场效应管(FET)及基本放大电路要点

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1、第四章 场效应管（FET）及基本放大电路 4.1知识点归纳一、场效应管（FET）原理 FET分别为JFET和MOSFET两大类。每类都有两种沟道类型，而 MOSFET又分为 增强型和耗尽型（JFET属耗尽型），故共有6种类型FET （图4-1）。 JFET和MOSFET内部结构有较大差别，但内部的沟道电流都是多子漂移电流。一般情况下，该电流与 vGs、vds都有关。 沟道未夹断时，FET的D-S 口等效为一个压控电阻（vgs控制电阻的大小），沟道全夹断时，沟道电流iD为零；沟道在靠近漏端局部断时称部分夹断，此时iD主要受控于vgs,而vds影响较小。这就是 FET放大偏置状态；部分夹断与未夹断

2、的临界点为预夹断。 在预夹断点，vGS与vDS满足预夹断方程：耗尽型FET的预夹断方程：vds =vgs -VP （VP 夹断电压）增强型FET的预夹断方程：vds =Vgs -VT （VT 开启电压） 各种类型的FET,偏置在放大区（沟道部分夹断）的条件由表 4-4总结。表4-4 FET放大偏置时vgs与vds应满足的关系极性放大区条件VDSN沟道管：正极性（VDS0）VDSVGSVP（或 VT）0P沟道管：负极性（VDS0）VDSVGSVP（或 VT）VP（或VT）P沟道管：VGSVP（或VT）偏置在放大区的 FET , vgs 石满足平方律关系:vGS、21 D -1 DSS （1 -

3、）.耗尽型：VP（IDSS 零偏饱和漏电流）2增强型：i D = k（VGS -VT ） * FET输出特性曲线反映关系iD =f（vDS）VGs参变量，该曲线将伏安平面分为可变电阻区（沟道未夹断），放大区（沟道部分夹断）和截止区（沟道全夹断）；FET转移特性曲线反映在放大区的关系iD=f（VGS）（此时参变量Vds影响很小），图4-17画出以漏极流向源极的沟道电流为参考方向的 6种FET的转移特性曲线，这组曲线对表4-4是一个很好映证。二、FET放大偏置电路 源极自给偏压电路（图 4-18）。该电路仅适用于耗尽型FET。有一定稳Q的能力，求解该电路工作点的方法是解方程组：Jd =Idss（v

4、凯）2 对于增强型 FET,用关系式 id =k（VGs Vt）2,PVGS RSi DVGSVccR2Ri R2 混合偏压电路（图 4-20）。该电路能用于任何 FET,在兼顾较大的工作电流时，稳 Q 的效果更好。求解该电路工作点的方法是解方程组：Rsi D以上两个偏置电路都不可能使FET全夹断，故应舍去方程解中使沟道全夹断的根。三、FET小信号参数及模型 迭加在放大偏置工作点上的小信号间关系满足一个近似的线性模型（图4-22低频模型，图4-23高频模型）。&Dgm =小信号模型中的跨导“GS Qgm反映信号Vgs对信号电流id的控制。gm等于FET转移特性曲线上 Q点的斜率。gm的估算：耗

5、尽管g mI DSSI D1Vp |增强管gm =2. kI D小信号模型中的漏极内阻Ms rds =二iD Qrds是FET “沟道长度调效应”的反映，rds等于FET输出特性曲线 Q点处的斜率的倒四、基本组态FET小信号放大器指标1 .基本知识 FET有共源（CS）共漏（CD）和共栅（CG）三组放大组态。CS和CD组态从栅极输入信号， 其输入电阻R由外电路偏置电阻决定，R可以很大。CS放大器在其工作点电流和负载电阻与一个CE放大器相同时，因其gm较小，|AV|可能较小，但其功率增益仍可能很大。A 1。在三种FET组态中，CD组态输入电阻很大,BJT的指数关系弱。因此，FET CD组态又称源

6、极输出器，其 而输出电阻较小，因此带能力较强。由于FET的电压电流为平方关系，其非线性程度较放大器的小信号线性条件对vGS幅度限制会远大于 BJT线性放大时对vbe的限制（vberds ,取大Ai决定于Rg , Ai 1决定于Rg , Ai 1Ai1类似CE放大器CC放大器CB放大器 4.2 习题解答4-1 图P4-1中的FET各工作在什么区?图 P 4-1(a)这是N-JFET。1Vgs Vgs Vp , (6V)(1V)，二沟道部分夹断，FET处于放大区。Vds；Vgs -Vp(c)这是 P-JFETo 丫 Vgs=。，TV) (”V)，: fet 偏置在放大区。4-2 若某P沟道JFET

