基于立创EDA的场效应管性能分析及应用

周云艳，赵年顺，孙太明，李 铮

(黄山学院 机电工程学院，安徽 黄山 245041)

场效应管(FET，Field Effect Transistor)自20世纪60年代诞生以来，受到人们越来越多关注，正逐渐取代双极型晶体三极管(BJT，Bipolar Junction Transistor)的位置[1-2]。在电子技术领域，场效应管电路相比于双极型晶体三极管具有输入电阻高、噪声低、热稳定性好等优点，且易于集成，被广泛应用于各种模拟和数字电路中[3]。在电力技术系统中，功率场效应管由于输入阻抗高、驱动功率小，相比于相同功率的双极型晶体管开关速度更高、频带宽度更宽，发展迅速[4]。

随着计算机技术的发展，电子电路EDA仿真软件为电子技术学习与研究提供了重要工具。利用电子电路EDA仿真软件能够将抽象的电路原理转化成直观的图形，更可方便地改变电路参数、实验方案和测试条件，从而为电子电路的设计与研究提供极大便利。立创EDA是一款由深圳嘉立创完全自主版权的国产EDA软件，集原理图设计、电路仿真、PCB设计及PCB制作为一体[5]。近年来由于面对个人用户永久免费、在线云端与离线客户端两种模式、完善的开源硬件平台、操作简单等一系列的优点，受到人们越来越多的关注。文章利用立创EDA软件，仿真测试了场效应管器件的伏安特性，分析了场效应管放大电路和反相器电路的性能。

1 场效应管伏安特性的测试

元器件的伏安特性曲线是一切电路分析和设计的基础，场效应管伏安特性曲线能够直观地反映不同工作状态下器件的特点。传统电路设计思路是查找元器件的数据手册，数据手册中提供场效应管的详细性能参数，同时给出特定条件下测试的伏安特性曲线。手册中提供的伏安特性不够直观，而且数据点不容易提取。利用立创EDA的直流仿真分析功能能够快速地获得场效应管的伏安特性，并且可以任意改变测试条件。以N沟道结型场效应管(JFET，Junction Field Effect Transistor )2N3819为例，利用立创EDA绘制伏安特性曲线。

场效应管输出伏安特性的测试电路见图1。输出特性曲线描述了栅-源电压uGS(电源V1)为常量时，漏极电流iD与漏-源电压uDS(电源V2)之间的函数关系。在立创EDA中进行直流扫描分析设置，即放置图1中所示文本，并将文本类型设置为“Spice仿真”。其中，第1行“.dc V2 0 1 50.05 V1 -5 0 1”表示扫描JFET的输出电压uDS在0 V～15 V间每隔0.05 V的变化，并且输入电压uGS从-5 V～0 V每隔1 V取6个不同的常量；第2行“.probe Id(J1)”表示只显示场效应管J1的漏极电流iD；第3行“;输出特性”以“;”开头用于备注，表示这些Spice语句用于输出特性的仿真分析。点击运行可得到图2所示的输出特性曲线，横坐标表示出电压uDS，纵坐标表示漏极电流iD，不同线表示不同的输入电压uGS，图中只显示了4条曲线，是因为当V1取-5 V、-4 V和-3 V时，场效应管工作在截止区，电流为零，3条线重合了，剩下3条线从上到下V1取值依次为0 V、-1 V和-2 V。

通过仿真量化输出伏安特性曲线，很容易理解场效应管的非饱和区、截止区和恒流区三种工作状态。非饱和状态中电压uDS很小，几乎为零，截止区电流iD很小，几乎为零，而恒流区输出电流iD几乎不受输出电压的uDS的影响，而受输入电压uGS的控制。在模拟电子技术中场效应管工作在恒流区，相当于电压控制的电流源，在数字电路中场效应管工作在非饱和区和截止区，可以看作一个数字开关。此外，还可以将仿真的图形数据导出进行处理，便于与理论分析设计的对比。

图1 JFET的输出伏安特性的测试电路

图2 JFET的输出特性曲线

转移特性曲线就是衡量场效应管工作在恒流区时，输入电压uGS对输出电流iD的控制。将图1中文本第1行改为“.dc V1 -4 0 0.01”仿真即可得到输出电压uDS为15 V时场效应管的转移特性曲线。如图3，横坐标表示输入电压uGS，纵坐标表漏极电流iD。根据理论分析，转移特性的表达式如下[3]：

(1)

从图中可确定，该场效应管2N3819的夹断电压UGS(off)≈-3V，漏极饱和电流电流IDSS≈12 mA。

2 共源放大电路的分析

场效应管在模拟电子技术中的典型应用是用于放大，图4为由JFET构成的自给偏压共源放大电路，输入信号ui加在栅极，输出信号从漏极加到负载RL上，源极作为公共端。

图4 共源放大电路原理图

2.1 共源放大电路的静态分析

为了使电路正常放大，必须设置合适的静态工作点，以保证在信号的整个周期内场效应管均工作在恒流区。根据电路原理图4，静态时：

UGSQ=IDQRS

(2)

(3)

UDSQ=VDD-IDQ(RS+RD)

(4)

