第四章 场效应管放大电路第四章 场效应管放大电路
4.1 结型场效应管
4.2 绝缘栅场效应管
4.3 场效应管的主要参数
4.4 场效应管的特点
4.5 场效应管放大电路电子课件四第四章 场效应管放大电路
4.1 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 4-1 结型场效应管的结构示意图和符号第四章 场效应管放大电路
4.1.2 工作原理 N
型沟道
D
G
S
( a ) U
GS
＝ 0
P
＋
P
＋
I
D
＝ 0
N
型沟道
D
G
S
( b ) U
GS
＜ 0
P
＋
P
＋
I
D
＝ 0
U
G S
D
G
S
( c ) U
GS
＝ － U
P
P
＋
P
＋
I
D
＝ 0
U
G S
图 4-2 当 UDS=0时 UGS对导电沟道的影响示意
1,UGS对导电沟道的影响第四章 场效应管放大电路
2,ID与 UDS,UGS之间的关系 N
D
G
S
( a ) U
GS
＜ 0,U
DG
＜ |U
P
|
U
DS
I
D
U
GS
N
D
G
S
U
DS
U
GS
I
D
P P PP
I
S
I
S
( b ) U
GS
＜ 0,U
DG
＜ |U
P
| 预夹断
D
G
S
U
DS
U
GS
I
D
P P
I
S
( c ) U
GS
≤ U
P
,U
DG
＞ |U
P
| 夹断图 4-3 UDS对导电沟道和 ID的影响第四章 场效应管放大电路
4.1.3 特性曲线
1.输出特性曲线常数 GSUDSD UfI )(
i
D
/ m A
6
5
4
3
2
1
u
DS
/ V0 4 8 12
－ 3 V
－ 2 V
－ 1V
u
GS
＝ 0 V
16 20 24
R
DS
小
R
DS
大击穿区
U
P
＝－ 4 V
BU
D S S
截止区可变电阻区恒流区( 放大区)
u
DS
＝ u
GS
－ U
P
图
4--
4N
沟道结型场效应管的输出特性第四章 场效应管放大电路根据工作情况,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。
第四章 场效应管放大电路
2,转移特性曲线常数 DSUGSD UfI )(
i
D
/ m A
6
5
4
3
2
1
u
GS
/ V
U
DS
＞
4V
U
P
＝ － 4 V
0－ 1－ 2－ 3－ 4
I
D S S
图 4- 5 N沟道结型场效应管的转移特性曲线
2
1
P
GS
D S SD U
UII
第四章 场效应管放大电路
i
D
/ m A i
D
/ m A
6 6
5 5
4 4
3 3
2 2
1 1
u
GS
/ V u
DS
/ V0 U
DS
4 8 U
DS
12
－ 4 V
－ 3 V
－ 2 V
－ 1 V
U
GS
＝ 04
3
2
1
U
DS
＝ U
DS
4′
3′
U
DS
＝ U
DS
2′
1′
U
P
0－ 1－ 2－ 3－ 4
12
1
2
图 4-6 由输出特性画转移特性第四章 场效应管放大电路
4.2 绝缘栅场效应管
4.2.1 N沟道增强型 MOS场效应管
1,结构
N
＋ N
＋
P 型衬底
S G D
S i O
2 铝
B
图 4-7 N沟道增强型 MOS场效应管的结构示意图第四章 场效应管放大电路
2,工作原理
N
＋
N
＋
P 型衬底
S
G
D
U
GS
B
U
DS
N 型沟道图 4-8 UGS＞ UT时形成导电沟道第四章 场效应管放大电路
3,特性曲线
i
D
/ m A
10? A
0 U
T u
G S
/ V U
G S
＝ U
T
0
截止区
i
D
/ m A
可变电阻区恒流区击穿区
U
D S
＝ U
G S
－ U
T
轨迹
u
D S
/ V
( a ) 转移 特性 ( b ) 输出 特性图 4 – 9 N沟道增强型 MOS场效应管的特性曲线第四章 场效应管放大电路
4.2.2 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 4-10 N沟道耗尽型 MOS管的结构示意图第四章 场效应管放大电路
OU
P
u
GS
I
D S S
( a ) 转移特性
I
D S S
0
1
2
3
4
5 10 15
－ 3 V
u
D S
/ V
( b ) 输出特性
－ 2 V
－ 1 V
＋ 1 V
U
GS
＝ 0 V
i
D i
D
/ m A
20
图 4-11 N沟道耗尽型 MOS场效应管的特性曲线第四章 场效应管放大电路
