当前课程知识点:电路原理 > 第4周 金属-氧化层半导体场效晶体管和二端口网络 (MOSFET and two-port network) > 第24讲 金属-氧化层半导体场效晶体管(MOSFET) > 金属-氧化层半导体场效晶体管(MOSFET)(1)
同学们好
在这一讲里面我们要学习
如何建立MOSFET的电路模型
对于MOSFET大家应该已经不陌生了
在前面的第九讲和第二次仿真当中
我们都通过仿真认识到了MOSFET的一些外特性
画出了一些特性曲线
那在我们这一讲里面呢就是来学习
如何根据这些外特性建立它相应的电路模型
首先我们来直观的了解一下MOSFET在实际电路当中的一些应用
这是一个CPU
在CPU里面呢有着数以亿计的晶体管
那这些晶体管当中呢绝大多数
都是用MOSFET构成的
这是一个耳机的放大电路
在这个里头呢也有MOSFET存在
这是一个CPU的外围供电电路
在这个电路当中同样应用到了MOSFET
在我们的电力系统当中
当然MOSFET也有着广泛的应用
虽然都叫MOSFET
但事实上这些MOSFET应用在不同场合的时候
还是有很多的不同的
首先从直观上来讲
应用在CPU中的MOSFET
和应用在电力系统中的MOSFET
它们的尺寸差异是非常大的
应用在CPU当中的MOSFET
它的尺寸基本上是在纳米这个数量级
而在我们电力系统当中的MOSFET
个头要大很多
可以达到10个厘米甚至更大
第二它们实际发挥的作用也不太一样
在电力系统和CPU供电电路当中应用的MOSFET
基本上是用来当做电子开关
而在耳机放大电路的MOSFET呢
则是用做模拟信号放大器
那这个呢可能需要等到同学们学完我们MOSFET在数字电路中的应用
以及后面第四十五讲MOSFET做小信号放大器以后
大家才能够体会这二者的区别
第三MOSFET的内部结构在这些不同场合中呢
也是不完全一样的
当MOSFET应用在这些小功率场合的时候
它的DS之间形成了导电沟道基本是水平的
而在我们的电力系统当中应用的电力MOSFET
它的DS沟道形成以后呢是垂直的
这种垂直的导电沟道目的主要就是为了提高它的电压等级
好 了解了一些MOSFET的应用以后呢
下面我们就来看一下MOSFET工作原理
MOSFET器件具体的工作原理的话
同学们可以到微电子电路课程当中去加以学习
那在我们电路这门课程当中呢
我们不做详细的解释
而只是想通过两幅动画来帮助大家直观的认识一下
MOSFET到底是如何工作的
或者说MOSFET在DS这两极之间
它的导电沟道到底是如何形成的
首先我们来看一下
当DS之间不加电源
只有GS之间加电源的时候
它的导电沟道是如何形成的
当VGS逐渐增大的时候
我们就会发现在MOSFET的S和D之间就会形成这样一个导电沟道
那么电流就可以在两极之间流动
并且由于现在DS之间并没有加电压
所以形成的这个导电沟道呢是等宽的
当VGS逐渐减小的时候
这时候导电沟道就关断了
接下来我们看一下
如果在GS和DS之间都加上电源的时候
导电沟道的形状会发生什么样的变化
我们可以看到现在形成的导电沟道是楔形的
两边不等宽
我们现在保持VGS不变
改变VDS的值
看看这个导电沟道如何变化
首先增大VDS的值我们会发现
在靠近漏极D的这一端导电沟道首先被夹断
继续增大UDS夹断的部分就会越来越大
反过来如果我们减小VDS
那么这个时候导电沟道呢又会重新形成
但不管如何
在这个过程当中形成的这个导电沟道始终是楔形的
两边不等宽
与运算放大器类似
我们并不要求大家去掌握MOSFET内部的具体的工作原理
我们只是要求大家掌握它的外特性
并且学会根据这些外特性来建立相应的电路模型
也就是用我们以前学过的电阻
