第四章场效应管FET及基本放大电路要点.docx
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第四章场效应管FET及基本放大电路要点
第四章场效应管(FET)及基本放大电路
§4.1知识点归纳
一、场效应管(FET)原理
•FET分别为JFET和MOSFET两大类。
每类都有两种沟道类型,而MOSFET又分为
增强型和耗尽型(JFET属耗尽型),故共有6种类型FET(图4-1)。
•JFET和MOSFET内部结构有较大差别,但内部的沟道电流都是多子漂移电流。
一般
情况下,该电流与Vgs、Vds都有关。
•沟道未夹断时,FET的D-S口等效为一个压控电阻(Vgs控制电阻的大小),沟道全
夹断时,沟道电流iD为零;沟道在靠近漏端局部断时称部分夹断,此时iD主要受控于Vgs,
而Vds影响较小。
这就是FET放大偏置状态;部分夹断与未夹断的临界点为预夹断。
•在预夹断点,vGS与vds满足预夹断方程:
耗尽型FET的预夹断方程:
Vds=Vgs-Vp(Vp夹断电压)
增强型FET的预夹断方程:
Vds=Vgs-Vt(Vt——开启电压)
•各种类型的FET,偏置在放大区(沟道部分夹断)的条件由表4-4总结。
表4-4FET放大偏置时Vgs与Vds应满足的关系
极性
放大区条件
Vds
N沟道管:
正极性(Vds>0)
Vds>Vgs—Vp(或Vt)>0
P沟道管:
负极性(Vds<0)
VdsvVgs—Vp(或Vt)<0
Vgs
结型管:
反极性
增强型MOS管:
同极性耗尽型MOS管:
双极型
N沟道管:
Vgs>Vp(或Vt)
P沟道管:
Vgs -偏置在放大区的FET,Vgs~iD满足平方律关系: Vgs、2 Id-1dss(1—~. 耗尽型: VP(Idss――零偏饱和漏电流) .2 增强型: id-k(vGs_Vt)* •混合偏压电路(图4-20)。 该电路能用于任何FET,在兼顾较大的工作电流时,稳Q 的效果更好。 求解该电路工作点的方法是解方程组: 平方律关系式 VccR2. VGSRsiD R1R2 -小信号模型中的漏极内阻 ^V°s rds 比q rds是FET“沟道长度调效应”的反映,rds等于FET输出特性曲线Q点处的斜率的倒 数。 四、基本组态FET小信号放大器指标 1.基本知识 •FET有共源(CS)共漏(CD)和共栅(CG)三组放大组态。 •CS和CD组态从栅极输入信号,其输入电阻R由外电路偏置电阻决定,R可以很大。 •CS放大器在其工作点电流和负载电阻与一个CE放大器相同时,因其gm较小,|AJ 可能较小,但其功率增益仍可能很大。 •CD组态又称源极输出器,其A-1。 在三种FET组态中,CD组态输入电阻很大, 而输出电阻较小,因此带能力较强。 •由于FET的电压电流为平方关系,其非线性程度较BJT的指数关系弱。 因此,FET 放大器的小信号线性条件对Vgs幅度限制会远大于BJT线性放大时对%的限制(%: : : 5mV)。 2.CS、CD和CG组态小信号指标 由表4-6归纳总结。 §4.2习题解答 4-1图P4-1中的FET各工作在什么区? 区。 4-3一支P沟道耗尽型MOSFET的IdsS=—6mAVp=4V,另一支P沟道增强型MOSFET的Vt=-4V.。 试分别画出它们的输出特性曲线,标明电阻区和恒流区以及它们的分界线(即预夹断轨迹)。 [解]曲线分别如图P4-3-1和P4-3-2所示。 P沟増强型MOSl-ET 4(mA) in(mA) ★未恰l;值,故不能严格作图 f t_ -1V 4 IV / 2V P沟逍"耗尽型MOST ^r=7V 图P4-3-1 图P4-3-2 P4-5中JFET的Idss的绝对值都等于4mA,且沟道部分夹断,求输出端的直 (c) 图P4-5 Vo=4V(d) V。 二以10=6V 4-6设图P4-6中的MOSFET的vt,vp均为 1V,问它们各工作于什么区? 