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 M O S 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 M O S 管简化符号图 4-12 MOS场效应管电路符号第四章 场效应管放大电路表 4-1 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
uGSO
IDSS
iD
UP
uGSO
IDSS
iD U
P
－ i
－ uDSO
uGS＝ 0 V
＋ 1 V
D
＋ 2 V
＋ 3 Vu
GS＝ UP＝＋ 4 V
uDSO
uGS＝ 0 V
－ 1 V
iD
－ 2 V
－ 3 Vu
GS＝ UP＝－ 4 V
uDSO
uGS＝ 5 ViD
3 V
uGS＝ UT＝＋ 2 V
4 V
uGS
iD
O UT
G
S
D +
－
iD
－
+
G
S
D
+
－i
D
－
+
G
S
D +
－
iD
－
+ B
JFET
P沟道
JFET
N沟道增强型
N MOS
第四章 场效应管放大电路
uGSO
iD
UP
IDSS
iD
O
UT
uGS
uGSO
IDSS
iD U
P
uDSO
uGS＝ 0 V
iD
－ 2 V
uGS＝ UP＝－ 4 V
＋ 2 V
－ iD
－ 5 V
uGS＝ UT＝－ 3 V
O － u
DS
－ 4 V
uGS＝ － 6V
－ iD
－ 2 V
uGS＝ UP＝＋ 4 V
O － u
DS
＋ 2 V
uGS＝ 0V
G
S
D +
－
iD
B+
－
G
S
D
+
－
iD
－
+
B
G
S
D
+
－i
D
B
－
+
耗尽型
N MOS
增强型
P MOS
耗尽型
P MOS
表 4-1 续表第四章 场效应管放大电路
4.3 场效应管的主要参数
4.3.1 直流参数
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 。
第四章 场效应管放大电路
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
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 。
第四章 场效应管放大电路
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 。
第四章 场效应管放大电路
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 。
第四章 场效应管放大电路
4.3.2 交流参数
1,低频跨导 gm
常数
DSU
GS
D
m 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
D S S
GS
D
m U
U
U
I
U
Ig
第四章 场效应管放大电路
i
D
/ m A
i
D
/ m A
Q
O
u
GS
/ V
U
GS
I
D
( a ) 转移 特性
( b ) 输出 特性
u
DS
/ V
O
I
D
Q
U
GS
u
DS
＝ 常数
4-13 根据场效应管的特性曲线求 gm
第四章 场效应管放大电路
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。
第四章 场效应管放大电路
4.3.3 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 。
第四章 场效应管放大电路
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 。
第四章 场效应管放大电路
4.4 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 。
第四章 场效应管放大电路
(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 。
第四章 场效应管放大电路
i
D
O u
GS
零温度系数工作点
T
3
T
2
T
1
T
1
＞ T
2
＞ T
3
图 4 – 14 场效应管的零温度系数工作点第四章 场效应管放大电路
D
S
G
R
V
D1
V
D2
图 4-15 栅极过压保护电路第四章 场效应管放大电路
4.5 场效应管放大电路
4.5.1 静态工作点与偏置电路
R
S
C
1
C
2
R
D
＋ U
DD
R
L
＋
－
R
G
G
＋
C
S
D
S
U
i
·
I
D
U
o
·
图 4 – 16 自给偏压电路
SDGS RIU
第四章 场效应管放大电路
1,图解法
)( SDDDDDS RRIUU
i
D
/ m A i
D
/ m A
A
C
Q
D
O O
u
G S