受控源等等一些简单的元件来描述MOSFET在相应的工作条件下
它所呈现出来的外特性
这是MOSFET在应用的时候通常的原理
接线电路
那么大家可以看到
在两个端口上GS形成一个端口
DS形成一个端口
在两个端口上有四个物理量
分别是UGS IGS IDS和UDS
现在我们要了解它的外特性
那当然就四种组合
但是根据我们前面的认识
我们已经知道MOSFET的栅极和它的源极和漏极之间
因为隔着一层氧化物
是永远没有电流流过的
也就是说IGS是始终等于零的
因此呢这两条曲线我们就没必要去做了
所以我们重点要了解的是UGS和IDS的关系
以及UDS和IDS的关系
那么我们首先来了解一下UGS和IDS之间的关系
这个仿真曲线呢
同学们应该在前面已经看到过了
由于现在我们的VGS以及IDS呢表述的并不是同一个端口上的电压电流
因此我们把这条曲线叫做转移特性曲线
在这条曲线上我们可以看到
当UGS小于某一个值的时候
IDS是等于零的
我们把这个区间称之为截止区
当UGS大于某一个值的时候
IDS就开始逐渐增加
我们把这个值称之为导通的阈值电压 记做UT
当UGS小于UT的时候MOSFET是关断的
而当UGS大于UT的时候呢MOSFET是导通的
那么这个时候就有电流从MOSFET的D极流向S极
关于这一点同学们可以去复习一下
在第二次仿真中的一些内容
好 下面我们就来重点了解一下
当IDS不等于零
也就是说MOSFET导通以后
这样一条曲线到底描述了MOSFET呈现出来是什么样的一个特性
那我们就要了解UDS和IDS之间的关系
因为现在的UDS和IDS呢是同一个端口上的电压电流
而且我们通常是把这个当做输出端口
因此呢我们把UDS和IDS之间的关系称之为输出特性
根据我们在第二讲仿真中给出的仿真结果
大家可以看到UDS和IDS之间呢呈现出这样一种曲线关系
那么这种关系呢显然是受到UGS的影响
这上面的每一条曲线都对应着不同的UGS
最下面这条曲线呢是当UGS小于UT的时候
MOSFET是关断的
因此呢IDS是始终等于零的
我们不妨抽出其中一条曲线来分析一下
假设这条曲线呢是对应着UGS等于5V
那我们可以用这样一条折线来近似表示它
根据我们前面学习的内容
大家已经知道了
那么对于在UI平面上过原点的这样一条直线
也就是这条折线的前半段
它对应的也是应该是一个电阻
我们把它说是受控电阻
就是因为这条曲线的斜率
也就是说电阻的阻值是受到UGS的控制的
而上面这一段呢
电流保持不变
因此呈现出来的是一个电流源的性质
我们把这个区间称之为饱和区
也叫做恒流区
而这个呈现为受控电阻的这个区间呢
我们称之为电阻区
根据前面的内容以及这些仿真曲线
我们可以看出UGS对于我的这样一个输出特性曲线
是有着显著的影响
无论是我这体现出来的这样一个受控源的大小
还是这个受控电阻的大小都会受到UGS的影响
-第0讲 数学基础知识(Math basics for circuits)
--数学基础知识(Math basics for circuits)(1)
--数学基础知识(Math basics for circuits)(2)
--数学基础知识(Math basics for circuits)(3)
--数学基础知识(Math basics for circuits)(4)
--数学基础知识(Math basics for circuits)(5)
--数学基础知识(Math basics for circuits)(6)
--数学基础知识(Math basics for circuits)(7)
-第1周 第0讲 数学基础知识
-第1讲 为什么要学习电路(why learn circuits?)
