MOS场效应管放大电路解读

§5.3场效应管放大电路•场效应管的源极、栅极和漏极分别对应于晶体管的射极、基极和集电极。与晶体管的共射、共基和共集三种组态相对应，场效应管也有共源、共栅和共漏三种组态。§5.3场效应管放大电路•一、场效应管的偏置电路•二、场效应管静态工作点的确定•三、场效应管的动态分析•四、场效应管三种组态放大性能的比较•五、应用举例一、场效应管的偏置电路•与晶体管放大器类似，静态工作点的设置对放大器的性能至关重要。在场效应管放大器中，由于结型场效应管与耗尽型MOS场效应管的uGS=0时，iD0，故可以采用自偏压方式，如图所示：一、场效应管的偏置电路•在静态时，场效应管栅极电流为零，因此栅极电压为零；而漏极电流不为零，必然在源极电阻上产生压降，使栅源电压为负，获得合适的工作点。SDQSQSQGQGSQSDQSQRIUUUURIU0一、场效应管的偏置电路•对于增强型MOSFET，由于uGS=0时，iD=0，故一定要采用分压式偏置或混合式偏置方式，如图所示：一、场效应管的偏置电路SDQDDgggSQGQGSQSDQSQDDgggAGQRIVRRRUUURIUVRRRUU211211二、场效应管静态工作点的确定•1、图解法在场效应管的转移特性曲线上做出栅源回路直流负载线的方程，其交点即为工作点。混压偏压方式自偏压方式SDQDDgggGSQSDQGSQRIVRRRURIU211二、场效应管静态工作点的确定•对于（a)图，Q1为JFET的工作点，Q2为耗尽型MOSFET的工作点；•对于（b)图，Q1为JFET的工作点，Q2为耗尽型MOSFET的工作点，Q3增强型MOSFET的工作点。二、场效应管静态工作点的确定•2、解析法•⑴耗尽型场效应管的电流方程为：•把它在静态时的表达式与栅源间静态电压的表达式联立即可求出IDQ和UDSQ：2)()1(offGSGSDSSDUuIiSDQGSQoffGSGSQDSSDQRIUUUII21)()(二、场效应管静态工作点的确定•⑵增强型场效应管的电流方程为：•把它在静态时的表达式与栅源间静态电压的表达式联立即可求出IDQ和UDSQ：2)()1(thGSGSDODUuIiDDQDDgggGSQthGSGSQDODQRIVRRRUUUII2112)()1(二、场效应管静态工作点的确定•把下式代入上式，解关于iD的二次方程，有两个根，舍去不合理的一个根，留下合理的一个根便是IDQ。•而)(SDDQDDDSQRRIVU三、场效应管的动态分析•1、场效应管的小信号等效模型•2、共源放大电路的分析•3、共漏放大电路的分析•4、共栅放大电路的分析场效应管的低频小信号等效模型•与晶体管模型的导出相类似，iD是uGS和uDS的函数：•iD=f(uGS，uDS）•研究动态信号时用全微分表示：场效应管的低频小信号等效模型•定义：•当信号较小时，管子的电压、电流仅在Q点附近变化，可以认为是线形的，gm与rds近似为常数，用有效值表示：dsdsgsmdUrUgI1场效应管的低频小信号等效模型•由此式可画出场效应管的低频小信号等效模型：•可见场效应管的低频小信号等效模型比晶体管还要简单。场效应管的低频小信号等效模型•可以从场效应管的转移特性和输出特性曲线上求出gm与rds：•⑴由转移特性曲线可知，gm是uDS=UDSQ那条曲线上Q点处的导数。由于gm是输出回路电流与输入回路电压之比，所以称为跨导。场效应管的低频小信号等效模型•⑵由输出特性曲线可知，rds是uGS=UGSQ这条曲线上Q点处斜率的倒数，描述曲线上翘的程度。场效应管的低频小信号等效模型•由于rds的值很大，可以忽略，得到简化的等效模型：场效应管的低频小信号等效模型•对增强型MOS管，可用电流方程求出gm的表达式：DDOthGSUthGSGSthGSDOUGSDmDODthGSGSthGSGSDODiIUUuUIuigIiUuUuIiDSDS)()()()(2)(2)1(2]1[]1[场效应管的低频小信号等效模型•增强型MOS管在小信号作用时，可用IDQ代替iD，得出：DQDOthGSmIIUg)(2场效应管的低频小信号等效模型•对耗尽型MOS管，同样可用电流方程作类似的推导求出gm的表达式，电流方程和推导如下：DDSSoffGSUoffGSGSoffGSDSSUGSDmDSSDoffGSGSoffGSGSDSSDiIUUuUIuigIiUuUuIiDSDS)()()()(2)(2)1(2]1[]1[场效应管的低频小信号等效模型•耗尽型MOS管在小信号作用时，可用IDQ代替iD，得出：DQDSSoffGSmIIUg)(2场效应管的高频等效模型•场效应管各极之间同样也存在电容，因而其高频响应与晶体管类似。根据结构可得高频模型如下：场效应管的高频等效模型•大多数场效应管的参数如下表：场效应管的高频等效模型•从表中可以看出，rgs和rds数值很大，可以忽略；跨接在g~d之间的电容Cgd可以用与晶体管分析相同的方法折合到输入和输出回路：)(,)(,)(LmgddsdsLmgdgsgsRgKCKKCCRgKCKCC11场效应管的高频等效模型•由于输出回路的时间常数比输入回路小得多，可忽略的影响，综上所述，可得简化模型:dsC•⑴电路结构2、共源放大电路的分析2、共源放大电路的分析•⑵交流分析•先画出交流通路：2、共源放大电路的分析•⑵交流分析•再画出交流等效电路：•再根据等效电路计算交流性能：•①电压放大倍数••电压放大倍数为负值，说明输出电压与输入电压反相。