4、场效应管放大电路
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4 场效应管放大电路 4.1 结型场效应管
1. 结型场效应管的结构（以N沟为例）：
两个PN结夹着一个N型沟道。 三个电极： G：栅极 D：漏极 S：源极 符号：
P区浓度高
2. 结型场效应管的工作原理 （1）栅源电压对沟道的控制作用 在栅源间加负电压VGS ，令 VDS =0
①当VGS=0时，为平衡PN结，导电 沟道最宽。 ②当│VGS│↑时，PN结反偏，形成 耗尽层，导电沟道变窄，沟道电 阻增大。 ③当│VGS│到一定值时 ，沟道会完 全合拢。
Vi Vgs gmVgs R Vgs (1 gm R ) Vo gmVgs Rd
则
g R AV m d 1 gm R
（3）求输入电阻 由于rgs=∞ （4）求输出电阻 则
Ri Rg3 ( Rg1 // Rg2 )
Ro Rd
2.共漏放大电路
分析：
（1）画交流小信号等效电路。
定义：
夹断电压Vp——使导电沟道完全 合拢（消失）所需要的栅源电压 VGS。
（2）漏源电压对沟道的控制作用
在漏源间加电压VDS ，令VGS =0 由于VGS =0，所以导电沟道最宽。 ①当VDS=0时， ID=0。 ②VDS↑→ID ↑ →靠近漏极处的耗尽层加宽， 沟道变窄，呈楔形分布。 ③当VDS ↑，使VGD=VG S- VDS=VP时， 在靠漏极处夹断——预夹断。 ④VDS再↑，预夹断点下移。 预夹断前， VDS↑→ID ↑。 预夹断后， VDS↑→ID 几乎不变。
VGS VG VS Rg2 VDD I D R Rg1 Rg2
可解出Q点的VGS 、 ID 、 VDS
该电路产生的栅源电压可正 可负，所以适用于所有的场 效应管电路。
2. 场效应管的交流小信号模型
与双极型晶体管一样，场效应管也是一种非线性器件，而在交流小信 号情况下，也可以由它的线性等效电路—交流小信号模型来代替。
当vDS较小（vDS<vGS–VT）时
iD随vDS近似呈线性变化
当vDS增加到vGD=vGSvDS=VT(或vDS=vGS-VT)时
沟道在漏极一端出现预夹断
继续增大vDS，夹断点将向 源极方向移动
iD不随vDS增大而增加，ID仅 由vGS决定。
（3）N沟道增强型MOS管的特性方程
特性曲线和电流方程
（2）电压放大倍数
由 Vi Vgs gmVgs ( R // RL ) V g V ( R // R )
o
得
Vo gm ( R // RL ) AV Vi 1 gm ( R // RL ) 1
m gs
L
（3）输入电阻
Ri Rg3 ( Rg1 // Rg2 )
（4）输出电阻 由图有
1、 MOS管栅、源极之间的电阻很高，使得栅极的感应 电荷不易泄放，因极间电容很小，会造成电压过高使绝缘 层击穿。因此，保存MOS管应使三个电极短接，避免栅极 悬空。焊接时，电烙铁的外壳应良好地接地，或烧热电烙 铁后切断电源再焊。 2、 有些场效应晶体管将衬底引出，故有4个管脚，这 种管子漏极与源极可互换使用。但有些场效应晶体管在内 部已将衬底与源极接在一起，只引出3个电极，这种管子的 漏极与源极不能互换。 3、 使用场效应管时各极必须加正确的工作电压。 4、 在使用场效应管时，要注意漏、源电压、漏源电流 及耗散功率等，不要超过规定的最大允许值。
三、场效应管的主要参数
(1) 开启电压VT VT 是MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值, 场效应管不能导通。 （2）夹断电压VP VP 是MOS耗尽型和结型FET的参数，当VGS=VP时,漏极电流 为零。 （3）饱和漏极电流IDSS MOS耗尽型和结型FET, 当VGS=0时所对应的漏极电流。 （4）输入电阻RGS 结型场效应管，RGS大于107Ω，MOS场效应管, RGS可达 109～1015Ω。
其中：rgs是输入电阻，理论值为无穷大。 gmvgs是压控电流源，它体现了输入电压对输出电流的控制作用。 称为低频跨导。 rd为输出电阻，类似于双极型晶体管的rce。
三. 放大电路 1.共源放大电路
分析：
（1）画出共源放大电路的交流小信号等效电路。 （2）求电压放大倍数 忽略 rd 由输入输出回路得
N沟道
P沟道
vGS 2 i D I DSS (1 ) VP
