四、场效应管放大电路.ppt

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1、第四章 场效应管放大电路,引言：1.场效应管的特点(1)它是利用改变外加电压产生的电场强度来控制其导电能力的半导体器件。(2)它具有双极型三极管的体积小、重量轻、耗电少、寿命长等优点，(3)还具有输入电阻高、热稳定性好、抗辐射能力强、噪声低、制造工艺简单、便于集成等特点。(4)在大规模及超大规模集成电路中得到了广泛的应用。,2.场效应管的分类根据结构和工作原理的不同，场效应管可分为两大类：(1)结型场效应管(JFET)(2)绝缘栅型场效应管(IGFET)。3.本章内容(1)结型场效应管的结构、工作原理、特性曲线和主要参数(2)绝缘栅型场效应管的结构、工作原理、特性曲线和主要参数(3)场效应管放

2、大电路。,4.1 结型场效应管,1结型场效应管的结构 结型场效应管的结构如图1(a)所示。在一块N型半导体材料的两边各扩散一个高杂质浓度的P+区,就形成两个不对称的P+N结，即耗尽层。把两个P+区并联在一起，引出一个电极g，称为栅极，在N型半导体的两端各引出一个电极，分别称为源极s和漏极d。场效应管的与三极管的三个电极的对应关系：栅极g-基极b源极s-发射极e漏极d-集电极c 夹在两个P+N结中间的区域称为导电沟道（简称沟道）。图1(a)所示的管子的N区是电流的通道，称为N沟道结型场效应管。,N沟道结型场效应管的电路符号如图1(b)所示。其中，栅极上的箭头表示栅极电流的方向（由P区指向N区）。

3、由结型场效应管代表符号中栅极上的箭头方向，可以确认沟道的类型。N沟道JFET的结构剖面图如图2所示,图中衬底和顶部的中间都是P+型半导体，它们连接在一起（图中未画出）作 为栅极g。两个N+区分别作为源极s和漏极d。三个电极s、g、d分别由不同的铝接触层引出。如果在一块P型半导体的两边各扩散一个高杂质浓度的N+区，就可以制成一个P沟道的结型场效应管。P沟道结型场效应管的结构示意图和它在电路中的代表符号如图3所示。,2.结型场效应管的工作原理,N沟道和P沟道结型场效应管的工作原理完全相同，现以N沟道结型场效应管为例，分析其工作原理。N沟道结型场效应管工作时，需要外加如图4所示的偏置电压.,偏置电压

4、的要求：1.栅-源极间加一负电压(vGS 0)作用：使栅-源极间的P+N结反偏，栅极电流iG0，场效应管呈现很高的输入电阻(高达108W左右)。2.漏-源极间加一正电压(vDS0)作用：使N沟道中的多数载流子电子在电场作用下由源极向漏极作漂移运动，形成漏极电流iD。在上述两个电源的作用下,iD的大小主要受栅-源电压vGS控制，同时也受漏-源电压vDS的影响。因此，讨论场效应管的工作原理就是：（1）讨论栅-源电压vGS对漏极电流iD（或沟道电阻）的控制作用（2）讨论漏-源电压vDS对漏极电流iD的影响。(1)vGS对iD的控制作用图5所示电路说明了vGS对沟道电阻的控制作用。为便于讨论，先假设漏

5、-源极间所加的电压vDS=0。(a)当vGS=0时，沟道较宽，其电阻较小，如图5(a)所示。(b)当vGS0，且其大小增加时，在这个反偏电压的作用下，两个P+N结耗尽层将加宽。由于N区掺杂浓度小于P+区，因此，随着|vGS|的增加，耗尽层将主要向N沟道中扩展，使沟道变窄，沟道电阻增大，如图5(b)所示。,当|vGS|进一步增大到一定值|VP|时，两侧的耗尽层将在沟道中央合拢，沟道全部被夹断，如图2(c)所示。由于耗尽层中没有载流子，因此这时漏-源极间的电阻将趋于无穷大，即使加上一定的电压vDS，漏极电流iD也将为零。这时的栅-源电压vGS称为夹断电压，用VP表示。如图5(c)所示。上述分析表明

