2.6 场效应管放大电路-Toy模板网

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一、场效应管放大电路的三种接法

场效应管的源极、栅极和漏极与晶体管的发射极、基极和集电极相对应，因此在组成放大电路时也有三种接法，即共源放大电路、共漏放大电路和共栅放大电路。以 $N$ 沟道结型场效应管为例，三种接法的交流通路如图2.6.1所示。其中共栅放大电路很少使用。 2.6 场效应管放大电路

二、场效应管放大电路静态工作点的设置方法及分析估算

与晶体管一样，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。下面以共源电路为例，说明设置 $Q$ 点的几种方法。

1、基本共源放大电路

图2.6.2所示共源放大电路采用的是 $N$ 沟道增强型MOS管，为使其工作在恒流区，在输入回路加栅极电源 $V_{GG}$ ， $V_{GG}$ 应大于开启电压 $U_{GS(th)}$ ；在输出回路加漏极电源 $V_{DD}$ ，它一方面使漏 - 源电压大于预夹断电压以保证管子工作在恒流区，另一方面作为负载的能源； $R_d$ 与共射放大电路中 $R_c$ 具有完全相同的作用，它将漏极电流 $i_D$ 的变化转换成 $u_{DS}$ 的变化，从而实现电压放大。 2.6 场效应管放大电路令 $\dot U_i=0$ ，由于栅 - 源之间是绝缘的，故栅极电流为0，所以 $U_{GSQ}=V_{GG}$ 。如果已知场效应管的输出特性曲线，那么首先在输出特性中找到 $U_{GS}=V_{GG}$ 的那条曲线（若没有，需测出该曲线），然后作负载线 $u_{DS}=V_{DD}-i_DR_d$ ，如图2.6.3所示，曲线与直线的交点就是 $Q$ 点，读其坐标值即得 $I_{DQ}$ 和 $U_{GSQ}$ 。
也可以利用场效应管的电流方程，求出 $I_{DQ}$ 。因为 $i_D=I_{DO}\left(\frac{u_{GS}}{U_{GS(th)}}-1\right)^2$ 所以 $I_{DQ}$ 和 $U_{GSQ}$ 分别为 $I_{DQ}=I_{DO}\left(\frac{V_{GG}}{U_{GS(th)}}-1\right)^2\kern 30pt(2.6.1)$ $U_{GSQ}=V_{DD}-I_{DQ}R_d\kern 55pt(2.6.2)$ 为使信号源与放大电路“共地”，也为了采用单电源供电，在实用电路中多采用自给偏压电路和分压式偏置电路。

2、自给偏压电路

图2.6.4(a)所示为 $N$ 沟道结型场效应管共源放大电路，也是典型的自给偏压电路。 $N$ 沟道结型场效应管只有在栅 - 源电压 $U_{GS}$ 小于零时才能正常工作。 2.6 场效应管放大电路在静态时，由于场效应管栅极电流为零，因而电阻 $R_g$ 的电流为零，栅极电位 $U_{GQ}$ 也为零；而漏极电流 $I_{DQ}$ 流过源极电阻 $R_s$ 必然产生电压，使源极电位 $U_{SQ}=I_{DQ}R_s$ ，因此，栅 - 源之间静态电压 $U_{GSQ}=U_{GQ}-U_{SQ}=-I_{DQ}R_s\kern 30pt(2.6.3)$ 可见，电路是靠源极电阻上的电压为栅 - 源两极提供一个负偏压的，故称为自给偏压。将式(2.6.3)与场效应管的电流方程联立，即可解出 $I_{DQ}$ 和 $U_{GSQ}$ 。
$I_{DQ}=I_{DSS}\left(1-\frac{U_{GSQ}}{U_{GS(off)}}\right)^2\kern 40pt(2.6.4)$ $U_{DSQ}=V_{DD}-I_{DQ}(R_d+R_s)\kern 40pt(2.6.5)$ 图2.6.4(b)所示电路是自给偏压的一种特例，其 $U_{GSQ}=0$ 。图中采用耗尽型 $N$ 沟道MOS管，因此其栅 - 源之间电压在小于零、等于零和大于零的一定范围内均能正常工作。求解 $Q$ 点时，可现在转移特性上求得 $U_{GS}=0$ 时的 $i_D$ ，即 $I_{DQ}$ ；然后利用式(2.6.2)求出管压降 $U_{DSQ}=V_{DD}-I_{DQ}R_d$ 。

3、分压式偏置电路

图2.6.5所示为 $N$ 沟道增强型MOS管构成的共源放大电路，它靠 $R_{g1}$ 与 $R_{g2}$ 对电源 $V_{DD}$ 分压来设置偏压，故称为分压式偏置电路。 2.6 场效应管放大电路静态时，由于栅极电流为0，所以电阻 $R_{g3}$ 上的电流为0，栅极电位和源极电位分别为 $U_{GQ}=U_A=\frac{R_{g1}}{R_{g1}+R_{g2}}\cdot V_{DD}，U_{SQ}=I_{DQ}R_s$ 因此，栅 - 源电压 $U_{GSQ}=U_{GQ}-U_{SQ}=\frac{R_{g1}}{R_{g1}+R_{g2}}\cdot V_{DD}-I_{DQ}R_s\kern 10pt(2.6.6)$ 与 $I_{DQ}=I_{DO}\displaystyle\left(\frac{u_{GS}}{U_{GS(th)}}-1\right)^2$ 联立可得 $I_{DQ}$ 和 $U_{GSQ}$ ，再利用式(2.6.5)可得管压降 $U_{DSQ}$ 。
电路中的 $\pmb{R_{g3}}$ 可取值到几兆欧，以增大输入电阻。