代入数据可求得静态时UGSQ=-1.83 V，IDQ=1.83 mA，UDSQ=5.85 V。

立创EDA中利用虚拟仪器万用表测试静态工作点如图5所示，其中电压表与测试支路并联，电流表与测试支路串联。也可以利用立创EDA静态工作点分析功能即Spice语句“.op”直接得到静态时三个电极电位及电流如图6所示。仿真测得静态时UGSQ=-1.823 V，IDQ=1.823 mA，UDSQ=5.883 V，与理论计算值基本一致。对照图2输出特性曲线可知，该静态工作点在恒流区，电路能够正常放大。

图5 共源放大电路静态工作点的测量

图6 共源放大电路静态工作点仿真结果

2.2 共源放大电路的动态分析

衡量放大电路放大能力的性能指标主要有电压放大倍数Av、输入电阻Ri和输出电阻Ro。理论分析时采用交流小信号等效电路分析法，将场效应管等效为电压控制的电流源。根据图4共源放大电路的原理图，画出交流等效电路见图7，由等效电路可得：

图7 共源放大电路的交流等效电路

(5)

Ri=RG

(6)

Ro≈RD

(7)

由静态工作点可求低频跨导：

(8)

代入数据，放大倍数Av≈-6.2，输入电阻Ri=1 MΩ，输出电阻Ro≈4 kΩ。

立创EDA中可以利用暂态分析或示波器观察输入输出波形，从而实现动态性能指标的测量。如图8所示，信号源ui采用频率1 kHz，振幅10 mV的正弦波，接入示波器，示波器A通道观察负载RL的输出波形，B通道观察输入ui波形。仿真后打开示波器面板，如图9所示观察得到输入输出波形，可以看出输入输出波形相位相反，通过光标可以读出输入输出的振幅值分别为10 mV和61 mV，所以电压放大倍数Av=-6.1，与理论估算值基本一致。

输入电阻反映了放大电路从信号源索取电流大小的能力，可以在放大电路输入端加入信号源内阻，用示波器测量内阻左右两点交流电压换算获得。输出电阻反映了放大电路带负载的能力，可以用示波器测空载和带负载的输出电压换算获得，这里不再赘述。

图9 共源放大电路的动态波形

3 场效应管反相器的分析

金属-氧化物-半导体型(MOS，Metal Oxide Semiconductor )场效应管是目前制造大规模集成电路的主要有源器件，其伏安特性与JFET类似，在数字电子技术中MOS场效应管工作在开关状态，即非饱和区与截止区。反相器是场效应管作为开关的典型应用。如图10所示是由N沟道增强型MOS管和电阻所构成的简单反相器。输入信号ui要么很大，通常为电源电压，使MOS管工作在非饱和区，此时漏源电压uDS非常小，输出电压uo接近零电位；ui要么很小，通常为零电位，使MOS管工作在截止区，输出uo接近于电源电压。

图10 MOS反相器

利用立创EDA的暂态分析功能，将图中V1替换为脉冲源“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瞬态情况，最大时间步长为10 μs。运行可得波形如图11，输入V(ui)为高电平时，输出V(uo)为低电平，输入输出构成反相的逻辑关系。

图11 MOS反相器输入输出波形

通过立创EDA直流扫描功能，仿真分析反相器的电压传输特性。在图10中，插入“Spice仿真”文本“.dc V1 0 10 0.1 ”和“.probe V(uo)”，即仿真并显示输出uo随输入ui(图中电压源V1)变化曲线，运行可得图12所示的电压传输特性。从电压传输特性中转折区的中点可获得反相器的阈值电压，该电路的阈值电压即为MOS管的开启电压1.65 V。此外，在输出为高电平和低电平时，输入信号是允许有一个变化范围的，这个范围就是输入端的噪声容限。

图12 MOS反相器的传输特性曲线

在集成电路中，由于电阻占用面积较大，设计中，经常采用P沟道增强型场效应管作为有源负载替代电阻，从而构成CMOS反相器，它是构成复杂CMOS逻辑电路的基本模块。

4 结语

文章利用立创EDA软件直流扫描功能绘制了场效应管2N3819的输出伏安特性曲线和转移伏安特性曲线，在曲线中能够直观地观察该场效应管的性能特点，方便读取夹断电压与饱和漏极电流。基于该场效应管设计了共源放大电路，利用虚拟万用表测量的电路静态工作点，与理论分析结果一致。通过虚拟示波器测试了放大电路输入与输出的动态波形，读取波形振幅值，仿真测试计算的放大倍数与理论估算结果呈现较好的一致性。最后通过立创EDA设计仿真了MOS管反相器，暂态分析结果显示的输入和输出脉冲波形表现出反相关系，直流扫描功能获取反相器的电压传输特性曲线可以确定电路的阈值电压。场效应管电路的分析仿真与双极型晶体三极管的步骤基本相同，立创EDA中文操作界面，使操作更为简单，利用立创EDA仿真分析场效应管的性能及其应用电路，可以直观地观察电路现象，验证方案的正确性，简化电路设计步骤和难度，对场效应管的课程教学与工程应用都有重要的作用。