一、引言从双极型晶体管到场效应管为什么还需要一种新器件在模拟电子技术基础的学习中双极型晶体管Bipolar Junction Transistor简称 BJT通常是接触到的第一种放大器件。BJT 依靠电子和空穴两种载流子共同参与导电因此被称为“双极型”器件。它的优势十分明显放大能力强、频率特性好、工艺成熟、成本较低长期以来在模拟电路中占据着重要地位。然而随着应用场景的不断拓展和对电路性能要求的逐步提高BJT 在某些方面的固有不足也逐渐显现出来。BJT 的第一个明显不足是输入电阻较低。在正常放大状态下发射结处于正向偏置基极与发射极之间的动态电阻不高导致信号源的负载较重。对于高内阻信号源例如某些传感器、压电器件或生物电信号源BJT 放大电路的输入级难以直接匹配信号衰减严重。第二个不足是温度稳定性相对较差。BJT 依赖于少子扩散和复合而少数载流子的浓度对温度非常敏感温度升高会导致集电极电流显著增大进而可能引起工作点漂移甚至热失控。第三个不足是噪声相对较大。在 BJT 的基区中载流子的随机复合和扩散会产生较大的低频噪声限制了它在微弱信号检测等场合的应用。为了克服这些不足人们发展出了另一类重要的半导体器件——场效应管Field Effect Transistor简称 FET。场效应管与 BJT 有着本质区别它利用电场效应控制半导体中多数载流子的运动从而改变导电沟道的宽窄进而控制输出电流。由于正常工作时只有一种载流子参与导电场效应管属于单极型器件。这一本质差异带来了场效应管的一系列优点输入电阻极高、噪声较低、温度稳定性好、功耗低、便于大规模集成等。理解场效应管对于后续学习集成运算放大器、CMOS 数字电路、开关电源、功率放大电路乃至超大规模集成电路都具有重要意义。现代集成电路中绝大多数晶体管实际上是 MOSFET 而非 BJT。CMOS 工艺几乎统治了数字芯片领域模拟芯片中也大量使用 MOSFET 作为输入级、恒流源和有源负载。因此扎实掌握场效应管的原理、特性曲线、参数、偏置方法和放大电路分析方法是模电学习中不可替代的一环。本文力求系统、完整地讲解场效应管首先从基本概念和分类入手然后分别深入分析结型场效应管和绝缘栅型场效应管的结构、工作原理与特性曲线接着梳理主要参数再与 BJT 进行对比随后详细介绍场效应管放大电路的直流偏置、小信号模型和三种基本组态最后通过大量典型例题与易错点总结帮助读者巩固理解。建议读者在学习过程中始终抓住一条主线场效应管是电压控制电流源栅源电压控制漏极电流。这一核心思想将贯穿全文始终。二、场效应管的分类与整体认识场效应管按照结构和工作原理的不同可以分为两大类结型场效应管Junction Field Effect Transistor简称 JFET和绝缘栅型场效应管Insulated Gate Field Effect Transistor简称 IGFET。绝缘栅型场效应管中应用最广泛、最重要的当属金属-氧化物-半导体场效应管Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor简称 MOSFET通常简称为 MOS 管。在很多教材中谈到绝缘栅型场效应管时实际上就是在讨论 MOSFET。2.1 结型场效应管JFETJFET 按导电沟道类型分为 N 沟道 JFET 和 P 沟道 JFET。N 沟道 JFET 中导电的多数载流子是电子P 沟道 JFET 中导电的多数载流子是空穴。JFET 的栅极与沟道之间形成一个 PN 结正常工作时该 PN 结反向偏置通过改变反偏电压来改变耗尽层宽度从而控制导电沟道的宽窄。由于 PN 结反偏时漏电流极小JFET 仍然可以获得较高的输入电阻通常可达到兆欧级。2.2 绝缘栅型场效应管MOSFETMOSFET 的栅极与沟道之间隔着一层绝缘的二氧化硅介质栅极与源极、漏极之间几乎没有直流电流因此输入电阻极高可以达到 10 的 9 次方到 10 的 15 次方欧姆数量级。这是 MOSFET 最突出的优点之一。MOSFET 又分为增强型和耗尽型两类每一类都有 N 沟道和 P 沟道两种。增强型 MOSFETE-MOSFET在没有栅源电压时源漏之间不存在导电沟道只有当栅源电压达到并超过开启电压后才会感应出导电沟道。N 沟道增强型 MOSFET 需要正的栅源电压才能导通。耗尽型 MOSFETD-MOSFET在制造时就已经存在原始导电沟道。即使栅源电压为零源漏之间也能导电通过栅源电压可以增强或耗尽沟道从而控制电流。综合来看场效应管的完整分类可以概括为下表大类小类沟道类型典型符号特点结型场效应管 JFET结型场效应管N 沟道 JFET箭头指向沟道P 沟道 JFET箭头背离沟道绝缘栅型 MOSFET增强型N 沟道增强型 MOSFET沟道线为三段虚线P 沟道增强型 MOSFET沟道线为三段虚线耗尽型N 沟道耗尽型 MOSFET沟道线为连续实线P 沟道耗尽型 MOSFET沟道线为连续实线需要特别说明的是在电路符号中增强型与耗尽型的直观区别通常表现为增强型 MOSFET 的沟道用断续线表示“原本没有沟道”而耗尽型 MOSFET 的沟道用连续线表示“原本存在沟道”。箭头方向则表示沟道类型N 沟道箭头通常指向沟道P 沟道箭头通常背离沟道。