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第四章場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其放大電路1第四章場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其放大電路14.1單極型晶體管4.2場(chǎng)效應(yīng)管基本放大電路4.3應(yīng)用電路介紹4.1單極型晶體管
場(chǎng)效應(yīng)管屬于另一種半導(dǎo)體器件,尤為突出的是:場(chǎng)效應(yīng)管具有高達(dá)107~1015的輸入電阻,幾乎不取用信號(hào)源提供的電流,因而具有功耗小、噪聲小、體積小、抗幅射、熱穩(wěn)定性好、制造工藝簡(jiǎn)單且易于集成化等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同,場(chǎng)效應(yīng)管可分為結(jié)型和絕緣柵型兩大類,它們都只有一種載流子(多數(shù)載流子)參與導(dǎo)電,故又稱為單極型三極管。其中絕緣柵型應(yīng)用更為廣泛。
簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介P126P1264.1單極型晶體管
(FET)
絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)是金屬-氧化物-半導(dǎo)體,簡(jiǎn)稱為MOS管。MOS管可分為N溝道和P溝道兩種,每一種又可分為增強(qiáng)型與耗盡型兩種型式。本節(jié)將以N溝道為例,說(shuō)明絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和工作原理。4.1.1場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和外部特性
1.N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)
圖4-1
4.1單極型晶體管(FET)(1)工作原理1)導(dǎo)電溝道的形成
當(dāng)足夠大時(shí),由于靜電場(chǎng)作用,管子的漏極和源極之間將產(chǎn)生一個(gè)導(dǎo)電通道(稱為溝道),極間等效電阻較小。
越大,導(dǎo)電溝道寬度越寬,等效電阻越小。
產(chǎn)生導(dǎo)電溝道所需的最小柵源電壓我們稱為開(kāi)啟電壓。改變柵源電壓,就可以改變導(dǎo)電溝道的寬度。
(1)工作原理1)導(dǎo)電溝道的形成當(dāng)上述這種在時(shí)沒(méi)有導(dǎo)電溝道,因而必須在時(shí)才形成導(dǎo)電溝道的場(chǎng)效應(yīng)管稱為增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管。圖4-2
上述這種在時(shí)沒(méi)有導(dǎo)電溝道,因而必須在時(shí)才形成導(dǎo)電溝道的場(chǎng)效2)漏源間電壓好柵源電壓對(duì)漏極電流的影響
當(dāng)時(shí),若在漏-源之間加上正向電壓時(shí),則將產(chǎn)生一定的漏極電流。此時(shí),的變化會(huì)對(duì)導(dǎo)電溝道產(chǎn)生影響。即當(dāng)較小時(shí),的增大使線性增大,溝道沿源-漏方向逐漸變窄,如圖4-3a)所示。一旦增大到使時(shí),溝道在漏極一側(cè)出現(xiàn)夾斷點(diǎn),稱為預(yù)夾斷,如果繼續(xù)增大,夾斷區(qū)隨之延長(zhǎng),如圖(b)所示。
圖4-3
2)漏源間電壓好柵源電壓對(duì)漏極電流的影響當(dāng)2)漏源間電壓好柵源電壓對(duì)漏極電流的影響而且的增大部分幾乎全部用于克服夾斷區(qū)對(duì)漏極電流的阻力。
此時(shí),
幾乎不因的增大而變化,管子進(jìn)入恒流區(qū),幾乎僅決定于。
在時(shí),對(duì)應(yīng)于每一個(gè)就有一個(gè)確定的。此時(shí),可將視為電壓控制的電流源。2)漏源間電壓好柵源電壓對(duì)漏極電流的影響工作原理工作原理(2)特性曲線與電流方程轉(zhuǎn)移特性曲線是描述當(dāng)保持不變時(shí),輸入電壓對(duì)輸出電流的控制關(guān)系,所以稱為轉(zhuǎn)移特性,如圖4-4a)所示。1)轉(zhuǎn)移特性曲線
圖4-4a)
當(dāng)時(shí),;當(dāng)時(shí),通電溝道開(kāi)始形成,隨著的增大,溝道加寬,也增大。與的關(guān)系,可用下式近似表示其中是時(shí)的值。(2)特性曲線與電流方程轉(zhuǎn)移特性曲線是描述當(dāng)保持2)輸出特性曲線
圖是N溝道增強(qiáng)型MOS管的輸出特性曲線,輸出特性曲線可分為下列幾個(gè)區(qū)域。
①可變電阻區(qū)
很小時(shí),可不考慮對(duì)溝道的影響。于是一定時(shí),溝道電阻也一定,故與之間基本上是線性關(guān)系。
越大,溝道電阻越小,故曲線越陡。在這個(gè)區(qū)域中,溝道電阻由決定,故稱為可變電阻區(qū)。
圖4-4b)
2)輸出特性曲線圖是N溝道增強(qiáng)型MOS管的輸出特2)輸出特性曲線
②恒流區(qū)
③截止區(qū)
圖中所示曲線近似水平的部分即是恒流區(qū),它表示當(dāng)時(shí),與漏極電流間的關(guān)系。
該區(qū)的特點(diǎn)是幾乎不隨的變化而變化,已趨于飽和,具有恒流性質(zhì)。所以這個(gè)區(qū)域又稱飽和區(qū)。當(dāng)增大一定值以后,漏源之間會(huì)發(fā)生擊穿,漏極電流急劇增大。
時(shí)以下的區(qū)域。(夾斷區(qū))圖4-4b)
2)輸出特性曲線②恒流區(qū)③截止區(qū)模電第四章場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其放大電路課件2.N溝道耗盡型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)
