場效應(yīng)管及其基本電路.ppt

2019年11月21日星期四,模擬電子技術(shù),1,第三章場效應(yīng)管及其基本電路,31結(jié)型場效應(yīng)管,311結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)及工作原理,312結(jié)型場效應(yīng)管的特性曲線,一、轉(zhuǎn)移特性曲線,二、輸出特性曲線,1.可變電阻區(qū),2.恒流區(qū),3.截止區(qū),4.擊穿區(qū),2019年11月21日星期四,模擬電子技術(shù),2,32絕緣柵場效應(yīng)管(IGFET),321絕緣柵場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu),322N溝道增強型MOSFET,一、導電溝道的形成及工作原理,二、轉(zhuǎn)移特性,三、輸出特性,(1)截止區(qū),(2)恒流區(qū),(3)可變電阻區(qū),2019年11月21日星期四,模擬電子技術(shù),3,323N溝道耗盡型MOSFET,324各種類型MOS管的符號及特性對比,33場效應(yīng)管的參數(shù)和小信號模型,331場效應(yīng)管的主要參數(shù),一、直流參數(shù),二、極限參數(shù),三、交流參數(shù),332場效應(yīng)管的低頻小信號模型,2019年11月21日星期四,模擬電子技術(shù),4,34場效應(yīng)管放大器,341場效應(yīng)管偏置電路,一、圖解法,二、解析法,342場效應(yīng)管放大器分析,一、共源放大器,二、共漏放大器,2019年11月21日星期四,模擬電子技術(shù),5,第三章場效應(yīng)管及其基本電路,（1）了解場效應(yīng)管內(nèi)部工作原理及性能特點。（2）掌握場效應(yīng)管的外部特性、主要參數(shù)。（3）了解場效應(yīng)管基本放大電路的組成、工作原理及性能特點。（4）掌握放大電路靜態(tài)工作點和動態(tài)參數(shù)（）的分析方法。,2019年11月21日星期四,模擬電子技術(shù),6,場效應(yīng)晶體管（場效應(yīng)管）利用多數(shù)載流子的漂移運動形成電流。,場效應(yīng)管FET(FieldEffectTransistor),結(jié)型場效應(yīng)管JFET(JunctionFET),絕緣柵場效應(yīng)管IGFET(InsulatedGateFET),雙極型晶體管主要是利用基區(qū)非平衡少數(shù)載流子的擴散運動形成電流。,2019年11月21日星期四,模擬電子技術(shù),7,31結(jié)型場效應(yīng)管,311結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)及工作原理,(a)N溝道JFET,圖31結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖及其表示符號,Gate柵極,Source源極,Drain漏極,箭頭方向表示柵源間PN結(jié)若加正向偏置電壓時柵極電流的實際流動方向,ID,實際流向,結(jié)型場效應(yīng)三極管的結(jié)構(gòu).avi,一、結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu),2019年11月21日星期四,模擬電子技術(shù),8,(b)P溝道JFET,圖31結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖及其表示符號,ID,實際流向,2019年11月21日星期四,模擬電子技術(shù),9,(a)UGS=0，溝道最寬,圖32柵源電壓UGS對溝道的控制作用示意圖,二、結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理,2019年11月21日星期四,模擬電子技術(shù),10,(b)UGS負壓增大，溝道變窄,D,S,P,P,圖32柵源電壓UGS對溝道的控制作用示意圖,橫向電