不同教材和标准在符号细节上可能略有差异学习时应以所用教材为准但抓住“增强型断续、耗尽型连续、N 沟道箭头朝内、P 沟道箭头朝外”的核心规律即可。三、结型场效应管JFET的深入解析3.1 JFET 的结构以 N 沟道 JFET 为例它是在一块 N 型半导体材料的两侧通过扩散工艺形成两个高掺杂的 P 型区。这两个 P 型区连在一起并引出电极称为栅极GGate。N 型半导体的上下两端分别引出两个电极靠近正电源接法的一端称为漏极DDrain另一端称为源极SSource。在 N 型半导体内部两个 P 型区之间的区域就是导电沟道。栅极与沟道之间形成了两个 PN 结分别为栅-源结和栅-漏结。P 沟道 JFET 的结构与之对称在一块 P 型半导体材料两侧做出高掺杂的 N 型区作为栅极沟道是 P 型材料中两个 N 型区之间的部分。导电的多数载流子是空穴。JFET 有三个电极栅极 G、漏极 D、源极 S。在实际电路中源极常作为公共参考端尤其在共源放大电路中源极接地或接公共端。这里提醒注意与 BJT 的基极、集电极、发射极相比场效应管的三个电极是栅极、漏极、源极分别对应控制端、输出高电位端、输出低电位端。3.2 JFET 的工作原理以 N 沟道为例N 沟道 JFET 正常工作时需要满足两个基本条件栅源结反偏对于 N 沟道 JFET栅极接 P 型区沟道接 N 型区因此正常工作时要求栅源电压 UGS 小于或等于零即 UGS ≤ 0使栅源之间的 PN 结反偏。这样可以保证栅极电流近似为零输入电阻很高。漏源之间加正电压漏极接高电位源极接低电位即 UDS 大于 0这样才能使沟道中的电子从源极流向漏极形成漏极电流 ID。下面结合输出特性曲线分析 JFET 的工作过程。为了清晰说明问题先固定 UGS 0然后从零开始逐渐增大 UDS。第一阶段UDS 很小沟道尚未明显变化。当 UDS 从 0 开始增大但数值很小时沟道内存在从漏极到源极的电位梯度离漏极越近电位越高。由于栅极电位固定为 0栅极与沟道各点之间的反向电压从源端到漏端逐渐增大导致耗尽层从源端到漏端逐渐加宽。此时沟道仍然畅通ID 随 UDS 的增大而近似线性增大漏源之间表现为一个线性电阻。这个区域称为可变电阻区也叫欧姆区或非饱和区。在此区域内栅源电压越负沟道越窄等效电阻越大所以说它是“可变电阻”。第二阶段出现预夹断。随着 UDS 继续增大漏端附近的耗尽层不断加宽当漏端耗尽层几乎“碰”到一起时称沟道在漏端发生预夹断。此时对应的漏源电压称为预夹断电压。在 UGS 0 的情况下预夹断电压的绝对值就是夹断电压的绝对值。第三阶段恒流区放大区、饱和区。发生预夹断后如果继续增大 UDS夹断点会略向源端移动但多余的电压几乎全部降落在漏端附近较长的耗尽区上沟道内的电流基本不再随 UDS 增大而明显增大ID 趋于饱和。这个区域称为恒流区也常称为放大区或饱和区。场效应管用作放大器件时就工作在这个区域。在恒流区ID 主要受 UGS 控制几乎不受 UDS 影响。第四阶段击穿区。如果 UDS 过大漏端附近的 PN 结会发生雪崩击穿ID 急剧增大可能损坏管子。因此实际使用中必须限制 UDS使其不超过击穿电压。3.3 JFET 的转移特性JFET 是电压控制器件其输入控制量是栅源电压 UGS输出被控量是漏极电流 ID。在恒流区放大区内当 UDS 固定为某个合适值时ID 与 UGS 的关系曲线称为转移特性曲线。对 N 沟道 JFET转移特性曲线大致位于纵轴左侧当 UGS 0 时漏极电流最大称为饱和漏极电流 IDSS当 UGS 逐渐变负时沟道逐渐变窄ID 逐渐减小当 UGS 负到某个数值时整个沟道被耗尽层夹断ID 近似为零这个电压称为夹断电压 UGS(off)。在恒流区内N 沟道 JFET 的转移特性可以近似用平方律关系表示ID IDSS(1 − UGS/UGS(off))2式中UGS(off) 对 N 沟道 JFET 为负值UGS 的取值范围为 UGS(off) ≤ UGS ≤ 0。该式是分析 JFET 放大电路时常用的近似公式做题时尤其经常用到。对 P 沟道 JFET极性恰好相反UGS ≥ 0夹断电压 UGS(off) 为正值IDSS 为负值转移特性曲线位于纵轴右侧。3.4 JFET 的输出特性曲线JFET 的输出特性曲线是以 UGS 为参变量描述 ID 与 UDS 之间关系的一族曲线。N 沟道 JFET 的输出特性曲线可以分为四个区域可变电阻区UDS 较小ID 随 UDS 近似线性增大。UGS 越负曲线斜率越小等效电阻越大。恒流区放大区UDS 较大且未击穿ID 基本不随 UDS 变化只由 UGS 决定。放大电路应工作在该区。夹断区UGS ≤ UGS(off) 时沟道完全夹断ID 近似为零。此时场效应管截止。击穿区UDS 超过击穿电压后ID 急剧上升。这里有一个容易混淆的概念需要注意JFET 的“夹断电压”是指栅源之间的电压 UGS(off)它使沟道在 UDS 较小时就完全夹断而“预夹断”是指在某一固定 UGS 下随着 UDS 增大漏端首先出现的沟道夹断现象。预夹断是进入恒流区的标志而夹断电压则是管子完全截止时的栅源电压。两者不能混为一谈。