结型场效应管及其放大电路课件.pptx
第八章：场效应管,一、场效应管概述二、结型场效应管结构与原理三、结型场效应管放大器四、MOS场效应管介绍,1、分类：,IGFET（Insulated Gate Field Effect Transistor）MOS（Metal Oxide Semiconductor）,vGS=0，iD=0，为增强型管；vGS=0，iD0，为耗尽型管（有初始沟道）。,PMOS、NMOS、CMOS、VMOS、最新的MOS,JFET (Junction Field Effect Transistor),一、场效应管概述,2、符号：,一、场效应管概述,3、场效应三极管的型号命名方法 ：现行有两种命名方法第一种命名方法：与双极型三极管相同，第三位字母J代表结型场效应管，O代表绝缘栅场效应管。第二位字母代表 材料，D是P型硅，反型层是N沟道；C是N型硅P沟道。例如：3DJ6D是结型N沟道场效应三极管，3DO6C 是绝缘栅型N沟道场效应三极管。第二种命名方法：CS#，CS代表场效应管，以数字代表型号的序号，#用字母代表同一型号中的不同规格。例如：CS14A、CS45G等,一、场效应管概述,2、判定栅极用万用表黑表笔碰触管子的一个电极，红表笔分别碰触另外两个电极。若两次测出的阻值都很小，说明均是正向电阻，该管属于N沟道场效应管，黑表笔接的也是栅极。制造工艺决定了场效应管的源极和漏极是对称的，可以互换使用，并不影响电路的正常工作，所以不必加以区分。源极与漏极间的电阻约为几千欧。注意不能用此法判定绝缘栅型场效应管的栅极。因为这种管子的输入电阻极高，栅源间的极间电容又很小，测量时只要有少量的电荷，就可在极间电容上形成很高的电压，容易将管子损坏。3、估测场效应管的放大能力将万用表拨到R100档，红表笔接源极S，黑表笔接漏极D，相当于给场效应管加上1.5V的电源电压。这时表针指示出的是D-S极间电阻值。然后用手指捏栅极G，将人体的感应电压作为输入信号加到栅极上。由于管子的放大作用，UDS和ID都将发生变化，也相当于D-S极间电阻发生变化，可观察到表针有较大幅度的摆动。如果手捏栅极时表针摆动很小，说明管子的放大能力较弱；若表针不动，说明管子已经损坏。由于人体感应的50Hz交流电压较高，而不同的场效应管用电阻档测量时的工作点可能不同，因此用手捏栅极时表针可能向右摆动，也可能向左摆动。少数的管子RDS减小，使表针向右摆动，多数管子的RDS增大，表针向左摆动。无论表针的摆动方向如何，只要能有明显地摆动，就说明管子具有放大能力。本方法也适用于测MOS管。为了保护MOS场效应管，必须用手握住螺钉旋具绝缘柄，用金属杆去碰栅极，以防止人体感应电荷直接加到栅极上，将管子损坏。MOS管每次测量完毕，G-S结电容上会充有少量电荷，建立起电压UGS，再接着测时表针可能不动，此时将G-S极间短路一下即可。,4、场效应管的测试,1、结型场效应管的管脚识别：场效应管的栅极相当于晶体管的基极，源极和漏极分别对应于晶体管的发射极和集电极。将万用表置于R1k档，用两表笔分别测量每两个管脚间的正、反向电阻。当某两个管脚间的正、反向电阻相等，均为数K时，则这两个管脚为漏极D和源极S（可互换），余下的一个管脚即为栅极G。对于有4个管脚的结型场效应管，另外一极是屏蔽极（使用中接地）。,一、场效应管概述,MOS场效应晶体管在使用时应注意分类，不能随意互换。MOS场效应晶体管由于输入阻抗高（包括MOS集成电路）极易被静电击穿，使用时应注意以下规则：（1） MOS器件出厂时通常装在黑色的导电泡沫塑料袋中，切勿自行随便拿个塑料袋装。也可用细铜线把各个引脚连接在一起，或用锡纸包装（2）取出的MOS器件不能在塑料板上滑动，应用金属盘来盛放待用器件。（3）焊接用的电烙铁必须良好接地。