--为什么要学习电路(why learn circuits?)(1)
--为什么要学习电路(why learn circuits?)(2)
-第1周 第1讲 为什么要学习电路
-第2讲 电路(circuits)
-第1周 第2讲 电路(circuits)
-第3讲 支路变量(branch variables)
-第1周 第3讲 支路变量(branch variables)
-第4讲 参考方向(reference direction)
-第1周 第4讲 参考方向(reference direction)
-第5讲 功率(power)
--第一周 第5讲 功率(power)
-第6讲 电阻(resistor)
-第1周 第6讲 电阻(resistor)
-第7讲 独立电源(independent source)
--独立电源(independent source) (1)
--独立电源(independent source) (2)
-第1周 第7讲 独立电源(independent source)
-仿真1(simulation1)
-第8讲 端口(port)
--端口(port)
-第1周 第8讲 端口(port)
-第9讲 受控元件(dependent elements)
--受控元件(dependent elements) (1)
--受控元件(dependent elements) (2)
--受控元件(dependent elements) (3)
-第1周 第9讲 受控元件(dependent elements)
-仿真2(simulation2)
-第10讲 基尔霍夫定律(KCL KVL)
-第1周 第10讲 基尔霍夫定律(KCL KVL)
-第11讲 2B法(2B method)
--第1周 第11讲 2B法(2B method)
-第1周 作业
-第12讲 电阻的串并联(serial parallel resistors)
--电阻的串并联(serial parallel resistors) (1)
--电阻的串并联(serial parallel resistors) (2)
--电阻的串并联(serial parallel resistors) (3)
--电阻的串并联(serial parallel resistors) (4)
-第2周 第12讲 电阻的串并联
-第13讲 平衡电桥(bridge)
--第二周 第13讲 平衡电桥(bridge)
-第14讲 Y-Δ变换(Y-Δ transform)
--第二周 第14讲 Y-Δ变换(Y-Δ transform)
-第15讲 二端网络的等效电阻(equivalent resistance of two-terminal network)
--二端网络的等效电阻(equivalent resistance of two-terminal network)
--第二周 第十五讲 二端网络的等效电阻
-第16讲 电源的等效变换(equivalent transform for sources)
--电源的等效变换(equivalent transform for sources) (1)
--电源的等效变换(equivalent transform for sources) (2)
--电源的等效变换(equivalent transform for sources) (3)
-第2周 第16讲 电源的等效变换(equivalent tran
-第17讲 最大功率传输(maximum power transfer)
--最大功率传输(maximum power transfer)
--第二周 第17讲 最大功率传输
-第2周 第二周作业(Exercise2)
-第18讲 运算放大器(Op Amps)
-第3周 第18讲 运算放大器(Op Amps)
-第19讲 运算放大器模型(Op Amps' model)
-第3周 第19讲 运算放大器模型(Op Amps' m
-仿真3(simulation3)
-第20讲 理想运算放大器(ideal Op Amp)
-第3周 第20讲 理想运算放大器(ideal Op Amp)
-第21讲 运算放大器的应用(applications of Op Amps)
--运算放大器的应用(applications of Op Amps)(1)
--运算放大器的应用(applications of Op Amps)(2)
--运算放大器的应用(applications of Op Amps)(3)
-第3周 第21讲 运算放大器的应用(applications of Op Amps)
-第三周作业(Exercise3)
-第22讲 数字系统介绍(digital system —— introduction)
--数字系统介绍(digital system —— introduction)
-第4周 第22讲 数字系统介绍(digital system —— introduction)
-第23讲 数字系统——数和逻辑(digital system——number and logic in digital)
--数字系统——数和逻辑(digital system——number and logic in digital)(1)
--数字系统——数和逻辑(digital system——number and logic in digital)(2)
-第4周 第23讲 数字系统——数和逻辑
-第24讲 金属-氧化层半导体场效晶体管(MOSFET)
-第4周第24讲 金属-氧化层半导体场效晶体管(MOSFET)
-第25讲 逻辑门(logic gates)
-第4周 第25讲 逻辑门(logic gates)
-第26讲 互补金属氧化物半导体(CMOS)
-第4周 第26讲 互补金属氧化物半导体(CMOS)
-第27讲 二端口网络(two-port network)(不要求)
-第4周 第27讲 二端口网络(two-port network)
-第28讲 G参数(G parameter)(不要求)
-第4周 第28讲 G参数(G parameter)
-第29讲 其他参数(other parameters)(不要求)
-第4周 第29讲 其他参数(other parameters)