/ V
5 10 15 20
u
D S
/ V
B
Q
－ 3 V
－ 2,5 V
－ 2 V
－ 1,5 V
－ 1 V
－ 0,5 V
u
GS
＝ 0
图 4 – 17 求自给偏压电路 Q点的图解第四章 场效应管放大电路
2,计算法
2
1
P
GS
D S SD U
U
II
IDSS为饱和漏极电流,UP为夹断电压,可由手册查出。
第四章 场效应管放大电路
【 例 1】 电路如图 4 - 16所示,场效应管为 3DJG,其输出特性曲线如图 4 - 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
mA
RR
U
IVU
DSD
SD
DD
DDS
150
7.4
2.12
15
0
时，
时，
第四章 场效应管放大电路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－ u
G S
/ V
5
6
4
3
2
1
－ 1
－ 2
－ 3
－ 4
－ 5
－ 6
u
D S
/ V
i
D
/ m A
Q
u
GS
＝ 0 V
图 4-18 图解法确定工作点 (例 1)
第四章 场效应管放大电路在转移特性曲线上,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
第四章 场效应管放大电路
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 4 -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,源电压为第四章 场效应管放大电路
R
S
C
1
C
2
R
D
＋ U
DD
R
L
＋
－
R
1
C
S
U
i
R
2
R
G
＋
－
U
o
图 4-19 分压式偏置电路第四章 场效应管放大电路利用图解法求 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
1
P
GS
D S SD
SDDDGS
U
U
II
RIU
RR
R
U
第四章 场效应管放大电路
4.5.2 场效应管的微变等效电路
DS
DS
GSDS
U
GS
D
D
U
GS
D
m
DSU
DS
D
GSU
GS
D
D
DSGSD
u
i
r
u
i
g
du
u
i
du
u
i
di
uufi
1
),(
求微分式定义场效应管仅存关系,
(4-13)
第四章 场效应管放大电路如果用 id,ugs,uds分别表示 iD,uGS,uDS的变化部分,
则式 (4-13)可写为
ds
D
gsmd urugi
1
P
GS
P
D S S
m U
U
U
Ig 12
P
D S S
m U
Ig 2
0
P
GS
mm U
Ugg 1
0
第四章 场效应管放大电路
4.5.3 共源极放大电路
R
G
＋
－
g
m
U
gs
R
1
R
D
R
L
R
2
＋
－
U
i
U
gs U
o
G
S
I
d
D
图 4 – 20 共源极放大电路微变等效电路第四章 场效应管放大电路
1,电压放大倍数 (Au)
'
Lgsmo
i
o
u
RUgU
U
U
A
式中,
'
'
,//
Lm
i
O
u
igsLDL
Rg
U
U
A
UURRR
所以。而第四章 场效应管放大电路
2,输入电阻 ri
21 // RRRr Gi
3,输出电阻 ro
Do Rr?
第四章 场效应管放大电路
4.5.4 共漏放大器 (源极输出器 )
1,电压放大倍数 (Au)
i
o
u U
UA?
式中,
。而LSL RRR //'?
oigsogsi UUUUUU,
所以 ')(
Loimo RUUgU
'Lgsmo RUgU?
第四章 场效应管放大电路整理后得
'
'
1 Lm
iLm
o Rg
URgU
于是得
'
'
1 Lm
Lm
u Rg
RgA
第四章 场效应管放大电路
R
S
R
L
＋
－
R
G
U
s
＋
－
U
o
′R
s
＋
－
U
i
＋
( a ) 电路
R
S
D
R
L
R
G
U
s
＋
－
U
gs
′R
s
＋
( b ) 等效 电路
g
m
U
gs
－
U
o
＋ U
DD
G
S
R
S
D
S
R
G ＋
－
U
gs
′R
s
＋
g
m
U
gs
－
U
2
G
( c ) 输出电阻的计算图 4-21 源极输出器第四章 场效应管放大电路
2,输入电阻 ri
Gi Rr?
3,输出电阻 ro
22
2
2
1 U
RgUgR
UI
S
mm
s
gsm
s
UgRUI 22
令 Us=0,并在输出端加一信号 U2 。
S
m
s
m
o Rg
R
gI
U
r //
1
1
1
2
2?