6V 6V 哗2□口2vne 图P4-6 Vgs■VpVds (a)N沟道耗尽型MOSFET,V^_1V,(2V),且(6V) -工作于放大区。 Vgs_Vp (3V) (b)N沟道增强型MOSFET, Vt VGsVt =1V,(2V)(1V) Vds.■-Vgs-Vt ,且(6V)(1V), .工作于放大区。 (c) P沟道耗尽型MOSFET, Vp VgsVt =1v,(2V)(1V) .工作于截止区。 (d) P沟道增强型MOSFET, Vp VgsVt =-1V,(2V)(-1V).工作于截止区。 JFET自给偏压放大器如图 源电压Vdd=30V。 FET的参数: I 4-7 区? P4-7所示。 设Rd=12ki】,Rg=1M」Rs=470」电dss=3mA,Vp=—2.4V。 求静态工作点Vgs、Id和Vds。 当漏极电阻超过何值时FET会进入电阻 (1) (2) [解] 列联立方程 (1) 2”汐= Vgs=—RsiD ②代入①,并化简得 VGS2 iD=3(1v-) 2.4 Vgs=—0.47id 图P4-7 Id 2.175.2.175-40.11513 1.5mA -17.4mA(该值使Vgs: : : Vp,.舍去) 二Id=1.5mAVgs=-0.47X1.5=-0Vds=Vdd—Id(Rd+Rs)=11.3v (2)当Vds二Vgs-Vp=-0.71"".叫时,沟道预夹断。 此时,VDD_ID(R0艮)=16.9 Vgs2\ 由原方律关系IDDSS(Vp) 0.25=(1Vgs)2 Vgs二.0.25一1一-0.5v 由Vgs [解] (1)丁Vds: : 0,为P沟道FET 又5VVgs0V,Vgs与Vds反极性,故为JFET 结论: P沟道JFET,Vp=5V,Idd^4mA (2) 4-10FET放大电路图P4-10所示。 FET参数为: Idss=2mA,Vp=-4V,尬可忽略不计。 试估算静态工作点,并求Av、Ri和Ro之值。 [解] Vds=Vdd-IdRd=20-4=16v (2)画出交通通路,组态为CS放大器。 图P4-10-1 21DSS iVTi Rd//Rl --1.43。 R=Rg=5M0,Ro=「ds〃RdLIRd=2k0。 4-11在图P4-11所示共源放大器中,JFET的参数为: Idss=4.5mA,VP=-3V,5s可 5.6kQ SOOkfl 忽略不计。 试求: (1)静态工作点Vgs、Id和Vds; (2)中频段端电压增益Av、输入电阻Ri和输出电阻Ro。 [解] (1) 2MQ A 2kQ 5.6kD 占&pooled 设2iD-13iD18=0 .Id=2mA(ID=4.5mA舍去),Vgs=-1V Vds二Vdd-Id(RdRs)=18-27.6=2.8(V) (上式满足VDSVGS_VP,即放大区条件) gm=ZJdssId=2U4.5X2=2 (2)|Vp|3(ms) .Av=-gmRd//Rl--22.8--5.6 R=RsR//R2=2.083Mfl Ro=R=5.6k'」 4-12N沟道JFET共漏放大器如图 100 600 VgS、2 iD=4.5(1gs) <3 联立Vgs=3-2iD 图P4-11 P4-12所示,电路参数为: 18=3 V Rr=40k「,R2=60k「, I■_IF —QI Yv r1 卜4 b-1 R3=2M1,艮=20k「负载电阻Rl=80k「电源电压Vdd=30V,信号源内阻Rs=200kC°JFET的IDSS=4mA,VP=—4V,rds=40kJO试计算增量跨导gm,并求端电压增益Av、电流增益Ai、输入电阻Ri和输出电阻Roo (1)求Id并计算gm: R+R2 -30=18V 10 图P4-12 联立Vgs=18-20iD 100iD-221iD120=0二iD土刃呐舍去)得1mA 2 gm41=1 4(ms)。 