2023-2024学年高二物理竞赛教学设计——场效应晶体管及其放大电路

这是一份2023-2024学年高二物理竞赛教学设计——场效应晶体管及其放大电路，共15页。教案主要包含了教学要求，重点和难点，教学内容，典型例题等内容，欢迎下载使用。

2023-2024学年高二物理竞赛教学设计
——场效应晶体管及其放大电路
一、教学要求
知 识 点
教 学 要 求
学分
掌握
理解
了解

场效应管
　 场效应管的结构与类型
 
 
√

　 场效应管的工作原理
 
√
 

　 场效应管的伏安特性及主要参数
√
 
 

　 场效应管的微变等效电路
√
 
 

场效应管放大电路
　 场效应管放大电路的静态分析
√
 
 

　 场效应管放大电路的动态分析
√
 
 

　 场效应管三种基本放大电路
√
 
 

二、重点和难点
本章的重点是：
场效应管（JFET、MOSFET）的伏安特性、主要参数，放大电路的组成及主要动态指标的微变等效电路分析法。
本章的难点是： 场效应管的工作原理及伏安特性。
三、教学内容
3.1场效应管
1. 场效应管的结构与类型
    场效应管是一种半导体器件，与第二章介绍的晶体管类似，器件内部也有两个PN结，器件外部也有三个电极（源极s、栅极g和漏极d）。
    场效应管按照结构和控制电场的形式，有结型和绝缘栅型两大类型。结型的栅极与硅材料直接接触，控制电场是PN结的内电场；绝缘栅型的栅极与硅材料之间隔有绝缘层（SiO2），不直接接触，控制电场是外电压产生的表面电场。
    场效应管按照工作方式，有耗尽型和增强型之分。耗尽型：在外加电压为零时，管内有固定的导电沟道，随外加电压的绝对值增大，导电沟道逐渐消失（耗尽）；增强型：在外加电压为零时，管内没有导电沟道，当外加电压的绝对值增大到一定程度后，导电沟道逐渐形成（增强）。
    场效应管按照导电沟道的掺杂类型，有N沟道和P沟道。两者的外加电压极性相反。

2. 场效应管的工作原理
    学习场效应管的工作原理时应正确理解以下几个概念：
    a）控制漏极电流的基本原理
        场效应管的导电沟道是一个可变电阻，外加电压改变导电沟道的几何尺寸，以改变导电沟道电阻的大小，从而达到控制漏极电流的目的。
    b）外加电压对导电沟道的影响
        当漏源电压等于零时，栅源电压变化，导电沟道处处宽度相等；当漏源电压不等于零时，导电沟道呈楔状，靠近漏极处沟道较窄。
    c）夹断电压和开启电压
        对耗尽型管，当栅源电压的绝对值增大到某一数值时，导电沟道就消失——称为夹断，把这一状态时的栅源电压称为夹断电压。N沟道<0，P沟道>0。
        对增强型管，当栅源电压的绝对值增大到某一数值时，导电沟道就出现——称为开启，把这一状态时的栅源电压称为开启电压。N沟道>0，P沟道<0。
    d）预夹断和全夹断
        预夹断——当一定，增大到一定大小时，漏极端的沟道开始夹断。
        全夹断——导电沟道从源极端到漏极端全部夹断，漏极电流为零。
    e）预夹断前后的导电情况
        预夹断前，漏源极之间电压变化，漏极电流随之变化，类似电阻。当栅源极之间电压不同时，漏源极之间的等效电阻不同，称为“可变电阻区”。
        预夹断后，漏源极之间电压变化，漏极电流近似等于常数。因为数值增大，夹断区由漏极向源极延伸，沟道电阻增大，使数值的增加为沟道压降的增加抵消，漏极电流基本不变，称为“恒流区”。但是，对应于不同的，漏极电流的恒值不同。也就是说，对漏极电流有控制作用，所以又称为“放大区”。
3. 场效应管的特性
    各种不同类型场效应管的特性如表3.1所列。
表3.1各种场效应管的特性

