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晶体管及其小信号放大 －场效应管放大电路

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场效应晶体管 (FET)

电压控制器件多子导电输入阻抗高 , 噪声低 , 热稳定好 , 抗辐射 ,工艺简单 , 便于集成 ,… 应用广泛

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§4 场效应晶体管及场效应管放大电路§4.1 场效应晶体管 (FET)

N 沟道P 沟道增强型

耗尽型

N 沟道P 沟道N 沟道P 沟道

（耗尽型）FET场效应管

JFET结型IGFET

绝缘栅型

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一、结构§ 4.1.1 结型场效应管

栅极

漏极

源极N 沟道利用 PN 结反向电压对耗尽层宽度的控制来改变导电沟道的宽度 , 从而控制通过的电流

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UGS

二、工作原理（以 N 沟道为例）正常工作 : UGS<=0, UDS>0V

PN 结反偏， |UGS|越大则耗尽层越宽，导电沟道越窄，电阻越大。ID

初始就有沟道，是耗尽型。

ID 受 UGS 和 UDS 的控制

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UGS

UDS>0 但较小 :

ID

ID 随 UDS 的增加而线性上升。 (U

GS 固定 )

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NG

S

D

UGS

P P

UGS 负到一定值时 , 耗尽区碰到一起， DS 间被夹断，这时，即使 UDS

0V ，漏极电流 ID=0A 。 ID

夹断电压)(offGSU

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UGS> , 但 UDS 增加到 UGS - , 即UGD= UGS – UDS =

靠近漏极的沟道夹断 .

预夹断)(offGSU

)(offGSU

)(offGSU

UDS 增大则被夹断区向下延伸。此时，电流 ID 由未被夹断区域中的载流子形成，基本不随 UDS的增加而增加，呈恒流特性。 ID= IDSS

ID

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三、特性曲线和电流方程const.DSD GS

)( vvfi

2. 转移特性 const.GSD DS)( vvfi

)0()1( GSGS(off)2

GS(off)

GSDSSD vV

VvIi

1. 输出特性

夹断区)(offGSU

（饱和区）UGD= )(offGSU

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结型场效应管的缺点：1. 栅源极间的电阻虽然可达 107 以上，但在某些场合仍嫌不够高。

3. 栅源极间的 PN 结加正向电压时，将出现较大的栅极电流。

绝缘栅场效应管可以很好地解决这些问题。

2. 在高温下， PN 结的反向电流增大，栅源极间的电阻会显著下降。

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最常见的绝缘栅型场效应管是 MOSFET( Metal Oxide Semiconductor FET) 。分为 增强型 N 沟道、 P 沟道 耗尽型 N 沟道、 P 沟道

§ 4.1.2 绝缘栅场效应管（ IGFET)

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一 N 沟道增强型 MOSFET

1 结构

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2 工作原理

(1) VGS=0V 时，漏源之间相当两个背靠背的 二极管，在 D、 S 之间加上电压不会在 D 、 S 间形成电流。(2) VGS> VGS （ th)>0 时，形成导电沟道

反型层

VGS 越大，沟道越宽，电阻越小。

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(3) VGS> VGS （ th)>0 时， VDS>0

VGD=VGS － VDS

＝ VGS （ th) 时发生预夹断

VDS 较小时， ID 随之线性上升

VDS 稍大后，产生横向电位梯度

出现预夹断后，随着 VDS 继续增大，夹断点向源极方向移动， ID 略有增加

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输出特性曲线 ID=f(VDS)VGS=const

（饱和区）

夹断区

3 N 沟道增强型 MOS 管的特性曲线

VGD=VGS （ th)

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转移特性曲线 ID=f(VGS)VDS=const

VGS （ th)

2

GS(th)

GSDOD )1(

VvIi

DOI )(2 thGSGS Vv 即 时的值

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二 N 沟道耗尽型 MOSFET

正离子

VGS 为正 沟道加宽VGS 为负 沟道变窄 夹断电压 )(offGSU

使用方便

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输出特性曲线ID

U DS0

UGS=0

UGS<0

UGS>0

转移特性曲线2

GS(off)

GSDSSD )1(

VvIi

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P 沟道 MOSFET

P 沟道 MOSFET 的工作原理与 N沟道 MOSFET 完全相同，只不过导电的载流子不同，供电电压极性不同而已。这如同双极型三极管有 NPN 型和 PNP 型一样。

