第七章第七章 場效電晶體的 場效電晶體的偏壓偏壓

11

應用於所有應用於所有 FETFET 放大器直流分析之一般關係式放大器直流分析之一般關係式

對所有 FETs:

AIG 0

SD II

對 JFETS 與空乏型 MOSFETs:

2

P

GSDSSD V

V1II

對增強型 MOSFETs:

2)( TGSD VVkI

22

JFETJFET• 固定偏壓 • 自偏壓 • 分壓器偏壓

空乏型空乏型 MOSFETMOSFET•自偏壓•分壓器偏壓

增強型增強型 MOSFETMOSFET•回授組態•分壓器偏壓

常見的常見的 FET FET 偏壓電路偏壓電路

33

JFETsJFETs

JFETs 不同於 BJTs

• 介於輸入 (VGS) 與輸出 (ID) 之間的非線性關係。

• JFETs 為電壓控制的元件 , 而 BJTs 是電流控制的裝元件。

44

固定偏壓組態固定偏壓組態

圖 7.1 固定偏壓組態

55

固定偏壓組態固定偏壓組態

66

圖 7.2 直流分析電路

對固定偏壓電路作直流分析時，電路中之藕合電容 和 可視為開路，且因 ，所以 ，因此可將圖 7.1 簡化為圖 7.2 。

1C 2C

A0GI V0GRV

＊ 因為 為固定直流電源， 所以 之大小為定值，故 此組態稱為固定偏壓組態。

GGV

GSV

固定偏壓組態固定偏壓組態例題 7.1

V 0 f.

V 2 e.

V 75.4 d.

V 75.4)2)(625.5(16 c.

mA625.5)8

21(10)1( b.

2 a.

22

S

GSG

DSD

DDDDDS

P

GSDSSD

GGGS

V

VV

VV

kmAVRIVV

V

VmA

V

VII

VVV

Q

Q

77

圖 7.6

自偏壓組態自偏壓組態

88

圖 7.8 JFET 自偏壓組態

對自偏壓電路作直流分析時，電路中之藕合電容 和 可視為開路，且因 ，所以 ，因此可將圖 7.8 簡化為圖 7.9 。

自偏壓組態自偏壓組態

1C 2C

A0GI V0GRV

圖 7.9 自偏壓組態之直流分析電路

SD

RGSRGS

SDR

DS

RI

VVVV

RIV

II

sS

S

0-

從回路中可得：

99

SDGS RIV 求解此方程式 :

• 選取一 ID < IDSS 值被使用 RS 元件值。

• 繪出該點 : ID 與 VGS 以及繪出自座標原點到該點的直線。

• 使用 IDSS 與 VP ( 在規格表中的 VP = VGSoff) 繪出轉移曲線圖，以及一些點像是 ID = IDSS / 4 與 ID = IDSS / 2 等。

自偏壓組態自偏壓組態在所標示迴路中 ,

1010

圖 7.9

圖 7.10

DRDDSDSD

SDS

DSDDDDS

VVVVV

RIV

RRIVV

)(

1111

Q- 點是位於先前的直線與轉移曲線的交點， 使用在 Q- 點的 ID 值 (IDQ) 來求解其他的電壓 :

自偏壓組態自偏壓組態

圖 7.11

自偏壓組態例題自偏壓組態例題

例題 7.2

圖 7.12

1212

自偏壓組態自偏壓組態例題例題

V4)1)(4(

可得mA 4 選擇

kmAV

，I

RIV

DS

D

SDGS

V8)1)(8(

可得mA 8 選擇同理，

kmAV

，I

DS

D

圖 7.13

a.

1313

自偏壓組態自偏壓組態例題例題

2)1(P

GSDSSD V

VII

V 6PV已知 和 ，根據蕭克萊方程式：

mA 8DSSI

可得到元件之特性曲線：

圖 7.14

1414

自偏壓組態自偏壓組態例題例題

將圖 7.13 與圖 7.14 結合得到圖 7.15 ，圖中之交點即為元件之操作點 Q ，由圖中可得到：

V 6.2QGSV

b.

mA 6.2QDI

1515

圖 7.15

V 82.8

)3.31)(6.2(20

)(

kkmAV

RRIVV DSDDDDS

V 0GV

V 6.2

162

kΩΩ mA)(.(RIV SDS

V 42.11

336220

kΩΩ. mA)(.(V

RIVV DDDDD

自偏壓組態自偏壓組態例題例題

c.

d.

e.

f.圖 7.12

1616

分壓器偏壓分壓器偏壓

IG = 0A

不同於 BJTs— 其中 IB 影響 IC—在 FETs 則是 VGS 控制 ID。

1717

圖 7.21

分壓器偏壓計算分壓器偏壓計算

Q 點是以繪出直線而與轉移曲線交點所建立的。

21

DD2G RR

VRV

VG 是等於分組器 R2 上的電壓 :

使用克希荷夫定理 :

