第3章 场效应管及其放大电路习题解

第3章 场效应管及其基本放大电路

3.1 教学内容与要求

本章介绍了场效应管的结构、类型、主要参数、工作原理及其基本放大电路。教学内容与教学要求如表1.1所示。

表3.1 第3章教学内容与要求

3.2 内容提要

3.1.1场效应晶体管

1．场效应管的结构及分类

场效应管是利用输入电压产生的电场效应来控制输出电流的，是电压控制型器件。工作过程中起主要导电作用的只有一种载流子（多数载流子），故又称单极型晶体管。场效应管有两个PN结，向外引出三个电极：漏极D、栅极G和源极S。 (1) 栅源控制电压的极性

对JFET，为保证栅极电流小，输入电阻大的特点，栅源电压应使PN结反偏。N沟道JFET：

UGS<0；P沟道JFET：UGS>0。

对增强性MOS管，N沟道增强型MOS管，参加导电的是电子，栅源电压应吸引电子形成反型层构成导电沟道，所以UGS>0；同理，P沟道增强型MOS管，UGS<0。

对耗尽型MOS管，因二氧化硅绝缘层里已经掺入大量的正离子（或负离子：N沟道掺入正离子；P沟道掺入负离子），吸引衬底的电子（或空穴）形成反型层，即UGS=0时，已经存在导电沟道，所以，栅源电压UGS可正可负。

(2) 夹断电压UGS(off)和开启电压UGS(th)

对JFET和耗尽型MOS管，当｜UGS｜增大到一定值时，导电沟道就消失（称为夹断），此时的栅源电压称为夹断电压UGS(off)。N沟道场效应管UGS(off) <0；P沟道场效应管UGS(off) >0。

对增强型MOS管，当 UGS 增加到一定值时，才会形成导电沟道，把开始形成反型层的栅源电压称为开启电压UGS(th)。N沟道增强型MOS管UGS(th) >0；P沟道增强型MOS管UGS(th) <0。

(3) 栅源电压uGS对漏极电流iD的控制作用

场效应管的导电沟道是一个可变电阻，栅源电压uGS可以改变导电沟道的尺寸和电阻的大小。当uDS=0时，uGS变化，导电沟道也变化但处处等宽，此时漏极电流iD=0；当uDS≠0时，产生漏极电流，iD≠0，沿沟道产生了电位梯度使导电沟道变得不等宽。

当uGS一定， uDS 增大到一定大小时，在漏极一侧导电沟道被夹断，称为预夹断。 导电沟道预夹断前， uDS 增大， iD 增大，漏源间呈现电阻特性，但uGS不同，对应的电阻不同。此时，场效应管可看成受uGS控制的可变电阻。

导电沟道预夹断后， uDS 增大，iD几乎不变。但是，随uGS变化，iD也变化，对应不同的uGS，iD的值不同。即iD几乎仅仅决定于uGS，而与uDS无关。栅源电压uGS的变化，将有效地控制漏极电流iD的变化，即体现了栅源电压uGS对漏极电流iD的控制作用。

3．效应管的伏安特性

效应管的伏安特性有输出特性和转移特性。

(1) 输出特性：指当栅源电压uGS为常量时，漏极电流iD与漏源电压uDS之间的关系，即 iD f(uDS)uGS 常数 （3-1）场效应管有四个工作区域：

可变电阻区：导电沟道预夹断前，此时场效应管是一个受uGS控制的可变电阻。 恒流区：导电沟道预夹断后，此时漏极电流iD仅决定于uGS，场效应管相当于一个栅源电压控制的电流源。场效应管作为放大器件应用时，都工作在该区域。

截止区：导电沟道被全部夹断，iD≈0。

击穿区： uDS 太大，靠近漏区的PN结被击穿，iD急剧增加，很快会烧毁管子。不允许场效应管工作在击穿区。

(2) 转移特性：指当漏源电压uDS为常量时，漏极电流iD与栅源电压uGS之间的关系，即 iD f(uGS)