（4）在焊接前应把电路板的电源线与地线短接，再MOS器件焊接完成后在分开。（5）MOS器件各引脚的焊接顺序是漏极、源极、栅极。拆机时顺序相反。（6）电路板在装机之前，要用接地的线夹子去碰一下机器的各接线端子，再把电路板接上去。（7）MOS场效应晶体管的栅极在允许条件下，最好接入保护二极管。在检修电路时应注意查证原有的保护二极管是否损坏。,5、MOS场效应晶体管使用注意事项,一、场效应管概述,2.结型场效应管（JFET)结构,1. 结型场效应管（JFET)分类：,输入电阻约为107。,G,S,D,N沟道结型场效应管,导电沟道,P沟道：,N沟道：,二、结型场效应管,现以N沟道结型场效应管为例讨论外加电场是如何来控制场效应管的电流的。如图所示，场效应管工作时它的两个PN结始终要加反向电压。对于N沟道，各极间的外加电压变为UGS0，漏源之间加正向电压，即UDS0。当G、S两极间电压UGS改变时，沟道两侧耗尽层的宽度也随着改变，由于沟道宽度的变化，导致沟道电阻值的改变，从而实现了利用电压UGS控制电流ID的目的。,3. 场效应管工作原理,二、结型场效应管,（1）当UGS时，场效应管两侧的PN结均处于零偏置，形成两个耗尽层,如图（）所示。此时耗尽层最薄，导电沟道最宽，沟道电阻最小。,1）UGS对导电沟道的影响,二、结型场效应管,（2）当|UGS|值增大时，栅源之间反偏电压增大，PN结的耗尽层增宽，如图（b）所示。导致导电沟道变窄，沟道电阻增大。,二、结型场效应管,1）UGS对导电沟道的影响,（3）当|UGS|值增大到使两侧耗尽层相遇时，导电沟道全部夹断，如图（c）所示。沟道电阻趋于无穷大。对应的栅源电压UGS称为场效应管的夹断电压，用UGS(off)来表示。,二、结型场效应管,1）UGS对导电沟道的影响,a）导电沟道最宽; （b）导电沟道变窄; （c）导电沟道夹断,二、结型场效应管,1）UGS对导电沟道的影响,（2）当UDS增加时，漏极电流ID从零开始增加，ID流过导电沟道时，沿着沟道产生电压降，使沟道各点电位不再相等，沟道不再均匀。靠近源极端的耗尽层最窄，沟道最宽;靠近漏极端的电位最高，且与栅极电位差最大，因而耗尽层最宽，沟道最窄。由图可知，UDS的主要作用是形成漏极电流ID。,2）UDS对导电沟道的影响,设栅源电压UGS=0,（1）当UDS=0时，ID=0，沟道均匀，如图所示。,二、结型场效应管,（3）当0UGSUGS(off)时，电流ID在零和最大值之间变化。改变栅源电压UGS的大小，能引起管内耗尽层宽度的变化，从而控制了电流ID的大小。场效应管和三极管一样，可看作是受控电流源，但它是一种电压控制的电流源。,3）UDS和UGS 共同作用的情况：,设漏源间加有电压UDS：当UGS变化时，电流ID将随沟道电阻的变化而变化。,（1）当UGS=0时，沟道电阻最小，电流ID最大。,（2）当|UGS|值增大时，耗尽层变宽，沟道变窄，沟道电阻变大，电流ID减小，直至沟道被耗尽层夹断，ID=0。,二、结型场效应管,预夹断,UGS=UP夹断状态ID=0,3）UDS和UGS 共同作用的情况：,二、结型场效应管,转移特性曲线是指在一定漏源电压UDS作用下，栅极电压UGS对漏极电流ID的控制关系曲线，即：,1）转移特性曲线,测试电路：,特性曲线：,4. 结型场效应管的特性曲线,二、结型场效应管,从转移特性曲线可知，UGS对ID的控制作用如下：,（1）当UGS=0时，导电沟道最宽、沟道电阻最小。所以当UDS为某一定值时，漏极电流ID最大，称为饱和漏极电流,用IDSS表示。（2）当|UGS|值逐渐增大时，PN结上的反向电压也逐渐增大，耗尽层不断加宽，沟道电阻逐渐增大，漏极电流ID逐渐减小。（3）当UGS=UGS(off)时，沟道全部夹断，ID=0。