5 场效应管放大电路

5.1 金属 - 氧化物 - 半导体（ MOS ）场效应管

5.3 结型场效应管（ JFET ）*5.4 砷化镓金属 - 半导体场效应管

5.5 各种放大器件电路性能比较

5.2 MOSFET 放大电路

P 沟道

耗尽型

P 沟道

P 沟道N 沟道

增强型N 沟道

N 沟道

（耗尽型）

FET场效应管

JFET结型

MOSFET

绝缘栅型(IGFET)

耗尽型：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在

增强型：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道

场效应管的分类：

5.1 金属 - 氧化物 - 半导体（ MOS ）场效应管

5.1.1 N 沟道增强型 MOSFET

5.1.5 MOSFET 的主要参数

5.1.2 N 沟道耗尽型 MOSFET

5.1.3 P 沟道 MOSFET

5.1.4 沟道长度调制效应


1. 结构（ N 沟道） L ：沟道长度 W ：沟道宽度 tox ：绝缘层厚度

通常 W > L


剖面图

1. 结构（ N 沟道）

符号


2. 工作原理（ 1 ） vGS 对沟道的控制作用当 vGS≤0时无导电沟道， d 、 s 间加电压时，也无电流产生。

当 0<vGS <VT 时产生电场，但未形成导电沟道（感生沟道）， d 、 s 间加电压后，没有电流产生。当 vGS >VT 时在电场作用下产生导电沟道， d 、s 间加电压后，将有电流产生。 vGS 越大，导电沟道越厚

VVT T 称为开启电压称为开启电压

2. 工作原理

（ 2 ） vDS 对沟道的控制作用

靠近漏极 d处的电位升高电场强度减小沟道变薄

当 vGS 一定（ vGS >VT ）时，vDS ID 沟道电位梯度

整个沟道呈楔形分布

当 vGS 一定（ vGS >VT ）时，vDS ID 沟道电位梯度

当 vDS 增加到使 vGD=VT 时，在紧靠漏极处出现预夹断。

2. 工作原理


在预夹断处： vGD=vGS-vDS =VT

预夹断后， vDS 夹断区延长沟道电阻 ID 基本不变

2. 工作原理


2. 工作原理

（ 3 ） vDS 和 vGS 同时作用时 vDS 一定， vGS 变化时

给定一个 vGS ，就有一条不同的 iD – vDS 曲线。

3. V-I 特性曲线及大信号特性方程

（ 1 ）输出特性及大信号特性方程

const.DSD GS)( vvfi

① 截止区当 vGS ＜ VT 时，导电沟道

尚未形成， iD ＝ 0 ，为截止工作状态。



const.DSD GS)( vvfi

② 可变电阻区 vDS≤ （ vGS － VT ）

] )([ DSDSTGSnD22 vvv VKi

由于 vDS 较小，可近似为

DSTGSnD )( vv VKi 2

常数

GS

D

DSdso

v

vdid

r)( TGSn VK

v2

1

rdso 是一个受 vGS 控制的可变电阻



② 可变电阻区 DSTGSnD )( vv VKi 2

)( TGSndso VKr

v2

1

n ：反型层中电子迁移率

Cox ：栅极（与衬底间）氧

化层单位面积电容本征电导因子oxn

'n CK

LW

LWK

K22

oxnnn

C其中

Kn 为电导常数，单位： mA/V2



③ 饱和区（恒流区又称放大区）vGS >VT ，且 vDS≥（ vGS － V

T ）2)( TGSnD VKi v

22 1)(T

GSTn

VVK

v

21)(T

GSDO

VI

v

2TnDO VKI 是 vGS ＝ 2VT 时的 iD

V-I 特性：


（ 2 ）转移特性

const.GSD DS)( vvfi

21)(T

GSDOD

VIi

v


1. 结构和工作原理（ N 沟道）

二氧化硅绝缘层中掺有大量的正离子可以在正或负的栅源电压下工作，而且基本上无栅流



21 )(P

GSDSSD VIi

v 21)(

T

GSDOD

VIi

v（ N沟道增强型）

5.1.3 P 沟道 MOSFET

5.1.4 沟道长度调制效应实际上饱和区的曲线并不是平坦的

)()( DSTGSnD vv 12VKi )()( DST

GSDO v

v 11 2

VI

L 的单位为 m1V

1.0 L

当不考虑沟道调制效应时，＝ 0，曲线是平坦的。

修正后

5.1.5 MOSFET 的主要参数一、直流参数

NMOS 增强型

1. 开启电压 VT （增强型参数）2. 夹断电压 VP （耗尽型参数）3. 饱和漏电流 IDSS （耗尽型参数）4. 直流输入电阻 RGS （ 109Ω ～ 1015Ω ）

