第4章--贴片场效应管及其放大器课件

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,主编：徐丽香 副主编：黎旺星 张 正 兰小海,电子工业出版社,*,模拟电子技术,第4章,场效应管及其放大电路,通过这一章的学习，我们要学会：,1利用场效应管来实现信号放大；,2判断场效应管的管脚；,3根据电路的需求来选择放大器件。,见教材P65,主编：徐丽香 副主编：黎旺星 张 正 兰小海,第4章 场效应管及其放大电路 通过这一章的学习，我们要学,1,4.1 概述,场效应管有三个电极，分别为G（栅极）、S（源极）、D（漏极） 。,并且掌握几个重要概念,。,场效应管是利用栅源之间的电压，即,u,GS,的大小来控制沟道宽度，从而控制漏极电流,i,D,的大小，是,利用电压控制电流,的大小。,N,P,P,D,G,S,V,DS,V,GS,I,DS,见视频,主编：徐丽香 副主编：黎旺星 张 正 兰小海,4.1 概述场效应管有三个电极，分别为G（栅极）、S（源极）,2,场效应管是仅靠半导体中的空穴或自由电子之一来导电的，它又被称为,单极性晶极管,。,场效应管分为,结型,场效应管（Junction field effect transistor,简称JFET）和,绝缘栅型,场效应管（Insulated gate field effect transistor，简称IGFET）两大类 。,绝缘栅型场效应管有,增强型,和,耗尽型,两类。不论结型还是绝缘栅型场效应管，它们又可分为,N沟道,和,P沟道,两种。,主编：徐丽香 副主编：黎旺星 张 正 兰小海,场效应管是仅靠半导体中的空穴或自由电子之一来导电的，它又被称,3,4.2 结型场效应管,4.2.1 结型场效应管的工作特性,（1）栅源电压,u,GS,对导电沟道的控制作用,改变,u,GS,，可以控制,耗尽区,的厚薄，亦即改变导电区域的大小，,从而达到控制漏极和源极之间的电阻大小的目的，从而来控制,流过管子的工作电流,i,D,的大小。,主编：徐丽香 副主编：黎旺星 张 正 兰小海,4.2 结型场效应管4.2.1 结型场效应管的工作,4,（2）漏源电压,u,DS,的大小对导电沟道产生的影响,如,u,DS,=0，则不管,u,GS,为何值，都无法产生,i,D,。所以只有将,u,DS,与,u,GS,一起来控制导电沟道的宽窄。,主编：徐丽香 副主编：黎旺星 张 正 兰小海,（2）漏源电压uDS的大小对导电沟道产生的影响主编：徐丽香,5,1结型场效应管的特性曲线,输出特性可分成四个区域:,（1）可变电阻区：,u,DS,固定5V时，,u,GS,u,GS（off）,的绝对值区域。,（2）恒流区（放大区）：,u,DS,u,GS（off） ,5V,时，,i,D不变。,（3）击穿区：,u,DS,很大,，,i,D,也很大,。,（4）夹断区：,u,GS,u,GS（off），,i,D,0,（5）预夹断区：,u,GS,u,GS（off）,（a）输出特性曲线 （b）转移特性曲线,图4.3 N型沟道场效应管输出特性曲线和转移曲线,见教材P66,主编：徐丽香 副主编：黎旺星 张 正 兰小海,1结型场效应管的特性曲线输出特性可分成四个区域:（a）输出,6,预夹断电压：,u,GS,u,GS（off）,表示沟道刚好接近消失的电压。,注意：（1）预夹断前：,u,GD,u,GS（off）,即,u,GS,u,DS,u,GS（off）,（2）预夹断时：,u,GS,u,GS（off）,即,u,GS,u,DS,u,GS（off）,（3）预夹断后：,u,GD,u,GS（off）,即,u,GS,u,DS,u,GS（off）,（4）夹断时：,u,GS,u,GS（off），,i,D,0,见教材P67例题,结型场效应管工作在放大状态的基本条件是：,对于N沟道管，在其栅-源之间加负电压,u,GS,0V；对于P沟道管，,u,GS,0 V，以,保证耗尽层承受反向电压,；,漏-源之间要加正向电压,，以形成漏极电流,i,D,，即,u,DS,0。