【模电】场效应管的主要参数
场效应管的主要参数
- 直流参数
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- 开启电压 U G S ( t h ) {U}{\tiny GS(th)} UGS(th)
- 夹断电压 U G S ( o f f ) {U}{\tiny GS(off)} UGS(off)
- 饱和漏极电流 I D S S {I}{\tiny DSS} IDSS
- 直流输入电阻 R G S ( D C ) {R}{\tiny GS(DC)} RGS(DC)
- 交流参数
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- 低频跨导 g m {g}{\tiny m} gm
- 极间电容
- 极限参数
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- 最大漏极电流 I D M {I}{\tiny DM} IDM
- 击穿电压
- 最大耗散功率 P D M {P}{\tiny DM} PDM
直流参数
开启电压 U G S ( t h ) {U}{\tiny GS(th)} UGS(th)
U G S ( t h ) {U}{\tiny GS(th)} UGS(th)是在 U D S {U}{\tiny DS} UDS为一常量时，使 i D {i}{\tiny D} iD大于零所需的最小值 ∣ u G S ∣ |{\large u}{\tiny GS}| ∣uGS∣值。手册中给出的是在 i D {i}{\tiny D} iD为规定的微小电流(如5uA)时的 u G S {\large u}{\tiny GS} uGS。 U G S ( t h ) {U}{\tiny GS(th)} UGS(th)是增强型MOS管的参数。
夹断电压 U G S ( o f f ) {U}{\tiny GS(off)} UGS(off)
与 U G S ( t h ) {U}{\tiny GS(th)} UGS(th)相类似， U G S ( o f f ) {U}{\tiny GS(off)} UGS(off)是在 u D S {\large u}{\tiny DS} uDS为常量情况下 i D {i}{\tiny D} iD为规定的微小电流(如5uA)时的 u G S {\large u}{\tiny GS} uGS，它是结场型场效应管和耗尽型MOS管的参数。
饱和漏极电流 I D S S {I}{\tiny DSS} IDSS
对于结型场效应管，在 u G S = 0 V {\large u}{\tiny GS}=0V uGS=0V情况下产生预夹断时的漏极电流定义为 I D S S {I}{\tiny DSS} IDSS。
直流输入电阻 R G S ( D C ) {R}{\tiny GS(DC)} RGS(DC)
R G S ( D C ) {R}{\tiny GS(DC)} RGS(DC)等于栅 - 源电压与栅极电流之比，结型管的 R G S ( D S ) {R}{\tiny GS(DS)} RGS(DS)大于 1 0 7 10^7 107Ω，而MOS管的 R G S ( D S ) {R}{\tiny GS(DS)} RGS(DS)大于 1 0 9 10^9 109Ω。手册中一般只给出栅极电流的大小
。
交流参数
低频跨导 g m {g}{\tiny m} gm
g m {g}{\tiny m} gm数值的大小表示 u G S {\large u}{\tiny GS} uGS对 i D {i}{\tiny D} iD控制作用的强弱。在管子工作在恒流区且 u D S {\large u}{\tiny DS} uDS为常量的条件下， i D {i}{\tiny D} iD的微小变化量 Δ i D {\Delta i}{\tiny D} ΔiD与引起它变化的 Δ u G S {\large \Delta u}{\tiny GS} ΔuGS之比，称为低频跨导。即
g m = Δ i D Δ u G S ∣ U D S = 常数 {g}{\tiny m}=\frac{\large \Delta i\tiny D}{{\large \Delta u}{\tiny GS}}{\huge \mid_{\small U\tiny DS=常数}} gm=ΔuGSΔiD∣UDS=常数
g m {g}{\tiny m} gm的单位S(西门子)或mS。 g m {g}{\tiny m} gm是转移特性曲线上某一点的切线的斜率，可通过下式求导而得：
i D = I D S S ( 1 − u G S U G S ( o f f ) ) 2 ( U G S ( o f f ) ＜ u G S ＜ 0 ) {i}{\tiny D}={I\tiny DSS}{(1-\frac {{\large u}{\tiny GS}}{U\tiny GS(off)})}^2({U\tiny GS(off)}＜{{\large u}\tiny GS}＜0) iD=IDSS(1−UGS(off)uGS)2(UGS(off)＜uGS＜0) i D = I D O ( u G S U G S ( t h ) − 1 ) 2 {i\tiny D}={I\tiny DO}(\frac {\large u\tiny GS}{U\tiny GS(th)}-1)^2 iD=IDO(UGS(th)uGS−1)2