vGS=0时，漏源极间的P型衬底表面也能感应生 成N沟道(称为初始沟道)，加上正向电压vDS， 就有电流iD。加上正的vGS，沟道加宽，沟道电 阻变小，iD增大。vGS为负时，沟道变窄，沟道 电阻变大，iD减小。当vGS负向增加到某一数值 时，导电沟道消失，iD趋于零，管子截止，故 称为耗尽型。沟道消失时的栅源电压称为夹断 电压，仍用VP表示。结型场效应管只能在vGS<0 的情况下工作。N沟道耗尽型MOS管在vGS=0， vGS>0，VP<vGS<0。
五、双极型和场效应型三极管的比较
各类型场效应管的特性比较见P：173
二. 场效应管放大电路
1. 直流偏置电路：保证管子工作在饱和区，输出信号不失真
（1）自偏压电路
计算Q点：VGS 、 ID 、VDS
已知VP ，由 vGS = - iDR
vGS
VDS =VDD- ID (Rd + R )
vGS 2 iD I DSS (1 ) VP
即： △ ID = gm △ VGS（放大原理） ③击穿区。 ④夹断区（截止区）。VGS<VP
（2）转移特性曲线： ID=f（ VGS ）│VDS=常数
(a) 漏极输出特性曲线
(b) 转移特性曲
vGS 2 i D I DSS (1 ) VP
(当
VP vGS 0
时)
4.3 MOS型场效应管
一、N沟道增强型MOS管 1、结构与ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ号
N沟道增强型
P沟道增强型
2、工作原理
（1）、vGS对iD及沟道的控制作用
增强型MOS管的漏 极d和源极s之间有两 个背靠背的PN结。当 vGS=0时，不论vDS的极 性如何，总有一个PN 结处于反偏状态，这 时漏极电流iD≈0。
vGS＞0
当vGS数值较小，吸引电子 的能力不强时，漏源极之间 仍无导电沟道出现。
（5） 低频跨导gm gm反映了栅压对漏极电流的控制作用，单位是mS(毫西门 子)。
gm
vGS 2 d I DSS (1 ) VP dvGS
vGS 2 I DSS (1 ) VP VP
（6） 最大漏极功耗PDM PDM= VDS ID，与双极型三极管的PCM相当。
四、 场效应管使用注意事项
vGS增加时，吸引到P衬底表 面层的电子就增多，当vGS达 到某一数值时，这些电子在 栅极附近的P衬底表面便形 成一个N型薄层。即N型沟道， 因导电类型与P衬底相反， 故又称为反型层。 把开始形成沟道时的栅源极 电压称为开启电压，用VT表 示。
（2）vDS对iD的影响
当vGS>VT且为一确定 值时，正向电压vDS对 导电沟道及电流ID的影 响与结型场效应管相似。
可解出Q点的VGS 、 ID 、 VDS
vGS =- iDR
注意：该电路产生负的栅源电压，所以只能用于需要负栅源电压的电路。
（2）分压式自偏压电路
计算Q点： 已知VP ，由
VGS Rg2 Rg1 Rg2 VDD I D R
VDS =VDD-ID(Rd+R) v GS 2 I D I DSS (1 ) VP
I gmVgs VO gmVgs IO R R Vgs VO
所以
VO 1 1 Ro R // 1 IO gm gm R
3、场效应管放大电路与三极管放大电路比较
1、共源电路与共射电路均有电压放大作用， 而且输出电压与输入电压相位相反。 2、共漏电路与共集电路均没有电压放大作 用，且输出电压与输入电压同相位。 3、场效应管电路最突出的优点是，共源、 共漏和共栅电路的输入电阻高于相应的共 射、共集和共基电路的输入电阻。 4、场效应管的低频跨导一般比较小，所以 放大能力比三极管差，因而共源电路的电 压增益往往小于共射电路的电压增益。
（3）栅源电压VGS和漏源电压VDS共同作用
ID=f（ VGS 、VDS）
可用输入输出两组特性曲线来 描绘。
3 结型场效应三极管的特性曲线
（1）输出特性曲线： ID=f（ VDS ）│VGS=常数
四个区： ①可变电阻区：预夹断前。 ②电流饱和区（恒流区）： 预夹断后。 特点：△ ID /△ VGS ≈常数= gm
vGS 2 (v IDO是vGS=2VT时，的 iD I D0 ( 1) GS＞VT) VT 漏极电流iD
二、N沟道耗尽型MOS管
N沟道耗尽型MOS管与 N沟道增强型MOS管相似， 区别仅在于栅源极电压 vGS=0时，耗尽型MOS管 中的漏源极间已有导电沟 道产生。
