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第四章场效应管及其基本放大电路 4.1 结型场效应管 4.2 绝缘栅型场效应管 4.3 直流偏置电路 4.4 场效应管的交流小信号模型 4.5 三种组态场效应管放大器的中频特性 4.6 单级共源放大器的频率特性 1

4.1 结型场效应管 (N 沟道为例 ) 单极型管输入阻抗特别大, 噪声小抗辐射能力强低电压工作 1. 结型场效应管结构示意图栅极 :ate 漏极 :rain 符号导电沟道源极 : ource 场效应管三个极 : 对应于晶体管 e b c; 三个工作区域 : 截止区饱和区可变电阻区, 对应于晶体管截止区放大区饱和区

4.1 结型场效应管漏极 () 结构要素栅极 () N P+ P+ N 沟道一条导电沟道两个 PN 结三个电极 N 沟道 : 漏源之间以自由电子为载流子的导电区域 P 沟道 : 空穴源极 () 3

4.1 栅 - 源电压对导电沟道宽度的控制作用栅极与源极之间加负电压 :U 0 两 PN 结为反向偏置沟道最宽沟道变窄沟道消失称为夹断导电率逐渐降低夹断电压 P0 = U (off) u 可以控制导电沟道的宽度为什么 g-s 必须加负电压?

4.1 漏 - 源电压对漏极电流的影响 U (off) <u <0 u >U (off) u =U (off) 预夹断 u <U (off) 0>u >U (off) 且不变, 增大,i 增大的增大, 几乎全部用来克服沟道的电阻,i 几乎不变, 进入饱和电流区,i 几乎仅仅决定于 U 场效应管工作在饱和区的条件是什么?

4.1 工作原理 N-JFET 与 P-JFET 区别栅源控制电压是反相的 ; 漏极电流也是反相的 ; 工作时, 各极电压对比如下 : N-JFET: P-JFET: P N+ N+ P 沟道

4.1 输出特性漏极输出伏安特性 i f ( u ) U 常量情况 -1: 0 N P+ P+ P+ P+ N 沟道 0 P0 7

4.1 输出特性情况 -2: - < 0 P0 N 0 P0 P+ P+ P+ N 沟道 0 P0 与 BJT 输出特性类似, 漏极伏安特性将形成一族曲线 8

4.1 输出特性情况 -3: - P0 N 不论为何值, 导电沟道始终处于夹断状态, N-JFET 截止, 即 P+ P+ N 沟道 0 9

4.1 输出特性 N-JFET 正常工作的前提条件 - P0< 0 与 BJT 类似, 漏极伏安特性将形成一族曲线 i f ( u ) U 常量预夹断轨迹 u Q =U (off), p = p0+ Q g-s 电压控制 d-s 的等效电阻 Q P= P0+Q Δi 可变电阻区饱和电流区反向击穿区 i 几乎仅决定于 u Q P= P0+Q 夹断电压低频跨导 : g m i u U 常量夹断区 ( 截止区 ) =0, - P0 不同型号的管子 U (off) 将不同

4. 1 转移特性饱和态的 JFET, 漏极电流与无关 i U =0-1 i f ( u ) 漏极饱和电流 U 常量 i O -2-3 -4 转移特性方程 : 在饱和区 : u 夹断电压 U (off) 形式 1 2 (1 ) 形式 2-4 -3 场效应管饱和区, 因而 : 0> >- P0 且 <- P0 P0-2 -1 O u u > P0 2 > K K 2 p P0 11 P0

4. 1 转移特性 P-JFET 的漏极伏安特性及其转移特性 P N+ N+ P 沟道 P0 2 P0 1 2 0 P0 P P0 0 0 P0 1 P0 2 P-JFET 与 N-JFET 工作原理相同, 区别仅在于栅源控制电压以及漏极电流均反相 12

4.2 绝缘栅型场效应管 (MOFET) 增强型 MOFET 开启电压 : T = U (th) 正向偏压大到一定值才开启高掺杂衬底耗尽层空穴 io 2 绝缘层反型层导电沟道 u 增大, 反型层 ( 导电沟道 ) 将变厚变长 ; N-EMO 正常工作的前提条件, 反型层将两个 N 区相接时, 形成导电沟道 T 13

4.2 MOFET 工作过程的动画演示

4.2 增强型 MO 管 u 对 i 的影响 T 刚出现夹断 i 随 u 的增大而增大, 可变电阻区 u =U (th), 预夹断 u 的增大几乎全部用来克服夹断区的电阻 i 几乎仅仅受控于 u, 饱和电流区用场效应管组成放大电路时应使之工作在饱和区 N 沟道增强型 MO 管工作在饱和电流区的条件是什么?