場作用：,UGS,溝道寬度,PN結(jié)耗盡層寬度,2019年11月21日星期四,模擬電子技術(shù),11,(c)UGS負壓進一步增大，溝道夾斷,圖32柵源電壓UGS對溝道的控制作用示意圖,D,S,P,P,UGSoff夾斷電壓,2019年11月21日星期四,模擬電子技術(shù),12,溝道預(yù)夾斷,D,G,S,(a)uGDUGSoff（預(yù)夾斷前）,U,DS,I,D,0,U,GS,P,P,圖34uDS對導電溝道的影響,uGD=UGSoff（預(yù)夾斷時）,縱向電場作用：在溝道造成楔型結(jié)構(gòu)（上寬下窄）,2019年11月21日星期四,模擬電子技術(shù),13,由于夾斷點與源極間的溝道長度略有縮短，呈現(xiàn)的溝道電阻值也就略有減小，且夾斷點與源極間的電壓不變。,D,G,S,U,DS,U,GS,溝道局部夾斷,I,D,P,P,幾乎不變,(b)uGDUGSoff（或uDSUGSoff,預(yù)夾斷前所對應(yīng)的區(qū)域。,uGS0，,uDS0,2019年11月21日星期四,模擬電子技術(shù),15,圖33JFET的轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線,(b)輸出特性曲線,1,2,3,4,i,D,/,mA,0,10,20,u,D,S,/,V,可,變,電,阻,區(qū),恒,截止區(qū),2,V,1,.5V,1,V,u,DS,u,G,S,U,GSoff,5,15,流,區(qū),擊,穿,區(qū),U,GS,0V,U,GSoff,0,.,5V,漏極輸出特性曲線.avi,2019年11月21日星期四,模擬電子技術(shù),16,當uDS很小時，uDS對溝道的影響可以忽略，溝道的寬度及相應(yīng)的電阻值僅受uGS的控制。輸出特性可近似為一組直線，此時，JFET可看成一個受uGS控制的可變線性電阻器（稱為JFET的輸出電阻）；,當uDS較大時，uDS對溝道的影響就不能忽略，致使輸出特性曲線呈彎曲狀。,2019年11月21日星期四,模擬電子技術(shù),17,2.恒流區(qū),iD的大小幾乎不受uDS的控制。,預(yù)夾斷后所對應(yīng)的區(qū)域。,(1)當UGSoffuGS0時，uGS變化，曲線平移，iD與uGS符合平方律關(guān)系，uGS對iD的控制能力很強。,(2)uGS固定，uDS增大，iD增大極小。,2019年11月21日星期四,模擬電子技術(shù),18,4.擊穿區(qū),隨著uDS增大，靠近漏區(qū)的PN結(jié)反偏電壓uDG(=uDS-uGS)也隨之增大。,當UGSUGSth（或uDSUGSth,uGDuGS-UGSth）,2019年11月21日星期四,模擬電子技術(shù),33,三、轉(zhuǎn)移特性,(1)當uGSUGSth時，iD0，二者符合平方律關(guān)系。,iD0,2019年11月21日星期四,模擬電子技術(shù),34,u,G,S,/,V,0,3,2,1,1,2,3,4,5,U,GS,th,i,D,/,mA,圖37NMOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線,2019年11月21日星期四,模擬電子技術(shù),35,323N溝道耗盡型MOSFET(DepletionNMOSFET),ID0表示uGS=0時所對應(yīng)的漏極電流。,2019年11月21日星期四,模擬電子技術(shù),36,圖N溝道耗盡型MOS場效應(yīng)管的溝道形成,B,N,導電溝道（反型層）,P,型襯底,N,UGS=0，導電溝道已形成,2019年11月21日星期四,模擬電子技術(shù),37,圖310N溝道耗盡型MOS管的特性及符號(a)轉(zhuǎn)移特性；(b)輸出特性；(c)表示符號,2019年11月21日星期四,模擬電子技術(shù),38,圖310N溝道耗盡型MOS管的特性及符號(a)轉(zhuǎn)移特性；(b)輸出特性；(c)表示符號,(,c,),D,G,S,B,2019年11月21日星期四,模擬電子技術(shù),39,324各種類型MOS管的符號及特性對比,D,G,S,D,G,S,N,溝道,P,溝道,JFET,圖311各種場效應(yīng)管的符號對比,2019年11月21日星期四,模擬電子技術(shù),40,圖311各種場效應(yīng)管的符號對比,2019年11月21日星期四,模擬電子技術(shù),41,JFET：利用柵源電壓（輸入電壓）對耗盡層厚度的控制來改變導電溝道的寬度，從而實現(xiàn)對漏極電流（輸出電流）的控制。