4. 场效应管的主要参数
    a）直流参数：开启电压，夹断电压；零偏漏极电流IDSS；。
    b）交流参数：跨导gm（也称为互导），它是管子在保持UDS一定时，漏极电流微变量与栅极电压微变量的比值；极间电容：栅源电容Cgs、栅漏电容Cgd、漏源电容Cds。
    c）极限参数：漏极最大允许耗散功率PDSM它相当于双极型晶体管的PCM；最大漏极电流IDSM是管子在工作时允许的漏极电流最大值，相当于双极型晶体管的ICM ；栅源击穿电压U（BR）GS ；漏源击穿电压U（BR）DS。
5. 场效应管的微变等效电路
    场效应管的微变等效电路如图3.1所示。

6．场效应管与晶体管的比较
    （1）导电机理
        场效应管利用多子导电，而晶体管则利用多子和少子导电。
    （2）结构对称性
        场效应管的结构具有对称性，如果绝缘栅型管的衬底在电路内部事先不与源极相连，场效应管的源极和漏极可以互换。而晶体管的结构不对称，集电极与发射极是不能互换的。
    （3）控制方式
        场效应管工作在放大状态时，漏极电流基本上只随栅源极间电压的变化而变化。所以，常称其为电压控制型器件。
        晶体管工作在放大状态时，集电极电流基本上只随基极电流的变化而变化，习惯上称其为电流控制型器件。但基极电流又受基极与发射极间电压的控制，实质上仍然是电压控制型器件。
    （4）直流输入电阻
        场效应管的直流输入电阻大（结型：一般大于，绝缘栅型：一般大于）；而晶体管直流输入电阻较小（发射结正偏）。
    （5）稳定性及噪声
        场效应管具有较好的温度稳定性、抗辐射性和低噪声性能；晶体管则受温度和辐射的影响较大，这些都与导电机理有关。
    （6）放大能力
        场效应管因跨导较小，而放大能力较弱；晶体管因电流放大系数较大而放大能力较强。
3.2 场效应管放大电路
    场效应管放大电路与双极型晶体管放大电路类似，也有与之对应的三种基本组态：共源（共射）、共漏（共集）和共栅极（共基极）。
1.直流偏置及静态分析
    场效应管放大电路有两种常用的直流偏置方式：自给偏压和分压式偏置。
    由于耗尽型（包括结型）管子在时就有漏极电流，利用这一电流在源极电阻上产生的电压给管子提供直流偏置，因此自给偏压仅适合于耗尽型管子。
    分压式偏置方式，利用分压电阻提供的栅极直流电位和源极电阻上产生的直流压降共同建立栅源间极的直流偏置。调整分压比可以使偏置电压为正或为负，使用灵活，适合于各种场效应管。
    场效应管放大电路的静态分析有图解法和解析法两种。图解法与双极型晶体管放大电路的图解法类似，读者可对照学习。解析法是根据直流偏置电路分别列出输入、输出回路电压电流关系式，并与场效应管工作在恒流区（放大区）漏极电流和的关系联立求解获得静态工作点。
2.动态分析
    场效应管放大电路的动态分析也有图解法和微变等效电路法两种。它与双极型晶体管放大电路的分析法类似，读者可对照学习。
    在双极型晶体管放大电路动态分析中，通常给出了管子的β值，而在场效应管放大电路分析中则需要利用解析法计算跨导gm。例如耗尽型管子的由下式求得：
                       
    上式表明gm与IDQ有关，IDQ越大，gm也就越大。
3.三种基本放大电路的特点
    场效应管放大电路的组态判别与双极型晶体管放大电路类似此处不再赘述。三种基本放大电路的性能特点如表3.2所示。
表3.2 场效应管三种基本放大电路的性能特点
 