6、:(a)改变栅源电压vGS的大小，可以有效地控制沟道电阻的大小。(b)若同时在漏源-极间加上固定的正向电压vDS，则漏极电流iD将受vGS的控制，|vGS|增大时，沟道电阻增大，iD减小。(c)上述效应也可以看作是栅-源极间的偏置电压在沟道两边建立了电场，电场强度的大小控制了沟道的宽度，即控制了沟道电阻的大小，从而控制了漏极电流iD的大小。(2)vDS对iD的影响设vGS值固定，且VPvGS0。(a)当漏-源电压vDS从零开始增大时，沟道中有电流iD流过。(b)在vDS的作用下,导电沟道呈楔形由于沟道存在一定的电阻，因此，iD沿沟道产生的电压降使沟道内各点的电位不再相等，漏极端电位最高，源极端

7、电位最低。这就使栅极与沟道内各点间的电位差不再相等，其绝对值沿沟道从漏极到源极逐渐减小，在漏极端最大(为|vGD|)，即加到该处P+N结上的反偏电压最大，这使得沟道两侧的耗尽层从源极到漏极逐渐加宽，沟道宽度不再均匀，而呈楔形，如图6(a)所示。,图5 VGS对沟道电阻的控制作用,导电沟道中电位分布情况,图6 vDS对iD的影响,(c)在vDS较小时，iD随vDS增加而几乎呈线性地增加它对iD的影响应从两个角度来分析：一方面vDS增加时，沟道的电场强度增大，iD随着增加；另一方面，随着vDS的增加，沟道的不均匀性增大，即沟道电阻增加，iD应该下降，但是在vDS较小时，沟道的不均匀性不明显，在漏极

8、附近的区域内沟道仍然较宽，即vDS对沟道电阻影响不大，故iD随vDS增加而几乎呈线性地增加。随着vDS的进一步增加，靠近漏极一端的P+N结上承受的反向电压增大，这里的耗尽层相应变宽，沟道电阻相应增加，iD随vDS上升的速度趋缓。(d)当vDS增加到vDS=vGS-VP，即vGD=vGS-vDS=VP(夹断电压)时，沟道预夹断此时,漏极附近的耗尽层即在A点处合拢，如图6(b)所示，这种状态称为预夹断。与前面讲过的整个沟道全被夹断不同，预夹断后，漏极电流iD0。因为这时沟道仍然存在，沟道内的电场仍能使多数载流子(电子)作漂移运动，并被强电场拉向漏极。,(e)若vDS继续增加，使vDSvGSVP,即

9、vGDVP时，耗尽层合拢部分会有增加，即自A点向源极方向延伸，如图6(c)，夹断区的电阻越来越大，但漏极电流iD不随vDS的增加而增加,基本上趋于饱和，因为这时夹断区电阻很大，vDS的增加量主要降落在夹断区电阻上，沟道电场强度增加不多，因而iD基本不变。但当vDS增加到大于某一极限值(用V(BR)DS表示)后，漏极一端P+N结上反向电压将使P+N结发生雪崩击穿，iD会急剧增加，正常工作时vDS不能超过V(BR)DS。从结型场效应管正常工作时的原理可知：结型场效应管栅极与沟道之间的P+N结是反向偏置的，因此，栅极电流iG0，输入阻抗很高。漏极电流受栅-源电压vGS控制，所以场效应管是电压控制电流

