場效應(yīng)管放大電路

4.5場效應(yīng)管（FET）放大電路根據(jù)前面講的場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和工作原理，和雙極性三極管比較可知，場效應(yīng)管具有放大作用。場效應(yīng)管的三個極和雙極性三極管的三個極存在著對應(yīng)關(guān)系即：G(柵極)→b(基極)

S(源極)→e(發(fā)射極)

D(漏極)→c(集電極)所以根據(jù)雙極性三極管放大電路，可組成相應(yīng)的場效應(yīng)管放大電路。1IDGRDSBUDSUGS輸入輸出共源組態(tài)：輸入：GS輸出：DS場效應(yīng)管（FET）放大電路的三種工作組態(tài)以NMOS（E）為例：GRDDBUDSUGS輸入輸出共漏組態(tài)：輸入：GD輸出：SDIDGRDSBUDS輸入輸出共柵組態(tài)：輸入：SG輸出：DGID2(1)靜態(tài)：適當(dāng)?shù)撵o態(tài)工作點(diǎn)，使場效應(yīng)管工作在恒流區(qū)，場效應(yīng)管的偏置電路相對簡單。(2)動態(tài)：能為交流信號提供通路。場效應(yīng)管（FET）放大電路的組成原則：靜態(tài)分析：估算法、圖解法。動態(tài)分析：微變等效電路法。場效應(yīng)管（FET）放大電路的分析方法：3但由于兩種放大器件各自的特點(diǎn)，故不能將雙極性三極管放大電路中的三極管簡單地用場效應(yīng)管取代，組成場效應(yīng)管放大電路。

雙極性三極管是電流控制器件，組成放大電路時，應(yīng)給雙極性三極管設(shè)置偏置偏流。而場效應(yīng)管是電壓控制器件，故組成放大電路時，應(yīng)給場效應(yīng)管設(shè)置偏置偏壓：

合適的柵極電壓（簡稱柵壓，為Q點(diǎn)電壓），保證放大電路具有合適的工作點(diǎn)，避免輸出波形產(chǎn)生嚴(yán)重的非線性失真。4.5.1靜態(tài)工作點(diǎn)與偏置電路4由于場效應(yīng)管種類較多，故采用的偏置電路，其電壓極性必須考慮。以N溝道為例：

N溝道的結(jié)型場效應(yīng)管只能工作在UGS<0的區(qū)域

NMOS管又分為耗盡型和增強(qiáng)型：

增強(qiáng)型工作在UGS>0

而耗盡型可工作在UGS<0、UGS>0

和UGS=0工程中常用的FET放大電路的偏置方式有兩種：自給偏壓電路分壓式偏置電路

直流偏置電路：保證場效應(yīng)管工作在恒流區(qū)，輸出信號不失真。1.直流偏置電路5（1）自偏壓電路vGSvGS=-iDR

可見該電路的直流偏壓是靠本身源極電阻Rs上的壓降設(shè)置的，故名自給偏壓式電路。另電路種Cs對Rs起交流旁路作用，Cs為源極旁路電容。如圖所示。因?yàn)樵贔ET的源極接入了Rs，所以即使uGS=0，也有漏源電流ID流過Rs，而柵極經(jīng)RG接地，UG=0V，故在靜態(tài)時負(fù)柵壓UGS=UG-US=0V-IDRS。6vGS柵極電阻RG的作用：(1)為柵偏壓提供通路(2)瀉放柵極積累電荷源極電阻RS的作用：提供負(fù)柵偏壓漏極電阻RD的作用：把iD

的變化變?yōu)閡DS

的變化UGSQ=UGQ

–

USQ

=–IDQRSvGS=-iDR

7（2）分壓式自偏壓電路這種直流偏置電路類同于分壓式射極輸出器的偏置電路。電源電壓VDD經(jīng)RG1、RG2分壓后，經(jīng)RG3提供柵壓：同時ID在Rs上也產(chǎn)生直流壓降Us=IDRs。因而FET的柵—源電壓為：8vGSvGS=-iDR