在SiO2绝缘层中掺 入了大量的金属正离 子Na+或K+
1. 结型场效应管的结构（以N沟为例）：
两个PN结夹着一个N型沟道。 三个电极： G：栅极 D：漏极 S：源极 符号：
P区浓度高
2. 结型场效应管的工作原理 （1）栅源电压对沟道的控制作用 在栅源间加负电压VGS ，令 VDS =0
①当VGS=0时，为平衡PN结，导电 沟道最宽。 ②当│VGS│↑时，PN结反偏，形成 耗尽层，导电沟道变窄，沟道电 阻增大。 ③当│VGS│到一定值时 ，沟道会完 全合拢。
Vi Vgs gmVgs R Vgs (1 gm R ) Vo gmVgs Rd
则
g R AV m d 1 gm R
（3）求输入电阻 由于rgs=∞ （4）求输出电阻 则
Ri Rg3 ( Rg1 // Rg2 )
Ro Rd
2.共漏放大电路
分析：
（1）画交流小信号等效电路。
定义：
夹断电压Vp——使导电沟道完全 合拢（消失）所需要的栅源电压 VGS。
（2）漏源电压对沟道的控制作用
在漏源间加电压VDS ，令VGS =0 由于VGS =0，所以导电沟道最宽。 ①当VDS=0时， ID=0。 ②VDS↑→ID ↑ →靠近漏极处的耗尽层加宽， 沟道变窄，呈楔形分布。 ③当VDS ↑，使VGD=VG S- VDS=VP时， 在靠漏极处夹断——预夹断。 ④VDS再↑，预夹断点下移。 预夹断前， VDS↑→ID ↑。 预夹断后， VDS↑→ID 几乎不变。
VGS VG VS Rg2 VDD I D R Rg1 Rg2
可解出Q点的VGS 、 ID 、 VDS
该电路产生的栅源电压可正 可负，所以适用于所有的场 效应管电路。
2. 场效应管的交流小信号模型
与双极型晶体管一样，场效应管也是一种非线性器件，而在交流小信 号情况下，也可以由它的线性等效电路—交流小信号模型来代替。
当vDS较小（vDS<vGS–VT）时
iD随vDS近似呈线性变化
当vDS增加到vGD=vGSvDS=VT(或vDS=vGS-VT)时
沟道在漏极一端出现预夹断
继续增大vDS，夹断点将向 源极方向移动
iD不随vDS增大而增加，ID仅 由vGS决定。
（3）N沟道增强型MOS管的特性方程
特性曲线和电流方程
（2）电压放大倍数
由 Vi Vgs gmVgs ( R // RL ) V g V ( R // R )
o
得
Vo gm ( R // RL ) AV Vi 1 gm ( R // RL ) 1
m gs
L
（3）输入电阻
Ri Rg3 ( Rg1 // Rg2 )
（4）输出电阻 由图有
1、 MOS管栅、源极之间的电阻很高，使得栅极的感应 电荷不易泄放，因极间电容很小，会造成电压过高使绝缘 层击穿。因此，保存MOS管应使三个电极短接，避免栅极 悬空。焊接时，电烙铁的外壳应良好地接地，或烧热电烙 铁后切断电源再焊。 2、 有些场效应晶体管将衬底引出，故有4个管脚，这 种管子漏极与源极可互换使用。但有些场效应晶体管在内 部已将衬底与源极接在一起，只引出3个电极，这种管子的 漏极与源极不能互换。 3、 使用场效应管时各极必须加正确的工作电压。 4、 在使用场效应管时，要注意漏、源电压、漏源电流 及耗散功率等，不要超过规定的最大允许值。
三、场效应管的主要参数
(1) 开启电压VT VT 是MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值, 场效应管不能导通。 （2）夹断电压VP VP 是MOS耗尽型和结型FET的参数，当VGS=VP时,漏极电流 为零。 （3）饱和漏极电流IDSS MOS耗尽型和结型FET, 当VGS=0时所对应的漏极电流。 （4）输入电阻RGS 结型场效应管，RGS大于107Ω，MOS场效应管, RGS可达 109～1015Ω。
其中：rgs是输入电阻，理论值为无穷大。 gmvgs是压控电流源，它体现了输入电压对输出电流的控制作用。 称为低频跨导。 rd为输出电阻，类似于双极型晶体管的rce。
三. 放大电路 1.共源放大电路
分析：
（1）画出共源放大电路的交流小信号等效电路。 （2）求电压放大倍数 忽略 rd 由输入输出回路得
N沟道
P沟道
vGS 2 i D I DSS (1 ) VP