3.5 JFET 的伏安特性小结为了便于记忆可以把 N 沟道 JFET 的关键规律总结如下正常放大条件UGS ≤ 0UDS 大于 0。UGS 0 时ID IDSS为最大饱和电流。UGS 越负沟道越窄ID 越小。UGS UGS(off)负值时沟道夹断ID 近似为零。转移特性近似为平方律ID IDSS(1 − UGS/UGS(off))2。四、绝缘栅型场效应管 MOSFET 的深入解析MOSFET 是当前应用最广泛的场效应管也是集成电路中的主力器件。与 JFET 相比MOSFET 最大的特点是栅极与沟道之间由绝缘层隔离输入电阻极高。下面分别讨论增强型和耗尽型 MOSFET。4.1 N 沟道增强型 MOSFET 的结构N 沟道增强型 MOSFET 通常以一块低掺杂的 P 型硅片作为衬底在衬底上通过扩散或离子注入形成两个高掺杂的 N 型区分别作为源极和漏极。在衬底表面、源漏两个 N 区之间生长一层很薄的二氧化硅绝缘层再在绝缘层上蒸镀金属铝或沉积多晶硅作为栅极。这样栅极、绝缘层和衬底形成了一个平板电容器结构所以这种器件被称为金属—氧化物—半导体场效应管。衬底通常与源极在内部连接在一起或者单独引出。在电路符号中N 沟道增强型 MOSFET 的三个电极分别是栅极 G、漏极 D、源极 S沟道部分用三段虚线表示强调“栅源电压为零时不存在原始导电沟道”。这一符号细节在识别增强型器件时非常实用。4.2 N 沟道增强型 MOSFET 的工作原理当 UGS 0 时源区和漏区是两个孤立的 N 型区中间隔着 P 型衬底源漏之间相当于两个背靠背的 PN 结。无论 UDS 极性如何总有一个 PN 结反偏因此不可能形成连续的导电沟道ID 0。当栅源之间加上正电压 UGS 大于 0 时栅极下方的电场会排斥 P 型衬底中的多数载流子空穴同时吸引少数载流子电子。随着 UGS 增大栅极下方半导体表面的空穴越来越少并逐渐积累电子表面由 P 型变成 N 型这个过程称为反型。当表面电子浓度足够大能够把源区和漏区连通起来时就形成了导电沟道。此时对应的栅源电压称为开启电压 UGS(th)有的教材记作 UT 或 UGS(TO)。当 UGS 大于 UGS(th) 后继续增大 UGS反型层中的电子增多沟道变厚导电能力增强。若在漏源之间加上正电压 UDS电子就会从源极经沟道流向漏极形成漏极电流 ID。与 JFET 类似增强型 MOSFET 的输出特性曲线也有可变电阻区、恒流区和击穿区。当 UDS 较小时沟道呈现线性电阻特性当 UDS 增大到使漏端沟道夹断时ID 趋于饱和进入恒流区。此时 ID 近似只由 UGS 控制。在恒流区N 沟道增强型 MOSFET 的转移特性可近似表示为ID K(UGS − UGS(th))2也可以写成 ID IDO(UGS/UGS(th) − 1)2其中 IDO 是 UGS 2UGS(th) 时的漏极电流K 为与器件结构有关的常数。这个公式与 JFET 的平方律公式在形式上有相似之处但注意增强型 MOSFET 没有 IDSS 这个概念因为 UGS 0 时它不导通。4.3 P 沟道增强型 MOSFETP 沟道增强型 MOSFET 的结构与 N 沟道完全对称衬底是 N 型源、漏是 P 型区导电载流子为空穴。正常工作时UGS 为负值且其绝对值要超过开启电压的绝对值才能形成沟道UDS 也为负值。P 沟道增强型 MOSFET 的开启电压为负值漏极电流方向与 N 沟道相反。4.4 耗尽型 MOSFET耗尽型 MOSFET 与增强型最大的不同在于在制造过程中已经在绝缘层中掺入一定数量的正离子对 N 沟道耗尽型而言使得即使 UGS 0栅极下方也已经感应出 N 型反型层源漏之间存在原始导电沟道。因此N 沟道耗尽型 MOSFET 在 UGS 0 时就有漏极电流 IDSS 流过。当 UGS 大于 0 时栅极正电压吸引更多电子沟道加宽ID 增大这称为增强作用当 UGS 小于 0 时栅极负电压排斥电子沟道变窄ID 减小这称为耗尽作用。当 UGS 负到一定值时沟道被耗尽而夹断ID 近似为零这个电压也称为夹断电压 UGS(off)。可见耗尽型 MOSFET 既可以在正栅压区工作也可以在负栅压区工作使用更灵活。其转移特性曲线与 JFET 类似在 UGS 0 附近两侧均有意义因此可以用于零偏置工作。4.5 四种 MOSFET 的比较类型沟道UGS 0 时有无沟道开启或夹断电压正常放大时 UGS 的极性增强型 NMOSN无开启电压为正UGS 大于 0增强型 PMOSP无开启电压为负UGS 小于 0耗尽型 NMOSN有夹断电压为负可为正、零或负耗尽型 PMOSP有夹断电压为正可为正、零或负记忆技巧增强型“原本没有沟道”需要电压“开启”耗尽型“原本有沟道”需要电压“耗尽”到夹断。N 沟道与 P 沟道的所有电压极性都相反。做判断正误的题目时抓住 UGS 0 时是否有电流这一关键点往往能快速确定器件类型。五、场效应管的主要参数掌握场效应管的参数是正确选择器件和设计电路的基础。场效应管的主要参数可以分为直流参数、交流参数和极限参数三类。5.1 直流参数开启电压 UGS(th)适用于增强型 MOSFET。指在 UDS 为某一规定值时开始出现漏极电流所对应的栅源电压。