10、器件。预夹断前，即vDS较小时，iD与vDS间基本呈线性关系；预夹断后，iD趋于饱和。P沟道结型场效应管工作时，电源的极性与N沟道结型场效应管的电源极性相反。,3.结型场效应管的特性曲线,由于结型场效应管的栅极输入电流iG0，因此很少应用输入特性曲线，常用的特性曲线有输出特性曲线和转移特性曲线。(1)输出特性曲线输出特性曲线用来描述vGS取一定值时，电流iD和电压vDS间的关系，即 它反映了漏-源电压vDS对iD的影响。N沟道结型场效应管的输出特性曲线如图7所示,结型场效应管的工作状态可划分为四个区域。(a)可变电阻区可变电阻区位于输出特性曲线的起始部分，它表示vDS较小、管子预夹断前，电压v

11、DS与漏极电流iD间的关系。在此区域内有VPvGS0，vDSvGSVP。当vGS一定，vDS较小时，vDS对沟道影响不大，沟道电阻基本不变，iD与vDS之间基本呈线性关系。若|vGS|增加，则沟道电阻增大，输出特性曲线斜率减小。所以，在vDS较小时，源-漏极间可以看作是一个受vGS控制的可变电阻，故称这一区域为可变电阻区。这一特点常使结型场效应管被作为压控电阻而广泛应用。,(b)饱和区(恒流区、线性放大区)当VPvGS0且vDSvGSVP时，N沟道结型场效应管进入饱和区，即图中特性曲线近似水平的部分。它表示管子预夹断后，电压vDS与漏极电流iD间的关系。饱和区的特点是iD几乎不随vDS的变化而

12、变化，iD已趋于饱和，但它受vGS的控制。增加，沟道电阻增加，iD减小。场效应管作线性放大器件用时，就工作在饱和区。图1中左边的虚线是可变电阻区与饱和区的分界线，是结型场效应管的预夹断点（vDS=vGS-VP）的轨迹。显然，预夹断点随vGS改变而变化，vGS愈负，预夹断时的vDS越小。(c)击穿区管子预夹断后，若vDS继续增大，当栅-漏极间P+N结上的反偏电压vGD增大到使P+N结发生击穿时，iD将急剧上升，特性曲线进入击穿区。管子被击穿后再不能正常工作。(d)截止区(又称夹断区)当栅-源电压 vGS Vp 时，沟道全部被夹断，iD0，这时场效应管处于截止状态。截止区处于输出特性曲线图的横座标

13、轴附近(图1中未标注)。,（2）转移特性曲线转移特性曲线用来描述vDS取一定值时，iD与vGS间的关系的曲线，即:,由于转移特性和输出特性都是用来描述vGS、vDS及iD间的关系的，所以转移特性曲线可以根据输出特性曲线绘出。作法如下：在图7所示的输出特性中作一条vDS=10V的垂线，将此垂线与各条输出特性曲线的交点A、B和C所对应的iD、vGS的值转移到iD-vGS直角坐标系中，即可得到转移特性曲线，如图8(a)所示。改变vDS的大小，可得到一族转移特性曲线，如图8(b)所示。由此图可以看出，当vDS（图中为vDS5V）后，不同vDS下的转移特性曲线几乎重合，这是因为在饱和区内iD几乎不随vD

14、S而变。因此可用一条转移特性曲线来表示饱和区中iD与vGS的关系。在饱和区内iD可近似地表示为,它反映了栅-源电压vGS对iD的控制作用。,(VPvGS0),式中IDSS为vGS=0，vDS0 时的漏极电流，称为饱和漏极电流。,4.结型场效应管主要参数(1).夹断电压VP当vDS为某一固定值(例如10V)，使iD等于某一微小电流(例如50mA)时，栅-源极间所加的电压即夹断电压。(2).饱和漏极电流IDSS在vGS=0的条件下，场效应管发生预夹断时的漏极电流。IDSS是结型场效管管子所能输出的最大电流。(3).直流输入电阻RGS它是在漏-源极间短路的条件下，栅-源极间加一定电压时，栅-源极间的

