第3章、低频率放大器.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,3.1,结型场效应管,3.2,绝缘栅场效应管,3.3,各种,FET,的特性比较及使用注意事项,3.4,场效应管放大电路,本章小结,第3章 场效应管及其放大电路,3.1,结型场效应管,3.1.1,JFET,的结构和工作原理,1.,结构,结型场,效应管按其导电沟道分为,N,沟道和,P,沟道,两种。,其,结构示意图和电路符号如图,3.1,和图,3.2,所,示。,图3.1,N,沟道,JFET,图3.2,P,沟道,JFET,2.,工作原理,（,1）,u,GS,对,i,D,的控制作用,u,GS,对,i,D,的控制作用如图,3.3,所示。,图3.3,u,GS,=0，,栅源电压,u,GS,对导电沟道的影响,在,图3.3（,a）,中，栅源电压等于,0,，沟道面积最大。,在,图3.3（,b）,中，栅源之间加上反偏电压，沟道面积变窄。,在,图3.3（,c）,中，栅源之间的反偏电压增加，耗尽层合拢，沟道被夹断，面积为零。,综上所述，,改变栅源反偏电压的大小，可以有效的控制沟道电阻的大小,。,（,2）,u,DS,对,i,D,的影响,u,DS,对,i,D,的影响,如图,3.4,所示。,图3.4,u,DS,对导电沟道的影响,(,a),u,DS,=0,时的情况,(,b),u,DS,|U,GS(off),|,时的情况,图3.4,u,DS,对导电沟道的影响,在图,3.4（,a）,中，漏源电压等于,0,，漏极电流等于零。,在图,3.4（,b）,中，漏源电压增加，漏极电流增加。,在图,3.4（,c）,中，漏源电压增加，使耗尽层在靠近漏端合拢，漏极电流趋于饱和。,在图,3.4（,d）,中，漏源电压继续增加，耗尽层的合拢点下移，漏极电流不变。,综上所述，,漏源电压的主要作用是形成漏极电流,。,综上分析，可得下述结论：,JFET,栅极、沟道之间的,PN,结是反向偏置的，其,作用是控制导电沟道的电阻，从而控制漏极电流的大,小。,漏源电压的作用是形成漏极电流,。,施加栅源电压和漏源电压的原则是：必须保证,管内的,PN,结处于反向偏置,。,3.1.2,JFET,的特性曲线及参数,1.,输出特性,JFET,的输出特性如图,3.5,所示。,（,a）,u,GS,0 （b）,栅源电压,u,GS,改变,图3.5,N,沟道,JFET,的输出特性,图3.5（,b）,的输出特性可划分为,4,个区域。,（1,）可变电阻区,（,2,）饱和区或恒流区,（,3,）击穿区,（,4,）夹断区：,当,u,GS,U,GS(off),时，,i,D,=0，,称为,夹,断区,，或称为,截止区,。,2.,转移特性,N,沟道结型场效应管的转移特性如图,3.6,所示。,图,3.6,N,沟道,JFET,转移特性,实验表明，在,U,GS(off,),u,GS,0,范围内，即在饱,和区内，,i,D,随,u,GS,增加（负数减少）近似按平方上升，,因而有,(,当 时,),3.,主要参数,（,1,）,夹断电压,U,GS(off),（2）,饱和漏电流,I,DSS,（3）,低频互导（跨导）,g,m,|,=,常数,（,3.2,）,互导反映了栅源电压对漏极电流的控制能力,。,（,4,）最大漏源电压,U,(BR)DS,（5）,最大栅源电压,U,(BR)GS,（6）,直流输入电阻,R,GS,（7）,输出电阻,r,d,|,=,常数,（,3.3,）,（,8,）最大耗散功率,P,DM,3.1,思考题,N,沟道结型场效应管栅源之间能否加正偏电压？为什么？,返回,3.2,绝缘栅场效应管,3.2.1,N,沟道增强型,MOSFET,1.,结构及符号,N,沟道增强型,MOSFET,的结构和代表符号如图,3.7（,a）、（b）,所示。,P,沟道,MOSFET,的代表符号如图,3.7(,c),所示。,图,3.7,MOSFET,N,沟道纵剖面图,N,沟道增强型符号,P,沟道增强型符号,2.,工作原理,N,沟道增强型,MOS,管正常工作时，在,栅源之间加正向电压,V,GG,，,漏源之间加正向电压,V,DD,，,如图,3.8,所示。