上述的增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管只有當(dāng)時(shí)才能形成導(dǎo)電溝道,如果在制造時(shí)就使它具有一個(gè)原始導(dǎo)電溝道,這種絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管稱為耗盡型。與增強(qiáng)型相比,它的結(jié)構(gòu)變化了,使其控制特性有明顯變化。在為常數(shù)的條件下,當(dāng)時(shí),漏、源極間已經(jīng)導(dǎo)通,流過(guò)的是原始導(dǎo)電溝道的漏極電流。當(dāng)時(shí),即加反向電壓時(shí),導(dǎo)電溝道變窄,減小;負(fù)值愈高、溝道愈窄,也就愈小。當(dāng)達(dá)到一定負(fù)值時(shí),導(dǎo)電溝道被夾斷,,這時(shí)的稱為夾斷電壓,用表示。圖4-5
2.N溝道耗盡型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)上述的增強(qiáng)型絕緣可見(jiàn),耗盡型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管不論柵-源電壓是正是負(fù)或零,都能控制漏極電流,這個(gè)特點(diǎn)使它的應(yīng)用具有較大的靈活性。一般情況下,這類管子還是工作在負(fù)柵-源電壓的狀態(tài)。
實(shí)驗(yàn)表明,在范圍內(nèi),耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性可近似用下式表示圖4-6可見(jiàn),耗盡型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管不論柵-源電壓是P126P1263.結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的特性和耗盡型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管類似。圖a)、b)分別為N溝道和P溝道的結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管圖形符號(hào)。使用結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管時(shí),應(yīng)使柵極與源極間加反偏電壓,漏極與源極間加正向電壓。對(duì)于N溝道的管子來(lái)說(shuō),柵源電壓應(yīng)為負(fù)值,漏源電壓為正值。在漏源電壓作用下,形成了漏極電流。柵源電壓增大時(shí),導(dǎo)通溝道變窄,從而在一定的作用下變小。所以,改變也可實(shí)現(xiàn)對(duì)的控制。
當(dāng)增大到一定值時(shí),導(dǎo)通溝道被夾斷,此時(shí)。夾斷時(shí)的柵源電壓用表示。圖4-73.結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的特性和耗盡型絕緣柵圖4-8為N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管轉(zhuǎn)移特性曲線。當(dāng)時(shí),溝道被夾斷,;減小,增大;時(shí)的漏極電流為零偏漏極電流。對(duì)于P溝道管子來(lái)說(shuō),為正值。圖4-8
圖4-9為N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管輸出特性曲線。管子的工作狀態(tài)也劃分三個(gè)區(qū)域:可變電阻區(qū)、恒流區(qū)、擊穿區(qū)。工作于恒流區(qū)中時(shí),結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性也可用下式表示:
結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管正常使用時(shí),g、s間是反偏的,故輸入電阻也較高。圖4-8為N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管轉(zhuǎn)移特性曲線。當(dāng)模電第四章場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其放大電路課件模電第四章場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其放大電路課件4.1.2場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)、特點(diǎn)以及使用注意事項(xiàng)1.場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)(1)性能參數(shù)①開(kāi)啟電壓:它是增強(qiáng)型MOS管的參數(shù)。②夾斷電壓:
③飽和漏極電流:
它是結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管和耗盡型MOS管的參數(shù)。
當(dāng)為一常量時(shí),柵源電壓為零時(shí)的漏極電流。④直流輸入電阻:等于柵-源電壓與柵極電流之比。結(jié)型管的大于,而MOS管的大于。
⑤低頻跨導(dǎo):該數(shù)值的大小表示對(duì)控制作用的強(qiáng)弱。
是轉(zhuǎn)移特性曲線上某一點(diǎn)的切線的斜率,與切點(diǎn)的位置密切相關(guān)。
⑥極間電容:場(chǎng)效應(yīng)管的三個(gè)極之間均存在極間電容。
越大場(chǎng)效應(yīng)管放大能力越好。通常,柵-源電容和柵-漏電容約為1~3pF,而漏-源電容約為0.1~1pF。4.1.2場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)、特點(diǎn)以及使用注意事項(xiàng)1.(2)極限參數(shù)①最大漏極電流:是管子正常工作時(shí)漏極電流的上限值。
②漏源擊穿電壓:
管子進(jìn)入恒流區(qū)后,使驟然增大的。③柵源擊穿電壓:對(duì)于結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管,柵極與溝道間PN結(jié)反向擊穿電壓;對(duì)于絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管,使絕緣層擊穿時(shí)的電壓。
④最大耗散功率:
