MOS場效應(yīng)管放大電路

1、2021/3/2715.3 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)相對應(yīng),場效應(yīng)管也有共源、共柵和共漏三種組態(tài)。2021/3/2725.3 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2021/3/273一、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:2021/3/274

2、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)。SDQSQSQGQGSQSDQSQRIUUUURIU02021/3/275一、場效應(yīng)管的偏置電路 對于增強(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:2021/3/276一、場效應(yīng)管的偏置電路SDQDDgggSQGQGSQSDQSQDDgggAGQRIVRRRUUURIUVRRRUU2112112021/3/277二、場效應(yīng)管靜態(tài)工作點(diǎn)的確定 1、圖解法、圖解法 在場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性曲線上做出柵

3、源回路直流負(fù)載線的方程,其交點(diǎn)即為工作點(diǎn)。混壓偏壓方式自偏壓方式SDQDDgggGSQSDQGSQRIVRRRURIU2112021/3/278二、場效應(yīng)管靜態(tài)工作點(diǎn)的確定 對于（a)圖,Q1為JFET的工作點(diǎn),Q2為耗盡型MOSFET的工作點(diǎn); 對于（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)。2021/3/279二、場效應(yīng)管靜態(tài)工作點(diǎn)的確定 2、解析法、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 (offGSGSDSSDUuIiSDQGSQoffGSGSQD

4、SSDQRIUUUII21)()(2021/3/2710二、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(thGSGSDODUuIiDDQDDgggGSQthGSGSQDODQRIVRRRUUUII2112)() 1(2021/3/2711二、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,有兩個根,舍去不合理的一個根,留下合理的一個根便是IDQ。 而)(SDDQDDDSQRRIVU2021/3/2712三、場效應(yīng)管的動態(tài)分析 1、場效應(yīng)管的小信號等效模型 2、共源放大電路的分析

5、3、共漏放大電路的分析 4、共柵放大電路的分析2021/3/2713場效應(yīng)管的低頻小信號等效模型 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） 研究動態(tài)信號時(shí)用全微分表示:2021/3/2714場效應(yīng)管的低頻小信號等效模型 定義: 當(dāng)信號較小時(shí),管子的電壓、電流僅在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:dsdsgsmdUrUgI12021/3/2715場效應(yīng)管的低頻小信號等效模型 由此式可畫出場效應(yīng)管的低頻小信號等效模型: 可見場效應(yīng)管的低頻小信號等效模型比晶體管還要簡單。2021/3/2716場效應(yīng)管的低頻小信號等效模

6、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)。2021/3/2717場效應(yīng)管的低頻小信號等效模型 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。2021/3/2718場效應(yīng)管的低頻小信號等效模型 由于rds的值很大,可以忽略,得到簡化的等效模型:2021/3/2719場效應(yīng)管的低頻小信號等效模型 對增強(qiáng)型MOS管,可用電流方程求出gm的表達(dá)式:DDOthGSUthGSGSthGSDOUGSDmDODthGSG

7、SthGSGSDODiIUUuUIuigIiUuUuIiDSDS)()()()(2)(2) 1(2 1 12021/3/2720場效應(yīng)管的低頻小信號等效模型 增強(qiáng)型MOS管在小信號作用時(shí),可用IDQ代替iD,得出:DQDOthGSmIIUg)(22021/3/2721場效應(yīng)管的低頻小信號等效模型 對耗盡型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:DDSSoffGSUoffGSGSoffGSDSSUGSDmDSSDoffGSGSoffGSGSDSSDiIUUuUIuigIiUuUuIiDSDS)()()()(2)(2)1 (21 1 2021/3/2722場效應(yīng)

8、管的低頻小信號等效模型 耗盡型MOS管在小信號作用時(shí),可用IDQ代替iD,得出:DQDSSoffGSmIIUg)(22021/3/2723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: 2021/3/2724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:2021/3/2725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: )(,)(,)(LmgddsdsLmgdgsgsRgKCKKCCRgKCKCC112021/3/272