,图3.8,N,沟道增强型,MOS,管工作原理,当,u,GS,=0,时，漏极和源极之间形成两个反向连接,的,PN,结，其中一个,PN,结是反偏的，故漏极电流为零。,当,u,GS,0,时，,会产生一个垂直于,P,型衬底的电场，,这个电场将,P,区中的自由电子吸引到衬底表面，同时,排斥衬底表面的空穴。,u,GS,越大，吸引到,P,衬底表面层,的电子越多，当,u,GS,达到一定值时，这些电子在栅极,附近的,P,型半导体表面形成一个,N,型薄层，构成了漏,极,和源极之间的,N,型导电沟道,。,若在漏源之间加上电压,u,DS,，,就会产生漏极电流,i,D,。,将形成导电沟道时所需最小的栅、源电压称为,开启电压，用“,U,GS(,th,),”,表示。改变栅、源电压就可,以改变沟道的宽度，也就可以有效的控制漏极电流,i,D,。,3.,特性曲线,N,沟道增强型,MOSFET,的输出特性,及,转移特性如图,3.9,所示。,图,3.9,N,沟道增强型,MOSFET,特性曲线,(,a),输出特性 （,b）,转移特性,4.,参数,MOSFET,的参数与,JFET,基本相同。需要注意的是，,在增强型管子中不用夹断电压,U,GS(off),，,而用开启电压,U,GS(,th,),表征管子的特性。,3.2.2,N,沟道耗尽型,MOSFET,耗尽型场效应管的结构与代表符号如图,3.10,所,示。,(,a)N,沟道结构图 （,b）N,沟道符号 （,c）P,沟道符号,图,3.10,耗尽型,MOS,管结构及符号图,图（,a）,为,N,沟道耗尽型,MOS,管的结构图，,它与增强型场效应管不同的是这种管子在制造时，就在二氧化硅绝缘层中掺入了大量的正离子。由于正离子的作用，即使在,u,GS,=0,时也会在漏源之间形成导电沟道，此时，只要在漏源之间加上正向电压,u,DS,，,就会产生漏极电流,i,D,。,当栅源之间加反偏电压,u,GS,时，沟道中感应的负电荷减少，从而使,i,D,减小。,反偏电压,u,GS,增大，沟道中感应的负电荷进一步,减少。,当反偏电压增大到某一值时，沟道被夹断，使,i,D,=0，,此时的,u,GS,称为夹断电压，用,U,GS（off）,表示。,N,沟道耗尽型场效应管的特性曲线如图,3.11,所,示。,（,a）,转移特性 （,b）,输出特性,图,3.11,N,沟道耗尽型场效应管特性曲线,由,图（,a）,可以看出，,耗尽型,MOS,管的,u,GS,不论是,正是负或零都可以控制,i,D,。,在,u,GS,U,GS（off,）,时，,i,D,与,u,GS,的关系可用下式表,示：,（3.4,）,3.2,思考题,绝缘栅型场效应管有哪几类？其逻辑符号有什么区别？,各类绝缘栅型场效应管在正常工作时，应如何施加电压？,返回,3.3,各种,FET,的特性比较及使用注意事项,3.3.1,各种,FET,的特性比较,各种,FET,的特性比较如表,3.1,所示。,表,3.1,各种场效应管的特性比较,工作,方式,符,号,电压极性,转移特性,i,D,=f(,u,GS,),输出特性,i,D,=f(,u,DS,),u,GS,u,DS,绝缘栅,(,MOSFET),N,型沟道,耗,尽,型,(-),(+),(+),增,强,型,(+),(+),绝缘栅,(,MOSFET),P,型沟道,耗,尽,型,(+),(-),(-),增,强,型,(-),(-),结型,(,JFET),P,型沟道,耗,尽,型,(+),(-),结型,(,JFET),N,型沟道,耗,尽,型,(-),(+),3.3.2,使用注意事项及检测方法,1.,注意事项,（,1,）在,MOS,管中，可将源极与衬底连在一起。,（,2,）出厂时已将源极与衬底连在一起的,，,源极,与漏极不能对调。,（,3）,JFET,的栅源电压不能接反，但可以在开路,状态下保存。而,MOSFET,不使用时，须将各电极短路。,（,4,）焊接时，电烙铁必须有外接地线。特别是,焊接,MOSFET,时，最好断电后再焊接。,2.,检测,由于绝缘栅型（,MOS）,场效应管输入阻抗高，不宜用万用表测量，必须用测试仪测量，而且测试仪器必须良好接地，测试结束后应先短接各电极，以防外来感应电势将栅极击穿。