场效应晶体管和基本放大电路

场效应管和基本放大电路
模拟电子技术基础
第三章
作业
习题 3-3、3-4、3-7、3-11

注：删除图3-25中漏极电阻
电子学教研室
0
2019/2/12
重点和难点
模拟电子技术基础
第三章
重点
理解场效应管的工作原理；掌握场效应管的外特性及主要参数；掌握场效应管放大电路静态工作点与动态参数（Au、Ri、Ro）的分析方法。
7
d
iD UDS
s 随着UDS 的增加， ID近似线性增加,d-s间呈电阻特性。
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第三道宽。章电子学教研室
预夹断时，导电沟道内仍有电流ID ，且UDS增大时 ID几乎不变，此时的ID称为“饱和漏极电流IDSS”
模拟电子技术基础
第三章
随着UDS 增加ID增大。
d
模拟电子技术基础
第三章
ｇ、ｓ间的负电压使导电沟道变窄（等宽）ｄ、ｓ间的正电压使沟道不等宽
UGS s g
ID
UDS
UGS 增加，导电沟道变窄，沟道电阻增大，同样 UDS 的产生的ID减小。
电子学教研室 9
2019/2/12
d
ID
UDS
模拟电子技术基础
第三章
耗尽层 g N P+
(保证耗尽层承受反向电压)
漏-源之间加正向电压，
(以形成漏极电流）
导电沟道 s 结构示意图
电子学教研室
这样既保证了栅源之间的电阻很高，又实现了 ugs 对沟道电流iD的控制。
5 2019/2/12
模拟电子技术基础
第三章
此时ＵGS的值 1)ｇ、ｓ间和ｄ、ｓ间短路为夹断电压２)ｇ、ｓ间加负电压和ｄ、ｓ间短路 UGS（off）
第三章
2) 可变电阻区：预夹断轨迹左边区域。条件： UGD> UGS（off）特点：可通过改变 UGS 大小来改变漏源间电阻值。预夹断轨迹：通过连接各曲
线上UGD= UGS（off）的点而成。
电子学教研室 13 2019/2/12
模拟电子技术 3)恒流区：预夹断轨迹右边区域。基条件： U < U GD GS（off）础
第三章特点： ID只受UGS 控制
电子学教研室
14
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模拟电子技术基础
第三章
4)击穿区：UDS增加到一定程度，电流急剧增大。
电子学教研室
15
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（2）转移特性
模拟电子技术基础
第三章
ID = f (UGS )|UDS = 常数
反映了UGS对ID控制作用
电子学教研室 2 2019/2/12
结型场效应管模拟电子技术基础
第三章
N 沟道和P沟道
源极S 栅极G 漏极D
1. 结型场效应管的结构
N沟道结型场效应管是在同一块 N 型半导体上制作两个高掺杂的 P 区，将它们连接在一起引出电极栅极g。N 型半导体分别引出漏极 d 、源极 s ， P 区和 N 区的交界面形成耗尽层。源极和漏极之间的非耗尽层称为导电沟。
ID /mA
UGS(off)
0 转移特性
电子学教研室
16
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模拟电子技术基础
第三章
转移特性曲线与输出特性曲线有严格的对应关系 ID /mA ID /mA UGS =0V 4 4 IDSS – 1V 3 3 UGS=0时产生预夹断时 –2 2 2 的漏极电流 –3V 1 1 –4V 0 –4–3–2–1 0 4 12 8 UGS(off) UDS=8V 转移特性输出特性
难点
通过外部电压对导电沟道的控制作用来说明结型场效应管及绝缘栅型场效应管的工作原理。
电子学教研室 1 2019/2/12
3.1场效应晶体管
模拟电子技术基础
第三章场效应管(FET)：是利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件。输入回路内阻很高 (107~1012) ，热稳定性好，噪声低，比晶体管耗电小，应用广泛。仅靠多数载流子导电，又称单极型晶体管。分类：结型(JFET) 绝缘栅型(IGFET)
耗尽区很窄, 导电沟道宽
| UGS |增大，耗尽区增宽，沟道变窄，沟道电阻增大。
6
| UGS |增加到某一数值, 耗尽区相接,沟道消失,沟道电阻趋于无穷大，沟道夹断
2019/2/12
电子学教研室
3)ｇ、ｓ间短路，ｄ、ｓ间加正向电压
模拟电子技术基础
UDS 的作用产生漏极电流 ID ，使沟道中各点和栅极间的电压不再相 g 等，近漏极电压最大，近源极电压最小。导电沟道宽度不再相等，近漏极沟道窄，近源极沟
电子学教研室 3
SiO2
N P N P
N沟道结构示意图
N
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第三章
结型场效应管的符号
d g g
d
s
N沟道符号P沟道符号s电子学教研室4
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2.工作原理—电压控制作用（以N沟道为例）模拟电子技术基础
第三章正常工作时在栅-源之间加负向电压，
沟道在漏极处，越来越窄。
d d
A
ID iD
UDS
UGD = UGS - UDS = –UDS
g 当 UDS 增加到 |UGS(off)| 漏极附 g
A'
近的耗尽区相接，称为预夹断。
UDS再增加，夹断区长度增加
UDS
（AA'）。
电子学教研室 8
ss
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3)ｇ、ｓ间加负向电压，ｄ、ｓ间加正向电压
（1）输出特性曲线
ID = f (UDS )|UGS = 常数
电子学教研室
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第三章
1)夹断区（截止区）：
导电沟道全部夹断
条件：｜UGS｜｜UGS（off）｜
UGS ≤ UGS（off）
特点： ID 0
电子学教研室
12
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模拟电子技术基础
由于 UDS 的增加几乎全部落在夹断区，漏极电流ID基本保持不变。
UGS
g
ID可以认为仅仅决定于 UGS ，表现出恒流特性。
称场效应管为电压控制元件。
电子学教研室
s
可变电阻区
恒流区
10
夹断区
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3.结型场效应管的特性
模拟电子技术基础
第三章输出特性和转移特性因场效应管栅极电流几乎为零，不讨论输入特性。

