第四章场效应管(FET)及基本放大电路综述

第四章场效应管（FET）及基本放大电路4.1知识点归纳一、场效应管（FET）原理 FET分别为JFET和MOSFET两大类。每类都有两种沟道类型，而MOSFET又分为增强型和耗尽型（JFET属耗尽型），故共有6种类型FET（图4-1）。 JFET和MOSFET内部结构有较大差别，但内部的沟道电流都是多子漂移电流。一般情况下，该电流与vGs、vds都有关。 沟道未夹断时，FET的D-S口等效为一个压控电阻（vgs控制电阻的大小），沟道全夹断时，沟道电流iD为零；沟道在靠近漏端局部断时称部分夹断，此时iD主要受控于vgs,而vds影响较小。这就是FET放大偏置状态；部分夹断与未夹断的临界点为预夹断。 在预夹断点，vGS与vDS满足预夹断方程：耗尽型FET的预夹断方程：vds=vgs-VP（vp夹断电压）增强型FET的预夹断方程：Vds=Vgs-VT（VT开启电压） 各种类型的FET,偏置在放大区（沟道部分夹断）的条件由表4-4总结。表4-4FET放大偏置时Vgs与Vds应满足的关系极性放大区条件VDSN沟道管：正极性（VDS0）VDSVGSVP（或VT）0P沟道管：负极性（VDS0）VDSVGSVP（或VT）VP（或VT）P沟道管：VgsVp（或Vt）偏置在放大区的FET,Vgs石满足平方律关系:vGS、2iD-1DSS（1-）耗尽型：VP（IDSS零偏饱和漏电流）2增强型：iD=k（VGS-VT）* FET输出特性曲线反映关系iD = f（VDS）VGS参变量，该曲线将伏安平面分为可变电阻区（沟道未夹断），放大区（沟道部分夹断）和截止区（沟道全夹断）；FET转移特性曲线反映在放大区的关系 G =f（vGS）（此时参变量VDS影响很小），图4-17画出以漏极流向源极的沟道电流为参考方向的 6种FET的转移特性曲线，这组曲线对表二、FET放大偏置电路源极自给偏压电路（图 4-18）。该电路仅适用于耗尽型 解该电路工作点的方法是解方程组：4-4是一个很好映证。FET。有一定稳Q的能力，求Jd =Idss(v坛)2 对于增强型FET,用关系式 ,PVGS RSi D2id =k(VGs -Vt)混合偏压电路（图 4-20）。该电路能用于任何 FET,在兼顾较大的工作电流时，稳 Q 的效果更好。求解该电路工作点的方法是解方程组：平方律关系式Vcc R2VGS - Rsi DRiR2以上两个偏置电路都不可能使FET全夹断，故应舍去方程解中使沟道全夹断的根。三、FET小信号参数及模型迭加在放大偏置工作点上的小信号间关系满足一个近似的线性模型（图 型，图4-23高频模型）。4-22低频模gm-小信号模型中的跨导VGSgm反映信号 义，对信号电流1的控制。gm等于FET转移特性曲线上Q点的斜率。g mgm的估算：耗尽管2 I I|Vp|DSSID增强管gm=2、. kI D小信号模型中的漏极内阻“Ds rds =二 iD Qrds是FET“沟道长度调效应”的反映，rds等于FET输出特性曲线Q点处的斜率的倒四、基本组态FET小信号放大器指标1 .基本知识FET有共源（CS）共漏（CD）和共栅（CG）三组放大组态。CS和CD组态从栅极输入信号，其输入电阻R由外电路偏置电阻决定，R可以很大。CS放大器在其工作点电流和负载电阻与一个CE放大器相同时，因其gm较小，|AV|A 1。在三种FET组态中，CD组态输入电阻很大,可能较小，但其功率增益仍可能很大。CD组态又称源极输出器，其而输出电阻较小，因此带能力较强。由于FET的电压电流为平方关系，其非线性程度较BJT的指数关系弱。因此，FET放大器的小信号线性条件对vGS幅度限制会远大于BJT线性放大时对vbe的限制（vberds,取大Ai决定于Rg,Ai1决定于Rg,Ai1AiVgs Vp , (6V)(1V)，二沟道部分夹断，FET处于放大V Vgs =0 ,VDS(-8V)P 沟道 JFET 的 lDss=-6mA,和恒流区以及它们的分界线（即预夹断轨迹）解由原方律公式先画转移特性二 Vgs -Vp（-4V） ，:FET偏置在放大区。Vp=4V。画出该管的输出特性曲线；指出电阻区达(mA)% (mA)图P4-2-1 转移特性曲线图P4-2-2 输出特性曲线Vgsi D = I DSS (1）6（1 一争2恒流区4-3一支P沟道耗尽型MOSFET的Idss=6mAVp=4V,另一支P沟道增强型MOSFET的Vt=-4V.