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文档简介

场效应管及基本放大电路改第一页,共三十八页,编辑于2023年,星期日第五章教学要求重点与难点1、了解场效应管(FET)的结构及工作原理,掌握其外特性,在实际应用中正确选择FET的参数;2、掌握FET基本放大电路的静态工作点的设置,掌握共源和共漏基本放大电路的等效电路分析法;3、掌握FET与BJT放大电路各自的特点及其应用场合;4、了解FET放大电路的频率响应。重点:FET的外特性,静态工作点的设置,共源和共漏放大电路的基本分析方法,FET基本放大电路的特点及其应用。难点:绝缘栅型场效应管的工作原理,频率响应。第二页,共三十八页,编辑于2023年,星期日本次课教学要求1、了解结型场效应管(JFET)的结构及工作原理;2、了解绝缘栅型场效应管(IGFET)的结构及工作原理;3、掌握FET的外特性及参数,在实际应用中正确选择FET;4、了解FET和BJT各自的特点。第三页,共三十八页,编辑于2023年,星期日第5章场效应管及其放大电路5.1场效应管(FET)

5.2场效应管基本放大电路第四页,共三十八页,编辑于2023年,星期日5.1场效应管(FET)5.1.1结型场效应管5.1.2绝缘栅型场效应管5.1.3场效应管的主要参数5.1.4FET与BJT的比较第五页,共三十八页,编辑于2023年,星期日BJT靠iB控制iC,发射结正偏,当有Vi时必伴随ib,在某些场合(如测某两点的开路电压)导致较大误差,其原因是BJT的输入电阻低。场效应管的特点:(1)用电(场)压效应来控制电流的单极性器件。(2)输入阻抗高(109~1015

Ω)。(3)噪声低(栅流约为0)。第六页,共三十八页,编辑于2023年,星期日场效应管的分类第七页,共三十八页,编辑于2023年,星期日5.1.1结型场效应管(JFET)结构及符号

场效应管有三个极:源极(s)、栅极(g)、漏极(d)。导电沟道源极栅极漏极符号结构示意图N沟道P沟道第八页,共三十八页,编辑于2023年,星期日JFET结构演示第九页,共三十八页,编辑于2023年,星期日1、结型场效应管的工作原理(1)栅-源电压对导电沟道的影响沟道最宽沟道变窄沟道消失称为夹断uGS可以控制导电沟道的宽度。为什么g-s必须加负电压?UGS(off)第十页,共三十八页,编辑于2023年,星期日1、结型场效应管的工作原理(续)(2)漏-源电压对导电沟道的影响uGS>UGS(off)且不变,VDD增大,iD增大。预夹断uGD=UGS(off)VDD的增大,几乎全部用来克服沟道的电阻,iD几乎不变,进入恒流区,iD几乎仅仅决定于uGS。场效应管工作在恒流区的条件是什么?uGD>UGS(off)uGD<UGS(off)第十一页,共三十八页,编辑于2023年,星期日JFET工作原理演示第十二页,共三十八页,编辑于2023年,星期日2、结型场效应管的特性曲线(1)转移特性夹断电压漏极饱和电流场效应管工作在恒流区,因而uGS>UGS(off)且uDS<UGS(off)。

为什么必须用转移特性描述uGS对iD的控制作用?第十三页,共三十八页,编辑于2023年,星期日2、结型场效应管的特性曲线(续)(2)输出特性g-s电压控制d-s的等效电阻预夹断轨迹,uGD=UGS(off)可变电阻区恒流区iD几乎仅决定于uGS击穿区夹断区(截止区)夹断电压IDSSΔiD

不同型号的管子UGS(off)、IDSS将不同。低频跨导:第十四页,共三十八页,编辑于2023年,星期日JFET小结综上分析可知

沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电,

所以场效应管也称为单极型三极管。JFET是电压控制电流器件,iD受uGS控制预夹断前iD与uDS呈近似线性关系;预夹断后,iD趋于饱和。#

为什么JFET的输入电阻比BJT高得多?JFET栅极与沟道间的PN结是反向偏置的,因

此iG0,输入电阻很高。第十五页,共三十八页,编辑于2023年,星期日5.1.2绝缘栅场效应管(IGFET)分类:

增强型N沟道、P沟道耗尽型N沟道、P沟道结构3个电极:漏极D,源极S,栅极G1个衬底引脚(B)。符号:N沟道增强型管P沟道增强型管第十六页,共三十八页,编辑于2023年,星期日5.1.2绝缘栅型场效应管(IGFET)导电沟道的形成SiO2绝缘层衬底耗尽层空穴高掺杂反型层大到一定值才开启(MetalOxide

SemiconductorFET)MOSFET。通常称为MOS管

uGS增大,反型层(导电沟道)将变厚变长。当反型层将两个N区相接时,形成导电沟道。第十七页,共三十八页,编辑于2023年,星期日N沟道增强型MOS管结构演示第十八页,共三十八页,编辑于2023年,星期日1、绝缘栅型场效应管的工作原理(1)栅-源电压对导电沟道的影响

当uGS>0V时→纵向电场→将靠近栅极下方的空穴向下排斥→耗尽层。

当uGS=0V时,漏源之间相当于两个背靠背的二极管,在d、s之间加上电压也不会形成电流,即管子截止。

再增加uGS→纵向电场↑→将P区少子电子聚集到P区表面→形成导电沟道,如果此时加有漏源电压,就可以形成漏极电流id。第十九页,共三十八页,编辑于2023年,星期日栅源电压uGS对沟道的影响演示第二十页,共三十八页,编辑于2023年,星期日1、绝缘栅型场效应管的工作原理(续)(2)漏-源电压对导电沟道的影响

