3.3　場效應管放大電路

用場效應管作為放大元件組成的放大電路，稱為場效應管放大電路。場效應管是通過柵源之間的電壓uGS來控制漏極電流iD，因此，和晶體管放大電路一樣，可以實現能量的控制；由于柵源之間的電阻可達107～1012數量級，所以常作為高輸入阻抗放大器的輸入級。同樣，為了實現場效應管能線性地放大信號，和晶體管放大電路一樣也必須創建適當的偏置電路以提供正確的偏置電壓，確保其工作在輸出特性的恒流區。下面對場效應管的偏置方法、場效應管放大電路的靜態特性和場效應管3種基本放大電路的動態特性分別進行討論。

3.3.1　場效應管的直流偏置電路及靜態分析

自給式偏壓和分壓式偏置是場效應管在放大電路中應用時常用的兩種偏置方法。

1.自給式偏壓電路

自給式偏壓的場效應管放大電路如圖3.12所示。需要說明的是，這種偏置方法只適用于由結型場效應管和耗盡型的MOS管組成的電路。因為這兩種場效應管都屬耗盡型的場效應管，即使柵源之間的電壓uGS=0，只要有漏源之間的電壓uDS，場效應管就會有電流iD從漏極流過，因此，在該電路中并沒有直接用直流電源給柵源之間加電壓，而是通過在場效應管的源極接入一源極電阻RS后，漏極電流IDQ通過它產生一個大小等于IDQRS的電壓降，由圖易知，UGSQ=-IDQRS<0。因此，在電路中產生了一個負的柵源偏置電壓UGSQ，此時的UGSQ即為電路的自給偏壓，正好滿足電路中N溝道耗盡型場效應管工作于放大區時對uGS的要求。

那么為什么這種偏置方法不適用于增強型的MOS管呢？因為增強型的MOS管在uGS=0時，漏極電流iD=0，只有當柵極與源極之間的電壓達到開啟電壓UGS（th）時，才有漏極電流，簡單地說就是，對于增強型的MOS管來說產生漏極電流的前提是“開啟”導電溝道，而這個導電溝道的開啟是需要在柵源之間加電壓。

電路中各元件的作用如下：

①RS為源極電阻，靜態工作點受它控制。

②RD為漏極電阻，能放大電路具有電壓放大作用。

③RG為柵極電阻，用以構成柵源極間的直流通路，它不能太小，否則會影響放大電路的輸入電阻。

④CS為源極電阻上的交流旁路電容。

⑤C1和C2分別為輸入端和輸出端的耦合電容。

場效應管放大電路的靜態工作點的分析方法也有圖解法和估算法兩種。圖解法的作圖過程較為麻煩，很少使用。下面以圖3.12所示電路為例，估算自給偏壓電路的靜態工作點。

當場效應管工作于恒流區時，耗盡型場效應管滿足下面的關系：

式中，IDSS為的柵源之間處于零偏（即uGS=0）時的漏極電流，稱為漏極飽和電流。

由圖3.13可見：

UGSQ=-IDQRS　　（3.3.2）

UDSQ=VDD-IDQ（RS+RD）　　（3.3.3）

根據式（3.3.1）～式（3.3.3）就可確定自偏壓電路的靜態工作點（IDQ、UGSQ和UDSQ）。注意，在得出Q點值后，還必須要判斷其是否滿足UDSQ> UGSQ-UGS（off），若滿足則說明場效應管工作于恒流區，否則表明電路中的場效應管沒有工作在恒流區，因此所求得的Q點值沒有任何實際意義。

【例3.2】　已知電路如圖3.12所示。其中VDD=30V，RD=3kΩ，RS=1kΩ，RG=1MΩ，漏極飽和電流IDSS=7 mA，UGS（off）=-8 V。試求IDQ、UGSQ和UDSQ。

解：由式（3.3.1）、式（3.3.2）可得

UGSQ=-IDQRS=-IDQ×1kΩ

聯立以上兩式求得

IDQ=2.9mV

UGSQ=-2.9V

由式式（3.3.3）可得

UDSQ=VDD-IDQ（RS+RD）=30V-2.9mV×（1kΩ+3kΩ）=18.4V

2.分壓式偏置電路

分壓式偏置電路也是一種常用的偏置電路，其柵源之間的電壓除與RS有關外，還隨RG1和RG2的分壓比而改變。所以，這種偏置電路適用于所有類型的場效應管，如圖3.13所示，這種偏置電路由于有RG1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柵源之間電壓的要求（UGQ<0）；也有可能使IDQRS<UGQ，滿足N溝道增強型的MOS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。為了不使分壓電阻RG1、RG2對放大電路的輸入電阻影響太大，故通過電阻RG3與柵極相連。

