04场效应管放大电路

第四章 场效应管放大电路

由于半导体三极管工作在放大状态时，必须保证发射结正偏，故输入端始终存在输入电流。改变输入电流就可改变输出电流，所以三极管是电流控制器件，因而三极管组成的放大器，其输入电阻不高。

场效应管是通过改变输入电压(即利用电场效应)来控制输出电流的，属于电压控制器件，它不吸收信号源电流，不消耗信号源功率，因此输入电阻十分高，可高达上百兆欧。除此之外，场效应管还具有温度稳定性好，抗辐射能力强、噪声低、制造工艺简单、便于集成等优点，所得到广泛的应用。

场效应管分为结型场效应管(JFET)和绝缘栅场效应管(IGFET)，目前最常用的MOS管。

由于半导体三极管参与导电的两种极性的载流子，电子和空穴，所以又称为半导体三极管双极性三极管。场效应管仅依靠一种极性的载流子导电，所以又称为单极性三极管。

FET－Field Effect transistor

JFET－Junction Field Effect transistor

IGFET－Insulated Gate Field Effect Transistor MOS－Metal-Oxide-Semiconductor

§1 结型场效应管

一、结构

结型场效应管有两种结构形式。N型沟道结型场效应管和P型沟道结型场效应管。以N沟道为例。在一块N型硅半导体材料的的两边，利用合金法、扩散法或其它工艺做成高浓度的P+型区，使之形成两个PN结，然后将两边的P+型区连在一起，引出一个电极，称为栅极G。在N型半导体两端各引出一个电极，分别作为源极S和漏极D。夹在两个PN结中间的N型区是源极与漏极之间的电流通道，称为导电沟道。由于N型半导体多数载流子是电子，故此沟道称为N型沟道。同理，P型沟道结型场效应管中，沟道是P型区，称为P型沟道，栅极与N型区相连。电路符号如图所示，箭头方向可理解为两个PN结的正向导电方

向。

二、工作原理

从结型场效应管的结构可看出，我们在D、S间加上电压UDS，则在源极和漏极之间形成电流ID。我们通过改变栅极和源极的反向电压UGS，则可以改变两个PN结阻档层(耗尽层)的宽度。由于栅极区是高掺杂区，所以阻挡层主要降在沟道区。故|UGS|的改变，会引起沟道宽度的变化，其沟道电阻也随之而变，从而改变了漏极电流ID。如|UGS|上升，则沟道变窄，电阻增加，ID下降。反之亦然。所以改变UGS的大小，可以控制漏极电流。这是场效应管工作的基本原理，也是核心部分。下面我们详细讨论。 1．UGS对导电沟道的影响

为了便于讨论，先假设UDS=0。 (a)UGS=0 (b)UGS<0

当UGS由零向负值增大时，PN结的阻挡层加厚，沟道变窄，电阻增大。 (c)UGS=–Up

若UGS的负值再进一步增大，当UGS=–Up时，两个PN结的阻挡层相遇，

沟道消失，我们称沟道被“夹断”了，UP称为夹断电压，此时ID=0。

2．ID与UDS、UGS之间的关系

假定：栅、源电压|UGS|<|Up|，如UGS=–1V，Up=–4V。 ⑴

当UDS=2V时，沟道中将有电流ID通过。此电流将沿着沟道方向产生一个电压降，这样沟道上各点的电位就不同，因而沟道内各点的电位就不同，因而沟道内各点与栅极的电位差也就不相等。漏极端与栅极之间的反向电压最高，如：UDG=UDS–UGS=2–(–1)=3V，沿着沟道向下逐渐降低，源极端为最低，如：USG=–UGS=1V，两个PN结阻挡层将出现楔形，使得靠近源极端沟道较宽，而靠近漏极端的沟道较窄。如下图(a)所示。此时再增大UDS，由于沟道电阻增长较慢，所以ID随之增加。

⑵预夹断

当进一步增加UDS，当栅、漏间电压UGD等于Up时，即 UGD=UGS–UDS=Up

则在D极附近，两个PN结的阻挡层相遇，如下图(b)所示。我们称为预夹断。如果继续升高UDS，就会使夹断区向源极端方向发展，沟道电阻增加。由于沟道电阻的增长速率与UDS的增加速率基本相同，故这一期间ID趋于一恒定值，不随UDS的增大而增大，此时，漏极电流的大小仅取决于UGS的大小。UGS越负，沟道电阻越大，ID便越小。