-第30讲 二端口网络的等效电路(equivalent circuits of two-port)(不要求)
--二端口网络的等效电路(equivalent circuits of two-port)
-第4周 第30讲 二端口网络的等效电路
-第31讲 二端口网络的连接(connection of two-ports)(不要求)
--二端口网络的连接(connection of two-ports)(1)
--二端口网络的连接(connection of two-ports)(2)
--二端口网络的连接(connection of two-ports)(3)
-第4周 第31讲 二端口网络的连接
-第四周作业(Exercise4)
-第32讲 系统化方程解法介绍(introduction to systematic function formulating)
--系统化方程解法介绍(introduction to systematic function formulating)
-第5周 第32讲 系统化方程解法介绍
-第33讲 节点电压法(node voltage method)
--节点电压法(node voltage method)(1)
--节点电压法(node voltage method)(2)
-第5周 第33讲 节点电压法
-第34讲 回路电流法(loop current method)
--回路电流法(loop current method)(1)
--回路电流法(loop current method)(2)
--回路电流法(loop current method)(3)
-第5周 第34讲 回路电流法
-第五周作业(Exercise5)
-第35讲 叠加定理(superposition theorem)
--叠加定理(superposition theorem)(1)
--叠加定理(superposition theorem)(2)
--叠加定理(superposition theorem)(3)
--叠加定理(superposition theorem)(4)
-第6周 第35讲 叠加定理
-第36讲 戴维南和诺顿定理(Thevenin/Norton theorem)
--戴维南和诺顿定理(Thevenin/Norton theorem)(1)
--戴维南和诺顿定理(Thevenin/Norton theorem)(2)
--戴维南和诺顿定理(Thevenin/Norton theorem)(3)
--戴维南和诺顿定理(Thevenin/Norton theorem)(4)
-第6周 第36讲 戴维南和诺顿定理
-第37讲 戴维南定理的应用(applications of Thevenin theorem)
--戴维南定理的应用(applications of Thevenin theorem)(1)
--戴维南定理的应用(applications of Thevenin theorem)(2)
--戴维南定理的应用(applications of Thevenin theorem)(3)
-第6周 第37讲 戴维南定理的应用
-第38讲 替代定理(substitution theorem)
-第6周 第38讲 替代定理
-第六周作业(Exercise6)
-第39讲 非线性电阻(nonlinear resistor)
--非线性电阻(nonlinear resistor)(1)
--非线性电阻(nonlinear resistor)(2)
-第7周 第39讲 非线性电阻
-第40讲 非线性电阻电路的方程求解法和图解法(analytical and graphical methods for nonlinear circuits)
--非线性电阻电路的方程求解法和图解法(analytical and graphical methods for nonlinear circuits)(1)
--非线性电阻电路的方程求解法和图解法(analytical and graphical methods for nonlinear circuits)(2)
-第7周 第40讲 非线性电阻电路的方程求解
-第41讲 非线性电路的分段线性法(piecewise linear method for nonlinear circuits)
--非线性电路的分段线性法(piecewise linear method for nonlinear circuits)(1)
--非线性电路的分段线性法(piecewise linear method for nonlinear circuits)(2)
--非线性电路的分段线性法(piecewise linear method for nonlinear circuits)(3)
--非线性电路的分段线性法(piecewise linear method for nonlinear circuits)(4)
--非线性电路的分段线性法(piecewise linear method for nonlinear circuits)(5)
-第7周 第41讲 非线性电路的分段线性法
-第42讲 假设检验法的应用(application of suppose-verify method)
--假设检验法的应用(application of suppose-verify method)(1)
--假设检验法的应用(application of suppose-verify method)(2)
-第7周 第42讲 假设检验法的应用
-第43讲 非线性电路的小信号法(small signal method for nonlinear circuits)
--非线性电路的小信号法(small signal method for nonlinear circuits)(1)
--非线性电路的小信号法(small signal method for nonlinear circuits)(2)
--非线性电路的小信号法(small signal method for nonlinear circuits)(3)
-第7周 第43讲 非线性电路的小信号法
-第44讲 小信号模型(small signal models)
--小信号模型(small signal models)(1)
