模拟电路第二章
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第2章 场效应晶体管及其放大电路场效应晶体管及其放大电路
2.1 知识要点
一、场效应管(结型场效应管、绝缘栅场效应管)结构及其特性 二、场效应管放大电路及其交流等效电路分析法
2.2 重点与难点
一、场效应管类型、工作状态的判别
二、场效应管的工作原理、输出特性、转移特性
三、场效应管基本放大电路的组成、工作原理及性能特点
&u 、R i 、R &o 、U &om )的分析 四、放大电路静态工作点和动态参数(A
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2.3 思考题
2.3.1为满足下列要求,分别从题图所示电路中选择合适的电路形式。 (1)输出电阻小,应选____;
(2)电压放大倍数|A
&u |大,应选____; (3)电压放大倍数|A
&u |接近1,并且输出电压与输入电压反相,应选____。
( a )( b )( c )
2.3.2场效应管属于____(A 、电压,B 、电流)控制型元件,其栅极的____(A 、电压,B 、电流)几乎等于零,而双极型晶体管属于____(A 、电压,B 、电流)控制型元件,其基极电流比场效应管的栅极电流____(A 、大得多,B 、小得多)。所以,共源放大电路的输入电阻通常比共射放大电路输入电阻____(A 、大,B 、小),从信号源索取的电流也比较____(A 、大,B 、小)。 2.3.3用直流电压表测量题图所示电路中g 、s 、d 三个极对地电压,已知表中第一组数据为正常值。试分析表中其它几组数据分别是由于何种原因(某元件短路或开路)造成的,把答案填入表内。(可多选)
R L 3k Ω
组别 U G / V U S / V U D / V 故障原因 1 3 1.5 7.5 (正常值)
2 0 0 12 R g1 短路或R g2开路
3 3 1.5 12 R d 短路
4 12 2.7 3.9 R g1开路或R g2短路
5
3
1.5
3.8
C 2 短路
2.3.4在题图所示电路中,当输入一个正弦电压后,输出电压出现底部削平失真,说明管子进入了____(A 、夹断区,B 、可变电阻区);为了减小失真的程度,应____(A 、增大R s ,B 、减小R s ,C 、减小R g )。
R L
R L
题2.3.4图 题2.3.5图
2.3.5在题图所示电路中,当输入一个正弦电压后,输出电压出现顶部削平失真,说明管子进入了____(A 、夹断区,B 、可变电阻区);为了减小失真程度,应增大____(A 、R g1,B 、R g2,C 、R L )。
2.3.6已知题图中a 、b 、c 三个电路所用MOS 管的参数相同,静态电流I DQ 也相同。比较这三个电路的性能。
(1)静态工作点稳定性最差的电路是____; (2)电压放大倍数相同的电路有____; (3)输出电阻相同的电路有____;
(4)输入电阻最大的电路是____;输入电阻最小的电路是____; (5)输出电压动态范围最宽的电路是_____。
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&u |大应选2.3.8在共源、共漏两种组态的放大电路中,若希望电压放大倍数|A
用____;若希望带负载能力强应选用____;若希望输出电压与输入电压同相应选用____。 试填空选择正确答案(A 、共源组态,B 、共漏组态)。
2.3.7场效应管放大电路常用的栅压偏置电路如题图所示。说明下列场效应 管可以采用哪些类型的偏置电路。(可多选)
(1)结型场效应管可以采用图示电路中的 ________; (2)增强型MOS 场效应管可以采用图示中的_________; (3)耗尽型MOS 场效应管可以采用图示电路中的_________。
(a )
( b )
( c )
( d )
答案:答案:
2.3.1 c|b|a 2.3.2 2.3.3
(2)R g1 短路或R g2开路;(4)R g1开路或R g2短路;
2.3.4 A|B 2.3.5 B|B
2.3.6 2.3.7 bd|cd|abcd
2.3.8
A|B|A|A|B
(3)R d 短路 (5) C 2 短路
A|ABC|ABC|CB|A A|B|B
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2.4 习题
2.4.1已知场效应管的输出特性或转移如题图所示。试判别其类型,并说明各管子在|U DS |= 10V时的饱和漏电流I DSS 、夹断电压U GSOff (或开启电压U G Sth )各为多少。
i D
(b)
题题2.4.1图图
解:FET 有JFET 和MOSFET 。
