《场效应管讲解课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《场效应管讲解课件.ppt（59页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、,5,场效应管放大电路,场效应管与双极型晶体管不同，它只有一种载流子导电,（电子或空穴，多子）导电，也称为单极型器件。,特点：输入阻抗高，温度稳定性好。,场效应管有两种,:,N,沟道,结型场效应管,JFET,P,沟道,N,沟道,耗尽型,增强型,耗尽型,P,沟道,增强型,绝缘栅型场效应管,MOS,5.1,绝缘栅场效应管,(MOS,管,),:,MOS,电容,SiO,2,绝缘层,+,-,-,-,-,-,-,金属铝,E,P,P,型基底,电子反型层,SiO,2,绝缘层,掺入了大量的碱金,属正离子,Na+,或,K+,+,金属铝,-,-,-,-,-,-,P,P,型基底,电子反型层,一、结构和电路符号,S,G
2、,D,金属铝,两个,N,区,D,G,S,N,P,N,P,型基底,SiO,2,绝缘层,导电沟道,N,沟道增强型,S,G,D,D,N,N,G,S,N,沟道耗尽型,P,予埋了导,电沟道,D,S,G,D,G,P,P,S,P,沟道增强型,N,S,G,D,D,P,N,予埋了导,电沟道,P,G,S,P,沟道耗尽型,二、,MOS,管的工作原理,1.,开启,沟道,V,GS,控制,沟道宽窄,增强型,MOS,管,以,N,沟道增强型为例,2,沟道变形,V,DS,控制,沟道形状,预夹断临界点轨迹,可变,v,DS,=,v,GS,-V,T,电阻区,饱和区,截止区,v,GD,=,v,GS,-,v,DS,=V,T,输出特性曲线
3、,i,D,=,f,(,v,DS,),?,v,GS,=const,预夹断临界点轨迹,可变,电阻区,v,DS,=,v,GS,-V,T,饱和区,转移特性曲线,截止区,1),截止区,v,GS,V,T,i,D,=0,2),可变电阻区,v,DS,v,GS,-V,T,i,D,?,K,n,2(,v,GS,?,V,T,),v,DS,?,v,W,?,n,C,ox,K,n,?,2,L,2,2,DS,电导常数（单位,mA/V,2,）,?,P203(5.1.3),3),饱和区,v,DS,v,GS,-V,T,v,GS,v,GS,2,2,i,D,?,K,n,(,v,GS,?,V,T,),?,K,V,(,?,1),?,I,D
4、,0,(,?,1),V,T,V,T,2,n,T,?,P203(5.1.6),三、耗尽型,N,沟道,MOS,管的特性曲线,耗尽型的,MOS,管,v,GS,=0,时就有导电沟道，加反向,电压才能夹断。,i,D,转移特性曲线,v,GS,V,P,0,输出特性曲线,i,D,v,GS,0,v,GS,=0,v,GS,0,0,v,DS,四、说明：,（,1,）,MOS,管有四种基本类型；,（,2,）增强型的,MOS,管的,v,GS,必须超过一定的值以使沟,道形成；,耗尽型的,MOS,管使形成沟道的,v,GS,可正可负；,（,3,）,MOS,管的输入阻抗特别高,（,4,）衡量场效应管的放大能力用跨导,单位：,ms
5、,?,I,D,g,m,?,?,V,GS,V,DS,g,m,?,2,K,n,(,v,GS,?,V,T,),(5.1.18),五、,MOS,管的有关问题,1,、主要参数,（,1,）直流参数,开启电压,V,T,指增强型的,MOS,管,夹断电压,V,P,指耗尽型的,MOS,管,零栅压漏极电流,I,DSS,直流输入电阻：,通常很大,10,10,10,15,左右,R,GS,(,DC,),（,2,）交流参数,低频跨导：,极间电容：栅源电容,C,GS,，,栅漏电容,C,GD,，,漏源电容,C,DS,（,3,）极限参数,最大漏极电流,I,DM,，最大耗散功率,P,0M,，漏源击穿电压,V,(BR)DS,栅源击穿