uDS 常数

（3-2）

转移特性表示栅源电压uGS对漏极电流iD的控制作用。

4．场效应管的主要参数

(1) 直流参数：夹断电压UGS（off）；开启电压UGS(th)；饱和漏极电流IDSS ；直流输入电阻RGS(DC)。

(2) 交流参数：低频跨导gm ；极间电容。

(3) 极限参数：最大漏极电流IDM ；最大漏源电压U(BR)DS ； 最大栅源电压U(BR)GS ；最大耗散功率PDM。

3.1.2场效应管放大电路

1. 场效应管的低频小信号模型

场效应管的低频小信号模型，如图3-1(a)所示，简化的低频小信号模型，如图3-1(b)所示。

·

· (a) 场效应管的微变等效电路 (b) 场效应管简化的微变等效电路

图3-1 场效应管的微变等效电路

2．场效应管放大电路

场效应管有三个电极：栅极、漏极和源极，在组成放大电路时也有三种接法，即共栅放大电路、共漏放大电路和共源放大电路。但共栅放大电路很少使用。

(1) 直流偏置与静态分析

场效应管放大电路常用的偏置方式有两种：自给偏置和分压式偏置。

场效应管放大电路的静态分析可采用图解法和公式计算法。图解法是利用场效应管的特性曲线和直流负载线确定静态工作点；公式计算法是利用转移特性方程和偏置电路的线性方程联立求解确定静态工作点。

(2) 动态分析

场效应管放大电路的动态分析步骤：画交流通路→将交流通路中的FET用交流小信号模

，Ri和Ro。 型代替→计算gm和rds→利用微变等效电路然后计算动态性能指标Au

(3) 场效应管工作状态的判断

导通：N沟道JFET和N沟道耗尽型MOS管：UGS>UGS(off) ，N沟道增强型MOS管：UGS>UGS(th)

P沟道JFET和P沟道耗尽型MOS管：UGS<UGS(off) ，P沟道增强型MOS管：

UGS<UGS(th)

恒流区与非恒流区的判断方法： (1) 先假设FET工作在恒流区。

(2) 根据FET的类型，选择工作在恒流区FET的转移特性方程。 (3) 根据直流通路写出静态时UGSQ和IDQ之间的关系。

(4) 联立求解上述方程。根据FET类型选择合理的一组解。 (5) 判断工作模式

若 UDS > UGS﹣UGS(off) 或 UDS > UGS﹣UGS(th) ，则FET工作在恒流区，假设成立。 若 UDS < UGS﹣UGS(off) 或 UDS < UGS﹣UGS(th) ，则假设不成立，FET工作在可变电阻区。

(4) 三种基本放大电路的特点

共源放大电路：有电压放大能力；输出电压与输入电压反相；场效应管共源放大电路的输入电阻较高而电压放大倍数较小。

共漏放大电路：电压放大倍数小于1，且输出电压与输入电压同相，输出电阻很小。

共栅放大电路：输入电阻小，输出电阻大，放大倍数大，输入与输出同相。

自测题

3.1 判断下列说法是否正确，用“√”和“ ”表示判断结果填入空内

1. 结型场效应管外加栅源电压uGS应使栅源间的耗尽层承受反偏电压，才能保证其输入电阻RG大的特点。（ √ ）

2. 耗尽型MOS管在栅源电压uGS为正或为负时均能实现压控电流的作用。（ √ ） 3. 若耗尽型N沟道MOS管的栅源电压uGS大于零，则其输入电阻会明显变小。（ ） 4. 工作于恒流区的场效应管，低频跨导gm与漏极电流IDQ成正比。（ ） 5. 增强型MOS管采用自给偏压时，漏极电流iD必为零。（ √ ） 3.2 选择填空

1. 场效应管的栅-源之间的电阻比晶体管基-射之间的电阻

A．大 B．小 C．差不多 2. 场效应管是通过改变来改变漏极电流的。所以是控制型器件。 A．栅源电压 B．漏源电压 C．栅极电流 D．电压 E．电流

3. 用于放大时，场效应管工作在特性曲线的。

A．可变电阻区 B．恒流区 C．截止区 4. N沟道结型场效应管中参加导电的载流子是

A．自由电子和空穴 B．自由电子 C．空穴

5. 对于结型场效应管，当︱uGS︱ ︱UGS(off)︱时，管子一定工作在 C 。 A．恒流区 B．可变电阻区 C．截止区 B．击穿区 6. 当栅源电压uGS＝0V时，能够工作在恒流区的场效应管有 A C 。 A．结型场效应管 B．增强型MOS管 C．耗尽型MOS管 7. 某场效应管的开启电压UGS(th)=2V，则该管是 A．N沟道增强型MOS管 B．P沟道增强型MOS管 C．N沟道耗尽型MOS管 D．P沟道耗尽型MOS管

8. 共源极场效应管放大电路，其输出电压与输入电压；共漏极场效应管放大电路，其输出电压与输入电压 A 。

A．同相 B．反相

3.3判断图T3.3所示各电路能否进行正常放大？如果不能，指出其中错误，并加以改正。

图T3.3

解：图T3.3（a）、（c）电路能进行正常放大；（b）、（d）两电路均不能进行正常放大。 图T3.3（b）放大器件是P沟道结型场效应管，漏源电压应为负值。修改后如图解T3.3（a）所示。