vGS=0时，漏源极间的P型衬底表面也能感应生 成N沟道(称为初始沟道)，加上正向电压vDS， 就有电流iD。加上正的vGS，沟道加宽，沟道电 阻变小，iD增大。vGS为负时，沟道变窄，沟道 电阻变大，iD减小。当vGS负向增加到某一数值 时，导电沟道消失，iD趋于零，管子截止，故 称为耗尽型。沟道消失时的栅源电压称为夹断 电压，仍用VP表示。结型场效应管只能在vGS<0 的情况下工作。N沟道耗尽型MOS管在vGS=0， vGS>0，VP<vGS<0。
五、双极型和场效应型三极管的比较
各类型场效应管的特性比较见P：173
二. 场效应管放大电路
1. 直流偏置电路：保证管子工作在饱和区，输出信号不失真
（1）自偏压电路
计算Q点：VGS 、 ID 、VDS
已知VP ，由 vGS = - iDR
vGS
VDS =VDD- ID (Rd + R )
vGS 2 iD I DSS (1 ) VP
即： △ ID = gm △ VGS（放大原理） ③击穿区。 ④夹断区（截止区）。VGS<VP
（2）转移特性曲线： ID=f（ VGS ）│VDS=常数
(a) 漏极输出特性曲线
(b) 转移特性曲
vGS 2 i D I DSS (1 ) VP
(当
VP vGS 0
时)
4.3 MOS型场效应管
一、N沟道增强型MOS管 1、结构与ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ号
N沟道增强型
P沟道增强型
2、工作原理
（1）、vGS对iD及沟道的控制作用
增强型MOS管的漏 极d和源极s之间有两 个背靠背的PN结。当 vGS=0时，不论vDS的极 性如何，总有一个PN 结处于反偏状态，这 时漏极电流iD≈0。
vGS＞0
当vGS数值较小，吸引电子 的能力不强时，漏源极之间 仍无导电沟道出现。
（5） 低频跨导gm gm反映了栅压对漏极电流的控制作用，单位是mS(毫西门 子)。
gm
vGS 2 d I DSS (1 ) VP dvGS
vGS 2 I DSS (1 ) VP VP
（6） 最大漏极功耗PDM PDM= VDS ID，与双极型三极管的PCM相当。
四、 场效应管使用注意事项
vGS增加时，吸引到P衬底表 面层的电子就增多，当vGS达 到某一数值时，这些电子在 栅极附近的P衬底表面便形 成一个N型薄层。即N型沟道， 因导电类型与P衬底相反， 故又称为反型层。 把开始形成沟道时的栅源极 电压称为开启电压，用VT表 示。
（2）vDS对iD的影响
当vGS>VT且为一确定 值时，正向电压vDS对 导电沟道及电流ID的影 响与结型场效应管相似。
可解出Q点的VGS 、 ID 、 VDS
vGS =- iDR
注意：该电路产生负的栅源电压，所以只能用于需要负栅源电压的电路。
（2）分压式自偏压电路
计算Q点： 已知VP ，由
VGS Rg2 Rg1 Rg2 VDD I D R
VDS =VDD-ID(Rd+R) v GS 2 I D I DSS (1 ) VP
I gmVgs VO gmVgs IO R R Vgs VO
所以
VO 1 1 Ro R // 1 IO gm gm R
3、场效应管放大电路与三极管放大电路比较
1、共源电路与共射电路均有电压放大作用， 而且输出电压与输入电压相位相反。 2、共漏电路与共集电路均没有电压放大作 用，且输出电压与输入电压同相位。 3、场效应管电路最突出的优点是，共源、 共漏和共栅电路的输入电阻高于相应的共 射、共集和共基电路的输入电阻。 4、场效应管的低频跨导一般比较小，所以 放大能力比三极管差，因而共源电路的电 压增益往往小于共射电路的电压增益。
（3）栅源电压VGS和漏源电压VDS共同作用
ID=f（ VGS 、VDS）
可用输入输出两组特性曲线来 描绘。
3 结型场效应三极管的特性曲线
（1）输出特性曲线： ID=f（ VDS ）│VGS=常数
四个区： ①可变电阻区：预夹断前。 ②电流饱和区（恒流区）： 预夹断后。 特点：△ ID /△ VGS ≈常数= gm
vGS 2 (v IDO是vGS=2VT时，的 iD I D0 ( 1) GS＞VT) VT 漏极电流iD
二、N沟道耗尽型MOS管
N沟道耗尽型MOS管与 N沟道增强型MOS管相似， 区别仅在于栅源极电压 vGS=0时，耗尽型MOS管 中的漏源极间已有导电沟 道产生。
在SiO2绝缘层中掺 入了大量的金属正离 子Na+或K+