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场效应管原理及放大电路

图6-47 分压式偏置电路
/info/flashshow/0079614.html（第 8／10 页）2010-9-6 19:00:12
场效应管原理及放大电路
图6-47为分压式偏置电路，RG1和RG2为分压电阻。栅-源电压为(电阻RG中并无电流通过) (6-24) 式中，UG为栅极电位。对N沟道耗尽型场效应管，UGS为负值，所以RSID＞UG；对N沟道增强型场效应管，UGS为正值，所以RSID＜UG。当有信号输入时，我们对放大电路进行动态分析，主要是分析它的电压放大倍数及输入电阻与输出电阻。图6-48是图6-47所示分压式偏置放大电路的交流通路，设输入信号为正弦量。在图6-47的分压式偏置电路中，假如RG= 0，则放大电路的输入电阻为
故其输出电阻是很高的。在共源极放大电路中，漏极电阻RD和场效应管的输出电阻rDS是并联的，所以当rDS ro≈RD (6-26)
RD时，放大电路的输出电阻
这点和晶体管共发射极放大电路是类似的。输出电压为 (6-27) 式中，由式(6-23)得出。
电压放大倍数为
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场效应管原理及放大电路
图6-43 N沟道耗尽型场效应管的输出特性曲线
图6-44 N沟道耗尽型场效应管的转移特性曲线以上介绍了N沟道绝缘栅场效应增强型和耗尽型管，实际上P沟道也有增强型和耗尽型，其符号如图6-45所示。
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场效应管原理及放大电路
(6-28) 式中的负号表示输出电压和输入电压反相。【例6-7】在图6-47所示的放大电路中，已知UDD=20 V，RD=10 kΩ，RS=10 kΩ，RG1=100 kΩ，RG2=51 kΩ，RG=1 MΩ，输出电阻为RL=10 kΩ。场效应管的参数为IDSS=0.9 mA，UP= 4 V，gm=1.5 mA。试求：(1)静态值；(2)电压放大倍数。解：(1) 由电路图可知

场效应管及其放大电路(5)