7、的lDss=-6mA, Vp=4V。画出该管的输出特性曲线；指出电阻区 和恒流区以及它们的分界线(即预夹断轨迹)。解由原方律公式先画转移特性VgS 2VgS 2iD =IdSS (1 -)二一6(1 )VP4图P4-2-1 转移特性曲线图P4-2-2 输出特性曲线4-3 一支P沟道耗尽型MOSFET的I dss= 6mA Vp= 4V ,另一支P沟道增强型MOSFET 的Vt=-4V.试分别画出它们的输出特性曲线，标明电阻区和恒流区以及它们的分界线(即 预夹断轨迹)。解曲线分别如图P4-3-1和P4-3-2所示。P沟道耗尽型MOST% EA）P沟增强型MOSFET4-5设图P4-5中JFET的

8、Idss的绝对值都等于4mA ,且沟道部分夹断，求输出端的直 流电压Vo 。（a）V0=410=-6V（b）V0=4V（c）V0=4V（d）V0=T+10=6V图 P4-54-6设图P4-6中的MOSFET的VT ,VP均为1V,问它们各工作于什么区?（a） N 沟道耗尽型 MOSFET , vp = -1v , （2V）,且（6V） （3V），工作于放大区。VGS- VTVDS- VGS - VT(b) N 沟道增强型 MOSFET, Vt=1v, (2V) (1V),且(6V)(1V)二工作于放大区。VgsVt(c) P沟道耗尽型MOSFET , Vp=1v, (2V) (1V)，工工作于

9、截止区。VgsVt(d) P沟道增强型MOSFET, Vp=-1V,化V) ( 1V)二工作于截止区。4-7 JFET自给偏压放大器如图P4-7 所示。设 RD=12kQ, Rg=1MG, Rs=470Q,电源电压 Vdd = 30V。FET 的参数：IDSS=3mA, VP=2.4V。(1) 求静态工作点 Vgs、Id和Vds。(2)当漏极电阻超过何值时FET会进入电阻区？解(1)列联立方程iD =&(1-汩2VP =Vgs = Rsi dVGS 2 iD =3(1 V-)2.4VGs - -0.47iD代入，并化简得一2 一一 一0.1151iD -2.175iD 3 =0图 P4-72.

10、175 二.2.175 0.1151 4 0.1151 341.5mA一 J7.4mA(该值使 Vgs Vp,. 舍去)Id=1.5 mAVgs二一0.471.5 =-0.71 “Vds =Vdd- Id (RdRs)= 11.3”,r mA,V,V当 Vds =Vgs -Vp =_0.71+2.4 =1.69 V 时，沟道预夹断。此时,Vdd -Id (RoRs) =16.9=18.87 -0.47 =18.4kJc 30 -1.69cRD - Rs1.5j.RDA18.4kC时，fet进入电阻区。4-8 在图P4-8所示电路中，已知 JFET的I dss= 1mA, Vp=- 1V。如果要

11、求漏极到地的静态电压 Vdq=10V,求电阻 R1的阻值。VDD -VDQ解Rd2 4- 10c =0.2556mA由原方律关系ID - I DSS ( 1 -VGSVp2)20.25 =(1 Vgs)2Vgs = 0.25 -1 = -0.5 VVGS0.5由 Vgs = I d R0.25图 P4-84-9 已知FET的输出特性如图 P4-9所示。值(2)求 Vds= 10V, b=2mA 处的跨导 gm。(1)判断该管类型，并确定 Vp和Idss的数图 P4-9图 P4-10解(1) V Vds Vgs aOV , Vgs与Vds反极性，故为jfet结论：P沟道 JFET, Vp =5V

12、, Idds U4mA2 2 g m = I DSS I D =4 2 = 1.13(2)|VpI5ms。4-10 FET放大电路图P4-10所示。FET参数为：Idss= 2mA, Vp=4V, s可忽略不计。试估算静态工作点，并求 Av、Ri和Ro之值。(1)估算工作点：;Ms 二0,解I d - I dss =2 a D DSS mA ,Vds =Vdd - Id Rd =20一4=16 V(2)画出交通通路，组态为 CS放大器。图 P4-10-1A =gm QRdRl21 DSS两Rd Rl5.6 kQ 500kflds可Vgs、Av、=-1.43 oR =Rg =5MC, Ro =l

13、Rd U Rd =2kC。4-11在图P4-11所示共源放大器中，JFET的参数为：Idss= 4.5mA , Vp=3V,忽略不计。试求：(1)静态工作点 Id和Vds； (2)中频段端电压增益 输入电阻R和输出电阻飞。解2MQ用A 2kQ凡5.6 kQ占rVg = rTVdd10018=3600 V用,i00kQ2设 2iD -13Id18=0二 ID =2 mA (ID =4.5 mA 舍去)，VGS 二 -1 VVds =Vdd _Id(Rd +Rs)=182M7.6=2.8 (V)(上式满足VDS VGS -VP ,即放大区条件)2 2 gm =, I DSS ID =4.5 2=2

