6.5 场效应管放大电路

 

6.5  场效应管放大电路

上一节介绍了场效应管的结构和工作原理，下面分析由场效应管组成的放大电路。场效应管分为结型（JFET）和绝缘栅型（IGFET）两大类，后者又有耗尽型和增强型两种，每种类型的场效应管又有N沟道和P沟道两种类型。半导体三极管为双极型晶体管（多子、少子均参与导电），简称晶体管，而场效应管是单极型器件（只有一种载流子参与导电）。晶体管和场效应管都有3个电极。晶体管的基极b、发射极e和集电极c对应着场效应管的栅极G、源极S和漏极D。晶体管是通过基极电流i_B控制集电极电流i_C来实现放大的，所以是电流控制器件；而场效应管是通过栅源极之间的电压u_GS控制漏极电流i_D来实现放大的，所以是电压控制器件。晶体管有3种接法：共射、共集和共基，对应着场效应管也有3种接法：共源、共漏和共栅。类似地，场效应管也可以用图解法和微变等效电路法来分析，只是特性曲线及等效电路模型不同于晶体管而已。下面来分析场效应管放大电路。

6.5.1  场效应管放大电路的静态分析

场效应管组成放大电路和半导体三极管一样，要建立合适的静态工作点，所不同的是场效应管是电压控制器件，因此它需要有合适的栅极电压。通常偏置的形式有两种，分别选用耗尽型或结型的偏压电路，图6-22（a）称为自偏置电路，图6-22（b）为适用于增强型场效应管的分压式偏置电路，下面分别介绍分析。

（a）                                   （b）

图6-22  自偏置电路和分压式偏置电路

1．自偏置电路

下面以N沟道为例进行讨论。由于MOS管又分为耗尽型和增强型，故偏置电路也有所区别。结型场效应管只能工作在U_GS＜0的区域。图6-22（a）为自给偏压电路，它适用于结型场效应管或耗尽型场效应管，它依靠漏极电流I_D在R_S上的电压降提供栅极偏压，即

                                                   （6.5.1）

为减少R_S对放大倍数的影响，在R_S两端同样并联一个足够大的旁路电容C_S。

由场效应管工作原理我们知道I_D是随U_GS变化的，而U_GS取决I_D的大小。确定静态工作点I_D和U_GS值，一般可采用两种方法：图解法和计算法。

（1）图解法。首先，由漏极回路写出方程

                                         

由此得出场效应管的输出特性曲线AB，将此直流负载线逐点转到u_GS～i_D坐标，得到相应直流负载线CD，如图6-23所示由()在u_GS～i_D坐标系中作另一条直线，两线的交点即为Q点。

图6-23  求自给偏压电路Q点的图解法

（2）计算法。场效应管的I_D和U_GS之间的关系可用下式表示，即

                                         （6.5.2）

I_DSS为饱和漏极电流，U_P为夹断电压，可由手册查出。

2．分压式偏置电路

另一种常用的偏置电路为分压式偏置电路，如图6-22（b）所示。该电路适合于增强型和耗尽型MOS管和结型场效应管。为了不使分压电阻R₁、R₂对放大电路的输入电阻影响太大，故通过R_G与栅极相连。该电路栅、源电压为

                               （6.5.3）

利用图解法求Q点时，此方程的直线不通过u_GS～i_D坐标系的原点，而是通过I_D=0，点，其他过程与自偏置电路相同。

利用计算法求解时，需联立解下面方程组

                                         

6.5.2  场效应管放大器的动态分析

1．场效应管放大器的微变等效电路

在输入信号幅度比较小和频率比较低时，场效应管工作在线性放大区，即在输出特性曲线的恒流区，且不产生附加相移，可用微变等效电路来分析。

漏极电流i_D是栅极电压u_GS和漏源电压u_DS的函数：

求微分式

                                         

令

                                         

                                         

如果用i_d、u_gs、u_ds分别表示i_D、u_GS、u_DS的变化部分，则微分式可写为

                                         

其中：。

令                                      

则

                                            （6.5.4）

式中：g_mu_GS可表示为电压u_GS控制的电流源，r_d为其并联内阻。一般场效应管的输出电阻r_d很大，尤其是绝缘栅型管，故可略去。对于增强型绝缘栅MOS管，几乎无栅极电流，可视为开路。

2．共源放大电路

共源放大电路电路图如图6-22（b）所示，其微变等效电路如图6-24所示。

图6-24  共源极放大电路微变等效电路

（1）电压放大倍数A_u。

                                                

                                                

，所以

                                           （6.5.5）

式中负号表示输出电压与输入电压反相。

（2）输入电阻r_i。

                                              （6.5.6）

（3）输出电阻r_o。

                                                           （6.5.7）

3．共漏放大电路

共漏放大电路如图6-25所示。静态分析与共源放大电路相同。其微变等效电路如图6-26所示。

   

图6-25  共漏极放大电路                         图6-26  输出电阻计算电路

（1）电压放大倍数A_u。

                                                       

输入电压

                                                 ，

式中而

                                                

所以

                                                

整理后得

                                                

故

                                          （6.5.8）

（2）输入电阻r_i。

                                                    （6.5.9）

（3）输出电阻r_o。令U_s=0，并在输出端加一信号U₂，如图6-27所示。

图6-27  输出电阻计算电路

则

                                         

                                         

故

                                   （6.5.10）

从分析结果可以看出：

（1）电压放大倍数小于且接近于l。

（2）输出电压与输入电压同相，故也称源极跟随器。

（3）输入电阻高而输入电容小。

（4）输出电阻小。