注意：該電路產(chǎn)生負(fù)的柵源電壓，所以只能用于需要負(fù)柵源電壓的電路。對于自給偏壓式FET放大電路，已知VP

，計(jì)算Q點(diǎn)：VGS、ID、VDS。vGS=VDS=VDD-ID(Rd+R)由方程：-iDR可解出Q點(diǎn)的VGS、ID、VDS

2.Q點(diǎn)的確定（1）估算法9VDS=VDD-ID(Rd+R)可解出Q點(diǎn)的VGS、ID、VDS對于分壓式自偏壓電路FET放大電路，已知VP

，計(jì)算Q點(diǎn)：VGS、ID、VDS。由方程：10調(diào)整電阻RGx的大小，可獲得：UGSQ>0UGSQ=0UGSQ<0RL+VDDRDC2CS+++uoC1+uiRG2RSGSDRG1RG3該電路產(chǎn)生的柵源電壓可正可負(fù)，所以適用于所有的場效應(yīng)管電路。11例1

耗盡型

N

溝道

MOS

管，RG=

1

M，

RS

=2

k，RD=12

k

，VDD=

20

V。

IDSS=

4

mA，UGS(off)

=

–4

V，求iD

和uO

。iG

=0

uGS

=iDRSRDGDSRGRSiD+uO–+VDD–12iD1=4mAiD2=1mAuGS

=–8V<UGS(off)增根

uGS

=–2V

uDS

=VDD–

iD(RS+RD)=20V–1mA*14k=6(V)

uO

=VDD–

iD

RD=20V–

1mA*12k

=8(V)在放大區(qū)UGS(off)=–4VRDGDSRGRSiD+uO–+VDD–13解方程得：IDQ1=0.69mA，UGSQ=–

2.5V

(增根，舍去)

IDQ2=0.45mA

，

UGSQ=–

0.4V

RLRDC2CS+++uoC1+uiRG2GSDRG1RG310k10k200k64k1M2k5k+24V例2

已知UGS(off)=0.8V，IDSS=0.18mA，求“Q”。14【例】試計(jì)算下圖的靜態(tài)工作點(diǎn)。已知R1=50kΩ，R2=150kΩ，RG=1MΩ，RD=RS=10kΩ，RL=1MΩ，CS=100μF，UDD=20V，場效應(yīng)管為3DJF，其Up=－5V，IDSS=1mA。15解：即將UGS代入ID式得：漏極對地電壓為：UD=UDD–IDRD=20–0.61×10=13.9V16（2）圖解法--以自給偏壓電路為例：由漏極回路寫出方程：在輸出特性曲線上做出直流負(fù)載線MN。1）在輸出特性上作直流負(fù)載線vGS172）在iD

~uGS坐標(biāo)系中作負(fù)載轉(zhuǎn)移特性由直流負(fù)載線MN與各支輸出特性曲線之交點(diǎn)a、b、c、d和e相應(yīng)的iD、uGS值，在iD

~uGS

坐標(biāo)平面上分別得到a、b、c、d

和e

各點(diǎn)，連接這些點(diǎn)，就可得到負(fù)載轉(zhuǎn)移特性iD=f（uGS），這是求出Q點(diǎn)所要用的曲線①。′′′′′183）仍在iD~uGS坐標(biāo)系中作源極負(fù)載線這是一個在iD~uGS坐標(biāo)系上過原點(diǎn)的直線方程。自給偏壓放大電路，iD、uGS還需滿足式：作出該直線段OL：iD=-uGS/Rs由于該直線段的斜率為-1/Rs，所以稱之為源極負(fù)載線（見圖中曲線②）。194）確定Q點(diǎn)5）截出Q點(diǎn)的電壓、電流值

源極負(fù)載線OL與負(fù)載轉(zhuǎn)移特性曲線之交點(diǎn)，即曲線②與曲線①之交點(diǎn)，就是靜態(tài)工作點(diǎn)Q。UGS，ID，UDS20

【例1】電路如圖所示,場效應(yīng)管為3DJG,其輸出特性曲線如圖4-18所示。已知RD=2kΩ,RS=1.2kΩ,UDD=15V,試用圖解法確定該放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)。21解：寫出輸出回路的電壓電流方程,即直流負(fù)載線方程設(shè)22在輸出特性圖上將上述兩點(diǎn)相連得直流負(fù)載線。23

在轉(zhuǎn)移特性曲線上,作出UGS=-IDRS的曲線。令連接該兩點(diǎn),在uGS~iD坐標(biāo)系中得一直線,此線與轉(zhuǎn)移特性曲線的交點(diǎn),即為Q點(diǎn),

