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場效應(yīng)管特性及應(yīng)用

作者: 時間:2012-06-04 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

管不僅兼有普通晶體管和電子管的優(yōu)點,而且還具備兩者所缺少的優(yōu)點。場管具有雙向?qū)ΨQ性,即場管的源極和漏極是可以互換的(無阻尼),一般的晶體管是不容易做到這一點的,電子管是根本不可能達到這一點。所謂雙向?qū)ΨQ性,對普通晶體管來說,就是發(fā)射極和集電極互換,對電子管來說,就是將陰極和陽極互換。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/165514.htm

場效應(yīng)管控制工作電流的原理與普通晶體管完全不一樣,要比普通晶體管簡單得多,場效應(yīng)管只是單純地利用外加的輸入信號以改變半導(dǎo)體的電阻,實際上是改變工作電流流通的通道大小,而晶體管是利用加在發(fā)射結(jié)上的信號電壓以改變流經(jīng)發(fā)射結(jié)的結(jié)電流,還包括少數(shù)載流子渡越基區(qū)后進入集電區(qū)等極為復(fù)雜的作用過程。場效應(yīng)管的獨特而簡單的作用原理賦予了場效應(yīng)管許多優(yōu)良的性能,它向使用者散發(fā)出誘人的光輝。

一、場效應(yīng)管的
場效應(yīng)管與普通晶體管相比具有輸入阻抗高、噪聲系數(shù)小、熱穩(wěn)定性好、動態(tài)范圍大等優(yōu)點。它是一種壓控器件,有與電子管相似的傳輸,因而在高保真音響設(shè)備和集成電路中得到了廣泛的,其特點有以下一些。

  1. 高輸入阻抗容易驅(qū)動,輸入阻抗隨頻率的變化比較小。輸入結(jié)電容小(反饋電容),輸出端負載的變化對輸入端影響小,驅(qū)動負載能力強,電源利用率高。
  2. 場效應(yīng)管的噪聲是非常低的,噪聲系數(shù)可以做到1dB以下,現(xiàn)在大部分的場效應(yīng)管的噪聲系數(shù)為0.5dB左右,這是一般晶體管和電子管難以達到的。
  3. 場效應(yīng)管具有更好的熱穩(wěn)定性和較大的動態(tài)范圍。
  4. 場效應(yīng)管的輸出為輸入的2次冪函數(shù),失真度低于晶體管,比膽管略大一些。場效應(yīng)管的失真多為偶次諧波失真,聽感好,高中低頻能量分配適當,聲音有密度感,低頻潛得較深,音場較穩(wěn),透明感適中,層次感、解析力和定位感均有較好表現(xiàn),具有良好的聲場空間描繪能力,對音樂細節(jié)有很好表現(xiàn)。
  5. 普通晶體管在工作時,由于輸入端(發(fā)射結(jié))加的是正向偏壓,因此輸入電阻是很低的,場效應(yīng)管的輸入端(柵極與源極之間)工作時可以施加負偏壓即反向偏壓,也可以加正向偏壓,因此增加了電路設(shè)計的變通性和多樣性。通常在加反向偏壓時,它的輸入電阻更高,高達100MΩ以上,場效應(yīng)管的這一彌補了普通晶體管及電子管在某些方面的不足。
  6. 場效應(yīng)管的防輻射能力比普通晶體管提高10倍左右。
  7. 轉(zhuǎn)換速率快,高頻特性好。
  8. 場效應(yīng)管的電壓與電流特性曲線與五極電子管輸出特性曲線十分相似。

場效應(yīng)管的品種較多,大體上可分為結(jié)型場效應(yīng)管和絕緣柵場效應(yīng)管兩類,且都有N型溝道(電流通道)和P型溝道兩種,每種又有增強型和耗盡型共四類。
絕緣柵場效應(yīng)管又稱金屬(M)氧化物(O)半導(dǎo)體(S)場效應(yīng)管,簡稱MOS管。按其內(nèi)部結(jié)構(gòu)又可分為一般MOS管和VMOS管兩種,每種又有N型溝道和P型溝道兩種、增強型和耗盡型四類。
VMOS場效應(yīng)管,其全稱為V型槽MOS場效應(yīng)管,是在一般MOS場效應(yīng)管的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型高效功率開關(guān)器件。它不僅繼承了MOS場效應(yīng)管輸入阻抗高(大于100MΩ)、驅(qū)動電流小(0.1uA左右),還具有耐壓高(最高1200V)、工作電流大(1.5~100A)、輸出功率高(1~250W)、跨導(dǎo)線性好、開關(guān)速度快等優(yōu)良特性。目前已在高速開關(guān)、電壓放大(電壓放大倍數(shù)可達數(shù)千倍)、射頻功放、開關(guān)電源和逆變器等電路中得到了廣泛。由于它兼有電子管和晶體管的優(yōu)點,用它制作的高保真音頻功放,音質(zhì)溫暖甜潤而又不失力度,備受愛樂人士青睞,因而在音響領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。VMOS管和一般MOS管一樣,也可分為N型溝道和P型溝道兩種、增強型和耗盡型四類,分類特征與一般的MOS管相同。VMOS場效應(yīng)管還有以下特點。

