3.2 场效应晶体管放大电路_模拟电子技术-QQ阅读历史男生网

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3.2 场效应晶体管放大电路

3.2.1 场效应晶体管的特点

与晶体管相比，场效应晶体管有如下特点。

1）场效应晶体管是一种电压控制型器件，而双极型晶体管是一种电流控制型器件。在场效应晶体管的放大区，漏极电流i_D的大小受栅源电压u_GS的控制；而在晶体管的放大区，集电极电流i_C的大小受基极电流i_B的控制。

2）场效应晶体管的栅极几乎不取电流，所以其输入电阻很大。通常结型场效应晶体管的输入电阻在10⁷Ω以上，MOS场效应晶体管的输入电阻则为10⁸~10¹⁰Ω，高的可达10¹⁵Ω。而双极型晶体管的基极与发射极之间处于正向偏置，因此输入电阻较小，一般为几千欧的数量级。

3）由于场效应晶体管靠多数载流子导电，是一种单极型器件，所以具有噪声小、温度稳定性好的特点。而双极型晶体管靠两种载流子导电，是一种双极型器件，易受环境温度的影响。

4）场效应晶体管的制造工艺简单，易于大规模集成。特别是MOS场效应晶体管的集成度更高。

5）由于场效应晶体管的跨导较小，所以在组成放大电路时，在相同的负载下其电压放大倍数一般比晶体管的要低。

3.2.2 场效应晶体管放大电路的三种组态电路

场效应晶体管和晶体管一样，具有放大作用，场效应晶体管的三个电极栅极、漏极和源极对应着晶体管的基极、集电极和发射极。因此场效应晶体管组成放大电路时也有三种组态，即共源放大电路、共漏放大电路和共栅放大电路。以N沟道增强型FET为例，三种组态的交流通路如图3-11所示。由于共栅电路很少使用，本节只介绍共源和共漏两种放大电路。

图3-11 场效应晶体管放大电路的三种组态

a）共源放大电路 b）共漏放大电路 c）共栅放大电路

3.2.3 场效应晶体管放大电路的直流偏置电路及静态分析

与晶体管放大电路一样，为使场效应晶体管放大电路正常工作，必须给放大电路一定的偏置，建立合适的静态工作点。通常有两种偏置形式，现以N沟道耗尽型FET为例进行介绍。

1.自给偏压电路

自给偏压电路如图3-12所示。

由图可见，由于栅极电流为零，电阻R_g上压降也为零，即U_g=0。因为耗尽型场效应晶体管（包括耗尽型MOSFET和JFET）在U_GS=0时，导电沟道存在，静态漏极电流I_DQ流过源极电阻R_s，使源极电位U_SQ=I_DQR_s，结果在栅-源之间形成一个负偏置电压，即

图3-12 自给偏压电路

由于这个偏置电压是场效应晶体管本身的电流I_DQ产生的，故称为自给偏压。

根据场效应晶体管的电流方程可得

联立式（3-9）和式（3-10），可求得U_GSQ和I_DQ。

再由图3-12所示电路，列出输出回路方程，可求得U_DSQ为

2.分压式自偏压电路

图3-13所示电路为N沟道耗尽型MOSFET构成的共源放大电路，图中漏极电源U_DD经分压电阻R_g1、R_g2分压后，通过电阻R_g供给栅极电压U_G，同时漏极电流在源极电阻R_s上产生压降U_S，因此该电路称为分压式自偏压电路。这种偏置方式适用于各种场效应晶体管。

图3-13 分压式自偏压电路

由图可知，静态时，由于栅极电流为0。所以电阻R_g上的电流为0。由此可得栅极电位为

由上面的分析可知源极电位为

U _SQ=I_DQR_s

则栅源电压

改变R_g1、R_g2、R_s就能改变电路的偏压U_GSQ，也就是改变静态工作点。

对于耗尽型场效应晶体管，求解静态工作点可根据式（3-13）、场效应晶体管的电流方程式（3-5）和输出回路方程

联立求得。若图3-13所示电路中的场效应晶体管改为N沟道增强型MOSFET，求解静态工作点应根据式（3-13）、式（3-14）以及以下增强型场效应晶体管电流方程联立求得。

3.2.4 场效应晶体管放大电路的动态分析

1.场效应晶体管的小信号模型

如果输入信号很小，场效应晶体管工作在线性放大区（即输出特性中的恒流区）时，与晶体管一样，可用小信号模型法进行动态分析。

将场效应晶体管看成一个二端口网络，栅极与源极之间视为输入端口，漏极与源极之间视为输出端口。以N沟道耗尽型MOS管为例，可认为栅极电流为零，栅-源之间只有电压存在。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）

对上式求i_D的全微分可得

式中，

从场效应晶体管的特性曲线可知，当小信号作用时，管子的电压、电流在Q点附近变化，因此可认为在Q点附近的特性是线性的，则g_m和r_ds近似为常数。用正弦相量、、取代变化量di_D、du_GS、du_DS，式（3-16）可写成

由此可构造出场效应晶体管的小信号模型如图3-14所示。图中栅-源之间只有一个栅源电压，没有栅极电流；漏-源之间是一个受电压控制的电流源和电阻r_ds相并联。

图3-14 场效应晶体管的小信号模型

a）N沟道耗尽型MOSFET b）小信号模型

小信号模型中的参数g_m和r_ds可以从场效应晶体管的转移特性曲线和输出特性曲线求出，如图3-15所示。

图3-15 从特性曲线求g_m和r_ds

a）从转移特性求解g_mb）从输出特性求解r_ds

由转移特性可知，g_m是U_DS=U_DSQ那条转移特性曲线上以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是输出电流与输入电压的比值，故称为跨导，其单位为西门子（S）。

从输出特性可知，r_ds是U_GS=U_GSQ那条输出特性曲线上Q点处斜率的倒数，它表示曲线的上翘程度，r_ds越大，曲线越平。通常r_ds在几十千欧到几百千欧之间，若外电路电阻较小时，可将r_ds视为开路，即忽略r_ds中的电流，将输出回路只等效成一个受控电流源。

对耗尽型MOSFET的电流方程在Q点求导可得g_m表达式为

式（3-20）表明g_m与Q点有关，Q点越高，g_m越大。

同理，若对增强型MOSFET的电流方程在Q点求导可得g_m表达式为

2.共源放大电路的动态分析

图3-12和图3-13所示电路均为场效应晶体管共源放大电路，因为这两个电路中输入电压加在栅极和源极之间，输出电压取自漏极和源极，源极是输入信号和输出信号的公共端，故称为共源基本放大电路。

将图3-13的小信号等效电路画于图3-16中，将r_ds视为∞。

由图可知，电压放大倍数为

式中，=R_d//R_L。由式（3-22）可见，共源放大电路与共射放大电路一样具有一定的电压放大能力，且输出电压与输入电压反相。

由图3-16可知，共源放大电路输入电阻为

图3-16 图3-13的小信号等效电路

电阻R_g的作用是提高分压式自偏压电路的输入电阻，通常情况下R_g>>R_g1、R_g2。

共源放大电路的输出电阻为（从放大电路输出端看进去）:

例3-2 在图3-13所示放大电路中，已知场效应晶体管的参数U_GS(off)=-0.8V，I_DSS=0.18mA，静态工作点处的g_m=2mA/V，电路中的其他元件U_DD=24V，R_g1=64kΩ，R_g2=200kΩ，R_g=1MΩ，R_s=12kΩ，R_d=10kΩ，R_L=10kΩ，试计算该电路的静态工作点、电压放大倍数、输入电阻和输出电阻。