( )7.多级放大电路常采用负反馈来提高放大器的电压放大倍数。( )10.引入直流负反馈可以改善放大电路的交流参数。( )三、填空题1.深度负反馈放大电路的放大倍数只与________有关,而与三极管的放大倍数基本无关。......
2023-10-21
场效应管放大电路介绍
【摘要】：近三年四川省对口升学本章考点内容及考题分析本章应重点掌握场效应管的符号结构、分类和主要参数,理解场效应管的特性曲线和工作原理。饱和漏极电流IDSS耗尽型场效应三极管,当VGS=0时,产生预夹断时所对应的漏极电流。直流输入电阻RGS场效应三极管的栅源输入电阻的典型值,对于结型场效应三极管,反偏时RGS约大于107Ω;对于绝缘栅型场效应三极管,RGS是109～1
1.MOS场效应管的结构、原理、分类和主要参数。(A)
2.结型场效应管的符号、分类。(A)
3.场效应管放大电路构成。(A)
4.场效应管放大电路元件作用。(A)
近三年四川省对口升学本章考点内容及考题分析
本章应重点掌握场效应管的符号结构、分类和主要参数,理解场效应管的特性曲线和工作原理。
一、场效应管的分类
二、各类场效应管的符号(如图2-3-1所示)
图2-3-1 各类场效应管的符号
三、场效应管的特点
(1)输入阻抗高。
(2)输入功耗小。
(3)温度稳定性好。
(4)信号放大稳定性好,信号失真小。
(5)由于不存在杂乱运动的分子扩散引起的散粒噪声,所以噪声低。
四、MOS场效应管的结构和原理
MOS场效应三极管分为增强型和耗尽型两类,各类又分有N沟道和P沟道两种。
1.N沟道增强型MOSFET
N沟道增强型MOSFET的结构示意图和符号如图2-3-2所示。其中:
电极D(Drain):称为漏极,相当于双极型三极管的集电极;
电极G(Gate):称为栅极,相当于双极型三极管的基极;
电极S(Source):称为源极,相当于双极型三极管的发射极。
图2-3-2 N沟道增强型MOSFET的结构示意图和符号
(1)结构
如图2-3-2所示,N沟道增强型MOSFET基本上是一种左右对称的拓扑结构,它是在P型半导体上生成一层SiO2薄膜绝缘层,然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区,从N型区引出电极,一个是漏极D,一个是源极S。在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G。P型半导体称为衬底,用符号B表示。
(2)工作原理
①栅源电压VGS的控制作用
当VGS=0 V时,漏源之间相当于两个背靠背的二极管,在D、S之间加上电压不会在D、S间形成电流。
当栅极加有电压时,若0＜VGS＜VGS(th)时(VGS(th)称为开启电压),通过栅极和衬底间的电容作用,将靠近栅极下方的P型半导体中的空穴向下方排斥,出现了一薄层负离子的耗尽层。耗尽层中的电子将向表层运动,但数量有限,不足以形成沟道,将漏极和源极沟通,所以仍然不足以形成漏极电流ID。
进一步增加VGS,当VGS＞VGS(th)时,由于此时的栅极电压已经比较强,在靠近栅极下方的P型半导体表层中聚集较多的电子,可以形成沟道,将漏极和源极沟通。如果此时加有漏源电压,就可以形成漏极电流ID。在栅极下方形成的导电沟道中的电子,因与P型半导体的载流子空穴极性相反,故称为反型层。随着VGS的继续增加,ID将不断增加。在VGS=0 V时,ID=0,只有当VGS＞VGS(th)后才会出现漏极电流,这种MOS管称为增强型MOS管。
VGS对漏极电流的控制关系可用ID=f(VGS)|VDS=常数这一曲线描述,称为转移特性曲线,如图2-3-3所示。
转移特性曲线的斜率gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。gm的量纲为m A/V,所以gm也称为跨导。
图2-3-3 转移特性曲线
跨导的定义式如下:
gm=ΔID/ΔVGS|VDS=常数(单位mS)
②漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用
当VGS＞VGS(th),且固定为某一值时,来分析漏源电压VDS对漏极电流ID的影响。VDS的不同变化对沟道的影响如图2-3-4所示。根据此图可以有如下关系:
VDS=VDG+VGS=-VGD+VGS
VGD=VGS-VDS
当VDS为0或较小时,相当于VGD＞VGS(th),沟道分布如图2-3-4(a)所示,此时VDS基本均匀降落在沟道中,沟道呈斜线分布。在紧靠漏极处,沟道达到开启的程度以上,漏源之间有电流通过。
当VDS增加到使VGD=VGS(th)时,沟道如图2-3-4(b)所示。这相当于VDS增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况,称为预夹断,此时的漏极电流ID基本饱和。
当VDS增加到VGD＜VGS(th)时,沟道如图2-3-4(c)所示。此时预夹断区域加长,伸向S极。VDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上,ID基本趋于不变。
图2-3-4 漏源电压VDS对沟道的影响
当VGS＞VGS(th),且固定为某一值时,VDS对ID的影响,即ID=f(VDS)|VGS=常数这一关系曲线如图2-3-5(a)所示。这一曲线称为漏极输出特性曲线。在VGS为固定值时,漏极电流ID与栅源电压VGS之间的关系曲线称为转移特性曲线,如图2-3-5(b)所示。当VGS=0时,ID=0;当VGS＞VGS(th)时,ID随VGS的增大而增大。
图2-3-5 漏极输出特性曲线和转移特性曲线
2.N沟道耗尽型MOSFET
N沟道耗尽型MOSFET的结构和符号如图2-3-6(a)、(b)所示,它是在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了大量的金属正离子。所以当VGS=0时,这些正离子已经感应出反型层,形成了沟道。于是,只要有漏源电压,就有漏极电流存在。当VGS＞0时,将使ID进一步增加。VGS＜0时,随着VGS的减小漏极电流逐渐减小,直至ID=0。对应ID=0的VGS称为夹断电压,用符号VGS(off)表示,有时也用VP表示。N沟道耗尽型MOSFET的转移特性曲线如图2-3-6(c)所示。
图2-3-6 N沟道耗尽型MOSFET的结构和转移特性曲线
3.P沟道耗尽型MOSFET
P沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完全相同,只不过导电的载流子不同,供电电压极性不同而已。这如同双极型三极管有NPN型和PNP型一样。
五、MOS场效应管的主要参数
1.直流参数
(1)开启电压VGS(th)(或VT)
开启电压是MOS增强型管的参数,栅源电压小于开启电压的绝对值,场效应管不能导通。VDS一定,iD＞0。
(2)夹断电压VGS(off)(或VP)
夹断电压是结型和耗尽型FET的参数,漏极电流约为零时的VGS值。即当VGS=VGS(off)时,漏极电流为零(微小电流)。
(3)饱和漏极电流IDSS
耗尽型场效应三极管,当VGS=0时,产生预夹断时所对应的漏极电流。
(4)直流输入电阻RGS(DC)
场效应三极管的栅源输入电阻的典型值,对于结型场效应三极管,反偏时RGS约大于107Ω;对于绝缘栅型场效应三极管,RGS是109～1015Ω。
2.交流参数
(1)低频跨导gm(www.chuimin.cn)
低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用,即UGS对iD的控制作用。
gm可以在转移特性曲线上求取,单位是mS(毫西门子)。
(2)极间电容:三个极间均存在电容。
(3)输出电阻rd
3.极限参数
(1)最大漏级电流IDM:正常工作漏极电流上限值。
(2)击穿电压
最大漏源电压U(BR)DS
最大栅源电压U(BR)GS
(3)最大漏极功耗PDM
最大漏极功耗可由PDM=U(BR)DS IDM决定。