,主编：徐丽香 副主编：黎旺星 张 正 兰小海,预夹断电压：uGS uGS（off）表示沟道刚好接近消失的,7,2转移特性,漏极电流,i,D,与栅源电压,u,GS,之间的函数关系,在恒流区 ,可以认为，,i,D,仅由,u,GS,决定,随着,u,GS,的上升，电流,i,D,也越来越大 .,恒流区中,i,D,的近似表达式:,（U,GS,（off）,u,GS,0 ，由于未形成导电的N型反型层（导电沟道），源漏极间也不会有电流流过.I,D,0.,当,u,DS,0 时，,u,GS,0，且不断增大时,此时I,D,的大小由,u,GS,决定 ;随着,u,GS,的增大，当,u,GS,= U,GS(th),时 ,即,i,D,仅由,u,GS,决定，管子就进入恒流区,。,绝缘栅增强型场效应管工作时，漏极D和源极S之间要有正电压，,即,u,DS,0；栅源电压也必须为正，即,u,GS,U,GS(th),。,主编：徐丽香 副主编：黎旺星 张 正 兰小海,工作原理 （以N型沟道绝缘栅增强型场效应管 为例）当uGS,11,增强型,：随,u,GS,的增强，导电沟道横截面增大，导电能力增强，在一定的,u,DS,条件下，电流,I,D,越大,主编：徐丽香 副主编：黎旺星 张 正 兰小海,增强型：随uGS的增强，导电沟道横截面增大，导电能力增强，在,12,耗尽型,：在siO,2,层中掺入了大量的正离子，使得,u,GS,0,时，就有垂直电场的存在，并吸引电子到半导体的表面形成N型导电沟道。在这种管子电路中，,u,GS,0,N沟道会更强。,主编：徐丽香 副主编：黎旺星 张 正 兰小海,耗尽型：在siO2层中掺入了大量的正离子，使得主编：徐丽,13,从曲线分析：,主编：徐丽香 副主编：黎旺星 张 正 兰小海,从曲线分析：主编：徐丽香 副主编：黎旺星,14,【例4.2】 两种场效应管的转移特性曲线分别如图 4.6(a)、(b)所示，分别确定这两个场效应管的类型，并求其主要参数（开启电压或夹断电压，跨导）。测试时电流i,D,的参考方向为从漏极D到源极S。,图4.6 两个场效应管的转移特性曲线,(a),(b),主编：徐丽香 副主编：黎旺星 张 正 兰小海,【例4.2】 两种场效应管的转移特性曲线分别如图 4.6(,15,解：（1）从图4.6（a）图曲线可以读出，开启电压U,GS,（th）, - 2V，因此是P沟道增强型MOS管的转移特性曲线。,平均跨导：,（2）从图4.6（b）图曲线可以读出，夹断电压U,GS,（off）,-4V，I,DSS,=4mA，U,GS,可以工作在正值、零、负值，因此是N沟道耗尽型MOSFET的转移特性曲线。,平均跨导：,主编：徐丽香 副主编：黎旺星 张 正 兰小海,解：（1）从图4.6（a）图曲线可以读出，开启电压UGS（t,16,4.3.2 VMOS管,VMOS管的结构可以解决普通MOS管无法,散发出较多的热量,的问题。,图4.7 N型沟道绝缘栅增强型VMOS管的结构示意图,VMOS管的漏区散热面积大，耗散功率可达千瓦以上；此外漏源极间,击穿电压高，上限工作频率高，当漏极电流大于某一大小（如500mA）,时，,i,D,与,u,GS,基本成线性关系。VMOS管广泛应用于中、大功率管中。,主编：徐丽香 副主编：黎旺星 张 正 兰小海,4.3.2 VMOS管VMOS管的结构可以解决普通MOS管无,17,4.3.3 绝缘栅型场效应管的测试,测试时，最好采用专门测试仪进行测量。如果必须采用手工方式用万用表来测试，一定要充分做好防静电措施。