對應(yīng)Q點(diǎn)的值為:由上式可看出它在uGS~iD坐標(biāo)系中是一條直線,找出兩點(diǎn)即可。244.5.2場效應(yīng)管的微變等效電路求微分式：定義：與BJT的H參數(shù)模型的建立過程相類同，將FET看作是一個雙口網(wǎng)絡(luò)，如圖所示。因FET的柵極電流

iG=0，故僅存關(guān)系為iD與uGS、uDS成函數(shù)關(guān)系，即：GSDuGSiDuDS25如果用id、ugs、uds分別表示iD、uGS、uDS的變化部分,則上式可寫為：低頻跨導(dǎo)漏極輸出電阻在低頻小信號條件下，F(xiàn)ET在Q點(diǎn)附近小范圍內(nèi)，可以直代曲，即可認(rèn)為此時特性曲線線性，gm及rds為常數(shù)。26很大，可忽略。

場效應(yīng)管的微變等效電路為：GSDuGSiDuDSSGDugsgmugsudsSGDrDSugsgmugsuds其中：gmvgs是壓控電流源，它體現(xiàn)了輸入電壓對輸出電流的控制作用。

gm稱為低頻跨導(dǎo)。

rds為漏極動態(tài)電阻，類似于雙極型晶體管的rce，其值大概為幾百K歐姆。因FET的柵極電流iG=0，輸入電阻，理論值為無窮大。27與雙極型晶體管一樣，場效應(yīng)管也是一種非線性器件，而在交流小信號情況下，也可以由它的線性等效電路—交流小信號模型來代替。

284.5.3共源組態(tài)基本放大電路

對于采用場效應(yīng)三極管的共源基本放大電路，可以與共射組態(tài)接法的基本放大電路相對應(yīng)，只不過場效應(yīng)三極管是電壓控制電流源，即VCCS。共源組態(tài)的基本放大電路如圖03.28所示。(a)采用結(jié)型場效應(yīng)管(b)采用絕緣柵場效應(yīng)管圖03.28共源組態(tài)接法基本放大電路

比較共源和共射放大電路，它們只是在偏置電路和受控源的類型上有所不同。只要將微變等效電路畫出，就是一個解電路的問題了。29(1)直流分析

將結(jié)型場效應(yīng)管共源基本放大電路的直流通路畫出,如圖所示。結(jié)型場效應(yīng)管共源基本放大電路的直流通路

圖中Rg1、Rg2是柵極偏置電阻，Rs是源極電阻，Rd是漏極負(fù)載電阻。與共射基本放大電路的Rb1、Rb2，Re和Rc分別一一對應(yīng)。而且只要結(jié)型場效應(yīng)管柵源間PN結(jié)是反偏工作，無柵流，那么JFET和MOSFET的直流通路和交流通路是一樣的。根據(jù)圖可寫出下列方程于是可以解出VGSQ、IDQ和VDSQ。30微變等效電路(2)交流分析微變等效電路如圖所示。

與雙極型三極管相比，輸入電阻無窮大，相當(dāng)于開路。VCCS電流源還并聯(lián)了一個輸出電阻rds，在雙極型三極管的簡化模型中，因輸出電阻很大視為開路，在此可暫時保留。其它部分與雙極型三極管放大電路情況一樣。31①電壓放大倍數(shù)

如果有信號源內(nèi)阻RS時

=－gmR'LRi/(Ri+RS)

式中Ri是放大電路的輸入電阻。②輸入電阻

32③輸出電阻

為計(jì)算放大電路的輸出電阻，可按加壓求流計(jì)算原則將微變等效電路畫成下圖的形式。計(jì)算Ro的電路模型

將負(fù)載電阻RL開路，并想象在輸出端加一個電源

,將輸入電壓信號源短路，但保留內(nèi)阻。然后計(jì)算

，于是

33結(jié)型場效應(yīng)管共源基本放大電路交流參數(shù)：①電壓放大倍數(shù)③輸出電阻②輸入電阻

Ri=Rg1//Rg2

或

Ri=Rg+(Rg1//Rg2)344.5.4共漏組態(tài)基本放大電路共漏組態(tài)基本放大電路如圖所示圖03.32共漏組態(tài)放大電路03.33直流通道其直流工作狀態(tài)和動態(tài)分析如下：(1)直流分析——與共源基本放大電路相同根據(jù)直流通路，可寫出下列方程于是可以解出VGSQ、IDQ和VDSQ35(2)交流分析共漏放大電路的微變等效電路①電壓放大倍數(shù)共漏放大電路比較共源和共漏組態(tài)放大電路的電壓放大倍數(shù)公式，分子都是gmR'L，分母對共源放大電路是1，對共漏放大電路是(1+

gmR'L)。36共漏放大電路的微變等效電路②輸入電阻共漏放大電路37

③輸出電阻

計(jì)算輸出電阻的原則與其它組態(tài)相同，將微變等效電路改畫：求輸出電阻的微變等效電路共漏放大電路微變等效電路38共漏放大電路交流參數(shù)歸納如下：①電壓放大倍數(shù)③輸出電阻②輸入電阻Ri=Rg+(Rg1//Rg2)共漏放大電路共漏放大電路微變等效電路394.5.5共柵組態(tài)基本放大電路