氧化硅，故又称金属-氧化物-半导体场效应管，简
称MOS场效应管。
源极S 栅极G 漏极D
金属电极
SiO2绝缘层
符号： D
G
P型硅衬底
高掺杂N区
S 由于栅极是绝缘的，栅极电流几乎为零，输入电
阻很高，最高可达1014 。
2021/4/3
3
(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
当UGS UGS(th）后，场效应管才形成导电沟道，
开始导通，若漏–源之间加上一定的电压UDS，则有漏极电流ID产生。在一定的UDS下漏极电流ID 的大小与栅源电压UGS有关。所以，场效应管是
一种电压控制电流的器
件。
–ED +
S
EG
–UG+S G
D
N+
N+
P型硅衬底
N型导电沟道
在一定的漏–源电压UDS下，使管子由不导通变为导通的临界栅源电压称为开启电压UGS(th）。
输出电阻
ri RG ( RG1 // RG2) rO RD
RG是为了提高输入电阻ri 而设置的。
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24
由于晶体管的输出特性具有恒流输出特性，漏
源电阻(即场效晶体管的输出电阻)：
rds
ID/mA
ΔU DS ΔI D
uGS C
rds是很高的，在共源极放大电路中，漏级电阻RD与管子的输出电阻rds并联。
增尽强型型：：当当UGUS＝GS＝0时0时，，存没在有导导电电沟沟道道，，IDI0D＝。0。耗
2021/4/3
16
3. 场效应管的主要参数
(1) 开启电压 UGS(th)：是增强型MOS管的参数

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
1
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

第四章场效应晶体管及其放大电路

ID
IDSS(1源自U GS U GS(off)
)
2
3. 结型场效应管
结型场效应管的特性和耗尽型绝缘栅场效应管类似。图4-7 a)、 b) 分别为Ｎ沟道和Ｐ沟道的结型场效应管图形符号。
图4-7
使用结型场效应管时，应使栅极与源极间加反偏电压，漏极与源极间加正向电压。对于Ｎ沟道的管子来说，栅源电压应为负值，漏源电压为正值。
图4-1
（1）工作原理
增强型MOS管的源区(N+)、衬底(P型)和漏区(N+)三者之间形成了两个背靠背的PN+结，漏区和源区被P型衬底隔开。
当栅-源之间的电压 uGS 0时，不管漏源之间的电源VDD 极性如何，总有一个PN+结反向偏置，此时反向电阻很高，不能形成导电通道。
若栅极悬空，即使漏源之间加上电压 uDS，也不会产生漏极电流 iD ，MOS管处于截止状态。
2) 输出特性曲线 I D f (U DS ) UGS常数
图4-4b)是N沟道增强型MOS管的输出特性曲线，输出特性曲线可分为下列几个区域。
① 可变电阻区
uDS很小时，可不考虑 uDS 对沟道的影响。于是 uGS一定时，沟道电阻也一定，故 iD 与 uDS 之间基本上是线性关系。
uGS 越大，沟道电阻越
的变化而变化，iD 已趋于饱和，具有恒流性质。所以这个区域又称饱和区。
③ 截止区
uGS UGS(th)时以下的区域。
（夹断区）
当uDS增大一定值以后，漏源之间会发生击穿，漏极电流 iD急剧增大。
2. N沟道耗尽型绝缘栅场效应管的结构
上述的增强型绝缘栅场效应管只有当 uGS U GS(th) 时才能形成导电沟道，如果在制造时就使它具有一个原始导电沟道，这种绝缘栅场效应管称为耗尽型。

场效应晶体管及其放大电路

为同极性偏置
场效应管放大
➢结型场效应管为
反极性偏置
电路
C1 vI RG
TRL vO
➢耗尽型MOS场效
应管两者均可自给偏压适用于结型或耗尽型管
自给偏压式偏置(二)
VDD
C1
RD RCD 2 DT
vI RG RGS vs VGSO
B SCS
RL
VDD 在本集级成放大电电路RD中路的，VDD
截止区：vGS VGS (off )
第一
可变电阻区：
节：
vGS VGS (off )
场
0 vDS (vGS VGS (off ) )
饱和(恒流)区：
效应管
vGS VGS (off ) vDS (vGS VGS (off ) )
iD
kp 2
W L
(vGS
VGS (off ) )2
饱和漏极电流
iD / mA
节：
结
变 I DSS 电
vGS 0V
恒 1 击
I DSS
型
场
效
阻区
流区
2 3
穿夹断电压区
应管
4 vDS /V
VGS (off )
vGS /V 0
场效应管的微变信号模型
源极栅极漏极
SGD
g
SiO2
耗尽层
Vgs
N
N
P型衬底 B
g
Vgs
Cgb
s
gmVgs
sb
输入端直流偏置
vO vo
通的必电常要输平CGR由时出移1 G提动前加DS供单级入B 电直元，路流vo v称i 这R种2 偏置RS方式

