重新开始的模电生活(七)
假面骑士鸡翅 Lv4

场效应管

分类和管脚定义

场效应管分为结型场效应管(Junction FET)和金属氧化物场效应管(MOSFET),其中MOSFET又分为增强型与耗尽型两种,但在日常工作中市面上较多使用的是增强型MOS。

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注意,在JEFT中,源极和漏极是对称的可以互换位置,在MOSFET中衬底和源极在内部已经连通,很多MOS管D、S之间并联了一个二极管,因此D和S不能互换。

结型场效应管

转移特性曲线

在TINA中仿真一个N型JFET,其中设置GS电压为控制对象,在栅极和源极分别串联一个电流表,如下图所示:

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因为场效应管GS之间的电阻非常大,几乎可以看做断开,所以流入的电流也很非常小。转移特性曲线仅关注VGS与VDS之间的关系。在直流分析中选择直流传输特性,V1输入电压范围为-5~5V。得到下图所示转移特性曲线。

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  • 当VGS小于某一电压时,管子关断,此时这个电压叫做夹断电压UGSOFF

  • 当VGS大于UGSOFF但小于0.7V时,管子处于导通状态,电流随VGS增大。

  • 还可以观察到当VGS大于某一值时,电流反而随着VGS增大而减少。这是由于电压过大,管子被击穿。从图中可以看出,VGS大于0,ID还有增长的趋势,但此时G、S之间就不再是高阻,即GS之间电流也增加。

  • 当VGS=0时,漏极电流称为零偏漏极电流,这是N-JFET能提供的最大电流。

数学表达式:

分界点电压:

输出伏安特性曲线

选择V2在020V变换,选择V1为控制对象,使V1在-20V之间变化,就可以画出在VGS不同电压下的输出伏安特性。

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  • 可以看出这个曲线跟晶体管输出伏安特性曲线十分相似,在VGSOFF<VGS<=0时,VDS在小于某一电压时,IDS随着VDS增大而增大,这一段类似晶体管的饱和区。

  • VDS在大于于某一电压时,IDS几乎不再增加,看起来像恒流源一样,称作恒流区类似晶体管的放大区。

MOSFET

MOSFET中包含耗尽型和增强型,耗尽型的伏安特性曲线与JFET非常相似,区别在于:它允许UGS大于0。

增强型NMOS伏安特性曲线

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  • 开启电压UGSTH:当UGS小于开启电压时,无论多大UDS电流iDS均为0,只有当大于开启电压时,晶体管才可能存在电流。

  • 转移特性曲线的数学表达式:

  • 可变电阻区与恒流区分界线:

三电阻MOSFET电路的静态分析

结合之前的电路分析方法与FET的特点对静态分析,电路如下图所示

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分析要点:

  1. 与晶体管电路相似,使用戴维南定理分析G极回路,得到栅极电压。

  2. 跟晶体管特性不同,我们要先假设MOS工作在恒流区,然后根据假设计算出UDSQ是否达到开启电压,通过转移特性曲线公式进行计算。

  3. UDSQ>UDS_dv,满足假设,管子处于恒流区。

四电阻MOSFET电路静态分析

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四电阻共源极放大电路与上面三电阻的区别就是S极在静态添加了一个电阻,而这个电阻的作用与之前在4电阻晶体管作用类似,可以增加电路的稳定性,原理为引入负反馈。

  1. 戴维南定理分析

  2. 利用转移特性公式与UGS = UGQ-iDR5,解出UGS和iD(2次方程有两个解需要舍弃一个不满足开启电压条件的解)

  3. 最后根据静态判断MOS管是否在恒流区

JFET电路的静态分析

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由于JFET的UGS小于0才能开启,上述电路图关键点在于仅使用一个正电源和R2便能使得JFET开启(自给偏压电路)。

  1. 分析类似,UGQ一定是0V因为G极没有电流,JFET转移特性曲线方程与UGSQ = -IDQ*R2联立可以解出IDQ和UGSQ

  2. 得到两个解要满足直线与平方曲线小于UGSOFF的交点

FET微变等效模型

对GS两端施加微变电压信号,无法产生电流变化(无伏安特性曲线),使用转移特性来研究。

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定义跨导为gm,单位为西门子 S:

Q点上升,其切线斜率上升,跨导变大。对于JFET和MOSFET,无论增强型还是耗尽型,其微变等效模型都如下图所示

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  1. JFET对转移特性曲线曲线求导可得:

    说明,某个Q点的跨导,与晶体管本身影响曲线斜率的参数UGSOFF、IDSS、IDQ有关。

  2. MOSFET对转移特性曲线曲线求导可得:

JFET放大电路的动态分析

上面已经解过JFET放大电路的静态,下面直接进行动态分析,动态分析需要得到静态参数。

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动态等效电路图画法与晶体管类似。

  1. 求解Au时,把Uo和Ui都写成Ugs的函数可得:

  2. 输入输出电阻求法与晶体管一致。

MOSFET共漏极放大电路的动态分析

与晶体管共集放大电路相似,属于MOSFET中的“射极跟随器”。

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静态:

  1. 戴维宁以及环路方程与MOSFET转移曲线方程联立可得IDQ,UGSQ

  2. 动态等效图
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    放大倍数

    输入电阻很简单就是RG1与RG2并联

  3. 输出电阻

    信号源短接,从输出口接入一个信号源,从输出口中看进去的电阻

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    需要注意电流方向与电压方向

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