MOS場效應(yīng)管放大電路

1、5.3 場效應(yīng)管放大電路 場效應(yīng)管的源極、柵極和漏極分別對(duì)應(yīng)于晶體管的射極、基極和集電極。與晶體管的共射、共基和共集三種組態(tài)相對(duì)應(yīng)，場效應(yīng)管也有共源、共柵和共漏三種組態(tài)。5.3 場效應(yīng)管放大電路 一、場效應(yīng)管的偏置電路 二、場效應(yīng)管靜態(tài)工作點(diǎn)的確定 三、場效應(yīng)管的動(dòng)態(tài)分析 四、場效應(yīng)管三種組態(tài)放大性能的比較 五、應(yīng)用舉例一、場效應(yīng)管的偏置電路 與晶體管放大器類似，靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置對(duì)放大器的性能至關(guān)重要。在場效應(yīng)管放大器中，由于結(jié)型場效應(yīng)管與耗盡型MOS場效應(yīng)管的uGS=0時(shí)，iD0，故可以采用自偏壓方式，如圖所示：一、場效應(yīng)管的偏置電路 在靜態(tài)時(shí)，場效應(yīng)管柵極電流為零，因此柵極電壓為零；而漏極

2、電流不為零，必然在源極電阻上產(chǎn)生壓降，使柵源電壓為負(fù)，獲得合適的工作點(diǎn)。SDQSQSQGQGSQSDQSQRIUUUURIU0一、場效應(yīng)管的偏置電路 對(duì)于增強(qiáng)型MOSFET，由于uGS=0時(shí)，iD=0，故一定要采用分壓式偏置或混合式偏置方式，如圖所示：一、場效應(yīng)管的偏置電路SDQDDgggSQGQGSQSDQSQDDgggAGQRIVRRRUUURIUVRRRUU211211二、場效應(yīng)管靜態(tài)工作點(diǎn)的確定 1、圖解法 在場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性曲線上做出柵源回路直流負(fù)載線的方程，其交點(diǎn)即為工作點(diǎn)?；靿浩珘悍绞阶云珘悍绞絊DQDDgggGSQSDQGSQRIVRRRURIU211二、場效應(yīng)管靜態(tài)工作點(diǎn)的

3、確定 對(duì)于（a)圖，Q1為JFET的工作點(diǎn)，Q2為耗盡型MOSFET的工作點(diǎn)； 對(duì)于（b)圖，Q1為JFET的工作點(diǎn)，Q2為耗盡型MOSFET的工作點(diǎn)，Q3增強(qiáng)型MOSFET的工作點(diǎn)。二、場效應(yīng)管靜態(tài)工作點(diǎn)的確定 2、解析法 耗盡型場效應(yīng)管的電流方程為： 把它在靜態(tài)時(shí)的表達(dá)式與柵源間靜態(tài)電壓的表達(dá)式聯(lián)立即可求出IDQ和UDSQ：2)()1 (offGSGSDSSDUuIiSDQGSQoffGSGSQDSSDQRIUUUII21)()(二、場效應(yīng)管靜態(tài)工作點(diǎn)的確定 增強(qiáng)型場效應(yīng)管的電流方程為： 把它在靜態(tài)時(shí)的表達(dá)式與柵源間靜態(tài)電壓的表達(dá)式聯(lián)立即可求出IDQ和UDSQ：2)() 1(thGSGSD

4、ODUuIiDDQDDgggGSQthGSGSQDODQRIVRRRUUUII2112)() 1(二、場效應(yīng)管靜態(tài)工作點(diǎn)的確定 把下式代入上式，解關(guān)于iD的二次方程，有兩個(gè)根，舍去不合理的一個(gè)根，留下合理的一個(gè)根便是IDQ。 而)(SDDQDDDSQRRIVU三、場效應(yīng)管的動(dòng)態(tài)分析 1、場效應(yīng)管的小信號(hào)等效模型 2、共源放大電路的分析 3、共漏放大電路的分析 4、共柵放大電路的分析場效應(yīng)管的低頻小信號(hào)等效模型 與晶體管模型的導(dǎo)出相類似，iD是uGS 和uDS的函數(shù)： iD=f(uGS， uDS） 研究動(dòng)態(tài)信號(hào)時(shí)用全微分表示：場效應(yīng)管的低頻小信號(hào)等效模型 定義： 當(dāng)信號(hào)較小時(shí)，管子的電壓、電流僅

