結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管及其放大電路

1、第八章：場(chǎng)效應(yīng)管,一、場(chǎng)效應(yīng)管概述 二、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)與原理 三、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管放大器 四、MOS場(chǎng)效應(yīng)管介紹,1、分類：,IGFET（Insulated Gate Field Effect Transistor） MOS（Metal Oxide Semiconductor）,vGS=0，iD=0，為增強(qiáng)型管； vGS=0，iD0，為耗盡型管（有初始溝道）。,PMOS、NMOS、CMOS、VMOS、最新的MOS,JFET (Junction Field Effect Transistor),一、場(chǎng)效應(yīng)管概述,2、符號(hào)：,一、場(chǎng)效應(yīng)管概述,3、場(chǎng)效應(yīng)三極管的型號(hào)命名方法 ： 現(xiàn)行有兩種命名方法

2、第一種命名方法： 與雙極型三極管相同，第三位字母J代表結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，O代表絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管。第二位字母代表 材料，D是P型硅，反型層是N溝道；C是N型硅P溝道。 例如：3DJ6D是結(jié)型N溝道場(chǎng)效應(yīng)三極管，3DO6C 是絕緣柵型N溝道場(chǎng)效應(yīng)三極管。 第二種命名方法： CS#，CS代表場(chǎng)效應(yīng)管，以數(shù)字代表型號(hào)的序號(hào)，#用字母代表同一型號(hào)中的不同規(guī)格。 例如：CS14A、CS45G等,一、場(chǎng)效應(yīng)管概述,2、判定柵極用萬用表黑表筆碰觸管子的一個(gè)電極，紅表筆分別碰觸另外兩個(gè)電極。若兩次測(cè)出的阻值都很小，說明均是正向電阻，該管屬于N溝道場(chǎng)效應(yīng)管，黑表筆接的也是柵極。制造工藝決定了場(chǎng)效應(yīng)管的源極和漏極是對(duì)稱的

3、，可以互換使用，并不影響電路的正常工作，所以不必加以區(qū)分。源極與漏極間的電阻約為幾千歐。注意不能用此法判定絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管的柵極。因?yàn)檫@種管子的輸入電阻極高，柵源間的極間電容又很小，測(cè)量時(shí)只要有少量的電荷，就可在極間電容上形成很高的電壓，容易將管子損壞。3、估測(cè)場(chǎng)效應(yīng)管的放大能力將萬用表?yè)艿絉100檔，紅表筆接源極S，黑表筆接漏極D，相當(dāng)于給場(chǎng)效應(yīng)管加上1.5V的電源電壓。這時(shí)表針指示出的是D-S極間電阻值。然后用手指捏柵極G，將人體的感應(yīng)電壓作為輸入信號(hào)加到柵極上。由于管子的放大作用，UDS和ID都將發(fā)生變化，也相當(dāng)于D-S極間電阻發(fā)生變化，可觀察到表針有較大幅度的擺動(dòng)。如果手捏柵極時(shí)表針擺

4、動(dòng)很小，說明管子的放大能力較弱；若表針不動(dòng)，說明管子已經(jīng)損壞。由于人體感應(yīng)的50Hz交流電壓較高，而不同的場(chǎng)效應(yīng)管用電阻檔測(cè)量時(shí)的工作點(diǎn)可能不同，因此用手捏柵極時(shí)表針可能向右擺動(dòng)，也可能向左擺動(dòng)。少數(shù)的管子RDS減小，使表針向右擺動(dòng)，多數(shù)管子的RDS增大，表針向左擺動(dòng)。無論表針的擺動(dòng)方向如何，只要能有明顯地?cái)[動(dòng)，就說明管子具有放大能力。本方法也適用于測(cè)MOS管。為了保護(hù)MOS場(chǎng)效應(yīng)管，必須用手握住螺釘旋具絕緣柄，用金屬桿去碰柵極，以防止人體感應(yīng)電荷直接加到柵極上，將管子損壞。MOS管每次測(cè)量完畢，G-S結(jié)電容上會(huì)充有少量電荷，建立起電壓UGS，再接著測(cè)時(shí)表針可能不動(dòng)，此時(shí)將G-S極間短路一下即