N 沟道增强型为正P 沟道增强型为负。夹断电压 UGS(off)适用于 JFET 和耗尽型 MOSFET。指在 UDS 为某一规定值时漏极电流减小到某一微小值所对应的栅源电压。N 沟道器件夹断电压为负P 沟道器件为正。饱和漏极电流 IDSS指栅源电压 UGS 0 时管子工作在恒流区的漏极电流。对增强型 MOSFET 而言由于 UGS 0 时没有沟道因此不定义 IDSS。直流输入电阻 RGS栅源之间的直流电阻。JFET 的输入电阻通常在 10 的 7 次方到 10 的 9 次方欧姆量级MOSFET 的输入电阻更高可达 10 的 9 次方到 10 的 15 次方欧姆。5.2 交流参数低频跨导 gm在场效应管工作在恒流区、UDS 保持不变的条件下漏极电流的变化量与栅源电压变化量之比即 gm ΔID/ΔUGS。跨导反映了栅源电压对漏极电流的控制能力是场效应管放大能力的重要指标单位是西门子或毫西门子。跨导的值与静态工作点有关ID 越大通常 gm 也越大。极间电容包括栅源电容 Cgs、栅漏电容 Cgd、漏源电容 Cds。这些电容影响器件的高频特性与开关速度在高频电路分析中不可忽略。低频噪声系数描述器件自身产生的噪声大小。场效应管的噪声一般比 BJT 低因此常用于低噪声放大器的输入级。5.3 极限参数最大漏极电流 IDM允许通过的最大漏极电流。最大耗散功率 PDM管子允许的最大功耗等于漏源电压与漏极电流的乘积。实际工作时不得超过此值否则会因过热损坏。漏源击穿电压 U(BR)DS漏源之间允许的最大电压超过后会出现击穿。有时也规定栅源击穿电压 U(BR)GS因为 MOSFET 的栅极绝缘层很薄栅源电压过高会击穿氧化层造成永久损坏。在使用 MOSFET 时还要特别注意防静电。由于栅极输入阻抗极高绝缘层很薄人体或工具上的静电可能产生很高的栅源电压将氧化层击穿。因此操作 MOSFET 时应采取静电防护措施避免栅极悬空。这是工程实际中一个非常重要也容易被忽视的问题。六、场效应管与双极型晶体管的比较场效应管与 BJT 都是重要的半导体器件都能用于放大和开关但在原理、特性和应用上有显著差别。了解两者的异同有助于根据实际需求选择合适的器件。6.1 根本区别控制方式BJT 是电流控制器件其输出集电极电流 IC 受输入基极电流 IB 控制输入回路发射结正向偏置输入电阻较低。场效应管是电压控制器件其输出漏极电流 ID 受输入栅源电压 UGS 控制输入回路栅极与沟道近似开路或反偏输入电阻很高。这一根本区别决定了两者在输入特性、噪声、功耗等方面的诸多差异。6.2 主要性能对比比较项目双极型晶体管 BJT场效应管 FET导电机构多数载流子与少数载流子同时参与属双极型仅多数载流子参与属单极型控制方式电流控制IB 控制 IC电压控制UGS 控制 ID输入电阻较低发射结正偏很高PN 结反偏或绝缘层隔离噪声相对较大相对较小适合低噪声前级温度稳定性受温度影响较大热稳定性好不易产生热击穿跨导大放大能力强相对较小抗辐射能力较差较强静态功耗适中CMOS 静态功耗极低适合大规模集成制造工艺工艺成熟工艺简单占用芯片面积小便于集成6.3 应用场景差异BJT 在需要大电流驱动、高速开关和低成本放大等场合仍有广泛应用但由于其输入电阻低、噪声较大在需要高输入阻抗、低噪声、低功耗的场合往往优先选择场效应管。例如数字集成电路几乎全部采用 CMOS 技术运算放大器的输入级常采用 JFET 或 MOSFET 以获得极高的输入电阻和极低的输入偏置电流开关电源中的功率管也大量使用功率 MOSFET。值得强调的是场效应管并非在所有方面都优于 BJT。场效应管的跨导通常小于 BJT单位电流的放大能力可能较弱在高频高速应用中有时 BJT 或专门的异质结器件仍然具有优势。实际设计时应综合考虑输入阻抗、噪声、功耗、速度、成本等因素不能简单地说某一种器件绝对优于另一种。七、场效应管放大电路的直流偏置与 BJT 放大电路类似场效应管用于放大时也必须设置合适的静态工作点使管子工作在恒流区放大区并且工作点稳定。常见的偏置电路有自给偏压电路和分压式偏置电路此外还有零偏置电路和恒流源偏置等。7.1 自给偏压电路自给偏压电路适用于 JFET 和耗尽型 MOSFET因为这些器件在 UGS 0 时仍然存在漏极电流可以通过源极电阻产生压降来提供栅源偏置电压。电路构成栅极通过一个大电阻 RG 接地源极接一个电阻 RS漏极接负载电阻 RD 后接正电源 UDD。由于栅极几乎不取电流栅极电位 UG 近似为 0。漏极电流 ID 流过源极电阻 RS 时在 RS 上产生压降源极电位 US IDRS。因此栅源电压为UGS UG − US ≈ 0 − IDRS −IDRS可见栅源电压是由漏极电流自己产生的所以称为自给偏压。对于 N 沟道 JFET 或耗尽型 NMOS正常工作需要负的 UGS上式恰好提供了负偏压。静态工作点由以下方程组确定在恒流区ID 与 UGS 满足转移特性方程同时 UGS −IDRS 给出了输出回路的约束。联立求解即可得到静态工作点 IDQ 和 UGSQ。这是一元二次方程的典型求解过程解题时要抓住“转移特性方程”和“输出回路方程”两个关系。