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第三章 场效应管放大电路. 3.1 结型场效应管 3.2 绝缘栅场效应管 3.3 场效应管的主要参数 3.4 场效应管的特点 3.5 场效应管放大电路. 3.1 结型场效应管. 3.1.1 结构. 图 3-1 结型场效应管的结构示意图和符号. 3.1.2 工作原理. 1. U GS 对导电沟道的影响. 图 3-2 当 U DS =0 时 U GS 对导电沟道的影响示意. 2. I D 与 U DS 、 U GS 之间的关系. 图 3-3 U DS 对导电沟道和 I D 的影响.
E N D
第三章 场效应管放大电路 3.1 结型场效应管 3.2 绝缘栅场效应管 3.3 场效应管的主要参数 3.4 场效应管的特点 3.5 场效应管放大电路
3.1 结型场效应管 3.1.1 结构 图3-1 结型场效应管的结构示意图和符号
3.1.2 工作原理 1. UGS对导电沟道的影响 图 3-2 当UDS=0时UGS对导电沟道的影响示意
2. ID与UDS、UGS之间的关系 图 3-3 UDS对导电沟道和ID的影响
3.1.3 特性曲线 1.输出特性曲线 图3--4N沟道结型场效应管的输出特性
根据工作情况, 输出特性可划分为4个区域, 即: 可变电阻区、 恒流区、击穿区和截止区。
2. 转移特性曲线 图3- 5 N沟道结型场效应管的转移特性曲线
3.2 绝缘栅场效应管 3.2.1 N沟道增强型MOS场效应管 1. 结构 图 3-7 N沟道增强型MOS场效应管的结构示意图
2. 工作原理 图 3-8UGS>UT时形成导电沟道
3. 特性曲线 图3 – 9 N沟道增强型MOS场效应管的特性曲线
3.2.2 N沟道耗尽型MOS场效应管 图 3-10 N沟道耗尽型MOS管的结构示意图
增强型 JFET JFET i i i - i i D D D i u =0 V D D D D D u =5 V D + + G S u =0 V U - N MOS I G S P N 沟道 沟道 G S P 类型 符号和极性 转移特性 输出特性 i i DSS i O u +1 V 4 V D D D GS -1 V G B G G +2 V + + -2 V - 3 V +3 V -3 V u = U =+4 V + + - u = U =+2 V - - u = U =-4 V - I S S G S P S U O u G S T G S P DSS P GS O O - u O u u u O U DS DS DS GS T 表3-1 各种场效应管的符号和特性曲线
增强型 耗尽型 耗尽型 i -i i D D D i i - i U D D U D D D D - + +2 V u = -6 V - P MOS P MOS T N MOS I -2 V P i G S DSS i i u D O O u u =0 V D D GS GS -5 V u = 0 V G S B B B G G S + G G - -2 V - +2 V -4 V + - u = U =-4 V + + + I - u u = = U U =-3 V =+4 V S S S G S P DSS G G S S T P O O O O u U u - u - u DS P GS DS DS 表3-1 续表
3.3 场效应管的主要参数 • 3.3.1 直流参数 • 1. 饱和漏极电流IDSS • 2. 夹断电压UP • 开启电压UT • 4. 直流输入电阻RGS
1. 饱和漏极电流IDSS IDSS是耗尽型和结型场效应管的一个重要参数, 它的定义是当栅源之间的电压UGS等于零, 而漏、源之间的电压UDS大于夹断电压UP时对应的漏极电流。 2. 夹断电压UP UP也是耗尽型和结型场效应管的重要参数, 其定义为当UDS一定时,使ID减小到某一个微小电流(如1μA, 50μA)时所需的UGS值。
3. 开启电压UT UT是增强型场效应管的重要参数, 它的定义是当UDS一定时, 漏极电流ID达到某一数值(例如10μA)时所需加的UGS值。 4. 直流输入电阻RGS RGS是栅、源之间所加电压与产生的栅极电流之比。由于栅极几乎不索取电流, 因此输入电阻很高。 结型为106 Ω以上, MOS管可达1010Ω以上。
3.3.2 交流参数 1. 低频跨导gm 跨导gm的单位是mA/V。它的值可由转移特性或输出特性求得。
