第四章 场效应管及其放大电路.docx

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第四章场效应管及其放大电路

第四章场效应管及其放大电路

在学完三极管基本放大电路后，为进一步提高放大电路的输入电阻，适应多极放大电路的要求，学习以场效应管组成的放大电路是十分必要的。

本章主要介绍场效应管组成的两种放大电路：

共源极放大电路和共漏极放大电路。

本章主要内容：

4.1场效应管

4.2共源极放大电路

4.3共漏极放大电路（源极输出器）

本章小结

重点：

场效应管的工作原理，场效应管放大电路的组成与性能分析。

难点：

场效应管放大电路的分析方法。

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4.1场效应管

授课思路：

场效应管有哪些类型，结构是什么样的→为什么称作为场效应管？

→场效应管是通过什么方式来控制漏集电流？

→与三极管相比较，它又什么特点？

场效应管是一种利用输入电压控制输出电流大小的新型半导体器件，分为结型场效应管和绝缘栅型场效应管两大类。

4.1.1结型场效应管

1.结型场效应管的结构和符号

结型场效应管是利用半导体内的电场效应工作的，分N沟道和P沟道两种。

在一块N型半导体的两侧分别扩散出两个P型区，形成两个PN结，将两个P型区连接后形成一个电极G称为栅极，从N型半导体的上下两端各引出一个电极，其中S称为源极，D称为漏极，由于D、S间存在电流通道，故称为N沟道结型场效应管。

P沟道结型场效应管的结构与N沟道型类似，它们的结构和电路符号如图4.1所示。

2.工作原理

我们以N沟道结型场效应管为例来说明。

如图4.2所示。

当在漏极D和源极S之间加上电源ED后，则在N型沟道中产生从漏极流向源极的电流ID。

由PN结的特性可知，若在栅极G和源极S间加上负电压EG，PN结的宽度增加，且负电压越大，PN结就越宽，造成沟道变窄，沟道电阻变大，因此只要改变偏压UGS便可控制漏极电流ID的大小，场效应管的电压控制作用就体现于此。