用场效应管组成放大电路时应使之工作在恒流区。N沟道增强型MOS管工作在恒流区的条件是什么?iD随uDS的增大而增大,可变电阻区uGD=UGS(th),预夹断iD几乎仅仅受控于uGS,恒流区刚出现夹断uDS的增大几乎全部用来克服夹断区的电阻第二十一页,共三十八页,编辑于2023年,星期日漏源电压uDS对沟道的影响演示第二十二页,共三十八页,编辑于2023年,星期日增强型NMOS管工作原理动画演示第二十三页,共三十八页,编辑于2023年,星期日2、绝缘栅型场效应管的特性曲线

可根据输出特性曲线作出转移特性曲线。例:作uDS=10V的一条转移特性曲线:UGS(th)输出特性曲线iD=f(uDS)uGS=const转移特性曲线iD=f(uGS)uDS=const第二十四页,共三十八页,编辑于2023年,星期日输出特性(续)①截止区当vGS<UGS(th)时,导电沟道尚未形成,iD=0,为截止工作状态。第二十五页,共三十八页,编辑于2023年,星期日输出特性(续)②可变电阻区vDS≤(vGS-VT)由于vDS较小,可近似为rdso是一个受vGS控制的可变电阻第二十六页,共三十八页,编辑于2023年,星期日n:反型层中电子迁移率Cox:栅极(与衬底间)氧化层单位面积电容本征电导因子其中Kn为电导常数,单位:mA/V2第二十七页,共三十八页,编辑于2023年,星期日3、N沟道耗尽型MOSFET特点:与JFET相似

当uGS=0时,就有沟道,加入uDS,就有iD。当uGS>0时,沟道增宽,iD进一步增加。

当uGS<0时,沟道变窄,iD减小。不同点:栅压可正可负

夹断电压(UGS(off)

)——沟道刚刚消失所需的栅源电压UGS。

结构:在栅极下方的SiO2层中掺入了大量的金属正离子。所以当uGS=0时,这些正离子已经感应出反型层,形成了沟道。第二十八页,共三十八页,编辑于2023年,星期日增强型与耗尽型MOSFET比较1)增强型MOS管2)耗尽型MOS管开启电压夹断电压第二十九页,共三十八页,编辑于2023年,星期日4、P沟道MOSFET

P沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完全相同,只不过导电的载流子不同,供电电压极性不同而已。这如同双极型三极管有NPN型和PNP型一样。第三十页,共三十八页,编辑于2023年,星期日各类FET特性曲线比较PP.135-136图5.1.11类型符号和极性转移特性输出特性uGSOIDSSiDUPuGSOIDSSiDUP-i-uDSOuGS=0V+1VD+2V+3VuGS=UP=+4VuDSOuGS=0V-1ViD-2V-3VuGS=UP=-4VuDSOuGS=5ViD3VuGS=UT=+2V4VuGSiDOUTGSD+-iD-+GSD+-iD-+GSD+-iD-+BJFETP沟道JFETN沟道增强型NMOS第三十一页,共三十八页,编辑于2023年,星期日uGSOiDUPIDSSiDOUTuGSuGSOIDSSiDUPuDSOuGS=0ViD-2VuGS=UP=-4V+2V-iD-5VuGS=UT=-3VO-uDS-4VuGS=-6V

-iD-2VuGS=UP=+4VO-uDS+2VuGS=0VGSD+-iDB+-GSD+-iD-+BGSD+-iDB-+耗尽型NMOS增强型PMOS耗尽型PMOS图5.1.11(续)第三十二页,共三十八页,编辑于2023年,星期日5.1.3场效应管的主要参数(P137)1.直流参数

(1)夹断电压UGS(off)(3)饱和漏极电流(2)开启电压UGS(th)(4)直流输入电阻RGS——栅源间的等效电阻。由于MOS管栅源间有SiO2绝缘层,输入电阻可达109~1015Ω

对于结型场效应三极管,反偏时RGS约为106~109

Ω。第三十三页,共三十八页,编辑于2023年,星期日5.1.3场效应管的主要参数(续)2.交流参数(1)

跨导gm

也称为互导。其定义为(2)

极间电容栅源电容Cgs栅漏电容Cgd漏源电容Cds第三十四页,共三十八页,编辑于2023年,星期日gm的计算当管子工作在放大区时得管子的跨导由可见,gm与IDQ有关。IDQ越大,gm也就越大。

同理,对于增强型FET,有第三十五页,共三十八页,编辑于2023年,星期日5.1.3场效应管的主要参数(续)3.极限参数漏极最大允许耗散功率PDSM=uDSiD该值受管子最高工作温度的限制。

(2)最大漏极电流IDM管子正常工作时漏极电流允许的上限值。(3)栅源击穿电压U(BR)GS是指栅源间反向电流开始急剧上升时的UGS值。漏源击穿电压U(BR)DS是指发生雪崩击穿、iD开始急剧上升时的UDS值。第三十六页,共三十八页,编辑于2023年,星期日5.1.4FET的特点及使用注意事项2、使用注意事项

(1)外加电压极性:

N

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