,结型效应管可用万用表判别其管脚和性能的优劣。,（,1,）管脚的判别,首先确定栅极，将万用表置,R1K,或,R100,档，用黑表棒接假设的栅极，再用红表棒分别接另外两脚。若测得的阻值小，黑、红表棒对调后阻值很大，则假设的栅极正确，并知它是,N,沟道场效应管，反之为,P,沟道场效应管。,其次确定源极和漏极，对于结型场效应管，由,于漏、源极是对称的，可以互换，因此，剩余的两,只管脚中任何一只都可以作为源极或漏极。,（,2,）质量判定,把万用表置,R1K,或,R100,档，红、黑两表棒,分别交替接源极和漏极，阻值均小；,然后将黑表棒接栅极，红表棒分别接源极和漏,极，对,N,沟道管阻值应很小，对,P,沟道阻值应很大；,再将红、黑表棒对调，测得的数值相反，这样,的管子基本上是好的。否则要么击穿，要么断路。,3.3,思考题,你能从转移特性曲线上判别出场效应管的类型吗？,使用场效应管时应注意什么？,返回,3.4,场效应管放大电路,3.4.1,FET,的直流偏置电路及静态分析,1.,自偏压电路,电路及各元件的名称及作用如图,3.12（,a）,所示。,图3.12（,a）,自偏压电路,在图中，,U,GS,=-,I,D,R,S,，,适当选择,R,S,值，可获得合适的栅偏压,U,GS,。,2.,分压式自偏压电路,分压式自偏压电路如图,3.12(,b),所示。,图3.12（,b）,分压式自偏压电路,在图中，,漏极电源,V,DD,经分压电阻,R,g1,和,R,g2,分压后，通过,R,g3,供给栅极电压为：,U,G,R,g2,V,DD,(R,g1,+R,g2,),U,S,I,D,R,S,3.4.2,FET,放大电路的动态分析,1.,电路组成,交流信号是从栅极输入，漏极输出，源极作为,公共端。电路如图,3.13(,a),所示，其中,C,1,、,C,2,为耦合,电容，其作用是隔直通交,；,C,S,为源极旁路电容，消,除,R,S,对交流信号的衰减，其交流通路如图,3.13(,b),所,示。,(,a),电路图,(,b),交流通路,图,3.13,共源放大电路,2.,微变等效电路,(1),场效应管的微变等效电路,图,3.14,场效应管微变等效电路,(2),共源放大电路的微变等效电路,共源放大电路的微变等效电路如图,3.15,所示。,图3.15,共源放大电路的微变等效电路,3.,性能指标的计算,(1),电压放大倍数：,A,u,=,-i,d,（,R,d,R,L,）,u,gs,=-,g,m,R,L,（3.6）,(2),输入电阻：,r,i,=,R,g,+（,R,g1,R,g2,）,（3.7）,由式,(3.7),可以看出，,R,g3,的接入大大提高了放大,电路的输入电阻。,(3),输出电阻：,r,o,=,R,d,（3.8）,3.4,思考题,增强型,MOS,管能否采用自偏压电路来设置静态工作点？,返回,本 章 小 结,1.,FET,是电压控制电流器件，只依靠一种载流子,导电，因而属于单极型器件。,2.在,FET,放大电路中，,U,DS,的极性决定于沟道性质，,N（,沟道）为正，,P（,沟道）为负；为了建立合适的偏置电压,U,GS,，,不同类型的,FET，,对偏置电压的极性有不同要求：,JFET,的,U,GS,与,U,DS,极性相反，增强型,MOSFET,的,U,GS,与,U,DS,同极性，耗尽型,MOSFET,的,U,GS,可正、可负或为零。,3.,按场效应管三个电极的不同连接方式，场,效应管放大电路有共源、共栅、共漏极之分，类似于,双极型三极管共射、共基、共集电极放大电路。,4.,由于,FET,场效应管具有输入阻抗高、噪声低,（如,JFET）,等一系列优点，而双极型三极管的,高，,若将二者结合使用，就可大大提高和改善电子电路的,某些性能指标。,5.,MOS,器件主要用于制成集成电路。由于微电子,工艺水平的不断提高，在大规模和超大规模数字集成,电路中应用极为广泛，同时在集成运算放大器和其他,模拟集成电路中也得到了迅速的发展，因此，,MOS,器,件的广泛应用必须引起读者的高度重视。,返回,本 章 完,