图T3.3（d）放大器件是P沟道增强型MOS管，栅源电压应为正值才能工作，该电路采用自给偏置方式，栅源偏压实际为负值，使管子处于截止状态。为了使栅源电压为正值，可

采用分压式偏置电路。修改后如图解T3.3（b）所示。

(a) (b)

图解T3.3

3.4 场效应管的特性曲线如图T3.4所示。指出它们属于哪种场效应管？

图3.4

解：图T3.4（a）为N沟道结型场效应管的特性曲线，（b）为N沟道增强型MOS管的特性曲线，（c）为N沟道耗尽型MOS管的特性曲线，（d）为P沟道增强型MOS管的特性曲线，（e）为P沟道结型场效应管的特性曲线，（f）为P沟道耗尽型MOS管的特性曲线。 3.5 已知某场效应管的输出特性曲线如图T3.5所示，试判断场效应管的类型并画出它在恒流区的转移特性。

iD1

图解T3.5

解：该场效应管为N沟道增强型MOS管。在场效应管的恒流区作横坐标的垂线，读出其与各条曲线交点的纵坐标值及UGS值，建立iD＝f（uGS）坐标系，描点，连线，即可得到转移特性曲线，如图解3.5T所示。

3.6 试画出与图3-18(b)对应的P沟道耗尽型MOS管共源放大电路，标出静态电流的实际方向，并说明管子导通的条件。

解：与图3-18(b)对应的P沟道耗尽型MOS管共源放大电路如图解T3.6，静态电流的实际方向如图中所示。管子导通的条件是：UGS UGS(off），UDS UGS UGS(off)。

I+

+

+

图解T3.6

习题

3.1 电路如图P3.1所示。已知RD=3.3k ，RG=100k ，｜VDD｜=10V，｜VGG｜=2V，VT1

的UGS(th)=3V，VT2的UGS(off)=3V，IDSS=－5mA，VT3的UGS(off)=2V，IDSS=－2mA，试分析场效应管分别工作在什么区域。

(a) (b) (c)

图P3.1 图P3.2

解：图(a)所示电路：VT1是N沟道增强型MOS管，因为栅极电流IGQ=0，UGSQ=VGG=2V<UGS(th)，所以VT1工作在截止区。

图(b)所示电路：VT2是P沟道JFET，UGSQ=0V，假设VT2工作于恒流区，则

IDQ IDSS(1

UGSQUGS(off)

)2 IDSS 5mA

UDSQ=VDD IDQRD= 10 （ 5） 3.3=6.5V>0V

因为﹣VDD=﹣10V，VSQ=0V，所以UDSQ不可能大于零，说明VT2实际的 IDQ 应小于 IDSS ，VT2不可能工作于恒流区，而是工作于可变电阻区。

图(c)所示电路：VT3是P沟道耗尽型MOS管，UGSQ=0V，假设VT3工作于恒流区，则

IDQ IDSS(1

UGSQUGS(off)

)2 IDSS 2mA

UDSQ=VDD﹣IDQRD=﹣10﹣（﹣2） 3.3=﹣3.4V 因为 UGSQ UGS(off)=0 2= 2V

对P沟道MOS管，满足工作于恒流区的条件：UDSQ UGSQ UGS(off)，假设正确，所以VT3

工作于恒流区。

3.2 在图P3.2所示电路中，已知RD=16k ，RG=1M ，RS=4k ，VDD=20V，场效应管的IDSS=2mA，UGS(off)=－4V，计算IDQ和UDSQ的值。

解：VT是N沟道JFET，由图可知 UGSQ=－IDQRS 又因为 IDQ IDSS(1 代入数据得方程组：

UGSQUGS(off)

)2

UGSQ 4IDQ

UGSQ2

IDQ 2(1 ) 4

IDQ1 0.5mA

解之得：

U 2V GSQ1

IDQ2 2mA

U 8V GSQ1

后一组解不合实际，应予舍去。故

UDSQ=VDD－IDQ（RD+RS）=20－0.5 （16+4）=10V

IDQ 0.5mA

得

U 10V DSQ

3.3 已知结型场效应管具有下列参数：IDSS=2mA，UGS(off)= 6V，U(BR)= 20V，PDM=100mW。

1. 试大致画出其转移特性曲线和输出特性曲线，并确定安全工作区和三个工作区。 2. 若管压降uDS=0.5V时，要求压控电阻为2.5k ，由转移特性估算其栅源电压uGS。 解：由题可知该场效应管是N沟道结型场效应管。 1. 根据ID IDSS(1

UGS2

)

