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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iB控制集电极电流iC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uGS控制漏极电流iD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6-22a)称为自偏置电路,图6-22b)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

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UGS0的区域。图6-22a)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IDRS上的电压降提供栅极偏压,即

                                                   6.5.1

为减少RS对放大倍数的影响,在RS两端同样并联一个足够大的旁路电容CS

由场效应管工作原理我们知道ID是随UGS变化的,而UGS取决ID的大小。确定静态工作点IDUGS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uGSiD坐标,得到相应直流负载线CD,如图6-23所示由()uGSiD坐标系中作另一条直线,两线的交点即为Q点。

6-23  求自给偏压电路Q点的图解法

2计算法。场效应管的IDUGS之间的关系可用下式表示,即

                                         6.5.2

IDSS为饱和漏极电流,UP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6-22b)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R1R2对放大电路的输入电阻影响太大,故通过RG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uGSiD坐标系的原点,而是通过ID=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iD是栅极电压uGS和漏源电压uDS的函数:

求微分式

                                         

                                         

                                         

如果用idugsuds分别表示iDuGSuDS的变化部分,则微分式可写为

                                         

其中:

                                      

                                            6.5.4

式中:gmuGS可表示为电压uGS控制的电流源,rd为其并联内阻。一般场效应管的输出电阻rd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6-22b)所示,其微变等效电路如图6-24所示。

6-24  共源极放大电路微变等效电路

1)电压放大倍数Au

                                                

                                                

,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ri

                                              6.5.6

3)输出电阻ro

                                                           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。

   

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

1)电压放大倍数Au

                                                       

输入电压

                                                

式中

                                                

所以

                                                

整理后得

                                                

                                          6.5.8

2)输入电阻ri

                                                    6.5.9

3)输出电阻ro。令Us=0,并在输出端加一信号U2,如图6-27所示。

6-27  输出电阻计算电路

                                         

                                         

                                   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。