5、可。,4、場(chǎng)效應(yīng)管的測(cè)試,1、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的管腳識(shí)別：場(chǎng)效應(yīng)管的柵極相當(dāng)于晶體管的基極，源極和漏極分別對(duì)應(yīng)于晶體管的發(fā)射極和集電極。將萬用表置于R1k檔，用兩表筆分別測(cè)量每?jī)蓚€(gè)管腳間的正、反向電阻。當(dāng)某兩個(gè)管腳間的正、反向電阻相等，均為數(shù)K時(shí)，則這兩個(gè)管腳為漏極D和源極S（可互換），余下的一個(gè)管腳即為柵極G。對(duì)于有4個(gè)管腳的結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，另外一極是屏蔽極（使用中接地）。,一、場(chǎng)效應(yīng)管概述,MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管在使用時(shí)應(yīng)注意分類，不能隨意互換。MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管由于輸入阻抗高（包括MOS集成電路）極易被靜電擊穿，使用時(shí)應(yīng)注意以下規(guī)則：（1） MOS器件出廠時(shí)通常裝在黑色的導(dǎo)電泡沫塑料袋中，切勿自行

6、隨便拿個(gè)塑料袋裝。也可用細(xì)銅線把各個(gè)引腳連接在一起，或用錫紙包裝（2）取出的MOS器件不能在塑料板上滑動(dòng)，應(yīng)用金屬盤來盛放待用器件。（3）焊接用的電烙鐵必須良好接地。（4）在焊接前應(yīng)把電路板的電源線與地線短接，再M(fèi)OS器件焊接完成后在分開。（5）MOS器件各引腳的焊接順序是漏極、源極、柵極。拆機(jī)時(shí)順序相反。（6）電路板在裝機(jī)之前，要用接地的線夾子去碰一下機(jī)器的各接線端子，再把電路板接上去。（7）MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極在允許條件下，最好接入保護(hù)二極管。在檢修電路時(shí)應(yīng)注意查證原有的保護(hù)二極管是否損壞。,5、MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管使用注意事項(xiàng),一、場(chǎng)效應(yīng)管概述,2.結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JFET)結(jié)構(gòu),1.

7、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JFET)分類：,輸入電阻約為107。,G,S,D,N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管,導(dǎo)電溝道,P溝道：,N溝道：,二、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管,現(xiàn)以N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管為例討論外加電場(chǎng)是如何來控制場(chǎng)效應(yīng)管的電流的。 如圖所示，場(chǎng)效應(yīng)管工作時(shí)它的兩個(gè)PN結(jié)始終要加反向電壓。對(duì)于N溝道，各極間的外加電壓變?yōu)閁GS0，漏源之間加正向電壓，即UDS0。 當(dāng)G、S兩極間電壓UGS改變時(shí)，溝道兩側(cè)耗盡層的寬度也隨著改變，由于溝道寬度的變化，導(dǎo)致溝道電阻值的改變，從而實(shí)現(xiàn)了利用電壓UGS控制電流ID的目的。,3. 場(chǎng)效應(yīng)管工作原理,二、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管,（1）當(dāng)UGS時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管兩側(cè)的PN結(jié)均處于零偏置，形成兩個(gè)耗盡層,如

