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电路与电子学-4

电路与电子学-4

本帖最后由 look_w 于 2017-9-22 21:24 编辑

(如果我可以找到一个像这样的受控源,我们有控制端AA’和输出端BB’,这里的例子中,受控电流源通过的电流是输入电压的某个函数,这是一个压控电流源,接下来我要介绍一个实际工作状态是这样的器件)。(结果是,在某种条件下的MOSFET管是符合这种关系式的,MOSFET管某种程度上就是这么工作的,我来告诉你什么条件下MOSFET管这样工作)。(注意这里是一个控制端,需要一个输出端,我将要用一个以往不同的方式来描述MOSFET管)。(我画两个端口在这里,这是一个三端MOSFET管,这是漏极,栅极,源极,但是我看它的方式有一点不同,我把源极作为栅极和漏极的公用端,这个电压是Vgs,我用源极和栅极构成Vgs,同样的源极和漏极构成另一对Vds和电流ids,注意到当我这样看MOSFET管,我就完成了第一步,我把它看成一个盒子,有输入端输出端,我同时告诉你们MOSFET管有它特定的性质)。(其中一个就是,它的输出端在某种情况下开路,当Vgs小于Vt时,漏极和源极是开路的。然而,当Vgs大于或等于Vt的时候,MOSFET管的状态,最简模式是短路,或者更具体的话,它像一个电阻)。(我们把这个叫做MOSFET管的S-R模型,所以当Vgs大于Vt的时候,我们说近似MOSFET管工作模式的建党方法就是,把源极和漏极之间看成一个电阻,这就是S-R模型)。(看来我们在某种程度上说谎了,我们用一种很奇怪的方式在看MOSFET管,我们用了一种很讨巧的方法,不能算是聪明,只能说很狡猾,忽悠你们相信这仅仅是一个电阻,然后约束你如何使用MOSFET管,所以它实际上表现出一个电阻的特性。实际的MOSFET管在源漏两端的工作形式,远比你们现在看到的要复杂,所以我今天要做的就是脱掉MOSFET管神秘的包装,把它真是地展现给你们。我将花一些时间来清楚地阐述在什么条件下 MOSFET管表现出电阻的特性)。(我们来做一些探索,我把它放在这里,先不画任何东西,你们将能够自己推算它在各种条件下的工作模式
d->c,s->e,g->b(FET->BJT)
(我接下来要给MOSFET管加上一点电压,然后观察电流关于Vds的关系,在示波器上显示并观察它)。(我接下来要推算iDS表现出什么特性,记住在6.002中,流入栅极的电流ig总是为0,对MOSFET管更精确的分析,你们将会在未来的课程中学到,但现在我们关注的是,从栅极看进去是开路,所以我加上Vgs,然后画出ids关于Vds的曲线)。(我将尽可能地讲述你们已经知道的内容,然后当我讲新内容的时候,我会明确地告诉你们,你们已经知道当Vgs小于Vt时MOSFET管开路,当Vgs大于Vt的时候就用S模型,开关模型说,我们可以简单地把它看成短路)。(你们在实验室中看到,在源极和漏极之间是一个很小很小的电阻,就好像短路了一样,但是我们说)。(并不完全是这样,这里存在电阻,更精确一点的模型中,这条线会稍微下降一点,来暗示在源极和漏极之间实际上有电阻)。(当我再次增大Vds时,三极管不再显示电阻模型,因为当我增大Vce,ice在某点达到了饱和)。(现在我要来分析这部分的特性,但现在为止我们一直关注Vce小的情况,但大Vce大时,电流饱和了,变平了,并保持在某个值不变)。(这个曲线表现出什么特性,电流源,它和电流源一样的特性)。(让我给你们画一个模型,并且更详细地解释 一下)。(当我的集电极电压大于Vbe-Vt的时候,它就不会表现出很好的电阻特性,电流就会饱和,不会再让电流超过最大值)。(电流ice是通过下列关系是给出的,有点像我们以前选的受控源的例子,只是这里变成了Vt,而且集电极电压必须大于某个特定值,这个值是Vgs-Vt,然后这个器件就表现出电流源的特性,这个模型被称作MOSFET的“开关电流源模型”,Vce大于Vbe-Vt时,MOSFET管就会在漏源之间表现出电流源的特性)。(SCS(开关电流源模型)和SR(开关电阻模型)形成对比,注意这里并没有矛盾的地方,也许你会不解MOSFET管怎么能够表现得像个电阻,然后又突然变成了一个电流源。因为这两个区域是不一样的。它不可能表现成电流源的同时,还具有电阻的参数。当Vce小于Vbe-Vt时它的确表现成电阻,SR模型变得适用,但是当Vce超过某个值时,电流饱和SCS模型适用)。或你们可以尝试自己解决
(我有意地把这些曲线的间距画的更大,来暗示存在一个非线性关系。如果我将Vbe增加等量,Vce的增加和Vbe的平方有关,因为iceVbe-Vt的平方)。(所以得到了一簇这样的曲线,这条线是Vds=Vgs-Vt时,这片区域适用于Vds小于Vgs-Vt )。(曲线右侧是SCS模型,左侧是SR模型,Vgs<Vt时是截止区)。
