3.3 场效应管放大电路_电子技术基础.模电部分-QQ阅读男生玄幻网

上QQ阅读APP看书，第一时间看更新

3.3　场效应管放大电路

场效应管和双极型三极管两者作为放大器件，有着许多共同之处。同时，它们又各有特点。两种器件最主要的共同点是它们都具有放大作用，当输入回路中的电流或电压有一个微小的变化时，能够引起输出回路中的电流产生比较大的变化，即通过能量的控制实现放大作用，因此它们都能充当放大电路中的核心器件。其次，场效应管和双极型三极管都有3个电极，而且两种放大器件的电极之间有着明确的对应关系，即场效应管的栅极G、源极S和漏极D分别一一对应于双极型三极管的基极B、发射极E和集电极C。最后，场效应管和双极型三极管都是非线性元件，对于这两种器件组成的放大电路，通常都可以利用图解法或微变等效电路法进行分析和定量计算。

与双极型三极管相似，场效应管也可接成3种基本放大电路，它们是共源极、共漏极和共栅极放大电路，分别与双极型三极管的共发射极、共集电极和共基极放大电路相对应。为了使场效应管能线性地放大信号，管子应工作于放大区，为此，必须采用适当的偏置方法。下面对场效应管的偏置方法、场效应管放大电路的静态和场效应管3种基本放大电路分别进行讨论。

3.3.1　场效应管的偏置及其电路的静态分析

自给偏压和分压式偏置是场效应管在放大电路中应用时两种常用的偏置方法。

1.自给偏压

场效应管自给偏压电路如图3.7（a）所示，它只适用于结型场效应管或耗尽型MOS管组成的电路。

图3.7　场效应管的直流偏置

由于这两种管子均为耗尽型场效应管，即使是UGS=0，也有漏极电流ID流过管子，所以在该电路中，场效应管的源极接入一只源极电阻RS后，IDQ流过它时将产生一个大小等于IDQRS的电压降。由于电路中IGQ≈0，RG上没有电流，也没有电压降，因此，栅极的直流电位与“地”的电位相等，UGSQ=-IDQRS。这样一来，电路自行产生了一个负的偏置电压UGSQ，刚好能满足电路中N沟道耗尽型场效应管工作于放大区时对UGS的要求。

由于增强型MOS场效应管在UGS=0时，ID=0，只有当栅极与源极之间电压达到开启电压UGS（th）时，才有漏极电流，而漏极电流在RS上产生的电压极性又刚好与管子的UGS（th）极性（即“正”、“负”）相反，故图3.7（a）所示的偏置方式不适用于增强型场效应管（FET）组成的放大电路。

2.分压式偏置

分压式偏置电路如图3.7（b）所示。这种偏置方式既适用于增强型场效应管（FET），也适用于耗尽型场效应管。以N沟道场效应管为例，这种偏置电路由于有RGl和RG2的分压，提高了栅极电位，使UGQ>0，这样既有可能使IDQRS>UGQ，满足N沟道结型场效应管对UGSQ的要求（UGSQ<0）；也有可能使IDQRS<UGQ，满足N沟道增强型场效应管对UGSQ>UGS（th）>0的要求。由于耗尽型MOS管的UGSQ可“正”可“负”，这种偏置电路总是适用的。

场效应管放大电路的静态分析方法也有图解法和估算法两种。图解法作图过程较为烦琐，很少使用。下面以图3.7（a）所示电路为例，讨论估算法如何求解自给偏压电路中场效应管（FET）的静态工作点。当场效应管工作于放大区时，耗尽型场效应管的ID、UGS和UDSQ可通过下面的关系式来计算，其中耗尽型场效应管的ID与UGS满足式（3.4）。

　　（3.8）

　　（3.9）

　　（3.10）

提示

当用上面的公式计算求得的Q点值满足UDSQ>UGSQ-UGS（off）时，场效应管工作于放大区，式（3.8）适用，所求的Q点值为电路的静态工作点值；否则表明电路中的场效应管没有工作在放大区，所求的Q点值没有意义。

【例3.1】　结型场效应管构成的放大电路如图3.7（a）所示。其中RD=3kΩ、RS=1kΩ、RG=1MΩ、VDD=30V、场效应管的IDSS=7mA、UGS（off）=-8V。试求UGSQ、IDQ和UDSQ。