g m {g}{\tiny m} gm与切点的位置密切相关，由于转移特性曲线的非线性，因而 i D {i}{\tiny D} iD越大， g m {g}{\tiny m} gm也越大。
极间电容
场效应管的三个极之间均存在极间电容。通常，栅 - 源电容 C g s {C}{\tiny gs} Cgs和栅 - 漏电容 C g d {C}{\tiny gd} Cgd约为1 ~ 3pF，而漏 - 源电容 C d s {C}{\tiny ds} Cds约为0.1 ~ 1pF。在高频电路中，应考虑极间电容的影响。管子的最高工作频率 f M {f}{\tiny M} fM是综合考虑了三个电容的影响而确定的工作频率的上限值。
极限参数
最大漏极电流 I D M {I}{\tiny DM} IDM
I D M {I}{\tiny DM} IDM是管子正常工作时漏极电流的上限值。
击穿电压
管子进入恒流区后，使 i D {i}{\tiny D} iD骤然增大的 u D S {\large u}{\tiny DS} uDS称为漏 - 源击穿电压 U ( B R ) D S {U}{\tiny (BR)DS} U(BR)DS， u D S {\large u}{\tiny DS} uDS超过此值会使管子损坏。
对于结场型效应管，使栅极与沟道间PN结反向击穿的 u G S {\large u}{\tiny GS} uGS为栅 - 源击穿电压 U ( B R ) G S {U}{\tiny (BR)GS} U(BR)GS；对于绝缘栅型场效应管，使绝缘层击穿的 u G S {\large u}{\tiny GS} uGS为栅 - 源击穿电压 U ( B R ) G S {U}{\tiny (BR)GS} U(BR)GS。
最大耗散功率 P D M {P}{\tiny DM} PDM
P D M {P}{\tiny DM} PDM决定于管子允许的温升。 P D M {P}{\tiny DM} PDM确定后，便可在管子的输出特性上画出临界最大功耗线；再根据 I D M {I}{\tiny DM} IDM和 U ( B R ) D S {U}{\tiny (BR)DS} U(BR)DS，便可得到管子的安全工作区
对于MOS管，栅 - 衬之间的电容容量很小，只要有少量的感应电荷就可以产生很高的电压。而由于 R G S ( D C ) {R}{\tiny GS(DC)} RGS(DC)很大，感应电荷难于释放，以至于感应电荷所产生的高压会使很薄的绝缘层击穿，造成管子的损坏。因此，无论是在存放还是在工作电路中，都应为栅 - 源之间提供直流通路，避免栅极悬空；同时在焊接时，要将电烙铁良好接地。
已知某管子的输出特性曲线如下图所示。试分析该管是什么类型的场效应 (结型、绝缘栅型、N沟道、P沟道、增强型、耗尽型)。
解：
从 i D {i}{\tiny D} iD或 u D S {\large u}{\tiny DS} uDS、 u G S {\large u}{\tiny GS} uGS的极性可知，该管为N沟道管；从输出特性曲线中开启电压 U G S ( t h ) = 4 V ＞ 0 {U}{\tiny GS(th)}=4V＞0 UGS(th)=4V＞0可知，该管为增强型MOS管；所以该管为N沟道增强型MOS管。
管子T的输出特性曲线与电路分别如下图所示。试分析 u I {\large u}{\tiny I} uI为0V、8V、和10V三种情况下 u O {\large u}{\tiny O} uO分别为多少？
解：
当 u G S = u I = 0 V {\large u}{\tiny GS}={\large u}{\tiny I}=0V uGS=uI=0V时，管子处于夹断状态。因而 i D = 0 {i}{\tiny D}=0 iD=0。而 u O = u D S = V D D − i D R D = V D D = 15 V {\large u}{\tiny O}={\large u}{\tiny DS}={V}{\tiny DD}-{\large i}{\tiny D}{R }{\tiny D}={V}{\tiny DD}=15V uO=uDS=VDD−iDRD=VDD=15V。
当 u G S = u I = 8 V {\large u}{\tiny GS}={\large u}{\tiny I}=8V uGS=uI=8V时，设管子工作在恒流区。则 i D = 1 m A {i}{\tiny D}=1mA iD=1mA，因此 u O = u D S = V D D − i D R D = ( 15 − 1 ∗ 5 ) V = 10 V {\large u}{\tiny O}={\large u}{\tiny DS}={V}{\tiny DD}-{\large i}{\tiny D}{R }{\tiny D}=(15-1*5)V=10V uO=uDS=VDD−iDRD=(15−1∗5)V=10V大于 u G S − U G S ( t h ) = ( 8 − 4 ) V = 4 V {\large u}{\tiny GS}-{U}{\tiny GS(th)}=(8-4)V=4V uGS−UGS(th)=(8−4)V=4V，说明假设成立，管子工作在恒流区。