六、绝缘栅型场效应管的特性曲线
增强型NMOS管的特性曲线如图2-3-7(a)所示,从图中可看出:UGS=0时,ID=0,只有当UGS为正且UGS＞UGS(th)时,ID＞0。
耗尽型NMOS管的特性曲线图如图2-3-7(b)所示,在UGS=0,ID≠0,此时ID称饱和电流用IDSS表示,要使ID减少,UGS应为负;当UGS等于夹断电压UGS(off)时,ID=0。
图2-3-7 绝缘栅型场效应管的特性曲线
N沟道增强型MOS管和耗尽型MOS管输出特性曲线如图2-3-8所示,输出特性曲线有三个区:可调电阻区、放大区、击穿区。
图2-3-8 N沟道MOS管输出特性曲线
七、结型场效应管的结构与符号(如图2-3-9所示)
图2-3-9 结型场效应管的结构示意图与符号
八、结型场效应管转移特性曲线(如图2-3-10所示)
图2-3-10 结型场效应管转移特性曲线
根据特性曲线的各部分特征,分为以下四个区域。
1.恒流区
恒流区相当于双极型晶体管的放大区。其主要特征为:VGS对ID的控制能力很强,VDS的变化对ID影响很小。
2.可变电阻区
与双极型晶体管不同,在JFET中,栅源电压VGS对ID上升的斜率影响较大,随着|VGS|增大,曲线斜率变小,说明JFET的输出电阻变大。
3.截止区
当|VGS|＞|VP|时,沟道被全部夹断,ID=0,故此区为截止区。若利用JFET作为开关,则工作在截止区,即相当于开关打开。
4.击穿区
随着VDS增大,靠近漏区的PN结反偏电压VDG也随之增大。
【例1】 试将场效应管栅极和漏极电压对电流的控制机理,与双极型晶体管基极和集电极电压对电流的控制机理作一比较。
【答案】 场效应管栅极电压是通过改变场效应管导电沟道的几何尺寸来控制电流。漏极电压则改变导电沟道几何尺寸和加速载流子运动。双极型三极管基极电压是通过改变发射结势垒高度来控制电流,集电极电压(在放大区)是通过改变基区宽度,从而改变基区少子密度梯度来控制电流。
【例2】 N沟道JFET的转移特性如图所示。试确定其饱和漏电流IDSS和夹断电VP。
【答案】 由图可知,此JFET的饱和漏电流IDSS≈4 m A,夹断电压VP≈-4 V。
【例3】 N沟道JFET的输出特性如图所示。漏源电压的VDS=15 V,试确定其饱和漏电流IDSS和夹断电压VP,并计算栅源电压VGS=-2 V时的跨导gm。
【答案】 由图可得:饱和漏电流IDSS≈4 m A,夹断电压VP≈-4 V。VGS=-2 V时,用作图法求得跨导近似为
。
一、单项选择题
1.场效应晶体管是用________控制漏极电流的。( )
A.栅源电流 B.栅源电压 C.漏源电流 D.漏源电压
2.结型场效应管发生预夹断后,管子( )
A.关断 B.进入恒流区 C.进入饱和区 D.可变电阻区
3.场效应管靠________导电。( )
A.一种载流子 B.两种载流子 C.电子 D.空穴
4.增强型PMOS管的开启电压________。( )
A.大于零 B.小于零 C.等于零 D.大于零或小于零
5.增强型NMOS管的开启电压_________。( )
A.大于零 B.小于零 C.等于零 D.大于零或小于零
二、判断题(正确的选“A”,错误的选“B”)
1.场效应管也称单极型晶体管。( )
2.场效应管是电流控制型器件。( )
3.场效应管的输出特性曲线有可调电阻区、放大区和击穿区。( )
4.PMOS管与PNP型三极管工作原理相同。( )
5.结型场效应管可分为增强型与耗尽型两种。( )
三、综合题
1.结型场效管的漏极与源极能否互换?为什么?
2.已知某场效应管的输出特性曲线如图所示,试判断:
(1)该场效应管的类型。
(2)它的夹断电压VGS(off)或开户电压VGS(th)大约是多少?
(3)若是耗尽型,它的IDSS大约是多少?
第2题图
3.已知结型场效应管ΔVGS=0.1 V,gm=100μA/V,求ΔID的值。
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