自给偏压电路的缺点是由于偏压来源于 ID当 RS 一定时工作点的稳定程度有限同时对增强型 MOSFET因为 UGS 0 时无漏极电流无法自给产生偏压所以增强型 MOSFET 不能使用简单的自给偏压电路。7.2 分压式偏置电路分压式偏置电路适用性更广尤其适合增强型 MOSFET也常用于 JFET 和耗尽型 MOSFET。它通过电阻分压为栅极提供固定的直流电位再配合源极电阻实现稳定偏置。电路构成电源 UDD 经电阻 Rg1 和 Rg2 分压为栅极提供电位 UG UDD·Rg2/(Rg1 Rg2)。源极接电阻 RS漏极经 RD 接电源。由于栅极电流近似为零分压电路的计算可以忽略栅极的影响。栅源电压为 UGS UG − IDRS。对于增强型 NMOS只要适当设计分压电阻使 UG 大于 IDRS 且 UGS 超过开启电压即可建立合适的工作点。分压式偏置电路的优点是栅极电位由外部分压决定不受栅极电流影响工作点更稳定受器件参数分散性的影响更小因此实际电路中使用更普遍。7.3 零偏置电路对于耗尽型 MOSFET由于 UGS 0 时已有漏极电流可以令栅源直接短接UGS 0从而得到最简单的偏置方式称为零偏置电路。此时静态漏极电流即为 IDSS。这种电路结构简单但工作点完全取决于器件自身的 IDSS稳定性较差适用于对性能要求不高的场合。7.4 静态工作点的分析与稳定求场效应管静态工作点的基本思路可以概括为以下几步第一步由栅极回路求出 UG分压式偏置时按分压公式计算自给偏压时 UG 近似为零。第二步写出输出回路方程 UGS UG − IDRS 以及漏源电压方程 UDS UDD − ID(RD RS)。第三步联立转移特性方程与上述方程求出静态值 IDQ、UGSQ、UDSQ。这一步通常需要解二次方程要注意舍去不符合物理意义的解。第四步校验工作点是否落在恒流区即 UDSQ 是否满足恒流区条件。对于 N 沟道器件通常要求 UDSQ 大于 UGSQ − UGS(off) 或相应条件。源极电阻 RS 具有直流负反馈作用能够稳定工作点。例如当温度变化导致 ID 增大时RS 上的压降增大使 UGS 变负反过来抑制 ID 的增大从而稳定工作点。这种负反馈机制与 BJT 射极电阻的稳定作用类似。八、场效应管的小信号模型当输入信号较小、场效应管工作在恒流区且静态工作点确定后可以把场效应管近似看作一个线性器件用小信号等效电路进行分析。小信号模型是分析放大电路交流性能的核心工具。8.1 小信号模型的基本思路场效应管本质上是电压控制电流源栅源电压 UGS 控制漏极电流 ID。在小信号条件下输出回路可以等效为一个受控电流源其电流大小为 gmugs其中 ugs 是栅源电压的交流分量gm 是低频跨导。输入回路由于输入电阻极高通常可以视为开路但在高频分析中还需考虑极间电容的影响。对于 JFET栅源和栅漏之间是反偏 PN 结其等效电阻很大低频时可忽略。对于 MOSFET栅极完全绝缘低频输入电阻更高。因此在低频小信号模型中输入回路通常直接开路处理。这大大简化了分析过程。8.2 低频小信号模型场效应管低频小信号等效电路要点如下输入端口栅极 G 与源极 S 之间近似开路输入电阻视为无穷大。输出端口漏极 D 与源极 S 之间为一个受控电流源 gmugs电流方向由漏极流向源极对 N 沟道器件。理想情况下不考虑输出电阻若考虑沟道长度调制效应可在输出端并联一个输出电阻 rds其值一般为几十千欧到几百千欧。粗略估算时常忽略 rds。使用小信号模型时将电路中的直流电源置零独立电压源短路独立电流源开路电容对交流信号视为短路在信号频率足够高、容抗可忽略时。然后根据模型求解放大倍数、输入电阻和输出电阻。8.3 跨导的求法跨导 gm 是场效应管小信号模型中最关键的参数其大小与静态工作点有关。对 JFET 或耗尽型 MOSFET由平方律转移特性可以求导得到gm dID/dUGS −2IDSS(1 − UGS/UGS(off))/UGS(off)对增强型 MOSFET由平方律关系可得gm dID/dUGS 2K(UGS − UGS(th))从上述表达式可以看出静态漏极电流 IDQ 越大对应的 gm 通常也越大。gm 也可以用 IDQ 表达。例如对 JFET有 gm 与 IDSS、IDQ、UGS(off) 相关的等价表达式不同教材形式略有差异本质上等价。在题目没有给出具体转移特性方程时有时会直接给出静态工作点处的跨导值此时直接使用该 gm 即可。九、共源极放大电路共源极放大电路Common Source Amplifier是场效应管放大电路中应用最广泛的一种基本组态类似于 BJT 的共射极放大电路。它的特点是源极对交流信号而言是输入回路和输出回路的公共端。9.1 电路结构典型的共源极放大电路采用分压式偏置栅极通过 Rg1、Rg2 分压获得直流偏置源极接电阻 RS 并常并联旁路电容 CS漏极经 RD 接电源输出信号从漏极取出。输入信号经耦合电容 C1 加到栅极输出经耦合电容 C2 送到负载 RL。9.2 静态分析直流状态时耦合电容和旁路电容均视为开路。由分压关系求出 UG UDD·Rg2/(Rg1 Rg2)再联立 UGS UG − IDRS 和转移特性方程解出 IDQ、UGSQ最后由 UDSQ UDD − IDQ(RD RS) 求出 UDSQ。