PD=UDS·ID,該數(shù)值決定于管子允許的溫升。(2)極限參數(shù)①最大漏極電流:是管子正常模電第四章場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其放大電路課件模電第四章場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其放大電路課件2.使用MOS管的注意事項(xiàng)
1)MOS管柵源之間的電阻很高,使得柵極的感應(yīng)電荷不易泄放,因極間電容很小,故會(huì)造成電壓過(guò)高使絕緣柵擊穿?!癖4鍹OS管應(yīng)使三個(gè)電極短接,避免柵極懸空。●焊接時(shí),電烙鐵的外殼應(yīng)良好的接地,或燒熱電烙鐵后切斷電源再焊?!駵y(cè)試MOS場(chǎng)效應(yīng)管時(shí),應(yīng)先接好線路再去除電極之間的短接,測(cè)試結(jié)束后應(yīng)先短接各電極。2)有些場(chǎng)效應(yīng)管將襯底引出,故有4個(gè)管腳,這種管子漏極與源極可互換使用。但有些場(chǎng)效應(yīng)管在內(nèi)部已將襯底與源極接在一起,只引出3個(gè)電極,這種管子的漏極與源極不能互換。2.使用MOS管的注意事項(xiàng)1)MOS管柵源之間的電阻很
4.1.3場(chǎng)效應(yīng)管與晶體管的比較
(1)場(chǎng)效應(yīng)管用柵-源電壓控制漏極電流,柵極基本不取電流。而晶體管工作時(shí)基極總要索取一定的電流。因此,要求輸入電阻高的電路應(yīng)選用場(chǎng)效應(yīng)管;而若信號(hào)源可以提供一定的電流,則可選用晶體管。(2)場(chǎng)效應(yīng)管幾乎只有多子參與導(dǎo)電。晶體管內(nèi)既有多子又有少子參與導(dǎo)電,而少子數(shù)目受溫度、輻射等因素影響較大,因而場(chǎng)效應(yīng)管比晶體管的溫度穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)。所以在環(huán)境條件變化很大的情況下應(yīng)選用場(chǎng)效應(yīng)管。
(3)場(chǎng)效應(yīng)管噪聲系數(shù)很小,所以低噪聲放大器的輸入級(jí)及要求信噪比較高的電路應(yīng)選用場(chǎng)效應(yīng)管。當(dāng)然也可選用特制的低噪聲晶體管。
4.1.3場(chǎng)效應(yīng)管與晶體管的比較(1)場(chǎng)效應(yīng)管用柵-(4)場(chǎng)效應(yīng)管的漏極與源極可以互換使用,互換后特性變化不大。而晶體管的發(fā)射極與集電極互換后特性差異很大,因此只在特殊需要時(shí)才互換。(5)場(chǎng)效應(yīng)管比晶體管的種類多,特別是耗盡型MOS管,柵-源電壓可正、可負(fù)、可零,均能控制漏極電流;因而在組成電路時(shí)比晶體管有更大的靈活性。(6)場(chǎng)效應(yīng)管和晶體管均可用于放大電路和開(kāi)關(guān)電路,它們構(gòu)成了品種繁多的集成電路。但由于場(chǎng)效應(yīng)管集成工藝更簡(jiǎn)單,且具有耗電省、工作電源電壓范圍寬等優(yōu)點(diǎn),因此更加廣泛地應(yīng)用于大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路之中。
4.1.3場(chǎng)效應(yīng)管與晶體管的比較(續(xù))
(4)場(chǎng)效應(yīng)管的漏極與源極可以互換使用,互換后特性變化不大。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)習(xí)題模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)習(xí)題4.2場(chǎng)效應(yīng)管基本放大電路三種基本放大電路:共源極、共漏極和共柵極電路。必須設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn),以保證在信號(hào)的整個(gè)周期內(nèi),場(chǎng)效應(yīng)管均工作于放大區(qū)。4.2.1場(chǎng)效應(yīng)管放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置場(chǎng)效應(yīng)管是電壓控制器件,因此它沒(méi)有偏流,關(guān)鍵是要有合適的柵偏壓。常用的偏置電路有兩種4.2場(chǎng)效應(yīng)管基本放大電路三種基本放大電路:共源極、共漏1.自給偏壓
當(dāng)耗盡型管的柵源回路接通時(shí),在漏極電源作用下,就有電流通過(guò),并在源極電阻上產(chǎn)生靜態(tài)負(fù)柵偏壓,通常稱為自偏壓,其值為適當(dāng)調(diào)整源極電阻,可以得到合適的靜態(tài)工作點(diǎn),通過(guò)下列關(guān)系式可求得工作點(diǎn)上的有關(guān)電流和電壓:
此電路不適用于增強(qiáng)MOS管,因?yàn)殪o態(tài)時(shí)該電路不能使管子開(kāi)啟,即。圖4-9
1.自給偏壓當(dāng)耗盡型管的柵源回路接通時(shí),在漏極電源作用下2.分壓式偏置電路
適當(dāng)選擇或值,就可獲得正、負(fù)及零三種偏壓。圖中阻值很大,用以隔離、對(duì)信號(hào)的分流作用,以保持高的輸入電阻。
靜態(tài)分析也可以采用公式估算法,并在實(shí)際應(yīng)用時(shí),用RP來(lái)微調(diào)可聯(lián)立求解:
圖4-10
2.分壓式偏置電路適當(dāng)選擇或4.2.2場(chǎng)效應(yīng)管的交流等效模型
場(chǎng)效應(yīng)管也是非線性器件,在輸入信號(hào)電壓很小的條件下,也可將用小信號(hào)模型等效。與建立晶體管小信號(hào)模型相似,將場(chǎng)效應(yīng)管也看成一個(gè)兩端口網(wǎng)絡(luò),以結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管為例,柵極與源極之間為輸入端口,漏極與源極之間為輸出端口。無(wú)論是哪種類型的場(chǎng)效應(yīng)管,均可以認(rèn)為柵極電流為零,輸入端視為開(kāi)路,柵-源極間只有電壓存在。在輸出端口,漏極電流是和的函數(shù)。圖4-11
4.2.2場(chǎng)效應(yīng)管的交流等效模型4.2.3共源放大電路的動(dòng)態(tài)分析