第4章场效应管及其基本放大电路

恒流区
IDSS/V
G
D S
+
-
VGG
+
V uGS
VDD
-
O
UGS = 0V -1 -2 -3 -4 -5 -6 夹断区 -7 U P 8V
击穿区
uDS /V
特性曲线测试电路
漏极特性
漏极特性也有三个区：可变电阻区、恒流区和夹断区。
各类场效应管的符号和特性曲线种类结型耗尽 N 沟道型结型耗尽 P 沟道型绝缘增栅型强 N 沟道型符号
S
S
VGG
(c) UGS ＜UGS(off)
(b) UGS(off) < UGS < 0
（2）漏源电压uDS 对漏极电流iD的控制作用
uGD ＝ uGS －uDS (a)
P+
D
iD
(b)
D
iD
G
N
P+
VDD
+ P+ GP N
P+
VDD
S iS uGS = 0，uGD > UGS（Off) ，iD 较大。
uDS /V
O
UT 2UT
uGS /V
二、N 沟道耗尽型 MOSFET
制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子，这些正离子电场在 P 型衬底中“感应”负电荷，形成“反型层”。即使 UGS = 0 也会形成 N 型导电沟道。 UGS = 0，UDS > 0，产生较大的漏极电流； UGS < 0，绝缘层中正离子感应的负电荷减少，导电沟道变窄，iD 减小； UGS = UP , 感应电荷被 “耗尽”，iD 0。
导电沟道是 N 型的，称 N 沟道结型场效应管。

场效应晶体管及其放大电路PPT

（3）在N沟道JFET中，uGS和UGS（off）均为负值。
在P沟道JFET中，uGS和UGS（off）均为正值。
3.1.3
结型场效应管的伏安特性
+ + – –
在正常情况下，iG =0，管子无输入特性。
1．输出特性（漏极特性）
+ +
6
4
2
可变电阻区
–
–
放大区
特性曲线
0
10
20
截止区
6
（2）当管子工作于恒流区时，转移特性曲线基本重合。
I DSS
当管子工作于恒流区时
uGS 2 iD I DSS (1 ) U GS(off)
I DSS iD uGS 0 V
uDS U GS(off)
称为零偏漏极电流
3.1.4
结型场效应管的主要电参数
1．直流参数
(1) 夹断电压UGS(off)
=0
G D
+ + P P
UGS(off)——
栅源截止电压或夹断电压
N型导电沟
N
道
P+
当uDS=0时，uGS对沟道的控制作用动画演示
2．当uGS =0时，uDS对沟道的控制作用 – S =0 G + D
P+
N型导电沟
N
道
P+
a．0<uDS<|UGS(off)|
(a) 漏极电流iD≠0 uDS增大，iD增大。 (b) 沿沟道有电位梯度 (c)沿沟道PN结反偏电压不同
– S =0 G
+ D
P+
N型导电沟
uDS 道
N

晶体管及其小信号放大-场效应管放大电路

传感器信号的特点
传感器输出的信号通常比较微弱，容易受到噪声干扰的影响。为了准确获取传感器数据，需要使用晶体管和场效应管放大电路对信号进行放大和噪声抑制。
放大电路的作用
通过适当的信号放大，可以增强传感器信号的强度，降低噪声干扰的影响，提高信号的信噪比，从而获得更准确、可靠的传感器数据。
THANKS
3
图解分析法
通过图形直观地分析晶体管的工作状态和性能指标。
03
场效应管放大电路
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
ERA
场效应管放大原理
场效应管通过改变输入电压来控制输出电流，从而实现放大功能。
场效应管具有输入阻抗高、噪声低、热稳定性好等优点，适用于
小信号放大。
无线通信系统中的信号放大
无线通信系统
在无线通信系统中，信号传输距离较远，信号强度会逐渐减弱。为了确保信号的稳定传输，需要使用晶体管和场效应管放大电路对信号进行放大。
信号质量与可靠性
通过适当的信号放大，可以增强无线信号的强度，提高信号传输的可靠性和稳定性，确保通信系统的正常运行。
传感器信号的放大处理
输出级
负责将放大的信号进行功率放大，提供足够的输出功率。
电压放大级
位于输入级和输出级之间，对信号进行进一步放大。
偏置电路
为晶体管提供合适的静态工作点，确保放大器正常工作。
晶体管放大电路的分析方法
1 2
直流通路分析法
在静态工作点下分析电路的直流工作状态和性能指标。
交流通路分析法
在动态工作状态下分析电路的交流工作状态和性能指标。
场效应管放大电路的放大倍数由场效应管的跨导和电阻决定。