,MOSFET：利用柵源電壓（輸入電壓）對半導體表面感生電荷量的控制來改變導電溝道的寬度，從而實現(xiàn)對漏極電流（輸出電流）的控制。,FET,輸入電壓,輸出電流,G,S,S,D,uGS,iD,2019年11月21日星期四,模擬電子技術(shù),42,i,D,u,G,S,U,G,S,off,0,I,DSS,I,D0,U,G,S,th,結(jié)型,P,溝,耗盡型,P,溝,增強型,P,溝,MOS,耗盡型,N,溝,增強型,N,溝,MOS,結(jié)型,N,溝,圖312各種場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性對比,(a)轉(zhuǎn)移特性,N溝道：,P溝道：,2019年11月21日星期四,模擬電子技術(shù),43,圖312各種場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性對比,u,D,S,i,D,0,線性可變電阻區(qū),0,1,2,3,4,5,6,0,1,2,3,1,2,3,3,4,5,6,7,8,9,結(jié)型,P,溝,耗盡型,MOS,P溝,3,4,5,6,0,1,2,0,1,2,3,1,2,3,3,4,5,6,7,8,9,結(jié)型,N,溝,耗盡型,增強型,MOS,N溝,U,GS,/,V,U,GS,/,V,增強型,(b)輸出特性,N溝道：,P溝道：,2019年11月21日星期四,模擬電子技術(shù),44,BJT與FET工作狀態(tài)的對比,2019年11月21日星期四,模擬電子技術(shù),45,場效應(yīng)管工作狀態(tài)的判斷方法,1.先判斷是否處于截止狀態(tài),2.再判斷是否處于放大狀態(tài),或,或,指導思想：假設(shè)處于某一狀態(tài)，然后用計算結(jié)果驗證假設(shè)是否成立。,2019年11月21日星期四,模擬電子技術(shù),46,33場效應(yīng)管的參數(shù)和小信號模型,331場效應(yīng)管的主要參數(shù),一、直流參數(shù),1.結(jié)型場效應(yīng)管和耗盡型MOSFET的主要參數(shù),(1)飽和漏極電流IDSS(ID0)：,(2)夾斷電壓UGSoff：當柵源電壓uGS=UGSoff時，iD=0。,對應(yīng)uGS=0時的漏極電流。,2.增強型MOSFET的主要參數(shù),對增強型MOSFET來說，主要參數(shù)有開啟電壓UGSth。,2019年11月21日星期四,模擬電子技術(shù),47,3.輸入電阻RGS,對結(jié)型場效應(yīng)管，RGS在1081012之間。,對MOS管，RGS在10101015之間。,通常認為RGS。,二、極限參數(shù),(1)柵源擊穿電壓U(BR)GSO。,(2)漏源擊穿電壓U(BR)DSO。,(3)最大功耗PDM：PDM=IDUDS,2019年11月21日星期四,模擬電子技術(shù),48,三、交流參數(shù),1跨導gm,對JFET和耗盡型MOS管,那么,2019年11月21日星期四,模擬電子技術(shù),49,而對增強型MOSFET,那么，對應(yīng)工作點Q的gm為,2019年11月21日星期四,模擬電子技術(shù),50,2.輸出電阻rds,恒流區(qū)的rds可以用下式計算,UA為厄爾利電壓。