二、交流参数 1. 输出电阻 rds

GSD

DSds

Vir

v

D

12TGSnds

1])([

iVKr

v

当不考虑沟道调制效应时，＝ 0， rds→∞


DS GS

Dm

V

ig

v

2. 低频互导 gm 二、交流参数

考虑到 2TGSnD )( VKi v

则DSDS GS

2TGSn

GS

Dm

)]([

VV

VKig

vv

v

)(2 TGSn VK v

n

DTGS )(

Ki

V v

Dn2 iK

L

WK

2

Coxnn

其中


end

三、极限参数 1. 最大漏极电流 IDM 2. 最大耗散功率 PDM 3. 最大漏源电压 V （ BR ） DS 4. 最大栅源电压 V （ BR ） GS

5.2 MOSFET 放大电路

5.2.1 MOSFET 放大电路1. 直流偏置及静态工作点的计算

2. 图解分析

3. 小信号模型分析


（ 1 ）简单的共源极放大电路（ N 沟道）

直流通路共源极放大电路


（ 1 ）简单的共源极放大电路（ N 沟道）

DDg2g1

g2GS V

RR

RV

2)( TGSnD VVKI

dDDDDS RIVV

假设工作在饱和区，即 )( TGSDS VVV

验证是否满足 )( TGSDS VVV

如果不满足，则说明假设错误

须满足 VGS > VT ，否则工作在截止区

再假设工作在可变电阻区)( TGSDS VVV 即

dDDDDS RIVV

DSTGSnD )( vv VKI 2

假设工作在饱和区

满足 )( TGSDS VVV 假设成立，结果即为所求。

解： V2V54060

40 DD

g2g1

g2GSQ

V

RR

RV

mA2.0mA)12)(2.0()( 22TGSnDQ VVKI

V2V)]15)(2.0(5[dDDDDSQ RIVV

例：设 Rg1=60k ， Rg2=40k ， Rd=15k ，220 V/mA.n K

试计算电路的静态漏极电流 IDQ 和漏源

电压 VDSQ 。

VDD=5V ， VT=1V ，


（ 2 ）带源极电阻的 NMOS 共源极放大电路

2)( TGSnD VVKI

饱和区

需要验证是否满足 )( TGSDS VVV

SGGS VVV

)(2 dDDDDS RRIVV

])([ SSSSDDg2g1

g2 VVVRR

R

)( SSD VRI


静态时， vI ＝ 0 ， VG ＝ 0 ， ID

＝ I

电流源偏置

VS ＝ VG － VGS

2TGSnD )( VVKI （饱和区）

5.2.1 MOSFET 放大电路2. 图解分析

由于负载开路，交流负载线与直流负载线相同

5.2.1 MOSFET 放大电路3. 小信号模型分析

2TGSnD )( VKi v 2

TgsGSQn )( VVK v 2gsTGSQn ])[( v VVK

2gsngsTGSQn

2TGSQn )(2)( vv KVVKVVK

（ 1 ）模型

DQI gsmvg 2gsnvK

静态值（直流）

动态值（交流）

非线性失真项

当， vgs<< 2(VGSQ- VT )时， DQD Ii gsmvg dDQ iI

5.2.1 MOSFET 放大电路3. 小信号模型分析

（ 1 ）模型 DQD Ii gsmvg dDQ iI

gsmd vgi

0 时

高频小信号模型


解：例 5.2.2 的直流分析已求得： mA5.0DQ I V2GSQ V

V75.4DSQ V

V/mA1

V/mA)12(5.02

)(2 TGSQnm

VVKg

（ 2 ）放大电路分析（例 5.2.5 ）

s


（ 2 ）放大电路分析（例 5.2.5 ）

dgsmo Rg vv

)1()( mgsgsmgsi RgRg vvvv

RgRg

Am

dm

i

o

1

vv

v

g2g1i //RRR

do RR

Si

i

S

i

i

o

S

os RR

RAA

vv v

vvv

vv

s


（ 2 ）放大电路分析（例 5.2.6 ）

)//(

)//)((

dsgsmgs

dsgsm

i

o

rRg

rRgA

vv

v

vv

v

1)//(1

)//(

dsm

dsm

rRg

rRg

)()//(1

)//(

Si

i

dsm

dsm

S

i

i

o

S

os

RRR

rRgrRg

A

vv

vv

vv

v

共漏


（ 2 ）放大电路分析g2g1i //RRR

mds

mds

t

to

1////

111

grR

grR

iR

v

end

5.3 结型场效应管

5.3.1 JFET 的结构和工作原理

5.3.2 JFET 的特性曲线及参数 5.3.3 JFET 放大电路的小信号模型分析法

5.3.1 JFET 的结构和工作原理

1. 结构

## 符号中的箭头方向表示什么？符号中的箭头方向表示什么？

2. 工作原理 ① vGS 对沟道的控制作用当 vGS ＜ 0 时