--小信号模型(small signal models)(2)
--小信号模型(small signal models)(3)
--第七周 第44讲 小信号模型
-第45讲 放大器(amplifier)
--第七周 第45讲 放大器(amplifier)
-第七周作业(Exercise7)
-第46讲 电容与电感(Capacitors and Inductors)
--第46讲 电容与电感(Capacitors and Inductors)(1)
--第46讲 电容与电感(Capacitors and Inductors)(2)
--第46讲 电容与电感(Capacitors and Inductors)(3)
--第46讲 电容与电感(Capacitors and Inductors)(4)
--第46讲 电容与电感(Capacitors and Inductors)(5)
-第8周 第46讲 电容与电感
-第47讲 动态电路(Dynamic Circuits)
--第47讲 动态电路(Dynamic Circuits)(1)
--第47讲 动态电路(Dynamic Circuits)(2)
--第47讲 动态电路(Dynamic Circuits)(3)
--第47讲 动态电路(Dynamic Circuits)(4)
--第八周 第47讲 动态电路
-第48讲 初值(Initial Values)
--第八周 第48讲 初值(Initial Values)
-第49讲 一阶电路经典法(Classical Method for First-Order Circuits)
--第49讲 一阶电路经典法(Classical Method for First-Order Circuits)(1)
--第49讲 一阶电路经典法(Classical Method for First-Order Circuits)(2)
--第49讲 一阶电路经典法(Classical Method for First-Order Circuits)(3)
--第49讲 一阶电路经典法(Classical Method for First-Order Circuits)(4)
--第49讲 一阶电路经典法(Classical Method for First-Order Circuits)(5)
--第九周 第49讲 一阶电路经典法
-第50讲 一阶电路三要素法(Three Elements Method for First-Order Circuits)
--第50讲 一阶电路三要素法(Three Elements Method for First-Order Circuits)(1)
--第50讲 一阶电路三要素法(Three Elements Method for First-Order Circuits)(2)
--第50讲 一阶电路三要素法(Three Elements Method for First-Order Circuits)(3)
--第50讲 一阶电路三要素法(Three Elements Method for First-Order Circuits)(4)
-第8周 第50讲 一阶电路三要素法
-仿真4(Simulation 4)
-第51讲 零输入响应和零状态响应(zero input response and zero state response)
--第八周 第51讲 零输入响应和零状态响应
-第八周作业
-第52讲 一阶电路的应用之信号: 门传输延迟(applications of first-order circuits (signal: gate propagation delay))
--第九周 第52讲 一阶电路的应用之信号: 门传输延迟
-第53讲 一阶电路的应用之信号: 运算放大器电路(applications of first- order circuits (signal: Op Amp circuits))
-第9周:第53讲 一阶电路的应用之信号: 运算放大器电路
-第54讲 一阶电路的应用之能量: 整流与斩波(applications of first-order circuits (energy: rectifying and chopping))
--第九周 第54讲 一阶电路的应用之能量: 整流与斩波
-A1 单位阶跃函数和单元阶跃响应(unit step function and unit step response)(不要求)
--A1 单位阶跃函数和单元阶跃响应(unit step function and unit step response)(1)
--A1 单位阶跃函数和单元阶跃响应(unit step function and unit step response)(2)
--A1 单位阶跃函数和单元阶跃响应(unit step function and unit step response)(3)
-第9周: A1 单位阶跃函数和单元阶跃响应
-A2 单位冲激函数(unit impulse function)(不要求)
--A2 单位冲激函数(unit impulse function)(1)
--A2 单位冲激函数(unit impulse function)(2)
--第九章 A2 单位冲激函数(不要求)
-A3 单位冲激响应(unit impulse response)(不要求)
--A3 单位冲激响应(unit impulse response)(1)
--A3 单位冲激响应(unit impulse response)(2)
--A3 单位冲激响应(unit impulse response)(3)
--A3 单位冲激响应(unit impulse response)(4)
-第9周: A3 单位冲激响应
-A4 卷积积分(convolution integral)(不要求)
--A4 卷积积分(convolution integral)(1)
--A4 卷积积分(convolution integral)(2)
--A4 卷积积分(convolution integral)(3)
--A4 卷积积分(convolution integral)(4)
--A4 卷积积分(convolution integral)(5)
-第9周: A4 卷积积分
-第九周作业(Exercise 9)
