三色龙王捕鱼技巧

書名：電子技術基礎.模電部分
作者名：楊碧石戴春風陸冬明
本章字數： 3823字
更新時間： 2019-04-17 11:51:30

3.3　場效應管放大電路

場效應管和雙極型三極管兩者作為放大器件，有著許多共同之處。同時，它們又各有特點。兩種器件最主要的共同點是它們都具有放大作用，當輸入回路中的電流或電壓有一個微小的變化時，能夠引起輸出回路中的電流產生比較大的變化，即通過能量的控制實現放大作用，因此它們都能充當放大電路中的核心器件。其次，場效應管和雙極型三極管都有3個電極，而且兩種放大器件的電極之間有著明確的對應關系，即場效應管的柵極G、源極S和漏極D分別一一對應于雙極型三極管的基極B、發射極E和集電極C。最后，場效應管和雙極型三極管都是非線性元件，對于這兩種器件組成的放大電路，通常都可以利用圖解法或微變等效電路法進行分析和定量計算。

與雙極型三極管相似，場效應管也可接成3種基本放大電路，它們是共源極、共漏極和共柵極放大電路，分別與雙極型三極管的共發射極、共集電極和共基極放大電路相對應。為了使場效應管能線性地放大信號，管子應工作于放大區，為此，必須采用適當的偏置方法。下面對場效應管的偏置方法、場效應管放大電路的靜態和場效應管3種基本放大電路分別進行討論。

3.3.1　場效應管的偏置及其電路的靜態分析

自給偏壓和分壓式偏置是場效應管在放大電路中應用時兩種常用的偏置方法。

1.自給偏壓

場效應管自給偏壓電路如圖3.7（a）所示，它只適用于結型場效應管或耗盡型MOS管組成的電路。

圖3.7　場效應管的直流偏置

由于這兩種管子均為耗盡型場效應管，即使是UGS=0，也有漏極電流ID流過管子，所以在該電路中，場效應管的源極接入一只源極電阻RS后，IDQ流過它時將產生一個大小等于IDQRS的電壓降。由于電路中IGQ≈0，RG上沒有電流，也沒有電壓降，因此，柵極的直流電位與“地”的電位相等，UGSQ=-IDQRS。這樣一來，電路自行產生了一個負的偏置電壓UGSQ，剛好能滿足電路中N溝道耗盡型場效應管工作于放大區時對UGS的要求。

由于增強型MOS場效應管在UGS=0時，ID=0，只有當柵極與源極之間電壓達到開啟電壓UGS（th）時，才有漏極電流，而漏極電流在RS上產生的電壓極性又剛好與管子的UGS（th）極性（即“正”、“負”）相反，故圖3.7（a）所示的偏置方式不適用于增強型場效應管（FET）組成的放大電路。

2.分壓式偏置

分壓式偏置電路如圖3.7（b）所示。這種偏置方式既適用于增強型場效應管（FET），也適用于耗盡型場效應管。以N溝道場效應管為例，這種偏置電路由于有RGl和RG2的分壓，提高了柵極電位，使UGQ>0，這樣既有可能使IDQRS>UGQ，滿足N溝道結型場效應管對UGSQ的要求（UGSQ<0）；也有可能使IDQRS<UGQ，滿足N溝道增強型場效應管對UGSQ>UGS（th）>0的要求。由于耗盡型MOS管的UGSQ可“正”可“負”，這種偏置電路總是適用的。

場效應管放大電路的靜態分析方法也有圖解法和估算法兩種。圖解法作圖過程較為煩瑣，很少使用。下面以圖3.7（a）所示電路為例，討論估算法如何求解自給偏壓電路中場效應管（FET）的靜態工作點。當場效應管工作于放大區時，耗盡型場效應管的ID、UGS和UDSQ可通過下面的關系式來計算，其中耗盡型場效應管的ID與UGS滿足式（3.4）。

　　（3.8）

　　（3.9）

　　（3.10）

提示

當用上面的公式計算求得的Q點值滿足UDSQ>UGSQ-UGS（off）時，場效應管工作于放大區，式（3.8）適用，所求的Q點值為電路的靜態工作點值；否則表明電路中的場效應管沒有工作在放大區，所求的Q點值沒有意義。

【例3.1】　結型場效應管構成的放大電路如圖3.7（a）所示。其中RD=3kΩ、RS=1kΩ、RG=1MΩ、VDD=30V、場效應管的IDSS=7mA、UGS（off）=-8V。試求UGSQ、IDQ和UDSQ。

