1
第四章晶体管及其小信号放大
－场效应管放大电路电子电路基础
2
§ 4 场效应晶体管及场效应管放大电路
§ 4.1 场效应晶体管 (FET)
N沟道
P沟道增强型耗尽型
N沟道
P沟道
N沟道
P沟道
（耗尽型）
FET
场效应管
JFET
结型
MOSFET
绝缘栅型
(IGFET)
3
一、结构
§ 4.1.1 结型场效应管源极,用 S或 s表示
N型导电沟道漏极,用
D或 d表示
P型区型区栅极,用 G
或 g表示栅极,用或 表示符号
4
1 UGS<0,UDS=0V
PN结反偏，
|UGS|越大则耗尽区越宽，导电沟道越窄。
二、工作原理（以 N沟道为例）
5
ID
|UGS|越大耗尽区越宽，
沟道越窄，电阻越大。
但当 |UGS|较小时，耗尽区宽度有限，存在导电沟道。 DS间相当于线性电阻。
6
N
G
S
D
UGS
P P
UGS达到一定值时
（ 夹断电压 VP）,耗尽区碰到一起,DS
间被夹断,这时，即使 UDS? 0V,漏极电流 ID=0A。
ID
7
2 UGS=0,UDS>0V
ID
越靠近漏极,PN
结反压越大,耗尽层越宽，导电沟道越窄沟道中仍是电阻特性，但是是非线性电阻。
8
当 UDS=| Vp |,发生预夹断,ID= IDss
UDS增大则被夹断区向下延伸。 此时，
电流 ID由未被夹断区域中的载流子形成，基本不随 UDS
的增加而增加，呈恒流特性。
ID
9
3 UGS<0,UDS>0V
IDU
GD= UGS- UDS=UP
时发生预夹断
10
三、特性曲线和电流方程
c o ns t,DSD GS)( vvfi
2,转移特性 c o ns t,GSD DS)( vvfi
)0()1( GSP2
P
GS
D S SD vVV
vIi
VP
1,输出特性
11
结型场效应管的缺点：
1,栅源极间的电阻虽然可达 107以上，但在某些场合仍嫌不够高。
3,栅源极间的 PN结加正向电压时，将出现较大的栅极电流。
绝缘栅场效应管可以很好地解决这些问题。
2,在高温下,PN结的反向电流增大，栅源极间的电阻会显著下降。
12
绝缘栅型场效应三极 MOSFET( Metal
Oxide Semiconductor FET)。分为增强型? N沟道,P沟道耗尽型? N沟道,P沟道
§ 4.1.2 绝缘栅场效应管（ MOS)
13
一 N沟道增强型 MOSFET
1 结构
14
2 工作原理
(1) VGS=0V时,漏源之间相当两个背靠背的 二极管，在 D
,S之间加上电压不会在 D,S间形成电流。
(2) VGS> VGS（ th)>0时,形成导电沟道反型层
15
(3) VGS> VGS（ th)>0时,VDS>0
VDS=VDG＋ VGS
=－ VGD＋ VGS
VGD=VGS－ VDS
＝ VGS（ th)时发生预夹断
16
3 N沟道增强型 MOS管的特性曲线转移特性曲线 ID=f(VGS)?VDS=const
17
输出特性曲线 ID=f(VDS)?VGS=const
18
二 N沟道耗尽型 MOSFET
(a) 结构示意图 (b) 转移特性曲线
19
输出特性曲线
ID
U DS0
UGS=0
UGS<0
UGS>0
20
P沟道 MOSFET
P沟道 MOSFET的工作原理与 N沟道 MOSFET完全相同，只不过导电的载流子不同，供电电压极性不同而已。这如同双极型三极管有 NPN
型和 PNP型一样。
21
2.2.5 双极型和场效应型三极管的比较双极型三极管 场效应三极管结构 NPN型 结型耗尽型 N沟道 P沟道
PNP型 绝缘栅增强型 N沟道 P沟道绝缘栅耗尽型 N沟道 P沟道
C与 E一般不可倒置使用 D与 S有的型号可倒置使用载流子 多子扩散少子漂移 多子漂移输入量 电流输入 电压输入控制 电流控制电流源 CCCS(β) 电压控制电流源 VCCS(gm)
22
§ 4.1.4 场效应管的参数和型号一 场效应管的参数
① 开启电压 VGS(th) (或 VT)
开启电压是 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 VGS(off) (或 VP)
夹断电压是耗尽型 FET的参数，当 VGS=VGS(off) 时,漏极电流为零。
③ 饱和漏极电流 IDSS
耗尽型场效应三极管,当 VGS=0时所对应的漏极电流
23
④ 输入电阻 RGS
场效应三极管的栅源输入电阻的典型值,对于结型场效应三极管，反偏时 RGS约大于 107Ω，对于绝缘栅型场效应三极管,RGS约是 109～ 1015Ω。
