基于立創(chuàng)EDA的場效應(yīng)管性能分析及應(yīng)用

周云艷，趙年順，孫太明，李 錚

(黃山學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，安徽 黃山 245041)

場效應(yīng)管(FET，F(xiàn)ield Effect Transistor)自20世紀(jì)60年代誕生以來，受到人們越來越多關(guān)注，正逐漸取代雙極型晶體三極管(BJT，Bipolar Junction Transistor)的位置[1-2]。在電子技術(shù)領(lǐng)域，場效應(yīng)管電路相比于雙極型晶體三極管具有輸入電阻高、噪聲低、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，且易于集成，被廣泛應(yīng)用于各種模擬和數(shù)字電路中[3]。在電力技術(shù)系統(tǒng)中，功率場效應(yīng)管由于輸入阻抗高、驅(qū)動功率小，相比于相同功率的雙極型晶體管開關(guān)速度更高、頻帶寬度更寬，發(fā)展迅速[4]。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，電子電路EDA仿真軟件為電子技術(shù)學(xué)習(xí)與研究提供了重要工具。利用電子電路EDA仿真軟件能夠?qū)⒊橄蟮碾娐吩磙D(zhuǎn)化成直觀的圖形，更可方便地改變電路參數(shù)、實(shí)驗(yàn)方案和測試條件，從而為電子電路的設(shè)計(jì)與研究提供極大便利。立創(chuàng)EDA是一款由深圳嘉立創(chuàng)完全自主版權(quán)的國產(chǎn)EDA軟件，集原理圖設(shè)計(jì)、電路仿真、PCB設(shè)計(jì)及PCB制作為一體[5]。近年來由于面對個人用戶永久免費(fèi)、在線云端與離線客戶端兩種模式、完善的開源硬件平臺、操作簡單等一系列的優(yōu)點(diǎn)，受到人們越來越多的關(guān)注。文章利用立創(chuàng)EDA軟件，仿真測試了場效應(yīng)管器件的伏安特性，分析了場效應(yīng)管放大電路和反相器電路的性能。

1 場效應(yīng)管伏安特性的測試

元器件的伏安特性曲線是一切電路分析和設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，場效應(yīng)管伏安特性曲線能夠直觀地反映不同工作狀態(tài)下器件的特點(diǎn)。傳統(tǒng)電路設(shè)計(jì)思路是查找元器件的數(shù)據(jù)手冊，數(shù)據(jù)手冊中提供場效應(yīng)管的詳細(xì)性能參數(shù)，同時給出特定條件下測試的伏安特性曲線。手冊中提供的伏安特性不夠直觀，而且數(shù)據(jù)點(diǎn)不容易提取。利用立創(chuàng)EDA的直流仿真分析功能能夠快速地獲得場效應(yīng)管的伏安特性，并且可以任意改變測試條件。以N溝道結(jié)型場效應(yīng)管(JFET，Junction Field Effect Transistor )2N3819為例，利用立創(chuàng)EDA繪制伏安特性曲線。

場效應(yīng)管輸出伏安特性的測試電路見圖1。輸出特性曲線描述了柵-源電壓uGS(電源V1)為常量時，漏極電流iD與漏-源電壓uDS(電源V2)之間的函數(shù)關(guān)系。在立創(chuàng)EDA中進(jìn)行直流掃描分析設(shè)置，即放置圖1中所示文本，并將文本類型設(shè)置為“Spice仿真”。其中，第1行“.dc V2 0 1 50.05 V1 -5 0 1”表示掃描JFET的輸出電壓uDS在0 V～15 V間每隔0.05 V的變化，并且輸入電壓uGS從-5 V～0 V每隔1 V取6個不同的常量；第2行“.probe Id(J1)”表示只顯示場效應(yīng)管J1的漏極電流iD；第3行“;輸出特性”以“;”開頭用于備注，表示這些Spice語句用于輸出特性的仿真分析。點(diǎn)擊運(yùn)行可得到圖2所示的輸出特性曲線，橫坐標(biāo)表示出電壓uDS，縱坐標(biāo)表示漏極電流iD，不同線表示不同的輸入電壓uGS，圖中只顯示了4條曲線，是因?yàn)楫?dāng)V1取-5 V、-4 V和-3 V時，場效應(yīng)管工作在截止區(qū)，電流為零，3條線重合了，剩下3條線從上到下V1取值依次為0 V、-1 V和-2 V。