15、直流电阻。(4).低频跨导gm当vDS为常数时，漏极电流的微小变化量与栅-源电压vGS的微小变化量之比为跨导，即,gm反映了栅-源电压对漏极电流的控制能力，是表征场效应管放大能力的一个重要参数。单位为西门子(s)，有时也用ms或?s表示。需要指出的是，gm与管子的工作电流有关，iD越大，gm就越大。在放大电路中，场效应管工作在饱和区(恒流区)，gm可由式和 求得，即,4.3 金属-氧化物-半导体场效应管,结型场效应管的输入电阻虽然可达106109W，但在要求输入电阻更高的场合，还是不能满足要求。本节介绍的金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFET）具有更高的输入电阻，可1015欧姆。并具有是制

16、造工艺简单、适于集成电路的优点。MOS管也有N沟道和P沟道之分，而且每一类又分为增强型和耗尽型两种。增强型MOS管在vGS=0时，没有导电沟道存在。而耗尽型MOS管在vGS=0时，就有导电沟道存在。,4.3.1 N沟道增强型MOS管的结构,在一块掺杂浓度较低的P型硅衬底上，制作两个高掺杂浓度的N+区，并用金属铝引出两个电极，分别作漏极d和源极s。然后在半导体表面复盖一层很薄的二氧化硅(SiO2)绝缘层，在漏-源极间的绝缘层上再装上一个铝电极,作为栅极g。在衬底上也引出一个电极B，这就构成了一个N沟道增强型MOS管。MOS管的源极和衬底通常是接在一起的(大多数管子在出厂前已连接好)。它的栅极与其

17、它电极间是绝缘的。图 1(a)、(b)分别是它的结构示意图和代表符号。代表符号中的箭头方向表示由P(衬底)指向N(沟道)。P沟道增强型MOS管的箭头方向与上述相反，如图 1(c)所示。,图1 MOS管的结构,N沟道增强型MOS管的工作原理,1vGS对iD及沟道的控制作用,图2 vGS对iD及沟道的控制作用,（1）vGS=0 的情况从图1(a)可以看出，增强型MOS管的漏极d和源极s之间有两个背靠背的PN结。当栅-源电压vGS=0时，即使加上漏-源电压vDS，而且不论vDS的极性如何，总有一个PN结处于反偏状态，漏-源极间没有导电沟道，所以这时漏极电流iD0。,（2）vGS0 的情况若vGS0，

18、则栅极和衬底之间的SiO2绝缘层中便产生一个电场。电场方向：垂直于半导体表面的由栅极指向衬底的电场。电场的作用：这个电场能排斥空穴而吸引电子。排斥空穴：使栅极附近的P型衬底中的空穴被排斥，剩下不能移动的受主离子(负离子)，形成耗尽层。吸引电子：将 P型衬底中的电子（少子）被吸引到衬底表面。导电沟道的形成：当vGS数值较小，吸引电子的能力不强时，漏-源极之间仍无导电沟道出现，如图1(b)所示。vGS增加时，吸引到P衬底表面层的电子就增多，当vGS达到某一数值时，这些电子在栅极附近的P衬底表面便形成一个N型薄层，且与两个N+区相连通，在漏-源极间形成N型导电沟道，其导电类型与P衬底相反，故又称为反

19、型层，如图1(c)所示。vGS越大，作用于半导体表面的电场就越强，吸引到P衬底表面的电子就越多，导电沟道越厚，沟道电阻越小。,开始形成沟道时的栅-源极电压称为开启电压，用VT表示。结论：上面讨论的N沟道MOS管在vGSVT时，不能形成导电沟道，管子处于截止状态。只有当vGSVT时，才有沟道形成。这种必须在vGSVT时才能形成导电沟道的MOS管称为增强型MOS管。沟道形成以后，在漏-源极间加上正向电压vDS，就有漏极电流产生。,2vDS对iD的影响,图 2 vDS对iD的影响,如图2(a)所示，当vGSVT且为一确定值时，漏-源电压vDS对导电沟道及电流iD的影响与结型场效应管相似。漏极电流iD