场效应晶体管放大电路

使继电器动作，路灯不会熄灭。一旦输出功率达到继电器的动作功率，路灯电源断开，即使光照再强，输出功率再大，也没什么作用。因此可根据实际需要，来规定放大器应有的输出功率，通常称为额定输出功率。 • 2.具有足够的放大倍数 • 放大倍数是衡量放大电路放大能力的重要参数。放大器的输入信号十分微弱，如果要使它的输出达到额定功率，就要求放大器具有足够的电流、电压或功率放大倍数。 •
• 类似的电路也可用于机床的安全保护，如果人手伸入了危险部位，挡断了光源，控制电路就马上动作，切断电源，保护操作人员。形形色色的半导体敏感器件配合晶体管的放大作用，构成了电工设备中各种各样的控制电路。
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第一节放大器的基本概念
• 图7一2所示的电路接有12V电源，放大器接电源才能工作。电路中的硅光电池只提供了微小的晶体管基极电流，使继电器动作所需的较大电流即晶体管集电极电流不是硅光电池提供的，而是从电源供给发射极，从发射极流到集电极再流过继电器的。使继电器动作的输出功率比硅光电池输入的功率大得多，它是从电源所提供的电能中转化来的。由于基极电流对集电极电流有控制作用，所以硅光电池能以微小的功率变化来控制由电源提供给继电器的较大功率变化。
• 放大电路的核心是晶体管，晶体管的三个电极可分别作为输入信号和输出信号的公共端，所以就有共发射极、共集电极和共基极三种接法，如图7一3所示。本章主要讨论共发射极和共集电极两种放大电路。
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第一节放大器的基本概念
• 二、放大电路的要求 • 1.有一定的输出功率 • 在路灯自动开关的实例中，当光照很弱时，电路的输出功率不足以
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第一节放大器的基本概念
• 3.失真要Biblioteka • 凡包含放大器的仪器设备，如示波器、扩音机等，都要求输出信号

模拟电路场效应管及其基本放大电路

UGS(off)
信息技术学院
3. 特性
（1）转移特性
在恒流区
uGS 2 iD I DSS (1 ) U GS(off)
漏极饱和电流
(U GS (off ) uGS 0)
夹断电压
信息技术学院
（2）输出特性
iD f (uDS ) U GS 常量
IDSS g-s电压控制d-s的等效电阻
信息技术学院
P 沟道场效应管 D
P 沟道场效应管是在 P 型硅棒的两侧做成高掺杂的 N 型区(N+)，导电沟道为 P 型，多数载流子为空穴。 d
P G
N+ 型沟道 N+
g
S
s 符号
信息技术学院
2. 工作原理
（1）栅-源电压对导电沟道宽度的控制作用
uDS=0
UGS（off）
沟道最宽 (a)uGS = 0
2)耗尽型MOS管
夹断电压
信息技术学院
各类场效应管的符号和特性曲线
种类结型 N 沟道符号 D 转移特性 ID /mA IDSS 漏极特性 UGS= 0V
ID
-
G
S D
UGS(off) O
UGS
O + + + ID O
o
UDS
ID
结型
P 沟道
O UGS(off) UGS
G
IDSS
S D B
iD f (uGS ) U DS 常量
当场效应管工作在恒流区时，由于输出特性曲线可近似为横轴的一组平行线，所以可用一条转移特性曲线代替恒流区的所有曲线。输出特性曲线的恒流区中做横轴的垂线，读出垂线与各曲线交点的坐标值，建立uGS，iD坐标系，连接各点所得的曲线就是转移特性曲线。

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