,2019年11月21日星期四,模擬電子技術(shù),51,若輸入為正弦量，上式可改寫為,通常rds較大，Uds對Id的影響可以忽略，則,332場效應(yīng)管的低頻小信號模型,2019年11月21日星期四,模擬電子技術(shù),52,圖313場效應(yīng)管低頻小信號簡化模型,2019年11月21日星期四,模擬電子技術(shù),53,34場效應(yīng)管放大器,341場效應(yīng)管偏置電路,偏置方式,自偏壓方式,混合偏置方式,確定直流工作點方法,圖解法,解析法,適宜JFET、DMOSFET,適宜JFET、DMOSFET、EMOSFET,2019年11月21日星期四,模擬電子技術(shù),54,圖314場效應(yīng)管偏置方式(a)自偏壓方式；(b)混合偏置方式,2019年11月21日星期四,模擬電子技術(shù),55,一、圖解法,柵源回路直流負載線方程,1.自偏壓方式,圖315(a)圖解法求自偏壓方式電路的直流工作點,Q,2019年11月21日星期四,模擬電子技術(shù),56,圖315(b)圖解法求混合偏置方式電路直流工作點,2.混合偏置方式,柵源回路直流負載線方程,2019年11月21日星期四,模擬電子技術(shù),57,二、解析法,已知電流方程及柵源直流負載線方程，聯(lián)立求解即可求得工作點。,2019年11月21日星期四,模擬電子技術(shù),58,342場效應(yīng)管放大器分析,一、共源放大器,圖316(a)共源放大器電路,2019年11月21日星期四,模擬電子技術(shù),59,圖316(b)共源放大器電路低頻小信號等效電路,2019年11月21日星期四,模擬電子技術(shù),60,圖318(a)帶電流負反饋的放大電路,例試畫出低頻小信號等效電路，并計算增益Au。,2019年11月21日星期四,模擬電子技術(shù),61,圖3-18(b)(c)帶電流負反饋放大電路的等效電路及簡化等效電路,2019年11月21日星期四,模擬電子技術(shù),62,圖319(a)共漏電路,二、共漏放大器,2019年11月21日星期四,模擬電子技術(shù),63,圖319(b)共漏電路等效電路,U,o,R,L,R,S,S,D,I,d,g,m,U,gs,g,m,U,i,-,I,d,(,R,S,R,L,),/,2019年11月21日星期四,模擬電子技術(shù),64,1.放大倍數(shù)Au,U,o,R,L,R,S,S,D,I,d,g,m,U,gs,2019年11月21日星期四,模擬電子技術(shù),65,2.輸入電阻,2019年11月21日星期四,模擬電子技術(shù),66,圖320計算共漏電路輸出電阻Ro的電路,3.輸出電阻Ro,C,2,C,1,R,G1,R,S,U,DD,R,G2,150k,50k,2k,U,o,R,G3,1M,g,m,2mA/V,2019年11月21日星期四,模擬電子技術(shù),67,圖320計算共漏電路輸出電阻Ro的等效電路,2019年11月21日星期四,模擬電子技術(shù),68,2019年11月21日星期四,模擬電子技術(shù),69,作業(yè),3-1,3-3,3-4,3-5,3-7,3-8,2019年11月21日星期四,模擬電子技術(shù),70,(a)轉(zhuǎn)移特性曲線,為保證場效應(yīng)管正常工作，PN結(jié)必須加反向偏置電壓,圖33JFET的轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線,2019年11月21日星期四,模擬電子技術(shù),71,圖33JFET的轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線,(b)輸出特性曲線,1,2,3,4,i,D,/,mA,0,10,20,u,D,S,/,V,可,變,電,阻,區(qū),恒,截止區(qū),2,V,1,.5V,1,V,u,DS,u,G,S,U,GSoff,5,15,流,區(qū),擊,穿,區(qū),U,GS,0V,U,GSoff,0,.,5V,漏極輸出特性曲線.avi,2019年11月21日星期四,模擬電子技術(shù),72,u,G,S,/,V,0,1,2,3,1,2,3,4,5,I,DSS,U,GS,off,i,D,/,mA,1,2,3,4,i,D,/,mA,0,10,20,u,D,S,/,V,可,變,電,阻,區(qū),恒,截止區(qū),2,V,1,.5V,1,V,u,DS,u,G,S,U,GSoff,5,15,流,區(qū),擊,穿,區(qū),U,GS,0V,U,GSoff,0,.,5V,從輸出特性曲線作轉(zhuǎn)移特性曲