,输出特性曲线是指在一定栅极电压UGS作用下，ID与UDS之间的关系曲线，即：,2）输出特性曲线（或漏极特性曲线）,可分成以下几个工作区：（1）可变电阻区（2）恒流区（线性放大区）（3）夹断区（4）击穿区（当UDS增加到一定值时，ID猛然增加，靠近漏极的PN结击穿。）详情如下：,4. 结型场效应管的特性曲线,二、结型场效应管,（1）可变电阻区。当UGS不变，UDS由零逐渐增加且较小时，ID随UDS的增加而线性上升，场效应管导电沟道畅通。漏源之间可视为一个线性电阻RDS，这个电阻在UDS较小时，主要由UGS决定，所以此时沟道电阻值近似不变。而对于不同的栅源电压UGS，则有不同的电阻值RDS，故称为可变电阻区。 （2）恒流区（或线性放大区）。图3.29中间部分是恒流区，在此区域ID不随UDS的增加而增加，而是随着UGS的增大而增大，输出特性曲线近似平行于UDS轴，ID受UGS的控制，表现出,场效应管电压控制电流的放大作用，场效应管组成的放大电路就工作在这个区域。（3）夹断区。当UGSU GS(off)时，场效应管的导电沟道被耗尽层全部夹断，由于耗尽层电阻极大，因而漏极电流ID几乎为零。此区域类似于三极管输出特性曲线的截止区，在数字电路中常用做开断的开关。（4）击穿区。当UDS增加到一定值时，漏极电流ID急剧上升，靠近漏极的PN结被击穿，管子不能正常工作，甚至很快被烧坏。,转移特性, 输出特性,4. 结型场效应管的特性曲线,二、结型场效应管,5.场效应管的主要参数,二、结型场效应管,（1）夹断电压VP（ 或VGS(off) ） VP 是MOS耗尽型和结型FET的参数，当VGS=VP时,漏极电流为零。,（2）饱和漏极电流IDSS MOS耗尽型和结型FET, 当VGS=0时所对应的漏极电流。,（3）输入电阻RGS 结型场效应管，RGS大于107，MOS场效应管, RGS可达1091015。,（4） 低频跨导gm gm反映了栅压对漏极电流的控制作用，单位是mS(毫西门子)。,（5） 最大漏极功耗PDM PDM= VDS ID，与双极型三极管的PCM相当。,5.场效应管的主要参数,二、结型场效应管,5.场效应管的主要参数,二、结型场效应管,BJT 和 FET 对照：,1. 直流偏置电路：,三、场效应管放大电路,（1）自偏压电路,vGS,vGS =- iDR,注意：该电路产生负的栅源电压，所以只能用于需要负栅源电压的电路。,计算Q点：VGS 、 ID 、VDS,vGS =,VDS =VDD- ID (Rd + R ),已知VP ，由,- iDR,可解出Q点的VGS 、 ID 、 VDS,（2）分压式自偏压电路,VDS =VDD-ID(Rd+R),可解出Q点的VGS 、 ID 、 VDS,计算Q点：,已知VP ，由,该电路产生的栅源电压可正可负，所以适用于所有的场效应管电路。,三、场效应管放大电路,2.场效应管的交流小信号模型,与双极型晶体管一样，场效应管也是一种非线性器件，而在交流小信号情况下，也可以由它的线性等效电路交流小信号模型来代替。,其中：rgs是输入电阻，理论值为无穷大。 gmvgs是压控电流源，它体现了输入电压对输出电流的控制作用。称为低频跨导。 rd为输出电阻，类似于双极型晶体管的rce。,三、场效应管放大电路,3.共源放大电路,三、场效应管放大电路,分析：（1）画出共源放大电路的交流小信号等效电路。,（2）求电压放大倍数,（3）求输入电阻,（4）求输出电阻,忽略 rd,由输入输出回路得,则,则,由于rgs=,三、场效应管放大电路,4.共漏放大电路,三、场效应管放大电路,（2）电压放大倍数,（3）输入电阻,得：,分析：,（1）画交流小信号等效电路。,由,三、场效应管放大电路,（4）输出电阻,所以,由图有：,三、场效应管放大电路,4.共漏放大电路,
