结型场效应管及其放大电路.pptx

第八章：第八章：场效效应管管一、一、场效效应管概述管概述二、二、结型型场效效应管管结构与原理构与原理三、三、结型型场效效应管放大器管放大器四、四、MOS场效效应管介管介绍1.N沟道沟道P沟道沟道增增强型型耗尽型耗尽型N沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道（耗尽型）（耗尽型）FET场效效应管管JFET结型型MOSFET绝缘栅型型(IGFET)1 1、分、分、分、分类类：IGFET（Insulated Gate Field Effect Transistor）MOS（Metal Oxide Semiconductor）vGS=0，iD=0，为增增强型管；型管；vGS=0，iD 0，为耗尽型管（有初始沟道）。耗尽型管（有初始沟道）。PMOS、NMOS、CMOS、VMOS、最新的、最新的MOS JFET(Junction Field Effect Transistor)一、一、场效效应管概述管概述2.2 2、符号、符号、符号、符号：一、一、场效效应管概述管概述3.3 3、场场效效效效应应三极管的型号命名方法三极管的型号命名方法三极管的型号命名方法三极管的型号命名方法 ：现行有两种命名方法行有两种命名方法第一种命名方法：第一种命名方法：与双极型三极管相同，第三位字母与双极型三极管相同，第三位字母J代表代表结型型场效效应管，管，O代表代表绝缘栅场效效应管。第二位字母代表管。第二位字母代表 材料，材料，D是是P型硅，型硅，反型反型层是是N沟道；沟道；C是是N型硅型硅P沟道。沟道。例如：例如：3DJ6D是是结型型N沟道沟道场效效应三极管，三极管，3DO6C 是是绝缘栅型型N沟道沟道场效效应三极管。三极管。第二种命名方法：第二种命名方法：CS#，CS代表代表场效效应管，管，以数字代表型号的序号，以数字代表型号的序号，#用字母代表同一型号中的不同用字母代表同一型号中的不同规格。格。例如：例如：CS14A、CS45G等等 一、一、场效效应管概述管概述4.2、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、场效效应管的管的测试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、一、场效效应管概述管概述5.MOS场效效应晶体管在使用晶体管在使用时应注意分注意分类，不能随意互，不能随意互换。MOS场效效应晶体管由于晶体管由于输入阻抗高（包括入阻抗高（包括MOS集成集成电路）极易被静路）极易被静电击穿，使用穿，使用时应注意以下注意以下规则：（1）MOS器件出厂器件出厂时通常装在黑色的通常装在黑色的导电泡沫塑料袋中，切勿自行随便泡沫塑料袋中，切勿自行随便拿个塑料袋装。也可用拿个塑料袋装。也可用细铜线把各个引脚把各个引脚连接在一起，或用接在一起，或用锡纸包装包装（2）取出的）取出的MOS器件不能在塑料板上滑器件不能在塑料板上滑动，应用金属用金属盘来盛放待用器件。来盛放待用器件。（3）焊接用的接用的电烙烙铁必必须良好接地。良好接地。（4）在）在焊接前接前应把把电路板的路板的电源源线与地与地线短接，再短接，再MOS器件器件焊接完成后接完成后在分开。在分开。（5）MOS器件各引脚的器件各引脚的焊接接顺序是漏极、源极、序是漏极、源极、栅极。拆机极。拆机时顺序相反。序相反。（6）电路板在装机之前，要用接地的路板在装机之前，要用接地的线夹子去碰一下机器的各接子去碰一下机器的各接线端子，端子，再把再把电路板接上去。路板接上去。（7）MOS场效效应晶体管的晶体管的栅极在允极在允许条件下，最好接入保条件下，最好接入保护二极管。在二极管。