9.3 动态分析画出交流通路所有直流电源对交流短路耦合电容和旁路电容对交流短路。栅极输入回路中Rg1 与 Rg2 均一端接输入、另一端接地最终构成并联关系其并联电阻构成输入电阻的一部分。源极因旁路电容 CS 对交流短路所以源极交流接地成为公共端。根据场效应管小信号模型可得电压放大倍数 AuAu uo/ui −gm(RD ∥ RL)。其中符号“∥”表示并联。负号表示共源电路输出电压与输入电压反相。输入电阻 RiRi Rg1 ∥ Rg2。忽略栅极本身的开路输入时实际输入电阻主要由分压电阻决定。输出电阻 Ro令输入信号为零负载开路从输出端看进去受控电流源 gmugs 为零所以输出电阻约为 Ro RD。若考虑 rds则 Ro RD ∥ rds。共源极放大电路的主要特点电压放大倍数较大输出电压与输入电压反相输入电阻由偏置电阻决定输出电阻约为 RD。共源电路兼有电压放大和电流放大能力是应用最广的放大组态。十、共漏极放大电路源极跟随器共漏极放大电路Common Drain Amplifier又称源极跟随器Source Follower类似于 BJT 的射极输出器。其特点是漏极对交流信号接地成为输入输出回路的公共端输出信号从源极取出。10.1 电路结构共漏电路的典型结构是栅极输入信号漏极直接接电源 UDD对交流信号而言UDD 是交流地源极接电阻 RS 到地输出信号从源极电阻上取出。由于漏极对交流是公共端所以称为共漏组态。10.2 动态分析交流通路中漏极接地输入信号加在栅极与地之间输出信号取自源极与地之间。根据小信号模型可得ugs ui − uo其中 uo gmugs(RS ∥ RL)。整理可得电压放大倍数Au uo/ui gm(RS ∥ RL) / [1 gm(RS ∥ RL)]该值小于 1 但接近于 1。当 gm(RS ∥ RL) 远大于 1 时Au 约等于 1。输出电压与输入电压同相因此源极跟随器具有电压跟随作用。输入电阻由栅极对地的接法决定若栅极采用分压偏置则 Ri Rg1 ∥ Rg2若采用栅极直接接 RG 到地的自给偏压形式则 Ri RG。由于场效应管本身输入电阻极高源极跟随器可以获得很高的输入电阻。输出电阻令输入信号为零、负载开路从输出端看进去得到 Ro 1/gm ∥ RS。当 RS 较大时Ro 约等于 1/gm。由于场效应管跨导通常不大源极跟随器的输出电阻一般在几百欧到几千欧量级比射极输出器的输出电阻略大。10.3 共漏电路的特点与应用共漏极放大电路的主要特点是电压放大倍数略小于 1 且接近 1输出与输入同相输入电阻高输出电阻低。它常被用作多级放大器的输入级以提高输入电阻用作输出级以降低输出电阻、提高带负载能力或用作缓冲级以隔离前后级、进行阻抗变换。十一、共栅极放大电路共栅极放大电路Common Gate Amplifier中栅极对交流信号是输入输出回路的公共端。输入信号加在源极与栅极之间输出信号从漏极与栅极之间取出与 BJT 的共基极电路类似。11.1 电路结构共栅极电路的特点是栅极通过电容对交流接地输入信号从源极送入漏极经 RD 接电源并作为输出端。直流偏置仍需保证场效应管工作在恒流区。11.2 动态分析交流通路中栅极接地输入信号加在源极与地之间因此 ugs −ui。输出端电压 uo −gmugs(RD ∥ RL) gmui(RD ∥ RL)。因此电压放大倍数为Au uo/ui gm(RD ∥ RL)输出电压与输入电压同相。输入电阻从源极看进去的输入电阻约为 1/gm源极电阻 RS 与其并联可见共栅极电路的输入电阻很低。输出电阻约为 RD若考虑 rds 则并联与共源电路类似输出电阻较高。11.3 共栅电路的特点与应用共栅极放大电路的特点是电压放大倍数大小与共源电路相当、相位相反输出电压与输入电压同相输入电阻低输出电阻高。由于输入电阻低、高频特性较好共栅电路常用于高频放大、宽频带放大以及需要较低输入阻抗的场合。十二、三种基本放大组态的比较与记忆场效应管三种基本放大组态——共源、共漏、共栅与 BJT 的共射、共集、共基三种组态一一对应。掌握它们的性能特点对分析和设计多级放大电路非常重要。组态对应 BJT 组态电压放大倍数输出相位输入电阻输出电阻主要用途共源极共射极大−gm(RD ∥ RL)反相较高较高约 RD电压放大共漏极源极跟随器共集电极射极输出器略小于 1接近 1同相很高较低约 1/gm阻抗变换、缓冲共栅极共基极大gm(RD ∥ RL)同相很低较高约 RD高频、宽频放大记忆口诀可以概括为共源反相放大、共漏同相跟随、共栅同相低阻。其中共源和共栅的电压放大倍数大小相同、相位相反共漏的电压放大倍数接近 1输出电压跟随输入电压。在识别组态时抓住“哪个电极对交流信号接地”这一关键点就能快速判断。十三、场效应管放大电路的分析方法总结分析场效应管放大电路一般遵循“先静态、后动态”的原则具体步骤如下第一步识别组态。根据电路结构判断是共源、共漏还是共栅组态。判断技巧是看哪个电极对交流信号接地共源即源极交流接地共漏即漏极交流接地共栅即栅极交流接地。第二步画直流通路求静态工作点。将电容开路、交流信号源置零保留直流偏置联立方程组求出 IDQ、UGSQ、UDSQ并校验管子工作在恒流区。