第四章 场效应管放大电路
【 例 3】 计算例 2电路 4-19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 (4-17)式得
MkRRRr
RgA
VmAg
Gi
Lmu
m
04.11 0 3 8
15050
15050
1 0 0 0//
12.3
1 0 0 010
1 0 0 010
312.0
/312.0)
5
1.1
1(
5
12
21
'
第四章 场效应管放大电路
【 例 4】 计算图 4 - 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 。
95.02120541 541 '
'
Lm
Lm
u Rg
RgA
式中
。 kRRR LSL 5//'
kR
g
r
MRr
S
m
o
Gi
25.0
4
1
10//
4
1
//
1
5
4.1 结型场效应管
4.2 绝缘栅场效应管
4.3 场效应管的主要参数
4.4 场效应管的特点
4.5 场效应管放大电路电子课件四第四章 场效应管放大电路
4.1 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 4-1 结型场效应管的结构示意图和符号第四章 场效应管放大电路
4.1.2 工作原理 N
型沟道
D
G
S
( a ) U
GS
＝ 0
P
＋
P
＋
I
D
＝ 0
N
型沟道
D
G
S
( b ) U
GS
＜ 0
P
＋
P
＋
I
D
＝ 0
U
G S
D
G
S
( c ) U
GS
＝ － U
P
P
＋
P
＋
I
D
＝ 0
U
G S
图 4-2 当 UDS=0时 UGS对导电沟道的影响示意
1,UGS对导电沟道的影响第四章 场效应管放大电路
2,ID与 UDS,UGS之间的关系 N
D
G
S
( a ) U
GS
＜ 0,U
DG
＜ |U
P
|
U
DS
I
D
U
GS
N
D
G
S
U
DS
U
GS
I
D
P P PP
I
S
I
S
( b ) U
GS
＜ 0,U
DG
＜ |U
P
| 预夹断
D
G
S
U
DS
U
GS
I
D
P P
I
S
( c ) U
GS
≤ U
P
,U
DG
＞ |U
P
| 夹断图 4-3 UDS对导电沟道和 ID的影响第四章 场效应管放大电路
4.1.3 特性曲线
1.输出特性曲线常数 GSUDSD UfI )(
i
D
/ m A
6
5
4
3
2
1
u
DS
/ V0 4 8 12
－ 3 V
－ 2 V
－ 1V
u
GS
＝ 0 V
16 20 24
R
DS
小
R
DS
大击穿区
U
P
＝－ 4 V
BU
D S S
截止区可变电阻区恒流区( 放大区)
u
DS
＝ u
GS
－ U
P
图
4--
4N
沟道结型场效应管的输出特性第四章 场效应管放大电路根据工作情况,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。
第四章 场效应管放大电路
2,转移特性曲线常数 DSUGSD UfI )(
i
D
/ m A
6
5
4
3
2
1
u
GS
/ V
U
DS
＞
4V
U
P
＝ － 4 V
0－ 1－ 2－ 3－ 4
I
D S S
图 4- 5 N沟道结型场效应管的转移特性曲线
2
1
P
GS
D S SD U
UII
第四章 场效应管放大电路
i
D
/ m A i
D
/ m A
6 6
5 5
4 4
3 3
2 2
1 1
u
GS
/ V u
DS
/ V0 U
DS
4 8 U
DS
12
－ 4 V
－ 3 V
－ 2 V
－ 1 V
U
GS
＝ 04
3
2
1
U
DS
＝ U
DS
4′
3′
U
DS
＝ U
DS
2′
1′
U
P
0－ 1－ 2－ 3－ 4
12
1
2
图 4-6 由输出特性画转移特性第四章 场效应管放大电路
4.2 绝缘栅场效应管
4.2.1 N沟道增强型 MOS场效应管
1,结构
N
＋ N
＋
P 型衬底
S G D
S i O
2 铝
B
图 4-7 N沟道增强型 MOS场效应管的结构示意图第四章 场效应管放大电路
2,工作原理
N
＋
N
＋
P 型衬底
S
G
D
U
GS
B
U
DS
N 型沟道图 4-8 UGS＞ UT时形成导电沟道第四章 场效应管放大电路
3,特性曲线
i
D
/ m A
10? A
0 U
T u
G S
/ V U
G S
＝ U
T
0
截止区
i
D
/ m A
可变电阻区恒流区击穿区
U
D S
＝ U
G S
－ U
T
轨迹
u
D S
/ V
( a ) 转移 特性 ( b ) 输出 特性图 4 – 9 N沟道增强型 MOS场效应管的特性曲线第四章 场效应管放大电路
4.2.2 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 4-10 N沟道耗尽型 MOS管的结构示意图第四章 场效应管放大电路
OU
P
u
GS
I
D S S
( a ) 转移特性
I
D S S
0
1
2
3
4
5 10 15
－ 3 V
u
D S
/ V
( b ) 输出特性
－ 2 V
－ 1 V
＋ 1 V
U
GS
＝ 0 V
i
D i
D
/ m A
20