4.2. 输出特性漏极伏安特性预夹断电压 P N+ N+ P 0 P B P T 16

4.2. 输出特性三个工作区 P 0 可变电阻区 P T 截止区饱和电流区 1 2 2 T 饱和电流区 : 可变电阻区 : T T 截止区 : 三种工作状态 P 饱和态 : 工作于饱和电流区非饱和态 : 工作于可变电阻区截止态 : 工作于截止区 T 17

4.2. 转移特性 f, 开启电压 f 转移特性方程 : 饱和区 P 0 0 T 2 T 形式 1 0 1 T 2 形式 2 18

4.2. 耗尽型 MO 管小到一定值才夹断夹断电压 P: 栅源电压模值 u =0 时就存在导电沟道加正离子控制特点 : 耗尽型 MO 管在 >0 <0 =0 时均可导通, 且与结型场效应管不同, 由于 io 2 绝缘层的存在, 在 >0 时仍保持 g-s 间电阻非常大的特点 N-MO 正常工作前提 P

4.2 耗尽型 MOFET 漏极输出伏安特性与转移特性 : P N+ N+ B 0 预夹断电压 P 可变 P P 电饱和电流区阻 0 区 0 P 截止区 P 饱和电流区 : P P 可变电阻区 : P 截止区 : P 转移特性 f, P 夹断电压 P f P 0 饱和电流区, 电流方程 1 20 P P 2

回顾 : 场效应管结构工作原理与伏安特性电压控制型结型 FET 增强型 MOFET 耗尽型 MOFET 结构原理导电沟道反型层外部条件 - < 0 P0 = + Q P P0 Q 反型层输出特性转移特性基本放大电路静态动态频率重要公式 (1 P0 2 ) 0 1 T 2 1 P 2

4.2 耗尽型 MOFET 各型 FET 转移特性对比 J F E T M O EM O EM O M O - J F E T - P 0 - P 0 T 三种 N 沟道转移特性比较转移特性方程 1 P0 2 1 P - T 0 P 0 P 三种 P 沟道转移特性比较 2 0 1 T 2 22

4.2 耗尽型 MOFET JFET EMO 与 MO 对比相同点 : 各器件工作原理与伏安特性曲线形态相似不同点 : 导电沟道形成机制各不相同器件参数各不相同偏置要求 ( 工作前提条件 ) 各不相同对 N/P 型器件而言, 两者的栅源控制电压反相, 漏极电流反相 23

工作在饱和区时 g-s d-s 间的电压极性 N沟道 ( u< 0, u>0) 结型 P沟道 ( u> 0, u<0) N沟道 ( u> 0, u>0) 场效应管增强型 P沟道 ( u< 0, u<0) 绝缘栅型 N沟道 ( u极性任意, u 耗尽型 P沟道 ( u极性任意, u 4.2 场效应管的分类 u =0 可工作在电流饱和区的场效应管有哪几种? u >0 才可能工作在电流饱和区的场效应管有哪几种? u <0 才可能工作在电流饱和区的场效应管有哪几种? >0) <0)

1. 基本共源放大电路 4.3 直流偏置电路根据场效应管工作在饱和电流区的条件, 在 g-s d-s 间加极性合适的电源 U U Q Q Q O ( T 1) Q R 2 d

(1) 自给偏压电路 U U Q 0 Q, U U Q Q U Q Q R s Q R s 由正电源获得负偏压称为自给偏压 U Q 2 Q (1 ) P0 U Q Q ( R R ) s d 哪种场效应管能够采用这种电路形式设置 Q 点?

(2) 分压式偏置电路即典型的 Q 点稳定电路 U U Q Q U AQ Q R s R U g1 R g1 R g2 Q 2 Q O( 1) T U Q Q ( R R ) s d 为什么加 R g3? 其数值应大些小些? 哪种场效应管能够采用这种电路形式设置 Q 点? 因恒为 0, 分压式偏置电路可提供精确固定的栅压, 通过 R 的合理配置, 可获得可正可负的栅源控制电压, 因而适用于各种 FET;