20、沿沟道产生的电压降使沟道内各点与栅极间的电压不再相等，靠近源极一端的电压最大，这里沟道最厚，而漏极一端电压最小，其值为vGD=vGS-vDS，因而这里沟道最薄。但当vDS较小（vDSvGSVT）时，它对沟道的影响不大，这时只要vGS一定，沟道电阻几乎也是一定的，所以iD随vDS近似呈线性变化。随着vDS的增大，靠近漏极的沟道越来越薄，当vDS增加到使vGD=vGS-vDS=VT(或vDS=vGS-VT)时，沟道在漏极一端出现预夹断，如图2(b)所示。再继续增大vDS，夹断点将向源极方向移动，如图2(c)所示。由于vDS的增加部分几乎全部降落在夹断区，故iD几乎不随vDS增大而增加，管子进入饱和

21、区，iD几乎仅由vGS决定.,4.3.2 N沟道增强型MOS管的特性曲线、电流方程及参数,1特性曲线和电流方程,(1)输出特性曲线N沟道增强型MOS管的输出特性曲线如图1(a)所示。与结型场效应管一样,其输出特性曲线也可分为可变电阻区、饱和区、截止区和击穿区几部分。,(2)转移特性曲线转移特性曲线如图1(b)所示,由于场效应管作放大器件使用时是工作在饱和区(恒流区),此时iD几乎不随vDS而变化,即不同的vDS所对应的转移特性曲线几乎是重合的,所以可用vDS大于某一数值(vDSvGS-VT)后的一条转移特性曲线代替饱和区的所有转移特性曲线.(1)iD与vGS的近似关系与结型场效应管相类似。在饱

22、和区内,iD与vGS的近似关系式为,式中IDO是vGS=2VT时的漏极电流iD。,2.参数MOS管的主要参数与结型场效应管基本相同，只是增强型MOS管中不用夹断电压VP，而用开启电压VT表征管子的特性。,4.3.3 N沟道耗尽型MOS管,1.基本结构,图（a）N沟道耗尽型MOS管的基本结构（b）N沟道管的符号,（c）N沟道管的符 号,结构：N沟道耗尽型MOS管与N沟道增强型MOS管基本相似。区别：耗尽型MOS管在vGS=0时，漏源极间已有导电沟道产生增强型MOS管要在vGSVT时才出现导电沟道。,原因：制造N沟道耗尽型MOS管时，在SiO2绝缘层中掺入了大量的碱金属正离子Na+或K+(制造P沟

23、道耗尽型MOS管时掺入负离子)，如图1(a)所示，因此即使vGS=0时，在这些正离子产生的电场作用下，漏源极间的P型衬底表面也能感应生成N沟道(称为初始沟道)，只要加上正向电压vDS，就有电流iD。如果加上正的vGS，栅极与N沟道间的电场将在沟道中吸引来更多的电子，沟道加宽，沟道电阻变小，iD增大。反之vGS为负时，沟道中感应的电子减少，沟道变窄，沟道电阻变大，iD减小。当vGS负向增加到某一数值时，导电沟道消失，iD趋于零，管子截止，故称为耗尽型。沟道消失时的栅-源电压称为夹断电压，仍用VP表示。与N沟道结型场效应管相同，N沟道耗尽型MOS管的夹断电压VP也为负值，但是，前者只能在vGS0，

24、VPvGS0的情况下均能实现对iD的控制，而且仍能保持栅-源极间有很大的绝缘电阻,使栅极电流为零。这是耗尽型MOS管的一个重要特点。,图1(b)、(c)分别是N沟道和P沟道耗尽型MOS管的代表符号,（2）电流方程在饱和区内，耗尽型MOS管的电流方程与结型场效应管的电流方程相同，即,各种场效应管特性比较 各类FET的特性如下表所示,4.3.5 使用场效应管的注意事项,1从场效应管的结构上看，其源极和漏极是对称的，因此源极和漏极可以互换。但有些场效应管在制造时已将衬底引线与源极连在一起，这种场效应管的源极和漏极就不能互换了。2场效应管各极间电压的极性应正确接入，结型场效应管的栅-源电压vGS的极性

