场效应管及其基本放大电路(3)

图3-11 N沟道耗尽型MOS管的特性曲线

a）输出特性 b）转移特性

3.2.3 场效应管的主要参数 1.直流参数

（1）开启电压UGS,th

UGS,th是指在uDS为一常量时（例如10V），使iD大于零所需的最小uGS值。手册中给出的是在ID为规定的微小电流（例如5?A）时的uGS。UGS,th是增强型MOSFET的参数。 （2）夹断电压UGS,off 与UGS,th相类似，UGS,off是在uDS为常量情况下iD为规定的微小电流（例如5?A）时的uGS，它是JFET和耗尽型MOSFET的参数。 （3）饱和漏电流IDSS

在uGS=0的条件下，|uDS|≥|UGS,off| 时的漏极电流称为饱和漏电流IDSS。通常令uDS=10V，uGS=0V测出的iD就是IDSS。此定义适用于JFET和耗尽型MOSFET。对于增强型MOSFET来说对应的参数是IDO（uGS= 2UGS,th，|uDS|≥|UGS,th | 条件下所测出的ID）。 （4）直流输入电阻RGS

在栅源极之间加一定电压时，该电压与它产生的栅极电流的比值，即为RGS ，它是栅源极之间的直流电阻。JFET管一般RGS＞10M?，MOS管一般RGS＞103 M?。

2.交流参数

（1）低频跨导（互导）gm

gm的概念及其意义前已述及，这里不再重复。需要指出的是，手册上给出的gm值是在给定的参考测试条件下得到的，而实际的工作条件往往与之有一定的差别，这一点请务必注意。 （2）输出电阻rds

在uGS为某一固定值时，漏源电压的微变量?uDS和它所引起的漏极电流的微变量?iD之比，称为漏极输出电阻rds，即

?uDSrds?u?常数 （3-6） ?iDGSrds表明了uDS对iD的影响，是输出特性上某点切线斜率的倒数，它是漏源极之间的交流电阻。

由于恒流区中iD几乎不随uDS变化，因此rds很大，一般在几十千欧到几百千欧之间。

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3.极限参数

（1）最大漏极电流IDM

IDM是指场效应管正常工作时漏极电流的上限值。若iD超过此值，管子将过热而烧坏。 （2）击穿电压

场效应管进入恒流区后，使iD骤然增大的uDS称为漏源击穿电压UBR, DS，uDS超过此值会使管子损坏。

对于JFET，使栅极与沟道间的PN结反向击穿的uGS称为栅源击穿电压UBR, GS；对于MOSFET，使绝缘层击穿的uGS称为栅源击穿电压UBR, GS。 （3）最大耗散功率PDM

场效应管的耗散功率等于uDS与iD的乘积 ，即PD=uDSiD，它将转化为热能使管子温度升高。为了使管子的温度不要升得太高，就要限制它的耗散功率不得超过最大允许的耗散功率PDM ，即PD＜PDM。因此，PDM受管子最高工作温度的限制。

除上述参数外，场效应管还有噪声系数（很小）、高频参数、极间电容等其他参数。常用场效应管的参数参见附录D。

3.2.4 各种场效应管的比较 1.各种FET的比较

以上主要讨论了N沟道FET的工作原理、特性及参数，这些分析也基本适用于P沟道FET。但是，由于后者导电沟道的载流子是空穴，故各电极的电源极性都要改变。为了便于学习和记忆，特把各类FET的电路接法列于图3-12中，并可依此确定各漏极电流的方向和各特性曲线（包括输出和输入特性）在平面坐标系中的象限及变化规律。由图3-12可以看到，N沟道管的uDS＞0，P沟道管的uDS＜0。

a） b）

c） d）

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e） f） 图3-12 各类FET的电路接法及放大区偏置条件

a）N沟道结型 b）P沟道结型 c）N沟道增强型MOS d）P沟道增强型MOS

e）N沟道耗尽型MOS f）P沟道耗尽型MOS

表3-1为各种场效应管的符号及其特性曲线。

表3-1 场效应管的符号及特性曲线 分类 符号 转移特性曲线 输出特性曲线 N 结沟 型道 场 效 应P 管 沟 道 增 强 型 N 沟 道 耗绝尽缘型 栅 73