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2.2.5 双极型和场效应型三极管的比较 双极型三极管 场效应三极管结构 NPN 型 结型（耗尽型） N 沟道 P 沟道 PNP 型 绝缘栅增强型 N 沟道 P 沟道 绝缘栅耗尽型 N 沟道 P 沟道 C 与 E 一般不可倒置使用 D 与 S 一般可倒置使用载流子 多子扩散少子漂移 多子漂移输入量 电流输入 电压输入控制 电流控制电流源 CCCS(β) 电压控制电流源 VCCS(gm)

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§ 4.1.4 场效应管的参数和型号一 场效应管的参数 ① 开启电压 VGS(th) ( 或 VT) 开启电压是 MOS 增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值 , 场效应管不能导通。

② 夹断电压 VGS(off) ( 或 VP) 夹断电压是耗尽型 FET 的参数，当 VGS=VGS(off) 时 ,漏极电流为零。 ③ 饱和漏极电流 IDSS 耗尽型场效应三极管 , 当 VGS=0 时所对应的漏极电流

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④ 输入电阻 RGS 场效应三极管的栅源输入电阻的典型值，对于结型场效应三极管，反偏时 RGS 约大于 107Ω ，对于绝缘栅型场效应三极管 , RGS 约是 109 ～ 1015Ω 。

⑤ 低频跨导 gm 低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用， 这一点与电子管的控制作用相似。 gm 可以在 转移特性曲线上求取，也可由电流方程求得DS

GS

Dm Vv

ig

⑥ 最大漏极功耗 PDM 最大漏极功耗可由 PDM= VDS ID 决定，与双极型 三极管的 PCM 相当。

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二 场效应三极管的型号 场效应三极管的型号 , 现行有两种命名方法。 其一是与双极型三极管相同，第三位字母 J 代

表结型场效应管， O 代表绝缘栅场效应管。第二位字母代表材料， D 是 P 型硅，反型层是 N 沟道；C 是 N 型硅 P 沟道。例如 ,3DJ6D 是结型 N 沟道场效应三极管， 3DO6C 是绝缘栅型 N 沟道场效应三极管。 第二种命名方法是 CS××# ， CS 代表场效应管，×× 以数字代表型号的序号， # 用字母代表同一型号中的不同规格。例如 CS14A 、 CS45G 等。

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几种常用的场效应三极管的主要参数 参 数型号

PDM mW

IDSS mA

VRDS V

VRGS V

VP V

gmmA/ V

fM

MHz3DJ2D 100 <0.35 >20 >20 -4 ≥ 2 3003DJ7E 100 <1.2 >20 >20 -4 ≥ 3 903DJ15H 100 6～11 >20 >20 -5.5 ≥ 83DO2E 100 0.35～1.2 >12 >25 1000CS11C 100 0.3～1 -25 -4 ≥ 2

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半导体三极管图片

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半导体三极管图片

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§4.2 场效应 放大电路(1) 静态：适当的静态工作点，使场效应管工作

在恒流区，场效应管的偏置电路相对简单。

(2) 动态：能为交流信号提供通路。

组成原则：

静态分析：估算法、图解法。动态分析：微变等效电路法。

分析方法：

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4.2.2 场效应管的直流偏置电路及静态分析一 自偏压电路

vGS

Q 点：VGS 、 ID 、VDS

vGS =

2

P

GSDSSD )1(

Vv

Ii

VDS = VDD - ID (Rd + R )

- iDR

注意：两组解，一组不合理

（适用于耗尽型）

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二 分压式偏置电路SVGSV GV

DDg2g1

g2 VRR

R

RID

2

P

GSDSSD )1(

Vv

Ii

（两种都适用）

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4.2.2 场效应管的低频小信号等效模型G

S

D),( DSGSD uufi

DSDS

DGS

GS

DD u

uiu

uii

DSDS

GSm urug 1

GS

Dm u

ig

跨导

D

DSDS i

ur

漏极输出电阻

uGS

iD

uDS

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GS

Dm u

ig

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很大， 一般可忽略

场效应管的微变等效电路为：

G

S

D

uGS

iD

uDS

S

G D

ugsgmugs uds

S

G D

rDSugsgmugs uds

JFET 相同

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4.2.3 共源极放大电路

uo

UDD=20V

RSui CS

C2

C1

R1RD

RG

R2

RL

150k

50k1M

10k

10k

G

D

S 10k

s

g

R2R1

RG

RL'd

RLRD

微变等效电路

gsmUg gsU

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gsi UU

)//( LDgsmo RRUgU

Lmu RgA '

s

g

R2R1

RG

RL'd

RLRD

gsUgsmUg iU oU

21 // RRRr Gi M0375.1

ro=RD=10k