⑶

当UGS=Up时，沟道被全部夹断，ID=0，如下图(c)所示。

注意：预夹断后还能有电流。不要认为预夹断后就没有电流。 由于结型场效应管工作时，我们总是要栅源之间加一个反向偏置电压，使得PN结始终处于反向接法，故ID≈0，所以，场效应管的输入电阻rgs很高。

三、特性曲线

1、输出特性曲线

以UGS为参变量时，漏极电流ID与与漏、源电压UDS之间的关系，称为输出特性，即

IDf(UDS)|UGS常数

根据工作情况，输出特性可划分为四个区域。

⑴可变电阻区。可变电阻区位于输出特性曲线的起始部分，此区的特点是：固定UGS时，ID随UDS增大而线性上升，相当于线性电阻；改变UGS时，特性曲线的斜率变化，相当于电阻的阻值不同，UGS增大，相应的电阻增大。

⑵恒流区。该区的特点是：ID基本不随UDS而变化，仅取决于UGS的

值，输出特性曲线趋于水平，故称为恒流区或饱和区。

⑶击穿区。位于特性曲线的最右部分，当UDS升高到一定程度时，反向偏置的PN结被击穿，ID将突然增大。UGS愈负时，达到雪崩击穿所需的UDS电压愈小。当UGS=0时其击穿电压用BUDSS

⑷截止区。当|UGS|≥|UP|时，管子的导电沟道处于完全夹断状态，ID=0，场效应管截止。 2、转移特性曲线

当漏、源之间电压UDS保持不变时，漏极电流ID和栅、源之间电压UGS的关系称为转移特性。即

IDf(UGS)|UDS常数

它描述了栅、源之间的电压UGS对漏极电流ID的控制作用。由图可见：

UGS=0时，ID=IDSS漏极电流最大，称为饱合漏极电流IDSS

|UGS|增大，ID减小，当UGS=–Up时，ID=0。Up称为夹断电压。

结型场效应管的转移特性在UGS=0～Up范围内可用下面近似公式表示：

UGSIDIDSS1UP 根据输出特性曲线可以做出转移特性曲线。

2§2 绝缘栅场效应管

绝缘栅场效应管通常由金属、氧化物和半导体制成，所以又称为金属-氧化物-半导体场效应管，简称为MOS场效应管。由于这种场效应管的栅极被绝缘层

(SiO2)隔离(所以称为绝缘栅)。因此其输入电阻更高，可达109Ω以上。

N沟道 P沟道 增强型 耗尽型 共有四种类型。

一、N沟道增强型MOS场效应管

1．结构

N沟道增强型MOS场效应管的结构示意图如右图所示。把一块掺杂浓度较低的P型半导体作为衬底，然后在其表面上覆盖一层SiO2的绝缘层，再在SiO2层上刻出两个窗口，通过扩散工艺形成两个高掺杂的N型区(用N+表示)，并在N+区和SiO2的表面各自喷上一层金属铝，分别引出源极、漏极和控制栅极。衬底上也引出一根引线，通常情况下将它和源极在内部相连。 2．工作原理

结型场效应管是通过改变UGS来控制PN结的阻挡层宽窄，从而改变导电沟道的宽度，达到控制漏极电流ID的目的。而绝缘栅场效应管则是利用UGS来控制“感应电荷”的多少，以改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道的状况，然后达到控制漏极电流ID的目的。

对N沟道增强型的MOS场效应管，当UGS=0时，在漏极和源极的两个N+区之间是P型衬底，因此漏、源之间相当于两个背靠背的PN结。所以无论漏、源之间加上何种极性的电压，总是不导通的，ID=0。

当UGS>0时，(为方便假定UDS=0)，则在SiO2的绝缘层中，产生了一个垂直半导体表面，由栅极指向P型衬底的电场。这个电场排斥空穴吸引电子，当UGS>UT时，在绝缘栅下的P型区中形成了一层以电子为主的N型层。由于源极和漏极均为N+型，故此N型层在漏、源极间形成电子导电的沟道，称为N型沟道。UT称为开启电压，此时在漏、源极间加UDS，则形成电流ID。显然，此时改变UGS则可改变沟道的宽窄，即改变沟道电阻大小，从而控制了漏极电流ID的大小。由于这类场效应管在UGS=0时，ID=0，只有在UGS>UT后才出现沟道，形成电流，故称为增强型。 3．特性曲线

