从二极管到集成电路

——场效应管的主要参数和基本电路

1．饱和漏源电流I\(_{DSS}\)和夹断电压VP。

由场效应管的转移特性曲线（图1）可见，饱和漏源电流I\(_{DSS}\)就是零偏压（VGS＝0）时的漏极电流，夹断电压V\(_{p}\)就是在源极接地的情况下，为使场效应管漏源输出电流减小到零所需的栅源电压，也可以叫做截止栅压VGS（off）。I\(_{DSS}\)可以用图2电路测定，VP可以用图3电路测定。当I\(_{DSS}\)和Vp已知时，可用下式表示I\(_{D}\)与VGS的关系：

根据上式即可作出似图1转移特性曲线。

夹断电压V\(_{p}\)这个参数是对耗尽型器件而言的，对于增强型器件，相应的参数可用阈电压（或称开启电压）VT来表示。

2．漏泄电流I\(_{GSS}\)、输入电阻RGS及输出电阻r\(_{DS}\)。

栅—沟道结本是一个PN结，当施加反向偏压时（见图4），亦会有少数载流子形成很小的反向电流，叫做漏泄电流I\(_{GSS}\)，一般结型管为毫微安级，MOS管为微微安级（测试时所加VGS=10V）。输入电阻R\(_{GS}\)是栅—沟道在反偏压作用下的电阻，手册中有时也叫栅源绝缘电阻，结型管一般为10\(^{9}\)Ω，MOS管则更高，可做到1012Ω以上（25℃时测试），需要用专门的高阻仪表才能测量出来。输入阻抗高是场效应管的重要特点之一。输出电阻rDS即为漏极特性曲线斜率的倒数（\(\frac{1}{r}\)\(_{DS}\)=ΔID;ΔV\(_{DS}\)），当场效应管正常工作时（即工作在饱和区Ⅱ），rDS甚大，结型管一般为几百千欧，MOS管稍低些。

3．击穿电压BV\(_{DS}\)、BVGS。

在场效应管的漏极特性曲线中我们已看到，当漏、源电压V\(_{DS}\)增大到一定数值时，特性曲线朝上翘起即进入击穿区。在击穿区中，栅极电压失去了控制输出电流的能力，从而易使管子遭到损坏。因此一般规定漏极特性曲线开始进入击穿区的电压为最大漏源耐压BVDS。

最大栅源耐压BV\(_{GS}\)就是栅、源之间能够承受的最高电压。MOS场效应管由于栅级有很高的绝缘电阻，因此当栅极开路时，如受周围电磁场的作用，栅极上就有可能感应产生瞬间的高电压，此电压如果超过BVGS的话，MOS管就会损坏。因此在存放MOS管时应当将它的栅极管脚与源或漏极管脚短接。

4．最大漏极耗散功率P\(_{DM}\)。

耗散功率等于漏源电压和漏极电流的乘积，手册中常给出25℃时的最大漏极耗散功率P\(_{DM}\)，同时还给出随环境温升，PDM的递减系数mW／℃。

1．跨导gm。

作为电压控制器件的场效应管，其放大能力也可采用与电子管相应的参数——跨导g\(_{m}\)来表示，它说明了栅极电压对漏极电流的控制能力，表示式为：

公式正好表示了图1转移特性曲线在工作点Q处的斜率。跨导gm一般在较低频率下测量（多数在1KHz测），因而有的手册中也叫做低频跨导。

2．噪声系数N\(_{F}\)。噪声是管子内部载流子的不规则运动引起的，由于场效应管内通过PN结的载流子比普通晶体管要少得多，因而其噪声自然要小很多，这是场效应管的又一重要特点。噪声性能通常用噪声系数NF（dB）表示，N\(_{F}\)愈小表示管子噪声愈小。由于NF与频率及管子工作状态有关，故手册中给出此参数，一般应注明测试频率和偏置条件。

3.杂散电容。一般手册中给出的主要是由三个极间分布电容形成的杂散电容：C\(_{GS}\)——栅源电容，也叫输入电容；CDS——漏源电容，也叫输出电容；C\(_{GD}\)——栅漏电容，也叫反馈电容。这三种杂散电容是影响电路频率响应的主要因素，这三种杂散电容越小，越有利于器件频率特性的提 高，因而是场效应管用于高频电路和开关电路时的重要参数。