当EG增大超过UP（预夹断电压），沟道变窄到几乎消失，此时我们称发生了夹断。

其大小受这样沿着沟道方向产生一个连续的电压降落，因此沟道各点与栅极G之间的电位差也不相等，ED=0，

通常结型场效应管的栅、源极之间总是处于反向偏置状态，因此其输入电阻很高，可达106~108Ω。

3．结型场效应管的特性曲线

（1）转移特性曲线

转移特性曲线是在一定的漏-源电压UDS下，栅-源电压UGS与漏极电流ID之间的关系。

当UGS=－1V时，此时的ID称为饱和漏极电流IDSS，使ID接近于零的栅极电压称为夹断电压UP。

如图4.3所示。

实验表明，在UP≤UGS≤0的范围内（对应于输出特性曲线中的恒流区），ID和UGS满足如下的平方关系

ID=IDSS（1−UGSUP）2（当UP≤UGS≤0）

其中IDSS为饱和漏极电流。

（2）输出特性曲线

也称为漏极特性曲线，它是在UGS一定时，UDS和ID之间的关系曲线。

可分为三个区域：

可变电阻区A、恒流区B和击穿区C，如图4.4所示。

可变电阻区是因为在UDS<|UP|的区域，ID随UDS线性变化，而且其电阻随UGS增大而减小，呈现出可变电阻特性。

恒流区中，当UDS进一步增大时，ID基本不随UDS的变化而变化，只受UGS的控制而呈线性变化，即图4.4中的B区，这也是场效应管在模拟电子电路中的主要工作区域。

我们把UDS一定时，漏极电流变化量ΔID与栅-源极电压变化量ΔUGS之比称为场效应管的跨导，用gm表示。

gm=ΔIDΔUGS

gm的单位是西门子（S），它反映了UGS对ID的控制能力。

当继续增大时，由于反向偏置的PN结发生了击穿现象，突然上升。

一旦管子进入击穿区，如不加限制将导致损坏。

4.1.2绝缘栅型场效应管

虽然结型场效应管的输入电阻可达108Ω，但由于PN结反向偏置时的反向电流存在，限制了输入电阻的进一步提高，而采用绝缘栅型场效应管后输入电阻可达1015Ω。

绝缘栅型场效应管可分为增强型和耗尽型两类，

1.N沟道增强型绝缘栅型场效应管

N沟道增强型绝缘栅型场效应管是以一块杂质浓度较低的P型半导体作衬底，在它上面扩散两个高浓度的N型区，各自引出一个为源极S和漏极D，在漏极和源极之间有一层绝缘层（SiO2），在绝缘层上覆盖有铝做为栅极G，其结构和符号如图4.5所示。

如图4.6所示，当UGS=0，在DS间加上电压UDS时，漏极D和衬底之间的PN结处于反向偏置状态，不存在导电沟道，故DS之间的电流ID=0。

当UGS逐渐加大达到某一值（开启电压UT）时，由于电场的作用，栅极G与衬底之间将形成一个N型薄层，其导电类型与P型衬底相反，称为反型层。

由于这个反型层的存在使得DS之间存在一个导电沟道，ID开始出现，而且沟道的宽度随UGS的继续增大而增大，所以称为增强型场效应管。

它的特点是：

当UGS=0，ID=0；UGS＞UT，ID＞0。

可见增强型绝缘栅场效应管的漏极电流ID是受栅极电压UGS控制的，它与结型场效应管一样是电压控制型器件，所不同的是它必须在为UGS正且大于UT时才能工作。

2.N沟道耗尽型绝缘栅场效应管

N沟道耗尽型绝缘栅场效应管与增强型相同，只是它用的SiO2绝缘层中掺有大量的正离子，所以管子在UGS=0时就能在P型衬底上感应出一个N型反型层沟道，只要在DS间加上电压UDS，就有漏极电流ID产生。

如果UGS＞0则沟道加宽，ID随之增大，反之如果UGS＜0则沟道变窄，ID随之减小，这体现了栅极电压UGS对漏极电流ID的控制作用；如果UGS负到一定数值则沟道彻底消失，ID=0，所以称为耗尽型场效应管，它在UGS为正或负时都可以工作，图4.7所示的是N沟道和P沟道两种耗尽型绝缘栅场效应管的结构和符号。

3．绝缘栅型场效应管的特性曲线

由于绝缘栅型场效应管分增强型和耗尽型两种，我们仅以N沟道为例介绍绝缘栅型场效应管的特性曲线。

（1）转移特性曲线

增强型NMOS管的转移特性曲线如图4.8（a）所示，UGS=0时，ID=0；只有当UGS>UT时才能使ID>0，UT称为开启电压。

耗尽型NMOS管的转移特性曲线如图4.8（b）所示，在UGS=0时，就有ID；若使ID减小，UGS应为负值，当UGS=UP时，沟道被关断，ID=0，UP称为夹断电压。

对于增强型MOS在UGS≥UT时（对应于输出特性曲线中的恒流区），ID和UGS的关系为ID=ID0（UGSUT−1）2，其中ID0是UGS=2UT时的ID值。

耗尽型MOS管的转移特性与结型管的转移特性相似，所以在UP≤UGS≤0的范围内（对应于输出特性曲线中恒流区），ID和UGS的关系为ID=IDSS（1−UGSUP）2。

所不同是当UGS＞0时，结型场效应管的PN结将处于正向偏置状态而产生较大的栅极电流，这是不允许的；耗尽型MOS管由于SiO2绝缘层的阻隔，不会产生PN结正向电流，而只能在沟道内感应出更多的负电荷，使ID更大。