R=R3+R//R=2.024MO A R0=Rc//R4=「ds////R4=40〃1〃20=930(「) gm =23.3 2 4-13在图P4-13所示的共漏放大器电路中,若MOSFET的k--O^mA/V,Vt=—3V,rds=20k「假定kT.q^40,怙=—5.85mA。 试求共漏放大电路中频段电压增益Av和输出电 阻Ro。 4-14在图P4-7的CS放大器中,输入信号v为正弦电压。 试借助iD〜Vgs的平方律关 系式分析: 要使输出电压Vo的二次谐波振幅小于基波振幅的十分之一,输入电压最大振幅 Vim是多少? [解]由图P4-7,取Vi=VimCOSUJt,二VGS=VGS+VimCOS时t 由平方律关系: 上式中iD的基波电流振幅 上式可改写为 I-1I DDSS 若2, Vp=4v贝yVimax=0.4X2105=566(mV) 该题表明: FET放大器的非线性远不如BJT放大器严重,故满足小信号条件所容许的 vgs Ti和J的小信号参数分别为gm,「ds和B,Av的表达式。 [解]中频交流通路如图p4-15-1所示。 小信号模型如图p4-15-2所示: 列方程 远大于Vbe V0=-Rc1b Vi=VgsnJb gmVgs=: ibib區ib 「ds 「be• —lb Re 图P4-15 ③代入②消去Vgs gm Vi二匚^j丄lbrbeib gm^sgmRe \=gmRE〃「ds〃R2丫PRc]R「be 该题也可直接用公式计算: J+gmRE〃rds〃Ri2人「be丿,其中1+P。 图P4-15-1 G+v,J rarfi^r+片叫)讥创g岬卜”片 图P4-15-2 4-16图P4-16是漏-栅反馈型FET偏置电路。 已知图中N沟道增强型MOSFET的参数 Vt=2V, k=0.25mA/V2。 问: (1) 要使b=1mA,漏极电阻Rd应取多大? (2) 这种偏置电路能否用于 JFET和耗尽型MOSFET? 为什么? [解] (1)该FET是N沟道增强型 MOST, 含 TVds=VgsAVgs—Vt ”•.该电路肯定工作在放大区。 2 二iD=k(VGS-Vr) 将Id"mA代入上式,求得Vgs=4v图P4-16 由偏置电路Vgs=-RdId•Vdd(=Vds) Vgs=4V 将Id=1mA代入上式,求得Rd=16k「。 (2)这种偏置不能用于JFET。 ;它不能使Vgs与Vds极性相反。 这种偏置可用于 耗尽型MOSFET,但偏置范围受限。 4-17由FET和BJT组成的混合跟随器如图P4-17所示。 设电路满足条件: 稳压管Dz的动态电阻0,RD»rbe,3>>1。 (1)证明混合跟随器的电压增益Av为 、一: gmRs2 V1gmRs19mRs2 (2)求电路输入电阻R的表达式。 [解] (1)画交流通路如图P4-17-1所示 'Rd'-rbe,故可不计Rd(未画出) 利用条件机gmVg(不计氐),igL° Vo=(: ibgmVgs)Rs2 vi=vgs"■gmVgsRS1'Cib'gmVgs)RS2 列方程: ib—gmvgs ③代入①和② Vo口mVgs+gmVgs)Rs2 viVgsgmVgsRS1(I-gmVgsgmVgs)R2 (B+1)gmRs2 1gmRsi(: 1)gmRs2 BgmRs2 1gmRsi: gmRs2 R=V=Vi igVi-Vo Vi =Rg Vi Vi : gmRs2Vi (2)甩 Vi-V) 11+gmRsi十PgmRs 1gmRsi: gmRs2 =Rg1+卩弘恳2 1+gmRs1 *——— 图P4-17-1 图P4-17 §4.3复习题解答 一、填空题 1场效应管(FET)依靠(%)控制漏极电流iD,故称为(电压)控制器件。 2.FET工作于放大区,又称为(饱和)区或(恒流)区。 