第三周 场效应晶体管及晶体管放大电路基础

场效应晶体管（FET）

1. 特点：FET具有体积小、耗电少、寿命长、内部噪声小、热稳定性好、抗辐射能力强、制造工艺简单以及便于集成等特点。
2. FET的分类：

3. G栅极（类似三极管基极）
4. S源极（类似三极管发射极）
5. D漏极（类似三极管集电极）

1、N沟道结型场效应管

1.1、场效应管结构

1.2、场效应管的工作原理

1）、工作条件

1. 当N沟道JFET工作时，需要在栅极和源极之间加一个负电压(u_gs<0)，使栅极与N沟道间的PN结反偏，栅极电流i_g≈0，JFET呈现出高达109Ω的输入电阻。
2. 在漏极和源极间加一个正电压(u_ds>0)，则使N沟道中的多数载流子(电子)在电场作用下由源极向漏极运动，形成漏极电流i_d 。

2)、u_GS对导电沟道和i_D的控制作用

从左往右，|u_GS|逐渐加大，当导电沟道完全夹断的时候，|u_GS |= u_GS(off)

• 由此可见，改变u_GS的大小可以有效控制导电沟道电阻的大小。但由于u_DS=0 ，故漏极电流i_d=0。

3)、u_DS对导电沟道和i_D的控制作用

1. 在u_DS＝0， u_GS＝0的情况下，沟道最宽但i_D=0电流为零（路面畅通,随时可以开车）
2. 当u_GS固定， u_DS↑沟道变窄成楔形， i_D ↑ ↑（完全不影响发车）
3. u_DS↑， u_DS-u_GS=-U_GS（off），沟道预夹断（道路在这里开始塞车）
4. u_DS↑， u_DS>u_GS－U_GS（off），沟道夹断区延长，i_D不随u_DS的增大而增加（事故塞车了，来再多车，能过的就几部）

1.3、场效应管的特性曲线

1）、输出特性曲线

1. N沟道结型场效应管的输出特性曲线是指当栅源电压u_GS一定时，FET漏极电流i_D与漏源电压u_DS之间的关系曲线，即
   $$i_D=f(u_{DS}){|}_{u_{GS}=常数}$$
   按照输出特性可分为四个区
2. 可变电阻区
   在此区FET可以看作一个受栅源电压u_GS控制的可变电阻，u_GS变化时，导电沟道的宽度也随之变化。 u_GS越负，漏源之间的等效电阻越大，输出特性曲线越倾斜。
3. 放大区（恒流区）
   在此区导电沟道处于夹断状态，漏极电流i_D基本稳定，称为饱和区或恒流区。FET用作放大器时通常都工作在这个区域，故该区域称为放大区 。
4. 击穿区
   当u_DS↑增加到 u_DS> u_(BR)DS后，栅漏间的PN结发生雪崩击穿，漏极电流迅速增大，通常不允许FET工作在击穿区。
5. 截止区
   当u_GS< u_GS(off)时 ，导电沟道完全被夹断。这一点与BJT输出特性曲线的截止区类似。

2）、转移特性曲线

1. 是指在漏源电压u_DS为某一常数时(此处为u_DS=6)，漏极电流i_D与栅源电压u_GS之间的关系曲线，即
   $$i_D=f(u_{GS}){|}_{u_{DS}=常数}$$
   在N沟道JFET输出特性的恒流区（饱和区），转移特性重合，在U_GS(off) ≤u_GS≤0的范围内，i_D随u_GS的增加(负数减小)近似按平方规律上升，即
   $$i_D=I_{DSS}(1-\frac{u_{GS}}{u_{GS(off)}}{)}^2$$

2、N沟道绝缘栅型场效应管（增强型）

2.1、N沟道增强型MOSFET结构

2.2、N沟道增强型MOSFET工作原理

1）、a. u_GS对i_D的控制作用

1. u_GS=0、 u_DS≠0时，无沟道形成，i_D=0
2. u_GS≥U_GS（th）、u_DS=0时，有导电沟道形成，称为反型层，但i_D=0

2）、u_DS对i_D的影响

1. 当u_GS≥U_GS(th)时，在u_GS和u_DS的共同作用下，导电沟道成楔形，i_D↑
2. 当u_DS↑至u_DS= u_GS-U_GS(th)时，导电沟道预夹断，i_D趋向饱和。
3. u_DS↑ ，使u_DS>u_GS-U_GS(th) ，沟道夹断区延长，i_D饱和。

2.2、N沟道增强型MOSFET特性曲线

• 漏极电流的近似表达式为
  $$\begin{gathered} i_D=I_{DO}(\frac{u_{GS}}{u_{GS(th)}}-1{)}^2 \\ {u}_{GS}>u_{GS(th)} \end{gathered}$$
  其中U_GS(th)为N沟道增强型MOSFET的开启电压， I_DO为u_GS=2U_GS(th)时的漏极电流。