举例 :FET 直流偏置已知 N JFET夹断电压 P0 3.5, 18mA, 求及. 15 R 0.8K 8mA 15 28

举例 : FET 直流偏置电路分析已知 JFET的 2mA, 3.5, 求. p0 o 5 R 1K o 5 29

4.4 场效应管的交流分析交流小信号模型 : 饱和态 FET+ 交流小信号线性等效电路 (1) 低频交流小信号模型 (2) 高频交流小信号模型 FET 基本放大电路结构分压式直流偏置电路 R 1 R C 2 C 1 交流输入端交流输出端 R L o i R 2 R C 耦合电容旁路电容

1. 低频交流小信号混合 h 模型对 FET 而言, i 0, r, 故仅需讨论输出端模型参数 ; g gs 交流微变低频小信号模型 g: m 跨导 g ds: 交流输出导纳 + v gs - g v m gs r ds v ds 不同类型 FET 只要它们都偏置在饱和电流区, 在交流小信号激励下, 其交流小信号模型相同, 区别仅在于模型参数与具体器件参数相关 31

1. 低频交流小信号模型 N-JFET 小信号模型参数 g m Q k g m - P0 0 静态工作点 Q 越高 g m 越大! 对于 FET 基本放大电路, 必须先做直流分析, 再做交流分析 32

2. 高频交流小信号模型高频小信号模型 : 在低频小信号模型的基础上, 引入三个电极之间的电容, 构成 FET 的高频小信号模型 ; C gd v gs C gs g v m gs g ds C ds v ds FET 的高频小信号模型中包含三个极间电容,0.5- 几 pf(10-12 ); 与 BJT 的高频小信号模型相似,FET 的高频小信号模型也并非单向化模型, 应用时, 需做单向化近似 33

4.5 三种组态放大电路的中频特性 1. 共源组态放大器交流通路 R 1 R C 2 i R R o R L C 1 R L o 交流等效电路 i R 2 R C 分压式直流偏置电路 i R g v m gs rds R o RL 34

1. 共源放大器中频电压增益 i R g v m gs rds R o RL 若 R d =3kΩ, g m =2m, 则与共射电路比较 A u? 共源放大器是电压反相放大器, 且由于 g m 一般较小 (10-2 ~10-3 ), 其电压增益一般只能做到 10 1 量级, 相比而言, 共发放大器要大的多 35

1. 共源放大器输入阻抗 i R g v m gs rds R o RL 输出阻抗 R i 中频源电压增益 R A i s A R R i s 36

1. 共源放大器源极串入电阻 R 3 的共源放大器 R 1 C 1 R R 3 C 2 R L o 交流等效电路 i R g v m gs R 3 r ds R R L o i R 2 R C 37

1. 共源放大器中频电压增益 i R g v m gs R 3 r ds R R L o R 3 降低了放大器的中频电压增益, 但是改善了中频增益稳定性, 即降低了跨导参数 g m 的影响 38

1. 共源放大器输入阻抗输出阻抗 R s R g v m gs R 3 r ds ' R ' R o R o R3 进一步降低了 r ds 对输出阻抗的影响 39

2. 共漏放大器电路结构交流输入端口交流输出端口 R 1 C 1 C2 i R 2 R 3 R L o i R g v m gs r ds R 3 o RL 40

中频电压增益 2. 共漏放大器 i R g v m gs r ds R 3 o RL 共漏放大器是电压同相放大器, 且电压增益小于 1, 即输出电压可以跟踪输入电压的幅度和相位, 称为源极跟随器. 41

输入阻抗 2. 共漏放大器 i R g v m gs r ds R 3 o RL 输出阻抗 R i Rs R r ds R3 gmvgs 共漏放大器具有较低的输出阻抗 ; 42

3. 共栅放大器电路结构交流输入端口交流输出端口 R 1 R C 3 C 1 R 2 R 3 C2 i R L o i R 3 g v m r ds gs R o RL 43

3. 共栅放大器中频电压增益 r ds i R 3 g v m gs R o RL 共栅放大器是电压同相放大器, 其电压增益与共源放大器相似,R L 合适,A >1. 44

3. 共栅放大器 r ds 输入阻抗 i ' i i gmv R 3 gs R o RL R i ' R i 共栅放大器具有比共源放大器低得多的输入阻抗. 45

3. 共栅放大器输出阻抗 r ds ' R s R 3 g v m gs R ' R o R o 共栅放大器的输出阻抗由漏极电阻 R 决定, 尽管 FET 自身共栅输出阻抗相当大, 但是放大电路的输出阻抗并不大. 46

3. 对比三种组态 FET 基本放大器对比组态 A R i R o 共源反相,>1 高中共漏同相,=1 高低共栅同相,>1 低中 ( 相对高 ) 与 BJT 基本放大电路对比共源对应共发共漏对应共集共栅对应共基 47

