1结型场效应管及其放大电路教学版.pptx

华南农业大学电子工程学院设计制作：谭诚臣 E-mail:一、一、BJT 和和 FET 对照对照比较内容比较内容场效应管场效应管双极型晶体管双极型晶体管备注备注导电方式导电方式一种一种两种两种控制方式控制方式电压控制电压控制电流控制电流控制电极名称电极名称GDSBCED、S 有互换性有互换性电路组态电路组态CSCDCGCECCCB控制因子控制因子低频跨导低频跨导gm电流放大系数电流放大系数导电类型导电类型P沟道沟道N沟道沟道PNPNPN输入电阻输入电阻很高很高107-15较低，较低，1K左右左右温度特性温度特性很好很好较差（少子影响）较差（少子影响）抗辐射性抗辐射性很好很好较差较差第一节第一节 概述概述华南农业大学电子工程学院设计制作：谭诚臣 E-mail:N沟道沟道P沟道沟道增强型增强型耗尽型耗尽型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场效应管场效应管JFET结型结型MOSFET绝缘栅型绝缘栅型(IGFET)二、分类：二、分类：IGFET（Insulated Gate Field Effect Transistor）MOS（Metal Oxide Semiconductor）vGS=0，iD=0，为增强型管；，为增强型管；vGS=0，iD 0，为耗尽型管（有初始沟道）。，为耗尽型管（有初始沟道）。PMOS、NMOS、CMOS、VMOS、最新的、最新的MOS JFET(Junction Field Effect Transistor)华南农业大学电子工程学院设计制作：谭诚臣 E-mail:三、符号三、符号华南农业大学电子工程学院设计制作：谭诚臣 E-mail:四、场效应三极管的型号命名方法四、场效应三极管的型号命名方法 现行有两种命名方法现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代表结型场效应代表结型场效应管，管，O代表绝缘栅场效应管。第二位字母代表代表绝缘栅场效应管。第二位字母代表 材料，材料，D是是P型硅，反型层是型硅，反型层是N沟道；沟道；C是是N型硅型硅P沟道。沟道。例如：例如：3DJ6D是结型是结型N沟道场效应三极管，沟道场效应三极管，3DO6C 是绝缘栅型是绝缘栅型N沟道场效应三极管。沟道场效应三极管。第二种命名方法：第二种命名方法：CS#，CS代表场效应管，代表场效应管，以数字代表型号的序以数字代表型号的序号，号，#用字母代表同一型号中的不同规格。用字母代表同一型号中的不同规格。例如：例如：CS14A、CS45G等等 华南农业大学电子工程学院设计制作：谭诚臣 E-mail: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。场效应管的测试场效应管的测试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）。华南农业大学电子工程学院设计制作：谭诚臣 E-mail:MOS场效应晶体管在使用时应注意分类，不能随意互换。场效应晶体管在使用时应注意分类，不能随意互换。MOS场效场效应晶体管由于输入阻抗高（包括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，使用集成电路）极易被静电击穿，使用时应注意以下规则：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）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。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。）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）在焊接前应把电路板的电源线与地线短接，再MOS器件焊接完成后器件焊接完成后在分开。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。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，）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。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。检修电路时应注意查证原有的保护二极管是否损坏。