共源极
共漏极
共栅极
输入电阻
大
大
小
输出电阻
较大
小
较大
电压放大倍数
大
小于等于1
大
uo与ui的相位关系
反相
同相
同相


表3.3 FET基本组态放大器小结
 
CS组态
CD组态
CG组态
简
化
交
流
通
路



AV

大，反相放大器

小于1，同相放大器
( 条件：)
大，同相放大器

∞，很大
∞，很大
，较小 (条件：)

rds ，较大
，较小
>rds ，最大
AI
决定于RG ，AI>>1
决定于RG ，AI>>1
AI<1
类似
CE放大器
CC放大器
CB放大器
四、典型例题
场效应管的基本概念
　　　　 例3-1　　 例3-2　　 例3-3　　 例3-4
　　场效应管放大电路分析
　　　　 例3-5　　 例3-6　　 例3-7







【例3-1】在图示电路中，已知场效应管的；问在下列三种情况，管子分别工作在那个区？
　　 （1）,
　　 （2）,
　　 （3）,

【相关知识】
场效应管的伏安特性。
【解题思路】
根据管子工作在不同区域的特点，判断管子的工作状态。
【解题过程】
(1) 因为
　　 　　 　　 　　 　　
管子工作在截止区。
(2) 因为
　　 　　 　　 　　 　　
　　 管子工作在放大区。
　　 (3) 因为
　　 　　 　　 　　 　　
　　 管子工作在可变电阻区。

【例3-2】测得某放大电路中三个MOS管的三个电极的电位及其开启电压如表1所示。试分析各管的工作状态(截止区、恒流区、可变电阻区)，并填入表内。
表1
管  号
UGS（th）/V
US/V
UG/V
UD/V
工作状态
T1
4
－5
1
3
 
T2
－4
3
3
10
 
T3
－4
6
0
5
 
【相关知识】
　　 场效应管的伏安特性。
【解题思路】
　　 根据管子工作在不同区域的特点，判断管子的工作状态。
【解题过程】
　　 因为三只管子均有开启电压，所以它们均为增强型MOS管。判断管子的工作状态
　　 当，时，管子处于恒流区；
　　 当，时，管子处于可变电阻区；
　　 ，管子处于截止区。
　　 由此可判断出它们各自的工作状态如表2所示。
表2
管  号
UGS（th）/V
US/V
UG/V
UD/V
工作状态
T1
4
－5
1
3
恒流区
T2
－4
3
3
10
截止区
T3
－4
6
0
5
可变电阻区

【例3-3】 两个场效应管的转移特性曲线分别如图 (a)、(b)所示，分别确定这两个场效应管的类型，并求其主要参数（开启电压或夹断电压，低频跨导）。测试时电流iD的参考方向为从漏极D到源极S。

(a)                                               (b)
【相关知识】
　　 （1）场效应管的转移特性。
　　 （2）场效应管的电参数。
【解题思路】
　　 根据场效应管的转移特性确定其开启电压或夹断电压，及在某一工作点处的跨导。
【解题过程】
　　 （a）图曲线所示的是P沟道增强型MOS管的转移特性曲线。其开启电压UGS（th）＝－2V，IDQ= -1mA
        在工作点（UGS＝－5V， ID＝－2.25mA）处，跨导