  1. 輸入阻抗高。由于柵源之間是SiO2層,柵源之間的直流電阻基本上就是SiO2絕緣電阻,一般達100MΩ左右,交流輸入阻抗基本上就是輸入電容的容抗。
  2. 驅(qū)動電流小。由于輸入阻抗高,VMOS管是一種壓控器件,一般有電壓就可以驅(qū)動,所需的驅(qū)動電流極小。
  3. 跨導(dǎo)的線性較好。具有較大的線性放大區(qū)域,與電子管的傳輸特性十分相似。較好的線性就意味著有較低的失真,尤其是具有負的電流溫度系數(shù)(即在柵極與源極之間電壓不變的情況下,導(dǎo)通電流會隨管溫升高而減小),故不存在二次擊穿所引起的管子損壞現(xiàn)象。因此,VMOS管的并聯(lián)得到了廣泛的應(yīng)用。
  4. 結(jié)電容無變?nèi)菪?yīng)。VMOS管的結(jié)電容不隨結(jié)電壓而變化,無一般晶體管結(jié)電容的變?nèi)菪?yīng),可避免由變?nèi)菪?yīng)招致的失真。
  5. 頻率特性好。VMOS場效應(yīng)管的多數(shù)載流子運動屬于漂移運動,且漂移距離僅1~1.5um,不受晶體管那樣的少數(shù)載流子基區(qū)過渡時間限制,故功率增益隨頻率變化極小,頻率特性好。
  6. 開關(guān)速度快。由于沒有少數(shù)載流子的存儲延遲時間,VMOS場效應(yīng)管的開關(guān)速度快,可在20ns內(nèi)開啟或關(guān)斷幾十A 電流。

二、場效應(yīng)管的主要參數(shù)及選用
為了正確安全運用場效應(yīng)管,防止靜電、誤操作或儲存不當而損壞場效應(yīng)管,必須對場效應(yīng)管主要參數(shù)有所了解和掌握。場效應(yīng)管的參數(shù)多達幾十種,現(xiàn)將主要參數(shù)及含義列于表1,作為參考。

表1 場效應(yīng)管主要參數(shù)及含義
符號名稱含義
BVGSS柵源耐壓柵源之間的SiO2層很薄,耐壓一般只有30~40V
BVDSS源漏耐壓VGS=0,源漏反向漏電流達10uA時的VDS值
VP夾斷電壓在源極接地情況下,為使漏源電流輸出為零時的柵源電壓
VT開啟電壓當IDS達到1mA時,柵源之間的電壓
IGss漏泄電流柵一溝道結(jié)施加反向電壓下的反向電流,結(jié)型管為nA級,MOS管為pA級
IDss飽和漏源電流零偏壓VGS=0時的漏電流
RGS輸入電阻柵源絕緣電阻,柵一溝道在反偏壓下的電阻,結(jié)型管為100M Ω,MOS管為10000MΩ以上
RDS輸出電阻漏極特性曲線斜率的導(dǎo)數(shù),即1/RDS=△ID/△VDS
gm跨導(dǎo)表示柵極電壓對漏極電流的控制能力
IDs源漏電流
PD耗散功率
NF噪聲系數(shù)噪聲是管子內(nèi)載流子不規(guī)則運動引起的,場效應(yīng)管要比晶體管小得多,NF愈小表示管子噪聲愈小
CGS柵源電容輸入電容,越小越好,減小失真,有利頻率特性提高
CDS漏源電容輸出電容,越小越好,減小失真,有利頻率特性提高
CGD柵漏電容反饋電容,越小越好,減小失真,有利頻率特性提高
場效應(yīng)管的選用應(yīng)注意以下幾點。

  1. 場效應(yīng)管的ID的參數(shù)按電路要求選取,能滿足功耗要求并略有余量即可,不要認為越大越好,ID越大,CGS也越大,對電路的高頻響應(yīng)及失真不利,如ID為2A的管子,CGS約為80pF;ID為10A的管子,CGS約為1000pF。使用的可靠性可通過合理的散熱設(shè)計來保證。
  2. 選用VMOS管的源漏極耐壓BVDSS不要過高,能達到要求即可。因為BVDSS大的管子飽和壓降也大,會影響效率。結(jié)型場效應(yīng)管則要盡可能高些,因為他們本來就不高,一般BVDSS為30~50V,BVGSS為20V。
  3. VMOS管的BVGSS盡可能高些,因為VMOS管子?xùn)艠O很嬌氣,很容易被擊穿,儲存或操作要慎之又慎,防止帶靜電的物體接觸管腳。在儲存中要將引出腳短路,并用金屬盒屏蔽包裝,以防止外來感應(yīng)電勢將柵極擊穿,尤其要注意不能將管子放入塑料盒子或塑料袋中。為了防止柵極感應(yīng)擊穿,在安裝調(diào)試中要求一切儀器儀表、電烙鐵、電路板以及人體等都必須具有良好的接地效果,在管子接入電路之前,管子的全部引腳都必須保持短接狀態(tài),焊接完畢后方可把短接材料拆除。
  4. 配對管要求用同廠同批號的,這樣參數(shù)一致性好。盡量選用孿生配對管,使管子的夾斷電壓和跨導(dǎo)盡可能保持一致,使配對誤差分別小于3%和5%。
  5. 盡可能選用音響專用管,這樣更能適合音頻放大電路的要求。
  6. 在安裝場效應(yīng)管時,位置要避免靠近發(fā)熱元件。為了防止管子振動,要將管子緊固起來,管腳引線在彎曲時,應(yīng)當大于根部距離5mm處進行彎曲,以防止彎曲時拆斷管腳或引起漏氣而損壞管子。管子要有良好的散熱條件,必須配置足夠的散熱器,保證管子溫度不超過額定值,確保長期穩(wěn)定可靠工作。

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