,1测试注意事项,2判定电极及类型,（1）首先判定栅极,（2）判定管子类型及区分漏极与源极,主编：徐丽香 副主编：黎旺星 张 正 兰小海,4.3.3 绝缘栅型场效应管的测试测试时，最好采用专门测试,18,4.4 场效应管的应用,441场效应管的主要参数及使用注意事项,1、主要参数,（1）直流参数,：开启电压U,GS（th）,(增强型,mos）,、夹断电压U,GS（off,）（结型和耗尽型mos）、,饱和漏极电流,I,DSS,（结型）,、直流输入电阻R,GS（DC）,（2）交流参数,：跨导g,m,极间电容：,Cgs和Cgd约为13pF,（3）极限参数,：最大漏源电流I,DM、,漏源击穿电压,U,（BR）DS,、栅源击穿电压U,（BR）GS,、最大耗散功率P,DM,主编：徐丽香 副主编：黎旺星 张 正 兰小海,4.4 场效应管的应用441场效应管的主要参数及使用,19,2、MOS场效应晶体管使用注意事项,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防静电泡沫塑料袋中，切勿自行随便,拿个塑料袋装。也可用锡纸包装。,（2）MOSFET应防止栅极悬空，以免产生高的感应电压而击穿绝缘层，故在保,存时应将栅源极间短接。,（3）JFET的栅源极之间必须加反偏电压，以保证有高的输入电阻。,（4）取出的MOS器件要放置在防静电的容器中，如金属盘等，而不能存放在非,防静电的塑料盒上。,（5）焊接用的电烙铁必须良好接地。,（6）MOSFET焊接时所用电烙铁外壳必须接地，应在焊接时将烙铁拔离交流电源,后再焊接。,（7）在焊接前最好把电路板的电源线与地线短接，完成后在分开电源线与地线。,（8）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。,（9）安装有MOS器件的电路板在与机器的接线端子连接之前，最好要用接地的线,夹子去碰一下机器的各接线端子，再与电路板相连接。,总之在运输、使用MOS器件时，要严格遵守防静电的操作规范。,主编：徐丽香 副主编：黎旺星 张 正 兰小海,2、MOS场效应晶体管使用注意事项使用时应注意以下规则：（1,20,4.4.2 场效应管构成的放大电路,构成放大电路的基本条件是场效应管的工作点位于特性曲线的恒流区，所以必须给场效应管管子提供合适的直流偏置 ，,建立一个合适而稳定的静态工作点，使管子工作在放大区。,。,场效应管的放大电路有自偏压电路和分压式自偏压电路。,自偏压电路,：栅偏压U,GS,是依靠场效应管自身电流,i,D,产生的。,仅适用于耗尽型MOS管和结型场效应管,，而不能用于,u,GS,U,GS,(th),时才有漏极电流的增强型MOS管。,主编：徐丽香 副主编：黎旺星 张 正 兰小海,4.4.2 场效应管构成的放大电路构成放大电路的基本条件是场,21,自偏压电路原理：,由于Rg上没有电流，所以没有电压，即U,G,0，因此U,GS,U,G,- U,S,0- U,S,=-I,D,R,S,，因此U,GS,上的电压由R,S,上的电压来确定，其电位是相等的。这种栅极偏压是由场效应管自身I,D,产生的，故称为,自偏压电路。,1、场效应管的自偏压电路直流工作原理及其参数I,DQ,、U,GSQ,、U,DEQ,计算：,U,GG,U,GS,U,S,由此得到直流偏置电压线性方程：,主编：徐丽香 副主编：黎旺星 张 正 兰小海,自偏压电路原理： 由于Rg上没有电流，所以没有电,22,要求参数I,DQ,、U,GSQ,、U,DSQ,，首先分析Q点，在转移特性曲线中，其Q点对应的I,DQ,、U,GSQ,就是自偏压的静态工作点。,Q,U,GSQ,I,DQ,I,D,U,GS,I,DSS,U,GS(OFF),U,GG,U,GS,U,S,主编：徐丽香 副主编：黎旺星 张 正 兰小海,要求参数IDQ、UGSQ、UDSQ，首先分析Q点，在转移特性,23,例题：一场效应管的电路如图所示，已知I,DSS,8mA, U,GS(off),4V，R,D,=2K,U,DD,=12V，R,S,=1K，求 I,DQ,、U,GSQ,、U,DSQ,。,解：,解得：,（舍去）,主编：徐丽香 副主编：黎旺星 张 正 兰小海,例题：一场效应管的电路如图所示，已知IDSS8mA, UG,24,4.6 已知图4.16(a)所示电路中场效应管的转移特性和输出特性分别如图（b）(c)所示。