三、场效应管放大电路的动态分析

1、场效应管的低频小信号等效模型

与分析晶体管的 $h$ 参数等效模型相同，将场效应管也看成一个二端口网络，栅极于源极之间看成输入端口，漏极与源极之间看成输出端口。以 $N$ 沟道增强型MOS管为例，可以认为栅极电流为零，栅 - 源之间只有电压存在。而漏极电流 $i_D$ 是栅 - 源电压 $u_{GS}$ 和漏 - 源电压 $u_{DS}$ 的函数，即 $i_D=f(u_{GS}, u_{DS})$ 研究动态信号作用时用全微分表示 $\textrm di_{D}=\frac{\partial\,i_D}{\partial\,u_{GS}}\Big|_{U_{DS}}\textrm du_{GS}+\frac{\partial\,i_D}{\partial\,u_{DS}}\Big|_{U_{GS}}\textrm du_{DS}\kern 10pt(2.6.7)$ 令式中 $\frac{\partial\,i_D}{\partial\,u_{GS}}\Big|_{U_{DS}}=g_m\kern 117pt(2.6.8)$ $\frac{\partial\,i_D}{\partial\,u_{DS}}\Big|_{U_{GS}}=\frac{1}{r_{ds}}\kern 116pt(2.6.9)$ 当信号幅值较小时，管子的电流、电压只在 $Q$ 点附近变化，因此可以认为在 $Q$ 点附近的特性是线性的， $g_m$ 与 $r_{ds}$ 近似为常数。用交流信号 $\dot I_d$ 、 $\dot U_{gs}$ 和 $\dot U_{ds}$ 取代变化量 $\textrm di_D$ 、 $\textrm du_{GS}$ 和 $\textrm du_{DS}$ ，式(2.6.7)可写成 $\dot I_d=g_m\dot U_{gs}+\frac{1}{r_{ds}}\cdot\dot U_{ds}\kern 99pt(2.6.10)$ 根据此式可构造出场效应管的低频小信号作用下的等效模型，如图2.6.6所示。输入回路栅 - 源之间相当于开路；输出回路与晶体管的 $h$ 参数等效模型相似，是一个电压 $\dot U_{gs}$ 控制的电流源和一个电阻 $r_{ds}$ 并联。 2.6 场效应管放大电路可以从场效应管的转移特性曲线上求出 $g_m$ 和 $r_{ds}$ ，如图2.6.7所示。从转移特性可知， $g_m$ 是 $U_{DS}=U_{DSQ}$ 那条转移特性曲线上 $Q$ 点处的导数，即以 $Q$ 点为切点的切线斜率。在小信号作用时可用切线来等效 $Q$ 点附近的曲线。由于 $g_m$ 是输出回路电流与输入回路电压之比，故称为跨导，其量纲是电导。 2.6 场效应管放大电路从输出特性可知， $r_{ds}$ 是 $U_{GS}=U_{GSQ}$ 这条输出特性曲线上 $Q$ 点处斜率的倒数，与 $r_{ce}$ 一样，它描述曲线上翘的程度， $r_{ds}$ 越大，曲线越平。通常 $r_{ds}$ 在几十千欧到几百千欧之间，如果外电路的电阻较小时，也可忽略 $r_{ds}$ 中的电流，将输出回路只等效成一个受控电流源。
对增强型MOS管的电流方程求导可得出 $g_m$ 的表达式。 $g_m=\frac{\partial\,i_D}{\partial\,u_{GS}}\Big|_{U_{DS}}=\frac{2I_{DO}}{U_{GS(th)}}\left(\frac{u_{GS}}{U_{GS(th)}}-1\right)\Big|_{U_{DS}}=\frac{2}{U_{GS(th)}}\sqrt{I_{DO}i_D}$ 在小信号作用时，可用 $I_{DQ}$ 来近似 $i_{D}$ ，得出 $g_m\approx\frac{2}{U_{GS(th)}}\sqrt{I_{DO}I_{DQ}}\kern 40pt(2.6.11)$ 上式表明， $g_m$ 与 $Q$ 点紧密相关， $Q$ 点愈高， $g_m$ 愈大。因此，场效应管放大电路与晶体管放大电路相同， $Q$ 点不仅影响电路是否会产生失真，而且影响着电路的动态参数。

