第五章 场效应管放大电路

Ro ≈ Rd
则
Ri ≈ Rg3 + ( Rg1 || Rg2 )
（4）输出电阻
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2. 自给偏压电路
U GQ = 0，U SQ = I DQ Rs U GSQ = U GQ − U SQ = − I DQ Rs
由正电源获得负偏压 称为自给偏压
I DQ = I DSS (1 −
U GSQ U GS(off)
得
& & = Vo = gm ( R // RL ) ≈ 1 AVm & Vi 1 + gm ( R // RL ) Ri ≈ Rg3 + ( Rg1 // Rg2 )
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（3）输入电阻
例题
（4）输出电阻 由图有
& & & = VT − g V & & I T = I R − gmVgs m gs R & & Vgs = − VT
5.1 金属-氧化物-半导体（MOS）场效应管 5.2 场效应管放大电路 5.3 结型场效应管（JFET） *5.4 砷化镓金属-半导体场效应管 5.5 各种放大器件电路性能比较
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场效应管
单极型管∶噪声小、抗辐射能力强、低电压工作
场效应管有三个极：源极（s）、栅极（g）、漏极（d）， 对应于晶体管的e、b、c；有三个工作区域：截止区、恒流区、 可变电阻区，对应于晶体管的截止区、放大区、饱和区。
VDD=5V， VT=1V， K n = 0.2mA / V 2
试计算电路的静态漏极电流IDQ和漏源 电压VDSQ 。
解： VGSQ
⎛ R g2 ⎞ ⎟ VDD = 40 × 5V = 2V =⎜ ⎜ R g1 + R g2 ⎟ 60 + 40 ⎠ ⎝
I DQ = K n (VGS − VT ) 2 = (0.2) × ( 2 − 1) 2 mA = 0.2mA
（1）低频模型
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例 分压偏置电路分析
（1）静态计算
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（2）动态计算
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（2）中频电压增益
忽略 rds ， 由输入输出回路得
v i = v gs + gm v gs R= v gs (1 + gm R )
v o = − gm v gs Rd
则 Av m
= −
gm Rd 1 + gm R
所以
& VT 1 1 Ro = & = = R // 1 IT gm + gm R
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例题5-1 N沟道耗尽型场效应管共源放大电路如图所示，试写
出静态工作点表达式，画出其微变等效电路。写出电压放大倍 数Au、输入电阻Ri和输出电阻Ro的表达式。设各电容对交流可 视为短路。 解：
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（2）vDS对沟道的控制作用
预夹断后，vDS↑ →夹断区延长 →沟道电阻↑ → iD基本不变
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（3） vDS和vGS同时作用时
vDS一定，vGS变化时 给定一个vGS ，就有一条不同 的 iD – vDS 曲线。
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3. V-I 特性曲线及大信号特性方程 （1）输出特性及大信号特性方程
5.1.1 N沟道增强型MOSFET
1. 结构（N沟道）
L ：沟道长度
W ：沟道宽度
tox ：绝缘层厚度
通常 W > L
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5.1.1 N沟道增强型MOSFET
1. 结构（N沟道）
剖面图
符号
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5.1.1 N沟道增强型MOSFET
2. 工作原理
（1）vGS对沟道的控制作用 当vGS≤0时 无导电沟道， d、s间加电 压时，也无电流产生。 当0<vGS <VT 时 产生电场，但未形成导电沟道 （感生沟道），d、s间加电压后，没 有电流产生。 当vGS≥VT 时 在电场作用下产生导电沟道， d、s间加电压后，将有电流产生。 vGS越大，导电沟道越厚 VT 称为开启电压
5.3.1 JFET的结构和工作原理 5.3.2 JFET的特性曲线及参数
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5.3.1 JFET的结构和工作原理
（以N沟道为例）
结构示意图 栅极 漏极
符号
导电 沟道
源极
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5.3.2 JFET的特性曲线及参数
（1）转移特性
iD = f (uGS ) U DS =常量
再假设工作在可变电阻区 即 VDS < (VGS − VT )
I D = 2K n ( v GS − VT ) v DS VDS = VDD − I D R d
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验证是否满足 VDS > (VGS − VT ) 如果不满足，则说明假设错误
例：
设Rg1=60kΩ，Rg2=40kΩ，Rd=15kΩ，
VDSQ = VDD − I D Rd = (5 − 0.2 × 15)V = 2V
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（2）带源极电阻的NMOS共源极放大电路
VGS = VG − VS
=[ R g2 R g1 + R g2 (VDD + VSS ) − VSS ]
− ( I D R − VSS )
饱和区
I D = K n (VGS − VT ) 2
i D ≈ I DSS (1 −
v GS 2 ) VP
v GS i D = I DO ( − 1) 2 （N沟道增强型） VT
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5.1.3 P沟道MOSFET
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5.1.5 MOSFET的主要参数
一、直流参数 1. 开启电压VT （增强型参数） 2. 夹断电压VP （耗尽型参数） 3. 饱和漏电流IDSS （耗尽型参数） 4. 直流输入电阻RGS （109Ω～1015Ω ） 二、交流参数 1. 输出电阻rds
i D = f (v DS ) v GS = const.