6、电压,V,BR)GS,V,GS,?,I,G,五、,MOS,管的有关问题,2,、场效应管与三极管的比较,导电机构,导电方式,控制方式,类,型,放大参数,输入电阻,抗辐射能力,噪,声,热稳定性,制造工艺,灵活性,三,极,管,双极性器件,载流子的扩散与漂移,电流控制,NPN,型、,PNP,型,=30100,10,2,10,4,差,大,差,复杂,C,、,E,不能互换,场,效,应,管,单极性器件,漂移,电压控制,P,、,N,沟道，增强、耗尽型,g,m,=16ms,10,7,10,15,好,小,好,简单、成本低；便于集成,D,、,S,可以互换,五、,MOS,管的有关问题,3,、使用注意事项,（,1,）结型
7、场效应管的栅源电压不能接反，但可在开路状态,下保存；,（,2,）,MOS,管在不使用时，须将各个电极短接；,（,3,）焊接时，电烙铁必须有外接地线，最好是断电后再焊,接；,（,4,）结型场效应管可用万用表定性检测管子的质量，而,MOS,管必须用专门的仪器来检测；,（,5,）若用四引线的场效应管，其衬底引线应正确连接；,5.2,结型场效应管,(JFET),一、,JFET,的结构和工作原理,1,、结构,D,漏极,基底,：,N,型半导体,N,N,G(,栅极,),P,P,两边是,P,区,P,导电沟道,扩散情况：,N,P,N,N,S,源极,符号,D,漏极,G,(,栅极,),P,N,沟道结型场效应管,D,
8、N,P,G,S,S,源极,栅极上的箭头表示栅极电流的方向（由,P,区指向,N,区）。,结型场效应管代表符号中栅极上的箭头方向，可以确认沟道的类型。,符号,D,漏极,G,(,栅极,),P,P,沟道结型场效应管,D,N,N,G,S,S,源极,2,、工作原理（以,N,沟道为例）,(1),v,GS,对导电沟道及,i,D,的控制,PN,结反偏，,v,GS,越大则耗尽区越,宽，导电沟道越,窄。,G,D,N,N,P,N,P,v,DS,=0V,时,i,D,v,DS,v,GS,v,GS,0V,S,v,DS,=0V,时,但当,v,GS,较小时，耗尽,区宽度有限，存在导,i,D,v,GS,越大耗尽区越宽，,D,电沟
9、道。,DS,间相当于,沟道越窄，电阻越大。,线性电阻。,v,DS,N,G,N,N,P,P,v,GS,S,V,GS,达到一定值时,（,夹断电压,V,P,）,耗,尽区碰到一起，,DS,间被夹断，这时，即,使,v,DS,?,0V,，漏极电,D,流,i,D,=0A,。,G,P,V,DS,=0,时,I,D,N,P,V,DS,V,GS,S,(1),v,DS,对,i,D,的影响,|v,GS,|V,p,|,且,v,DS,0,、,|,v,GD,|=|v,GS,-v,DS,|,|V,P,|,时耗尽区的形状,D,i,D,越靠近漏端，,PN,结反压越大,6V,N,6V,v,DS,P,4V,G,P,2V,0V,v,GS
10、,S,导电沟道中电位分布情况,沟道中仍是电阻,特性，但是是非,线性电阻。,|v,GS,|,|V,p,|,且,v,DS,较大时,v,GD,V,P,时耗尽区的形状,D,N,i,D,v,DS,P,G,P,v,GS,S,漏端的沟道被夹断，,称为,予夹断。,D,v,DS,增大则被夹断,区向下延伸。,G,P,|v,GS,|,|V,p,|,，,v,GD,=,V,P,时,i,D,N,P,v,DS,v,GS,S,此时，电流,i,D,由未,被夹断区域中的载,流子形成，基本不,随,v,DS,的增加而增,加，呈恒流特性。,G,v,GS,|v,GS,|,|V,p,|,且,v,DS,较大时,v,GD,V,P,时耗尽区的形