UGS(off)

在恒流区内取不同的UGS值计算相应的ID，结果列于表解3.3(a)。

表解3-4(a)

(2) 根据可变电阻区和饱和区的分界线方程UGD=UGS－UDS=UGS(off)，及UDS=UGS－UGS(off)，取不同的UGS计算相应的UDS，即可得出可变电阻区和饱和区的分界点，如表解3.3 (b)。

表解3-4(b)

(3) 根据U(BR)DS=UGS－U(BR)计算击穿区和饱和区的分界点，如表解3.3(c)。

表解3-4(c)

(4) 由PDM=UDSID，得UDS=PDM/ID，求出安全工作区的分界点，如表解3.3 (d)。

表解3-4(d)

由上述计算结果可知，在保持饱和区的电流ID时，其安全电压已远远大于漏源击穿电压U(BR)DS。因此，应按U(BR)DS作为安全工作区的分界线。

根据以上计算结果，可分别画出输出特性曲线和转移特性曲线，如图解P3.3所示。 2．当UDS=0.5V时，要求压控电阻为2.5k ，则此时的漏极电流

ID

将ID、IDSS和UGS(off)代入转移特性方程

0.5

0.2mA 2.5

ID IDSS(1

UGS2

)

UGS(off)

即 0.2 2 (1

UGS2

) 6

解之得：UGS1=－3V；UGS2=－9V。因为－9V<UGS(off)=－6V，不合理，舍取，所以 UGS=－3V。

-6-5-4-3-2

-1

05

10

15

20

DS/V

图解P3.3

3.4 判断图P3.4所示各电路中，哪些场效应管有可能工作在恒流区。

图P3.4

解：(a)可能 (b)不可能 (c)可能 (d)可能

3.5 图P3.5(a)所示电路中，已知RD=18k ，RG=10M ，RS=2k ，VDD=20V，RL=18k ，场效应管的输出特性如图P3.5(b)所示。 1．利用图解法求解Q点；

2．计算电路的电压放大倍数Au，输入电阻Ri和输出电阻Ro。

.

(a) (b)

图P3.5

解：1．(1)根据输出回路方程uDS=VDD－iD(RD+RS)在输出特性上作直流负载线AB，如图解P3.5(b)所示。

(2)作负载转移特性 根据直流负载线AB与各条输出特性的交点，读出各交点相应的iD和uGS值，建立iD＝f（uGS）坐标系，描点，连线，即可得到转移特性曲线，如图解P3.5 (a)所示。

(3)根据输入回路方程uGS=－iDRS做源极负载线OL，源极负载线OL与负载转移特性的交点就是静态工作点Q，如图解P3.5 (a)所示。得静态值IDQ≈0.37mA，UGSQ≈－0.75V。

(4)根据得出的IDQ，在转移特性和输出特性曲线定出Q点，得UDSQ≈12.5V。 则静态工作点Q：IDQ≈0.37mA，UGSQ≈－0.75V，UDSQ≈12.5V。 2．由转移特性可知，场效应管的IDSS=0.75mA，UGS(off)=－1.5V。 故 gm

2UGS(off)

IDSSIDQ 0.7mS

电路的微变等效电路如图解P3.5 (c)所示，根据此电路可得

.

电路的电压放大倍数Au

UoUi

.

.

gmUgsRL//RD

Ugs

.

.

gmRL//RD 6.3

输入电阻 Ri=RG=10M 输出电阻 Ro=RD=18 k

-1.5

-1GSQ-0.5

0.5GS5

10DSQ15

20

25

(a) 负载转移特性 (b) 输出特性

(c) 微变等效电路

图解P3.5

3.6 电路如图P3.6所示，已知RD=3k ，RG=1M ，RS=1k ，RL=18k ，VDD=30V，IDSS=7mA，UGS(off)=－8V。试求 1．电路的静态工作点。

2．低频跨导gm。 3．画出其微变等效电路。

4．电压放大倍数Au，输入电阻Ri和输出电阻Ro。 解：1．根据电路和转移特性方程可列下列方程组

.

UGSQ IDQRS

I I(1 UGS)2

DSS

DQUGS(off)

代入数据解舍去不合理数据，可得静态工作点 IDQ=2.9mA，UGSQ=－2.9V，UDSQ=18.4V 2．低频跨导 gm

2UGS(off)

IDSSIDQ 1.13

3．电路的微变等效电路如图解P3.6所示。

图P3.6 图解P3.6

.

4．电路的电压放大倍数Au

UoUi

.

.

gmUgsRL//RD

Ugs

.