第三步画交流通路。将直流电源短路、电容短路保留交流信号源与负载得到交流等效电路。第四步用小信号模型替代场效应管。输入回路开路或考虑 rgs输出端为受控电流源 gmugs必要时并联 rds。第五步计算动态指标。分别求电压放大倍数 Au、输入电阻 Ri 和输出电阻 Ro。求输出电阻时令独立信号源为零在输出端外加测试源或按定义用开路电压法、短路电流法。在实际计算中如果题目已给出静态工作点处的跨导 gm则可直接进入动态分析如果只给出器件参数如 IDSS、UGS(off) 或 UGS(th)、K则需要先求静态工作点再计算 gm。掌握这个“静态在前、动态在后”的分析顺序是解场效应管放大电路题目的关键。十四、典型例题详解例 1N 沟道 JFET 静态工作点计算题目某 N 沟道 JFET 构成自给偏压电路已知 IDSS 4 mAUGS(off) −4 VRD 2.5 kΩRS 1 kΩUDD 12 V。求静态工作点 IDQ、UGSQ、UDSQ并判断管子是否工作在恒流区。解自给偏压时 UG 近似为 0输出回路方程 UGS −IDRS −ID单位取 mA 和 kΩ。转移特性方程为 ID IDSS(1 − UGS/UGS(off))2 4(1 − UGS/(−4))2 4(1 UGS/4)2。将 UGS −ID 代入得 ID 4(1 − ID/4)2。解得 ID 约为 1.07 mA另一解超出 IDSS舍去。于是 UGSQ −IDRS 约为 −1.07 V。UDSQ UDD − IDQ(RD RS) 12 − 1.07×(2.5 1) 约为 8.26 V。校验恒流区条件UDSQ 大于 UGSQ − UGS(off) −1.07 − (−4) 2.93 V满足条件故工作点合理管子工作在恒流区。例 2增强型 NMOS 分压式偏置电路题目某 N 沟道增强型 MOSFET开启电压 UGS(th) 2 V参数 K 0.25 mA/V 的平方分压式偏置电路中 Rg1 150 kΩRg2 50 kΩRS 2 kΩRD 3 kΩUDD 10 V。求静态工作点。解栅极电位 UG UDD·Rg2/(Rg1 Rg2) 10×50/(15050) 2.5 V。输出回路方程 UGS UG − IDRS 2.5 − 2ID。转移特性方程 ID K(UGS − UGS(th))2 0.25(UGS − 2)2。联立求解将 UGS 2.5 − 2ID 代入得 ID 0.25(2.5 − 2ID − 2)2 0.25(0.5 − 2ID)2。整理得二次方程解得 ID 约为 0.0835 mA舍去不合理解。于是 UGSQ 2.5 − 2×0.0835 约为 2.333 VUDSQ 10 − 0.0835×(32) 约为 9.58 V。此工作点满足恒流区条件管子工作在恒流区。例 3共源放大电路的动态分析题目某共源极放大电路静态工作点处跨导 gm 2 mSRD 5 kΩRL 5 kΩ栅极偏置电阻 Rg1 200 kΩRg2 50 kΩ。求电压放大倍数、输入电阻和输出电阻。解输出端等效交流负载 RD ∥ RL 5×5/(55) 2.5 kΩ。电压放大倍数 Au −gm(RD ∥ RL) −2×2.5 −5。输入电阻 Ri Rg1 ∥ Rg2 200×50/(20050) 40 kΩ。输出电阻 Ro 约等于 RD 5 kΩ。可见该电路电压放大倍数为 −5反相放大输入电阻 40 kΩ输出电阻 5 kΩ。例 4源极跟随器计算题目某源极跟随器gm 1 mS源极电阻 RS 10 kΩ负载 RL 10 kΩ。求电压放大倍数和输出电阻。解RS ∥ RL 10×10/(1010) 5 kΩ。Au gm(RS ∥ RL)/[1 gm(RS ∥ RL)] 1×5/(11×5) 5/6 约为 0.833。输出电阻 Ro 1/gm ∥ RS 1/1 ∥ 10 约为 0.909 kΩ。可见源极跟随器电压放大倍数略小于 1输出电阻较小具有缓冲作用。十五、场效应管的典型应用15.1 模拟开关利用 MOSFET 在导通和截止状态之间的切换可以构成模拟开关。当栅源电压使管子深度导通时漏源之间的等效电阻很小相当于开关闭合当栅源电压使管子截止时漏源之间近似开路相当于开关断开。CMOS 模拟开关通常由 NMOS 和 PMOS 互补并联构成能够在输入信号全摆幅范围内保持较低的导通电阻广泛用于信号调理、采样保持电路和数据采集系统中。15.2 恒流源场效应管工作在恒流区时漏极电流基本不随漏源电压变化因此可以作为恒流源使用。用一个合适的栅源偏置电压使管子工作于恒流区即可获得近似恒定的电流。在集成电路中恒流源常用作偏置电路为放大级提供稳定的工作电流也常作为有源负载以较小的直流压降获得很大的交流等效电阻提高电压放大倍数。15.3 有源负载在集成放大器中用场效应管构成的恒流源代替普通电阻作为负载称为有源负载。有源负载的交流电阻很大可以在不增加直流压降的情况下大幅提高放大器的电压增益。例如共源放大器用恒流源作为漏极负载时电压放大倍数约为跨导乘以恒流源的交流输出电阻增益可以非常高。15.4 CMOS 数字电路基础CMOSComplementary MOS由增强型 NMOS 和增强型 PMOS 互补构成。