解：根据式（3.8）和式（3.9）联解可求得：IDQ=2.9mA、UGSQ=-2.9V。

再由式（3.10）可求得：UDSQ=18.4V。

3.3.2　场效应管的微变等效电路

由于场效应管输入电阻极高，输入电流几乎为零，它是通过改变栅极和源极之间的电压来控制漏极电流iD的，所以它与双极型晶体管不一样，其伏安特性只用一簇转移特性（或输出特性）曲线即可表示其输入电压uGS与输出电流iD之间的关系，因此其微变等效电路也一定比双极型三极管简单。由场效应管的伏安特性可知：

　　（3.11）

取其全微分，得

　　（3.12）

其中就是跨导gm，而为场效应管的共源极输出导纳（输出电阻的倒数即1/rds），所以

　　（3.13）

或者

　　（3.14）

由式（3.14）即可画出场效应管的微变等效电路，如图3.8所示。

图3.8　场效应管的微变等效电路

在图3.8中，栅极与源极之间虽然有一个电压ugs，但是没有栅极电流，因此，栅极是悬空的。D、S极之间的电流源gmugs也是一个受控源，体现了栅源电压对漏极电流的控制作用。等效电路中有两个电路参数：场效应管的电阻rds，也就是漏极与源极之间的动态电阻，这与双极型三极管的共射极输出电阻rce相对应。rds的大小等于场效应管输出特性曲线在工作点处斜率的倒数，通常为几十千欧到几百千欧。在放大电路中，rds的数值往往远大于等效的负载电阻，常可将其视作开路。此时可以使用如图3.8（b）所示的场效应管简化微变等效电路来分析电路。跨导gm用来描述场效应管的放大作用，其单位是毫西门子（mS）。

3.3.3　共源极放大电路

场效应管也是组成模拟电子电路常用的、重要的放大元件。我们已经知道场效应管分为两大类：结型场效应管和绝缘栅场效应管。从实用的要求出发，本节主要介绍N沟道增强型MOS场效应管组成的放大电路。

1.电路的组成

图3.9所示的是分压-自偏压式共源极放大电路。输入电压ui加在场效应管的栅极与源极之间，输出电压uo从漏极与源极之间得到。可见输入、输出回路的公共端为场效应管的源极，因此称为共源极放大电路。静态时，栅极电压由VDD经过电阻R1、R2分压后获得，静态漏极电流IDQ流过电阻RS产生一个自偏压USQ=IDQRS，则场效应管的静态偏置电压UGSQ由分压和自偏压的结果共同决定，即UGSQ=UGQ-USQ，因此该电路称为分压-自偏压式共源极放大电路。显然，与双极型三极管分压式偏置电路中的发射极电阻RE类似，引入的源极电阻RS也有利于稳定静态工作点。同样为了避免因接入RS而引起电压放大倍数下降，在RS的两端并联上一个旁路电容。这个旁路电容CS的容量必须足够大，确保交流时短路。接入栅极电阻RG的作用是提高放大电路的输入电阻。

图3.9　分压-自偏压式共源极放大电路

2.静态分析

对分压-自偏压式共源极放大电路可以采用近似估算法进行分析。N沟道增强型MOS场效应管的漏极电流iD可用式（3.2）来计算。则静态工作点处的漏极电流近似为

　　（3.15）

根据图3.9所示的输入回路可知：

　　（3.16）

解式（3.15）、式（3.16）组成的联立方程，便可求出静态栅源电压UGSQ和漏极电流IDQ。再根据图3.9所示的输出回路可求得：

　　（3.17）

3.动态分析

当图3.9所示分压-自偏压式共源极放大电路中的隔直电容C1、C2和旁路电容CS足够大时，可画出相应的微变等效电路，如图3.10所示。

图3.10　分压-自偏压式共源极放大电路微变等效电路

由图3.10可知：Ui=Ugs，，其中。

所以，电压放大倍数为：　　（3.18）

输入电阻为：　　（3.19）

输出电阻为：Ro=RD　　（3.20）

【例3.2】　已知图3.9所示分压-自偏压式共源放大电路中，VDD=20V，RD=10kΩ，RS=10kΩ，RG=1MΩ，R1=200kΩ，R2=51kΩ，RL=10kΩ。所使用的N沟道增强型MOS场效应管的参数为IDO=0.9mA，gm=1.5mS，=4V。试估算：（1）放大电路的静态工作点；（2）电压放大倍数、输入电阻和输出电阻。