5、在Q點(diǎn)附近變化，可以認(rèn)為是線形的，gm與rds近似為常數(shù)，用有效值表示：dsdsgsmdUrUgI1場效應(yīng)管的低頻小信號(hào)等效模型 由此式可畫出場效應(yīng)管的低頻小信號(hào)等效模型： 可見場效應(yīng)管的低頻小信號(hào)等效模型比晶體管還要簡單。場效應(yīng)管的低頻小信號(hào)等效模型 可以從場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性曲線上求出gm與rds： 由轉(zhuǎn)移特性曲線可知，gm是uDS=UDSQ那條曲線上Q點(diǎn)處的導(dǎo)數(shù)。由于gm是輸出回路電流與輸入回路電壓之比，所以稱為跨導(dǎo)。場效應(yīng)管的低頻小信號(hào)等效模型 由輸出特性曲線可知， rds是uGS=UGSQ這條曲線上Q點(diǎn)處斜率的倒數(shù)，描述曲線上翹的程度。場效應(yīng)管的低頻小信號(hào)等效模型 由于rds

6、的值很大，可以忽略，得到簡化的等效模型：場效應(yīng)管的低頻小信號(hào)等效模型 對(duì)增強(qiáng)型MOS管，可用電流方程求出gm的表達(dá)式：DDOthGSUthGSGSthGSDOUGSDmDODthGSGSthGSGSDODiIUUuUIuigIiUuUuIiDSDS)()()()(2)(2) 1(2 1 1場效應(yīng)管的低頻小信號(hào)等效模型 增強(qiáng)型MOS管在小信號(hào)作用時(shí)，可用IDQ代替iD，得出：DQDOthGSmIIUg)(2場效應(yīng)管的低頻小信號(hào)等效模型 對(duì)耗盡型MOS管，同樣可用電流方程作類似的推導(dǎo)求出gm的表達(dá)式，電流方程和推導(dǎo)如下：DDSSoffGSUoffGSGSoffGSDSSUGSDmDSSDoffGS

7、GSoffGSGSDSSDiIUUuUIuigIiUuUuIiDSDS)()()()(2)(2)1 (21 1 場效應(yīng)管的低頻小信號(hào)等效模型 耗盡型MOS管在小信號(hào)作用時(shí)，可用IDQ代替iD，得出：DQDSSoffGSmIIUg)(2場效應(yīng)管的高頻等效模型 場效應(yīng)管各極之間同樣也存在電容，因而其高頻響應(yīng)與晶體管類似。根據(jù)結(jié)構(gòu)可得高頻模型如下： 場效應(yīng)管的高頻等效模型 大多數(shù)場效應(yīng)管的參數(shù)如下表：場效應(yīng)管的高頻等效模型 從表中可以看出，rgs和rds數(shù)值很大，可以忽略；跨接在gd之間的電容Cgd可以用與晶體管分析相同的方法折合到輸入和輸出回路： )(,)(,)(LmgddsdsLmgdgsgsR

8、gKCKKCCRgKCKCC11場效應(yīng)管的高頻等效模型 由于輸出回路的時(shí)間常數(shù)比輸入回路小得多，可忽略 的影響，綜上所述，可得簡化模型:dsC 電路結(jié)構(gòu)2、共源放大電路的分析2、共源放大電路的分析 交流分析 先畫出交流通路：2、共源放大電路的分析 交流分析 再畫出交流等效電路： 再根據(jù)等效電路計(jì)算交流性能： 電壓放大倍數(shù) 電壓放大倍數(shù)為負(fù)值，說明輸出電壓與輸入電壓反相。 2、共源放大電路的分析LmgsLDgsmuLDgsmORgURRUgARRUgU)/()/(2、共源放大電路的分析 如果有信號(hào)源內(nèi)阻RS時(shí)： 輸入電阻 Ri= = Rg1Rg2 輸出電阻 RO=RDiSiLmuRRRRgA3、