计算其直流工作点。,主编：徐丽香 副主编：黎旺星 张 正 兰小海,4.6 已知图4.16(a)所示电路中场效应管的转移特性和输,25,解：从转移曲线知：,代入公式：,（1）、（2）式联立求解：,解得：,主编：徐丽香 副主编：黎旺星 张 正 兰小海,解：从转移曲线知：主编：徐丽香 副主编：黎旺,26,37 已知图4.17（a）所示电路中场效应管的转移特性如图（b）所示。计算其直流工作点。,解：从（a）图得到 在（b）图上作图得到：,主编：徐丽香 副主编：黎旺星 张 正 兰小海,37 已知图4.17（a）所示电路中场效应管的转移特性如图,27,（2）分压式自偏压电路,适用于各种类型的场效应管,一般R,g3,选得很大，可取几兆欧；,静态时，源极电位,u,S,=,i,D,R,S,由于,栅极电流为零，R,g3,上没有电,压降，故栅极电位,栅偏压,：,适当选取R,g1,、R,g2,和R,S,值，就可得到各类场效应管放大工作时所需的正、零或负的偏压。,主编：徐丽香 副主编：黎旺星 张 正 兰小海,（2）分压式自偏压电路适用于各种类型的场效应管栅偏压 ：适当,28,（3）场效应管放大电路分析,【例43 】试计算图4.10放大电路的静态工作点，已知：R,g1,=150k，R,g2,=50k,R,g3,=1M，R,D,=R,S,=10k，V,DD,=20V，场效应管的U,GS（off）,=-5V，I,DSS,=1mA,。,解：,联解两式，可得：,计算得：,i,D,=0.61mA,u,GS,=5-0.6110=-1.1V,u,D,=20-0.6110=13.9V(对地电位),主编：徐丽香 副主编：黎旺星 张 正 兰小海,（3）场效应管放大电路分析【例43 】试计算图4.10放大,29,2、电压放大原理,u,GS,变化控制,i,D,的变化，利用R,D,把电流转化为电压变化，图中电路的电压放大倍数为15。,电压放大倍数，,其中R,L,=R,D,R,L,，g,m,为场效应,管的跨导,场效应管路放大电路有共源极、共漏极和共栅极三种接法,。,主编：徐丽香 副主编：黎旺星 张 正 兰小海,2、电压放大原理uGS变化控制iD的变化，利用RD把电流转化,30,443 场效应管构成的恒流源电路,利用场效应管构成恒流源。由运算放大器LF356、大功率场效应管V1、采样电阻R2等组成。,主编：徐丽香 副主编：黎旺星 张 正 兰小海,443 场效应管构成的恒流源电路利用场效应管构成恒流源,31,第四章 学习指导,场效应管是电压控制器件，用栅-源电压,u,GS控制漏极电流,i,D，栅极的电流基本为零，这是与晶体三极管最大的差别。场效应晶体管由于输入阻抗高，极易被静电击穿，使用时要特别注意防静电。,场效应管是仅靠半导体中的一种载流子导电，它又被称为单极性晶极管，分为结型场效应管（JFET）和绝缘栅场效应管（MOS管），每一种分为N沟道和P沟道两种类型，绝缘栅场效应管又分为增强型和耗尽型两种，它们的特性都不同，在测试或使用时要特别注意分清楚。详细比较可参照表4.1。在测试判定电极及类型或管子,的好坏时，要注意了解场效应管的内部结构。,主编：徐丽香 副主编：黎旺星 张 正 兰小海,第四章 学习指导场效应管是电压控制器件，用栅-源电压uGS,32,场效应管与晶体三极管一样，可以构成放大电路和开关电路。构成放大电路的基本条件是场效应管的工作点位于特性曲线的恒流区，通过,u,GS,变化控制,i,D,的变化来实现。场效应管放大电路的分析方法与三极管构成放大电路的分析方法相似，主要是首先保证直流偏置正常，这一点通过静态分析法分析；其次是交流通过分析，依输入与输出的公共端不同，分为共源、共漏、共栅三种放大电路形式。,主编：徐丽香 副主编：黎旺星 张 正 兰小海,场效应管与晶体三极管一样，可以构成放大电路和开关电路。