当 u G S = u I = 10 V {\large u}{\tiny GS}={\large u}{\tiny I}=10V uGS=uI=10V时，若认为管子工作在恒流区，这 i D {i}{\tiny D} iD约为2.2mA。因而 u O = ( 15 − 2.2 ∗ 5 ) V = 4 V {\large u}{\tiny O}=(15-2.2*5)V=4V uO=(15−2.2∗5)V=4V。但是， u G S = 10 V {\large u}{\tiny GS}=10V uGS=10V时的预夹断电压为
u D S = u G S − U G S ( t h ) = ( 10 − 4 ) V = 6 V {\large u}{\tiny DS}={\large u}{\tiny GS}-{U}{\tiny GS(th)}=(10-4)V=6V uDS=uGS−UGS(th)=(10−4)V=6V
u D S {\large u}{\tiny DS} uDS小于d - s在 u G S = 10 V {\large u}{\tiny GS}=10V uGS=10V时的预夹断电压，说明管子已不工作在恒流区，而是工作在可变电阻区。从输出特性曲线可得 u G S = 10 V {\large u}{\tiny GS}=10V uGS=10V时d - s间的等效电阻为
R D S = U D S I D ≈ 3 1 ∗ 1 0 − 3 Ω = 3 k Ω {R}{\tiny DS}=\frac{\large U\tiny DS}{\large I\tiny D}≈\frac{3}{1*10^{-3}}Ω=3kΩ RDS=IDUDS≈1∗10−33Ω=3kΩ所以 u O = R D S R d + R D S ∗ V C C ≈ 3 5 + 3 ∗ 15 V ≈ 5.6 V {\large u}{\tiny O}=\frac{R\tiny DS}{{R\tiny d}+{R\tiny DS}}*{V}{\tiny CC}≈\frac{3}{5+3}*15V≈5.6V uO=Rd+RDSRDS∗VCC≈5+33∗15V≈5.6V
电路如下图所示，场效应管的夹断电压 U G S ( o f f ) = − 4 V {U}{\tiny GS(off)}=-4V UGS(off)=−4V，饱和漏极电流 I D S S = 4 m A {I}{\tiny DSS}=4mA IDSS=4mA。试问为保证负载电阻 R L {R}{\tiny L} RL上的电流为恒流， R L {R}{\tiny L} RL的取值范围应为多少？
解：
从电路图可知， u G S = 0 V {\large u}{\tiny GS}=0V uGS=0V，因而 i D = I D S S = 4 m A {i}{\tiny D}={I}{\tiny DSS}=4mA iD=IDSS=4mA。并且 u G S = 0 V {\large u}{\tiny GS}=0V uGS=0V时的预夹断电压 u D S = u D S − U G S ( t h ) = [ 0 − ( − 4 ) ] V = 4 V {\large u}{\tiny DS}={\large u}{\tiny DS}-{U}{\tiny GS(th)}=[0-(-4)]V=4V uDS=uDS−UGS(th)=[0−(−4)]V=4V，而
u D S = V D D − i D R L {\large u}{\tiny DS}={V}{\tiny DD}-{i\tiny D}{R\tiny L} uDS=VDD−iDRL所以保证 R L {R}{\tiny L} RL为恒流的最大输出电压 U o m a x = ( V D D − 4 ) V = 8 V {U}{\tiny omax}=({V\tiny DD}-4)V=8V Uomax=(VDD−4)V=8V输出电压范围为0 ~ 8V，负载电阻 R L {R\tiny L} RL的取值范围为
R L = U O I D S S = 0 2 k Ω {R}{\tiny L}=\frac{\large U\tiny O}{\large I\tiny DSS}=0 ~ 2kΩ RL=IDSSUO=0 2kΩ
笔记 \huge 笔记 笔记
NMOS和PMOS的区别
| 晶体管 | NMOS | PMOS |
|---|---|---|
| 符号 |  |
 |
| 主电流方向 | D->S | S->D |
| 导通条件 | V G S ＞ V t h {V\tiny GS}＞{V\tiny th} VGS＞Vth | V G S < V t h {V\tiny GS}<{V\tiny th} VGS<Vth |