第四章 场效应管及其放大电路.docx

第四章 场效应管及其放大电路.docx

《第四章 场效应管及其放大电路.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第四章 场效应管及其放大电路.docx（10页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

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。

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。

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出回路的直流负载线和转移特性曲线，两条曲线的交点所对应的值即为静态工作点。

根据场效应管的简化小信号模型，可得到自给偏压式放大电路的交流通路如图4.11所示。

由此可得自给偏压式放大电路的放大倍数

Au=UoUi=−gmUGSRL'UGS=−gmRL'。

输入电阻为RG，输出电阻为RD。

4.2.3分压式偏置放大电路

分压式偏置电路适用于各种场效应管放大电路，因为均可通过电阻的分压获得合适的沟道开启电压。

图4.12为耗尽型绝缘栅场效应管和结型场效应管的自给编压电路，RG1、RG2为分压电阻，而电阻RG中无直流电流，这样求得栅-源间静态工作点电压为

UGS=RG2RG1+RG2UDD−IDRS=VG−IDRS

其中VG为栅极电位。

对N沟道耗尽型管，UGS为负值，所以IDRS＞VG；对N沟道增强型管，UGS为正值，所以IDRS＜VG。

RG不能太小，一般为几MΩ。

在已知UGS时，结型场效应管和耗尽型MOS管的ID可依据ID=IDSS（1−UGSUP）2求得，增强型MOS的ID可依据ID=IDo（UGSUT−1）2求得。

根据场效应管的简化小信号模型，可得到分压偏置放大电路的交流通路如图4.13所示。

由此可得分压偏置放大电路的放大倍数

Au=UoUi=−gmUGSRL'UGS=−gmRL'。

输入电阻Ri=RG+RG1//RG2

输出电阻RO=RD。

4.3共漏极放大电路

4.3.1共漏极放大电路的组成

共漏极放大电路又称为源极输出器或源极跟随器，它和三极管组成的共集电极放大电路具有类似的特点，如输入电阻高，输出电阻小，电压放大倍数略小于1，一般用于多级放大电路的输入级或输出级。

图4.14为分压式和自给偏压式两种接法的源极输出器电路。

由图4.14可知，源极输出器的直流静态工作点的确定和共源极电路相同，故静态分析略。

根据场效应管的小信号简化模型可画出图4.14（a）的交流通路，如图4.15所示，特别强调的是要注意与图4.11的区别，包括场效应管三个极和受控电流源的方向。

由图可知Uo=gmUGS×RL'（其中RL'=RDRLRD+RL）

而Ui=UGS+Uo=UGS（1+gmRL'）

则放大倍数Au=UoUi=gmRL'1+gmRL'

当gmR′L>>1时，约等于1，可见源极输出器同三极管共集电极放大电路的特性一样，输出电压与输入电压同相且具有电压跟随的特性。

输入电阻Ri=RG+RG1//RG2

在计算输出电阻时，首先将负载断开，令ui＝0，在输出端加一测试电压UT，在输出端口处产生电流IT，如图4.16所示。

由图可知

IT=UTRD−gmUGS且UGS＝－UT

因此IT=UT（1RD+gm）

故Ro=UTIT=1RD+gm

可见源极输出器的输出电阻较小，这与三极管共集电极放大电路的特点相似。

本章小结

场效应管是电压控制型器件，而半导体三极管是电流控制型器件，区别在于场效应管是通过栅-源电压UGS控制漏极电流ID。

场效应管有结型和绝缘栅型场效应管正常工作时场效应管的栅极几乎没有电流通过，故输入电阻很大。

结型场效应管的与极性相反，场效应管可以工作于三种状态：

可变电阻区、恒流区和击穿区。

只有在恒流区中栅-源电压UGS才能线性控制漏极电流ID的大小，gm反映了UGS对ID的控制能力。

另外场效应管的使用时的特殊要求。

由场效应管组成的放大电路一般都具有高输入阻抗的特点，适合作为放大电路的输入级。

在中低频小信号下，场效应管模型可用一个电压控制的电流源（VCCS）近似等效。

共源极放大电路可接成自给偏压式和分压偏置式两种，其静态工作点的估算有图解法和分析法两种，在分析时可根据其转移特性曲线和输入输出回路的KVL关系共同确定。

其交流放大倍数的估算仅与输出回路有关，Au=−gmRL'。

输入电阻为RG，输出电阻为RD。

共漏极放大电路（源极输出器）的静态工作点分析与共源极电路基本相同，其交流特性与三极管的共集电极放大电路类似。