2、共源放大电路的分析LmgsLDgsmuLDgsmORgURRUgARRUgU)//()//(2、共源放大电路的分析•如果有信号源内阻RS时：••②输入电阻•Ri==Rg1∥Rg2•③输出电阻•RO=RDiSiLmuRRRRgA3、共漏放大电路的分析•⑴电路结构一个共漏放大器的电路图如下：3、共漏放大电路的分析•⑵交流分析•先画出交流通路：3、共漏放大电路的分析•⑵交流分析再画出交流等效电路：3、共漏放大电路的分析•再根据等效电路计算交流性能：•①电压放大倍数：3、共漏放大电路的分析•电压放大倍数为正值，表示输出电压与输入电压同相。RgRgAmLmu1。源极跟随器叫因此，共漏放大电路又时：当111RgRgARgmLmuLm3、共漏放大电路的分析•②输入电阻：213//gggiRRRR3、共漏放大电路的分析mSSmSmSOOOOmSOmSOgsmSOOgRRgRgRIURUgRUgRUUgRUI11111//)()(③输出电阻：Us置零后，电路输入部分无电流流过，所以g点电压与d点相同4、共栅放大电路的分析•⑴电路结构一个共栅放大器的电路图如下：4、共栅放大电路的分析•⑵交流性能分析•先画出交流通路：4、共栅放大电路的分析•⑵交流性能分析•再画出交流等效电路：•再根据等效电路计算交流性能：DOmSmSgsmSgsgsiiiLmLDmgsLDgsmiOuRRgRgRUgRUUIURRgRRgURRUgUUA1//11)//()//(4、共栅放大电路的分析四、场效应管三种组态放大性能的比较LmuRgALmuRgA11LmLmuRgRgA21//ggiRRR213//gggiRRRRmSigRR1//DORRDORRmSOgRR1//五、应用举例•例1、电路如图。已知UGS(off)=-4V，IDSS=1mA，VDD=16V，RG1=160K，RG4=40K，RG=1M，RD=10K，RS=8K，RL=1M，试计算：1、静态工作点Q；2、输入电阻Ri和输出电阻RO；3、电压放大倍数。uA五、应用举例•解：1、计算静态工作点Q22)(212)41(82.3)1(2.3164016040GSDDGSoffGSGSDSSDSDGGSDDGGGGUIIUUUIIRIUUQVVRRRU代入数值：点的方程组：列求五、应用举例008.12.1)482.31()41(82.3222DDDDGSDDGSIIIIUIIU整理，得：把上式代入下式得：五、应用举例VRRIVUVUmAIImAImAImAIIISDDQDDDSQGSQDQDSSDDDDD37.6)810(535.016)(08.1535.052.1535.0,52.1008.12.11212：，不合题意，舍去。故由于解之，得：五、应用举例•2、计算输入电阻Ri和输出电阻ROKRRMRRRRDOGGGi1003.104.0//16.01//21五、应用举例•3、计算电压放大倍数。uA65.3)1000//10(366.0)//(366.0535.01422)(LDmLmuDQDSSoffGSmRRgRgAmsIIUg五、应用举例•例2、电路如图。已知场效应管的UGS(off)=-4V，IDSS=2mA，VDD=15V，RG=1M，RL=1M，RS=8K，试计算：1、静态工作点Q；2、输入电阻Ri和输出电阻RO；3、电压放大倍数。uA五、应用举例•解：1、计算静态工作点Q22)()41(8)1(GSDDGSoffGSGSDSSDSDGSUIIUUUIIRIUQ代入数值：点的方程组：列求五、应用举例0154)481()41(8222DDDDGSDDGSIIIIUIIU整理，得：把上式代入下式得：五、应用举例VRIVUVUmAIIImAImAIIISDQDDDSQGSQDQDSSDDDDD13825.015225.025.0,101541212：，不合题意，舍去。故由于解之，得：五、应用举例•2、计算输入电阻Ri和输出电阻ROKgRRMRRmSOGi67.225.01//81//1msIIUgDQDSSoffGSm25.025.01422)(五、应用举例•3、计算电压放大倍数。uA67.01000//825.011000//825.0//1//LSmLSmuRRgRRgA注意事项(1)在使用场效应管时，要注意漏源电压UDS、漏源电流ID、栅源电压UGS及耗散功率等值不能超过最大允许值。(2)场效应管从结构上看漏源两极是对称的，可以互相调用，但有些产品制作时已将衬底和源极在内部连在一起，这时漏源两极不能对换用。(3)结型场效应管的栅源电压UGS不能加正向电压，因为它工作在反偏状态。通常各极在开路状态下保存。(4)绝缘栅型场效应管的栅源两极绝不允许悬空，因为栅源两极如果有感应电荷，就很难泄放，电荷积累会使电压升高，而使栅极绝缘层击穿，造成管子损坏。因此要在栅源间绝对保持直流通路，保存时务必用金属导线将三个电极短接起来。在焊接时，烙铁外壳必须接电源地端，并在烙铁断开电源后再焊接栅极，以避免交流感应将栅极击穿，并按S、D、G极的顺序焊好之后，再去掉各极的金属短接线。(5）注意各极电压的极性不能接错。