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场效应管放大电路

作者: 来源: 发布时间:2011/2/15 9:19:03  点击数:1350

 

由场效应管组成放大电路时,也要建立合适的静态工作点Q,而且场效应管是电压控制器件,因此需要有合适的栅源偏置电压。常用的直流偏置电路有两种形式,即自偏压电路和分压式偏压电路。

1.自偏压电路

(a)
(b)
图XX_01

  图XX_01(a)所示电路是一个自偏压电路,其中场效应管的栅极通过电阻Rg接地,源极通过电阻R接地。这种偏置方式靠漏极电流ID在源极电阻R上产生的电压为栅源极间提供一个偏置电压VGS,故称为自偏压电路。静态时,源极电位VS=IDR。由于栅极电流为零,Rg上没有电压降,机极电位VG=0,所以栅源偏置电压VGS= VGVS= –IDR。耗尽型MOS管也可采用这种形式的偏置电路。
    图XX_01(b)所示电路是自偏压电路的特例,其中VGS=0。显然,这种偏置电路只适用于耗尽型MOS管,因为在机源电压大于零、等于零和小于零的一定范围内,耗尽型MOS管均能正常工作。
    增强型MOS管只有在机源电压达到其开启电压VT时,才有漏极电流ID产生,因此这类管子不能用于图XX_01所示的自偏压电路中。
2.分压式偏置电路

图XX_02

    分压式偏置电路是在自偏压电路的基础上加接分压电路后构成的,如图XX_02所示。静态时,由于栅极电流为零,Rg3上没有电压降,所以栅极电位由Rg2Rg1对电源VDD分压得到 。源极电位VS=IDR
    这种偏置方式同样适用于结型场效应管或耗尽型MOS管组成的放大电路。
 
对场效应管放大电路的列态分析也可以采用图解法或公式估算法,图解法的步骤与双极型三极管放大电路的图解法相似。这里仅讨论用公式估算法求静态工作点。 
工作在饱和区时,结型场效应管和耗尽型MOS管的漏极电流 ,增强型MOS管的漏极电流

0440101图XX_01
0440101图XX_02

求静态工作点时,对于知识点0440101中图XX_01(a)所示电路,可求解方程组
得到IDVGS
管压降 
对于知识点0440101中图XX_02所示电路,可求解方程组
得到IDVGS
管压降 VDS=VDDID(Rd+R)
  
场效应管也是非线性器件,在输入信号电压很小的条件下,也可将其用小信号模型等效。与建立双极型三极管小信号模型相似,将场效应管也看成一个两端口网络,以结型场效应管为例,栅极与源极之间为输入端口,漏极与源极之间为输出端口。无论是哪种类型的场效应管,均可以认为栅极电流为零,输入端口视为开路(即视 ),栅源极间只有电压存在。在输出端口,漏极电流iDvGSvDS的函数,即

(a)
(b)
(c)
(d)

研究电压、电流间的微变关系时,要用全微分表示,即
在介绍场效应管参数时已经讲过, 称为低频跨导,表征vGSiD的控制能力。 rd为场效应管的输出电阻),表明vDSiD的影响程度。分别用gm和 代入上式,则得
当输入信号为幅值较小的正弦波信号,管子的电压、电流只在Q点附近变化时,上式中的diD、dvGS、diDS可用电流、电压的交流分量代替,于是得到
由此式可见,场效应管的输出端口可用一个电流源gmvgs和输出电阻rd的并联网络等效。电流源gmvgs是受电压vgs控制的,称为压控电流源,其方向由vgs的极性决定。于是在低频小信号条件下,场效应管可用图XX_01(b)所示朱上信号模型等效。图XX_01(c)是场效应管小信号模型的另一种形式,其输出回路用电压控制的电压源 和输出电阻 串联的形式表示。 
当场效应管工作在高频小信号条件下时,其极间电容的影响不能忽略,这时场效应管要用如图XX_01(d)所示的高频小信号模型等效。 
  
与双极型三极管放大电路相对应,场效应管放大电路也有三种基本组态,即共源极、共漏极和共栅极放大电路(由于共栅连接时,栅极与沟道间的高阻未能发挥作用,故共栅电路很少使用)。用场效应管小信号模型分析其放大电路的步骤,与三极管放大电路的小信号模型分析法的步骤也相同。 

(a)
(b)
图XX_01

图XX_01(a)所示为共源极放大电路,其中频小信号等效电路如图XX_01(b)所示。
1.中频电压增益
场效应管的输出电阻rd通常在几百千欧数量级,比电阻RdRL大得多,因此可将rd作开路处理,于是图XX_01(b)中
式中负号表示共源极放大电路的输出电压与输入电压相位相反,即共源放大电路属于反相电压放大电路。
2.输入电阻
由于场效应管栅极几乎不取信号电流,栅源极间的交流电阻可视为无穷大,因此,图XX_01所示共源极放大电路的输入电阻为

3.输出电阻
应用前面介绍过的求放大电路输出电阻的方法,可求得图XX_01所示电路的输出电阻为
由上述分析可知,与共射极放大电路类似,共源极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,故被称为反相电压放大器;共源极放大电路的输入电阻很高,输出电阻主要由漏极电阻Rd决定。适用于作多级放大电路的输入级或中间级。
 

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