3、N沟道绝缘栅型场效应管（耗尽型）

3.1、N沟道耗尽型MOSFET结构

3.2、N沟道耗尽型MOSFET特性曲线

• 漏极电流可近似表示为
  $$\begin{gathered} i_D=I_{DSS}(1-\frac{u_{GS}}{u_{GS(off)}}{)}^2 \\ {u}_{GS(off)}\le u_{GS}\le 0 \end{gathered}$$

六种转移特性曲线

4、FET主要参数

4.1、直流参数

• 夹断电压U_GS(off)：对于耗尽型FET，使得漏极电流为微小值时的u_GS值。
• 开启电压U_GS(th)：对于增强型MOSFET，使得漏极电流为一微小值时的u_GS值。
• 饱和电流I_DSS：对于耗尽型FET， u_GS=0时的漏极电流i_D的值。
• 直流输入电阻R_GS：在漏源之间短路时，栅源之间电压与电流的比值。通常JFET的R_GS在10⁷Ω以上，而 MOSFET的R_GS可达10⁹~10¹⁵Ω。

4.2、交流参数

• 低频跨导(互导)g_m： 当uDS为定值时，FET的漏极电流iD的变化量与栅源电压uGS的变化量的比值。即：

$$g_m={\frac{\partial i_D}{\partial u_{GS}}|}_{u_{D}S}$$

• 输出电阻r_ds：
  $$g_m={\frac{\partial i_D}{\partial u_{GS}}|}_{u_{D}S}$$
• 极间电容

4.3、极限参数

• 最大漏极电流I_DM：表示当FET正常工作时所允许的最大漏极电流。当i_D>i_DM时FET的性能变差。
• 最大耗散功率P_DM：是由FET最高工作温度确定的参数，P_DM=u_DSi_D。当FET的P_D>P_DM时，管子的性能变差，甚至被烧坏.
• 击穿电压：FET的击穿电压包括U_(BR)DS和U_(BR)GS 。它们分别表示漏源和栅源之间的击穿电压。

晶体管放大电路基础

1、放大电路的构成

1.1、放大的概念

“放大”是指把微小的、微弱的信号不失真地进行放大。以小能量对大能量的控制作用称为放大作用。

1. 特征：功率的放大
2. 本质：能量的控制和转换
3. 必要条件：有源元件
4. 前提条件：不失真
5. 测试信号：正弦波

1.2、怎样构建基本放大电路

1. 目标：小功率信号u_i➡大功率信号u_O
2. 条件：①、元件T。②、电源U_CC
3. 技术路线：①、晶体管➡放大区。
   ②、小信号➡i_B(U_BE)
   ③、合理的输出
4. 放大电路：①、直接耦合
   ②、阻容耦合
5. 工作原理：
   
   ①、u_BE = U_BE (直流分量)+ U_be(交流分量有效值)
   ②、i_B = I_B+I_b
   ③、i_C = βi_B= βI_B + βi_b
   ④、u_CE = U_CC-i_C×R_c（u_cc、r_c不变，u_ce与i_c反相）
   ⑤、经过电容C₂滤去直流成分，输出反相波形

2.性能指标

2.1、示意图

$$U_i=\frac{R_i}{R_s+R_i}\times U_S$$
R_i越大越好，相对的，R_o越小越好

2.2、放大倍数

1.电压放大倍数：
$$A_u=\frac{u_o}{u_i}$$
2.电流放大倍数：
$$A_i=\frac{i_o}{i_i}$$
1.功率放大倍数：
$$A_p=\frac{P_o}{P_i}$$

2.3输入电阻R_i及输出电阻R_o

2.4通频带

$$X_c=\frac{1}{2\pi fc}$$
频率太小，C₁容抗大，放大不理想；频率太高，三极管有PN结电容，产生旁路电流，放大也不理想

$$B{W}_{0.7}=f_H-f_L$$

2.5、最大不失真输出电压

2.6、最大输出功率与效率

2.7、非线性失真

3.分析方法

3.1、直流通路与交流通路

1）、直流通路

$$u_i=0$$

2）、交流通路

$$交流通路（u_i\ne 0，U_{CC}=0）$$

1. 电源置零。（电压源对地短路，电流源短路）
2. 电容通路

3.2、图解法

$$\begin{gathered} i_B=\frac{U_{CC}-U_{BE}}{R_b} \\ 令i_B=0，可得U_{BE}=U_{CC}; \\ 令U_{BE}=0，可得i_B=\frac{U_{CC}}{R_b}; \\ 可得一条直线，直线与曲线的交点即静态工作点I_{BQ},u_{BEQ} \end{gathered}$$

$$\begin{gathered} i_C=\frac{U_{CC}-U_{CE}}{R_C} \\ 令i_C=0，可得U_{CE}=U_{CC}; \\ 令U_{CE}=0，可得i_B=\frac{U_{CC}}{R_b}; \\ 可得一条直线，直线与上式所得的i_B曲线的交点即静态工作点i_{CQ},u_{CEQ} \end{gathered}$$