SDGGS RIVV

1818

圖 7.22

分壓器偏壓的分壓器偏壓的 Q-Q- 點點

步驟步驟 11

繪出兩點後畫出直線 :•VGS = VG, ID =0•VGS = 0, ID = VG / RS

步驟步驟 22

繪出 IDSS, VP 與 ID 計算值後畫出轉移曲線。

步驟步驟 33

Q- 點是位在直線與轉移曲線的交點處。

1919

圖 7.23

分壓器偏壓的分壓器偏壓的 Q-Q- 點點

增加 RS 值導致較低之 ID 靜態值及更負之 VGS 值。

2020

圖 7.24

分壓器偏壓計算分壓器偏壓計算

利用在 Q- 點的 ID 值來求解分壓器偏壓電路中的其它變數。

2121

SDS

DDDDD

SDDDDDS

RIV

RIVV

RRIVV

)(

2121 RR

VII DDRR

圖 7.22

分壓器偏壓例題分壓器偏壓例題

例題 7.5

圖 7.25

2222

分壓器偏壓例題分壓器偏壓例題

根據直流分析電路圖 7.22 所示，可得到：

)5.1(82.1 且V 82.1

27.01.2

)16)(270(

21

2

kIVRIV V

MM

Vk

RR

VRV

DSDGGS

DDG

mA 21.1 5.1

82.1I V 0 當

V 82.1 mA 0 當

D

k

VV

VI

GS

GSD

V 8.1 且

mA 4.2

中得到靜態值得7.26 由圖

Q

Q

GS

D

V

I

圖 7.26

2323

V 24.10

)4.2)(4.2(16

kmAV

RIVV DDDDD

V 6.3

5.142

kΩΩ mA)(.(RIV SDS

V 24.8

82.124.10

VV

VVV GDDG

b.

c.

d.

e.

分壓器偏壓例題分壓器偏壓例題

V 64.6

)5.14.2)(4.2(16

)(

kkmAV

RRIVV SDDDDDS

2424

圖 7.25

空乏型空乏型 MOSFETsMOSFETs

空乏型 MOSFET 偏壓電路相似於 JFETs. 唯一不同的是空乏型 MOSFETs 可在正的 VGS 值與大於 IDSS 的 ID 值時操作。

2525

圖 7.27

2626

步驟步驟 11對下列式繪出直線

•VGS = VG, ID = 0•ID = VG/RS, VGS = 0

步驟步驟 22繪出 IDSS, VP 與 ID 的計算值畫出轉移曲線

步驟步驟 33Q- 點是位在直線與轉移曲線的交點處。利用在 Q- 點的 ID 來求解分壓器偏壓電路上的其它變數。

這些與 JFET 電路所使用的計算方法相同。

分壓器偏壓分壓器偏壓

分壓器偏壓例題分壓器偏壓例題例題 7.6

圖 7.27

2727

分壓器偏壓分壓器偏壓

2)1(P

GSDSSD V

VII

V 3PV已知 和 ，根據蕭克萊方程式：

mA 6DSSI

由上式得到元件之特性曲線，如圖 7.28 所示。

根據圖 7.27 之直流分析電路可得到：

)750(5.1 且V 5.1

11010

)18)(18(

21

2

DSDGGS

DDG

IVRIV V

MM

VM

RR

VRV

mA 2

750

5.1I V 0 當

V 5.1 mA 0 當

D

V

R

VV

VVI

S

GGS

GGSD

V 8.0 且

mA 1.3

中得到靜態值得7.28 由圖

Q

Q

GS

D

V

I

圖 7.28

a.

b.

V 1.10

)7508.1)(1.3(18

)(

kmAV

RRIVV SDDDDDS

2828

自偏壓自偏壓

步驟步驟 11對下列值畫出直線

•VGS = VG, ID = 0•ID = VG/RS, VGS = 0

步驟步驟 22繪出 IDSS, VP 與 ID 的計算值後畫出轉移曲線

步驟步驟 33Q- 點是位在直線與轉移曲線的交點處。利用在 Q- 點的 ID 來求解分壓器偏壓電路上的其它變數。

這些與 JFET 電路所使用的計算方法相同。

2929

自偏壓例題自偏壓例題例題 7.8

圖 7.30

3030

2)1(P

GSDSSD V

VII

V 8PV已知 和 ，根據蕭克萊方程式：

mA 8DSSI

由上式得到元件之特性曲線，如圖 7.31 所示。

圖 7.31

a.自偏壓例題自偏壓例題

因自偏偏壓組態，故從直流分析電路中，可得到：

SDGS RIV

mA 5.2

4.2

6I V 6 當

V 0 mA 0 當

D

k

V

R

VV

VI

S

GSGS

GSD

V 3.4 且

mA 7.1

中得到靜態值得7.34 由圖

Q

Q

GS

D

V

I

b.