在检修修电路路时应注意注意查证原有的保原有的保护二极管是否二极管是否损坏。坏。5、MOS场效效应晶体管使用注意事晶体管使用注意事项一、一、场效效应管概述管概述6.2.2.结型型场效效应管管（JFET)结构构1.1.结型型场效效应管管（JFET)分分类：输入入电阻阻约为107。P+P+NGSDN沟道沟道结型型场效效应管管导电沟道沟道P沟道：沟道：N沟道：沟道：二、二、结型型场效效应管管7.现以以N沟道沟道结型型场效效应管管为例例讨论外外加加电场是如何来控制是如何来控制场效效应管的管的电流流的。的。如如图所示，所示，场效效应管工作管工作时它的两个它的两个PN结始始终要加反向要加反向电压。对于于N沟道，沟道，各极各极间的外加的外加电压变为UGS0，漏源，漏源之之间加正向加正向电压，即，即UDS0。当当G、S两极两极间电压UGS改改变时，沟道，沟道两两侧耗尽耗尽层的的宽度也随着改度也随着改变，由于，由于沟道沟道宽度的度的变化，化，导致沟道致沟道电阻阻值的的改改变，从而，从而实现了利用了利用电压UGS控制控制电流流ID的目的。的目的。3.3.场效效应管工作原理管工作原理二、二、结型型场效效应管管8.（1）当当UGS时，场效效应管管两两侧的的PN结均均处于于零零偏偏置置，形形成成两两个个耗耗尽尽层,如如图（）所所示示。此此时耗耗尽尽层最最薄薄，导电沟沟道道最最宽，沟沟道道电阻最小阻最小。1）UGS对导电沟道的影响沟道的影响二、二、结型型场效效应管管9.（2）当当|UGS|值增增大大时，栅源源之之间反反偏偏电压增增大大，PN结的的耗耗尽尽层增增宽，如如图（b）所所示示。导致致导电沟沟道道变窄窄，沟沟道道电阻增大。阻增大。二、二、结型型场效效应管管 1）UGS对导电沟道的影响沟道的影响10.（3）当当|UGS|值增增大大到到使使两两侧耗耗尽尽层相相遇遇时，导电沟沟道道全全部部夹断断，如如图（c）所所示示。沟沟道道电阻阻趋于于无无穷大大。对应的的栅源源电压UGS称称为场效效应管管的的夹断断电压，用用UGS(off)来表示。来表示。二、二、结型型场效效应管管 1）UGS对导电沟道的影响沟道的影响11.a）导电沟道最沟道最宽;（b）导电沟道沟道变窄窄;（c）导电沟道沟道夹断断二、二、结型型场效效应管管 1）UGS对导电沟道的影响沟道的影响12.（2）当当UDS增增加加时，漏漏极极电流流ID从从零零开开始始增增加加，ID流流过导电沟沟道道时，沿沿着着沟沟道道产生生电压降降，使使沟沟道道各各点点电位位不不再再相相等等，沟沟道道不不再再均均匀匀。靠靠近近源源极极端端的的耗耗尽尽层最最窄窄，沟沟道道最最宽;靠靠近近漏漏极极端端的的电位位最最高高，且且与与栅极极电位位差差最最大大，因因而而耗耗尽尽层最最宽，沟沟道道最最窄窄。由由图可可知知，UDS的的主主要要作作用用是形成漏极是形成漏极电流流ID。2）UDS对导电沟道的影响沟道的影响设栅源源电压UGS=0（1）当）当UDS=0时，ID=0，沟道均匀，如，沟道均匀，如图所示。所示。二、二、结型型场效效应管管13.（3）当当0UGSUGS(off)时，电流流ID在在零零和和最最大大值之之间变化化。改改变栅源源电压UGS的的大大小小，能能引引起起管管内内耗耗尽尽层宽度度的的变化化，从从而而控控制制了了电流流ID的的大大小小。场效效应管管和和三三极极管管一一样，可可看看作作是是受受控控电流流源源，但但它它是是一一种种电压控制的控制的电流源流源。3）UDS和和UGS 共同作用的情况：共同作用的情况：设漏源漏源间加有加有电压UDS：当当UGS变化化时，电流流ID将随沟道将随沟道电阻的阻的变化而化而变化。化。（1）当）当UGS=0时，沟道，沟道电阻最小，阻最小，电流流ID最大。最大。