14、IVp I3(ms),Av = -gm Rd / Rl - -2 2.8 - -5.6R 咨 R /R2 =2.083M jR =Rd =5.6kVgS 2Id =4.5(1 ) 3联立 VGS =3 -2|D图 P4-114-12 N沟道JFET共漏放大器如图 P4-12所示，电路参数为:R1=40kC, R2=60kC,r3=2MQ, R4 = 20kQ,负载电阻 RL = 80kQ,电 源电压 Vdd =30V ,信号源内阻 Rs= 200kCJFET 的 Idss= 4mA, Vp=4V, rds=40kC。试计算增 量跨导gm,并求端电压增益 Av、电流增益A|、 输入电阻Ri和输出

15、电阻Ro。(1)解(1)求ID并计算gm :R十R26=-30=18V10图 P4-12联立 VGs =18 -20iD21.21mA（舍去）100iD 221iD 120 =0= iD = 1mA2 gm =.4 1 =1,二 4 * * *（ms）。gm rd/ / R / /Rl2 0 / 4 0 / / 8Av =00.92（2）由共漏放大器公式1 * * G/R /RL1 20 / 40 / 8 0=R3 +R / R2 =2.024MQAi1=RoR =%一R =401/ 20 =930（） gmVo/RlR 0.92 2024/ 23.3vi / RRl804-13 在图P4-1

16、3所示的共漏放大器电路中， 若MOSFET2的 k =-0.5mA/V ,VT= -3V,rds= 20k建，假定kT/q=40, Id = 5.85mA。试求共漏放大电路中频段电压增益Av和输出电阻。440kf2p1解gm =2%4=2我.55.85 =3.42（ ms）gm rdsR3R3.42/20/1/21 gm Tds / R3/ Rl -1 3.42/20/1/ 22.20651 2.2065= 0.688i D = I DSS (1Vgs Vim cos YVp)2 =Idss(1VGS彳22Vm COS t) - I DSS (IVpVGS今 TdssVp2 .Vim cos；

17、:“VP2I1m上式中 b 的基波电流振幅J令)iD的二次谐波电流振幅I 2m2I DSSVim由题设，令12m E0.111m可得Vm rbe , 31。(1)证明混合跟随器的电压增益 Av为A :gmRS2V 1 gmRS1 ：gmRS2(2)求电路输入电阻 R的表达式。解(1)画交流通路如图 P4-17-1所示 二RD.展，故可不计Rd (未画出) 利用条件idL gmVgs(不计小), 5 0V0 =(Pib +gmVgs)Mv vi vgs +gmvgsRS1 +(Bib +gmvgs)RS2列方程：“ =gmvgs代入和V0( : gmVgsgmVgs)Rs2ViVgsgmVgsR

18、si(!： gmVgsgmVgs )R(-1)gmRs21gmRsi( ：1)gmR21 gmRsi： gmRs2R ig(2)_Vi_ Vi -VoRg=RgRGVi -V)Vi：gmRs2Vi1 十 gmRsi 十 BgmRs2_D 1 gmRsi: gmRs2一 RG1 gmRs!=Rg 1 + gmRs21+gmRs1图 P4-17图 P4-17-1 4.3 复习题解答一、填空题1 .场效应管（FET）依靠（%s ）控制漏极电流iD,故称为（电压）控制器件。2 . FET工作于放大区，又称为（ 饱和）区或（恒流）区。此时iD主要受（Vgs ） 电压控制，而iD几乎不随（Vds ）电压的

19、改变而变化。3 . N沟道FET放大偏置时，iD的方向是从（漏）极到（源）极；P沟道FET放 大偏置时，iD的方向是从（源）极到（漏）极。4 .对偏置于放大区的六种类型的FET,试填写下表：JFETMOSFETP沟道N沟道N沟道P沟道增强型增强型耗尽型耗尽型CDGhVPvGS - 0Vgs 二 Vt转移特 性曲线0vGSVP对VGS 的要求 （放大 区）电路符号十G QJ-5.写出FET各个工作区域对应的沟道状态。工作区域可变电阻区放大区截止区沟道状态未夹断部分夹断全夹断6 .符号Idss的含义是（零偏（VGS =0）饱和漏电流）。7.沟道预夹断是指沟道在（靠近漏极端）位置刚好消失的状态。此时

20、，VDS与vGS满足的关系式称为（预夹断）方程。-Id8.耗尽型FET的小信号跨导定义为gm= （ GS盛大区）。对于耗尽型管 gmiVP r IdssId2 IDSS 1 而_ VPVGS）；对于增强型管gm -2Id耗尽型管转移特性曲线近似满足的平方律关系式为i D = I DSS1-vGS一VP2）,而增强型管的平方律关系式为（ iD -k（vGS VT）10.根据FET在放大区的外特性，它的栅极、源极和漏极分别与BJT）的（基）极、发射）极和（集电）极相似。）电路和（混11 .在FET分立元件放大电路中，常采用的偏置电路是 （源极自给偏压合偏置）电路。但（源极自偏）电路不能用于增强型