N沟道增强型场效应管，也用转移特性、输出特性表示ID、UGS、UDS之间的关系，如下图所示。

转移特性：UGS 输出特性：也可分为4个区，可变电阻区、恒流区、击穿区和截止区。

二、N沟道耗尽型MOS管

1．结构

耗尽型MOS场效应管，是在制造过程中，预先在SiO2绝缘层中掺入大量的正离子，因此，在UGS=0时，这些正离子产生的电场也能在P型衬底中“感应”出足够的电子，形成N型导电沟道，如右图所示。

衬底通常在内部与源极相连。 2．工作原理

当UDS>0时，将产生较大的漏极电

流ID。如果使UGS<0，则它将削弱正离子所形成的电场，使N沟道变窄，从而使ID减小。当UGS更负，达到某一数值时沟道消失，ID=0。使ID=0的UGS我们也称为夹断电压，仍用UP表示。UGS3．特性曲线

N沟道MOS耗尽型场效应管的特性曲线如下图所示，也分为转移特性和输出特性。其中：

IDSS — UGS=0时的漏极电流。

UP — 夹断电压，使ID=0对应的UGS的值。

P沟道场效应管的工作原理与N沟道类似。我们不再讨论。下面我们看一下各类绝缘栅场效应管(MOS场效应管)在电路中的符号。

§3 场效应管的主要参数

场效应管主要参数包括直流参数、交流参数、极限参数三部分。

一、直流参数

1．饱合漏极电流IDSS

IDSS是耗尽型和结型场效应管的一个重要参数。

定义：当栅、源极之间的电压UGS=0，而漏、源极之间的电压UDS大于夹断电压UP时对应的漏极电流。 2．夹断电压UP

UP也是耗尽型和结型场效应管的重要参数。

定义：当UDS一定时，使ID减小到某一个微小电流(如1μA，50μA)时所需UGS的值。

3．开启电压UT

UT是增强型场效应管的重要参数。

定义：当UDS一定时，漏极电流ID达到某一数值(如10μA)时所需加的UGS值。

4．直流输入电阻RGS

RGS是栅、源之间所加电压与产生的栅极电流之比，由于栅极几乎不索取电流，因此输入电阻很高，结型为106Ω以上，MOS管可达1010Ω以上。

二、交流参数

1．低频跨导gm

此参数是描述栅、源电压UGS对漏极电流的控制作用，它的定义是当UDS一定时，ID与UGS的变化量之比，即

gmIDUGS

跨导gm的单位是mA/V。它的值可由转移特性或输出特性求得。在转移特性上工作点Q外切线的斜率即是gm。或由输出特性看，在工作点处作一条垂直横坐标的直线(表示UDS=常数)，在Q点上下取一个较小的栅、源电压变化量ΔUGS，然后从纵坐标上找到相应的漏极电流的变化量ΔID/ΔUGS，则gm=ΔID/ΔUGS。

UDS常数UGSIDIDSS1UP求得 此外。对结型场效应管，可由

ID2IUgmDSS(1GS)UGSUPUP

只要将工作点处的UGS值代入就可求得gm 2．极间电容

2场效应管三个极间的电容。包括CGS、CGD和CDS。这些极间电容愈小，则管子的高频性能愈好。一般为几个pF。

三、极限参数

1．漏极最大允许耗散功率PDm

PDm=IDUDS

2．漏源间击穿电压BUDS

在场效应管输出特性曲线上，当漏极电流ID急剧上升产生雪崩击穿时的UDS。工作时，外加在漏极、源极之间的电压不得超过此值。 3．栅源间击穿电压BUGS

结型场效应管正常工作时，栅、源之间的PN结处于反向偏置状态，若UGS过高，PN结将被击穿。

对于MOS管，栅源极击穿后不能恢复，因为栅极与沟道间的SiO2被击穿属破坏性击穿。

§4 场效应管的特点

场效应管具有放大作用，可以组成各种放大电路，它与双极性三极管相比，具有以下几个特点：

1、场效应管是一种电压控制器件

通过UGS来控制ID。而双极性三极管是电流控制器件，通过IB来控制IC。 2、场效应管输入端几乎没有电流

场效应管工作时，栅、源极之间的PN结处于反向偏置状态，输入端几乎没有电流。所以其直流输入电阻和交流输入电阻都非常高。而双极性三极管，发射结始终处于正向偏置，总是存在输入电流，故b、e极间的输入电阻较小。 3、场效应管利用多子导电