⑤ 低频跨导 gm
低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用，
这一点与电子管的控制作用相似。 gm可以在转移特性曲线上求取，也可由电流方程求得
DS
GS
D
m Vv
ig
时）（当 0
)1(2
GSP
P
P
GS
D S S
m
vV
V
V
vI
g
24
⑥ 最大漏极功耗 PDM
最大漏极功耗可由 PDM= VDS ID决定，与双极型三极管的 PCM相当。
25
二 场效应三极管的型号场效应三极管的型号,现行有两种命名方法。
其一是与双极型三极管相同，第三位字母 J代表结型场效应管,O代表绝缘栅场效应管。第二位字母代表材料,D是 P型硅，反型层是 N沟道； C是
N型硅 P沟道。例如,3DJ6D是结型 N沟道场效应三极管,3DO6C是绝缘栅型 N沟道场效应三极管。
第二种命名方法是 CS×× #,CS代表场效应管，
×× 以数字代表型号的序号,#用字母代表同一型号中的不同规格。例如 CS14A,CS45G等。
26
几种常用的场效应三极管的主要参数参 数型号
P
D M
m W
I
D SS
m A
VR
DS
V
VR
GS
V
V
P
V
g
m
m A / V
f
M
MH z
3D J 2D 100 < 0.35 > 20 > 20 - 4 ≥ 2 300
3D J 7E 100 < 1.2 > 20 > 20 - 4 ≥ 3 90
3D J 15H 100 6 ～ 11 > 20 > 20 - 5.5 ≥ 8
3D O 2E 100 0.35 ～ 1.2 > 12 > 25 1000
C S 1 1C 100 0.3 ～ 1 - 25 - 4 ≥ 2
27
半导体三极管图片
28
半导体三极管图片
29
§ 4.2 场效应 放大电路
(1) 静态：适当的静态工作点，使场效应管工作在恒流区，场效应管的偏置电路相对简单。
(2) 动态：能为交流信号提供通路。
组成原则：
静态分析,估算法、图解法。
动态分析,微变等效电路法。
分析方法：
30
4.2.2 场效应管的直流偏置电路及静态分析一 自偏压电路
vGS
Q点,VGS,ID,VDS
vGS =
2
P
GS
D S SD )1( V
vIi
VDS = VDD - ID (Rd + R )
- iDR
31
二 分压式偏置电路
SVGSV GV
DD
g2g1
g2 V
RR
R
RID?
2
P
GS
D S SD )1( V
vIi
32
4.2.2 场效应管的低频小信号等效模型
G
S
D ),( DSGSD uufi?
DS
DS
D
GS
GS
D
D uu
i
u
u
i
i
DS
DS
GSm urug
1
GS
D
m u
ig
跨导
D
DS
DS i
ur
漏极输出电阻
uGS
iD
uDS
33
很大，
可忽略。
场效应管的微变等效电路为：
G
S
D
uGS
iD
uDS
S
G D
ugs gmugs uds
S
G D
rDSugs gmugs uds
34
4.2.3 共源极放大电路
uo
UDD=20V
RSui C
S
C2
C1
R1 RD
RG
R2
RL
150k
50k
1M
10k
10k
G
D
S 10k
s
g
R2R1
RG
RL'
d
RLRD
微变等效电路
gsmUg?gsU?
35
gsi UU
)//( LDgsmo RRUgU
Lmu RgA '
s
g
R2R1
RG
RL'
d
RLRD
gsU? gsmUg?iU
oU?
21 // RRRr Gi
M0375.1
ro=RD=10k?
36
4.2.4 共漏极放大电路 － 源极输出器
uo
+UDD
RSui
C1
R1
RG
R2 RL
150k
50k
1M
10k
D
S
C2G
37
uo
+UDD
RSui
C1
R1
RG
R2 RL
150k
50k
1M
10k
D
S
C2G
Lgsmgs
Lgsm
i
o
u RUgU
RUg
U
U
A
1
1
L
Lm
Rg
Rg
ri roro?
g
R2R1
RG
s
d
RLRS
微变等效电路
38
ri roro?
g
R2R1
RG
s
d
RLRS
微变等效电路
21 // RRRr Gi
M0375.1
输入电阻 ri
39
输出电阻 ro
mgsm
gs
d
o gUg
U
I
U
r
1
Soo Rrr //
U?
I?dI?g
d
微变等效电路
roro?
R2R1
RG
s RS
gsU?
gsmUg?