试分别画出它们的输出特性曲线，标明电阻区和恒流区以及它们的分界线（即预夹断轨迹）。解曲线分别如图P4-3-1和P4-3-2所示。P沟增强型MOSFETir. mA)图 P4-3-2图 P4-3-14-5设图P4-5中JFET的Idss的绝对值都等于4mA,且沟道部分夹断，求输出端的直流电压Vo。4-6设图P4-6中的MOSFET的VT ,VP均为1V,问它们各工作于什么区?图 P4-6Vgs i VpVdsVgs - Vp(a)N沟道耗尽型MOSFET,vp=_1V,化V),且(6V)(3V)，工作于放大区。VGS-VTVDS-VGS-VT(b) N沟道增强型MOSFET,Vt=1v,(2V)(1V),且(6V)(1V)二工作于放大区。VgsVt(c) P沟道耗尽型MOSFET,Vp=1v,(2V)(1V)，工工作于截止区。VgsVt(d) P沟道增强型MOSFET,Vp=-1V,化V)(1V)二工作于截止区。4-7JFET自给偏压放大器如图P4-7所示。设RD=12kQ,Rg=1MG,Rs=470Q,电源电压Vdd=30V。FET的参数：IDSS=3mA,VP=2.4V。(1)求静态工作点Vgs、Id和Vds。(2)当漏极电阻超过何值时FET会进入电阻区？解(1)列联立方程iD=&(1-汩2VP=Vgs=RsidVGS2iD=3(1V-)2.4VGs-0.47iD代入，并化简得一2一一一0.1151iD-2.175iD3=0图P4-72.175二.2.175 0.115140.1151341.5mA一J7.4mA(该值使VgsVp,.舍去),D=1.5mA.Vgs=9475771V,VDS=VddTd(Rd+RS)=11%当Vds=Vgs-Vp=_0.71+2.4=1.69V时，沟道预夹断。此时,Vdd-Id(RoRs)=16.9=18.87 -0.47 =18.4kJc30-1.69cRD-Rs1.5J.RDA18.4kC时，FET进入电阻区。4-8 在图P4-8所示电路中，已知 JFET的I dss= 1mA, Vp=- 1V。如果要求漏极到地的静态电压 Vdq=10V,求电阻 R1的阻值。VDD -VDQ解Rd2 4- 10c =0.2556mAID - I DSS ( 1 - 由原方律关系VGS 2、Vp20.25 =(1 Vgs)2Vgs = 0.25 -1 =-0.5 VVGSR 二由 Vgs = Id R .I d图 P4-84-9 已知FET的输出特性如图 P4-9所示。值(2)求 Vds= 10V, b=2mA 处的跨导 gm。(1)判断该管类型，并确定 Vp和Idss的数rnDF2ov卅TQ vK(V)图 P4-9图 P4-10解VDs Vgs aOV , Vgs与Vds反极性，故为jfet结论:P沟道JFET,Vp =5V, Idds U4mA+22gm=IDSSID=42=1.13(2)|Vp|51P1ms。4-10FET放大电路图P4-10所示。FET参数为：Idss=2mA,Vp=4V,s可忽略不计。试估算静态工作点，并求Av、Ri和Ro之值。解(1)估算工作点：;Ms 二0,J =IDSS =2mA,(2)画出交通通路，组态为 CS放大器。图 P4-10-1Vds=Vdd-IDRd=20一4=16VA=gmQRdRl21 DSS两Rd Rl5.6 kQ 500kflds可Vgs、Av、=1.43oR=Rg=5MC,Ro=lRdURd=2kC。4-11在图P4-11所示共源放大器中，JFET的参数为：Idss=4.5mA,Vp=3V,忽略不计。试求：(1)静态工作点Id和Vds；(2)中频段端电压增益输入电阻R和输出电阻飞。解2MQ用A 2kQ凡5.6 kQ占RVG = rTVdd10018=3600 V用,i00kQ2设 2iD -13Id18=0二 ID =2 mA (ID =4.5 mA 舍去)，Vgs 二 -1 VVds =Vdd _Id(Rd +Rs)=182M7.6=2.8 (V)(上式满足VDS VGS -VP ,即放大区条件)2 2 gm =, I DSS ID =4.5 2=2IVp I3(ms),Av = -gm RD / Rl - -2 2.8 - -5.6R 咨 R /R2 =2.083M jR0=5.6kVgS 2Id =4.5(1 ) 3联立 Vgs=3-2|d图 P4-114-12 N沟道JFET共漏放大器如图 P4-12所示，电路参数为:R1=40kC, R2=60kC,r3=2MQ, R4 = 20kQ,负载电阻 RL = 80kQ,电 源电压 Vdd =30V ,信号源内阻 Rs= 200kCJFET 的 Idss= 4mA, Vp=4V, rds=40kC。