(所以你也许会问,我们应该怎样选择模型,什么时候用SR模型,什么时候用SCS模型,如果你想做一个真正的分析,你可以在Vce小于Vbe-Vt的时候用SR模型,在大于或等于时可以使用SCS模型)。(在6.002为了减少困惑,我们对分析方法有比较严格的限制,我们这样来做,整个数字电路中我们关注SR模型,对于所有的数字电路,反相器和它的供电,还有延时或其它的内容,我们在6.002课程中都会使用SR模型,待会会告诉你为什么)。(对于模拟电路,比如放大器设计或者类似的情况,MOSFET管工作在饱和区,之后我会谈到这个部分,这是6.002,当我们设计模拟电路时,我们会限定自己使用MOSFET管的这个区域。当Vce比较大的时候我们限制MOSFET管工作在这个区域,为什么,因为我要求你们这么做,这是电流源的特性。还有另一个重要的原因,我马上会讲到。对于数字电路,我们会简单的使用SR模型    。因为你们可以看到在数字电路中,在这个课程中,一个下拉的MOSFET管开启的时候或者许多下拉MOSFET管开启的时候,输出电压就被拉到接近于地,所以vds非常小,应用该模型是有意义的)。(当我们讨论放大器时,我要求你必须vce大于这个,我会马上告诉你为什么,我叫它饱和规则,也就是MOSFET管工作在饱和区(BJT放大区),作为一个电流源)
(现在让我们来做一个MOSFET管放大器,记住放大器有输入端和输出端,通常来说我们需要一个公共地,我们同样有Vs和地接在这里,这是放大器的电源极,这是INport,这是OUTport)。(我们重新画之前的电路,用MOSFET管取代电流源,这是这节课的第一图,你们见过,就是我们最初的反向电路图。那有何不同,当初它被作为反相器来介绍,不同的地方就是,当我们把MOSFET管当作电流源来看待,它就表现出放大器的特性)。(也可以说,当Vce大于某个特定值,它就会表现出电流源的特性。在数字电路中,当Vce小的时候,即MOSFET管被拉到了地,我们可以把它看成一个电阻,同样道理,它是放大器,而数字设计,我输入5V或0V,对于放大器,我只关注一小部分的区域,就是当Vce大于Vbe-Vt的时候)。(在模拟电路中,我们要遵守饱和规则,因为它表现得像电流源,我告诉过你们如果表现出电流源的特性,从这个表达式看出,它实现了放大上节课我们画了一系列Vo关于Vi的曲线,对于Vi的微弱变化,我们可以得到Vo较大的改变)。(当电流源满足某个方程就得到一个结果,于是我们知道,如果我们能够把它当成电流源,并且有合适的值,就可以得到放大,我没有告诉你们,如果在电阻区的话,你就得不到放大,你们将在讨论中得出,或你们可以尝试自己解决)。(所以我们现在自己建立了一块操场,这里我们自己搭建了很多有趣的放大器和其它电路,并让我们的电路符合饱和规则(放大规则))。(在其他课程中,由于各种原因,MOSFET管会有其他领域的应用,但是6.002当我们讨论放大器等等,我们将接受这个规则 )。(如果你看到我不时交替使用Vo和Vi或者Vce和Vbe,在这个电路中它们是一样的)
(我们可以继续分析这个电路,首先我告诉你这个MOSFET管是饱和的,确定了这点,我们就可以分析电路了,接下来要做的就是,简单地把MOSFET管用等效电路代替,像这样,因为已经告诉你它工作在饱和区,我们可以用电流源模型代替它)。(电流与电压的关系如下,在旁边写下隐含的约束条件,是个很好的习惯,这里的约束条件就是Vgs大于或等于VtVds大于或等于Vgs-Vt,这些约束条件,确定了是在饱和条件下操作)。
(对于等效后的电流源电路,我们分析这个电路,我有一个电流源,电流取决于输入电压的平方,我们来分析它,这是一个非线性电路,我可以使用上个礼拜,在非线性电路中用过的任何一种方法,我会用解析法来分析这个电路,我的目标是得到Vo关于Vi的表达式)。(两种方法我们都做一下,解析法和图解法,解析法让我们简单地运用结点法,我对这个结点感兴趣,我知道这个结点的电压Vi这个结点的电压Vs,唯一不知道的是这里的Vo,我们这么算,我们让流入这个结点的电流之和为零,流出节点的电流是ids)。(所以ids必然等于(Vs-Vo)/Rl)
(接下来是图解法,就像我们分析世博废材时一样,即把ice相对于Vce的特性曲线画出来)。(这条线叫做负载线,你们之后会一而再再而三地看到,它对应于那个方程,方程描述的是输出回路在设备特性基础上的规律,这就叫做负载线)。(所以我可以获得对应于MOSFET管工作点的这个点,用图形法获得了这点的IceVceVbe,下节课我们要讨论 对于一个这种类型的器件,我们如何计算出有效工作区域的边界,从而使得MOSFET管保持饱和)
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