　　（b）图曲线所示的是N沟道耗尽型MOSFET的转移特性曲线，其夹断电压，
　　在工作点（UGS＝－2V， ID＝1mA）处，跨导


【例3-4】电路如图（a）所示，管子T的输出特性曲线如图（b）所示。
　　 （1）场效应管的开启电压UGS（th）和IDO各为多少？
　　 （2）uI为0 V、8 V两种情况下uO分别为多少？
　　 （3）uI为10 V时在可变电阻区内g − s间等效电阻rDS为多少？
【相关知识】
　　 场效应管的主要参数，场效应管的工作状态。
【解题思路】
　　 （1）从图（b）中读出场效应管的主要参数UGS（th）和IDO。
　　 （2）列输出回路方程，用作图法确定uI为不同电压值时uO的值。
　　 （3）求解对应uGS＝10 V的输出特性曲线的可变电阻区的等效电阻。
【解题过程】
　　 （1）从图（b）可知UGS（th）＝4 V， IDO为UGS＝2 UGS（th）＝8 V时的ID，为1 mA。
　　 （2）当uGS＝uI＝0 V时，管子处于夹断状态，因而iD＝0。uO＝uDS＝VDD − iD Rd＝VDD＝15 V。 当uGS＝uI＝8 V时，从输出特性曲线可知，管子工作在恒流区时的iD＝1 mA，所以
uO＝uDS＝VDD − iD Rd＝（15−1×12）V＝3 V
　　UGD＝UG − UD＝（8−3）V＞UGS（th），故管子工作在可变电阻区。此时g−s间等效为一个电阻rDS，与Rd分压得到输出电压。从输出特性中，在UGS＝8V的曲线的可变电阻区内取一点，读出坐标值，如（2，0.5），可得等效电阻

　　所以输出电压

　　（3）在uGS＝10 V的曲线的可变电阻区内取一点，读出坐标值，如（3，1），可得等效电阻

　　与uGS＝8V的等效电阻相比，在可变电阻区，uGS增大，等效电阻rDS减小，体现出uGS对rDS的控制作用。



【例3-5】 电路如图(a)示。其中，，,,场效应管的输出特性如图（b） 所示。试求电路的静态工作点、和之值。

图(a)                           图(b)
【相关知识】
　　 结型场效应管及其外特性，自给偏压电路，放大电路的直流通路、解析法、图解法。
【解题思路】
　　 根据放大电路的直流通路，利用解析法或图解法可求得电路的静态工作点。
【解题过程】
　　 由场效应管的输出特性可知管子的，
　　由式

　　及

　　得



　　与双极型晶体管放大电路类似，分析场效应管放大电路的静态工作点，也有两种方法，解析法和图解法
【另一种解法】
　　 （1）在输出特性曲线上，根据输出回路直流负载线方程
　　　　　　　　
　　 作直流负载线MN，如图(d)所示。MN与不同的输出特性曲线有不同的交点。Q点应该在MN上。

图(c)                     图(d)
　　（2）由交点对应的、值在～坐标上作曲线，称为～控制特性，如图 (c)所示。
　　（3）在控制特性上，根据输入回路直流负载线方程

　　代入，可作出输入回路直流负载线。该负载线过原点，其斜率为，与控制特性曲线的　　交点即为静态工作点。由此可得，
　　（4）根据，在输出回路直流负载线上可求得工作点，再由点可得　　　　　　　。

【例3-6】有一个场效应管放大电路如图(a)所示，已知IDSS＝4mA、UGS＝－2V、UP＝UGS(off)＝－4V、VDD＝20V。试求：
　　 （1）静态漏极电流IDQ；
　　 （2）RS1和RS2最大值；
　　 （3） 中频电压放大倍数；
　　 （4） 输入电阻和输出电阻。
 
图(a)
【相关知识】
　　 场效应管放大电路的静态、动态分析。
【解题思路】
　　 （1）根据放大电路的直流通路确定其静态工作点。
　　 （2）根据放大电路工作于线性区的条件去确定RS1和RS2的最大值。
　　 （3）根据放大电路的交流通路确定其电压放大倍数、输入电阻和输出电阻。
【解题过程】
　　 （1）根据电路图场效应三极管的符号，是N沟道结型场效应管，采用自给偏压电路（耗尽型结型场效应 三极管）。由公式

　　可以求出
ID=1mA
　　（2）电路采用自偏压

　　所以，解出
RS1＝2
    RS2越大，UDS越小，大到一定程度，就不能保证工作在线性区（场效应管特性曲线相当双极型三极管的“放大区”称为饱和区，相当双极型三极管的“饱和区”称为可变电阻区）。进入饱和区的条件是漏端　　电压达到夹断电压以上，即