举例例 :FET 基本放大电路的中频分析已知 N JFET处于饱和态, 2mA, 1.5, r 20 K, 求及 A, R Q i p0 ds 24 5.1M i 5K 5K o 48

举例 24 5.1M i 5K 5K o 49

4.6 共源放大器的频率响应

4.6 共源放大器的频率响应 1. 低频响应主要考虑三个电容 R 1 R C 2 分析方法和 BJT 类似, 三个电容 C 1 分别考虑, 仍有 R L o, lc lc lc 1 2 i R 2 R C 下截止频率主要由 C 决定 ; 51

2. 高频响应三个极间电容的影响, 主要求放大器的上截止频率 C gd v gs C gs g v m gs g ds C ds v ds C gd 跨接在输入输出极之间, 必须用密勒定理来进行单项化近似首先求 k v v o i 52

和 2. 密勒定理单向化近似 vi v gs v o g mvgs vocds ( vo vi Cgd R RL rds ) k v v o i ( g 1 m ( C gd C gd C )( R ds L )( R ' L r ' ds r ) ds ) K 和 ω 有关, 求解不方便, 需作近似 10 9 rad / s C g ( C C ) R ' 1 gd m gd ds L gm( RL ' rds) k gm( RL ' rds) 0 1 53

2. 高频响应通过必要的近似后, 得到 k g C ' (1 g R ' r ) C m m L L ds ds C 1 '' (1 C g ( R ' r ) ) C C m C' ( R ' r ) L i C gs C' ' ds o C ds 0 gd gd 54

2. 高频响应 A o v ( ) Ci i A v ( ) v A v () 不影响, 所以对没有影响 i h C O 1 ( R L ' r ds ) C i 只影响 A vs () 戴维宁等效 R ' R s R s A 1 ) h1 ; h C R ' vs ( 2 i s C O 1 ( R ' L r ds ) v s ' v s R R R s 55

g m2 举例 1 56

h2, 举例解 : R ' L1 rds rds R 1 R 3k 1 Co2 Cds (1 ) Cgd 4. 3pF g R ' r m L2 ds2 Ci2 Cgs ( 1 gmrl2' rds2) Cgd 8pF RL2' rds2 rds2 R2 RL 0. 75k C o 1 3. 3pF C i 1 17 pf, 四个电容三个极点 h 1 1.1810 rad / s; C R ' i 1 1 9 s h 2.95 10 rad / s 2 ( C C ) R ' r O1 1 7 i2 L1 ds h 3 3.110 rad / s C R ' O2 1 8 L2 主极点为 7 h h2 2.9510 rad / 57 s

典型题解 2_ 场效应管放大电路

典型题解 2_ 场效应管放大电路 (1) (2) i gs g m gs ( R R h ) ie B R h E ie A A R B B r b 15 0.7 15 0.7 4.1 0.7 3.4( ) 15 40 15 40 15 40 2 1.7( k), R 0.63( k) 26 ( 1 ) re 0.22 51 1( k) 1.7 R B h ie E E R E 3.4 1.7( ) 2 ma R R B b gmgs 1. 55 R RB hie ( R R ) 75 R RB gmgs ( RC RL ) b( RC RL ) R RB hie gm( RC RL ) R o RB g ( R R h ) (1 g ( R R h )) 1 g ( R R h ) R R h i gs m gs B ie gs m B ie m B ie B ie 5041.5 1.7 53.66 1 40.63 1.7 1 (3) Ri R 1M Ro RC 3k o b C L gs b

本章小结场效应管的导电特性熟悉 JFET 及 MOFET 的结构工作原理电路符号熟悉三种场效应管的性能参数及其含义掌握三种场效应管的漏极伏安特性及其在饱和电流区的转移特性方程熟悉场效应管的三种工作区及其划分条件 ; 60

本章小结场效应管放大电路的静态直流分析熟悉场效应管直流偏置电路的组成结构及其适用范围掌握公式法 : 基于转移特性方程的场效应管电路直流分析方法, 熟悉分析步骤 ; 61

本章小结场效应管放大电路的中频动态分析熟悉场效应管的三种组态及其判别方法掌握场效应管低频交流小信号模型, 牢记模型结构及模型参数熟悉场效应管放大电路交流分析步骤及交流性能指标熟悉并能定性比较共源共漏共栅放大器中频性能 ; 62

作业 4.1 4.8 4.10 4.11 4.14(1) 63