40
场效应管放大电路小结
(1) 场效应管放大器输入电阻很大。
(2) 场效应管共源极放大器 (漏极输出 )输入输出反相，电压放大倍数大于 1；输出电阻 =RD。
(3) 场效应管源极跟随器输入输出同相，电压放大倍数小于 1且约等于 1；输出电阻小。
第四章晶体管及其小信号放大
－场效应管放大电路电子电路基础
2
§ 4 场效应晶体管及场效应管放大电路
§ 4.1 场效应晶体管 (FET)
N沟道
P沟道增强型耗尽型
N沟道
P沟道
N沟道
P沟道
（耗尽型）
FET
场效应管
JFET
结型
MOSFET
绝缘栅型
(IGFET)
3
一、结构
§ 4.1.1 结型场效应管源极,用 S或 s表示
N型导电沟道漏极,用
D或 d表示
P型区型区栅极,用 G
或 g表示栅极,用或 表示符号
4
1 UGS<0,UDS=0V
PN结反偏，
|UGS|越大则耗尽区越宽，导电沟道越窄。
二、工作原理（以 N沟道为例）
5
ID
|UGS|越大耗尽区越宽，
沟道越窄，电阻越大。
但当 |UGS|较小时，耗尽区宽度有限，存在导电沟道。 DS间相当于线性电阻。
6
N
G
S
D
UGS
P P
UGS达到一定值时
（ 夹断电压 VP）,耗尽区碰到一起,DS
间被夹断,这时，即使 UDS? 0V,漏极电流 ID=0A。
ID
7
2 UGS=0,UDS>0V
ID
越靠近漏极,PN
结反压越大,耗尽层越宽，导电沟道越窄沟道中仍是电阻特性，但是是非线性电阻。
8
当 UDS=| Vp |,发生预夹断,ID= IDss
UDS增大则被夹断区向下延伸。 此时，
电流 ID由未被夹断区域中的载流子形成，基本不随 UDS
的增加而增加，呈恒流特性。
ID
9
3 UGS<0,UDS>0V
IDU
GD= UGS- UDS=UP
时发生预夹断
10
三、特性曲线和电流方程
c o ns t,DSD GS)( vvfi
2,转移特性 c o ns t,GSD DS)( vvfi
)0()1( GSP2
P
GS
D S SD vVV
vIi
VP
1,输出特性
11
结型场效应管的缺点：
1,栅源极间的电阻虽然可达 107以上，但在某些场合仍嫌不够高。
3,栅源极间的 PN结加正向电压时，将出现较大的栅极电流。
绝缘栅场效应管可以很好地解决这些问题。
2,在高温下,PN结的反向电流增大，栅源极间的电阻会显著下降。
12
绝缘栅型场效应三极 MOSFET( Metal
Oxide Semiconductor FET)。分为增强型? N沟道,P沟道耗尽型? N沟道,P沟道
§ 4.1.2 绝缘栅场效应管（ MOS)
13
一 N沟道增强型 MOSFET
1 结构
14
2 工作原理
(1) VGS=0V时,漏源之间相当两个背靠背的 二极管，在 D
,S之间加上电压不会在 D,S间形成电流。
(2) VGS> VGS（ th)>0时,形成导电沟道反型层
15
(3) VGS> VGS（ th)>0时,VDS>0
VDS=VDG＋ VGS
=－ VGD＋ VGS
VGD=VGS－ VDS
＝ VGS（ th)时发生预夹断
16
3 N沟道增强型 MOS管的特性曲线转移特性曲线 ID=f(VGS)?VDS=const
17
输出特性曲线 ID=f(VDS)?VGS=const
18
二 N沟道耗尽型 MOSFET
(a) 结构示意图 (b) 转移特性曲线
19
输出特性曲线
ID
U DS0
UGS=0
UGS<0
UGS>0
20
P沟道 MOSFET
P沟道 MOSFET的工作原理与 N沟道 MOSFET完全相同，只不过导电的载流子不同，供电电压极性不同而已。这如同双极型三极管有 NPN
型和 PNP型一样。
21
2.2.5 双极型和场效应型三极管的比较双极型三极管 场效应三极管结构 NPN型 结型耗尽型 N沟道 P沟道
PNP型 绝缘栅增强型 N沟道 P沟道绝缘栅耗尽型 N沟道 P沟道
C与 E一般不可倒置使用 D与 S有的型号可倒置使用载流子 多子扩散少子漂移 多子漂移输入量 电流输入 电压输入控制 电流控制电流源 CCCS(β) 电压控制电流源 VCCS(gm)
22
§ 4.1.4 场效应管的参数和型号一 场效应管的参数
① 开启电压 VGS(th) (或 VT)
开启电压是 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 VGS(off) (或 VP)
夹断电压是耗尽型 FET的参数，当 VGS=VGS(off) 时,漏极电流为零。
③ 饱和漏极电流 IDSS
耗尽型场效应三极管,当 VGS=0时所对应的漏极电流
23
④ 输入电阻 RGS
场效应三极管的栅源输入电阻的典型值,对于结型场效应三极管，反偏时 RGS约大于 107Ω，对于绝缘栅型场效应三极管,RGS约是 109～ 1015Ω。
⑤ 低频跨导 gm
低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用，
这一点与电子管的控制作用相似。 gm可以在转移特性曲线上求取，也可由电流方程求得
DS
GS
D
m Vv
ig
时）（当 0
)1(2
GSP
P
P
GS
D S S
m
vV
V
V
vI
g
24
⑥ 最大漏极功耗 PDM
最大漏极功耗可由 PDM= VDS ID决定，与双极型三极管的 PCM相当。
25
二 场效应三极管的型号场效应三极管的型号,现行有两种命名方法。
其一是与双极型三极管相同，第三位字母 J代表结型场效应管,O代表绝缘栅场效应管。第二位字母代表材料,D是 P型硅，反型层是 N沟道； C是
N型硅 P沟道。例如,3DJ6D是结型 N沟道场效应三极管,3DO6C是绝缘栅型 N沟道场效应三极管。
第二种命名方法是 CS×× #,CS代表场效应管，
×× 以数字代表型号的序号,#用字母代表同一型号中的不同规格。例如 CS14A,CS45G等。
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几种常用的场效应三极管的主要参数参 数型号
P
D M
m W
I
D SS
m A
VR
DS