JFET 有P 沟(U GS 只能为正)和N 沟(U GS 只能为负)之分。 MOSFET 中有耗尽型P 沟和N 沟(U GS 可为正、零或负)、增强型P 沟(U GS 只能为负)和N 沟(U GS 只能为正)。
图 (a):N 沟耗尽型MOSFET ,I DSS =2mA,U GS (th ) =−3V 。 图 (b):P 沟结型FET ,I DSS =3mA, U GS (th ) =3V 。
图 (c):N 沟增强型MOSFET ,I DSS 无意义 ,U GS (th ) =1. 5V 。
2.4.2已知各FET 各极电压如题图所示,并设各管的U GS(th)=2V 。试分别判别其工作状态(可变电阻区,恒流区,截止区或不能正常工作)。
题2.4.2图
解:图 (a)中,N 沟增强型MOSFET ,
因为U GS =3V >U GS (th ) =2V ,U GD =−2V =U GS (th ) =2V ,所以工作在恒流区。
图 (b)中,N 沟耗尽型MOSFET ,
U GS =5V >U GS (th ) =−2V ,U GD =0V >U GS (th ) =−2V ,所以工作在
可变电阻区。
图 (c)中,P 沟增强型MOSFET ,
U GS =−5V U GS (th ) =−2V ,所以工作
在恒流区。
图(d )中,为N 沟JFET ,
U GS =−3V
2.4.3在题图(a )和(b )所示电路中,已知JFET 的I DSS =5mV ,
U GS(off)=−5V ,MOSFET 的µn C ox W 2L =80µA V 2,U GS(th)=1. 5V 。
试分别求JFET 和MOSFET 的I DQ 、U GSQ 和U DSQ 的值。
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R 解:( U 2
GS I D =I DSS 1− U GS (off ) U GS =U SS −I D R
解得:I DQ =2. 8mA , U GSQ =−1. 2V , U DSQ =6V (2)
I . 1(U 2
D =0GS −U GS (th ) ) U GS =4. 8−6I D
解得:I DQ =167. 6µA , U GSQ ≈−3. 8V , U DSQ =5. 97V
2.4.4题图电路中JFET 共源放大电路的元器件参数如下:在工作点上的管子跨g m =1mS,r ds ·
Ω,
R 1=300kΩ,R 2=100kΩ,R 3=1M,R 4=10kΩ,R 5=2kΩ,R 6=2kΩ。试估算放大电路的电压增益、输入电阻、输出电阻。
题题 2.4.43.4.4图图
解:
A −g ′
m R L −1×10u =1+g ==−3. 33
m R 51+1×2
R i =R 3+R 1//R 2=1000+100//300=1. 075M Ω R 0≈R 4=10K Ω
2.4.5场效应管电路如题图所示。设MOSFET 的µn C ox W 2L =80µA V 2,
U GS(th)=1. 5V ,忽略沟道长度调制效应。
(1)试求漏极电流I DQ ,场效应管的U GSQ 和U DSQ ;
(2)画出电路的低频小信号等效电路,并求参数g m 的值。
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I DQ =0. 375mA , U GSQ =3. 625V
U DSQ =5. 875V , U GSQ =3. 625>U GS (th ) =1. 5V U GDQ =V GSQ −V DSQ =3. 625V −5. 875V=−2. 25V
可见符合工作在恒流区的假设条件。
(2)低频小信号等效电路如答图(b )所示。
R //RG1 R D
(b)
g m =2
µn C ox W
U GS −U GS (th ) ) =340µS I ∆ICQ CQ 的变化为
I =2. 16−2. 09
3. 3(%) CQ 2. 09
2.4.6 MOSFE场效应管电路如题图所示。设µn C o x W /2L =500µA/V2
,U GS(th)=3V 。
试求R S 分别为2k Ω和10k Ω时U o 的值。 解:R G S =2k Ω时,
U o
I µn C ox W (U 2
D =GS −U GS (th ) )
2L V GS =U DD −I D R S
可得I D =2mA, U O =4V(舍去I D =4. 5mA) R S =10k Ω时,计算得到I D =0. 5mA, U O =5V
2.4.7两级MOSFET 阻容耦合放大电路如题图所示。已知V 1和V 2的跨导g m =0.7mS,并设r ds →∞,电容C 1~ C4对交流信号可视作短路。 (1)试画出电路的低频小信号等效电路; (2)计算电路的电压放大倍数A u 和输入电阻R i ;
(3)如将R G1的接地端改接到R 1和R 2的连接点,试问输入电阻R i 为多少?
