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第三章 场效应管放大电路 延安大学西安创新学院
第三章 场效应管放大电路
3.1 结型场效应管
3.2 绝缘栅场效应管
3.3 场效应管的主要参数
3.4 场效应管的特点
3.5 场效应管放大电路
第三章 场效应管放大电路 延安大学西安创新学院
3.1 结型场效应管
D
G
S
D
G
S
(a ) N 型沟道
P £« P £«
N型沟道
源极
栅极
漏极 D
G
S
(b ) P 型沟道
N £« N £«
P型沟道
源极
栅极
漏极
D
G
S
(c ) N 沟道 (d ) P 沟道
图 3-1 结型场效应管的结构示意图和符号
3.1.1 结构
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3.1.2 工作原理
N型沟道
D
G
S
(a ) U GS £½0
P £« P £«
ID £½0
NÐ͹µµÀ
D
G
S
(b ) U GS £¼0
P £« P £«
ID £½0
U G S
D
G
S
(c ) U GS £½ £ U P
P £« P £«
ID £½0
U G S
图 3-2 当 UDS=0 时 UGS 对导电沟道的影响示意
1. UGS 对导电沟道的影响
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2. ID 与 UDS 、 UGS 之间的关系
N
D
G
S
(a ) U GS £¼0, U DG £¼|U P |
U DS
ID
U GS
N
D
G
S
U DS
U GS
ID
P P PP
IS IS
(b ) UGS
£¼0 , UDG
£¼|UP
| 预夹断
D
G
S
U DS
U GS
ID
P P
IS
(c ) UGS
¡ÜUP
, UDG
£¾|UP
| 夹断
图 3-3 UDS 对导电沟道和 ID 的影响
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3.1.3 特性曲线
1. 输出特性曲线 常数GSUDSD UfI )(
iD / mA
6
5
4
3
2
1
uDS / V0 4 8 12
£ 3 V
£ 2 V
£ 1V
u GS £½0 V
16 20 24
RDS小
RDS ´ó
击穿区
U P£½£ 4 V
BU DSS截止区
可变电阻区(恒流区 放大)区
uDS £½u GS £ U P
图3--4N
沟道结型场效应管的输出特
性
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根据工作情况 , 输出特性可划分为 4 个区域 , 即 :
可变电阻区、 恒流区、击穿区和截止区。
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2. 转移特性曲线
常数DSUGSD UfI )(
iD / mA
6
5
4
3
2
1
uGS / V
DS
U P£½£ 4 V
0£ 1£ 2£ 3£ 4
IDSS
图 3- 5 N 沟道结型场效应管的转移特性曲线
2
1
P
GSDSSD U
UII
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iD / mA iD / mA
6 6
5 5
4 4
3 3
2 2
1 1
u GS / V uDS / V0 U DS4 8 U DS 12
£ 4 V
£ 3 V
£ 2 V
£ 1 V
U GS £½04
3
2
1
U DS £½U DS
4¡ä
3¡äU DS £½U DS
2¡ä
1¡äU P
0£ 1£ 2£ 3£ 412
1
2
图 3-6 由输出特性画转移特性
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3.2 绝缘栅场效应管 3.2.1 N 沟道增强型 MOS 场效应管1. 结构
N £« N £«
P 型衬底
S G DSiO 2 铝
B
图 3-7 N 沟道增强型 MOS 场效应管的结构示意图
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2. 工作原理
N £« N £«
P 型衬底
S
G
D
U GS
B
U DS
N 型沟道
图 3-8UGS > UT 时形成导电沟道
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3. 特性曲线
iD / mA
10 A
0 U T uG S / V U G S £½U T
0截止区
iD / mA可变电阻区 恒流区 击穿区
U D S £½U GS £ U T 轨迹
uD S / V
(a ) תÒÆÌØÐÔ (b ) Êä³öÌØÐÔ
图 3 – 9 N 沟道增强型 MOS 场效应管的特性曲线
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3.2.2 N 沟道耗尽型 MOS 场效应管
N £« N £«
P型衬底
S G D
掺杂在绝缘层中的正离子
£«£« £« £«£« £«£« £«£«£« £«
N型沟道
衬底引线
图 3-10 N 沟道耗尽型 MOS 管的结构示意图
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OU PuGS