试计算增 量跨导gm,并求端电压增益 Av、电流增益A|、 输入电阻Ri和输出电阻R。(1)解(1)求Id并计算gm :R十R26=-30=18V10图 P4-12联立 VGs =18 -20iD21.21mA（舍去）100iD -221iD 120 =0= iD = 1mA2 gm =.4 1 =1,二 4 * * *（ms）。gm rd/ / R / /Rl2 0 / 4 0 / / 8Av =00.92（2）由共漏放大器公式1 * * G/R /RL1 20 / 40 / 8 0=R3 +R / R2 =2.024MQAi1=RoR =%一R =401/ 20 =930（） gmVo/RlR 0.92 2024/ 23.3vi / RRl804-13 在图P4-13所示的共漏放大器电路中， 若MOSFET2的 k = 0.5mA/V ）Vt= 3V,rds= 20k建，假定kT/q=40, Id = 5.85mA。试求共漏放大电路中频段电压增益Av和输出电440kf2p1解gm =2师=2我.55.85 =3.42（ ms）gm rdsR3R3.42/20/1/21 gm Tds / R3 / Rl -1 3.42/20/1/ 22.20651 2.2065= 0.688叫i D = I DSS (1Vgs Vim cos YVp)2 =Idss(1VGS彳22Vm COS t) - I DSS (IVpVGS今 TdssVp2 .Vim cos；:“VP2I1m上式中 b 的基波电流振幅J令)iD的二次谐波电流振幅I 2m2I DSSVim由题设，令12m E0.111m可得Vmrbe,31。(1)证明混合跟随器的电压增益Av为Ay:gmRs2V1gmRs1：gmRs2(2)求电路输入电阻R的表达式。解(1)画交流通路如图P4-17-1所示二RD.展，故可不计Rd(未画出)利用条件idLgmVgs(不计小),50V0=(Pib+gmVgs)Mvvivgs+gmvgsRS1+(Bib+gmvgs)RS2列方程：“=gmvgs代入和V0(:gmVgsgmVgs)Rs2ViVgsgmVgsRsi(!：gmVgsgmVgs)R(-1)gmRs21gmRsi(：1)gmR21gmRsi：gmRs2R ig(2)_Vi_ Vi -VoRg=RgRGVi -V)Vi：gmRs2Vi1 十 gmRsi 十 BgmRs21气出通出2=Rg.1JRS1+gmRs!_1+gm&1图 P4-17图 P4-17-1 4.3 复习题解答一、填空题1 .场效应管（FET）依靠（%s）控制漏极电流iD,故称为（电压）控制器件。2 .FET工作于放大区，又称为（饱和）区或（恒流）区。此时iD主要受（电压控制，而ip几乎不随（vds）电压的改变而变化。3 .N沟道FET放大偏置时，iD的方向是从（漏）极到（源）极；P沟道FET放大偏置时，iD的方向是从（源）极到（漏）极。4 .对偏置于放大区的六种类型的FET,试填写下表：JFETMOSFETP沟道N沟道N沟道P沟道增强型增强型耗尽型耗尽型CDGhVPvGS - 0Vgs 二 Vt转移特 性曲线0vGSV P对V GS 的要求 （放大 区）电路符号十5.写出FET各个工作区域对应的沟道状态。工作区域引变电阻区放大区截止区沟道状态未夹断部分夹断全夹断6.符号Idss的含义是（零偏（VGS=0）饱和漏电流）。7.沟道预夹断是指沟道在（靠近漏极端）位置刚好消失的状态。此时，VDS与vGS满足的关系式称为（预夹断）方程。8 .耗尽型FET的小信号跨导定义为gm= （ GS盛大区）。对于耗尽型管 gm(|：|,IDSSID2 IDSS 1 而_ VPVGS）；对于增强型管gm =2廊）9 .在放大区，耗尽型管转移特性曲线近似满足的平方律关系式为i D = I DSS1 -vGS._2-VP），而增强型管的平方律关系式为（iD=k（VGS-V）BJT的（基）极、10. 