型场效应管 P 沟 道 增强型 耗尽型 2.使用注意事项

① 某些MOS管将衬底也引出电极（这种MOS管有4个管脚），这样可使电路设计者根据情况进行不同的连接。大多数情况下，为避免衬底电压uBS对管子导电性能的影响，可将源极与衬底直接相连，但有些情况下，特别是在集成电路中，制作在同一衬底上的许多MOS管不可能把每只管子的源极都与衬底相连。这时，为了保证衬底所构成的PN结反偏，P型衬底应接比源极低的电位（uBS＜0），N型衬底应接比源极高的电位（uBS＞0）。

② 除制造时就已将源极和衬底相连的FET以及功率FET外，许多结型和MOS型FET的漏极与源极都是制成对称形式的，漏极与源极可以互换使用，而其U-I特性没有明显变化。

③ MOSFET的高输入电阻使栅极感应电荷很难泄放掉。由于绝缘层很簿，栅极与衬底之间的电容量很小，所以少量的感应电荷（这是不可避免的）就能产生很高的电压，可能使栅源极间的绝缘层被击穿而造成管子的损坏，因此在保存时应避免栅极悬空而各电极短路。

④ 在焊接、测试管子前，保持各电极短路，电烙铁外壳应良好接地或断电后再焊接，待焊好或测试时再去掉短路装置。

3.3 场效应管放大电路

FET和BJT一样，也具有放大作用，因此在有些场合可以取代BJT组成放大电路。与BJT放大电路类似，FET放大电路也存在3种组态，即共源、共漏和共栅组态，分别对应于BJT放大电路的共射、共集和共基组态。

3.3.1 场效应管放大电路的静态分析

与BJT放大电路一样，FET放大电路也需要有合适的静态工作点，以保证管子工作在恒流区。不过由于FET是电压控制型器件，栅极电流为零，因此只需要合适的栅极电压。各种场效应管的偏置电压UGS和UDS极性如图3-12所示。下面以N沟道JFET（也为耗尽型）为例，介绍两种常用的偏置电路及其静态工作点计算。

1.自偏压电路

典型的自偏压电路如图3-13所示。由于N沟道JFET的栅源电压不能为正，因此由正电源VDD引入栅极偏置是行不通的。当然可以考虑再引入一组负电源，但电路复杂且成本高。

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因此采用自偏压电路是最为简便有效的方法。静态工作时，耗尽型FET无栅极电源但有漏极电流ID，当ID流过源极电阻RS时，在它两端产生电压降US=IDRS 。由于栅极电流IG≈0，栅极电阻RG上的电压降UG≈0，因此有

UGS?UG?US??IDRS （3-7） 可见，栅源极之间的直流偏压UGS是由场效应管自身的电流ID流过RS产生的，故称为自偏压电路。

图3-13 FET放大器的自偏压电路

电路中，大电容C对RS起旁路作用，称为源极旁路电容。

需要指出的是，自偏压电路不适用于增强型FET放大电路，因为增强型FET栅源电压UGS=0时漏极电流ID=0，且UGS先达到某个开启电压UGS,th 时才有漏极电流。

通过简单计算可确定自偏压电路的静态工作点。 由式（3-2）可知，静态时ID的表达式为

?UGSID?IDSS?1??UGS,off??? （3-8） ??2式（3-7）和式（3-8）可构成二元二次方程组，联立求解可得到两组根，即有两组ID和UGS值，可根据管子工作在恒流区的条件，舍弃无用根，保留合理的ID和UGS值。

从图3-13所示电路还可求得

UDS?VDD?ID(RD?RS) （3-9） 2.分压式自偏压电路

虽然自偏压电路比较简单，但当工作点UGS和ID值确定后，源极电阻RS就基本被确定了，选择的范围很小。为了克服这一缺点，可采用图3-14所示的分压式自偏压电路，该电路是在自偏压电路的基础上加接栅极分压电阻RG1，RG2而组成的。其中，漏极电源VDD经RG1、RG2分压后通过栅极电阻RG3提供栅极电压UG（RG3上电压降为0）。

RVUG?G2DD （3-10）

RG1?RG2而源极电压US=IDRS ，因此，静态时栅源电压

UGS?UG?US?RG2VDD?IDRS （3-11）

RG1?RG2对于分压式自偏压电路，通过求解下述联立方程组

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