9、共漏放大電路的分析 電路結(jié)構(gòu) 一個(gè)共漏放大器的電路圖如下：3、共漏放大電路的分析 交流分析 先畫出交流通路：3、共漏放大電路的分析 交流分析 再畫出交流等效電路：3、共漏放大電路的分析 再根據(jù)等效電路計(jì)算交流性能： 電壓放大倍數(shù)：3、共漏放大電路的分析 電壓放大倍數(shù)為正值，表示輸出電壓與輸入電壓同相。RgRgAmLmu1。源極跟隨器叫因此，共漏放大電路又時(shí)：當(dāng)111RgRgARgmLmuLm3、共漏放大電路的分析 輸入電阻：213/gggiRRRR3、共漏放大電路的分析mSSmSmSOOOOmSOmSOgsmSOOgRRgRgRIURUgRUgRUUgRUI11111/)()( 輸出電阻：Us

10、置零后，電路輸入部分無電流流過，所以g點(diǎn)電壓與d點(diǎn)相同4、共柵放大電路的分析 電路結(jié)構(gòu) 一個(gè)共柵放大器的電路圖如下：4、共柵放大電路的分析 交流性能分析 先畫出交流通路：4、共柵放大電路的分析 交流性能分析 再畫出交流等效電路： 再根據(jù)等效電路計(jì)算交流性能：DOmSmSgsmSgsgsiiiLmLDmgsLDgsmiOuRRgRgRUgRUUIURRgRRgURRUgUUA1/11)/()/(4、共柵放大電路的分析四、場效應(yīng)管三種組態(tài)放大性能的比較LmuRgALmuRgA11LmLmuRgRgA21/ggiRRR 213/gggiRRRRmSigRR1/DORRDORR mSOgRR1/五、應(yīng)

11、用舉例 例1、電路如圖。已知UGS(off )=-4V，IDSS=1mA，VDD=16V，RG1=160K， RG4=40K， RG=1M， RD=10K， RS=8K， RL=1M，試計(jì)算：1、靜態(tài)工作點(diǎn)Q；2、輸入電阻Ri和輸出電阻RO；3、電壓放大倍數(shù) 。uA五、應(yīng)用舉例 解： 1、計(jì)算靜態(tài)工作點(diǎn)Q22)(212)41 (82 . 3)1 (2 . 3164016040GSDDGSoffGSGSDSSDSDGGSDDGGGGUIIUUUIIRIUUQVVRRRU代入數(shù)值：點(diǎn)的方程組：列求五、應(yīng)用舉例008. 12 . 1)482 . 31 ()41 (82 . 3222DDDDGSDDG

12、SIIIIUIIU整理，得：把上式代入下式得：五、應(yīng)用舉例VRRIVUVUmAIImAImAImAIIISDDQDDDSQGSQDQDSSDDDDD37. 6)810(535. 016)(08. 1535. 052. 1535. 0,52. 1008. 12 . 11212：，不合題意，舍去。故由于解之，得：五、應(yīng)用舉例 2、計(jì)算輸入電阻Ri和輸出電阻ROKRRMRRRRDOGGGi1003. 104. 0/16. 01/21五、應(yīng)用舉例 3、計(jì)算電壓放大倍數(shù) 。uA65. 3)1000/10(366. 0)/(366. 0535. 01422)(LDmLmuDQDSSoffGSmRRgRgA