同普通晶体管一样，在进行电路分析、计算时，也需要将场效应管用一个等效电路来代替。图5a是将源极作为输入、输出公共端的等效电路：输入端由输入电阻R\(_{GS}\)和输入电容CGS并联；由于漏极电流I\(_{D}\)是受栅源电压VGS控制的，输出电路中的电流源I\(_{D}\)＝gmV\(_{GS}\)，输出端由漏极电阻rDS和输出电容C\(_{DS}\)并联；跨接在输出、输入端间的是反馈电容CGD。在正常情况下，输入电阻R\(_{GS}\)极高，在计算时往往视为无穷大，而在低频时，所有杂散电容又可忽略，因而等效电路就可以简化如图5b。

同双极晶体管一样，场效应管也有三种基本接法：共源、共漏、共栅，如图6。

图6a为共源电路，相当于双极晶体管的共发射极电路或电子管的共阴极电路。当交流信号经C\(_{1}\)加到栅——源极时，使栅极偏压随信号而变，于是控制了ID的变化，在R\(_{L}\)上产生压降，通过C2将放大了的信号电压输出。图6a的场效应管等效电路就是图5，只要在图5输入端并接偏置电阻R\(_{G}\)、输出端并接负载电阻RL，就构成图6a电路的等效电路，于是就可很方便地算出共源电路的几个主要参数为：

输入电阻R\(_{i}\)=RG∥R\(_{GS}\)≈RG（因R\(_{GS}\)》RG）

输出电阻R\(_{0}\)=rDS∥R\(_{L}\)≈RL（因r\(_{DS}\)》RL）

电压放大倍数近似为K≈－g\(_{m}\)RL

由于共源电路输入电阻高、电压增益大，故应用最广，但它的截止频率较低，在高频工作时受到一些限制。

图6b为共漏电路，与晶体管共集电路或电子管共屏极电路相似。同共源电路一样，其输入电阻也取决于外加偏置电阻，即R\(_{i}\)=R1∥R\(_{2}\)，电压放大倍数K≈1，且输入、输出电压同相，故也叫做源极跟随器。由于这种电路输入电阻高、输出电阻低，且有良好的电压跟随特性，因而常用作缓冲放大器，起到隔离、阻抗变换的作用。

图6c为共栅电路，它与晶体管共基电路或电子管共栅电路相近。其输入电阻极低（R\(_{i}\)≈\(\frac{1}{gm}\)），输出电阻较高R0≈R\(_{L}\)，有良好的电压放大特性，因而常用于高频电压放大。

场效应管也需要一定的偏置电路来确定其工作点，偏置电路的形式很多，归纳起来主要有如下几种：

1．固定偏置，如图6a。栅偏压由负电源V\(_{GG}\)经偏置电阻RG提供，这种方法最简单。由于该电路输入电阻取决于R\(_{G}\)，为了提高输入电阻往往选用阻值较大的RG，这就有可能在环境温度升高时，在栅漏泄电流流经R\(_{G}\)时，产生可观的压降变化，使栅偏压随之改变，引起工作点严重偏离预定设计点，因此这种偏置方法较少采用。

2．自偏置，如图6c。在源极串入电阻R\(_{S}\)，当ID流经R\(_{S}\)时，产生压降IDR\(_{S}\)，由于栅极接地，相当于源极电位比栅极高了IDR\(_{S}\)，即等于给栅极加了偏压VGS=-I\(_{D}\)RS。譬如，若I\(_{D}\)=1mA，RS=1KΩ，则I\(_{D}\)RS=1V，即相当于V\(_{GS}\)=－1V。这个栅负压是由漏极电流在源极电阻RS的压降提供的，因而叫自给偏压。这种偏置方法，省去了一组负电源，且在有信号输入时，栅压亦随信号大小自动调节，这对放大器的稳定性大有好处。这种电路的缺点是I\(_{D}\)和RS的大小，必须满足栅偏压的要求，调整时就较为困难。

3．带分压器的自偏置，如图6b。电路中除有源极电阻R\(_{S}\)提供自偏压IDR\(_{S}\)外，还有外加偏置电阻R1、R\(_{2}\)构成分压器，给栅极加上固定栅偏压。由图可推算出，由R1、R\(_{2}\)分压得到栅极电位VG=\(\frac{R}{_{2}}\)R1+R\(_{2}\)VDD，因而栅偏压

这种电路I\(_{D}\)和RS的选择自由度较大些。

由于场效应管的导电类型和工作方式不同，它不仅有N沟道和P沟道的区别，而且还有增强型和耗尽型的区别，各种类型所需的偏置电压的极性都不相同，常用的几种类型场效应管与偏压极性的关系见表1。

开关电路的偏置方法一般比较简单，即将正、负脉冲直接引入栅极以实现开通或关断的状态。（金国钧编译）