-第55讲 串联RLC二阶电路(serial RLC second-order circuits)
-第10周: 第55讲 串联RLC二阶电路
-第56讲 并联RLC二阶电路(parallel RLC second-order circuits)
--第十章 第56讲 并联RLC二阶电路
-第57讲 二阶电路直觉解法(intuitive method for second-order circuits)
--第十周 第57讲 二阶电路直觉解法
-第58讲 二阶电路的应用(applications of second-order circuits)
--第十周 第58讲 二阶电路的应用
-第十周作业(Exercise 10)
-第59讲 正弦波(sine wave)
--第十一周 第59讲 正弦波(sine wave)
-第60讲 电力系统(power system)
--第十一周 第60讲 电力系统(power system)
-第61讲 相量(phasor)
-第11周: 第61讲 相量(phasor)
-第62讲 KCL和KVL的相量形式(phasor form of KCL and KVL)
--第十一周 第62讲 KCL和KVL的相量形式
-第63讲 RLC的相量关系(phasor relationship of RLC)
-第11周: 第63讲 RLC的相量关系
-第64讲 正弦稳态电路相量法(phasor method for sinusoidal steady state circuits)
--第十一周 第64讲 正弦稳态电路相量法
-仿真5(Simulation 5)
--仿真5
-第65讲 瞬时功率(instantaneous power)
-第11周: 第65讲 瞬时功率(instantaneous power)
-第66讲 平均功率(average power)
--第十一周 第66讲 平均功率(average power)
-第67讲 无功功率和视在功率(reactive power and apparent power)
-第11周: 第67讲 无功功率和视在功率
-第68讲 复功率(complex power)
--第68讲 复功率
--第十一周 第68讲 复功率(complex power)
-第十一周作业(Exercise 11)
-第69讲 频率特性(frequency characteristics)
-第12周: 第69讲 频率特性
-仿真6(Simulation 6)
--仿真6
-第70讲 滤波器(filter)
--第十二周 第70讲 滤波器(filter)
-第71讲 频率特性的应用——小信号放大器的低通特性(applications of frequency characteristics (low-pass characteristics of t
-第12周: 第71讲 频率特性的应用
-第72讲 谐振(resonance)
--第72讲 谐振
--第十二周 第72讲 谐振(resonance)
-第73讲 RLC谐振(RLC resonance)
--第十二周 第73讲 RLC谐振
-第74讲 串联RLC谐振的品质因数(quality factor of serial RLC resonance)
-第12周: 第74讲 串联RLC谐振的品质因数
-第75讲 LC谐振(LC resonance)
--第十二周 第75讲 LC谐振(LC resonance)
-第12周: 第75讲 LC谐振(LC resonance)
-第76讲 谐振的应用(applications of resonance)
--第十二周 第76讲 谐振的应用
-第12周: 第十二周作业(Exercise 12)
-第77讲 互感和互感电压(mutual inductance and mutual voltage)
-第13周: 第77讲 互感和互感电压
-第78讲 同名端(dot convention)
--第十三周 第78讲 同名端(dot convention)
-第79讲 互感的应用(能量和信号)(application of mutual inductance (power and signal))
-第80讲 互感的去耦等效(decoupling equivalence of mutual inductance)
--第十三周 第80讲 互感的去耦等效
-第81讲 空心变压器(air-core transformer)
--第十三周 第81讲 空心变压器
-第82讲 全耦合变压器(unity-coupled transformer)
--第十三周 第82讲 全耦合变压器
-第83讲 理想变压器(ideal transformer)
--第十三周 第83讲 理想变压器
-仿真7(Simulation 7)
--仿真7
-第十三周作业(Exercise 13)
-第84讲 三相电源(three phase source)
--第十四章 第84讲 三相电源
-第85讲 三相对称负载和三相对称电路(balanced three phase load and balanced three phase circuit)
--第十四章 第85讲 三相对称负载和三相对称电路
-第86讲 三相对称电路的分析(analysis of balanced three phase circuit)
--第十四章 第86讲 三相对称电路的分析
-第87讲 三相电路的功率(power in three phase circuits)
--第十四章 第87讲 三相电路的功率
-第88讲 周期信号的傅里叶级数(Fourier series for periodical signal)
-第14周:第88讲 周期信号的傅里叶级数
-第89讲 周期信号的有效值和平均功率(effective value and average power for periodical signal)
--第十四章 第89讲 周期信号的有效值和平均功率
-第90讲 周期激励下的电路稳态分析(steady state analysis of circuits with periodical excitations)
--第十四章 第90讲 周期激励下的电路稳态分析
-第十四周作业(Exercise 14)
-期末考试