通過仿真量化輸出伏安特性曲線，很容易理解場效應(yīng)管的非飽和區(qū)、截止區(qū)和恒流區(qū)三種工作狀態(tài)。非飽和狀態(tài)中電壓uDS很小，幾乎為零，截止區(qū)電流iD很小，幾乎為零，而恒流區(qū)輸出電流iD幾乎不受輸出電壓的uDS的影響，而受輸入電壓uGS的控制。在模擬電子技術(shù)中場效應(yīng)管工作在恒流區(qū)，相當(dāng)于電壓控制的電流源，在數(shù)字電路中場效應(yīng)管工作在非飽和區(qū)和截止區(qū)，可以看作一個數(shù)字開關(guān)。此外，還可以將仿真的圖形數(shù)據(jù)導(dǎo)出進(jìn)行處理，便于與理論分析設(shè)計(jì)的對比。

圖1 JFET的輸出伏安特性的測試電路

圖2 JFET的輸出特性曲線

轉(zhuǎn)移特性曲線就是衡量場效應(yīng)管工作在恒流區(qū)時，輸入電壓uGS對輸出電流iD的控制。將圖1中文本第1行改為“.dc V1 -4 0 0.01”仿真即可得到輸出電壓uDS為15 V時場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性曲線。如圖3，橫坐標(biāo)表示輸入電壓uGS，縱坐標(biāo)表漏極電流iD。根據(jù)理論分析，轉(zhuǎn)移特性的表達(dá)式如下[3]：

(1)

從圖中可確定，該場效應(yīng)管2N3819的夾斷電壓UGS(off)≈-3V，漏極飽和電流電流IDSS≈12 mA。

2 共源放大電路的分析

場效應(yīng)管在模擬電子技術(shù)中的典型應(yīng)用是用于放大，圖4為由JFET構(gòu)成的自給偏壓共源放大電路，輸入信號ui加在柵極，輸出信號從漏極加到負(fù)載RL上，源極作為公共端。

圖4 共源放大電路原理圖

2.1 共源放大電路的靜態(tài)分析

為了使電路正常放大，必須設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，以保證在信號的整個周期內(nèi)場效應(yīng)管均工作在恒流區(qū)。根據(jù)電路原理圖4，靜態(tài)時：

UGSQ=IDQRS

(2)

(3)

UDSQ=VDD-IDQ(RS+RD)

(4)

代入數(shù)據(jù)可求得靜態(tài)時UGSQ=-1.83 V，IDQ=1.83 mA，UDSQ=5.85 V。

立創(chuàng)EDA中利用虛擬儀器萬用表測試靜態(tài)工作點(diǎn)如圖5所示，其中電壓表與測試支路并聯(lián)，電流表與測試支路串聯(lián)。也可以利用立創(chuàng)EDA靜態(tài)工作點(diǎn)分析功能即Spice語句“.op”直接得到靜態(tài)時三個電極電位及電流如圖6所示。仿真測得靜態(tài)時UGSQ=-1.823 V，IDQ=1.823 mA，UDSQ=5.883 V，與理論計(jì)算值基本一致。對照圖2輸出特性曲線可知，該靜態(tài)工作點(diǎn)在恒流區(qū)，電路能夠正常放大。

圖5 共源放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)的測量

圖6 共源放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)仿真結(jié)果

2.2 共源放大電路的動態(tài)分析

衡量放大電路放大能力的性能指標(biāo)主要有電壓放大倍數(shù)Av、輸入電阻Ri和輸出電阻Ro。理論分析時采用交流小信號等效電路分析法，將場效應(yīng)管等效為電壓控制的電流源。根據(jù)圖4共源放大電路的原理圖，畫出交流等效電路見圖7，由等效電路可得：

圖7 共源放大電路的交流等效電路

(5)

Ri=RG

(6)

Ro≈RD

(7)

由靜態(tài)工作點(diǎn)可求低頻跨導(dǎo)：

(8)

代入數(shù)據(jù)，放大倍數(shù)Av≈-6.2，輸入電阻Ri=1 MΩ，輸出電阻Ro≈4 kΩ。

立創(chuàng)EDA中可以利用暫態(tài)分析或示波器觀察輸入輸出波形，從而實(shí)現(xiàn)動態(tài)性能指標(biāo)的測量。如圖8所示，信號源ui采用頻率1 kHz，振幅10 mV的正弦波，接入示波器，示波器A通道觀察負(fù)載RL的輸出波形，B通道觀察輸入ui波形。仿真后打開示波器面板，如圖9所示觀察得到輸入輸出波形，可以看出輸入輸出波形相位相反，通過光標(biāo)可以讀出輸入輸出的振幅值分別為10 mV和61 mV，所以電壓放大倍數(shù)Av=-6.1，與理論估算值基本一致。

