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場(chǎng)效應(yīng)管及基本放大電路改第一頁(yè),共三十八頁(yè),編輯于2023年,星期日第五章教學(xué)要求重點(diǎn)與難點(diǎn)1、了解場(chǎng)效應(yīng)管(FET)的結(jié)構(gòu)及工作原理,掌握其外特性,在實(shí)際應(yīng)用中正確選擇FET的參數(shù);2、掌握FET基本放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置,掌握共源和共漏基本放大電路的等效電路分析法;3、掌握FET與BJT放大電路各自的特點(diǎn)及其應(yīng)用場(chǎng)合;4、了解FET放大電路的頻率響應(yīng)。重點(diǎn):FET的外特性,靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置,共源和共漏放大電路的基本分析方法,F(xiàn)ET基本放大電路的特點(diǎn)及其應(yīng)用。難點(diǎn):絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理,頻率響應(yīng)。第二頁(yè),共三十八頁(yè),編輯于2023年,星期日本次課教學(xué)要求1、了解結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(JFET)的結(jié)構(gòu)及工作原理;2、了解絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管(IGFET)的結(jié)構(gòu)及工作原理;3、掌握FET的外特性及參數(shù),在實(shí)際應(yīng)用中正確選擇FET;4、了解FET和BJT各自的特點(diǎn)。第三頁(yè),共三十八頁(yè),編輯于2023年,星期日第5章場(chǎng)效應(yīng)管及其放大電路5.1場(chǎng)效應(yīng)管(FET)

5.2場(chǎng)效應(yīng)管基本放大電路第四頁(yè),共三十八頁(yè),編輯于2023年,星期日5.1場(chǎng)效應(yīng)管(FET)5.1.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管5.1.2絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管5.1.3場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)5.1.4FET與BJT的比較第五頁(yè),共三十八頁(yè),編輯于2023年,星期日BJT靠iB控制iC,發(fā)射結(jié)正偏,當(dāng)有Vi時(shí)必伴隨ib,在某些場(chǎng)合(如測(cè)某兩點(diǎn)的開(kāi)路電壓)導(dǎo)致較大誤差,其原因是BJT的輸入電阻低。場(chǎng)效應(yīng)管的特點(diǎn):(1)用電(場(chǎng))壓效應(yīng)來(lái)控制電流的單極性器件。(2)輸入阻抗高(109~1015

Ω)。(3)噪聲低(柵流約為0)。第六頁(yè),共三十八頁(yè),編輯于2023年,星期日?qǐng)鲂?yīng)管的分類(lèi)第七頁(yè),共三十八頁(yè),編輯于2023年,星期日5.1.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(JFET)結(jié)構(gòu)及符號(hào)

場(chǎng)效應(yīng)管有三個(gè)極:源極(s)、柵極(g)、漏極(d)。導(dǎo)電溝道源極柵極漏極符號(hào)結(jié)構(gòu)示意圖N溝道P溝道第八頁(yè),共三十八頁(yè),編輯于2023年,星期日J(rèn)FET結(jié)構(gòu)演示第九頁(yè),共三十八頁(yè),編輯于2023年,星期日1、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理(1)柵-源電壓對(duì)導(dǎo)電溝道的影響溝道最寬溝道變窄溝道消失稱(chēng)為夾斷uGS可以控制導(dǎo)電溝道的寬度。為什么g-s必須加負(fù)電壓?UGS(off)第十頁(yè),共三十八頁(yè),編輯于2023年,星期日1、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理(續(xù))(2)漏-源電壓對(duì)導(dǎo)電溝道的影響uGS>UGS(off)且不變,VDD增大,iD增大。預(yù)夾斷uGD=UGS(off)VDD的增大,幾乎全部用來(lái)克服溝道的電阻,iD幾乎不變,進(jìn)入恒流區(qū),iD幾乎僅僅決定于uGS。場(chǎng)效應(yīng)管工作在恒流區(qū)的條件是什么?uGD>UGS(off)uGD<UGS(off)第十一頁(yè),共三十八頁(yè),編輯于2023年,星期日J(rèn)FET工作原理演示第十二頁(yè),共三十八頁(yè),編輯于2023年,星期日2、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線(1)轉(zhuǎn)移特性?shī)A斷電壓漏極飽和電流場(chǎng)效應(yīng)管工作在恒流區(qū),因而uGS>UGS(off)且uDS<UGS(off)。

為什么必須用轉(zhuǎn)移特性描述uGS對(duì)iD的控制作用?第十三頁(yè),共三十八頁(yè),編輯于2023年,星期日2、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線(續(xù))(2)輸出特性g-s電壓控制d-s的等效電阻預(yù)夾斷軌跡,uGD=UGS(off)可變電阻區(qū)恒流區(qū)iD幾乎僅決定于uGS擊穿區(qū)夾斷區(qū)(截止區(qū))夾斷電壓IDSSΔiD