IDSS
(a ) 转移特性
IDSS
0
1
2
3
4
5 10 15
£ 3 V
uDS / V
(b ) 输出特性
£ 2 V
£ 1 V
£«1 V
U GS £½ 0 V
iD iD / mA
20
图 3-11 N 沟道耗尽型 MOS 场效应管的特性曲线
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G
D
S
衬底
(a ) N 沟道增强型
G
D
S
衬底
(b ) N 沟道耗尽型
G
D
S
(c ) N 沟道 MOS 管简化符号
G
D
S
衬底
(d ) P 沟道增强型
G
D
S
衬底
(e ) P 沟道耗尽型
G
D
S
( f ) P 沟道 MOS 管简化符号
图 3-12 MOS 场效应管电路符号
第三章 场效应管放大电路 延安大学西安创新学院表 3-1 各种场效应管的符号和特性曲线
类型 符号和极性 转移特性 输出特性
uGS
O
IDSS
iD
UP
uGS
O
IDSS
iD U
P
-i
- uDS
O
uGS
= 0 V
+ 1 V
D
+ 2 V+ 3 V
uGS
=UP=+ 4 V
uDS
O
uGS
= 0 V
- 1 V
iD
- 2 V- 3 V
uGS
=UP=- 4 V
uDS
O
uGS
= 5 ViD
3 V
uGS
=UT=+ 2 V
4 V
uGS
iD
O UT
G
S
D+
-
iD
-+
G
S
D
+
-iD
-
+
G
S
D+
-
iD
-
+B
JFETP沟道
JFETN沟道
增强型N MOS
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uGS
O
iD
UP
IDSS
iD
OU
TuGS
uGSO
IDSS
iD U
P
uDS
O
uGS
= 0 V
iD
- 2 V
uGS
=UP=- 4 V
+ 2 V
- iD
- 5 V
uGS
=UT=- 3 V
O - uDS
- 4 V
uGS
=- 6 V
-iD - 2 V
uGS
=UP=+ 4 V
O - uDS
+ 2 V
uGS
=0 V
G
S
D+
-
iD
B+
-
G
S
D
+
-iD
-+
B
G
S
D
+
-iD
B-+
耗尽型N MOS
增强型P MOS
耗尽型P MOS
表 3-1 续表
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3.3 场效应管的主要参数
3.3.1 直流参数
1. 饱和漏极电流 IDSS
2. 夹断电压 UP
• 开启电压 UT
4. 直流输入电阻 RGS
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2. 夹断电压 UP
UP 也是耗尽型和结型场效应管的重要参数 , 其定义为当 UDS 一定时 , 使 ID 减小到某一个微小电流 ( 如1μA, 50μA) 时所需的 UGS 值。
1. 饱和漏极电流 IDSS
IDSS 是耗尽型和结型场效应管的一个重要参数 ,
它的定义是当栅源之间的电压 UGS 等于零 , 而漏、源之间的电压 UDS 大于夹断电压 UP 时对应的漏极电流。
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3. 开启电压 UT
UT 是增强型场效应管的重要参数 , 它的定义是当
UDS 一定时 , 漏极电流 ID 达到某一数值 ( 例如 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 106 Ω 以上 , MOS 管可达 1010Ω 以上。
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3.3.2 交流参数1. 低频跨导 gm
常数
DSU
GS
Dm U
Ig
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。
)1(2
P
GS
P
DSS
GS
Dm U
U
U
I
U
Ig
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iD / mA iD / mA
Q
O
uGS / VU GS
ID
(a ) תÒÆÌØÐÔ (b ) Êä³öÌØÐÔ
u DS / VO
ID
QU GS
uDS £½常数
3-13 根据场效应管的特性曲线求 gm
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2. 极间电容
场 效 应 管 三 个 电 极 之 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 。
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3.3.3 极限参数
1. 漏极最大允许耗散功率 PDm
PDm 与 ID 、 UDS 有如下关系 :
DSDDm UIP
这部分功率将转化为热能 , 使管子的温度升高。 PDm
决定于场效应管允许的最高温升。
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、源之间的电压不得超过此值。