解:(1
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(2)A =−g m R 3g (R +R )//R u G 2
1+g m 12=−11. 3
m R 41+g m R 1+R 2//R G 2 R i =R G 1=1M Ω
(3)由下图所示电路可求得(略去R G2
)输入电阻R i
1(R 1+R 2)
R i =R G 1+R 2+
g m R G 1+g ≈3. 08M Ω
m R 1
2.4.8 FET放大电路如题图所示。图中器件相同,U DD 和相同符号的电阻相等,各电容对交流信号可视为短路。 (1)说明各电路的电路组态;
(2)画出个电路的低频小信号等效电路;
(3)写出三个电路中,最小增益A u 、最小R i 和最小R o 的表达式。
题2.4.8图
解:(1)图(a )是共源放大电路,图(b )是共漏放大电路,图(c )是共
栅放大电路。 (2)与图(a )、(b )和(c )相对应的小信号等效电路如答图(d )、(e )
和(f )所示
(3)由题图2.4.8可见,各电路的静态工作点相同,所以g m 值相等。电压放大倍数最小的是共漏放大器,由答图(e )可求得
A u =g m
R S //r ds 。如考虑r ,且满足r ds >>1
m D ds ds ,
m
则R i =R s //
1
g 1+R D m
r ds 。
输入电阻最小的是共栅放大器。如不考虑r ,由答图(f )得R i =R S //1
ds ; m
的是共漏放大器,由答图(e)可得R o =r ds //1
R s
。 m
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2.4.9画出题图所示电路的直流通路和交流通路。
R D
解:(1)T 为N 沟JFET ,所以V GS (off ) =−2V ,故可列出
U GSQ 2
) I DQ =I DSS (1−U
GS (off )
题3.4.9图题2.4.9图
解:
2.4.10 FET放大电路如题图所示。已知
U GS(off)=2V ,I DSS =2mA,g m =1.2mS,
1/λ=80V 。 (1)试求该电路的静态漏极电流I DQ 和
栅源电压U GSQ ;
(2)为保证JFET 工作在饱和区,试问电源电压U DD 应取何值? (3)画出低频小信号等效电路; (4)试求器件的r ds 值,A u 、R i 和R o 。
U
GSQ =−I DQ ⋅R S
联立解上述方程,可得
I DQ =0. 764mA
I DQ
=5. 23mA (不合题意而舍去)
2)为保证JFET 工作在恒流区,则应满足 U GDQ >U GS (off )
因为
U DSQ =U DD −I DQ (R S +R D ) >−I DQ R S −U GS (off )
U 764×7>−0. 764+2
DD −0. 所以 U DD >1. 23+0. 764×7=6. 6(V )
如果考虑一定的输出电压动态范围,U DD 可取10~12V。 3)低频小信号等效电路如下图所示。
g 2I DSS U GSQ 2
m =−4)
U (1−) =−I DSS I DQ
GS (off ) U GS (off ) U GS (off )
=−
2
−2
2×0. 764=1. 236(mS ) ( ( (
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r 80
ds =
0. 764
≈105k Ω A u =−g m ⋅R D ||R L ||r ds =−1. 236×6||6||105≈−3. 7
R i =R G =1M Ω
R o =R D //r ds =6//105k Ω≈6k Ω
2.4.11电路如题图所示。设FET 参数为:
I DSS =3mA ,U GS(off)=−3V 。当R D 分别取下
列两个数值时,判断场效应管是处在恒流区还是可变电阻区,并求恒流区中的电流I D 。 (1)R D =3. 9kΩ;(2)R D =10k Ω。 解:
因为u GS =0V,所以I DQ =I DSS =3mA (1)U DS =U DD −I D R D =3.3V 则U GD =−3.3VU GS -U GSoff (2)U DS =U DD −I D R D =−15V 则U GD =15V,可变电阻区
2.4.12题图所示电路中场效应管转移特性可表达为:I D =I DO U 2
GS
U 1 ,
GS(th)
其中I DO =5mA,U GS(th)=2V,各电容的容抗可忽略不计。 (1)求静态工作点I DQ 、U DSQ ; (2)画出微变等效电路图;
(3)求电压放大倍数A
&u 、输入电阻R i 、输出电阻R o 。
R L 20k Ω
2
U
GSQ
I DQ
=I DO
U
−1
GS (
解: (1)
th )
U GSQ =U G −
I DQ R S
R
U G =V
g1DD
R g1+R g2解得:I DQ
≈
0. 74mA ,U DSQ ≈V DD −I DQ (R d +R s ) ≈5. 3V
(2)
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(3)g m =
2U I DO ⋅I DQ ≈1. 93mS
GS (th )
A &u =−g m (R d //R L
) ≈−13 R i =R g +(R g1+R g2) ≈1. 67M Ω R o =R d =10k Ω
2.4.13放大电路及场效应管的输出特性如题图所示,电容对交流信号可视为短路。
(1)在输出特性曲线上画出直流和交流负载线,确定静态工作点I DQ 、U DSQ ; (2)输出电压的正向最大幅度U om +和负向最大幅度U om −各等于多少? (3)为了使U om +=U om −,应增大R g1还是R g2?
解: (1)I DQ ≈3mA ,U DSQ ≈3V
(2)U om +≈9V ,U om −≈2V (3)应增大 R g2
2.4.14电压跟随电路和场效应管的输出特性曲线及恒流区的转移特性曲线如题图所示。
(1)图解确定静态工作点I DQ 、U DSQ ;
(2)输出电压正、负向最大跟踪范围各为多少伏?
(3)为了使正、负向最大跟踪范围尽量相等,应增大R g1还是R g2?
题2.4.14图
解:
(1)I DQ ≈1. 1mA ,U DSQ ≈8V (2)正向跟踪电压范围约为6.8V , 负向跟踪电压范围约为2V
(3)应增大R g1
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