（2）输出特性曲线

绝缘栅型场效应管的输出特性曲线和结型场效应管类似，同样也分成三个区：

可调电阻区、恒流区（饱和区）、击穿区，含义与结型场效应管相同，跨导gm=ΔIDΔUGS的定义及其含义也完全相同。

4.1.3场效应管的特点、参数及使用注意事项

1.场效应管的特点

场效应管是电压控制型器件，它不向信号源索取电流，有很高的输入电阻，而且噪声小、热稳定性好，因此宜于做低噪声放大器，特别是低功耗的特点使得在集成电路中大量采用。

2.场效应管的主要参数

夹断电压UP：

指当UDS值一定时，结型场效应管和耗尽型MOS管的ID减小到接近零时UGS的值称为夹断电压。

开启电压UT：

指当UDS值一定时，增强型MOS管开始出现ID时的UGS值称为开启电压。

跨导gm：

指UDS一定时，漏极电流变化量ΔID与栅-源极电压变化量ΔUGS之比。

最大耗散功率PCM：

指管子正常工作条件下不能超过的最大可承受功率。

3.使用注意事项

（1）场效应管的栅极切不可悬空。

因为场效应管的输入电阻非常高，栅极上感应出的电荷不易泄放而产生高压，从而发生击穿损坏管子。

（2）存放时，应将绝缘栅型场效应管的三个极相互短路，以免受外电场作用而损坏管子，结型场效应管则可开路保存。

（3）焊接时，应先将场效应管的三个电极短路，并按源极、漏极、栅极的先后顺序焊接。

烙铁要良好接地，并在焊接时切断电源。

（4）绝缘栅型场效应管不能用万用表检查质量好坏，结型场效应管则可以。

4.1.4场效应管的选择方法

1.当控制电压可正可负时，应选择耗尽型场效应管。

2.当信号内阻很高时，为得到较好的放大作用和较低的噪声，应选用场效应管；而当信号内阻很低时，应选用三极管。

3.在低功耗、低噪声、弱信号和超高频时，应选用场效应管。

4.在作为双向导电开关时应选场效应管。

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4.2共源极放大电路

由于场效应管具有高输入阻抗的特点，所以特别适用于作为多极放大电路的输入级，尤其是对于高内阻的信号源，采用场效应管才能有效地放大。

由于场效应管的源极、漏极、栅极分别对应于三极管的发射极、集电极、基极，所以两者放大电路也类似，场效应管也有共源极放大电路和共漏极放大电路（源极输出器）。

在场效应管放大电路中需要设置合适的静态工作点，否则也将造成输出信号的失真。

4.2.1场效应管的简化小信号模型

在输入信号很小时，如果场效应管工作于恒流区，此时ID大小线性的受控于UGS，因此可得到场效应管的简化小信号模型如图4.9所示。

由于场效应管是电压控制元件，是用UGS控制ID的大小，所以在组成放大电路时必须注意这一点。

4.2.2自给偏压式放大电路

图4.10（a）是耗尽型绝缘栅场效应管的自给偏压电路。

源极电流IS（等于ID）流经源极电阻RS，在RS上产生电压降ISRS，显然UGS＝－ISRS＝－IDRS，该电压即为自给偏压。

电路中各元件的作用如下：

RS为源极电阻，由上面分析可知放大电路的静态工作点受它控制，其阻值约为几个千欧。

CS为源极交流旁路电容，容量约为几十微法。

C1、C2为耦合电容。

RG为栅极电阻，构成栅极和源极之间的直流通路，但无直流通过，只用于设置栅-源极间的偏置电压。

不能太小，否则将严重降低放大电路的输入电阻，其阻值一般为200kΩ～10MΩ。

RD为漏极电阻，与三极管放大电路中的作用相同。

要注意的是，增强型绝缘栅场效应管只有栅-源电压达到某个开启电压时，才有漏极电流出现，因此这类管子不能用自给偏压电路。

结型场效应管无此限制，图4.10（b）即为N沟道结型场效应管的自给编压电路。

图4.10所示电路的静态工作点中的UGS、ID值可由以下两式唯一的确定

{UGS=UDD−IDRDID=IDSS（1−UGSUP）2

其中IDSS为饱和漏极电流。

实际上这两个方程也分别对应于输