13、msIIUg五、應(yīng)用舉例 例2、電路如圖。已知場效應(yīng)管的UGS(off)=-4V， IDSS=2mA， VDD=15V， RG=1M， RL=1M， RS=8K，試計(jì)算： 1、靜態(tài)工作點(diǎn)Q； 2、輸入電阻Ri和輸出電阻RO； 3、電壓放大倍數(shù) 。uA五、應(yīng)用舉例 解： 1、計(jì)算靜態(tài)工作點(diǎn)Q22)()41 (8)1 (GSDDGSoffGSGSDSSDSDGSUIIUUUIIRIUQ代入數(shù)值：點(diǎn)的方程組：列求五、應(yīng)用舉例0154)481 ()41 (8222DDDDGSDDGSIIIIUIIU整理，得：把上式代入下式得：五、應(yīng)用舉例VRIVUVUmAIIImAImAIIISDQDDDSQGSQD

14、QDSSDDDDD13825. 015225. 025. 0,101541212：，不合題意，舍去。故由于解之，得：五、應(yīng)用舉例 2、計(jì)算輸入電阻Ri和輸出電阻ROKgRRMRRmSOGi67. 225. 01/81/1msIIUgDQDSSoffGSm25. 025. 01422)(五、應(yīng)用舉例 3、計(jì)算電壓放大倍數(shù) 。uA67. 01000/825. 011000/825. 0/1/LSmLSmuRRgRRgA注意事項(xiàng) (1)在使用場效應(yīng)管時(shí)，要注意漏源電壓UDS、漏源電流ID、柵源電壓UGS及耗散功率等值不能超過最大允許值。 (2)場效應(yīng)管從結(jié)構(gòu)上看漏源兩極是對(duì)稱的，可以互相調(diào)用，但有些

15、產(chǎn)品制作時(shí)已將襯底和源極在內(nèi)部連在一起，這時(shí)漏源兩極不能對(duì)換用。 (3)結(jié)型場效應(yīng)管的柵源電壓UGS不能加正向電壓，因?yàn)樗ぷ髟诜雌珷顟B(tài)。通常各極在開路狀態(tài)下保存。(4)絕緣柵型場效應(yīng)管的柵源兩極絕不允許懸空，因?yàn)闁旁磧蓸O如果有感應(yīng)電荷，就很難泄放，電荷積累會(huì)使電壓升高，而使柵極絕緣層擊穿，造成管子損壞。因此要在柵源間絕對(duì)保持直流通路，保存時(shí)務(wù)必用金屬導(dǎo)線將三個(gè)電極短接起來。 在焊接時(shí)，烙鐵外殼必須接電源地端，并在烙鐵斷開電源后再焊接?xùn)艠O，以避免交流感應(yīng)將柵極擊穿，并按S、D、G極的順序焊好之后，再去掉各極的金屬短接線。(5）注意各極電壓的極性不能接錯(cuò)。一、場效應(yīng)管的偏置電路 在靜態(tài)時(shí)，場效應(yīng)

16、管柵極電流為零，因此柵極電壓為零；而漏極電流不為零，必然在源極電阻上產(chǎn)生壓降，使柵源電壓為負(fù)，獲得合適的工作點(diǎn)。SDQSQSQGQGSQSDQSQRIUUUURIU0一、場效應(yīng)管的偏置電路 對(duì)于增強(qiáng)型MOSFET，由于uGS=0時(shí)，iD=0，故一定要采用分壓式偏置或混合式偏置方式，如圖所示：二、場效應(yīng)管靜態(tài)工作點(diǎn)的確定 對(duì)于（a)圖，Q1為JFET的工作點(diǎn)，Q2為耗盡型MOSFET的工作點(diǎn)； 對(duì)于（b)圖，Q1為JFET的工作點(diǎn)，Q2為耗盡型MOSFET的工作點(diǎn)，Q3增強(qiáng)型MOSFET的工作點(diǎn)。場效應(yīng)管的低頻小信號(hào)等效模型 由此式可畫出場效應(yīng)管的低頻小信號(hào)等效模型： 可見場效應(yīng)管的低頻小信號(hào)等效模型比晶體管還要簡單。場效應(yīng)管的高頻等效模型 場效