五、五、MOS场效应晶体管使用注意事项场效应晶体管使用注意事项华南农业大学电子工程学院设计制作：谭诚臣 E-mail:2.结型结型场效应管（场效应管（JFET)结构结构1.结型结型场效应管（场效应管（JFET)分类：分类：输入电阻约为输入电阻约为107。P+P+NGSDN沟道结型场效应管沟道结型场效应管导电沟道导电沟道P沟道：沟道：N沟道：沟道：第二节第二节 结型场效应管结型场效应管华南农业大学电子工程学院设计制作：谭诚臣 E-mail:现以现以N沟道结型场效应管为例讨论外加电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。场是如何来控制场效应管的电流的。如图所示，场效应管工作时如图所示，场效应管工作时它的两个它的两个PN结始终要加反向电压结始终要加反向电压。对于对于N沟道沟道:UGS0 UDS0。当当G、S两极间电压两极间电压UGS改变时，沟道两侧改变时，沟道两侧耗尽层的宽度也随着改变，由于沟道宽度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，从而实的变化，导致沟道电阻值的改变，从而实现了利用电压现了利用电压UGS控制电流控制电流ID的目的。的目的。3.场效应管工作原理场效应管工作原理华南农业大学电子工程学院设计制作：谭诚臣 E-mail:（1）当当UGS时时，场场效效应应管管两两侧侧的的PN结结均均处处于于零零偏偏置置，形形成成两两个个耗耗尽尽层层,如如图图（）所所示示。此此时时耗耗尽尽层层最最薄薄，导导电电沟沟道道最最宽宽，沟沟道道电阻最小。电阻最小。1）UGS对导电沟道的影响对导电沟道的影响华南农业大学电子工程学院设计制作：谭诚臣 E-mail:（2）当当|UGS|值值增增大大时时，栅栅源源之之间间反反偏偏电电压压增增大大，PN结结的的耗耗尽尽层层增增宽宽，如如图图（b）所所示示。导导致致导导电电沟沟道道变变窄窄，沟沟道电阻增大。道电阻增大。1）UGS对导电沟道的影响对导电沟道的影响华南农业大学电子工程学院设计制作：谭诚臣 E-mail:（3）当当|UGS|值值增增大大到到使使两两侧侧耗耗尽尽层层相相遇遇时时，导导电电沟沟道道全全部部夹夹断断，如如图图（c）所所示示。沟沟道道电电阻阻趋趋于于无无穷穷大大。对对应应的的栅栅源源电电压压UGS称称为为场场效效应应管管的的夹夹断断电电压压，用用UGS(off)来表示。来表示。1）UGS对导电沟道的影响对导电沟道的影响华南农业大学电子工程学院设计制作：谭诚臣 E-mail: a）导电沟道最宽）导电沟道最宽;（b）导电沟道变窄）导电沟道变窄;（c）导电沟道夹断）导电沟道夹断 1）UGS对导电沟道的影响对导电沟道的影响华南农业大学电子工程学院设计制作：谭诚臣 E-mail:（2）当当UDS增增加加时时，漏漏极极电电流流ID从从零零开开始始增增加加，ID流流过过导导电电沟沟道道时时，沿沿着着沟沟道道产产生生电电压压降降，使使沟沟道道各各点点电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层最最窄窄，沟沟道道最最宽宽;靠靠近近漏漏极极端端的的电电位位最最高高，且且与与栅栅极极电电位位差差最最大大，因因而而耗耗尽尽层层最最宽宽，沟沟道道最最窄窄。由由图图可可知知，UDS的的主主要要作作用用是形成漏极电流是形成漏极电流ID。2）UDS对导电沟道的影响对导电沟道的影响设栅源电压设栅源电压UGS=0（1）当）当UDS=0时，时，ID=0，沟道均匀，如图所示。，沟道均匀，如图所示。华南农业大学电子工程学院设计制作：谭诚臣 E-mail:（3）当当0UGSUGS(off)时时，电电流流ID在在零零和和最最大大值值之之间间变变化化。改改变变栅栅源源电电压压UGS的的大大小小，能能引引起起管管内内耗耗尽尽层层宽宽度度的的变变化化，从从而而控控制制了了电电流流ID的的大大小小。场场效效应应管管和和三三极极管管一一样样，可可看看作作是是受受控控电电流流源源，但但它它是是一一种种电压控制的电流源电压控制的电流源。3）UDS和和UGS 共同作用的情况：共同作用的情况：设漏源间加有电压设漏源间加有电压UDS：当当UGS变化时，电流变化时，电流ID将随沟道电阻的变化而变化。将随沟道电阻的变化而变化。（1）当）当UGS=0时，沟道电阻最小，电流时，沟道电阻最小，电流ID最大。最大。（2）当）当|UGS|值增大时，耗尽层变宽，沟道变窄，值增大时，耗尽层变宽，沟道变窄，沟道电阻变大，电流沟道电阻变大，电流ID减小，减小，直至沟道被耗尽层夹断，直至沟道被耗尽层夹断，ID=0。