應(yīng)用微變等效電路法來(lái)分析計(jì)算場(chǎng)效應(yīng)管放大的電壓放大倍數(shù)和輸入電阻、輸出電阻,其步驟與分析三極管放大電路相同。圖為共源極放大電路和微變等效電路。圖4-12
4.2.3共源放大電路的動(dòng)態(tài)分析應(yīng)用微變等效1.求電壓放大倍數(shù)
2.求輸入電阻通常,為了減小、對(duì)輸入信號(hào)的分流作用,常選擇,3.求輸出電阻
1.求電壓放大倍數(shù)2.求輸入電阻通常,4.2.4共漏放大電路的動(dòng)態(tài)分析
圖是由耗盡型NMOS管構(gòu)成的共漏極放大電路,由交流通路可見(jiàn),漏極是輸入、輸出信號(hào)的公共端。由于信號(hào)是從源極輸出,故也稱源極輸出器。圖4-13
4.2.4共漏放大電路的動(dòng)態(tài)分析1.求電壓放大倍數(shù)2.求輸入電阻當(dāng)時(shí),。
1.求電壓放大倍數(shù)2.求輸入電阻當(dāng)3.求輸出電阻
用“加壓求流法”求源極輸出器的輸出電阻的電路如下圖由于柵極電流,故,所以則圖4-14
3.求輸出電阻用“加壓求流法”求源極輸出例4-2
在所示電路中,已知靜態(tài)工作點(diǎn)合適,,,,,,場(chǎng)效應(yīng)管的開(kāi)啟電壓,。試求解、、。解:例4-2在所示電路中,已知靜態(tài)工作點(diǎn)合適,4.3絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)
圖4-15IGBT的符號(hào)
圖4-16IGBT的等效電路
4.3絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)圖4-15IGBT與MOSFET的對(duì)比
MOSFET全稱功率場(chǎng)效應(yīng)管。它的三個(gè)極分別是源極(S)、漏極(D)和柵極(G)。主要優(yōu)點(diǎn):熱穩(wěn)定性好、安全工作區(qū)大;缺點(diǎn):擊穿電壓低低,工作電流小。IGBT全稱絕緣柵雙極晶體管,是MOSFET和GTR(功率晶體管)相結(jié)合的產(chǎn)物。它的三個(gè)極分別是集電極(C)、發(fā)射極(E)和柵極(G)。主要特點(diǎn):擊穿電壓可達(dá)1200V,集電極最大飽和電流已超過(guò)1500A。由IGBT作為逆變器件的變頻器的容量達(dá)250kVA以上,工作頻率可達(dá)20kHz。IGBT與MOSFET的對(duì)比4.3
應(yīng)用電路介紹
圖是結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管用作可調(diào)輸出電流大小的恒流源電路。由結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管輸出特性可知,當(dāng)大于某一數(shù)值(如3V以上)時(shí),JFET脫離變阻區(qū)進(jìn)入恒流區(qū),不隨變化,具有恒流特性。
應(yīng)用一:可調(diào)恒流源與的關(guān)系可以從轉(zhuǎn)移特性曲線中查出。實(shí)際應(yīng)用時(shí)可調(diào)節(jié)RP來(lái)改變。4.3應(yīng)用電路介紹圖是結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管用作可調(diào)應(yīng)用二:場(chǎng)效應(yīng)管用于放大駐極體話筒的信號(hào)
駐極性話筒是一種體積只有花生大小的具有電容性質(zhì)的話筒,它廣泛應(yīng)用于錄音機(jī)等電路中。它的輸出電阻極高(以上),不能用普通三極管來(lái)放大。圖是采用高輸入電阻的耗盡型MOSET進(jìn)行電壓放大的電路。
圖中的駐極體接受的聲波越強(qiáng),C的容量變化越大,C兩端輸出的音頻信號(hào)電壓也越高。MOSFET與駐極體裝在同一殼體內(nèi),由決定。圖4-18
應(yīng)用二:場(chǎng)效應(yīng)管用于放大駐極體話筒的信號(hào)駐極性應(yīng)用三:人體感應(yīng)電路圖4-19所示電路是利用絕緣柵欄型場(chǎng)效管組成觸模式接近開(kāi)關(guān)。圖4-20
當(dāng)人們?cè)谑覂?nèi)活動(dòng)時(shí),由于人體與周圍的220交流電路存在一微小的分布電容,使人體因感應(yīng)交流電場(chǎng)而帶有幾伏至幾十伏的50Hz交流信號(hào),由于此感應(yīng)信號(hào)的內(nèi)阻極高,不能用普通的三極管電路來(lái)檢測(cè)。當(dāng)人體觸及接在MOSFET的G極上的金屬板時(shí),該感應(yīng)電壓就迭加到G、S端,使MOSFET導(dǎo)通,PNP管獲得,從而產(chǎn)生。流經(jīng)V3的基極,形成較大的。從而使繼電器KA吸合,去控制外電路的負(fù)載(如樓道燈等)。圖中的VD1為穩(wěn)壓管,用于保護(hù)G極不至因過(guò)高的輸入電壓而擊穿;C1用于濾除中的交流分量;VD3用于吸收V3突然截止時(shí),繼電器鐵心中磁場(chǎng)突然減小所引起的過(guò)電壓,起續(xù)流作用,稱為續(xù)流二極管。圖4-19
應(yīng)用三:人體感應(yīng)電路圖4-19所應(yīng)用四:利用場(chǎng)效應(yīng)管作非接觸式測(cè)電筆
導(dǎo)線只要接上交變電壓,它的周圍就會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng),而場(chǎng)效應(yīng)管對(duì)外部電場(chǎng)比較敏感,即使很弱的電場(chǎng)也會(huì)使場(chǎng)效應(yīng)管柵、源之間感應(yīng)到信號(hào)電壓,因此用它作無(wú)觸點(diǎn)測(cè)電筆非常方便,其電路如圖4-20所示。
圖4-20