25、不能接反。3当MOS管的衬底引线单独引出时，应将其接到电路中的电位最低点（对N沟道MOS管而言）或电位最高点（对P沟道MOS管而言），以保证沟道与衬底间的PN结处于反向偏置，使衬底与沟道及各电极隔离。4MOS管的栅极是绝缘的，感应电荷不易泄放，而且绝缘层很薄，极易击穿。所以栅极不能开路，存放时应将各电极短路。焊接时，电烙铁必须可靠接地，或者断电利用烙铁余热焊接，并注意对交流电场的屏蔽。,4.3.6 场效应管与三极管的性能比较,1场效应管的源极s、栅极g、漏极d分别对应于三极管的发射极e、基极b、集电极c，它们的作用相似。2场效应管是电压控制电流器件，由vGS控制iD，其放大系数gm一般较小，因

26、此场效应管的放大能力较差；三极管是电流控制电流器件，由iB（或iE）控制iC。3场效应管栅极几乎不取电流（ig?0）；而三极管工作时基极总要吸取一定的电流。因此场效应管的输入电阻比三极管的输入电阻高。4场效应管只有多子参与导电；三极管有多子和少子两种载流子参与导电，因少子浓度受温度、辐射等因素影响较大，所以场效应管比三极管的温度稳定性好、抗辐射能力强。在环境条件（温度等）变化很大的情况下应选用场效应管。5场效应管在源极未与衬底连在一起时，源极和漏极可以互换使用，且特性变化不大；而三极管的集电极与发射极互换使用时，其特性差异很大，b 值将减小很多。6场效应管的噪声系数很小，在低噪声放大电路的输入

27、级及要求信噪比较高的电路中要选用场效应管。7场效应管和三极管均可组成各种放大电路和开关电路，但由于前者制造工艺简单，且具有耗电少，热稳定性好，工作电源电压范围宽等优点，因而被广泛用于大规模和超大规模集成电路中。,4.4 场效应管放大电路的直流偏置电路,由场效应管组成放大电路时，也要建立合适的静态工作点Q，而且场效应管是电压控制器件，因此需要有合适的栅-源偏置电压。常用的直流偏置电路有两种形式，即自偏压电路和分压式自偏压电路。,1.自偏压电路1.1效应管放大器的自偏压电路,场效应管放大器的自偏压电路如图1(a)所示。其中场效应管的栅极通过电阻Rg接地，源极通过电阻R 接地。,图 1 场效应管放大

28、器的自偏压电路,1.2 工作原理这种偏置方式靠漏极电流ID在源极电阻R上产生的电压为栅-源极间提供一个偏置电压VGS，故称为自偏压电路。静态时，源极电位VS=IDR。由于栅极电流为零，Rg上没有电压降，栅极电位VG=0，所以栅源偏置电压VGS=VGVS=IDR。耗尽型MOS管也可采用这种形式的偏置电路。图1(b)所示电路是自偏压电路的特例，其中VGS=0。显然，这种偏置电路只适用于耗尽型MOS管，因为在栅源电压大于零、等于零和小于零的一定范围内，耗尽型MOS管均能正常工作。增强型MOS管只有在栅-源电压达到其开启电压VT时，才有漏极电流ID产生，因此图1所示的自偏压电路增强型MOS管。,2分压

29、式偏置电路2.1电路分压式偏置电路是在自偏压电路的基础上加接分压电路后构成的，如图2所示。,图 2,1.2 工作原理静态时，由于栅极电流为零，Rg3上没有电压降，所以栅极电位由Rg2与Rg1对电源VDD分压得到，即 源极电位VS=IDR，因此栅源直流偏置电压 VGS=VG-VS。这种偏置方式同样适用于结型场效应管或耗尽型MOS管组成的放大电路。,2.场效应管放大电路的静态分析 2.1估算法求静态工作点,对场效应管放大电路的静态分析也可以采用图解法或公式估算法，图解法的步骤与双极型三极管放大电路的图解法相似。这里仅讨论用公式估算法求静态工作点。工作在饱和区时，结型场效应管和耗尽型MOS管的漏极电