在数字逻辑电路中CMOS 反相器是最基本的单元输入为低电平时NMOS 截止、PMOS 导通输出被拉高输入为高电平时NMOS 导通、PMOS 截止输出被拉低。由于理想情况下总有一个管子截止静态电流几乎为零因此 CMOS 电路静态功耗极低非常适合大规模集成电路。现代处理器、存储器、微控制器等芯片基本都基于 CMOS 工艺。15.5 功率放大器与开关电源功率 MOSFET 具有开关速度快、输入阻抗高、驱动功率小、易于并联等优点广泛用于开关电源、电机驱动、D 类音频功放等功率电子领域。在开关电源中功率 MOSFET 工作于高频开关状态配合电感、电容等元件实现高效的电能变换。十六、常见问题与易错点总结16.1 概念辨析夹断与预夹断很多初学者容易混淆“夹断”和“预夹断”。“夹断电压 UGS(off)”是指使整个沟道完全夹断、ID 近似为零的栅源电压是器件的固有参数而“预夹断”是指在某一确定 UGS 下随着 UDS 增大沟道在漏端首先出现的夹断现象预夹断对应的工作状态是进入恒流区的转折点。预夹断后管子仍然导通漏极电流趋于饱和完全夹断后管子才截止。16.2 恒流区、放大区、饱和区的关系对场效应管而言恒流区、放大区、饱和区是同一个区域的不同称呼。这一点与 BJT 不同BJT 的“饱和区”是集电极电流随电压上升而急剧增大的区域是放大应避免的区域而场效应管的“恒流区”才是放大工作区有时被称为“饱和区”。阅读不同教材时务必注意术语差异不要套用 BJT 的概念。16.3 增强型与耗尽型的判断判断增强型还是耗尽型关键看 UGS 0 时是否存在导电沟道存在沟道就是耗尽型不存在沟道就是增强型。对应到转移特性曲线耗尽型曲线在 UGS 0 处有非零电流 IDSS增强型曲线在 UGS 0 处电流为零。对应到符号线段的断续与连续也能帮助记忆。16.4 极性判断N 沟道与 P 沟道器件的所有电压极性和电流方向都相反。N 沟道 JFET 或耗尽型 NMOS 的 UGS 为负P 沟道为正增强型 NMOS 的开启电压为正增强型 PMOS 的开启电压为负。做题时先判断沟道类型再确定电压极性可以有效减少符号错误。16.5 偏置电路选择增强型 MOSFET 不能使用自给偏压电路因为 UGS 0 时没有漏极电流无法在源极电阻上建立所需偏压。增强型 MOSFET 应使用分压式偏置或其他能提供正确极性栅压的电路。JFET 和耗尽型 MOSFET 则可以使用自给偏压、分压式偏置或零偏置。16.6 交流等效中的电容处理在低频小信号分析中耦合电容和旁路电容通常视为对交流短路但前提是电容值足够大、信号频率足够高使容抗远小于相关电阻。如果信号频率很低或电容取值不当需具体判断。直流分析时所有电容均视为开路。十七、总结与学习建议从器件到电路场效应管的学习可以沿着一条主线展开场效应管是电压控制电流源栅源电压 UGS 控制漏极电流 ID。围绕这条主线本文依次完成了 JFET 与 MOSFET 的结构和原理分析、特性曲线与参数梳理、场效应管与 BJT 的对比、放大电路的直流偏置、小信号模型、三种基本组态、典型例题以及工程应用与易错点总结。17.1 核心知识回顾器件分类首先按结构分为 JFET 和 MOSFET再按沟道类型分为 N 沟道和 P 沟道MOSFET 又可分增强型和耗尽型。工作区域可变电阻区用于开关和压控电阻恒流区放大区、饱和区用于放大夹断区对应截止击穿区必须避免。两个关键方程JFET 的转移特性 ID IDSS(1 − UGS/UGS(off))²增强型 MOSFET 的转移特性 ID K(UGS − UGS(th))²。偏置思路先由栅极回路求 UG再结合输出回路方程 UGS UG − IDRS 与转移特性方程联立求静态工作点。交流分析小信号模型将场效应管等效为输入开路、输出受控电流源 gmugs并统一用“先静态、后动态”的步骤求解。三种组态共源反相放大、共漏同相跟随、共栅同相低阻。17.2 常用公式速查项目公式说明JFET 转移特性ID IDSS(1 − UGS/UGS(off))²恒流区近似平方律增强型 MOSFET 转移特性ID K(UGS − UGS(th))²恒流区近似平方律共源电压放大倍数Au −gm(RD ∥ RL)输出电压反相共漏电压放大倍数Au gm(RS ∥ RL) / [1 gm(RS ∥ RL)]略小于 1同相共栅电压放大倍数Au gm(RD ∥ RL)输出电压同相共漏输出电阻Ro 1/gm ∥ RS约 1/gm17.3 学习路径建议先画出典型转移特性和输出特性曲线在图上标出四个工作区形成直观印象。分别理解 JFET 的夹断与预夹断、增强型 MOSFET 的反型与开启电压抓住它们对应的物理图像。把偏置电路归结为“栅极电位 源极电阻 转移特性方程”三件事反复练习静态工作点计算。在交流分析中坚持先画交流通路、再用小信号模型避免直接套公式导致符号错误。做完例题后自己改变器件参数重新计算体会工作点、跨导和放大倍数如何变化。后续学习可以把场效应管的知识迁移到集成运算放大器、CMOS 数字电路、开关电源和功率电子等方向。只要始终抓住“电压控制电流源”这一本质复杂的电路也可以逐步拆解为熟悉的场效应管单元进行分析。