场效应管及其基本电路详解.ppt

2020年3月31日星期二 模拟电子技术 1 第三章场效应管及其基本电路 3 1结型场效应管 3 1 1结型场效应管的结构及工作原理 3 1 2结型场效应管的特性曲线 一 转移特性曲线 二 输出特性曲线 1 可变电阻区 2 恒流区 3 截止区 4 击穿区 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 2 3 2绝缘栅场效应管 IGFET 3 2 1绝缘栅场效应管的结构 3 2 2N沟道增强型MOSFET 一 导电沟道的形成及工作原理 二 转移特性 三 输出特性 1 截止区 2 恒流区 3 可变电阻区 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 3 3 2 3N沟道耗尽型MOSFET 3 2 4各种类型MOS管的符号及特性对比 3 3场效应管的参数和小信号模型 3 3 1场效应管的主要参数 一 直流参数 二 极限参数 三 交流参数 3 3 2场效应管的低频小信号模型 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 4 3 4场效应管放大器 3 4 1场效应管偏置电路 一 图解法 二 解析法 3 4 2场效应管放大器分析 一 共源放大器 二 共漏放大器 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 5 第三章场效应管及其基本电路 1 了解场效应管内部工作原理及性能特点 2 掌握场效应管的外部特性 主要参数 3 了解场效应管基本放大电路的组成 工作原理及性能特点 4 掌握放大电路静态工作点和动态参数 的分析方法 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 6 场效应晶体管 场效应管 利用多数载流子的漂移运动形成电流 场效应管FET FieldEffectTransistor 结型场效应管JFET JunctionFET 绝缘栅场效应管IGFET InsulatedGateFET 双极型晶体管主要是利用基区非平衡少数载流子的扩散运动形成电流 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 7 3 1结型场效应管 3 1 1结型场效应管的结构及工作原理 a N沟道JFET 图3 1结型场效应管的结构示意图及其表示符号 Gate栅极 Source源极 Drain漏极 箭头方向表示栅源间PN结若加正向偏置电压时栅极电流的实际流动方向 ID 实际流向 结型场效应三极管的结构 avi 一 结型场效应管的结构 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 8 b P沟道JFET 图3 1结型场效应管的结构示意图及其表示符号 ID 实际流向 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 9 a UGS 0 沟道最宽 图3 2栅源电压UGS对沟道的控制作用示意图 二 结型场效应管的工作原理 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 10 b UGS负压增大 沟道变窄 D S P P 图3 2栅源电压UGS对沟道的控制作用示意图 横向电场作用 UGS 沟道宽度 PN结耗尽层宽度 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 11 c UGS负压进一步增大 沟道夹断 图3 2栅源电压UGS对沟道的控制作用示意图 D S P P UGSoff 夹断电压 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 12 沟道预夹断 D G S a uGD UGSoff 预夹断前 U DS I D 0 U GS P P 图3 4uDS对导电沟道的影响 uGD UGSoff 预夹断时 纵向电场作用 在沟道造成楔型结构 上宽下窄 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 13 由于夹断点与源极间的沟道长度略有缩短 呈现的沟道电阻值也就略有减小 且夹断点与源极间的电压不变 D G S U DS U GS 沟道局部夹断 I D P P 几乎不变 b uGD UGSoff 预夹断后 结型场效应三极管漏源电压对沟道的控制作用 avi 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 14 3 1 2结型场效应管的特性曲线 一 输出特性曲线 1 可变电阻区 iD的大小同时受uGS和uDS的控制 uGD UGSoff 或uDS uGS UGSoff uGS UGSoff 预夹断前所对应的区域 uGS 0 uDS 0 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 15 图3 3JFET的转移特性曲线和输出特性曲线 b 输出特性曲线 1 2 3 4 i D mA 0 10 20 u D S V 可 变 电 阻 区 恒 截止区 2 V 1 5V 1 V u DS u G S U GSoff 5 15 流 区 击 穿 区 U GS 0V U GSoff 0 5V 漏极输出特性曲线 avi 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 16 当uDS很小时 uDS对沟道的影响可以忽略 沟道的宽度及相应的电阻值仅受uGS的控制 输出特性可近似为一组直线 此时 JFET可看成一个受uGS控制的可变线性电阻器 称为JFET的输出电阻 当uDS较大时 uDS对沟道的影响就不能忽略 致使输出特性曲线呈弯曲状 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 17 2 恒流区 iD的大小几乎不受uDS的控制 预夹断后所对应的区域 1 当UGSoff uGS 0时 uGS变化 曲线平移 iD与uGS符合平方律关系 uGS对iD的控制能力很强 2 uGS固定 uDS增大 iD增大极小 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 18 4 击穿区 随着uDS增大 靠近漏区的PN结反偏电压uDG uDS uGS 也随之增大 当UGS UGSoff时 沟道被全部夹断 iD 0 故此区为截止区 3 截止区 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 19 二 转移特性曲线 式中 IDSS 饱和电流 表示uGS 0时的iD值 UGSoff 夹断电压 表示uGS UGSoff时iD为零 恒流区中 uGS 0 iD 0 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 20 a 转移特性曲线 为保证场效应管正常工作 PN结必须加反向偏置电压 图3 3JFET的转移特性曲线和输出特性曲线 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 21 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 变 电 阻 区 恒 截止区 2 V 1 5V 1 V u DS u G S U GSoff 5 15 流 区 击 穿 区 U GS 0V U GSoff 0 5V 从输出特性曲线作转移特性曲线示意图 转移特性曲线 avi 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 22 3 2绝缘栅场效应管 IGFET 栅极与沟道之间隔了一层很薄的绝缘体 其阻抗比JFET的反偏PN结的阻抗更大 功耗低 集成度高 绝缘体一般为二氧化硅 SiO2 这种IGFET称为金属 氧化物 半导体场效应管 用符号MOSFET表示 MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor 此外 还有以氮化硅为绝缘体的MNSFET等 一 简介 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 23 MOSFET N沟道 P沟道 增强型 N EMOSFET 耗尽型 增强型 耗尽型 N DMOSFET P EMOSFET P DMOSFET 二 分类 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 24 3 2 1绝缘栅场效应管的结构 3 2 2N沟道增强型MOSFET EnhancementNMOSFET 一 导电沟道的形成及工作原理 UGS 0 导电沟道未形成 PN结 耗尽层 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 25 B a UGS UGSth 导电沟道未形成 N U GS N PN 结 耗尽层 P 型衬底 图3 6N沟道增强型MOS场效应管的沟道形成及符号 开启电压 UGSth D S G 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 26 图3 6N沟道增强型MOS场效应管的沟道形成及符号 B N 导电沟道 反型层 P 型衬底 U GS N 衬底的箭头方向表示PN结若加正向电压时的电流方向 b UGS UGSth 导电沟道已形成 栅源电压VGS对沟道的影响 avi 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 27 图uDS增大 沟道预夹断前情况 B U DS P 型衬底 U GS N N 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 28 图3 9uDS增大 沟道预夹断时情况 B U DS P 型衬底 U GS N N 预夹断 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 29 图uDS增大 沟道预夹断后情况 B U DS P 型衬底 U GS N N 漏源电压VDS对沟道的影响 avi 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 30 二 输出特性 1 截止区 uDS 0 uGS UGSth 导电沟道未形成 iD 0 2 可变电阻区 预夹断前所对应的区域 uGS UGSth uGD UGSth 或uDS uGS UGSth 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 31 i D 0 u D S U GS 6V 截止区 4 V 3 V 2 V 5 V 可 变 电 阻 区 恒 流 区 区 穿 击 图3 8输出特性 a 输出特性 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 32 3 恒流区 曲线间隔均匀 uGS对iD控制能力强 uDS对iD的控制能力弱 曲线平坦 预夹断后所对应的区域 uGS UGSth uGDuGS UGSth 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 33 三 转移特性 1 当uGS UGSth时 iD 0 2 当uGS UGSth时 iD 0 二者符合平方律关系 iD 0 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 34 u G S V 0 3 2 1 1 2 3 4 5 U GS th i D mA 图3 7NMOSFET的转移特性曲线 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 35 3 2 3N沟道耗尽型MOSFET DepletionNMOSFET ID0表示uGS 0时所对应的漏极电流 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 36 图N沟道耗尽型MOS场效应管的沟道形成 B N 导电沟道 反型层 P 型衬底 N UGS 0 导电沟道已形成 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 37 图3 10N沟道耗尽型MOS管的特性及符号 a 转移特性 b 输出特性 c 表示符号 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 38 图3 10N沟道耗尽型MOS管的特性及符号 a 转移特性 b 输出特性 c 表示符号 c D G S B 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 39 3 2 4各种类型MOS管的符号及特性对比 D G S D G S N 沟道 P 沟道 JFET 图3 11各种场效应管的符号对比 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 40 图3 11各种场效应管的符号对比 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 41 JFET 利用栅源电压 输入电压 对耗尽层厚度的控制来改变导电沟道的宽度 从而实现对漏极电流 输出电流 的控制 MOSFET 利用栅源电压 输入电压 对半导体表面感生电荷量的控制来改变导电沟道的宽度 从而实现对漏极电流 输出电流 的控制 FET 输入电压 输出电流 G S S D uGS iD 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 42 i D u G S U G S off 0 I DSS I D0 U G S th 结型 P 沟 耗尽型 P 沟 增强型 P 沟 MOS 耗尽型 N 沟 增强型 N 沟 MOS 结型 N 沟 图3 12各种场效应管的转移特性和输出特性对比 a 转移特性 N沟道 P沟道 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 43 图3 12各种场效应管的转移特性和输出特性对比 u D S i D 0 线性可变电阻区 0 1 2 3 4 5 6 0 1 2 3 1 2 3 3 4 5 6 7 8 9 结型 P 沟 耗尽型 MOS P沟 3 4 5 6 0 1 2 0 1 2 3 1 2 3 3 4 5 6 7 8 9 结型 N 沟 耗尽型 增强型 MOS N沟 U GS V U GS V 增强型 b 输出特性 N沟道 P沟道 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 44 BJT与FET工作状态的对比 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 45 场效应管工作状态的判断方法 1 先判断是否处于截止状态 2 再判断是否处于放大状态 或 或 指导思想 假设处于某一状态 然后用计算结果验证假设是否成立 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 46 3 3场效应管的参数和小信号模型 3 3 1场效应管的主要参数 一 直流参数 1 结型场效应管和耗尽型MOSFET的主要参数 1 饱和漏极电流IDSS ID0 2 夹断电压UGSoff 当栅源电压uGS UGSoff时 iD 0 对应uGS 0时的漏极电流 2 增强型MOSFET的主要参数 对增强型MOSFET来说 主要参数有开启电压UGSth 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 47 3 输入电阻RGS 对结型场效应管 RGS在108 1012 之间 对MOS管 RGS在1010 1015 之间 通常认为RGS 