（2）当）当|UGS|值增大增大时，耗尽，耗尽层变宽，沟道，沟道变窄，窄，沟道沟道电阻阻变大，大，电流流ID减小，减小，直至沟道被耗尽直至沟道被耗尽层夹断，断，ID=0。二、二、结型型场效效应管管14.DP+P+NGSUDSIDUGS预夹断断UGS=UP夹断状断状态ID=03）UDS和和UGS 共同作用的情况：共同作用的情况：二、二、结型型场效效应管管15.转移移特特性性曲曲线是是指指在在一一定定漏漏源源电压UDS作作用用下下，栅极极电压UGS对漏漏极极电流流ID的控制关系曲的控制关系曲线，即：，即：1）转移特性曲移特性曲线测试电路：路：特性曲特性曲线：4.4.结型型场效效应管的特性曲管的特性曲线二、二、结型型场效效应管管16.从从转移特性曲移特性曲线可知，可知，UGS对ID的控制作用如下：的控制作用如下：（1）当当UGS=0时，导电沟沟道道最最宽、沟沟道道电阻阻最最小小。所所以以当当UDS为某某一一定定值时，漏极，漏极电流流ID最大，称最大，称为饱和漏极和漏极电流流,用用IDSS表示。表示。（2）当当|UGS|值逐逐渐增增大大时，PN结上上的的反反向向电压也也逐逐渐增增大大，耗耗尽尽层不断加不断加宽，沟道，沟道电阻逐阻逐渐增大，漏极增大，漏极电流流ID逐逐渐减小。减小。（3）当）当UGS=UGS(off)时，沟道全部，沟道全部夹断，断，ID=0。17.输出出特特性性曲曲线是是指指在在一一定定栅极极电压UGS作作用用下下，ID与与UDS之之间的的关关系系曲曲线，即：，即：2）输出特性曲出特性曲线（或漏极特性曲（或漏极特性曲线）可分成以下几个工作区：可分成以下几个工作区：（1）可）可变电阻区阻区（2）恒流区（）恒流区（线性放大区）性放大区）（3）夹断区断区（4）击穿区（当穿区（当UDS增加到一定增加到一定值时，ID猛然增加，靠近漏极的猛然增加，靠近漏极的PN结击穿。）穿。）详情如下：情如下：4.4.结型型场效效应管的特性曲管的特性曲线二、二、结型型场效效应管管18.（1）可可变电阻阻区区。当当UGS不不变，UDS由由零零逐逐渐增增加加且且较小小时，ID随随UDS的的增增加加而而线性性上上升升，场效效应管管导电沟沟道道畅通通。漏漏源源之之间可可视为一一个个线性性电阻阻RDS，这个个电阻阻在在UDS较小小时，主主要要由由UGS决决定定，所所以以此此时沟沟道道电阻阻值近近似似不不变。而而对于于不不同同的的栅源源电压UGS，则有有不同的不同的电阻阻值RDS，故称，故称为可可变电阻区。阻区。（2）恒恒流流区区（或或线性性放放大大区区）。图3.29中中间部部分分是是恒恒流流区区，在在此此区区域域ID不不随随UDS的的增增加加而而增增加加，而而是是随随着着UGS的的增增大大而而增增大大，输出出特特性性曲曲线近近似似平平行行于于UDS轴，ID受受UGS的控制，表的控制，表现出出19.场效效应管管电压控制控制电流的放大作用，流的放大作用，场效效应管管组成的放大成的放大电路就工作在路就工作在这个区域。个区域。（3）夹断区。当断区。当UGSU GS(off)时，场效效应管的管的导电沟道被耗尽沟道被耗尽层全部全部夹断，由于耗尽断，由于耗尽层电阻极大，因而阻极大，因而漏极漏极电流流ID几乎几乎为零。此区域零。此区域类似似于三极管于三极管输出特性曲出特性曲线的截止区，的截止区，在数字在数字电路中常用做开断的开关。路中常用做开断的开关。（4）击穿区。当穿区。当UDS增加到一定增加到一定值时，漏极，漏极电流流ID急急剧上升，靠近上升，靠近漏极的漏极的PN结被被击穿，管子不能正穿，管子不能正常工作，甚至很快被常工作，甚至很快被烧坏。坏。20.转移特性移特性 输出特出特性性 VP夹断区4.4.结型型场效效应管的特性曲管的特性曲线二、二、结型型场效效应管管21.5.5.