此时iD主要受(Vgs)电压控制,而iD几乎不随(Vds)电压的改变而变化。 3. N沟道FET放大偏置时,iD的方向是从(漏)极到(源)极;P沟道FET放大偏置时,iD的方向是从(源)极到(漏)极。 4.对偏置于放大区的六种类型的FET,试填写下表: JFET MOSFET P沟道 N沟道 5.写出FET各个工作区域对应的沟道状态。 工作区域 可变电阻区 放大区 截止区 沟道状态 未夹断 部分夹断 全夹断 6.符号Idss的含义是(零偏(Vgs)饱和漏电流)° .2),而增强型管的平方律关系式为(iD="VGS-") 10.根据FET在放大区的外特性,它的栅极、源极和漏极分别与 发射)极和(集电)极相似。 合偏置)电路。 但(源极自偏)电路不能用于增强型MOSFET。 12.FET的基本放大组态: CS组态、CD组态和CG组态,其放大特性分别与BJT的(CE)组态、(CC)组态和(CB)组态相似。 13.FET的(沟道长度调制)效应与BJT的基区宽调效应相似。 基区宽调效应使集 电结反偏电压变化对各极电位有影响,而FET的该反应使(Vds)电压的变化对iD产生 影响。 14. FET的小信号参数(忌)是沟道调制效应的反映。 1. BJT的饱和状态与FET的饱和状态相似。 纠错: 只有沟道全夹断,iD才会为零。 当沟道从未夹断向靠近漏级端夹断过渡时,iD是 递增的。 当近漏端刚好夹断时,iD达到一个饱和值,而不是零。 5•当CE放大器的负载电阻和工作点电流与CS放大器相同时,CE放大器的电压增益 总是大于CS放大器,因此CE放大器的功率增益会比CS放大器高。 纠错: CS放大器向信号源吸收的功率可能很小,故功率增益不会小。 6•图F4—2所示CS-CC放大器有4处错误,试指明并在图上改正。 纠错: (1)rg应接在栅极和地之间。 (2)T2改为NPN管。 (3)T2的基极没有直流通 路,应补充上、下偏置电路。 (4)RC多余,应短路去掉。 改正以后的电路如图F4-2-1所示。 7.既然图F4-3中Ig=O,Rg可任意选择,那么Rg开路也是可9倣以的。 1 纠错: Rg开路,栅极便不能得到偏置电压。 Rg使Rs上的电压 r*n 加到GS之间。 Rg T 三、单选题 1 1.FET沟道电流的性质是(A)。 A.多子漂移电流B. 少子漂移电流 图F4-3 C.多子扩散电流 D.少子扩散电流 2.图F4-4是( D)MOSFET的输出特性曲线。 A.N沟道耗尽型 B.P沟道耗尽型 C.N沟道增强型 D.P沟道增强型 理由: ■_■vDs0,故为P沟道,TVgs: : : -3V,才存在沟道,故为增强型MOST。 3.N沟道JFET工作于放大区的条件是 A.Vp>Vgs>0,Vds>Vgs—VpI C.Vp 4.采用BJT和场效应管FET两级级联放大器。 要求: ①输出电压稳定(即当负载变 化时,输出电压变化减小): ②Ri大;③反相放大器。 以下四种组态中,(A)最能满足 此条件。 A.CS-CCB.CB-CDC.CE-CDD.CG-CC 理由: (1)CC组态作输出级,其输出电阻小,使负载变化时,输出电压的变化小; (2)CS组态的输入电阻由偏置电路决定,可以做得很大; (3)CS是反相放大器,CC是同相放大器,.CS-CC级联为反相放大器。 图F4-5 理由: (b)中FET是N沟道增强型MOSFET,而增强型MOSFET不能 采用源极自偏电路。 6.图F4-5中FET的参数hss=1mA,Vp=—4V。 该电路中的FET工作于(B)。 A.截止区B.放大区 C.可变电阻区D.恒压区 图F4-6 理由: 图示FET是N沟道耗尽型MOSFET。 : Vg^0, Vds■Vgs-Vt Id=Idss=1mA,.Vds=10-51=5v满足(5V)(4V),FET工作在放大区。
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