解：根據式（3.8）和式（3.9）聯解可求得：IDQ=2.9mA、UGSQ=-2.9V。

再由式（3.10）可求得：UDSQ=18.4V。

3.3.2　場效應管的微變等效電路

由于場效應管輸入電阻極高，輸入電流幾乎為零，它是通過改變柵極和源極之間的電壓來控制漏極電流iD的，所以它與雙極型晶體管不一樣，其伏安特性只用一簇轉移特性（或輸出特性）曲線即可表示其輸入電壓uGS與輸出電流iD之間的關系，因此其微變等效電路也一定比雙極型三極管簡單。由場效應管的伏安特性可知：

　　（3.11）

取其全微分，得

　　（3.12）

其中就是跨導gm，而為場效應管的共源極輸出導納（輸出電阻的倒數即1/rds），所以

　　（3.13）

或者

　　（3.14）

由式（3.14）即可畫出場效應管的微變等效電路，如圖3.8所示。

圖3.8　場效應管的微變等效電路

在圖3.8中，柵極與源極之間雖然有一個電壓ugs，但是沒有柵極電流，因此，柵極是懸空的。D、S極之間的電流源gmugs也是一個受控源，體現了柵源電壓對漏極電流的控制作用。等效電路中有兩個電路參數：場效應管的電阻rds，也就是漏極與源極之間的動態電阻，這與雙極型三極管的共射極輸出電阻rce相對應。rds的大小等于場效應管輸出特性曲線在工作點處斜率的倒數，通常為幾十千歐到幾百千歐。在放大電路中，rds的數值往往遠大于等效的負載電阻，常可將其視作開路。此時可以使用如圖3.8（b）所示的場效應管簡化微變等效電路來分析電路。跨導gm用來描述場效應管的放大作用，其單位是毫西門子（mS）。

3.3.3　共源極放大電路

場效應管也是組成模擬電子電路常用的、重要的放大元件。我們已經知道場效應管分為兩大類：結型場效應管和絕緣柵場效應管。從實用的要求出發，本節主要介紹N溝道增強型MOS場效應管組成的放大電路。

1.電路的組成

圖3.9所示的是分壓-自偏壓式共源極放大電路。輸入電壓ui加在場效應管的柵極與源極之間，輸出電壓uo從漏極與源極之間得到。可見輸入、輸出回路的公共端為場效應管的源極，因此稱為共源極放大電路。靜態時，柵極電壓由VDD經過電阻R1、R2分壓后獲得，靜態漏極電流IDQ流過電阻RS產生一個自偏壓USQ=IDQRS，則場效應管的靜態偏置電壓UGSQ由分壓和自偏壓的結果共同決定，即UGSQ=UGQ-USQ，因此該電路稱為分壓-自偏壓式共源極放大電路。顯然，與雙極型三極管分壓式偏置電路中的發射極電阻RE類似，引入的源極電阻RS也有利于穩定靜態工作點。同樣為了避免因接入RS而引起電壓放大倍數下降，在RS的兩端并聯上一個旁路電容。這個旁路電容CS的容量必須足夠大，確保交流時短路。接入柵極電阻RG的作用是提高放大電路的輸入電阻。

圖3.9　分壓-自偏壓式共源極放大電路

2.靜態分析

對分壓-自偏壓式共源極放大電路可以采用近似估算法進行分析。N溝道增強型MOS場效應管的漏極電流iD可用式（3.2）來計算。則靜態工作點處的漏極電流近似為

　　（3.15）

根據圖3.9所示的輸入回路可知：

　　（3.16）

解式（3.15）、式（3.16）組成的聯立方程，便可求出靜態柵源電壓UGSQ和漏極電流IDQ。再根據圖3.9所示的輸出回路可求得：

　　（3.17）

3.動態分析

當圖3.9所示分壓-自偏壓式共源極放大電路中的隔直電容C1、C2和旁路電容CS足夠大時，可畫出相應的微變等效電路，如圖3.10所示。

圖3.10　分壓-自偏壓式共源極放大電路微變等效電路

由圖3.10可知：Ui=Ugs，，其中。

所以，電壓放大倍數為：　　（3.18）

輸入電阻為：　　（3.19）

輸出電阻為：Ro=RD　　（3.20）

【例3.2】　已知圖3.9所示分壓-自偏壓式共源放大電路中，VDD=20V，RD=10kΩ，RS=10kΩ，RG=1MΩ，R1=200kΩ，R2=51kΩ，RL=10kΩ。所使用的N溝道增強型MOS場效應管的參數為IDO=0.9mA，gm=1.5mS，=4V。試估算：（1）放大電路的靜態工作點；（2）電壓放大倍數、輸入電阻和輸出電阻。