　　（3）要求电压放大倍数，应先求跨导

　　根据图（a）做出微变等效电路，如图 (b)所示。由此可求出

图(b)

　　（4）求输入电阻和输出电阻

    上式在变换过程中，使用了这一关系，略去了Ii在Rs2上的压降。

    注：对于增强型场效应管，跨导由增强型场效应管的转移特性曲线方程式求导得到


【例3-7】现有基本放大电路：
　　   A. 共射电路    B. 共集电路     C. 共基电路
　　 　 D. 共源电路    E. 共漏电路
　　 输入电阻为Ri，电压放大倍数的数值为||，输出电阻为Ro。根据要求选择合适电路组成两级放大电路。
（1）要求Ri为1 kΩ～3 kΩ， ||＞104，第一级应采用_________，第二级应采用_________。
（2）要求Ri大于10 MΩ，||为500左右，第一级应采用_________，第二级应采用_________。
（3）要求Ri约为150 kΩ，||约为100，第一级应采用_________，第二级应采用_________。
（4）要求||约为10，Ri大于10 MΩ，Ro小于100 Ω，第一级应采用_________，第二级应采用_________。
（5）设信号源为内阻很大的电压源，要求将输入电流转换成输出电压，且|＞1000，Ro小于100 Ω，第一级应采用_________，第二级应采用_________。
【相关知识】
　　 晶体管及场效应管放大电路三种接法的性能特点，单级放大电路组成多级放大电路后动态参数的相互影响。
【解题思路】
　　 （1）通常，实用的（非原理性）基本放大电路动态参数的数量级如下表所示，仅供参考，有些情况也可能超出此范围。
表  实用基本放大电路动态参数的数量级（空载情况下）
基本接法
||

Ri
Ro
共射
＞100
β（几十至几百）
几百欧至几千欧
几百欧至十几千欧
共基
＞100
α（＜1）
最小可达十几欧
几百欧至十几千欧
共集
＜1
1+β（几十至几百）
几十千欧至100千欧以上
最小可达十几欧
共源
几至十几
 
1兆欧以上
几百欧至十几千欧
共漏
＜1
 
1兆欧以上
几百欧至几千欧

　　（2）根据多级放大电路性能指标要求以及基本放大电路动态参数的特点来组成多级放大电路。
【解题过程】
　　 （1）由于Ri＝1 kΩ～3 kΩ，第一级应采用共射放大电路；由于||＞104，第二级也应采用
共射放大电路。
　　 同样具有较强的电压放大能力，为什么第二级不能选用共基放大电路呢？因为共基放大电路的输入电阻很小，使第一级的电压放大倍数变得很小，甚至完全不能放大，所以若采用共基电路，则不能满足电压放大倍数的要求。
　　 （2）由于Ri大于10MΩ，第一级应采用场效应管放大电路,若采用共漏放大电路，只第二级电路具有电压放大能力，则难于实现||为500左右，故第一级应采用共源放大电路，第二级应采用共射
放大电路
　　 （3）由于Ri约为150 kΩ，第一级应采用共集放大电路；由于||约为100，第二级应采用共射放大电路。
　　 （4）由于Ri大于10 MΩ，第一级应采用场效应管放大电路；由于Ro小于100 Ω，第二级应采用共集放大电路；要求||约为10，第一级应采用共源放大电路，而不能采用共漏放大电路。
　　 （5）由于信号源为内阻很大的电压源，即近似为恒流源,因此放大电路的输入电阻应尽可能小，以使信号源电流更多地流入放大电路,故第一级应采用共基放大电路。由于Ro小于100 Ω，第二级应采用共集放大电路。这样，第一级实现将输入电流转换成电压，第二级的输出电压近似等于第一级的输出电压，且具有很强的带负载能力。
　　 综上所述，答案为（1）A，A；（2）D，A；（3）B，A；（4）D，B；（5）C，B。