11、状,D,N,P,i,D,v,DS,P,S,D,N,i,D,v,DS,G,v,GS,P,P,S,结论：,（,1,）因为栅源间加反向电压，故栅极几乎不取电流；,（,2,）输出电流,i,d,受,v,GS,控制，故场效应管是一种电压控制器件；,（,3,）由于受电场梯度的影响，耗尽层呈上宽下窄的形式，故,总是沟道的上部先被夹断；,二、,JFET,的特性曲线及参数,.,输出特性,i,D,予夹断曲线,v,GS,=0V,-1V,-2V,-3V,-4V,恒流区（饱和区）,-5V,0,可变电阻区,夹断区,v,DS,击穿区,2,.,转移特性,mA,转移特性曲线,一定,v,DS,下的,i,D,-v,GS,曲线,i,D
12、,I,DSS,v,GS,v,v,v,DS,饱和漏极电流,（,1,）转移特性,I,D,=f(V,GS,)|,Vds,夹断电压,V,P,饱和漏电流,I,DSS,：,v,GS,=0,时的漏极电流。,V,GS,0,夹断电压,V,P,：,i,D,接近于,0,时的栅源电压。,饱和区中的各条转移特性几乎重合，,通常我们就用一条曲线来表示。,v,GS,2,转移特性的经验公式：,i,D,?,K,n,(,v,GS,?,V,P,),?,I,DS,S,(1,?,),V,P,P,沟道,JFET,夹断区,5V,4V,3V,2V,1V,恒流区,输出特性曲线,i,D,0,v,DS,可变电阻区,v,GS,=0V,予夹断曲线,转
13、移特性曲线,0,i,D,V,P,一定,v,DS,下的,i,D,-v,GS,曲线,v,GS,夹断电压,I,DSS,饱和漏极电流,由输出特性曲线画出转移特性曲线,(a),输出特性曲线,(b),转移特性曲线,.,主要参数,一、直流参数,(1),夹断电压,V,P,：当栅源电压,v,GS,=V,P,时，,i,D,=0,。,(2),饱和漏极电流,I,DSS,(,I,D0,),：,I,DSS,指的是对应,v,GS,=0,时的漏极,电流。,(3),直流输入电阻,R,GS,R,GS,在,10,6,10,9,之间。,通常认为,R,GS,。,二、极限参数,场效应管也有一定的运用极限，若超过这些极限,值，管子就可能损
14、坏。场效应管的极限参数如下：,(1),最大漏源电压,V,(BR)DS,。,(2),最大栅源电压,V,(BR)GS,。,(3),最大功耗,P,DM,：,P,DM,=,I,D,V,DS,三、交流参数,1,跨导,g,m,di,D,g,m,?,dv,GS,的强弱。,v,DS,?,C,(,m,?,/,V,),g,m,的大小可以反映栅源电压,V,GS,对漏极电流,i,D,的控制能力,g,m,可以从转移特性或输出特性中求得，也可以用公式计,算出来。,2.,输出电阻,r,ds,输出电阻,r,ds,定义为,dv,DS,r,ds,?,di,D,v,GSQ,四、关于温度稳定性,场效应管导电机理为多数载流子导电，热稳
15、定,性较晶体三极管好。而且场效应管还存在一个零温度系,数点，在这一点工作，温度稳定性会更好。,i,D,10,零温度系数点,80,30,80,10,0,v,GS,30,场效应管的零温度系数点,结型场效应管的缺点：,1.,栅源极间的电阻虽然可达,10,7,以上，但在,某些场合仍嫌不够高。,2.,在高温下，,PN,结的反向电流增大，栅源,极间的电阻会显著下降。,3.,栅源极间的,PN,结加正向电压时，将出现,较大的栅极电流。,绝缘栅场效应管可以很好地解决这些问题。,i,D,I,DSS,N,沟道,JFET,N,沟道耗尽,MOS,v,DS,:N,沟道加正压,P,沟道加,负压,N,沟道增强,MOS,V,P