9、6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:dsC2021/3/2727 電路結(jié)構(gòu)2、共源放大電路的分析2021/3/27282、共源放大電路的分析 交流分析 先畫出交流通路:2021/3/27292、共源放大電路的分析 交流分析 再畫出交流等效電路:2021/3/2730 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)/()/(2021/3/27312、共源放大電路的分析 如果有信號源內(nèi)阻RS時(shí): 輸入

10、電阻 Ri= = Rg1Rg2 輸出電阻 RO=RDiSiLmuRRRRgA2021/3/27323、共漏放大電路的分析 電路結(jié)構(gòu) 一個共漏放大器的電路圖如下:2021/3/27333、共漏放大電路的分析 交流分析 先畫出交流通路:2021/3/27343、共漏放大電路的分析 交流分析 再畫出交流等效電路:2021/3/27353、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):2021/3/27363、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)111RgRgARgmLmuLm2021/3/2

11、7373、共漏放大電路的分析 輸入電阻:213/gggiRRRR2021/3/27383、共漏放大電路的分析mSSmSmSOOOOmSOmSOgsmSOOgRRgRgRIURUgRUgRUUgRUI11111/)()( 輸出電阻:Us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2021/3/27394、共柵放大電路的分析 電路結(jié)構(gòu) 一個共柵放大器的電路圖如下:2021/3/27404、共柵放大電路的分析 交流性能分析 先畫出交流通路:2021/3/27414、共柵放大電路的分析 交流性能分析 再畫出交流等效電路:2021/3/2742 再根據(jù)等效電路計(jì)算交流性能:DOmSmSgsmS

12、gsgsiiiLmLDmgsLDgsmiOuRRgRgRUgRUUIURRgRRgURRUgUUA1/11)/()/(4、共柵放大電路的分析2021/3/2743四、場效應(yīng)管三種組態(tài)放大性能的比較LmuRgALmuRgA11LmLmuRgRgA21/ggiRRR 213/gggiRRRRmSigRR1/DORR DORR mSOgRR1/2021/3/2744五、應(yīng)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

13、阻RO;3、電壓放大倍數(shù) 。uA2021/3/2745五、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2021/3/2746五、應(yīng)用舉例008. 12 . 1)482 . 31 ()41 (82 . 3222DDDDGSDDGSIIIIUIIU整理，得：把上式代入下式得：2021/3/2747五、應(yīng)用舉例VRRIVUVUmAIImAImAImAIIISDDQDDDSQGSQDQDSSDDDDD37. 6)810(

14、535. 016)(08. 1535. 052. 1535. 0,52. 1008. 12 . 11212：，不合題意，舍去。故由于解之，得：2021/3/2748五、應(yīng)用舉例 2、計(jì)算輸入電阻Ri和輸出電阻ROKRRMRRRRDOGGGi1003. 104. 0/16. 01/212021/3/2749五、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)(LDmLmuDQDSSoffGSmRRgRgAmsIIUg2021/3/2750五、應(yīng)用舉例 例2、電路如圖。已知場效應(yīng)管的UGS(off)=-4V, IDSS=2mA,

15、 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) 。uA2021/3/2751五、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2021/3/2752五、應(yīng)用舉例0154)481 ()41 (8222DDDDGSDDGSIIIIUIIU整理，得：把上式代入下式得：2021/3/2753五、應(yīng)用舉例VRIVUVUmAIIImAImAIIISDQDDDSQGSQDQDSSDDDDD13825. 01

16、5225. 025. 0,101541212：，不合題意，舍去。故由于解之，得：2021/3/2754五、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)(2021/3/2755五、應(yīng)用舉例 3、計(jì)算電壓放大倍數(shù) 。uA67. 01000/825. 011000/825. 0/1/LSmLSmuRRgRRgA2021/3/2756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)上看漏源兩極是對稱的,可以互相調(diào)用,但有些產(chǎn)品制作時(shí)已將襯底和源極在內(nèi)部連在一起,這時(shí)漏源兩極不能對換用。 (3)