不同型號(hào)的管子UGS(off)、IDSS將不同。低頻跨導(dǎo):第十四頁(yè),共三十八頁(yè),編輯于2023年,星期日J(rèn)FET小結(jié)綜上分析可知

溝道中只有一種類(lèi)型的多數(shù)載流子參與導(dǎo)電,

所以場(chǎng)效應(yīng)管也稱(chēng)為單極型三極管。JFET是電壓控制電流器件,iD受uGS控制預(yù)夾斷前iD與uDS呈近似線性關(guān)系;預(yù)夾斷后,iD趨于飽和。#

為什么JFET的輸入電阻比BJT高得多?JFET柵極與溝道間的PN結(jié)是反向偏置的,因

此iG0,輸入電阻很高。第十五頁(yè),共三十八頁(yè),編輯于2023年,星期日5.1.2絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管(IGFET)分類(lèi):

增強(qiáng)型N溝道、P溝道耗盡型N溝道、P溝道結(jié)構(gòu)3個(gè)電極:漏極D,源極S,柵極G1個(gè)襯底引腳(B)。符號(hào):N溝道增強(qiáng)型管P溝道增強(qiáng)型管第十六頁(yè),共三十八頁(yè),編輯于2023年,星期日5.1.2絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管(IGFET)導(dǎo)電溝道的形成SiO2絕緣層襯底耗盡層空穴高摻雜反型層大到一定值才開(kāi)啟(MetalOxide

SemiconductorFET)MOSFET。通常稱(chēng)為MOS管

uGS增大,反型層(導(dǎo)電溝道)將變厚變長(zhǎng)。當(dāng)反型層將兩個(gè)N區(qū)相接時(shí),形成導(dǎo)電溝道。第十七頁(yè),共三十八頁(yè),編輯于2023年,星期日N溝道增強(qiáng)型MOS管結(jié)構(gòu)演示第十八頁(yè),共三十八頁(yè),編輯于2023年,星期日1、絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理(1)柵-源電壓對(duì)導(dǎo)電溝道的影響

當(dāng)uGS>0V時(shí)→縱向電場(chǎng)→將靠近柵極下方的空穴向下排斥→耗盡層。

當(dāng)uGS=0V時(shí),漏源之間相當(dāng)于兩個(gè)背靠背的二極管,在d、s之間加上電壓也不會(huì)形成電流,即管子截止。

再增加uGS→縱向電場(chǎng)↑→將P區(qū)少子電子聚集到P區(qū)表面→形成導(dǎo)電溝道,如果此時(shí)加有漏源電壓,就可以形成漏極電流id。第十九頁(yè),共三十八頁(yè),編輯于2023年,星期日柵源電壓uGS對(duì)溝道的影響演示第二十頁(yè),共三十八頁(yè),編輯于2023年,星期日1、絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理(續(xù))(2)漏-源電壓對(duì)導(dǎo)電溝道的影響

用場(chǎng)效應(yīng)管組成放大電路時(shí)應(yīng)使之工作在恒流區(qū)。N溝道增強(qiáng)型MOS管工作在恒流區(qū)的條件是什么?iD隨uDS的增大而增大,可變電阻區(qū)uGD=UGS(th),預(yù)夾斷iD幾乎僅僅受控于uGS,恒流區(qū)剛出現(xiàn)夾斷uDS的增大幾乎全部用來(lái)克服夾斷區(qū)的電阻第二十一頁(yè),共三十八頁(yè),編輯于2023年,星期日漏源電壓uDS對(duì)溝道的影響演示第二十二頁(yè),共三十八頁(yè),編輯于2023年,星期日增強(qiáng)型NMOS管工作原理動(dòng)畫(huà)演示第二十三頁(yè),共三十八頁(yè),編輯于2023年,星期日2、絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線

可根據(jù)輸出特性曲線作出轉(zhuǎn)移特性曲線。例:作uDS=10V的一條轉(zhuǎn)移特性曲線:UGS(th)輸出特性曲線iD=f(uDS)uGS=const轉(zhuǎn)移特性曲線iD=f(uGS)uDS=const第二十四頁(yè),共三十八頁(yè),編輯于2023年,星期日輸出特性(續(xù))①截止區(qū)當(dāng)vGS<UGS(th)時(shí),導(dǎo)電溝道尚未形成,iD=0,為截止工作狀態(tài)。第二十五頁(yè),共三十八頁(yè),編輯于2023年,星期日輸出特性(續(xù))②可變電阻區(qū)vDS≤(vGS-VT)由于vDS較小,可近似為rdso是一個(gè)受vGS控制的可變電阻第二十六頁(yè),共三十八頁(yè),編輯于2023年,星期日n:反型層中電子遷移率Cox:柵極(與襯底間)氧化層單位面積電容本征電導(dǎo)因子其中Kn為電導(dǎo)常數(shù),單位:mA/V2第二十七頁(yè),共三十八頁(yè),編輯于2023年,星期日3、N溝道耗盡型MOSFET特點(diǎn):與JFET相似