16、,V,P,V,T,V,T,0,V,P,V,P,v,GS,P,沟道,JFET,P,沟道增强,MOS,P,沟道耗尽,MOS,I,DSS,(a),转移特性,结型,v,GS,和,v,DS,相反,增强型,v,GS,同,v,DS,同极性,耗尽型,v,GS,任意,i,D,V,GS,/,V,MOS,N,沟道,结型,N,沟,耗尽型,增强型,0,3,9,-,1,2,8,-,2,1,7,-,3,0,6,-,4,-,1,5,-,5,-,2,4,-,6,-,3,3,u,DS,-,3,-,4,-,5,-,6,-,7,-,8,-,9,3,6,2,5,1,4,0,3,-,1,2,V,GS,/,V,-,2,1,-,3,0,耗尽
17、型,结型,P,沟,MOS,P,沟道,0,可变电阻区,(b),输出特性,FET,放大偏置时,v,DS,与,v,GS,应满足的关系,极,性,放大区条件,v,DS,v,GS,V,P,0,v,DS,V,GS,V,P,0,N,沟道管：,v,GS,V,P,(,或,V,T,),P,沟道管：,v,GS,V,P,(,或,V,T,),v,DS,v,GS,N,沟道管：正极性,(,v,DS,0),P,沟道管：负极性,(,v,DS,0),结型管：,反极性,增强型,MOS,管：同极性,耗尽型,MOS,管：双极型,5.3,场效应管放大电路,场效应管是电压控制器件。它利用栅源电压来控制漏极,电流的变化。它的放大作用以跨导来体
18、现，在场效应管的漏,极特性的水平部分，漏极电流,i,D,的值主要取决于,v,GS,，而几乎,与,v,DS,无关。,组成原则：,(1),静态：适当的静态工作点，使场效应管工作在恒流,区，场效应管的偏置电路相对简单。,(2),动态：能为交流信号提供通路。,分析方法：,静态分析：,估算法、图解法。,动态分析：,微变等效电路法。,一、场效应管的直流偏置电路及静态分析,1.,直流偏置电路,1,、自偏压电路,V,DD,R,d,C,1,C,2,i,D,+,C,b1,0.01u,R,g2,47k,Rg,1,2M,R,g3,10M,2,、分压式自偏压电路,V,DD,=18V,R,d,30k,+,T,C,b2,4
19、.7u,+,C,47u,+,v,i,-,R,g,v,GS,-,R,+,C,S,R,L,v,o,-,R,2k,R,g,：使,g,与地的直流电位几乎,相同（因上无电流）。,R,：当,I,S,流过,R,时产生直流压,降,I,S,R,，使,S,对地有一定的电,压：,V,GS,=,I,S,R=,I,D,R0,V,GS,?,V,G,?,V,S,R,g2,?,V,DD,?,I,D,R,R,g1,?,R,g2,例,5.2.1 P212,设,V,DS,?,V,GS,?,V,T,，工作于饱和区,V,GS,?,R,g,2,R,g,1,?,R,g,2,V,DD,2,40,?,?,5,?,2,V,60,?,40,2,I
20、,DQ,?,K,n,(,V,GS,?,V,T,),?,0.2,?,(2,?,1),?,0.2,mA,V,DS,?,V,DD,?,I,D,R,d,?,5,?,0.2,?,15,?,2,V,判断,V,DS,?,2,V,?,(,V,GS,?,V,T,)=1V,，成立,(2),带源电阻的共源放大电路,设,V,DS,?,V,GS,?,V,T,，工作于饱和区,V,GS,?,R,g,2,R,g,1,?,R,g,2,(,V,DD,?,V,SS,),?,I,D,R,2,I,DQ,?,K,n,(,V,GS,?,V,T,),V,DS,?,V,DD,?,V,SS,?,I,D,(,R,d,?,R,),判断,V,DS,?
