第3章 场效应管及其放大电路

null《模拟电子技术》《模拟电子技术》主讲：王彦 武汉铁路职业技术学院 二00七年四月第3章 场效应管放大电路 第3章 场效应管放大电路 本章主要内容： 3.1 绝缘栅场效应管 3.2 结型场效应管 3.3 场效应管的比较 3.4 场效应管的主要参数及使用注意事项 3.5 场效应管放大电路 3.6 本章小结 3.1 绝缘栅场效应管3.1 绝缘栅场效应管场效应管的分类：3.1 绝缘栅场效应管3.1 绝缘栅场效应管3.1.1 N沟道增强型MOS管 3.1.2 N沟道耗尽型MOS管3.1.1 N沟道增强型MOS管3.1.1 N沟道增强型MOS管一、结构及符号 N沟道增强型MOS管的结构示意图3.1.1 N沟道增强型MOS管3.1.1 N沟道增强型MOS管 增强型MOS管的电路符号3.1.1 N沟道增强型MOS管3.1.1 N沟道增强型MOS管二、工作原理 N沟道增强型MOS管的基本工作原理 3.1.1 N沟道增强型MOS管3.1.1 N沟道增强型MOS管由上图可以得出结论: （1）UGS对沟道的影响 UGS＝0时，导电沟道不存在， ID=0 ； UGS＜ UT时，导电沟道不存在， ID=0； UGS≥ UT时，导电沟道存在， ID≠0；3.1.1 N沟道增强型MOS管3.1.1 N沟道增强型MOS管（2）ID与UGS、UDS之间的关系 在满足UGS≥UT，且UGS为某一固定值的条件下： 当UDS较小（UGS－UDS＞UT）时，沟道存在，ID随UDS线性变化。 当UDS较大（UGS－UDS≤UT）时，沟道预夹断，ID几乎不随UDS变化。 3.1.1 N沟道增强型MOS管3.1.1 N沟道增强型MOS管三、特性曲线 （1）转移特性曲线 所谓转移特性曲线，就是输入电压uGS对输出电流iD的控制特性曲线。 3.1.1 N沟道增强型MOS管3.1.1 N沟道增强型MOS管（2）输出特性曲线 输出特性是表示 在UGS一定时，iD与 uDS之间的关系，是 所表示的关系曲线.3.1.1 N沟道增强型MOS管3.1.1 N沟道增强型MOS管在输出曲线中： ①截止区 条件：UGS＜UT时对应的区域。 特点：无导电沟道，iD≈0，截止状态。 ②可变电阻区 条件：UGS－UDS＞UT。 特点： UGS一定时， iD与u DS呈现线性关系；改变UGS，即改变线性电阻大小。 ③恒流区 条件：UGS≥UT，且UGS－UDS＜UT。 特点：曲线呈近似水平，uDS对iD的影响很小。 3.1.2 N沟道耗尽型MOS管3.1.2 N沟道耗尽型MOS管N沟道耗尽型MOS管的结构示意图与电路符号 一、结构及符号3.1.2 N沟道耗尽型MOS管3.1.2 N沟道耗尽型MOS管 N沟道耗尽型MOS管的特性曲线 二、特性曲线3.2 结型场效应管 (JFET)3.2 结型场效应管 (JFET)3.2.1 JFET结构和符号 3.2.2 JFET的工作原理 3.2.3 JFET伏安特性曲线 3.2.1 JFET的结构与符号3.2.1 JFET的结构与符号一、结构及符号N沟道结型场效应管的结构示意图和符号 3.2.1 JFET的结构与符号3.2.1 JFET的结构与符号 P沟道结型场效应管的结构示意图和符号 3.2.2 JFET的工作原理3.2.2 JFET的工作原理一、 UGS对ID的控制作用 UGS对ID的控制作用原理图3.2.2 JFET的工作原理3.2.2 JFET的工作原理（1）UGS=0时，沟道存在且很宽。 （2）UP＜UGS＜0时，沟道存在但变 窄，沟道电阻增大。 （3）UGS≥ UP时，沟道夹断。由上图可得：3.2.2 JFET的工作原理3.2.2 JFET的工作原理 改变栅源电压UGS的大小，可以 有效地控制沟道电阻的大小。 如果在漏源间加上固定电压UDS，则漏极到源极的电流ID将受到UGS的控制，|UDS|增大时，沟道电阻增大，电流ID减小。 3.2.2 JFET的工作原理3.2.2 JFET的工作原理二、 UDS对ID的控制作用 UDS对ID的控制作用 原理图3.2.2 JFET的工作原理3.2.2 JFET的工作原理 在UGS=0时保证沟道存在的条件下： （1）UDS＜│UP│，沟道存在。 （2）UDS=│UP│ ，沟道临界预夹断。 （3）UDS＞│UP│ ，沟道夹断变深。 3.2.3 JFET的伏安特性曲线3.2.3 JFET的伏安特性曲线一、转移特性曲线 转移特性曲线是输入电压uGS对输出电流iD的控制特性曲线。 3.2.3 JFET的伏安特性曲线3.2.3 JFET的伏安特性曲线二、输出特性曲线 输出特性表示在UGS一定时，iD与uDS之间的关系曲线.3.2.3 JFET的伏安特性曲线3.2.3 JFET的伏安特性曲线N沟道结型场效应管的三种工作区： （1）夹断区 条件：UGS≤UP 特点：沟道不存在，ID=0。 （2）恒流区 条件：UGS- UDS ＜UP 特点： ID 不随UDS变化，而受UGS控制。 （3）可变电阻区 条件：UGS- UDS ＞UP 特点： ID受UDS控制，且成线性关系。3.2.3 JFET的伏安特性曲线3.2.3 JFET的伏安特性曲线 结论： （1）结型效应管工作时，其栅极与沟道之间的PN结外加反向偏置，以保证有较高的输入电阻。 （2）结型效应管是电压控制电流器件，iD受uGS控制。 （3）预夹前，iD随uDS线性变化；预夹断后，iD趋于饱和。3.3 场效应管的比较 3.3 场效应管的比较 3.3.1 场效应管与三极管的比较 3.3.1 场效应管和三极管比较3.3.1 场效应管和三极管比较（1）场效应管是一种压控器件，由栅源电压UGS来控制漏极电流ID；而晶体三极管是电流控制器件，通过基极电流IB控制集电极电流IC。 （2）场效应管参与导电的载流子只有多子，称为单极性器件；而晶体三极管除了多子参与导电外，少子也参与导电，称为双极性器件。 　　　因此，场效应管受温度、辐射等激发因素的影响小，噪声系数低；而晶体三极管容易受温度、辐射等外界因素影响，噪声系数也大。3.3.1 场效应管和三极管比较3.3.1 场效应管和三极管比较（3）场效应管直流输入电阻和交流输入电阻都非常高，可达数百兆欧以上；三极管的发射结始终处于正向偏置，总是存在输入电流，因此基极b与发射极e间的输入电阻较小，一般只有几百欧至几十千欧。 （4）场效应管的跨导较小，当组成放大电路时，在相同的负载电阻下，电压放大倍数比晶体三极管低。 3.3.1 场效应管和三极管比较3.3.1 场效应管和三极管比较（4）场效应管的结构对称，漏极和源极可以互换使用，而各项指标基本上不受影响。如果制造时场效应管的衬底与源极相连，其漏极与源极是不可以互换使用的。但晶体三极管的集电极与发射极是不能互换使用的。 （5）场效应管的制造工艺简单，有利于大规模集成。特别是MOS电路，每个MOS场效应管的硅片上所占的面积只有晶体三极管的5%，因此集成度更高。此外，场效应管还有制造成本低、功耗小等优点。 3.4 场效应管主要参数及 使用注意事项 3.4 场效应管主要参数及 使用注意事项 3.4.1 场效应管的主要参数 3.4.2 场效应管的检测及注意事项 3.4.1 场效应管的主要参数3.4.1 场效应管的主要参数1．夹断电压UP 2．开启电压UT 3．漏极饱和电流IDSS 4．击穿电压U（BR）DS 5．直流输出电阻RGS 3.4.1 场效应管的主要参数3.4.1 场效应管的主要参数6．交流输出电阻rd 输出电阻的定义用公式表示为： 7．低频互导（跨导）gm3.4.1 场效应管的主要参数3.4.1 场效应管的主要参数8．最大耗散功率PDM PDM=iD×uDS 除了以上参数外，场效应管还有噪声系数、高频参数、极间电容等其他参数。一般情况下，场效应管的噪声系数很小，极间电容较大。3.4.2 场效应管的检测及 使用注意事项3.4.2 场效应管的检测及 使用注意事项一、检测 由于绝缘栅型（MOS）场效应管输入电阻很高，不宜用万用表测量，必须用测试仪测量，而且测试仪必须良好接地，测试结束后应先短接各电极放电，已防外来感应电势将栅极击穿。 3.4.2 场效应管的检测及 使用注意事项3.4.2 场效应管的检测及 使用注意事项二、使用注意事项 （1）在MOS管中，有的产品将衬底引出，这种管子有4个管脚，应注意衬底的使用。 （2）注意MOS管的漏极和源极是否可互换使用。 （3）存放时应将各电极引线短接。3.4.2 场效应管的检测及 使用注意事项3.4.2 场效应管的检测及 使用注意事项（4）焊接时，电烙铁必须有外接地线，以屏蔽交流电场，防止损坏管子。 （5）结型场效应管栅极与源极之间的PN结不能加正向电压，否则烧坏管子。 （6）在使用场效应管时，要注意漏-源电压、漏极电流及耗散功率等，不要超过规定的最大允许值。 3.5 场效应管放大电路 3.5 场效应管放大电路 3.5.1 场效应管的直流偏置电路及 静态工作点 3.5.2 场效应管微变等效电路分析 3.5.1 场效应管的直流偏置电 路及静态工作点3.5.1 场效应管的直流偏置电 路及静态工作点 根据输入、输出回路公共端选择不同，将场效应管放大电路分成共源、共漏和共栅3种组态。由于场效应管具有输入电阻高的特点，一般很少将场效应管接成共栅组态的放大电路。 通常场效应管设置偏置的方式有两种，即自给偏压电路和分压式偏置电路。3.5.1 场效应管的直流偏置电 路及静态工作点3.5.1 场效应管的直流偏置电 路及静态工作点一、自给偏压电路 通过Rg将Rs两端的直流电压加到G-S之间，因栅极电流IG≈0: UGS=VG－IDRs ≈－IDRs 3.5.1 场效应管的直流偏置电 路及静态工作点3.5.1 场效应管的直流偏置电 路及静态工作点 确定静态一般可采用两种方法：图解法和估算法。 （1）图解法 思路：ID与UGS是线性关系，通过作图求出Q点坐标值（UGSQ，IDQ）， 然后再列出输出回路的电压方程： UDSQ=VCC－IDQ（Rd+Rs） 3.5.1 场效应管的直流偏置电 路及静态工作点3.5.1 场效应管的直流偏置电 路及静态工作点具体步骤： 图解法分析静态工作点 3.5.1 场效应管的直流偏置电 路及静态工作点3.5.1 场效应管的直流偏置电 路及静态工作点（2）计算法 静态时有： （A） 由输入回路得： UGS=VG－IDRs ≈－IDRs （B） 由A、B即可求得静态时的IDQ和UGSQ值，再由输出回路列出电压方程，代入之后即可求得UDSQ值。3.5.1 场效应管的直流偏置电 路及静态工作点3.5.1 场效应管的直流偏置电 路及静态工作点二、分压式偏置电路 该放大电路静态工作点的计算仍可采用图解法或计算法求出。3.5.2 场效应管的微变等效 电路分析3.5.2 场效应管的微变等效 电路分析一、场效应管的微变等效电路 场效应管微变等效电路 由伏安特性曲线可得：3.5.2 场效应管的微变等效 电路分析3.5.2 场效应管的微变等效 电路分析二、共源极放大电路 典型共源放大电路的微变等效电路如图。3.5.2 场效应管的微变等效 电路分析3.5.2 场效应管的微变等效 电路分析（1）电压放大倍数Au （2）输入电阻ri （3）输出电阻ro ro=Rd 3.5.2 场效应管的微变等效 电路分析3.5.2 场效应管的微变等效 电路分析三、共漏极放大电路（源极输出器）3.5.2 场效应管的微变等效 电路分析3.5.2 场效应管的微变等效 电路分析（1）电压放大倍数Au （2）输入电阻ri （3）输出电阻ro 3.6 本章小结 3.6 本章小结 一、场效应管的特点、种类和工作原理 （1）基本特点 ①是一种电压控制器件，利用栅源电压来控制漏极电流的。 ②输入电阻非常大。 ③场效应管仅有一种载流子（多数载流子）参与导电，其温度稳定性高，噪声系数小。3.6 本章小结3.6 本章小结（2）主要类型 （3）基本工作原理 通过外加电压uGS来改变导电沟道的宽窄，从而来控制电流iD的大小。3.6 本章小结3.6 本章小结二、场效应管的特性曲线 （1）转移特性曲线反映栅源电压uGS对漏极电流iD的控制作用，其斜率反映了控制能力并用跨导gm表示。 （2）输出特性曲线反映漏极电流iD与漏源电压uDS之间的变化关系。它分为可变电阻区、恒流区、击穿区和夹断区4个区域，作放大器件使用时工作在恒流区。3.6 本章小结3.6 本章小结三、场效应管的主要参数 主要参数有跨导gm、输出电阻ro、 夹断电压UP（或开启电压UT）、漏极饱和电流IDSS、极间电容等。 3.6 本章小结3.6 本章小结四、场效应管的放大电路 利用场效应管栅-源电压能够控制漏极电流的特点可以实现信号的放大。 场效应管放大电路有共源、共漏、共栅3种组态，与双极性三极管的共射、共集、共基3种组态相对应。 偏置方式有两种：自给偏置方式、分压式偏置方式。