根据FET在放大区的外特性，它的栅极、源极和漏极分别与（发射）极和（集电）极相似。11. 在FET分立元件放大电路中，常采用的偏置电路是（源极自给偏压）电路和（混合偏置）电路。但（源极自偏）电路不能用于增强型MOSFET。12. FET的基本放大组态：CS组态、CD组态和CG组态，其放大特性分别与BJT的（CE）组态、（CC）组态和（CB）组态相似。13. FET的（沟道长度调制）效应与BJT的基区宽调效应相似。基区宽调效应使集电结反偏电压变化对各极电位有影响，而FET的该反应使（vds）电压的变化对iD产生影响。14. FET的小信号参数（除）是沟道调制效应的反映。纠错题1. BJT的饱和状态与 FET纠错：FET的饱和状态对应的饱和状态相似。BJT的放大偏置状态。2.P沟道FET的iD是从源极S流向漏极D的，因此在画该类型FET的小信号等效电路时，受控电流源gmvgs的指向应该从S指向D,如图F4-1。纠错：小信号模型中的受控电流源gmVgs是增量电流。只要增量电压vgs0,对任何FET,增量电流gmVgs一定是从漏极流向源极。图F4-13 .既然结型FET的源极S和漏极D相对于栅极G是一种对称结构，S和D可以交换使用。那么漏极输出（CS放大器）和源极输出（CD放大器）性能就应该相同。纠错：CS放大器的车入电压M加在GS之间，而CD放大器M加在GD之间，二者当然不能等同。4 .当导电沟道在近漏端被夹断后，沟道电流应该为零。纠错：只有沟道全夹断，目才会为零。当沟道从未夹断向靠近漏级端夹断过渡时，峰是递增的。当近漏端刚好夹断时，卜达到一个饱和值，而不是零。5 .当CE放大器的负载电阻和工作点电流与CS放大器相同时，CE放大器的电压增益总是大于CS放大器，因此CE放大器的功率增益会比CS放大器高。纠错：CS放大器向信号源吸收的功率可能很小，故功率增益不会小。6 .图F42所示CS-CC放大器有4处错误，试指明并在图上改正。纠错：（1）已应接在栅极和地之间。（2）%改为NPN管。（3）工的基极没有直流通路，应补充上、下偏置电路。（4）R多余，应短路去掉。改正以后的电路如图F4-2-1所示。12V图 F4-3C.多子扩散电流2.图 F44 是（A. N沟道耗尽型C. N沟道增强型图 F4-2-17.既然图F4-3中Ig=0, Rg可任意选择，那么 Rg开路也是可 以的。纠错：RG开路，栅极便不能得到偏置电压。RG使RS上的电压力睢|J GS之间。三、单选题1. FET沟道电流的性质是（A ）。A.多子漂移电流B.少子漂移电流D.少子扩散电流D ） MOSFET的输出特性曲线。B. P沟道耗尽型D. P沟道增强型理由：vDs 0,故为P沟道，V vGs Vgs0, VdsVgsVpB. V pVgsVgsVpC. VpVgs0 , VdsVgs0 , V dsVgs V p4.采用BJT和场效应管FET两级级联放大器。要求：输出电压稳定（即当负载变化时，输出电压变化减小）；R大；反相放大器。以下四种组态中，（A）最能满足此条件。A.CS-CCB.CB-CDC.CE-CDD.CG-CC理由：（1）CC组态作输出级，其输出电阻小，使负载变化时，输出电压的变化小；（2） CS组态的输入电阻由偏置电路决定，可以做得很大；（3） CS是反相放大器，CC是同相放大器，:CS-CC级联为反相放大器。5.下面4个FET小信号放大电路中，电路（B）不可能有信号输出。O-12V向0图F4-5理由：（b）中FET是N沟道增强型MOSFET,而增强型MOSFET不能采用源极自偏电路。6.图F4-5中FET的参数lDss=1mA,Vp=4V。该电路中的FET工作于（B）。A.截止区B.放大区C.可变电阻区D.恒压区理由：图示FET是N沟道耗尽型MOSFET。vVgs=,图F4-6VDSVGS一VT1-PID=Idss=1mA,VDS=1。5父1=5v满足(5V)(4V),二FET工作在放大区。1R0=rds/R3=200.292/1gm=224（,】）图P4-134-14在图P4-7的CS放大器中，车入信号vi为正弦电压。试借助iDVgs的平方律关系式分析：要使输出电压Vo的二次谐波振幅小于基波振幅的十分之一，输入电压最大振幅Vim是多少？解由图P4-7,取Vi=Vimcos双，二VGS=VGSVimC0s以由平方律关系：