2、基本共源放大电路的动态分析

图2.6.2所示基本共源放大电路的交流等效电路如图2.6.8所示，图中采用了MOS管的简化模型，即认为 $r_{ds}=\infty$ 。

根据电路可得 $\left\{\begin{matrix}\dot A_u=\displaystyle\frac{\dot U_o}{\dot U_i}=\frac{-\dot I_dR_d}{\dot U_{gs}}=-\frac{g_m\dot U_{gs}R_d}{\dot U_{gs}}=-g_mR_d\kern 10pt(2.6.12a)\\R_i=\infty\kern 165pt(2.6.12b)\\R_o=R_d\kern 163pt(2.6.12c)\end{matrix}\right.$ 与共射放大电路类似，共源放大电路具有一定的电压放大能力，且输出电压与输入电压反相，只是共源电路比共射电路的输入电阻大得多。

【例2.6.1】已知图2.6.2所示电路中， $V_{GG}=6\,\textrm V$ ， $V_{DD}=12\,\textrm V$ ， $R_d=3\,\textrm kΩ$ ；场效应管的开启电压 $U_{GS(th)}=4\,\textrm V$ ， $I_{DO}=10\,\textrm{mA}$ 。试估算电路的 $Q$ 点、 $\dot A_u$ 和 $R_o$ 。
解：（1）估算静态工作点：已知 $U_{GS}=V_{GG}=6\,\textrm V$ ，则 $I_{DQ}=I_{DO}\left(\frac{V_{GG}}{U_{GS(th)}}-1\right)^2=[10\times(\frac{6}{4}-1)^2]\textrm{mA}=2.5\,\textrm{mA}$ $U_{DSQ}=V_{DD}-I_{DQ}R_d=(12-2.5\times3)\textrm V=4.5\,\textrm V$ （2）估算 $\dot A_u$ 和 $R_o$ ： $g_m=\frac{2}{U_{GS(th)}}\sqrt{I_{DO}I_{DQ}}=(\frac{2}{4}\sqrt{10\times2.5})\textrm{mS}=2.5\,\textrm{mS}$ $\dot A_u=-g_mR_d=-2.5\times3=-7.5$ $R_o=R_d=3\,\textrm kΩ$

3、基本共漏放大电路的动态分析

基本共漏放大电路如图2.6.9(a)所示，图(b)是它的交流等效电路。 2.6 场效应管放大电路可以利用输入回路方程和场效应管的电流方程联立 $V_{GG}=U_{GSQ}+I_{DQ}R_s$ $I_{DQ}=I_{DO}\left(\frac{U_{GSQ}}{U_{GS(th)}}-1\right)^2$ 求出漏极静态电流 $I_{DQ}$ 和栅 - 源静态电压 $U_{GSQ}$ ，再根据输出回路方程求出管压降 $U_{DSQ}=V_{DD}-I_{DQ}R_s$ 从图(b)可得动态参数 $\dot A_u=\frac{\dot U_o}{\dot U_i}=\frac{\dot I_dR_s}{\dot U_{gs}+\dot I_dR_s}=\frac{g_m\dot U_{gs}R_s}{\dot U_{gs}+g_m\dot U_{gs}R_s}=\frac{g_mR_d}{1+g_mR_s}\kern 9pt(2.6.13)$ $R_i=\infty\kern211pt(2.6.14)$ 分析输出电阻时，将输入端短路，在输出端加交流电压 $\dot U_o$ ，如图2.6.10所示，然后求出 $I_o$ ，则 $R_o=U_o/I_o$ 。这个输出电阻可以根据电路图得出是 $R_s$ 与其左边电路的等效电阻并联，所以仅需求出左边电路的等效电阻即可 2.6 场效应管放大电路 $R'_o=\frac{\dot U_o}{g_m\dot U_o}=\frac{1}{g_m}$ 所以 $R_o=R_s//\frac{1}{g_m}\kern 60pt(2.6.15)$

【例2.6.2】电路如图2.6.9(a)所示，已知场效应管的开启电压 $U_{GS(th)}=3\,\textrm V$ ， $I_{DO}=8\,\textrm{mA}$ ； $R_s=3\,\textrm kΩ$ ；静态时 $I_{DQ}=2.5\,\textrm{mA}$ ，场效应管工作在恒流区。试估算电路的 $\dot A_u$ 、 $R_i$ 和 $R_o$ 。
解：首先求出 $g_m$ $g_m=\frac{2}{U_{GS(th)}}\sqrt{I_{DO}I_{DQ}}=(\frac{2}{3}\sqrt{8\times2.5})\textrm {mS}\approx2.98\,\textrm{mS}$ 然后可得 $\dot A=\frac{g_mR_s}{1+g_mR_s}\approx\frac{2.98\times3}{1+2.98\times3}\approx0.899$ $R_i=\infty$ $R_o=R_s//\frac{1}{g_m}\approx\frac{3\times1/2.98}{3+1/2.98}\,\textrm kΩ\approx0.302\,\textrm kΩ=302\,Ω$ 场效应管（单极型管）与晶体管（双极型管）相比，最突出的优点是可以组成高输入电阻的放大电路。此外，由于它还有噪声低、温度稳定性好、抗辐射能力强等优于晶体管的特点，而且便于集成化，构成低功耗电路，所以被广泛地应用于各种电子电路中。文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-406085.html