30、流,增强型MOS管的漏极电流,求静态工作点时，对于图1(a)所示的自偏压电路，可求解方程组,得到ID和VGS。管压降,对于图2所示电路，可求解方程组,得到ID和VGS。管压降,VDS=VDDID(Rd+R),图 1,图 2,3.场效应管的小型号模型 3.1场效应管的端口伏安关系,场效应管也是非线性器件，在输入信号电压很小的条件下，也可将其用小信号模型等效。与建立双极型三极管小信号模型相似，将场效应管也看成一个两端口网络，以结型场效应管为例，栅极与源极之间为输入端口，漏极与源极之间为输出端口，如图1（a）所示。,(1)输入端口 无论是哪种类型的场效应管，均可以认为栅极电流为零，输入端口视为开路（

31、即视），栅-源极间只有电压存在。(2)输出端口 在输出端口，漏极电流iD是vGS和vDS的函数，即,研究电压、电流间的微变关系时，要用全微分表示，即,在介绍场效应管参数时已经讲过,称为低频跨导，表征vGS对iD的控制能力。,（rd为场效应管的输出电阻），表明vDS对iD的影响程度。,分别用gm和 代入did的表达式，则得,当输入信号为幅值较小的正弦波信号，管子的电压、电流只在Q点附近变化时，上式中的diD、dvGS、diDS可用电流、电压的交流分量代替，于是得到,结论：由此式可见，场效应管的输出端口可用一个电流源gmvgs和输出电阻rd的并联网络等效。电流源gmvgs是受电压vgs控制的，称为

32、压控电流源，其方向由vgs的极性决定。,3.2场效应管的低频小信号模型,在低频小信号条件下，场效应管可用图1(b)所示的模型等效。图1(c)是场效应管小信号模型的另一种形式，其输出回路用电压控制的电压源和输出电阻串联的形式表示。当场效应管工作在高频小信号条件下时，其极间电容的影响不能忽略，这时场效应管要用如图1(d)所示的高频小信号模型等效。,4.共源极放大电路及其小信号模型分析法,与双极型三极管放大电路相对应，场效应管放大电路也有三种基本组态，即共源极、共漏极和共栅极放大电路（由于共栅连接时，栅极与沟道间的高阻未能发挥作用，故共栅电路很少使用）。用场效应管小信号模型分析其放大电路的步骤，与三

33、极管放大电路的小信号模型分析法的步骤相同。,共源极放大电路,中频小信号等效电路,1中频电压增益场效应管的输出电阻rd通常在几百千欧数量级，比电阻Rd、RL大得多，因此可将rd作开路处理，于是图1(b)中式中负号表示共源极放大电路的输出电压与输入电压相位相反，即共源放大电路属于反相电压放大电路。,2输入电阻 由于场效应管栅极几乎不取信号电流，栅-源极间的交流电阻可视为无穷大，因此，图1所示共源极放大电路的输入电阻为,3输出电阻 应用前面介绍过的求放大电路输出电阻的方法，可求得图1所示电路的输出电阻为。,由上述分析可知，与共射极放大电路类似，共源极放大电路具有一定的电压放大能力，且输出电压与输入电

34、压反相，故被称为反相电压放大器。共源极放大电路的输入电阻很高，输出电阻主要由漏极电阻Rd决定。适用于作多级放大电路的输入级或中间级。,共漏极放大电路,共漏极放大电路如图1(a)所示，其中频小信号等效电路如图1(b)所示。由于输出电压从源极取出，又称其为源极输出器。,1中频电压增益由图1(b)可知 所以,由此式可知，共漏极放大电路的中频电压增益，输出电压与输入电压相位相同。当 时，因此，共漏极放大电路又称为源极电压跟随器。2输入电阻Ri,3输出电阻Ro将图1(b)中的信号源短路，即令，保留其内阻Rs，将负载电阻RL开路，在输出端加一测试电压，由此可画出求共漏极放大电路输出电阻Ro的电路，如图1(