（以 N 沟道 JFET 为例）

当沟道夹断时，对应的栅源电压 vGS 称为夹断电压 VP （或 VGS(off) ）。

对于 N 沟道的 JFET ， VP <0 。

PN 结反偏耗尽层加厚沟道变窄。

vGS 继续减小，沟道继续变窄。

2. 工作原理（以 N 沟道 JFET 为例）

② vDS 对沟道的控制作用当 vGS=0 时，vDS ID

G 、 D 间 PN 结的反向电压增加，使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，从上至下呈楔形分布。当 vDS 增加到使 vGD

=VP 时，在紧靠漏极处出现预夹断。此时 vDS 夹断区延长沟道电阻

ID 基本不变

2. 工作原理（以 N 沟道 JFET 为例）

③ vGS 和 vDS 同时作用时

当 VP <vGS<0 时，导电沟道更容易夹断，

对于同样的 vDS ， ID 的值比 vGS=0 时的值要小。

在预夹断处

vGD=vGS-vDS =VP

综上分析可知• 沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电，所以场效应管也称为单极型三极管。

• JFET 是电压控制电流器件， iD 受 vGS 控制。

• 预夹断前 iD 与 vDS 呈近似线性关系；预夹断后， iD 趋于饱和。

## 为什么为什么 JFETJFET 的输入电阻比的输入电阻比 BJTBJT 高得多？高得多？

• JFET 栅极与沟道间的 PN 结是反向偏置的，因此 iG0 ，输入电阻很高。

5.3.2 JFET 的特性曲线及参数

const.DSD GS)( vvfi

2. 转移特性

const.GSD DS)( vvfi

)0()1( GSP2

P

GSDSSD v

vV

VIi

1. 输出特性

与 MOSFET 类似

3. 主要参数

5.3.2 JFET 的特性曲线及参数

5.3.2 FET 放大电路的小信号模型分析法1. FET 小信号模型

（ 1 ）低频模型

（ 2 ）高频模型

2. 动态指标分析

（ 1 ）中频小信号模型

2. 动态指标分析

（ 2 ）中频电压增益

（ 3 ）输入电阻

（ 4 ）输出电阻

忽略 rds ，

iv gsv Rg gsmv )1( mgs Rgv

ov dgsm Rg v

mvARg

Rg

m

dm

1

//ii RR

由输入输出回路得

则

g

ii i

Rv

)]//([ g2g1g3 RRR )]//([)1( g2g1g3mgsgs RRRRgrr 通常

则 )//( g2g1g3i RRRR

do RR

Rgrr )1( mgsgs

gs

gs

gsmgs

gsgs )(

r

Rgr

v

vv

v

end

*5.4 砷化镓金属 - 半导体场效应管

本节不做教学要求，有兴趣者自学

5.5 5.5 各种放大器件电路性能比较各种放大器件电路性能比较

5.5 5.5 各种放大器件电路性能比较各种放大器件电路性能比较组态对应关系：

CE

BJT FET

CSCC CDCB CG电压增益：

BJT FET

be

Lc )//(

r

RR

)//)(1(

)//()1(

Lebe

Le

RRr

RR

be

Lc )//(

r

RR

CE ：

CC ：

CB ：

)////( Lddsm RRrg

)////(1

)////(

Ldsm

Ldsm

RRrgRRrg

ds

Ld

Ldds

m

//1

)//)(1

(

rRR

RRr

g

CS ：

CD ：

CG ：

beb // rR

输出电阻：

cR

)//)(1(// Lebeb RRrR

1

)//(// bebs

e

rRRR

1// be

e

rR

cR

BJT FET

输入电阻：

CE ：

CC ：

CB ：

CS ：

CD ：

CG ：

很高

m

1//

gR

很高

CE ：

CC ：

CB ：

CS ：

CD ：

CG ： dds //Rr

mds

1////g

Rr

dds //Rr

5.5 5.5 各种放大器件电路性能比较各种放大器件电路性能比较

解：画中频小信号等效电路

例题放大电路如图所示。已知

，mS 18m g ，100

试求电路的中频增益、输入电阻和输出电。

， k 1ber

例题

gsmVg

iV gsV 2gsm RVg

bI bI bI

oV cgsmcb RVgRI

MVA2m

cm

1 Rg

Rg

6.128

gi RR

co RR

M 5

则电压增益为

sgi RRR

i

o

V

V

由于

则

k 20

s

osM V

VAV

i

o

s

i

VV

VV

Mis

iVARR

R

6.128M VA

end

根据电路有

Documents

5 场效应管放大电路