由于场效应管是利用多数载流子导电的，因此，与双极性三极管相比，具有噪声小、受幅射的影响小、热稳定性好而且存在零温度系数工作点等特性。 4、场效应管的源漏极有时可以互换使用

由于场效应管的结构对称，有时漏极和源极可以互换使用，而各项指标基本上不受影响。因此使用时比较方便、灵活对于有的绝缘栅场效应管，制造时源极已和衬底连在一起，则源极和漏极不能互换。 5、场效应管的制造工艺简单，便于大规模集成

每个MOS场效应管在硅片上所占的面积只有双极性三极管的5%，因此集成度更高。

6、MOS管输入电阻高，栅源极容易被静电击穿

MOS场效应管的输入电阻可高达1015Ω，因此，由外界静电感应所产生的电荷不易泄漏。而栅极上的SiO2绝缘层双很薄，这将在栅极上产生很高的电场强度，以致引起绝缘层击穿而损坏管子。 7、场效应管的跨导较小

组成放大电路时，在相同负载电阻下，电压放大倍数比双极性三极管低。

§5 场效应管放大电路

根据前面讲的场效应管的结构和工作原理，和双极性三极管比较可知，场效应管具有放大作用，它的三个极和双极性三极管的三个极存在着对应关系即：

G(栅极)→b(基极) S(源极)→e(发射极) D(漏极)→c(集电极)

所以根据双极性三极管放大电路，可组成相应的场效应管放大电路。但由于两种放大器件各自的特点，故不能将双极性三极管放大电路的三极管简单地用场效应管取代，组成场效应管放大电路。

双极性三极管是电流控制器件，组成放大电路时，应给双极性三极管设置偏置偏流，而场效应管是电压控制器件，故组成放大电路时，应给场效应管设置偏压，保证放大电路具有合适的工作点，避免输出波形产生严重的非线性失真。

一、静态工作点与偏置电路

由于场效应管种类较多，故采用的偏置电路，其电压极性必须考虑。下面以N沟道为例进行讨论。

N沟道的结型场效应管只能工作在UGS<0的区域，MOS管又分为耗尽型和增强型，增强型工作在UGS>0，而耗尽型工作在UGS<0。 1．1． 自给偏压偏置电路

右图给出的是一种称为自给偏压电路的偏置电路，它适用于结型场效应管或耗尽型场效应管。它依靠漏极电流ID在Re上的电压降提供栅极偏压。即

UGS=–IDRS

同样，在RS上要并联一个足够大的旁路电容。

由场效应管的工作原理我们知道ID是随UGS变化的，而现在UGS又取决于ID的大小，怎么确定静态工作点的ID和UGS的值呢？一般可采用两种方法：图解法和计算法。 ⑴图解法 首先，作直流负载线，由漏极回路写出方程

UDS=UDD－ID(RD+RS)

由此在输出特性曲线上做出直流负载线AB，将此直流负载线逐点转到uGS～iD坐标，得到对应直流负载线的转移特性曲线CD，再由UGS=–IDRS在转移特性坐标中作另一条直线，两线的交点即为Q点。 ⑵计算法

IDIDSS(1UGS2)UP

UGSIDRS

【例】电路如上页图，场效应管为3DJG，其输出特性曲线如下图所示，已知RD=2kΩ，RS=1.2kΩ，UDD=15V，试用图解法确定该放大器的静态工作点。

解：写出输出回路的电压电流方程，即直流负载线方程。 UDS=UDD－ID(RD+RS)