8、圖（）所示。此時(shí)耗盡層最薄，導(dǎo)電溝道最寬，溝道電阻最小。,1）UGS對(duì)導(dǎo)電溝道的影響,二、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管,（2）當(dāng)|UGS|值增大時(shí)，柵源之間反偏電壓增大，PN結(jié)的耗盡層增寬，如圖（b）所示。導(dǎo)致導(dǎo)電溝道變窄，溝道電阻增大。,二、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管,1）UGS對(duì)導(dǎo)電溝道的影響,（3）當(dāng)|UGS|值增大到使兩側(cè)耗盡層相遇時(shí)，導(dǎo)電溝道全部夾斷，如圖（c）所示。溝道電阻趨于無窮大。對(duì)應(yīng)的柵源電壓UGS稱為場(chǎng)效應(yīng)管的夾斷電壓，用UGS(off)來表示。,二、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管,1）UGS對(duì)導(dǎo)電溝道的影響,a）導(dǎo)電溝道最寬; （b）導(dǎo)電溝道變窄; （c）導(dǎo)電溝道夾斷,二、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管,1）UGS對(duì)導(dǎo)電溝道的影響,（2

9、）當(dāng)UDS增加時(shí)，漏極電流ID從零開始增加，ID流過導(dǎo)電溝道時(shí)，沿著溝道產(chǎn)生電壓降，使溝道各點(diǎn)電位不再相等，溝道不再均勻。靠近源極端的耗盡層最窄，溝道最寬;靠近漏極端的電位最高，且與柵極電位差最大，因而耗盡層最寬，溝道最窄。由圖可知，UDS的主要作用是形成漏極電流ID。,2）UDS對(duì)導(dǎo)電溝道的影響,設(shè)柵源電壓UGS=0,（1）當(dāng)UDS=0時(shí)，ID=0，溝道均勻，如圖所示。,二、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管,（3）當(dāng)0UGSUGS(off)時(shí)，電流ID在零和最大值之間變化。改變柵源電壓UGS的大小，能引起管內(nèi)耗盡層寬度的變化，從而控制了電流ID的大小。場(chǎng)效應(yīng)管和三極管一樣，可看作是受控電流源，但它是一種電壓控制

10、的電流源。,3）UDS和UGS 共同作用的情況：,設(shè)漏源間加有電壓UDS： 當(dāng)UGS變化時(shí)，電流ID將隨溝道電阻的變化而變化。,（1）當(dāng)UGS=0時(shí)，溝道電阻最小，電流ID最大。,（2）當(dāng)|UGS|值增大時(shí)，耗盡層變寬，溝道變窄， 溝道電阻變大，電流ID減小， 直至溝道被耗盡層夾斷，ID=0。,二、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管,預(yù)夾斷,UGS=UP 夾斷狀態(tài) ID=0,3）UDS和UGS 共同作用的情況：,二、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管,轉(zhuǎn)移特性曲線是指在一定漏源電壓UDS作用下，柵極電壓UGS對(duì)漏極電流ID的控制關(guān)系曲線，即：,1）轉(zhuǎn)移特性曲線,測(cè)試電路：,特性曲線：,4. 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線,二、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管,從轉(zhuǎn)

11、移特性曲線可知，UGS對(duì)ID的控制作用如下：,（1）當(dāng)UGS=0時(shí)，導(dǎo)電溝道最寬、溝道電阻最小。所以當(dāng)UDS為某一定值時(shí)，漏極電流ID最大，稱為飽和漏極電流,用IDSS表示。 （2）當(dāng)|UGS|值逐漸增大時(shí)，PN結(jié)上的反向電壓也逐漸增大，耗盡層不斷加寬，溝道電阻逐漸增大，漏極電流ID逐漸減小。 （3）當(dāng)UGS=UGS(off)時(shí)，溝道全部夾斷，ID=0。,輸出特性曲線是指在一定柵極電壓UGS作用下，ID與UDS之間的關(guān)系曲線，即：,2）輸出特性曲線（或漏極特性曲線）,可分成以下幾個(gè)工作區(qū)： （1）可變電阻區(qū) （2）恒流區(qū)（線性放大區(qū)） （3）夾斷區(qū) （4）擊穿區(qū)（當(dāng)UDS增加到一定值時(shí)，ID猛