华南农业大学电子工程学院设计制作：谭诚臣 E-mail:DP+P+NGSUDSIDUGS预夹断预夹断UGS=UP夹断状态夹断状态ID=03）UDS和和UGS 共同作用的情况：共同作用的情况：华南农业大学电子工程学院设计制作：谭诚臣 E-mail:转转移移特特性性曲曲线线是是指指在在一一定定漏漏源源电电压压UDS作作用用下下，栅栅极极电电压压UGS对对漏漏极极电电流流ID的控制关系曲线，即：的控制关系曲线，即：4.结型场效应管的特性曲线结型场效应管的特性曲线1）转移特性曲线）转移特性曲线测试电路：测试电路：特性曲线：特性曲线：华南农业大学电子工程学院设计制作：谭诚臣 E-mail:从转移特性曲线可知，从转移特性曲线可知，UGS对对ID的控制作用如下：的控制作用如下：（1）当当UGS=0时时，导导电电沟沟道道最最宽宽、沟沟道道电电阻阻最最小小。所所以以当当UDS为为某某一一定值时，漏极电流定值时，漏极电流ID最大，称为饱和漏极电流最大，称为饱和漏极电流,用用IDSS表示。表示。（2）当当|UGS|值值逐逐渐渐增增大大时时，PN结结上上的的反反向向电电压压也也逐逐渐渐增增大大，耗耗尽尽层不断加宽，沟道电阻逐渐增大，漏极电流层不断加宽，沟道电阻逐渐增大，漏极电流ID逐渐减小。逐渐减小。（3）当）当UGS=UGS(off)时，沟道全部夹断，时，沟道全部夹断，ID=0。华南农业大学电子工程学院设计制作：谭诚臣 E-mail:输输出出特特性性曲曲线线是是指指在在一一定定栅栅极极电电压压UGS作作用用下下，ID与与UDS之之间间的的关关系系曲曲线，即：线，即：4.结型场效应管的特性曲线结型场效应管的特性曲线2）输出特性曲线（或漏极特性曲线）输出特性曲线（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）可变电阻区）可变电阻区（2）恒流区（线性放大区）恒流区（线性放大区）（3）夹断区）夹断区（4）击穿区（当）击穿区（当UDS增加到一定增加到一定值时，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。）结击穿。）详情如下：详情如下：华南农业大学电子工程学院设计制作：谭诚臣 E-mail: （1）可可变变电电阻阻区区。当当UGS不不变变，UDS由由零零逐逐渐渐增增加加且且较较小小时时，ID随随UDS的的增增加加而而线线性性上上升升，场场效效应应管管导导电电沟沟道道畅畅通通。漏漏源源之之间间可可视视为为一一个个线线性性电电阻阻RDS，这这个个电电阻阻在在UDS较较小小时时，主主要要由由UGS决决定定，所所以以此此时时沟沟道道电电阻阻值值近近似似不不变变。而而对对于于不不同同的的栅栅源源电电压压UGS，则则有有不同的电阻值不同的电阻值RDS，故称为可变电阻区。，故称为可变电阻区。（2）恒恒流流区区（或或线线性性放放大大区区）。图图3.29中中间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，输输出出特特性性曲曲线线近近似似平平行行于于UDS轴，轴，ID受受UGS的控制，表现出的控制，表现出华南农业大学电子工程学院设计制作：谭诚臣 E-mail:场效应管电压控制电流的放大作用，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场效应管组成的放大电路就工作在这个区域。这个区域。（3）夹断区。当）夹断区。当UGSU GS(off)时，时，场效应管的导电沟道被耗尽层全部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，因而夹断，由于耗尽层电阻极大，因而漏极电流漏极电流ID几乎为零。此区域类似几乎为零。此区域类似于三极管输出特性曲线的截止区，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。在数字电路中常用做开断的开关。（4）击穿区。当）击穿区。当UDS增加到一定增加到一定值时，漏极电流值时，漏极电流ID急剧上升，靠近急剧上升，靠近漏极的漏极的PN结被击穿，管子不能正结被击穿，管子不能正常工作，甚至很快被烧坏。常工作，甚至很快被烧坏。华南农业大学电子工程学院设计制作：谭诚臣 E-mail:转移特性转移特性 输出特输出特性性 VP夹断区4.