35、c)所示。由于栅极电流，于是有,即共漏极电路的输出电阻Ro等于源极电阻R 和跨导的倒数 相并联，所以，输出电阻Ro较小。不过，由于一般情况下gm较小，因而使共漏电路的输出电阻比共集电路的输出电阻高。由以上分析可知，与三极管共集电极放大电路类似，场效应管共漏极放大电路没有电压放大作用，其电压增益小于1，输出电压与输入电压相位相同，输入电阻高，输出电阻低。可作阻抗变换用。,4.5 场效应管放大电路与BJT放大电路的性能比较,场效应管放大电路的共源电路、共漏电路、共栅电路分别与三极管放大电路的共射电路、共集电路、共基电路相对应。共源电路与共射电路均有电压放大作用，即，而且输出电压与输入电压相位相反。

36、为此，可统称这两种放大电路为反相电压放大器，用图1(a)所示的示意图表示。,共漏电路与共集电路均没有电压放大作用，即。在一定条件下可认为，即，而且输出电压与输入电压同相位。因此，可将这两种放大电路称为电压跟随器，用图1(b)所示的示意图表示。共栅电路和共基电路均有输出电流与输入电流接近相等（）。为此，可将它们称为电流跟随器，用图1(c)所示的示意图表示。而且，由于这两种放大电路的输入电流都比较大，因此，它们的输入电阻都比较小。场效应管放大电路最突出的优点是，共源、共漏和共栅电路的输入电阻高于相应的共射、共集和共基电路的输入电阻。此外，场效应管还有噪声低、温度稳定性好、抗辐射能力强等优于三极管的

37、特点，而且便于集成。必须指出，由于场效应管的低频跨导一般比较小，所以场效应管的放大能力比三极管差，因而共源电路的电压增益往往小于共射电路的电压增益。另外，由于MOS管栅源极之间的等效电容Cgs只有几皮法 几十皮法，而栅源电阻rgs又很大，若有感应电荷，则不易释放，从而形成高电压，以至于将栅源极间的绝缘层击穿，造成管子永久性损坏。使用时应注意保护。实际应用中可根据具体要求将上述各种组态的电路进行适当的组合，以构成高性能的放大电路。,4.6本章小结,由于结构和工作原理的不同，使得场效应管具有一些不同于三极管的特点，如下表所示。将两者结合使用，取长补短，可改善和提高放大电路的某些性能指标。,按照结构

38、的不同，场效应管分为结型和绝缘栅型两种类型，MOS管属于绝缘栅型。每一类型均有两种沟道,N沟道和P沟道，两者的主要区别在于电压的极性和电流的方向不同。MOS管又分为增强型和耗尽型两种形式。正确理解场效应管工作原理的关键在于掌握电压vGS及vDS对导电沟道和电流iD的不同作用，并正确理解和掌握预夹断和夹断这两个状态的区别和条件。转移特性曲线和输出特性曲线描述了vGS、vDS和iD三者之间的关系。与三极管相类似，场效应管有截止区（即夹断区）、恒流区（即放大区）和可变电阻区三个工作区域。在恒流区，可将iD看成受电压vGS控制的电流源。gm、VP（或VT）、IDSS、IDM、PDM、V(BR)DS和极间电容是场效应管的主要参数。在场效应管放大电路中，直流偏置电路常采用自偏压电路（仅适合于耗尽型场效应管）和分压式自偏压电路。为了保证场效应管工作在放大区，电压vGS、vDS的极性和vDS的大小应如下表所示。,场效应管共源极及共漏极放大电路分别与三极管共射极及共集电极放大电路相对应，但比三极管放大电路输入电阻高、噪声系数低、电压放大倍数小。,