共柵組態(tài)放大電路、微變等效電路如圖所示。共柵組態(tài)放大電路微變等效電路(1)直流分析

與共源組態(tài)放大電路相同。40(1)直流分析

將結(jié)型場效應(yīng)管共柵組態(tài)基本放大電路的直流通路畫出,如圖所示。結(jié)型場效應(yīng)管共柵基本放大電路直流通路

圖中Rg1、Rg2是柵極偏置電阻，Rs是源極電阻，Rd是漏極負(fù)載電阻。與共射基本放大電路的Rb1、Rb2，Re和Rc分別一一對應(yīng)。而且只要結(jié)型場效應(yīng)管柵源間PN結(jié)是反偏工作，無柵流，那么JFET和MOSFET的直流通路和交流通路是一樣的。根據(jù)圖可寫出下列方程于是可以解出VGSQ、IDQ和VDSQ。41共柵組態(tài)放大電路

微變等效電路(2)交流分析①電壓放大倍數(shù)②輸入電阻③輸出電阻

Ro≈Rd42共柵組態(tài)基本放大電路交流參數(shù)歸納如下①電壓放大倍數(shù).②輸入電阻③輸出電阻

Ro≈Rd434.5.6三種基本放大電路的性能比較組態(tài)對應(yīng)關(guān)系：CEBJTFETCSCCCDCBCGBJTFET電壓增益：CE：CC：CB：CS：CD：CG：44輸出電阻：BJTFET輸入電阻：CE：CC：CB：CS：CD：CG：CE：CC：CB：CS：CD：CG：45場效應(yīng)管放大電路小結(jié)(1)場效應(yīng)管放大器輸入電阻很大。(2)場效應(yīng)管共源極放大器(漏極輸出)，輸入輸出反相，電壓放大倍數(shù)大于1；輸出電阻=RD。(3)場效應(yīng)管共漏極放大器（源極跟隨器），輸入輸出同相，電壓放大倍數(shù)小于1且約等于1；輸出電阻小。(4)場效應(yīng)管共柵極放大器(漏極輸出)，同共源極放大器相同，只不過其輸入輸出同。46例1：場效應(yīng)管的共源極放大電路UDD=20VuoRSuiCSC2C1R1RDRGR2RL150k50k1M10k10kGDS10k47uoUDD=20VRSuiCSC2C1R1RDRGR2RL150k50k1M10k10kGDS10k動態(tài)分析sgR2R1RGRL'dRLRD微變等效電路48sgR2R1RGRL'dRLRDro=RD=10k49例2：源極輸出器uo+UDDRSuiC1R1RGR2RL150k50k1M10kDSC2G一、靜態(tài)分析(近似)USUGUDS=UDD-US

=20-5=15V50uo+UDDRSuiC1R1RGR2RL150k50k1M10kDSC2Griro

rogR2R1RGsdRLRS微變等效電路二、動態(tài)分析51riro

rogR2R1RGsdRLRS微變等效電路輸入電阻ri52輸出電阻ro加壓求流法gd微變等效電路ro

roR2R1RGsRS53例3:一個場效應(yīng)管的輸出特性如圖所示，試分析:(1)它是屬于何種類型的場效應(yīng)管；(2)它的開啟電壓VT

(或夾斷電壓VP)大約是多少？(3)它的飽和漏極電流DSS是多少?4812162680Id(mA)1vVgs=0v-1v-2v4454

解：由場效應(yīng)管輸出特性可看出，

(1)VGS在正負(fù)電壓一定范圍內(nèi)變化時，有D輸出，所以為耗盡型MOS場效應(yīng)管。

(2)關(guān)斷電壓為負(fù)值，所以為N溝道耗盡型MOS場效應(yīng)管。

(3)VGS=-3V時，D=0,所以VP=-3V。

(4)DSS≈6mA。4812162680Id(mA)1vVgs=0v-1v-2v4455討論：根據(jù)特性曲線中，VGS=0時，ID不等于0，而且，VGS可正可負(fù)，可以判斷這個管子時耗盡型絕緣柵場效