21、,V,GS,?,V,T,是否成立,例,5.2.3 P214,电流源偏置共源放大电路,I,DQ,?,K,n,(,V,GSQ,?,V,T,),2,0.25,?,0.16(,V,GSQ,?,1),2,V,GSQ,?,2.25,V,，,V,S,?,?,2.25,V,V,DD,?,V,DQ,5,?,2.5,R,d,?,?,?,10,k,?,I,DQ,0.25,V,DSQ,?,V,DQ,?,V,S,?,4.75,V,?,(,V,GS,?,V,T,),?,1.25,V,二、,场效应管的微变等效电路,1,、参数的导出,i,D,i,D,?,f,(,v,GS,v,DS,),v,DS,?,i,D,di,D,?,?,
22、v,GS,?,i,D,?,dv,GS,?,?,v,DS,?,dv,DS,v,GS,D,G,v,DS,v,GS,?,i,D,g,m,?,?,v,GS,S,?,g,m,?,v,gs,?,1,r,DS,?,v,ds,跨导：,反映了栅源电压对漏极电流的控制,能力，相当于转移特性中工作点处的斜率。,漏极输出电阻：,（很大，常可以看作,开路）；它是输出特性工作点处的切,线斜率的倒数。,r,DS,?,v,DS,?,?,i,D,2,、等效电路,i,D,i,D,?,f,(,v,GS,v,DS,),v,DS,?,i,D,di,D,?,?,v,GS,?,i,D,?,dv,GS,?,?,v,DS,?,dv,DS,v,
23、GS,D,G,v,DS,v,GS,S,很大，,可忽略。,v,ds,?,g,m,?,v,gs,?,1,i,d,r,DS,?,v,ds,i,d,G,D,G,D,v,gs,g,m,v,gs,S,r,DS,v,gs,g,m,v,gs,S,v,ds,3,、,g,m,的求法,i,D,i,D,?,f,(,v,GS,v,DS,),v,DS,?,i,D,di,D,?,?,v,GS,?,i,D,?,dv,GS,?,?,v,DS,?,dv,DS,v,GS,D,G,v,DS,v,GS,由,S,2,i,D,?,K,n,2(,v,GS,?,V,T,),v,DS,?,v,DS,?,g,m,?,v,gs,?,1,2,r,DS
24、,?,v,ds,=,K,n,(,v,GS,?,V,T,),?,i,D,g,m,?,?,v,GS,得,?,2,K,n,(,V,GS,?,V,T,),v,DS,例,5.1,：典型共源极放大（不带源极电阻）,动态分析,V,DD,=20V,微变等效电路,R,D,10k,D,150k,g,d,+,10k,R,L,C,S,v,o,R,L,R,D,R,L,+,v,o,-,R,1,G,R,G,S,1M,50k,R,G,v,i,R,1,R,2,-,v,gs,g,m,v,gs,v,i,R,2,R,S,10k,v,i,?,v,gs,s,R,i,?,R,G,?,R,1,/,R,2,?,1,.,0375,M,?,R,o
25、,=,R,D,=10k,?,v,o,?,?,g,m,?,v,gs,?,(,R,D,/,R,L,),v,o,A,v,?,?,?,g,m,?,R,L,v,i,典型共源极放大（带源极电阻）,微变等效电路,R,L,+,v,o,-,V,DD,=20V,R,D,10k,D,150k,g,d,+,10k,R,L,v,o,R,1,G,R,G,S,1M,50k,R,G,v,i,R,1,R,2,-,v,gs,R,D,R,L,g,m,v,gs,v,i,R,2,R,S,10k,s,R,S,v,i,?,v,gs,?,g,m,v,gs,R,S,v,o,?,?,g,m,?,v,gs,?,(,R,D,/,R,L,),R,i,
26、?,R,G,?,R,1,/,R,2,?,1,.,0375,M,?,R,o,=,R,D,=10k,?,v,o,?,g,m,v,gs,R,L,?,g,m,R,L,A,v,?,?,?,v,i,v,gs,?,g,m,v,gs,R,S,1,?,g,m,R,S,共漏极放大器,源极输出器,+,V,DD,动态分析,R,G,v,i,v,o,R,1,R,i,g,s,R,2,d,R,o,?,R,o,g,m,v,gs,C,1,R,1,150k,G,R,G,S,D,C,2,R,S,R,L,10k,?,g,m,v,gs,?,R,L,R,S,R,L,v,o,v,i,R,2,50k,1M,v,o,A,v,?,?,?,v,i,