二 极限参数 1 栅源击穿电压U BR GSO 2 漏源击穿电压U BR DSO 3 最大功耗PDM PDM ID UDS 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 48 三 交流参数 1 跨导gm 对JFET和耗尽型MOS管 那么 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 49 而对增强型MOSFET 那么 对应工作点Q的gm为 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 50 2 输出电阻rds 恒流区的rds可以用下式计算 UA为厄尔利电压 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 51 若输入为正弦量 上式可改写为 通常rds较大 Uds对Id的影响可以忽略 则 3 3 2场效应管的低频小信号模型 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 52 图3 13场效应管低频小信号简化模型 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 53 3 4场效应管放大器 3 4 1场效应管偏置电路 偏置方式 自偏压方式 混合偏置方式 确定直流工作点方法 图解法 解析法 适宜JFET DMOSFET 适宜JFET DMOSFET EMOSFET 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 54 图3 14场效应管偏置方式 a 自偏压方式 b 混合偏置方式 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 55 一 图解法 栅源回路直流负载线方程 1 自偏压方式 图3 15 a 图解法求自偏压方式电路的直流工作点 Q 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 56 图3 15 b 图解法求混合偏置方式电路直流工作点 2 混合偏置方式 栅源回路直流负载线方程 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 57 二 解析法 已知电流方程及栅源直流负载线方程 联立求解即可求得工作点 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 58 3 4 2场效应管放大器分析 一 共源放大器 图3 16 a 共源放大器电路 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 59 图3 16 b 共源放大器电路低频小信号等效电路 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 60 图3 18 a 带电流负反馈的放大电路 例试画出低频小信号等效电路 并计算增益Au 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 61 图3 18 b c 带电流负反馈放大电路的等效电路及简化等效电路 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 62 图3 19 a 共漏电路 二 共漏放大器 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 63 图3 19 b 共漏电路等效电路 U o R L R S S D I d g m U gs g m U i I d R S R L 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 64 1 放大倍数Au U o R L R S S D I d g m U gs 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 65 2 输入电阻 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 66 图3 20计算共漏电路输出电阻Ro的电路 3 输出电阻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 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 67 图3 20计算共漏电路输出电阻Ro的等效电路 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 68 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 69 作业 3 1 3 3 3 4 3 5 3 7 3 8 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 70 a 转移特性曲线 为保证场效应管正常工作 PN结必须加反向偏置电压 图3 3JFET的转移特性曲线和输出特性曲线 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 71 图3 3JFET的转移特性曲线和输出特性曲线 b 输出特性曲线 1 2 3 4 i D mA 0 10 20 u D S V 可 变 电 阻 区 恒 截止区 2 V 1 5V 1 V u DS u G S U GSoff 5 15 流 区 击 穿 区 U GS 0V U GSoff 0 5V 漏极输出特性曲线 avi 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 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 变 电 阻 区 恒 截止区 2 V 1 5V 1 V u DS u G S U GSoff 5 15 流 区 击 穿 区 U GS 0V U GSoff 0 5V 从输出特性曲线作转移特性曲线示意图 转移特性曲线 avi 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 73 a 立体图 图3 5绝缘栅 金属 氧化物 半导体 场效应管结构示意图 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 74 图3 5绝缘栅 金属 氧化物 半导体 场效应管结构示意图 b 剖面图 S G D N N P 型硅衬底 绝缘层 SiO 2 衬底引线 B 半导体 N沟道增强型MOSFET的结构示意图和符号 avi 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 75 u G S V 0 3 2 1 1 2 3 4 5 U GS th i D mA 图3 7NMOSFET的转移特性曲线 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 76 i D 0 u D S U GS 6V 截止区 4 V 3 V 2 V 5 V 可 变 电 阻 区 恒 流 区 区 穿 击 图3 8输出特性 a 输出特性 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 77 图3 8输出特性 u D S i D 0 U G S U A 厄 尔利电压 b 厄尔利电压 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 78 BJT与FET的对比 2020年3月31日星期二 模拟电子技术 79 使用FET的几点注意事项 保存 测量 焊接 JFET用万用表测试要小心谨慎 电烙铁要有中线 MOSFET一般不可测 各电极焊接顺序为 S D G 断电焊接 注意将几个管脚短路 用金属丝捆绑