.

gmRL//RD 2.9

输入电阻 Ri=RG=1M 输出电阻 Ro=RD=3k

3.7 在图P3.7所示的场效应管放大电路中，已知RD=10k ，RG=2M ，RG1=300k ，RG2=100k ，RS1=2k ，RS2=10k ，RL=10k ，－VDD=－20V，gm=1mS。画出其微变等效电路，并估算电压放大倍数Au和输入电阻Ri。

.

图P3.7 图解P3.7

解：放大电路的微变等效电路如图解P3.7所示。 根据电路可知

.

电压放大倍数Au

UoUi

.

.

gmUgsRL//RDUgs gmUgsRS1

.

.

.

gmRL//RD

1.7

1 gmRS1

输入电阻 Ri=RG+RG1//RG2=2.075M

3.8 放大电路如图P3.8所示。已知RD=18k ，RG=1M ，RS2=2k ，RL=18k ，VDD=24V，gm=2mS，IDSS=1mA，UGS(off)=－5V，静态时VDQ=9V。

1．求电阻RS1。

2．求放大电路的电压放大倍数Au和输入电阻Ri。

.

图P3.8 图解P3.8

解：1．由VDQ=9V=VDD－IDQRD=24V－IDQ 18 k 解得

IDQ=0.83mA

而 UGSQ= －IDQRS1=－0.83IDQ

代入方程IDQ IDSS(1

'

UGSQUGS(off)

''

)2

解之得RS1 0.54k ，RS1 11.5k

''

当RS1 11.5k 时，UGSQ=－IDQRS1=－0.83 11.5=－9.55V<UGS(off)，不合理，舍去。所以

'

RS1 RS1 0.54kΩ

2．电路的微变等效电路如图解P3.8所示。在这里电阻RS2起自举作用，Ui IiRG，计算中可忽略Ii在RS2上的电压降，所以根据电路可知

.

电压放大倍数Au

UoUi

.

.

gmUgsRL//RD

Ugs gmUgs（RS1 RS2)

.

.

.

gmRL//RD

3

1 gm(RS1 RS2)

根据微变等效电路图，可列出方程组

...

.

Ui IiRG (gmUgs Ii)RS2

..

Ugs Ui gmUgs(RS1 RS2)

..

解之得输入电阻 Ri

UiIi

RG RS2

2.93MΩ

gmRS2

1

1 gm(RS1 RS2)

3.9 图P3.9所示为共漏放大电路，已知RG=2M ，RG1=300k ，RG2=100k ， RS=12k ，RL=12k ，VDD=20V，gm=1mS。

1．画出其微变等效电路。

2．估算电压放大倍数Au，输入电阻Ri和输出电阻Ro。

.

图P3.9 图解P3.9(a)

解：1．电路的微变等效电路如图解P3.9(a)所示。 2．由微变等效电路可知

.

电压放大倍数Au

UoUi

.

.

gmUgsRL//RSUgs gmUgsRL//RS

.

.

.

gmRL//RS

0.857

1 gmRL//RS

输入电阻 Ri=RG+RG1//RG2=2.075M 求输出电阻的等效电路如图解P3.9(b)所示。

图解P3.9(b)

输出电阻 Ro

UoIo

.

.

11

=0.92k RS//

1/RS gmgm

3.10 电路如图P3.10所示。已知RG=1M ，VDD=30V，－VSS=－18V，VT1的IDSS=12.5mA，UGS(off)=－6V，VT2的IDSS=8mA，UGS(off)=－4V，电路中VT1的ID1Q=2mA，UDS1Q=10V。试求RS和RD的数值。

图P3.10

解：设VT1、VT2的IDSS、UGS(off)分别为IDSS1、UGS(off)1和IDSS2、UGS(off)2。 根据电路，可知ID1Q=ID2Q=2mA 对于VT2，

UGS2Q2

I I(1 ) D2QDSS2

UGS(off)

UGS2Q ID2QRS

代入已知数据，解之得RS 1kΩ，RS 3kΩ

代入UGS2Q=－ID2QRS，得 当RS 1kΩ时，UGS2Q=－2V，

当RS 3kΩ时，UGS2Q=－6V<UGS(off)1，管子将截止，不合题意，舍去。 故 RS应该是1k 。 对于VT1，ID1Q IDSS1(1

'

''

'

'

''

UGS1QUGS（off)1

)2

''

3.6V，UGS1Q 8.4V UGS(off)1，不合题意，舍去。代入已知数据，解之得 UGS1Q

故 UGS1Q=－3.6V。 因为 UG1Q=0

US1Q=－UGS1Q=3.6V UDS1Q=VDD－ID1QRD－US1Q

代入已知数据，得RD=8.2k 。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/m0vq.html