UDD15ID4.7mARR21.2DS设 UDS=0V时

ID=0mA时 UDS15V

在输出特性图上将上述两点相连得直流负载线。 再根据上述直流负载线与输出特性曲线簇的交点，转移到uGS～iD坐标系中，画出相应于该直流负载线的转移特性曲线。

在转移特性曲线上，做出UGS=–IDRS的曲线。它在uGS～iD坐标系中是一条直线，找出两点即可。

令 ID=0 UGS=0 ID=3mA UGS=3.6V

连接这两点，在uGS～iD坐标系中得一直线，此直线与转移特性曲线的交点即为Q点，对应Q点的值为：

ID=2.5mA UGS=–3V UDS=7V 2．分压式偏置电路

分压式偏置电路也是一种常用的偏置电路，该种电路适用于所有类型的场效应管，如下图所示，为了不使分压电阻R1、R2对放大电路的输入电阻影响太大，故通过RG与栅极相连。该电路栅、源电压为：

R1UGSUGUSUDDIDRSR1R2

⑴图解法 同上，不过ID=0，UGS不等于0，而为

R1UGSUDDR1R2

⑵计算法 联立解下面方程组：

R1UUUUDDIDRSGSGSRR12II(1UGS)2DDSSUP

【例】试计算上图的静态工作点。已知R1=50kΩ，R2=150kΩ，RG=1MΩ，RD=RS=10kΩ，RL=1MΩ，CS=100μF，UDD=20V，场效应管为3DJF，其Up=–5V，IDSS=1mA。

解：

50UGS2010ID50150

UID11GS5 UGS510ID

2即

将UGS代入ID式得：

UID1GS5 510IDID15

24ID9ID40 ID0.61mA

22UGS50.61101.1V

漏极对地电压为：UD=UDD–IDRD=20–0.61×10=13.9V

二、场效应管的微变等效电路

由于场效应管输入端不取电流，输入电阻极大，故输入端可视为开路。场效应管仅存在如下关系：

iDf(uGS,uDS)

diDiDuGSduGSUDSiDuDSduDSUGS

gmiDuGSUDS

1iDrDuDSUGS1udsrD

ID2IUgmDSS(1GS)UGSUPUP rD很大，可以认为开路。 idgmugs

根据电路方程可画出等效电路如右上图所示。 idgmugs三、共源极放大电路

放大电路和微变等效电路如下图与示。场效应管放大电路的动态分析同双极性三极管，也是求电压放大倍数Au、输入电阻ri和输出电阻ro。

1．电压放大倍数

根据电压放大倍数的定义

AuUoUi

由等效电路可得：

'UogmUgsRL

再找出Uo和Ui的关系，即Ugs和Ui的关系，从等效电路可得：

Ui=Ugs

所以：

'AugmRL

2．输入电阻

riRGR1//R2

3．输出电阻

roRD

四、共漏极放大器(源极输出器)

电路和等效电路如下图所示。

同样求电压放大倍数、输入电阻、输出电阻。

1．电压放大倍数

根据电压放大倍数的定义

AuUoUi

从等效电路可得：

'UogmUgsRL

又有 Ui=Ugs+Uo Ugs=Ui – Uo

'Uogm(UiUo)RL ''UogmRLUigmRLUo

'gmRLUiUo'1gmRL

'UogmRLAu1'Ui1gmRL

2．输入电阻

ri=RG

3．输出电阻

根据求输出电阻的方法，令：Us=0，并在输出端加一信号U2如下图所示 则：

UI22gmUgsRS

UgsU2 U1I22gmU2(gm)U2RsRS

U11ro2//RSI2g1gmmRs

【例】计算下面电路的电压放大倍数、输入电阻、输出电阻。电路参数为：R1=50kΩ，R2=150kΩ，RG=1MΩ，RD=RS=10kΩ，RL=1MΩ，CS=100μF，UDD=20V，场效应管为3DJF，其Up=–5V，IDSS=1mA，

解：由前例可知，UGS=－1.1V，ID=0.61mA

2IU211.1gmDSS1GS10.312mA/VUpUp55

101000'AugmRL0.3123.12101000 50150riRGR1//R210001038k1.04M50150 ro=RD=10kΩ

Field [] n.原[旷]野，田地; 场

Effect [ ] n.结果, 效果, 作用, 影响 transistor [] n.[电子]晶体管

junction [  ] n.连接, 接合, 交叉点, 汇合处 insulated [  ] 绝缘的 隔热的 gate [ ] n.大门

semiconductor [  ] n.[物] 半导体 metal []n.金属

oxide[]n.[化]氧化物