27、v,gs,?,g,m,v,gs,R,L,微变等效电路,R,i,?,R,G,?,R,1,/,R,2,?,1,.,0375,M,?,?,g,m,R,L,?,?,1,?,1,?,g,m,R,L,g,R,G,v,gs,i,d,R,S,i,T,输出电阻,R,o,加压求流法,s,R,2,d,v,T,g,m,v,gs,R,1,?,v,gs,v,T,1,R,o,?,?,?,i,d,?,g,m,v,gs,g,m,R,o,?,R,o,/,R,S,R,o,?,R,o,微变等效电路,例,5.2.6,（共漏极放大电路）：,v,o,?,g,m,v,gs,(,R,/,/,r,ds,),v,i,?,v,gs,?,v,o,?,
28、v,gs,1,?,g,m,(,R,/,/,r,ds,),g,m,(,R,/,/,r,ds,),A,v,?,1,?,g,m,(,R,/,/,r,ds,),R,i,?,R,g,1,/,/,R,g,2,例,5.2.6,：,i,t,?,i,r,?,i,R,?,g,m,v,gs,v,t,v,t,=,?,?,g,m,v,gs,r,dso,R,v,gs,?,?,v,t,1,1,i,t,=,v,t,(,?,?,g,m,),r,dso,R,1,R,o,?,R,/,/,r,ds,/,/,g,m,CE/CB/CC,?,?,R,L,?,CE,:,A,v,?,?,r,be,CS/CG/CD,?,?,?,g,R,?,CS
29、,:,A,v,m,L,?,g,R,m,L,?,?,CD,:,A,v,1,?,g,m,R,?,L,?,?,?,g,R,?,CG,:,A,v,m,L,?,A,v,(,1,?,?,),R,?,L,r,be,?,(,1,?,?,),R,?,L,?,?,R,L,?,?,?,CB,:,A,v,r,be,?,?,CC,:,A,v,R,i,CE,:,R,b,/,r,be,CC,:,R,b,/,r,be,?,(,1,?,?,),R,L,CB,:,Re/r,be,/(1,?,?,),CE,：,R,c,r,be,+,R,b,/,R,s,CC,：,R,e,/,1,?,CB,：,R,c,CS,：,R,g1,/,R,g2
30、,CD,：,R,g,+,(,R,g1,/,R,g2,),CG,：,R,/(1/,g,m,),CS,：,R,d,CD,：,R,/(1/,g,m,),CG,：,R,d,R,o,场效应管放大电路小结,(1),场效应管放大器输入电阻很大。,(2),场效应管共源极放大器,(,漏极输出,),输入,输出反相，电压放大倍数大于,1,；输出电,阻,=,R,D,。,(3),场效应管源极跟随器输入输出同相，电,压放大倍数小于,1,且约等于,1,；输出电阻,小。,两级电压放大电路如下图所示。,+V,CC,R,1,300k,C,1,+,G,R,4,3k,D,C,3,(+20V),R,6,500k,T,2,+,T,1,S
31、,?,V,i,-,R,3,2M,R,2,100k,R,5,1k,C,4,+,?,V,O,1,R,7,C,2,10k,-,R,L,5.1k,?,V,O,-,在,T,1,位置上画出合适的,FET,；,若,T,1,的漏极电位,V,D,=14V,，其,g,m,=3ms,，求,T,1,的静态值,I,D,、,V,DS,、,V,GS,？,若,T,2,的,=50,，,V,BE,=0.6 V,，求,T2,的静态值,I,B,、,I,C,、,V,CE,？,画出微变等效电路，并求,A,V,、,R,i,、,R,O,。,作业,:P249:,5.1.4 5.3.4,5.3.5,5.2.9 5.3.8 5.5.4,练习,:P249:,5.1.1,5.1.2 5.3.3,