图 4-11 N沟道耗尽型 MOS场效应管的特性曲线第四章 场效应管放大电路
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 M O S 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 M O S 管简化符号图 4-12 MOS场效应管电路符号第四章 场效应管放大电路表 4-1 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
uGSO
IDSS
iD
UP
uGSO
IDSS
iD U
P
－ i
－ uDSO
uGS＝ 0 V
＋ 1 V
D
＋ 2 V
＋ 3 Vu
GS＝ UP＝＋ 4 V
uDSO
uGS＝ 0 V
－ 1 V
iD
－ 2 V
－ 3 Vu
GS＝ UP＝－ 4 V
uDSO
uGS＝ 5 ViD
3 V
uGS＝ UT＝＋ 2 V
4 V
uGS
iD
O UT
G
S
D +
－
iD
－
+
G
S
D
+
－i
D
－
+
G
S
D +
－
iD
－
+ B
JFET
P沟道
JFET
N沟道增强型
N MOS
第四章 场效应管放大电路
uGSO
iD
UP
IDSS
iD
O
UT
uGS
uGSO
IDSS
iD U
P
uDSO
uGS＝ 0 V
iD
－ 2 V
uGS＝ UP＝－ 4 V
＋ 2 V
－ iD
－ 5 V
uGS＝ UT＝－ 3 V
O － u
DS
－ 4 V
uGS＝ － 6V
－ iD
－ 2 V
uGS＝ UP＝＋ 4 V
O － u
DS
＋ 2 V
uGS＝ 0V
G
S
D +
－
iD
B+
－
G
S
D
+
－
iD
－
+
B
G
S
D
+
－i
D
B
－
+
耗尽型
N MOS
增强型
P MOS
耗尽型
P MOS
表 4-1 续表第四章 场效应管放大电路
4.3 场效应管的主要参数
4.3.1 直流参数
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 。
第四章 场效应管放大电路
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
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 。
第四章 场效应管放大电路
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 。
第四章 场效应管放大电路
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 。
第四章 场效应管放大电路
4.3.2 交流参数
1,低频跨导 gm
常数
DSU
GS
D
m 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
D S S
GS
D
m U
U
U
I
U
Ig
第四章 场效应管放大电路
i
D
/ m A
i
D
/ m A
Q
O
u
GS
/ V
U
GS
I
D
( a ) 转移 特性
( b ) 输出 特性
u
DS
/ V
O
I
D
Q
U
GS
u
DS
＝ 常数
4-13 根据场效应管的特性曲线求 gm
第四章 场效应管放大电路
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。
第四章 场效应管放大电路
4.3.3 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 。
第四章 场效应管放大电路
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 。
第四章 场效应管放大电路
4.4 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 。
第四章 场效应管放大电路
(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 。
第四章 场效应管放大电路
i
D
O u
GS
零温度系数工作点
T
3
T
2
T
1
T
1
＞ T
2
＞ T
3
图 4 – 14 场效应管的零温度系数工作点第四章 场效应管放大电路
D
S
G
R
V
D1
V
D2
图 4-15 栅极过压保护电路第四章 场效应管放大电路
4.5 场效应管放大电路
4.5.1 静态工作点与偏置电路
R
S
C
1
C
2
R
D
＋ U
DD
R
L
＋
－
R
G
G
＋
C
S
D
S
U
i
·
I
D
U
o
·
图 4 – 16 自给偏压电路
SDGS RIU
第四章 场效应管放大电路
1,图解法
)( SDDDDDS RRIUU
i
D
/ m A i
D
/ m A
A
C
Q
D
O O
u
G S
/ V
5 10 15 20
u
D S
/ V
B
Q
－ 3 V
－ 2,5 V
－ 2 V
－ 1,5 V
－ 1 V
－ 0,5 V
u
GS
＝ 0
图 4 – 17 求自给偏压电路 Q点的图解第四章 场效应管放大电路
2,计算法
2
1
P
GS
D S SD U