2. 极间电容 场效应管三个电极之间的电容,包括CGS、CGD和CDS。这些极间电容愈小, 则管子的高频性能愈好。 一般为几个pF。
3.3.3 极限参数 1.漏极最大允许耗散功率PDm PDm与ID、UDS有如下关系: 这部分功率将转化为热能, 使管子的温度升高。PDm决定于场效应管允许的最高温升。 2.漏、源间击穿电压BUDS 在场效应管输出特性曲线上, 当漏极电流ID急剧上升产生雪崩击穿时的UDS。工作时外加在漏、源之间的电压不得超过此值。
3. 栅源间击穿电压BUGS 结型场效应管正常工作时, 栅、源之间的PN结处于反向偏置状态, 若UGS过高, PN结将被击穿。 对于MOS场效应管, 由于栅极与沟道之间有一层很薄的二氧化硅绝缘层, 当UGS过高时, 可能将SiO2绝缘层击穿, 使栅极与衬底发生短路。这种击穿不同于PN结击穿, 而和电容器击穿的情况类似, 属于破坏性击穿, 即栅、 源间发生击穿, MOS管立即被损坏。
3.4 场效应管的特点 场效应管具有放大作用,可以组成各种放大电路,与双极性三极管相比,具有以下特点: (1) 场效应管是一种电压控制器件, 即通过UGS来控制ID。 (2) 场效应管输入端几乎没有电流, 所以其直流输入电阻和交流输入电阻都非常高。 (3) 由于场效应管是利用多数载流子导电的, 因此, 与双极性三极管相比, 具有噪声小、受幅射的影响小、热稳定性较好而且存在零温度系数工作点等特性。
(4) 由于场效应管的结构对称, 有时漏极和源极可以互换使用, 而各项指标基本上不受影响, 因此应用时比较方便、 灵活。 (5) 场效应管的制造工艺简单, 有利于大规模集成。 (6) 由于MOS场效应管的输入电阻可高达1015Ω, 因此, 由外界静电感应所产生的电荷不易泄漏, 而栅极上的SiO2绝缘层又很薄, 这将在栅极上产生很高的电场强度, 以致引起绝缘层击穿而损坏管子。 (7) 场效应管的跨导较小, 当组成放大电路时, 在相同的负载电阻下, 电压放大倍数比双极型三极管低。
3.5 场效应管放大电路 3.5.1 静态工作点与偏置电路 图 3 – 16 自给偏压电路
1.图解法 图 3 – 17 求自给偏压电路Q点的图解
2.计算法 IDSS为饱和漏极电流,UP为夹断电压, 可由手册查出。
设 【例1】 电路如图3 - 16所示, 场效应管为3DJG, 其输出特性曲线如图3 - 18所示。已知RD=2 kΩ, RS=1.2 kΩ,UDD=15V, 试用图解法确定该放大器的静态工作点。 解 写出输出回路的电压电流方程, 即直流负载线方程
在输出特性图上将上述两点相连得直流负载线。 图 3-18 图解法确定工作点(例1)
在转移特性曲线上, 作出UGS=-IDRS的曲线。由上式可看出它在uGS~iD坐标系中是一条直线, 找出两点即可。 令 连接该两点, 在uGS~iD坐标系中得一直线, 此线与转移特性曲线的交点, 即为Q点, 对应Q点的值为:
另一种常用的偏置电路为分压式偏置电路, 如图3 -19所示。该电路适合于增强型和耗尽型MOS管和结型场效应管。为了不使分压电阻 R1、R2 对放大电路的输入电阻影响太大, 故通过 RG 与栅极相连。 该电路栅、 源电压为
利用图解法求Q点时, 此方程的直线不通过uGS~iD坐标系的原点,而是通过ID=0,点, 其它过程与自偏电路相同。 利用计算法求解时, 需联立解下面方程组
3.5.2 场效应管的微变等效电路 场效应管仅存关系: 求微分式 (3-13) 定义
如果用id、ugs、uds分别表示iD、uGS、uDS的变化部分, 则式(3-13)可写为
3.5.3 共源极放大电路 图 3 – 20 共源极放大电路微变等效电路
1. 电压放大倍数(Au) 式中,
2. 输入电阻ri 3. 输出电阻ro
3.5.4 共漏放大器(源极输出器) 1. 电压放大倍数(Au) 式中, 所以
整理后得 于是得
2. 输入电阻ri 3. 输出电阻ro 令Us=0, 并在输出端加一信号U2 。
【例3】计算例2电路3-19的电压放大倍数、输入电阻、输出电阻。电路参数及管子参数如例2,且RL=1MΩ,CS=100μF。 解 由例2已求得该电路的静态工作点,UGS=-1.1V, ID=0.61mA, 则根据(3-17)式得
式中 【例4】计算图3 - 21(a)源极输出器的Au、ri、ro。 (已知RG=5MΩ, RS=10 kΩ,RL=10 kΩ,场效应管gm=4mA/V) 解 由于gm已给出, 所以可不计算直流状态。