场效效应管的主要参数管的主要参数二、二、结型型场效效应管管22.（1）夹断断电压VP（或或VGS(off)）VP 是是MOS耗尽型和耗尽型和结型型FET的参数，当的参数，当VGS=VP时,漏极漏极电流流为零。零。（2）饱和漏极和漏极电流流IDSS MOS耗尽型和耗尽型和结型型FET,当当VGS=0时所所对应的漏极的漏极电流。流。（3）输入入电阻阻RGS 结型型场效效应管，管，RGS大于大于107，MOS场效效应管管,RGS可达可达1091015。（4）低低频跨跨导gm gm反映了反映了栅压对漏极漏极电流的控制作用，流的控制作用，单位是位是mS(毫西毫西门子子)。（5）最大漏极功耗最大漏极功耗PDM PDM=VDS ID，与双极型三极管的，与双极型三极管的PCM相当。相当。5.5.场效效应管的主要参数管的主要参数二、二、结型型场效效应管管23.5.5.场效效应管的主要参数管的主要参数二、二、结型型场效效应管管24.BJT 和和 FET 对照：照：比比较内容内容场效效应管管双极型晶体管双极型晶体管备注注导电方式方式一种一种两种两种控制方式控制方式电压控制控制电流控制流控制电极名称极名称GDSBCED、S 有互有互换性性电路路组态CSCDCGCECCCB控制因子控制因子低低频跨跨导gm电流放大系数流放大系数导电类型型P沟道沟道N沟道沟道PNPNPN输入入电阻阻很高很高107-15较低，低，1K左右左右温度特性温度特性很好很好较差（少子影响）差（少子影响）抗抗辐射性射性很好很好较差差25.1.直流偏置直流偏置电路：路：三、三、场效效应管放大管放大电路路（1）自偏）自偏压电路路vGSvGS=-iDR 注意：注意：该电路路产生生负的的栅源源电压，所以只能用于需要，所以只能用于需要负栅源源电压的的电路。路。计算算Q点：点：VGS、ID、VDSvGS=VDS=VDD-ID(Rd+R)已知已知VP，由，由-iDR可解出可解出Q点的点的VGS、ID、VDS 26.（2）分）分压式自偏式自偏压电路路VDS=VDD-ID(Rd+R)可解出可解出Q点的点的VGS、ID、VDS 计算算Q点：点：已知已知VP，由，由该电路路产生的生的栅源源电压可正可正可可负，所以适用于所有的，所以适用于所有的场效效应管管电路。路。三、三、场效效应管放大管放大电路路27.2 2.场效效应管的交流小信号模型管的交流小信号模型 与双极型晶体管一与双极型晶体管一样，场效效应管也是一种非管也是一种非线性器件，而在交流小信性器件，而在交流小信号情况下，也可以由它的号情况下，也可以由它的线性等效性等效电路路交流小信号模型来代替。交流小信号模型来代替。其中：其中：rgs是是输入入电阻，理阻，理论值为无无穷大。大。gmvgs是是压控控电流源，它体流源，它体现了了输入入电压对输出出电流的控制作用。流的控制作用。称称为低低频跨跨导。rd为输出出电阻，阻，类似于双极型晶体管的似于双极型晶体管的rce。三、三、场效效应管放大管放大电路路28.3.3.共源放大共源放大电路路三、三、场效效应管放大管放大电路路29.分析：分析：（1）画出）画出共源共源放大放大电路的路的交流小信号等效交流小信号等效电路路。（2）求）求电压放大倍数放大倍数（3）求）求输入入电阻阻（4）求）求输出出电阻阻忽略忽略 rd由由输入入输出回路得出回路得则则由于由于rgs=三、三、场效效应管放大管放大电路路30.4.4.共漏放大共漏放大电路路三、三、场效效应管放大管放大电路路31.（2）电压放大倍数放大倍数（3）输入入电阻阻得：得：分析：分析：（1 1）画）画交流小信号等效交流小信号等效电路。路。由由三、三、场效效应管放大管放大电路路32.（4 4）输出出电阻阻所以所以由由图有：有：三、三、场效效应管放大管放大电路路4.4.共漏放大共漏放大电路路33.