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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 场效应管 , 由于栅极与沟道之间有一层很
薄的二氧化硅绝缘层 , 当 UGS 过高时 , 可能将 SiO2 绝缘
层击穿 , 使栅极与衬底发生短路。这种击穿不同于 PN 结击穿 , 而和电容器击穿的情况类似 , 属于破坏性击穿 ,
即栅、 源间发生击穿 , MOS 管立即被损坏。
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3.4 场效应管的特点
(1) 场效应管是一种电压控制器件 , 即通过 UGS 来控制
ID 。
(2) 场效应管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。
(3) 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
较好而且存在零温度系数工作点等特性。
场效应管具有放大作用,可以组成各种放大电路,与双极性三极管相比,具有以下特点:
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(4) 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 , 因此应用时比较方便、 灵活。
(5) 场效应管的制造工艺简单 , 有利于大规模集成。
(6) 由于 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
绝缘层又很薄 , 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 , 当组成放大电路时 , 在相同的负载电阻下 , 电压放大倍数比双极型三极管低。
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iD
O uGS
零温度系数工作点
T 3
T 2
T 1
T 1£¾T 2£¾T 3
图 3 – 14 场效应管的零温度系数工作点
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D
S
GR
VD1
VD2
图 3-15 栅极过压保护电路
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3.5 场效应管放大电路
3.5.1 静态工作点与偏置电路
RS
C 1
C 2
RD
£«U DD
RL
£«
£
RG
G
£«
C S
D
S
U i¡¤
ID
U o¡¤
图 3 – 16 自给偏压电路
SDGS RIU
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1. 图解法
)( SDDDDDS RRIUU
iD / mA iD / mA
AC
Q
DO O
uGS / V 5 10 15 20 uDS / V
B
Q
£ 3 V
£ 2.5 V
£ 2 V
£ 1.5 V
£ 1 V
£ 0.5 V
u GS £½0
图 3 – 17 求自给偏压电路 Q 点的图解
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2. 计算法
2
1
P
GSDSSD U
UII
IDSS 为饱和漏极电流 ,UP 为夹断电压 , 可由手册查出。
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【例 1】 电路如图 3 - 16 所示 , 场效应管为 3DJG, 其输出特 性曲 线 如 图 3 - 18 所 示 。已知 RD=2 kΩ, RS=1.2
kΩ,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
)( SDDDDDS RRIUU
设
VUmAI
mARR
UIVU
DSD
SD
DDDDS
150
7.42.12
150
时,
时,
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在输出特性图上将上 述两点相连得直流负载线。
£ 6 £ 4 £ 2 0 5 7 10 15£ uGS / V
5
6
4
3
2
1
£ 1£ 2
£ 3
£ 4£ 5
£ 6u DS / V
iD / mA
Q
u GS £½0 V
图 3-18 图解法确定工作点 ( 例 1)
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在转移特性曲线上 , 作出 UGS=-IDRS 的曲线。由上式可看出它在 uGS~iD坐标系中是一条直线 , 找出两点即可。 令
VUmAI
UI
GSD
GSD
6.3,3
0,0
连接该两点 , 在 uGS~iD坐标系中得一直线 , 此线与转移特性曲线的交点 , 即为 Q 点 , 对应 Q 点的值为 :
VUVUmAI DSGSD 7,3,5.2
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SDDDSGGS RIURR
RUUU
12
1
另一种常用的偏置电路为分压式偏置电路 , 如图 3 -
19 所示。该电路适合于增强型和耗尽型 MOS 管和结型场效应管。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