輸入電阻反映了放大電路從信號源索取電流大小的能力，可以在放大電路輸入端加入信號源內(nèi)阻，用示波器測量內(nèi)阻左右兩點(diǎn)交流電壓換算獲得。輸出電阻反映了放大電路帶負(fù)載的能力，可以用示波器測空載和帶負(fù)載的輸出電壓換算獲得，這里不再贅述。

圖9 共源放大電路的動態(tài)波形

3 場效應(yīng)管反相器的分析

金屬-氧化物-半導(dǎo)體型(MOS，Metal Oxide Semiconductor )場效應(yīng)管是目前制造大規(guī)模集成電路的主要有源器件，其伏安特性與JFET類似，在數(shù)字電子技術(shù)中MOS場效應(yīng)管工作在開關(guān)狀態(tài)，即非飽和區(qū)與截止區(qū)。反相器是場效應(yīng)管作為開關(guān)的典型應(yīng)用。如圖10所示是由N溝道增強(qiáng)型MOS管和電阻所構(gòu)成的簡單反相器。輸入信號ui要么很大，通常為電源電壓，使MOS管工作在非飽和區(qū)，此時漏源電壓uDS非常小，輸出電壓uo接近零電位；ui要么很小，通常為零電位，使MOS管工作在截止區(qū)，輸出uo接近于電源電壓。

圖10 MOS反相器

利用立創(chuàng)EDA的暫態(tài)分析功能，將圖中V1替換為脈沖源“PULSE(0 10 1 m 0.1 m 0.1 m 5 m 10 m) ”，插入“Spice仿真”文本“.tran 0 40m 0 10u”和“.probe V(uo) V(ui) ”， 其中文本“.tran 0 40m 0 10u”表示分析0 ms～40 ms瞬態(tài)情況，最大時間步長為10 μs。運(yùn)行可得波形如圖11，輸入V(ui)為高電平時，輸出V(uo)為低電平，輸入輸出構(gòu)成反相的邏輯關(guān)系。

圖11 MOS反相器輸入輸出波形

通過立創(chuàng)EDA直流掃描功能，仿真分析反相器的電壓傳輸特性。在圖10中，插入“Spice仿真”文本“.dc V1 0 10 0.1 ”和“.probe V(uo)”，即仿真并顯示輸出uo隨輸入ui(圖中電壓源V1)變化曲線，運(yùn)行可得圖12所示的電壓傳輸特性。從電壓傳輸特性中轉(zhuǎn)折區(qū)的中點(diǎn)可獲得反相器的閾值電壓，該電路的閾值電壓即為MOS管的開啟電壓1.65 V。此外，在輸出為高電平和低電平時，輸入信號是允許有一個變化范圍的，這個范圍就是輸入端的噪聲容限。

圖12 MOS反相器的傳輸特性曲線

在集成電路中，由于電阻占用面積較大，設(shè)計(jì)中，經(jīng)常采用P溝道增強(qiáng)型場效應(yīng)管作為有源負(fù)載替代電阻，從而構(gòu)成CMOS反相器，它是構(gòu)成復(fù)雜CMOS邏輯電路的基本模塊。

4 結(jié)語

文章利用立創(chuàng)EDA軟件直流掃描功能繪制了場效應(yīng)管2N3819的輸出伏安特性曲線和轉(zhuǎn)移伏安特性曲線，在曲線中能夠直觀地觀察該場效應(yīng)管的性能特點(diǎn)，方便讀取夾斷電壓與飽和漏極電流?；谠搱鲂?yīng)管設(shè)計(jì)了共源放大電路，利用虛擬萬用表測量的電路靜態(tài)工作點(diǎn)，與理論分析結(jié)果一致。通過虛擬示波器測試了放大電路輸入與輸出的動態(tài)波形，讀取波形振幅值，仿真測試計(jì)算的放大倍數(shù)與理論估算結(jié)果呈現(xiàn)較好的一致性。最后通過立創(chuàng)EDA設(shè)計(jì)仿真了MOS管反相器，暫態(tài)分析結(jié)果顯示的輸入和輸出脈沖波形表現(xiàn)出反相關(guān)系，直流掃描功能獲取反相器的電壓傳輸特性曲線可以確定電路的閾值電壓。場效應(yīng)管電路的分析仿真與雙極型晶體三極管的步驟基本相同，立創(chuàng)EDA中文操作界面，使操作更為簡單，利用立創(chuàng)EDA仿真分析場效應(yīng)管的性能及其應(yīng)用電路，可以直觀地觀察電路現(xiàn)象，驗(yàn)證方案的正確性，簡化電路設(shè)計(jì)步驟和難度，對場效應(yīng)管的課程教學(xué)與工程應(yīng)用都有重要的作用。