晶体管及其小信号放大场效应管放大电路

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1、1 晶体管及其小信号放大晶体管及其小信号放大 场效应管放大电路场效应管放大电路 2场效应晶体管场效应晶体管(FET)电压控制器件电压控制器件 多子导电多子导电 输入阻抗高输入阻抗高,噪声低噪声低,热稳定好热稳定好,抗辐射抗辐射,工工艺简单艺简单,便于集成便于集成,应用广泛应用广泛34 场效应晶体管及场效应管放大电路场效应晶体管及场效应管放大电路4.1 场效应晶体管场效应晶体管(FET)N沟道沟道P沟道沟道增强型增强型耗尽型耗尽型N沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道（耗尽型）（耗尽型）FET场效应管场效应管JFET结型结型IGFET绝缘栅型绝缘栅型4一、结构一、结构 4.1.1 结型场效应管

2、结型场效应管栅极漏极源极N沟道沟道利用PN结反向电压对耗尽层宽度的控制来改变导电沟道的宽度,从而控制通过的电流5UGS二、工作原理（以二、工作原理（以N沟道为例）沟道为例）正常工作正常工作:UGS0VPN结反偏，结反偏，|UGS|越越大则耗尽层越宽，大则耗尽层越宽，导电沟道越窄，电导电沟道越窄，电阻越大。阻越大。ID初始就有沟道，初始就有沟道，是耗尽型。是耗尽型。ID受受UGS 和UDS的控制的控制6UGSUDS0但较小但较小:ID ID随随UDS的增加的增加而线性上升。而线性上升。(UGS固定固定)7NGSDUGSPPUGS负到一定值时负到一定值时,耗尽耗尽区碰到一起，区碰到一起，DS间被夹

3、间被夹断，这时，即使断，这时，即使UDS 0V，漏极电流，漏极电流ID=0A。ID夹断电压夹断电压)(offGSU8UGS ,但但UDS增加增加到到 UGS-,即即UGD=UGS UDS=靠近漏极的沟道夹断靠近漏极的沟道夹断.预夹断预夹断)(offGSU)(offGSU)(offGSUUDS增大则被夹断区增大则被夹断区向下延伸。此时，向下延伸。此时，电流电流ID由未被夹断由未被夹断区域中的载流子形区域中的载流子形成，基本不随成，基本不随UDS的的增加而增加，呈恒增加而增加，呈恒流特性。流特性。ID=IDSSID9三、特性曲线和电流方程三、特性曲线和电流方程const.DSDGS)(vvfi2.

4、转移特性转移特性 const.GSDDS)(vvfi)0()1(GSGS(off)2GS(off)GSDSSDvVVvIi1.输出特性输出特性 夹断区)(offGSU（饱和区）UGD=)(offGSU10 结型场效应管的缺点：结型场效应管的缺点：1.栅源极间的电阻虽然可达栅源极间的电阻虽然可达107以上，但在以上，但在某些场合仍嫌不够高。某些场合仍嫌不够高。3.栅源极间的栅源极间的PN结加正向电压时，将出现结加正向电压时，将出现较大的栅极电流。较大的栅极电流。绝缘栅场效应管可以很好地解决这些问题。绝缘栅场效应管可以很好地解决这些问题。2.在高温下，在高温下，PN结的反向电流增大，栅源结的反向电

5、流增大，栅源极间的电阻会显著下降。极间的电阻会显著下降。11最常见的绝缘栅型场效应管是最常见的绝缘栅型场效应管是MOSFET(Metal Oxide Semiconductor FET)。分为。分为 增强型增强型 N沟道、沟道、P沟道沟道 耗尽型耗尽型 N沟道、沟道、P沟道沟道 4.1.2 绝缘栅场效应管（绝缘栅场效应管（IGFET)12一一 N沟道增强型沟道增强型MOSFET1 1 结构结构 132 2 工作原理工作原理 (1)VGS=0V时时，漏源之间相当两个背靠背的，漏源之间相当两个背靠背的 二极管，在二极管，在D、S之间加上电压不会在之间加上电压不会在D、S间形成电流。间形成电流。(2

6、)VGS VGS（th)0时时，形成导电沟道，形成导电沟道反反型型层层VGS越大，越大，沟道越宽，沟道越宽，电阻越小。电阻越小。14(3)VGS VGS（th)0时，时，VDS0 VGD=VGSVDS VGS（th)时发生时发生预夹断预夹断VDS较小时，较小时，ID随之线性上升随之线性上升VDS稍大后，产生横向电位梯度稍大后，产生横向电位梯度出现预夹断后，随着出现预夹断后，随着VDS继续增大，夹断点向源极方向移动，继续增大，夹断点向源极方向移动，ID略有增加略有增加15输出特性曲线输出特性曲线ID=f(VDS)VGS=const（饱和区）夹断区3 N沟道增强型沟道增强型MOS管的特性曲线管的特

7、性曲线 VGD=VGS（th)16转移特性曲线转移特性曲线 ID=f(VGS)VDS=constVGS（th)2GS(th)GSDOD)1(VvIiDOI)(2thGSGSVv即时的值17二二 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET正离子VGS为正为正 沟道加宽沟道加宽VGS为负为负 沟道变窄沟道变窄 夹断电压夹断电压)(offGSU使用方便使用方便18输出特性曲线输出特性曲线ID U DS0UGS=0UGS0转移特性曲线转移特性曲线2GS(off)GSDSSD)1(VvIi19P沟道沟道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