V
VR
GS
V
V
P
V
g
m
m A / V
f
M
MH z
3D J 2D 100 < 0.35 > 20 > 20 - 4 ≥ 2 300
3D J 7E 100 < 1.2 > 20 > 20 - 4 ≥ 3 90
3D J 15H 100 6 ～ 11 > 20 > 20 - 5.5 ≥ 8
3D O 2E 100 0.35 ～ 1.2 > 12 > 25 1000
C S 1 1C 100 0.3 ～ 1 - 25 - 4 ≥ 2
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半导体三极管图片
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半导体三极管图片
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§ 4.2 场效应 放大电路
(1) 静态：适当的静态工作点，使场效应管工作在恒流区，场效应管的偏置电路相对简单。
(2) 动态：能为交流信号提供通路。
组成原则：
静态分析,估算法、图解法。
动态分析,微变等效电路法。
分析方法：
30
4.2.2 场效应管的直流偏置电路及静态分析一 自偏压电路
vGS
Q点,VGS,ID,VDS
vGS =
2
P
GS
D S SD )1( V
vIi
VDS = VDD - ID (Rd + R )
- iDR
31
二 分压式偏置电路
SVGSV GV
DD
g2g1
g2 V
RR
R
RID?
2
P
GS
D S SD )1( V
vIi
32
4.2.2 场效应管的低频小信号等效模型
G
S
D ),( DSGSD uufi?
DS
DS
D
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GS
D
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i
u
u
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DS
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1
GS
D
m u
ig
跨导
D
DS
DS i
ur
漏极输出电阻
uGS
iD
uDS
33
很大，
可忽略。
场效应管的微变等效电路为：
G
S
D
uGS
iD
uDS
S
G D
ugs gmugs uds
S
G D
rDSugs gmugs uds
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4.2.3 共源极放大电路
uo
UDD=20V
RSui C
S
C2
C1
R1 RD
RG
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150k
50k
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微变等效电路
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35
gsi UU
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RG
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RLRD
gsU? gsmUg?iU
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21 // RRRr Gi
M0375.1
ro=RD=10k?
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4.2.4 共漏极放大电路 － 源极输出器
uo
+UDD
RSui
C1
R1
RG
R2 RL
150k
50k
1M
10k
D
S
C2G
37
uo
+UDD
RSui
C1
R1
RG
R2 RL
150k
50k
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D
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C2G
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Lgsm
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RUg
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U
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1
1
L
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Rg
Rg
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g
R2R1
RG
s
d
RLRS
微变等效电路
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ri roro?
g
R2R1
RG
s
d
RLRS
微变等效电路
21 // RRRr Gi
M0375.1
输入电阻 ri
39
输出电阻 ro
mgsm
gs
d
o gUg
U
I
U
r
1
Soo Rrr //
U?
I?dI?g
d
微变等效电路
roro?
R2R1
RG
s RS
gsU?
gsmUg?
40
场效应管放大电路小结
(1) 场效应管放大器输入电阻很大。
(2) 场效应管共源极放大器 (漏极输出 )输入输出反相，电压放大倍数大于 1；输出电阻 =RD。
(3) 场效应管源极跟随器输入输出同相，电压放大倍数小于 1且约等于 1；输出电阻小。