因為場效應管柵源之間的電阻極高，根本沒有柵極電流流過電阻RG3。所以，柵極電位為電源電壓在RG1、RG2上的分壓，由圖3.13可得柵源之間的電壓UGSQ為

根據式（3.3.4）、式（3.3.5）就可以確定分壓式偏置電路的靜態工作點。由式（3.3.4）可見，UGSQ可正可負，所以這種偏置電路也適用于增強型場效應管。

3.3.2　場效應管放大電路的微變等效電路分析法

場效應管的3個電極源極、柵極和漏極與晶體管的3個電極發射極、基極和集電極相對應，因此，根據信號的輸入、輸出方式，場效應管放大電路也有3種接法，即共源極放大電路、共柵極放大電路和共漏極放大電路。下面主要以共源極放大電路為例進行分析。

1.場效應管的微變等效電路

與雙極型晶體管一樣，場效應管也是一種非線性器件，其輸入電阻極高，輸入電流幾乎為零，它是通過改變柵源之間的電壓來控制漏極電流id的。在低頻小信號情況下，也可以由它的線性等效電路——微變等效電路來代替：由于在輸入端柵極電流幾乎為零，故可看成一個阻值極高的RGS，通常視為開路；輸出端的漏極電流id主要受柵源之間的電壓的控制，當有輸入信號時。所以，輸出回路可等效為一個受電壓控制的電流源和輸出電阻RDS并聯，一般負載電阻比RDS小很多，故可認為RDS開路。因此，場效應管的微變等效電路如圖3.14所示。

2.應用微變等效電路法分析場效應管放大電路

典型的共源極放大電路如圖3.12所示，圖3.15為其微變等效電路。分析步驟和晶體管放大電路相同。

（1）電壓放大倍數

由圖3.15可得圖3.12所示電路的電壓放大倍數為

（2）輸入電阻Ri

從輸入端看進去，電路的輸入電阻為

（3）輸出電阻Ro

若，即，則受控電流源，相當于開路，所以可求得放大電路的輸出電阻為

Ro=RD　　（3.3.8）

【例3.3】　如圖3.13所示放大電路，已知場效應管的參數為IDSS=1 mA，UGS（off）=-5V，gm=0.312mS，圖中RG1=150kΩ，RG2=50kΩ，RG3=1MΩ，RS=10kΩ，RD=10kΩ，RL=10kΩ，VDD=20V。試求放大電路的靜態工作點，電壓放大倍數Au、輸入電阻Ri和輸出電阻Ro。

解：①靜態分析。由式（3.3.4）和式（3.3.5）可得

聯立求解方程的解為

第1組解因為UGS<UGS（off），場效應管已截止，應舍去。所以靜態工作點為：

UGS=-1.1V

ID=0.61mA

UDS=UDD-ID（RD+RS）=20-0.61×（10+10）=7.8V

②動態性能分析。由式（3.3.6）～式（3.3.8）可得

Ro≈RD=10kΩ

從本例可見，場效應管共源極放大電路與晶體管共發射極放大電路的性能類似：有電壓放大能力，并且輸出電壓與輸入電壓的相位相反，輸入電阻較高。但共源極放大電路的電壓放大能力通常低于共射極放大電路，而共源極放大電路的輸入電阻高于共射極放大電路的輸入電阻。

3.3.3　三種基本放大電路的性能比較

前面分析了共源極放大電路的，和晶體管共集電極電路和共基極電路一樣，場效應管放大電路也有共漏極電路和共柵極電路。為便于讀者學習，現將場效應管的3種基本放大電路的性能列于表3.2中，以資比較。

應當指出，在場效應管放大電路中的場效應管都工作于輸出特性的線性放大區。如果使其工作于可變電阻區，那么場效應管可用作壓控可變電阻。

電路仿真測試：

打開Multisim，建立如圖3.16所示仿真電路，測量電路的靜態工作點、電壓放大倍數、輸入電阻、輸出電阻，比較場效應管放大電路與晶體管放大電路，總結場效應管放大電路的特點。