21、MOSFET。12. FET的基本放大组态：CS组态、CD组态和CG组态，其放大特性分别与 BJT的（CE ）组态、（CC ）组态和（CB ）组态相似。13. FET的（沟道长度调制 ）效应与BJT的基区宽调效应相似。基区宽调效应使集电结反偏电压变化对各极电位有影响，而FET的该反应使（vds ）电压的变化对iD产生影响。14. FET的小信号参数（ 除）是沟道调制效应的反映。纠错题1 . BJT的饱和状态与 FET纠错：FET的饱和状态对应的饱和状态相似。BJT的放大偏置状态。2 . P沟道FET的iD是从源极S流向漏极D的，因此在 画该类型FET的小信号等效电路时，受控电流源 gmvgs的

22、指 向应该从S指向D,如图F4-1。纠错：小信号模型中的受控电流源gmvgs是增量电流。只要增量电压vgs0,对任何FET,增量电流gmVgs一定是从漏极流向源极。图F4-13 .既然结型FET的源极S和漏极D相对于栅极G是一种对称结构，S和D可以交换 使用。那么漏极输出（CS放大器）和源极输出（CD放大器）性能就应该相同。纠错：CS放大器的车入电压M加在GS之间，而CD放大器M加在GD之间，二者当然不能等同。4 .当导电沟道在近漏端被夹断后，沟道电流应该为零。纠错：只有沟道全夹断，目才会为零。当沟道从未夹断向靠近漏级端夹断过渡时，峰是递增的。当近漏端刚好夹断时，卜达到一个饱和值，而不是零。5

23、 .当CE放大器的负载电阻和工作点电流与CS放大器相同时，CE放大器的电压增益总是大于CS放大器，因此CE放大器的功率增益会比 CS放大器高。纠错：CS放大器向信号源吸收的功率可能很小，故功率增益不会小。6 .图F42所示CS-CC放大器有4处错误，试指明并在图上改正。纠错：（1） RG应接在栅极和地之间。（2） T2改为NPN管。（3）工的基极没有直流通路，应补充上、下偏置电路。（4） R多余，应短路去掉。改正以后的电路如图F4-2-1所示。 12V图 F4-2图 F4-3C.多子扩散电流2.图 F44 是（A. N沟道耗尽型C. N沟道增强型图 F4-2-17.既然图F4-3中Ig=0,

24、Rg可任意选择，那么 Rg开路也是可 以的。纠错：开路，栅极便不能得到偏置电压。RG使rs上的电压加到GS之间。三、单选题1. FET沟道电流的性质是（A ）。A.多子漂移电流B.少子漂移电流D.少子扩散电流D ） MOSFET的输出特性曲线。B. P沟道耗尽型D. P沟道增强型理由：vds 0,故为P沟道，vgs Vgs, VdsVgs_ VpB. V pVgsVgsVpC. VpVgs0 , VdsVgs0 , V dsVgs V P4.采用BJT和场效应管FET两级级联放大器。要求：输出电压稳定（即当负载变化时，输出电压变化减小）；R大；反相放大器。以下四种组态中，（A）最能满足此条件。

25、A. CS-CCB. CB-CDC. CE-CDD. CG-CC理由：（1） CC组态作输出级，其输出电阻小，使负载变化时，输出电压的变化小；（2） CS组态的输入电阻由偏置电路决定，可以做得很大；（3） CS是反相放大器，CC是同相放大器，:CS-CC级联为反相放大器。5.下面4个FET小信号放大电路中，电路（ B ）不可能有信号输出。O -12V向图 F4-5理由：（b）中FET是N沟道增强型 MOSFET,而增强型 MOSFET不能 采用源极自偏电路。6.图F4-5中FET的参数lDss=1mA , Vp= 4V。该电路中的 FET工作 于（B ）。A.截止区B.放大区C.可变电阻区D.恒压区理由：图示FET是N沟道耗尽型 MOSFET 。 v Vgs = ,图F4-6VDS VGS - VT1,P ID =Idss =1 mA,Vds =1。5 M1 =5V 满足(5V) (4V),二 FET 工作在放大区。1R0 =rds / R3 =20 0.292/1gm= 224（.】）图 P4-134-14 在图P4-7的CS放大器中，车入信号vi为正弦电压。试借助iDVgs的平方律关系式分析：要使输出电压 Vo的二次谐波振幅小于基波振幅的十分之一，输入电压最大振幅 Vim是多少？解 由图 P4-7,取 Vi =Vim coscot ,Vgs =VgsCOSOt由平方律关系：