此測(cè)電筆可用于查找導(dǎo)線內(nèi)部斷路之處。使用時(shí),把被查導(dǎo)線的端部接到火線上,手握測(cè)電筆,沿導(dǎo)線表面移動(dòng)。在未斷部分,探頭可感應(yīng)到電場(chǎng)信號(hào),由電容C1耦合到場(chǎng)效應(yīng)管V1的柵極,經(jīng)放大后使發(fā)光二極管LED發(fā)光。一旦探頭移至某點(diǎn)時(shí)發(fā)現(xiàn)LED熄滅,說(shuō)明此點(diǎn)已無(wú)電場(chǎng),必定就是斷芯點(diǎn)。應(yīng)用四:利用場(chǎng)效應(yīng)管作非接觸式測(cè)電筆應(yīng)用五:對(duì)鹵鎢燈作緩啟動(dòng)鹵鎢燈是在白熾燈的基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)充碘蒸氣等工藝改進(jìn)出來(lái)的一種高亮度燈具。它具有體積小,光色好,光效高等優(yōu)點(diǎn)。其點(diǎn)亮?xí)r間約為0.1秒,啟動(dòng)電流約為工作電流的5倍,正是這個(gè)啟動(dòng)沖擊電流使本來(lái)可以長(zhǎng)壽的燈管壽命大為縮短。將功率場(chǎng)效應(yīng)管(VMOS管)作為可控開(kāi)關(guān)串聯(lián)在鹵鎢燈電源回路中,使其可實(shí)現(xiàn)緩啟動(dòng),延長(zhǎng)燈管的使用壽命。電路如圖所示。VD1~VD4對(duì)220V交流電源作全波整流,R、C構(gòu)成延時(shí)環(huán)節(jié)。
開(kāi)關(guān)S閉合后,C開(kāi)始充電,隨著其電壓的升高,VMOS管的電流逐漸增大,而壓降逐漸減小,鹵鎢燈逐漸點(diǎn)亮。經(jīng)過(guò)1秒左右,C兩端電壓達(dá)到穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓20V,VMOS管完全導(dǎo)通,電路便進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)。由于VMOS導(dǎo)通時(shí)的內(nèi)阻很?。s零點(diǎn)幾歐姆),所以其本身的發(fā)熱很小,對(duì)鹵鎢燈影響也很小。圖4-21
應(yīng)用五:對(duì)鹵鎢燈作緩啟動(dòng)鹵鎢燈是在白應(yīng)用六:VMOS管用于控制碘鎢燈的亮度由于VMOS管耐壓高、電流大,所以可以帶動(dòng)大功率設(shè)備,如碘鎢燈、加熱器、風(fēng)機(jī)等。圖中的RP用于調(diào)節(jié),從而控制流過(guò)碘鎢燈的電流,VD用于保護(hù)VMOS管的柵極,防止過(guò)電壓;C1用于防止突變,實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng);整流橋組成整流電路,、組成濾波電路,為提供穩(wěn)定的控制電壓。
此種調(diào)光方法是不夠經(jīng)濟(jì)的,在碘鎢燈調(diào)得較暗時(shí),有很大一部分功率損耗在VMOS上,必須將VMOS與較大面積的散熱片裝在一起,才能保證VMOS的管芯溫度小于150℃。圖4-21
應(yīng)用六:VMOS管用于控制碘鎢燈的亮度模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)習(xí)題模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)習(xí)題第四章場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其放大電路49第四章場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其放大電路14.1單極型晶體管4.2場(chǎng)效應(yīng)管基本放大電路4.3應(yīng)用電路介紹4.1單極型晶體管
場(chǎng)效應(yīng)管屬于另一種半導(dǎo)體器件,尤為突出的是:場(chǎng)效應(yīng)管具有高達(dá)107~1015的輸入電阻,幾乎不取用信號(hào)源提供的電流,因而具有功耗小、噪聲小、體積小、抗幅射、熱穩(wěn)定性好、制造工藝簡(jiǎn)單且易于集成化等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同,場(chǎng)效應(yīng)管可分為結(jié)型和絕緣柵型兩大類,它們都只有一種載流子(多數(shù)載流子)參與導(dǎo)電,故又稱為單極型三極管。其中絕緣柵型應(yīng)用更為廣泛。
簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介P126P1264.1單極型晶體管
(FET)
絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)是金屬-氧化物-半導(dǎo)體,簡(jiǎn)稱為MOS管。MOS管可分為N溝道和P溝道兩種,每一種又可分為增強(qiáng)型與耗盡型兩種型式。本節(jié)將以N溝道為例,說(shuō)明絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和工作原理。4.1.1場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和外部特性
1.N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)
圖4-1
4.1單極型晶體管(FET)(1)工作原理1)導(dǎo)電溝道的形成
當(dāng)足夠大時(shí),由于靜電場(chǎng)作用,管子的漏極和源極之間將產(chǎn)生一個(gè)導(dǎo)電通道(稱為溝道),極間等效電阻較小。
越大,導(dǎo)電溝道寬度越寬,等效電阻越小。
產(chǎn)生導(dǎo)電溝道所需的最小柵源電壓我們稱為開(kāi)啟電壓。改變柵源電壓,就可以改變導(dǎo)電溝道的寬度。
(1)工作原理1)導(dǎo)電溝道的形成當(dāng)上述這種在時(shí)沒(méi)有導(dǎo)電溝道,因而必須在時(shí)才形成導(dǎo)電溝道的場(chǎng)效應(yīng)管稱為增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管。圖4-2
上述這種在時(shí)沒(méi)有導(dǎo)電溝道,因而必須在時(shí)才形成導(dǎo)電溝道的場(chǎng)效2)漏源間電壓好柵源電壓對(duì)漏極電流的影響
當(dāng)時(shí),若在漏-源之間加上正向電壓時(shí),則將產(chǎn)生一定的漏極電流。此時(shí),的變化會(huì)對(duì)導(dǎo)電溝道產(chǎn)生影響。即當(dāng)較小時(shí),的增大使線性增大,溝道沿源-漏方向逐漸變窄,如圖4-3a)所示。一旦增大到使時(shí),溝道在漏極一側(cè)出現(xiàn)夾斷點(diǎn),稱為預(yù)夾斷,如果繼續(xù)增大,夾斷區(qū)隨之延長(zhǎng),如圖(b)所示。