8、同而已。这如同双极型三极管有NPN型和PNP型一样。202.2.5 2.2.5 双极型和场效应型三极管的比较双极型和场效应型三极管的比较 双极型三极管 场效应三极管结构 NPN型 结型（耗尽型）N沟道 P沟道 PNP型 绝缘栅增强型 N沟道 P沟道 绝缘栅耗尽型 N沟道 P沟道 C与E一般不可倒置使用 D与S一般可倒置使用载流子 多子扩散少子漂移 多子漂移输入量 电流输入 电压输入控制 电流控制电流源CCCS()电压控制电流源VCCS(gm)21 4.1.4 场效应管的参数和型号场效应管的参数和型号一一 场效应管的参数场效应管的参数 开启电压开启电压VGS(th)(或或VT)开启电压是开启电压

9、是MOS增强型管的参数，栅源电压小于开增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值启电压的绝对值,场效应管不能导通。场效应管不能导通。夹断电压夹断电压VGS(off)(或或VP)夹断电压是耗尽型夹断电压是耗尽型FET的参数，当的参数，当VGS=VGS(off)时时,漏漏极电流为零。极电流为零。饱和漏极电流饱和漏极电流IDSS 耗尽型场效应三极管耗尽型场效应三极管,当当VGS=0时所对应的漏极电流时所对应的漏极电流22 输入电阻输入电阻RGS 场效应三极管的栅源输入电阻的典型值，对于结型场效应三极管的栅源输入电阻的典型值，对于结型场效应三极管，反偏时场效应三极管，反偏时RGS约大于约大于107，

10、对于绝缘，对于绝缘栅型场效应三极管栅型场效应三极管,RGS约是约是1091015。低频跨导低频跨导gm 低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用，低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用，这一点与电子管的控制作用相似。这一点与电子管的控制作用相似。gm可以在可以在 转移特性曲线上求取，也可由电流方程求得转移特性曲线上求取，也可由电流方程求得DSGSDmVvig 最大漏极功耗最大漏极功耗PDM 最大漏极功耗可由最大漏极功耗可由PDM=VDS ID决定，与双极型决定，与双极型 三极管的三极管的PCM相当。相当。23二二 场效应三极管的型号场效应三极管的型号 场效应三极管的型号场效应三极管的型号,现行有

11、两种命名方法。现行有两种命名方法。其一是与双极型三极管相同，第三位字母其一是与双极型三极管相同，第三位字母J代代表结型场效应管，表结型场效应管，O代表绝缘栅场效应管。第二位代表绝缘栅场效应管。第二位字母代表材料，字母代表材料，D是是P型硅，反型层是型硅，反型层是N沟道；沟道；C是是N型硅型硅P沟道。例如沟道。例如,3DJ6D是结型是结型N沟道场效应三沟道场效应三极管，极管，3DO6C是绝缘栅型是绝缘栅型N沟道场效应三极管。沟道场效应三极管。第二种命名方法是第二种命名方法是CS#，CS代表场效应管，代表场效应管，以数字代表型号的序号，以数字代表型号的序号，#用字母代表同一型号用字母代表同一型号中

12、的不同规格。例如中的不同规格。例如CS14A、CS45G等。等。24几种常用的场效应三极管的主要参数几种常用的场效应三极管的主要参数 参 数型 号PD M m W ID SS m A VRD S VVRG S V VP V gmm A/V fM M H z3D J2D 100 20 20-4 2 3003D J7E 100 20 20-4 3 903D J15H 100 6 11 20 20-5.5 83DO2E 1000.35 1.2 12 25 1000CS11C 1000.3 1 -25-4 2 25半导体三极管图片半导体三极管图片26半导体三极管图片半导体三极管图片274.2 场效应场

13、效应 放大电路放大电路(1)静态：适当的静态工作点，使场效应管工作静态：适当的静态工作点，使场效应管工作在恒流区，场效应管的偏置电路相对在恒流区，场效应管的偏置电路相对简单。简单。(2)动态：能为交流信号提供通路。动态：能为交流信号提供通路。组成原则：组成原则：静态分析：静态分析：估算法、图解法。估算法、图解法。动态分析：动态分析：微变等效电路法。微变等效电路法。分析方法：分析方法：284.2.2 场效应管的直流偏置电路及静态分析场效应管的直流偏置电路及静态分析一一 自偏压电路自偏压电路vGSQ点：点：VGS、ID、VDSvGS=2PGSDSSD)1(VvIi VDS=VDD-ID(Rd+R)

14、-iDR注意：两组解，一组不合理注意：两组解，一组不合理（适用于耗尽型）（适用于耗尽型）29二二 分压式偏置电路分压式偏置电路SV GSVGVDDg2g1g2VRRR RID 2PGSDSSD)1(VvIi （两种都适用）（两种都适用）304.2.2 场效应管的低频小信号等效模型场效应管的低频小信号等效模型GSD),(DSGSDuufi DSDSDGSGSDDuuiuuiiDSDSGSmurug1GSDmuig跨导跨导DDSDSiur漏极输出电阻漏极输出电阻uGSiDuDS31GSDmuig32 很大，很大，一般可忽略一般可忽略 场效应管的微变等效电路为：场效应管的微变等效电路为：GSDuGSiDuDSSGDugsgmugsudsSGDrDSugsgmugsudsJFET相同334.2.3 共源极放大电路共源极放大电路uoUDD=20VRSuiCSC2C1R1RDRGR2RL150k50k1M10k10kGDS10ksgR2R1RGRLdRLRD微变等效电路微变等效电路gsmUggsU34gsiUU)/(LDgsmoRRUgULmuRgAsgR2R1RGRLdRLRDgsUgsmUgiUoU21/RRRrGiM0375.1ro=RD=10k