當(dāng)uGS=0時(shí),就有溝道,加入uDS,就有iD。當(dāng)uGS>0時(shí),溝道增寬,iD進(jìn)一步增加。

當(dāng)uGS<0時(shí),溝道變窄,iD減小。不同點(diǎn):柵壓可正可負(fù)

夾斷電壓(UGS(off)

)——溝道剛剛消失所需的柵源電壓UGS。

結(jié)構(gòu):在柵極下方的SiO2層中摻入了大量的金屬正離子。所以當(dāng)uGS=0時(shí),這些正離子已經(jīng)感應(yīng)出反型層,形成了溝道。第二十八頁(yè),共三十八頁(yè),編輯于2023年,星期日增強(qiáng)型與耗盡型MOSFET比較1)增強(qiáng)型MOS管2)耗盡型MOS管開(kāi)啟電壓夾斷電壓第二十九頁(yè),共三十八頁(yè),編輯于2023年,星期日4、P溝道MOSFET

P溝道MOSFET的工作原理與N溝道MOSFET完全相同,只不過(guò)導(dǎo)電的載流子不同,供電電壓極性不同而已。這如同雙極型三極管有NPN型和PNP型一樣。第三十頁(yè),共三十八頁(yè),編輯于2023年,星期日各類(lèi)FET特性曲線比較PP.135-136圖5.1.11類(lèi)型符號(hào)和極性轉(zhuǎn)移特性輸出特性u(píng)GSOIDSSiDUPuGSOIDSSiDUP-i-uDSOuGS=0V+1VD+2V+3VuGS=UP=+4VuDSOuGS=0V-1ViD-2V-3VuGS=UP=-4VuDSOuGS=5ViD3VuGS=UT=+2V4VuGSiDOUTGSD+-iD-+GSD+-iD-+GSD+-iD-+BJFETP溝道JFETN溝道增強(qiáng)型NMOS第三十一頁(yè),共三十八頁(yè),編輯于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-+耗盡型NMOS增強(qiáng)型PMOS耗盡型PMOS圖5.1.11(續(xù))第三十二頁(yè),共三十八頁(yè),編輯于2023年,星期日5.1.3場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)(P137)1.直流參數(shù)

(1)夾斷電壓UGS(off)(3)飽和漏極電流(2)開(kāi)啟電壓UGS(th)(4)直流輸入電阻RGS——柵源間的等效電阻。由于MOS管柵源間有SiO2絕緣層,輸入電阻可達(dá)109~1015Ω

。

對(duì)于結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管,反偏時(shí)RGS約為106~109

Ω。第三十三頁(yè),共三十八頁(yè),編輯于2023年,星期日5.1.3場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)(續(xù))2.交流參數(shù)(1)

跨導(dǎo)gm

也稱(chēng)為互導(dǎo)。其定義為(2)

極間電容柵源電容Cgs柵漏電容Cgd漏源電容Cds第三十四頁(yè),共三十八頁(yè),編輯于2023年,星期日gm的計(jì)算當(dāng)管子工作在放大區(qū)時(shí)得管子的跨導(dǎo)由可見(jiàn),gm與IDQ有關(guān)。IDQ越大,gm也就越大。

同理,對(duì)于增強(qiáng)型FET,有第三十五頁(yè),共三十八頁(yè),編輯于2023年,星期日5.1.3場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)(續(xù))3.極限參數(shù)漏極最大允許耗散功率PDSM=uDSiD該值受管子最高工作溫度的限制。

(2)最大漏極電流IDM管子正常工作時(shí)漏極電流允許的上限值。(3)柵源擊穿電壓U(BR)GS是指柵源間反向電流開(kāi)始急劇上升時(shí)的UGS值。漏源擊穿電壓U(BR)DS是指發(fā)生雪崩擊穿、iD開(kāi)始急劇上升時(shí)的UDS值。第三十六頁(yè),共三十八頁(yè),編輯于2023年,星期日5.1.4FET的特點(diǎn)及使用注意事項(xiàng)2、使用注意事項(xiàng)

(1)外加電壓極性:

N

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