圖4-3
2)漏源間電壓好柵源電壓對(duì)漏極電流的影響當(dāng)2)漏源間電壓好柵源電壓對(duì)漏極電流的影響而且的增大部分幾乎全部用于克服夾斷區(qū)對(duì)漏極電流的阻力。
此時(shí),
幾乎不因的增大而變化,管子進(jìn)入恒流區(qū),幾乎僅決定于。
在時(shí),對(duì)應(yīng)于每一個(gè)就有一個(gè)確定的。此時(shí),可將視為電壓控制的電流源。2)漏源間電壓好柵源電壓對(duì)漏極電流的影響工作原理工作原理(2)特性曲線與電流方程轉(zhuǎn)移特性曲線是描述當(dāng)保持不變時(shí),輸入電壓對(duì)輸出電流的控制關(guān)系,所以稱為轉(zhuǎn)移特性,如圖4-4a)所示。1)轉(zhuǎn)移特性曲線
圖4-4a)
當(dāng)時(shí),;當(dāng)時(shí),通電溝道開(kāi)始形成,隨著的增大,溝道加寬,也增大。與的關(guān)系,可用下式近似表示其中是時(shí)的值。(2)特性曲線與電流方程轉(zhuǎn)移特性曲線是描述當(dāng)保持2)輸出特性曲線
圖是N溝道增強(qiáng)型MOS管的輸出特性曲線,輸出特性曲線可分為下列幾個(gè)區(qū)域。
①可變電阻區(qū)
很小時(shí),可不考慮對(duì)溝道的影響。于是一定時(shí),溝道電阻也一定,故與之間基本上是線性關(guān)系。
越大,溝道電阻越小,故曲線越陡。在這個(gè)區(qū)域中,溝道電阻由決定,故稱為可變電阻區(qū)。
圖4-4b)
2)輸出特性曲線圖是N溝道增強(qiáng)型MOS管的輸出特2)輸出特性曲線
②恒流區(qū)
③截止區(qū)
圖中所示曲線近似水平的部分即是恒流區(qū),它表示當(dāng)時(shí),與漏極電流間的關(guān)系。
該區(qū)的特點(diǎn)是幾乎不隨的變化而變化,已趨于飽和,具有恒流性質(zhì)。所以這個(gè)區(qū)域又稱飽和區(qū)。當(dāng)增大一定值以后,漏源之間會(huì)發(fā)生擊穿,漏極電流急劇增大。
時(shí)以下的區(qū)域。(夾斷區(qū))圖4-4b)
2)輸出特性曲線②恒流區(qū)③截止區(qū)模電第四章場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其放大電路課件2.N溝道耗盡型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)
上述的增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管只有當(dāng)時(shí)才能形成導(dǎo)電溝道,如果在制造時(shí)就使它具有一個(gè)原始導(dǎo)電溝道,這種絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管稱為耗盡型。與增強(qiáng)型相比,它的結(jié)構(gòu)變化了,使其控制特性有明顯變化。在為常數(shù)的條件下,當(dāng)時(shí),漏、源極間已經(jīng)導(dǎo)通,流過(guò)的是原始導(dǎo)電溝道的漏極電流。當(dāng)時(shí),即加反向電壓時(shí),導(dǎo)電溝道變窄,減??;負(fù)值愈高、溝道愈窄,也就愈小。當(dāng)達(dá)到一定負(fù)值時(shí),導(dǎo)電溝道被夾斷,,這時(shí)的稱為夾斷電壓,用表示。圖4-5
2.N溝道耗盡型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)上述的增強(qiáng)型絕緣可見(jiàn),耗盡型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管不論柵-源電壓是正是負(fù)或零,都能控制漏極電流,這個(gè)特點(diǎn)使它的應(yīng)用具有較大的靈活性。一般情況下,這類管子還是工作在負(fù)柵-源電壓的狀態(tài)。
實(shí)驗(yàn)表明,在范圍內(nèi),耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性可近似用下式表示圖4-6可見(jiàn),耗盡型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管不論柵-源電壓是P126P1263.結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的特性和耗盡型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管類似。圖a)、b)分別為N溝道和P溝道的結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管圖形符號(hào)。使用結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管時(shí),應(yīng)使柵極與源極間加反偏電壓,漏極與源極間加正向電壓。對(duì)于N溝道的管子來(lái)說(shuō),柵源電壓應(yīng)為負(fù)值,漏源電壓為正值。在漏源電壓作用下,形成了漏極電流。柵源電壓增大時(shí),導(dǎo)通溝道變窄,從而在一定的作用下變小。所以,改變也可實(shí)現(xiàn)對(duì)的控制。
當(dāng)增大到一定值時(shí),導(dǎo)通溝道被夾斷,此時(shí)。夾斷時(shí)的柵源電壓用表示。圖4-73.結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的特性和耗盡型絕緣柵圖4-8為N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管轉(zhuǎn)移特性曲線。當(dāng)時(shí),溝道被夾斷,;減小,增大;時(shí)的漏極電流為零偏漏極電流。對(duì)于P溝道管子來(lái)說(shuō),為正值。圖4-8
圖4-9為N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管輸出特性曲線。管子的工作狀態(tài)也劃分三個(gè)區(qū)域:可變電阻區(qū)、恒流區(qū)、擊穿區(qū)。工作于恒流區(qū)中時(shí),結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性也可用下式表示:
結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管正常使用時(shí),g、s間是反偏的,故輸入電阻也較高。圖4-8為N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管轉(zhuǎn)移特性曲線。當(dāng)模電第四章場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其放大電路課件模電第四章場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其放大電路課件4.1.2場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)、特點(diǎn)以及使用注意事項(xiàng)1.場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)(1)性能參數(shù)①開(kāi)啟電壓:它是增強(qiáng)型MOS管的參數(shù)。②夾斷電壓:
③飽和漏極電流:
它是結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管和耗盡型MOS管的參數(shù)。
當(dāng)為一常量時(shí),柵源電壓為零時(shí)的漏極電流。④直流輸入電阻:等于柵-源電壓與柵極電流之比。結(jié)型管的大于,而MOS管的大于。
⑤低頻跨導(dǎo):該數(shù)值的大小表示對(duì)控制作用的強(qiáng)弱。
是轉(zhuǎn)移特性曲線上某一點(diǎn)的切線的斜率,與切點(diǎn)的位置密切相關(guān)。
⑥極間電容:場(chǎng)效應(yīng)管的三個(gè)極之間均存在極間電容。
越大場(chǎng)效應(yīng)管放大能力越好。通常,柵-源電容和柵-漏電容約為1~3pF,而漏-源電容約為0.1~1pF。4.1.2場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)、特點(diǎn)以及使用注意事項(xiàng)1.(2)極限參數(shù)①最大漏極電流:是管子正常工作時(shí)漏極電流的上限值。
②漏源擊穿電壓:
管子進(jìn)入恒流區(qū)后,使驟然增大的。③柵源擊穿電壓:對(duì)于結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管,柵極與溝道間PN結(jié)反向擊穿電壓;對(duì)于絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管,使絕緣層擊穿時(shí)的電壓。
④最大耗散功率:
PD=UDS·ID,該數(shù)值決定于管子允許的溫升。(2)極限參數(shù)①最大漏極電流:是管子正常模電第四章場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其放大電路課件模電第四章場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其放大電路課件2.使用MOS管的注意事項(xiàng)
1)MOS管柵源之間的電阻很高,使得柵極的感應(yīng)電荷不易泄放,因極間電容很小,故會(huì)造成電壓過(guò)高使絕緣柵擊穿?!癖4鍹OS管應(yīng)使三個(gè)電極短接,避免柵極懸空?!窈附訒r(shí),電烙鐵的外殼應(yīng)良好的接地,或燒熱電烙鐵后切斷電源再焊?!駵y(cè)試MOS場(chǎng)效應(yīng)管時(shí),應(yīng)先接好線路再去除電極之間的短接,測(cè)試結(jié)束后應(yīng)先短接各電極。2)有些場(chǎng)效應(yīng)管將襯底引出,故有4個(gè)管腳,這種管子漏極與源極可互換使用。但有些場(chǎng)效應(yīng)管在內(nèi)部已將襯底與源極接在一起,只引出3個(gè)電極,這種管子的漏極與源極不能互換。2.使用MOS管的注意事項(xiàng)1)MOS管柵源之間的電阻很
4.1.3場(chǎng)效應(yīng)管與晶體管的比較
(1)場(chǎng)效應(yīng)管用柵-源電壓控制漏極電流,柵極基本不取電流。而晶體管工作時(shí)基極總要索取一定的電流。因此,要求輸入電阻高的電路應(yīng)選用場(chǎng)效應(yīng)管;而若信號(hào)源可以提供一定的電流,則可選用晶體管。(2)場(chǎng)效應(yīng)管幾乎只有多子參與導(dǎo)電。晶體管內(nèi)既有多子又有少子參與導(dǎo)電,而少子數(shù)目受溫度、輻射等因素影響較大,因而場(chǎng)效應(yīng)管比晶體管的溫度穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)。所以在環(huán)境條件變化很大的情況下應(yīng)選用場(chǎng)效應(yīng)管。
(3)場(chǎng)效應(yīng)管噪聲系數(shù)很小,所以低噪聲放大器的輸入級(jí)及要求信噪比較高的電路應(yīng)選用場(chǎng)效應(yīng)管。當(dāng)然也可選用特制的低噪聲晶體管。
4.1.3場(chǎng)效應(yīng)管與晶體管的比較(1)場(chǎng)效應(yīng)管用柵-(4)場(chǎng)效應(yīng)管的漏極與源極可以互換使用,互換后特性變化不大。而晶體管的發(fā)射極與集電極互換后特性差異很大,因此只在特殊需要時(shí)才互換。(5)場(chǎng)效應(yīng)管比晶體管的種類多,特別是耗盡型MOS管,柵-源電壓可正、可負(fù)、可零,均能控制漏極電流;因而在組成電路時(shí)比晶體管有更大的靈活性。(6)場(chǎng)效應(yīng)管和晶體管均可用于放大電路和開(kāi)關(guān)電路,它們構(gòu)成了品種繁多的集成電路。但由于場(chǎng)效應(yīng)管集成工藝更簡(jiǎn)單,且具有耗電省、工作電源電壓范圍寬等優(yōu)點(diǎn),因此更加廣泛地應(yīng)用于大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路之中。
4.1.3場(chǎng)效應(yīng)管與晶體管的比較(續(xù))