构成放,33,实验四 结型场效应管放大器,一、实验目的,1了解结型场效应管的可变电阻特性；,2掌握共源极放大器的特点。,二、实验仪器,名称数量,双踪示波器 1台,函数发生器 1台,晶体管毫伏表1台,数字万用表 1台,直流稳压电源 1台,实验板 结型场效应管放大器 1块,主编：徐丽香 副主编：黎旺星 张 正 兰小海,实验四 结型场效应管放大器一、实验目的主编：徐丽香,34,三、实验原理,1实验电路,本电路是一种自偏压,电路。其中，一些开,关和接线柱是为便于,进行有关实验内容而,设置的，实验电路如,图4.18所示。图中有,图 4.18,一些开关K，根据测试的目的，读者判断对应每一项测试应接通的开关是哪一个。,主编：徐丽香 副主编：黎旺星 张 正 兰小海,三、实验原理 主编：徐丽香 副主编：黎旺星,35,2工作原理,（1）结型场效应管用做可变电阻,。,场效应管的工作状态可以分为三个区：可变电阻区（I区）；恒流区（II区）；击穿区（III区）。,在I区内,i,D,与,u,DS,的关系近似于线性关系,。,测量r,DS,电路,图 4.19,主编：徐丽香 副主编：黎旺星 张 正 兰小海,2工作原理图 4.19主编：徐丽香 副主,36,（2）自偏压共源极放大器,在图4.18中，若K2、K3和K4断开，K1闭合，即为自偏压共源极放大器。,当,，,有,可以得到静态工作点： 、 、,电压放大倍数,输入电阻,输出电阻,主编：徐丽香 副主编：黎旺星 张 正 兰小海,（2）自偏压共源极放大器在图4.18中，若K2、K3和K4断,37,四、实验内容,1测量结型场效应管的可变电阻,（1）按图4.18接线。其中， 为10100mV，f =1000Hz的正弦波信号。,（2）令 ，调节 ，使万用表的读数V,2,在0100mV范围内变化，读出V,1,和V,2,的值，计算r,DS,值并填入表4.3中。,（3）分别将 调至 ， ， 和 重复以上几步。,主编：徐丽香 副主编：黎旺星 张 正 兰小海,四、实验内容主编：徐丽香 副主编：黎旺星,38,表4.3 测量r,DS,数据表,u,i,（mV）,10,20,40,60,80,100,u,GS,=0,V,2,V,1,r,DS,V,2,V,1,r,DS,主编：徐丽香 副主编：黎旺星 张 正 兰小海,表4.3 测量rDS数据表ui（mV）1020406080,39,2共源极放大器,（1）测量静态工作点,将K1闭合，K2、K3和K4断开，接通工作电源，分别测出,u,G,、,u,S,、,u,D,、,i,D,填入表4.4中,。,表4.4 静态工作点,项 目,u,S,u,G,u,D,i,D,测量值,计算值,主编：徐丽香 副主编：黎旺星 张 正 兰小海,2共源极放大器表4.4 静态工作点项 目uSuGuDi,40,（2）测量电压放大倍数,Au,输入,f,=1000Hz、有效值为0.5V的正弦波信号，分别测量,u,i,和,u,o,并填入表4.5。,表4.5 放大倍数的计算,项 目,u,i,u,o,A,u,=u,o,/u,i,测量值,计算值,主编：徐丽香 副主编：黎旺星 张 正 兰小海,（2）测量电压放大倍数Au输入f =1000Hz、有效值为,41,（3）输入电阻和输出电阻的测量,测输入电阻时，在放大器的输入端串入的电阻要大一些，这里选R=1M。测输出电阻时，外接负载电阻选R,L,=56k。测量结果填入表4.6。,表.4.6 输入电阻和输出电阻的测量,u,S,u,i,R,i,u,o,R,o,主编：徐丽香 副主编：黎旺星 张 正 兰小海,（3）输入电阻和输出电阻的测量测输入电阻时，在放大器的输入端,42,五、思考题,1实验中所用的自给偏压电路能否使结型场效应管工作在截止区？为什么？,2测输入电阻时，为什么在场效应管放大器的输入端串入的电阻要比在晶体管放大器的输入端串入的电阻大一些？,主编：徐丽香 副主编：黎旺星 张 正 兰小海,五、思考题主编：徐丽香 副主编：黎旺星,43,