U
II
IDSS为饱和漏极电流,UP为夹断电压,可由手册查出。
第四章 场效应管放大电路
【 例 1】 电路如图 4 - 16所示,场效应管为 3DJG,其输出特性曲线如图 4 - 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
mA
RR
U
IVU
DSD
SD
DD
DDS
150
7.4
2.12
15
0
时，
时，
第四章 场效应管放大电路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－ u
G S
/ V
5
6
4
3
2
1
－ 1
－ 2
－ 3
－ 4
－ 5
－ 6
u
D S
/ V
i
D
/ m A
Q
u
GS
＝ 0 V
图 4-18 图解法确定工作点 (例 1)
第四章 场效应管放大电路在转移特性曲线上,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
第四章 场效应管放大电路
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 4 -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,源电压为第四章 场效应管放大电路
R
S
C
1
C
2
R
D
＋ U
DD
R
L
＋
－
R
1
C
S
U
i
R
2
R
G
＋
－
U
o
图 4-19 分压式偏置电路第四章 场效应管放大电路利用图解法求 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
1
P
GS
D S SD
SDDDGS
U
U
II
RIU
RR
R
U
第四章 场效应管放大电路
4.5.2 场效应管的微变等效电路
DS
DS
GSDS
U
GS
D
D
U
GS
D
m
DSU
DS
D
GSU
GS
D
D
DSGSD
u
i
r
u
i
g
du
u
i
du
u
i
di
uufi
1
),(
求微分式定义场效应管仅存关系,
(4-13)
第四章 场效应管放大电路如果用 id,ugs,uds分别表示 iD,uGS,uDS的变化部分,
则式 (4-13)可写为
ds
D
gsmd urugi
1
P
GS
P
D S S
m U
U
U
Ig 12
P
D S S
m U
Ig 2
0
P
GS
mm U
Ugg 1
0
第四章 场效应管放大电路
4.5.3 共源极放大电路
R
G
＋
－
g
m
U
gs
R
1
R
D
R
L
R
2
＋
－
U
i
U
gs U
o
G
S
I
d
D
图 4 – 20 共源极放大电路微变等效电路第四章 场效应管放大电路
1,电压放大倍数 (Au)
'
Lgsmo
i
o
u
RUgU
U
U
A
式中,
'
'
,//
Lm
i
O
u
igsLDL
Rg
U
U
A
UURRR
所以。而第四章 场效应管放大电路
2,输入电阻 ri
21 // RRRr Gi
3,输出电阻 ro
Do Rr?
第四章 场效应管放大电路
4.5.4 共漏放大器 (源极输出器 )
1,电压放大倍数 (Au)
i
o
u U
UA?
式中,
。而LSL RRR //'?
oigsogsi UUUUUU,
所以 ')(
Loimo RUUgU
'Lgsmo RUgU?
第四章 场效应管放大电路整理后得
'
'
1 Lm
iLm
o Rg
URgU
于是得
'
'
1 Lm
Lm
u Rg
RgA
第四章 场效应管放大电路
R
S
R
L
＋
－
R
G
U
s
＋
－
U
o
′R
s
＋
－
U
i
＋
( a ) 电路
R
S
D
R
L
R
G
U
s
＋
－
U
gs
′R
s
＋
( b ) 等效 电路
g
m
U
gs
－
U
o
＋ U
DD
G
S
R
S
D
S
R
G ＋
－
U
gs
′R
s
＋
g
m
U
gs
－
U
2
G
( c ) 输出电阻的计算图 4-21 源极输出器第四章 场效应管放大电路
2,输入电阻 ri
Gi Rr?
3,输出电阻 ro
22
2
2
1 U
RgUgR
UI
S
mm
s
gsm
s
UgRUI 22
令 Us=0,并在输出端加一信号 U2 。
S
m
s
m
o Rg
R
gI
U
r //
1
1
1
2
2?
第四章 场效应管放大电路
【 例 3】 计算例 2电路 4-19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 (4-17)式得
MkRRRr
RgA
VmAg
Gi
Lmu
m
04.11 0 3 8
15050
15050
1 0 0 0//
12.3
1 0 0 010
1 0 0 010
312.0
/312.0)
5
1.1
1(
5
12
21
'
第四章 场效应管放大电路
【 例 4】 计算图 4 - 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 。
95.02120541 541 '
'
Lm
Lm
u Rg
RgA
式中
。 kRRR LSL 5//'
kR
g
r
MRr
S
m
o
Gi
25.0
4
1
10//
4
1
//
1
5
