或过低时，输出波形有可能产生饱和截止失真。或截止失真。
动态分析：动态分析：
ii rS u+ RB1 RB2 s rS u+ s + ui ib rbe RB RE RL
β ib
io + uo -
RE
RL
+ uo -
交流通路交流通路
微变等效电路 uo＜ ui
(1+ β)(RE // RL ) Au = rbe + (1+ β)(RE // RL )
+UCC RC C2 + RL + CE + uo –
RE1 RE2
解:
(1)由直流通路求静态工作点。 RB1 由直流通路求静态工作点。由直流通路求静态工作点
RB2 VBQ ≈ UCC = 3V RB1 + RB2
VBQ ?UBEQ ICQ ≈ IEQ = A = 0.8 m RE1 + RE2
2、自偏置电路
为什么加R 为什么加 G? 其数值应大 VDD 些小些？些小些？ ID R G RG RS S

电子技术基础第三章场效应管及其放大电路幻灯片PPT

场效应管的学习方法
• 学习中不要把场效应管与双极型三极管割裂开来，应注意比较它们的相同点和不同点。
• 场效应管的栅极、漏极、源极分别与双极型三极管的基极、集电极、发射极对应。
• 场效应管与双极型三极管的工作原理不同,但作用基本相同。
• 场效应管还可以当作非线性电阻来使用,而双极型三极管不能。
• JFET是利用PN结反向电压对耗尽层厚度的控制，来改变导电沟道的宽窄，从而控制漏极电流的大小。
• 预夹断前iD与vDS呈近似线性关系；预夹断后， iD趋于
饱和。
2021/5/24
思考：为什么JFET的输入电阻比BJT高得多？
场效应管的应用小结
• 一是当作压控可变电阻，即非线性电阻来使用， VGS的绝对值越大，导电沟道就越窄，对应的导电沟道电阻越大，即电压VGS
2021/5/24
场效应管的分类
场效应管 FET
结型
JFET
IGFET ( MOSFET ) 绝缘栅型
N沟道 P沟道增强型
耗尽型
2021/5/24
N沟道 P沟道 N沟道 P沟道
第二节结型场效应管(JFET)的结构和工作原理
一、结型场效应管的结构
二、结型场效应管的工作原理
三、结型场效应管的特性曲线及参数
2021/5/24
(4.3) UGS = -1伏、UDS的值继续增加
当 UDS 继续增加时，两边
PN 结相接的区域继续向源极方向扩展，此时导电沟道在靠近源极的区域依然存在，导电沟道对应的电阻比较小。漏极电流不
随UDS的增加而增加。
2021/5/24
(4.4）UGS = -1伏、UDS继续增加至出现PN结击穿

共源极场效应管放大电路

模拟电子技术
第3章场效应管及其应用
3.3.2 交流放大特性
Ri Rg3 ( Rg1 // Rg2 )
模拟电子技术
第3章场效应管及其应用
Hale Waihona Puke & & & g mU gs RL Uo Au & & & Ui U gs g mU gs RL g m RL 1 g m RL
U GS 2 I D I DO ( 1) (增强型MOS管） U GS(th)
U DS U DD I D ( Rd R)
模拟电子技术
第3章场效应管及其应用
3.2.3 交流放大特性
共源极场效应管微变等效模型
模拟电子技术
第3章场效应管及其应用
共源极场效应管放大电路的微变等效电路
式中RL ’ ＝RS∥RL 。输出电压与输入电压同相，且gm RL 所以Au小于1，但接近于1。
’
>>1，
模拟电子技术
第3章场效应管及其应用
Ri RG3 RG1 // RG 2
RO
1 1 gm RS
模拟电子技术
第3章场效应管及其应用
分析可知，源极输出器的特点：电压放大倍数小于且接近于1 输入电阻较高输出电阻较低。
模拟电子技术
第3章场效应管及其应用
3.2共源极场效应晶体管放大电路
3.2.1 电路结构
模拟电子技术
第3章场效应管及其应用
3.2.2 直流静态工作点(P84)
U GS U G U S
Rg2 Rg1 Rg2
U DD I D RS
U GS 2 I D I DSS (1 ) (JFET和耗尽型MO S管) U GS(off)

场效应管放大电路

场效应管放大电路场效应管放大电路与双极型晶体管放大电路类似，也有与之对应的三种基本组态：共源（共射）、共漏（共集）和共栅极（共基极）。

1.直流偏置及静态分析场效应管放大电路有两种常用的直流偏置方式：自给偏压和分压式偏置。

由于耗尽型（包括结型）管子在时就有漏极电流，利用这一电流在源极电阻上产生的电压给管子供应直流偏置，因此自给偏压仅适合于耗尽型管子。

分压式偏置方式，利用分压电阻供应的栅极直流电位和源极电阻上产生的直流压降共同建立栅源间极的直流偏置。

调整分压比可以使偏置电压为正或为负，使用敏捷，适合于各种场效应管。

场效应管放大电路的静态分析有图解法和解析法两种。

图解法与双极型晶体管放大电路的图解法类似，读者可对比学习。

解析法是依据直流偏置电路分别列出输入、输出回路电压电流关系式，并与场效应管工作在恒流区（放大区）漏极电流和的关系联立求解获得静态工作点。

2.动态分析场效应管放大电路的动态分析也有图解法和微变等效电路法两种。

它与双极型晶体管放大电路的分析法类似，读者可对比学习。

在双极型晶体管放大电路动态分析中，通常给出了管子的β值，而在场效应管放大电路分析中则需要利用解析法计算跨导gm。

例如耗尽型管子的由下式求得：上式表明gm与IDQ有关，IDQ越大，gm也就越大。

3.三种基本放大电路的特点场效应管放大电路的组态判别与双极型晶体管放大电路类似此处不再赘述。

三种基本放大电路的性能特点如表1所示。

表1 场效应管三种基本放大电路的性能特点共源极共漏极共栅极输入电阻大大小输出电阻较大小较大电压放大倍数大小于等于1大uo与ui的相位关系反相同相同相。

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