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RS
C 1
C 2RD
£«U DD
RL
£«
£
R1
C S
U i
R2
RG
£«
£
U o
图 3-19 分压式偏置电路
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利用图解法求 Q 点时 , 此方程的直线不通过 uGS~iD
坐标系的原点 , 而是通过 ID=0, 点 , 其它过程与自偏电路相同。
DDGS URR
RU
12
1
利用计算法求解时 , 需联立解下面方程组
2
21
1
1P
GSDSSD
SDDDGS
U
UII
RIURR
RU
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3.5.2 场效应管的微变等效电路
DS
DS
GSDS
UGS
D
D
UGS
Dm
DSUDS
DGSU
GS
DD
DSGSD
u
i
r
u
ig
duu
idu
u
idi
uufi
1
),(
求微分式
定义
场效应管仅存关系 :
(3-13)
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如果用 id 、 ugs 、 uds 分别表示 iD 、 uGS 、 uDS 的变化部分 , 则式 (3-13) 可写为
dsD
gsmd ur
ugi1
P
GS
P
DSSm U
U
U
Ig 1
2
P
DSSm U
Ig
20
P
GSmm U
Ugg 10
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3.5.3 共源极放大电路
RG
£«
£
gm U gs
R1
RD RL
R2
£«
£
U iU gs U o
G
S
Id D
图 3 – 20 共源极放大电路微变等效电路
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1. 电压放大倍数 (Au)
'Lgsmo
i
ou
RUgU
U
UA
式中 ,
'
' ,//
Lmi
Ou
igsLDL
RgU
UA
UURRR
所以。而
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2. 输入电阻 ri
21 // RRRr Gi
3. 输出电阻ro
Do Rr
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3.5.4 共漏放大器 ( 源极输出器 )
1. 电压放大倍数(Au)
i
ou U
UA
式中 , 。而LSL RRR //'
oigsogsi UUUUUU ,
所以 ')( Loimo RUUgU
'Lgsmo RUgU
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整理后得
'
'
1 Lm
iLmo Rg
URgU
于是得
'
'
1 Lm
Lmu Rg
RgA
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RSRL
£«
£
RG
U s
£«
£
U o
¡äR s
£«
£
U i
£«
(a ) 电路
RS
D
RL
RG
U s
£«£
U gs¡äR s
£«
(b ) µÈЧ电路
gm U gs
£
U o
£«U DD
G
S
RS
D
SRG £«
£
U gs
¡äR s
£«gm U gs
£
U 2
G
(c ) 输出电阻的计算
图 3-21 源极输出器
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2. 输入电阻ri
Gi Rr
3. 输出电阻 ro
222
2
1U
RgUg
R
UI
Smm
s
gsms
UgR
UI 2
2
令 Us=0, 并在输出端加一 信号 U2 。
Sm
sm
o Rg
RgI
Ur //
11
1
2
2
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【例 3 】 计算例 2 电路 3-19 的电压放大倍数、输入电 阻 、 输出电 阻 。 电 路 参 数 及管 子 参 数 如 例 2, 且RL=1MΩ,CS=100μF 。
解 由例 2已求得该电路的静态工作点 ,UGS=-1.1V,
ID=0.61mA, 则根据 (3-17)式得
MkRRRr
RgA
VmAg
Gi
Lmu
m
04.1103815050
150501000//
12.3100010
100010312.0
/312.0)5
1.11(
5
12
21
'
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【 例 4 】 计算图 3 - 21(a) 源 极 输出器 的Au 、 ri 、 ro 。 (已知 RG=5MΩ, RS=10 kΩ,RL=10 kΩ, 场效应管 gm=4mA/V)
解 由于 gm已给出 , 所以可不计算直流状态。95.0
21
20
541
54
1 '
'
Lm
Lmu Rg
RgA
式中 。 kRRR LSL 5//'
kRg
r
MRr
Sm
o
Gi
25.04
110//
4
1//
1
5