结型场效应管的特性曲线结型场效应管的特性曲线华南农业大学电子工程学院设计制作：谭诚臣 E-mail:场效应管的主要参数场效应管的主要参数（1）夹断电压）夹断电压VP（或或VGS(off)）VP 是是MOS耗尽型和结型耗尽型和结型FET的参数，当的参数，当VGS=VP时时,漏极电流为零。漏极电流为零。（2）饱和漏极电流）饱和漏极电流IDSS MOS耗尽型和结型耗尽型和结型FET,当当VGS=0时所对应的漏极电流。时所对应的漏极电流。（3）输入电阻）输入电阻RGS 结型场效应管，结型场效应管，RGS大于大于107，MOS场效应管场效应管,RGS可达可达1091015。（4）低频跨导低频跨导gm gm反映了栅压对漏极电流的控制作用，单位是反映了栅压对漏极电流的控制作用，单位是mS(毫西门子毫西门子)。（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。华南农业大学电子工程学院设计制作：谭诚臣 E-mail:场效应管的主要参数场效应管的主要参数华南农业大学电子工程学院设计制作：谭诚臣 E-mail:1.1.直流偏置电路：直流偏置电路：第三节第三节 场效应管放大电路场效应管放大电路（1）自）自偏压电路偏压电路vGSvGS=-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。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。计算计算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 华南农业大学电子工程学院设计制作：谭诚臣 E-mail:（1）自）自偏压电路偏压电路注意：不同著作中注意：不同著作中 VP=UGS(off)华南农业大学电子工程学院设计制作：谭诚臣 E-mail:（1）自）自偏压电路偏压电路注意：不同著作中注意：不同著作中 VP=UGS(off)华南农业大学电子工程学院设计制作：谭诚臣 E-mail:（2）分压式自）分压式自偏压电路偏压电路VDS=VDD-ID(Rd+R)可解出可解出Q点的点的VGS、ID、VDS 计算计算Q点：点：已知已知VP，由，由该电路产生的栅源电压可正该电路产生的栅源电压可正可负，所以适用于所有的场可负，所以适用于所有的场效应管电路。效应管电路。华南农业大学电子工程学院设计制作：谭诚臣 E-mail:2.场效应管的交流小信号模型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。交流小信号模型来代替。华南农业大学电子工程学院设计制作：谭诚臣 E-mail:场效应管的交流微变等效电路：场效应管的交流微变等效电路：华南农业大学电子工程学院设计制作：谭诚臣 E-mail:场效应管的交流微变等效电路：场效应管的交流微变等效电路：华南农业大学电子工程学院设计制作：谭诚臣 E-mail:场效应管的交流微变等效电路：场效应管的交流微变等效电路：华南农业大学电子工程学院设计制作：谭诚臣 E-mail:场效应管的交流微变等效电路：场效应管的交流微变等效电路：华南农业大学电子工程学院设计制作：谭诚臣 E-mail:其中：其中：rgs是输入电阻，理论值为无穷大。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。是压控电流源，它体现了输入电压对输出电流的控制作用。gm称为低频跨导。称为低频跨导。rd为输出电阻，类似于双极型晶体管的为输出电阻，类似于双极型晶体管的rce。场效应管的交流微变等效电路：场效应管的交流微变等效电路：华南农业大学电子工程学院设计制作：谭诚臣 E-mail:3.3.放大电路放大电路（1）共源极放大电路：共源极放大电路：华南农业大学电子工程学院设计制作：谭诚臣 E-mail:分析：分析：画出共源放大电路的交流小信号等效电路画出共源放大电路的交流小信号等效电路求电压放大倍数求电压放大倍数求输入电阻求输入电阻求输出电阻：求输出电阻：忽略忽略 rd由输入输出回路得由输入输出回路得则则则：则：由于由于rgs=华南农业大学电子工程学院设计制作：谭诚臣 E-mail:电压放大倍数电压放大倍数输入电阻输入电阻得得画画交流小信号等效电路交流小信号等效电路 由由（2）共漏极放大电路共漏极放大电路华南农业大学电子工程学院设计制作：谭诚臣 E-mail:输出电阻：输出电阻：所以：所以：由图有：由图有：华南农业大学电子工程学院设计制作：谭诚臣 E-mail:（3）共栅极放大电路共栅极放大电路SDG华南农业大学电子工程学院设计制作：谭诚臣 E-mail:（3）共栅极放大电路共栅极放大电路