(4)場(chǎng)效應(yīng)管的漏極與源極可以互換使用,互換后特性變化不大。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)習(xí)題模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)習(xí)題4.2場(chǎng)效應(yīng)管基本放大電路三種基本放大電路:共源極、共漏極和共柵極電路。必須設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn),以保證在信號(hào)的整個(gè)周期內(nèi),場(chǎng)效應(yīng)管均工作于放大區(qū)。4.2.1場(chǎng)效應(yīng)管放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置場(chǎng)效應(yīng)管是電壓控制器件,因此它沒(méi)有偏流,關(guān)鍵是要有合適的柵偏壓。常用的偏置電路有兩種4.2場(chǎng)效應(yīng)管基本放大電路三種基本放大電路:共源極、共漏1.自給偏壓
當(dāng)耗盡型管的柵源回路接通時(shí),在漏極電源作用下,就有電流通過(guò),并在源極電阻上產(chǎn)生靜態(tài)負(fù)柵偏壓,通常稱為自偏壓,其值為適當(dāng)調(diào)整源極電阻,可以得到合適的靜態(tài)工作點(diǎn),通過(guò)下列關(guān)系式可求得工作點(diǎn)上的有關(guān)電流和電壓:
此電路不適用于增強(qiáng)MOS管,因?yàn)殪o態(tài)時(shí)該電路不能使管子開(kāi)啟,即。圖4-9
1.自給偏壓當(dāng)耗盡型管的柵源回路接通時(shí),在漏極電源作用下2.分壓式偏置電路
適當(dāng)選擇或值,就可獲得正、負(fù)及零三種偏壓。圖中阻值很大,用以隔離、對(duì)信號(hào)的分流作用,以保持高的輸入電阻。
靜態(tài)分析也可以采用公式估算法,并在實(shí)際應(yīng)用時(shí),用RP來(lái)微調(diào)可聯(lián)立求解:
圖4-10
2.分壓式偏置電路適當(dāng)選擇或4.2.2場(chǎng)效應(yīng)管的交流等效模型
場(chǎng)效應(yīng)管也是非線性器件,在輸入信號(hào)電壓很小的條件下,也可將用小信號(hào)模型等效。與建立晶體管小信號(hào)模型相似,將場(chǎng)效應(yīng)管也看成一個(gè)兩端口網(wǎng)絡(luò),以結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管為例,柵極與源極之間為輸入端口,漏極與源極之間為輸出端口。無(wú)論是哪種類型的場(chǎng)效應(yīng)管,均可以認(rèn)為柵極電流為零,輸入端視為開(kāi)路,柵-源極間只有電壓存在。在輸出端口,漏極電流是和的函數(shù)。圖4-11
4.2.2場(chǎng)效應(yīng)管的交流等效模型4.2.3共源放大電路的動(dòng)態(tài)分析
應(yīng)用微變等效電路法來(lái)分析計(jì)算場(chǎng)效應(yīng)管放大的電壓放大倍數(shù)和輸入電阻、輸出電阻,其步驟與分析三極管放大電路相同。圖為共源極放大電路和微變等效電路。圖4-12
4.2.3共源放大電路的動(dòng)態(tài)分析應(yīng)用微變等效1.求電壓放大倍數(shù)
2.求輸入電阻通常,為了減小、對(duì)輸入信號(hào)的分流作用,常選擇,3.求輸出電阻
1.求電壓放大倍數(shù)2.求輸入電阻通常,4.2.4共漏放大電路的動(dòng)態(tài)分析
圖是由耗盡型NMOS管構(gòu)成的共漏極放大電路,由交流通路可見(jiàn),漏極是輸入、輸出信號(hào)的公共端。由于信號(hào)是從源極輸出,故也稱源極輸出器。圖4-13
4.2.4共漏放大電路的動(dòng)態(tài)分析1.求電壓放大倍數(shù)2.求輸入電阻當(dāng)時(shí),。
1.求電壓放大倍數(shù)2.求輸入電阻當(dāng)3.求輸出電阻
用“加壓求流法”求源極輸出器的輸出電阻的電路如下圖由于柵極電流,故,所以則圖4-14
3.求輸出電阻用“加壓求流法”求源極輸出例4-2
在所示電路中,已知靜態(tài)工作點(diǎn)合適,,,,,,場(chǎng)效應(yīng)管的開(kāi)啟電壓,。試求解、、。解:例4-2在所示電路中,已知靜態(tài)工作點(diǎn)合適,4.3絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)
圖4-15IGBT的符號(hào)
圖4-16IGBT的等效電路
4.3絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)圖4-15IGBT與MOSFET的對(duì)比
MOSFET全稱功率場(chǎng)效應(yīng)管。它的三個(gè)極分別是源極(S)、漏極(D)和柵極(G)。主要優(yōu)點(diǎn):熱穩(wěn)定性好、安全工作區(qū)大;缺點(diǎn):擊穿電壓低低,工作電流小。IGBT全稱絕緣柵雙極晶體管,是MOSFET和GTR(功率晶體管)相結(jié)合的產(chǎn)物。它的三個(gè)極分別是集電極(C)、發(fā)射極(E)和柵極(G)。主要特點(diǎn):擊穿電壓可達(dá)1200V,集電極最大飽和電流已超過(guò)1500A。由IGBT作為逆變器件的變頻器的容量達(dá)250kVA以上,工作頻率可達(dá)20kHz。IGBT與MOSFET的對(duì)比4.3
應(yīng)用電路介紹
圖是結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管用作可調(diào)輸出電流大小的恒流源電路。由結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管輸出特性可知,當(dāng)大于某一數(shù)值(如3V以上)時(shí),JFET脫離變阻區(qū)進(jìn)入恒流區(qū),不隨變化,具有恒流特性。
應(yīng)用一:可調(diào)恒流源與的關(guān)系可以從轉(zhuǎn)移特性曲線中查出。實(shí)際應(yīng)用時(shí)可調(diào)節(jié)RP來(lái)改變。4.3應(yīng)用電路介紹
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