12、然增加，靠近漏極的PN結(jié)擊穿。） 詳情如下：,4. 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線,二、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管,（1）可變電阻區(qū)。當(dāng)UGS不變，UDS由零逐漸增加且較小時(shí)，ID隨UDS的增加而線性上升，場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)電溝道暢通。漏源之間可視為一個(gè)線性電阻RDS，這個(gè)電阻在UDS較小時(shí)，主要由UGS決定，所以此時(shí)溝道電阻值近似不變。而對(duì)于不同的柵源電壓UGS，則有不同的電阻值RDS，故稱為可變電阻區(qū)。 （2）恒流區(qū)（或線性放大區(qū)）。圖3.29中間部分是恒流區(qū)，在此區(qū)域ID不隨UDS的增加而增加，而是隨著UGS的增大而增大，輸出特性曲線近似平行于UDS軸，ID受UGS的控制，表現(xiàn)出,場(chǎng)效應(yīng)管電壓控制電流的放大作用，場(chǎng)效

13、應(yīng)管組成的放大電路就工作在這個(gè)區(qū)域。 （3）夾斷區(qū)。當(dāng)UGSU GS(off)時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)電溝道被耗盡層全部夾斷，由于耗盡層電阻極大，因而漏極電流ID幾乎為零。此區(qū)域類似于三極管輸出特性曲線的截止區(qū)，在數(shù)字電路中常用做開斷的開關(guān)。 （4）擊穿區(qū)。當(dāng)UDS增加到一定值時(shí)，漏極電流ID急劇上升，靠近漏極的PN結(jié)被擊穿，管子不能正常工作，甚至很快被燒壞。,轉(zhuǎn)移特性, 輸出特性,4. 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線,二、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管,5.場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù),二、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管,（1）夾斷電壓VP（ 或VGS(off) ） VP 是MOS耗盡型和結(jié)型FET的參數(shù)，當(dāng)VGS=VP時(shí),漏極電流為零。,（2）飽和漏

14、極電流IDSS MOS耗盡型和結(jié)型FET, 當(dāng)VGS=0時(shí)所對(duì)應(yīng)的漏極電流。,（3）輸入電阻RGS 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，RGS大于107，MOS場(chǎng)效應(yīng)管, RGS可達(dá)1091015。,（4） 低頻跨導(dǎo)gm gm反映了柵壓對(duì)漏極電流的控制作用，單位是mS(毫西門子)。,（5） 最大漏極功耗PDM PDM= VDS ID，與雙極型三極管的PCM相當(dāng)。,5.場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù),二、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管,5.場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù),二、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管,BJT 和 FET 對(duì)照：,1. 直流偏置電路：,三、場(chǎng)效應(yīng)管放大電路,（1）自偏壓電路,vGS,vGS =- iDR,注意：該電路產(chǎn)生負(fù)的柵源電壓，所以只能用于需要負(fù)柵源

15、電壓的電路。,計(jì)算Q點(diǎn)：VGS 、 ID 、VDS,vGS =,VDS =VDD- ID (Rd + R ),已知VP ，由,- iDR,可解出Q點(diǎn)的VGS 、 ID 、 VDS,（2）分壓式自偏壓電路,VDS =VDD-ID(Rd+R),可解出Q點(diǎn)的VGS 、 ID 、 VDS,計(jì)算Q點(diǎn)：,已知VP ，由,該電路產(chǎn)生的柵源電壓可正可負(fù)，所以適用于所有的場(chǎng)效應(yīng)管電路。,三、場(chǎng)效應(yīng)管放大電路,2.場(chǎng)效應(yīng)管的交流小信號(hào)模型,與雙極型晶體管一樣，場(chǎng)效應(yīng)管也是一種非線性器件，而在交流小信號(hào)情況下，也可以由它的線性等效電路交流小信號(hào)模型來代替。,其中：rgs是輸入電阻，理論值為無窮大。 gmvgs是壓控電流源，它體現(xiàn)了輸入電壓對(duì)輸出電流的控制作用。 稱為低頻跨導(dǎo)。 rd為輸出電阻，類似于雙極型晶體管