V 46.9

)2.6)(7.1(20

kmAV

RIVV DDDDDS

3131

增強型增強型 MOSFETMOSFET

增強型 MOSFET 的轉移特性不同於簡單的 JFET 或空乏型 MOSFET。

對 n- 通道增強型MOSFET：• 當閘極對源極電壓低於臨界值 時汲極電流為零。•當 大於 時，汲極電流可定義為

3232

2)( )( ThGSGSD VVkI

)(ThGSV

GSV )(ThGSV

圖 7.32

回授偏壓回授偏壓

3333

增強型 MOSFETs 常見之偏壓為回授偏壓，如圖 7.33 所示：

圖 7.33

圖 7.34

因為 ，因此由圖 7.37 可得到其直流等效電路如圖 7.38 所示。因此得到

mA 0GI

DDDD

GSDS

RIV

VV

GSV 且

回授偏壓回授偏壓 Q-Q- 點點

步驟步驟 11利用下列式繪出直線

•VGS = VDD, ID = 0•ID = VDD / RD , VGS = 0

步驟步驟 22利用規格表的數值，依下列式子畫出轉移曲線。

•VGSTh , ID = 0 •VGS(on), ID(on)

步驟步驟 33Q- 點是位在直線與轉移曲線的交點處。

步驟步驟 44Using 利用在 Q- 點的 ID 值來求解偏壓電路上的其它變數。

3434

圖 7.35

回授偏壓例題回授偏壓例題例題 7.9

圖 7.36

3535

回授偏壓例題回授偏壓例題已知 、 及 ，根據（ 7.25 ）式解出 ，可得：VV onGS 8)( VV ThGS 3)( k

232

2)()(

)(2

)(

A/V 1024.0)38(

6

)()(

VV

mA

VV

I

VV

Ik

ThGSonGS

onD

ThGSGS

D

mAI onD 6)(

2)( )(

:根據

ThGSGSD VVkI

得到圖 7.37 所示之特性曲線。

3636

圖 7.37

回授偏壓例題回授偏壓例題

由直流等效電路中可知：

mA 62

120 當

V 120 當)212

k

V

R

VIVV

VVmAI

kΩ(V-I

RIVV

D

DDDGS

DDGSD

D

DDDDGS

V 4.6 且

V 4.6 及

mA 75.2

中得到工作點為7.42 由圖

QQ

Q

Q

GSDS

GS

D

VV

V

I

圖 7.38

3737

分壓器偏壓分壓器偏壓

利用下列式子繪出直線與轉移曲線而找到 Q-點 :

21

2RR

VRV DD

G

)( DSDDDDS

SDGGS

RRIVV

RIVV

3838

圖 7.39

分壓器偏壓分壓器偏壓

步驟步驟 11利用下列式子繪出直線

•VGS = VG = (R2VDD) / (R1 + R2), ID = 0 •ID = VG/RS , VGS = 0

步驟步驟 22利用規格表的數值，依下列式子畫出轉移曲線

•VGSTh, ID = 0•VGS(on) , ID(on)

步驟步驟 33直線與轉移曲線的交點處即 Q- 點

步驟步驟 44利用 Q- 點的 ID 值來求解偏壓電路中的其它變數。

3939

分壓器偏壓例題分壓器偏壓例題例題 7.10

圖 7.40

4040

分壓器偏壓例題分壓器偏壓例題根據圖 7.44 之直流等效電路中可得到：

)82.0(18 且V 18

1822

)40)(18(

21

2

kIVRIV V

MM

VM

RR

VRV

DSDGGS

DDG

1.95mA2

82.0

18I V 0 當

8V1 mA 0 當

D

k

V

R

VV

VVI

S

GGS

GGSD

已知 、 及

，根據（ 7.25 ）式解出 ，可得：

mAI onD 3)(

VV onGS 10)(

VV ThGS 5)(

k

232

2)()(

)(2

)(

A/V 1012.0)510(

3

)()(

VV

mA

VV

I

VV

Ik

ThGSonGS

onD

ThGSGS

D

圖 7.41

V 4.14

)0.382.0)(7.6(40

)(

)( 故

V 5.12 且

mA 7.6

:Q中得到 點為 7.45 由圖

kkmAV

RRIVV

RRIVV

V

I

DSDDDDS

DSDDDDS

GS

D

QQ

Q

Q

4141

pp-- 通道通道 FETsFETs

p- 通道 FETs 除了電壓極性與電流方向是相反外，所使用之計算方法與繪圖方法是相同的，而其圖形可以是 n- 通道鏡射圖形。

4242

pp-- 通道通道 FETsFETs例題例題例題 7.11

圖 7.43

4343

pp-- 通道通道 FETsFETs例題例題

根據圖 7.43 之直流等效電路可得到：

SDGGS

DDG

RIV V

kk

Vk

RR

VRV

且V 55.4

6820

)20)(20(

21

2

mA 53.2

8.1

55.4I V 0 當

V 55.4 mA 0 當

D

k

V

R

VV

VVI

S

GGS

GGSD

V 4.1 且

mA 4.3

中得到靜態值得7.48 由圖

Q

Q

GS

D

V

I 圖 7.44

4444

pp-- 通道通道 FETsFETs例題例題

V 7.4

)8.17.2)(4.3(20

)(

0

可得： 根據 求

kkmAV

RRIVV

VRIVRI

LVLV

SDDDDDS

DDDDDSSD

DS

圖 7.43

4545