① 截止区 当vGS ＜VT 时，导电沟道尚 未形成，iD ＝0，为截止工 作状态。
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（1）输出特性及大信号特性方程
② 可变电阻区
i D ≈ 2K n ( v GS − VT ) v DS
rdso
dv DS = di D
=
v GS = 常数
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5.2 MOSFET放大电路
5.2.1 MOSFET放大电路
1. 直流偏置及静态工作点的计算 2. 小信号模型分析
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5.2.1 MOSFET放大电路
1. 直流偏置及静态工作点的计算
（1）简单的共源极放大电路（N沟道）
共源极放大电路
直流通路
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5.2.1 MOSFET放大电路
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（2）vDS对沟道的控制作用
当vGS一定（vGS >VT ）时， vDS↑ → iD↑ →沟道电位梯度↑ →靠近漏极d处的电位升高 →电场强度减小 →沟道变薄 整个沟道呈楔形分布
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（2）vDS对沟道的控制作用
当vGS一定（vGS >VT ）时， vDS↑ → iD↑ →沟道电位梯度↑ 当vDS增加到使vGD=VT 时， 在紧靠漏极处出现预夹断。 在预夹断处：vGD=vGS-vDS =VT
（2）、放大电路的微变等效电路 如图（b）所示。则
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3. 三种基本放大电路的性能比较
组态对应关系：
BJT CE CC CB BJT
FET CS CD CG FET CS： − gm ( Rd // RL )
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（1）转移特性
iD = f (uGS ) U DS =常量
场效应管工作在恒流区，因而uGS＞UGS（off）
漏极饱 和电流 夹断 电压
在恒流区时 uGS 2 iD = I DSS (1 − ) U GS(off)
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（2）输出特性
iD = f (uDS ) U GS =常量
IDSS g-s电压 控制d-s的 等效电阻
∂v DS rds = ∂i D
VGS
NMOS增强型 rds = [λK n ( v GS
1 − VT ) ] = λi D
2 −1
当不考虑沟道调制效应时，λ＝0，rds→∞
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5.1.5 MOSFET的主要参数
二、交流参数 2. 低频互导gm
gm = ∂i D ∂v GS
2
VDS
考虑到 i D = K n ( v GS − VT ) 则
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场效应管的分类：
增强型 MOSFET (IGFET) 绝缘栅型 JFET 结型
N沟道 P沟道
FET 场效应管
耗尽型 N沟道 P沟道
N沟道 P沟道
（耗尽型）
耗尽型：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在 增强型：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道
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5.3 结型场效应管
v GS i D = I DO ( − 1) 2 VT
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5.1.2 N沟道耗尽型MOSFET 1. 结构和工作原理简述（N沟道）
二氧化硅绝缘层中掺有大量的正离子 可以在正或负的栅源电压下工作，而且基本上无栅流
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5.1.2 N沟道耗尽型MOSFET 2. V-I 特性曲线及大信号特性方程
③ 饱和区 （恒流区又称放大区）
vGS >VT ，且vDS≥（vGS－VT）
V-I 特性：
i D = K n ( v GS − VT ) 2 = I DO (
v GS − 1) 2 VT
2 I DO = K nVT 是vGS＝2VT时的iD